移动卫星通信系统中车载站天线的设计

移动卫星通信系统中车载站天线的设计

0第二,系统设计基于同步轨道卫星的移动通信系统通常被称为“动态通信”。除了具有广阔的卫星通信覆盖区域、通信距离、通信成本和通信成本几乎无关，不受地形区域限制，通信线路稳定可靠外，还实现了宽带通信和移动通信的目的。“动中通”卫星通信系统由中心站和地面移动用户站组成,系统的网络拓扑结构以星状网为宜。中心站可以为固定地面站,也可以为可机动站,地面移动用户站根据移动载体的区别可以是船载站、车载站(列车、汽车)、机载站等。地面移动用户站可以在快速移动中通过中心站接入到公共电话网、会议电视网和专用通信网中。由于其运动中通信的特殊性,所以系统设计上要考虑以下几方面的内容:①卫星功率有限、传输高速业务与移动站低天线增益之间的矛盾十分突出。在移动站低增益天线的情况下,为保证能够传输高速业务,要求卫星要有比较高的天线增益和大的发射功率;由于一个移动站占用卫星功率过多,又限制了系统的容量,所以需要综合考虑天线口径、卫星功率利用率、通信频率和通信业务等相关问题,使系统工作在最佳状态。②系统有时是在非高斯信道中工作的,电波传播情况复杂。由于移动站要在快速移动中通信,可能遇到建筑物、树木、山谷等地形地物的遮蔽,造成阴影效应,测试表明,由于阴影效应引起的信号衰落深度达数分贝乃至几十分贝,对通信将会产生严重影响,甚至造成通信中断;另外由于移动,可能会产生多径效应,也会对通信造成一定影响。对由于阴影效应和多径效应造成的影响,要进行相应处理,以提高系统的可用性。③由于地面终端的移动通信特性,所以需要地面终端的天线时刻对准所使用的卫星,这就要求其伺服系统必须对载体姿态变化有高的隔离度,即必须隔离掉载体姿态的剧烈变化对天线指向的影响,在载体快速颠簸的情况下保证天线主波束对准通信卫星;为了减小由于遮挡等原因造成的中断影响,要求在天线遮挡后对卫星的再捕获时间要短;为了提高通信效率,减小跟踪损失,要求跟踪精度要高。为实现这些要求,天线伺服跟踪要全面考虑这些要求进行设计。本文在考虑上述问题的前提下,针对动中通所使用卫星的带宽和功率、移动终端能力、天线伺服跟踪等几个问题进行了讨论,给出了相应的设计思路。1系统设计的原则对于卫星通信系统来说,系统建设分为地面设备和空间段转发器,其中空间段的成本是系统运营过程中的主要开销,如何更加有效地使用卫星转发器,有效地降低地面设备成本,提高系统工作的可靠性,使系统简单易用,是卫星通信系统设计中最重要的工作。卫星空间段资源主要由转发器带宽和转发器功率两部分组成,卫星公司通常是根据用户的载波占用转发器的带宽的百分比和占用转发器功率的百分比来决定转发器的租金,通常要取二者中比较大的那个百分数。所以系统设计时应考虑的原则是:①尽量少地占用转发器的带宽;②尽量少地占用转发器的功率;③要平衡转发器带宽和功率的占用率。卫星分配带宽和功率一般通过如下方法计算。(1)网络传输scdBW=Rb*1FEC*1MOD*(1+Rolloff)BW=Rb*1FEC*1ΜΟD*(1+Rolloff)。(1)式(1)中,BW为卫星分配带宽(HZ);Rb为系统传输的信息速率(kbps);FEC为系统传输的前项纠错编码;MOD为系统调制方式;Rolloff为滚降系数。(2)系统的基本问题EIRPs=EbN0−(GT)D+LD+Rb+K+BOOEΙRΡs=EbΝ0-(GΤ)D+LD+Rb+Κ+BΟΟ。(2)式(2)中,EIRPs为卫星分配功率(dBW);EbN0EbΝ0为系统解调门限(dB);(GT)D(GΤ)D为地面移动终端的品质因数(dB/K);LD为下行传输损耗,包括自由空间损耗和其他损耗(dB);Rb为信息传输速率(bps,计算时应换算成dB);K为波尔兹曼常数,为-228.6dB;BOO为转发器输出补偿(dB),该值与所使用卫星有关。2天线的设计思想对于移动卫星通信系统的站型由于需要在移动中进行通信的特殊需要,因此站型的业务能力、体积、重量、功耗都要统筹考虑,直径大的天线各种参数指标高(天线收发增益、G/T值等,但由于天线波束变窄,跟踪较困难),对信号的传输有利;直径小的天线运动惯量小,易于提高机械操控的精度,使站型的灵活性提高,但由于其收发增益低,对信号的传输不利。因此地面移动终端的设计原则为:①在保证传输业务的前提下,能够使用较小的天线,这样可对跟踪带来好处,同时可以减小移动终端的体积,提高其运动的灵活性;②在保证传输业务的前提下,能够使用较小的功率放大器,这样可降低系统的功耗,使系统的可靠性增加;③提高通信设备性能,如降低解调器的解调门限等,也可以减小天线口径和降低功耗。移动终端的设计方法是依据解调门限的大小,通过计算得到天线口径和功率放大器的值,下面给出简要的设计思路。①通过下行链路计算,得到地面站品质因数要求,从而计算出所需要的最小接收天线口径;②根据上行链路计算,得到地面站需要发射的值:EIRP=Pt×Gt,(3)式(3)中,Pt为地面移动终端的发射功率,Gt为地面移动终端的天线增益,确定了天线的增益后,可以计算出地面移动终端需要的功放功率Pt;③如果所计算出的功放功率过大,可以适当选用较大口径的天线,重新计算,直到天线口径和功放功率都比较适中为止。解调器性能也就是解调门限Eb/N0值,是链路分析计算的依据,解调门限决定了接收站的品质因数G/T,而地面站的品质因数在一定条件下(给定卫星和接收站地址)完全取决于接收天线的口径。解调门限越高,需要的天线口径越大;解调门限越低,需要的天线口径越小。所以,降低解调器的解调门限,是降低天线口径的最重要和有效的方法。3天线跟踪跟踪3.1天线跟踪精度由于同步轨道卫星定点于距离地面36000km多公里的同步轨道上,为了实现宽带卫星通信,必须采用高增益天线,这种天线的波束宽度很窄(如1.2m口径的天线,在14.25GHz时其波束宽度为1.23°),而载体又在高速运动,其位置特别是其姿态角不断迅速变化,引起其天线指向的角度迅速变化,而且其指向角的变化会大大超过其姿态角的不断变化,天线的增益损失大大提高,造成通信误码率增加,甚至通信中断。表1为1.2m口径的天线跟踪精度为0°到0.5倍天线波束宽度时的发射增益损失值。跟踪精度的提高可以减少增益损失,从而提高通信效率,由表1可以看出随着跟踪精度的提高,天线增益损失减小,但是若天线跟踪精度要求过高,天线增益增加不大,对通信效果的变化并不十分明显,但系统的造价却会提高很多,因此移动卫星通信系统的跟踪精度,选择跟踪精度≤1/8倍天线波束宽度为宜。3.2惯导引导加单脉冲自跟踪天线的重新捕获时间是指地面移动卫星终端进入信号中断地带后,载体的伺服系统无信号跟踪卫星,且通信中断,载体驶出中断区后的天线重新跟踪上卫星的时间。为达到这个要求,移动卫星通信系统应采用如下2个方法:其一,采用罗盘引导加单脉冲自跟踪的技术体制,并且在设计时使天线伺服系统具有中断后天线指向的记忆功能,经过短时间的电波中断后,天伺系统不需要重新捕获,即可恢复通信。这种方式优点是实现简单,在一定条件下也能实现载体出遮挡区后的快速捕获卫星。如果载体在遮挡区内转弯或上下坡,都会引起天线的再捕获时间大大加长。实际应用时,这种方式不能稳定地保持在较短的时间内使天线重新捕获卫星。其二、伺服系统采用惯导引导加单脉冲自跟踪的技术体制,其跟踪原理是在初始静态情况下,由GPS、捷联惯导系统测量出航向角、载体所在位置的经度和纬度及相对水平面的初始角,然后根据其姿态及地理位置、卫星经度自动确定以水平面为基准的天线仰角,在保持仰角对水平面不变的前提下转动方位,并以信号极大值方式自动对准卫星。在载体运动过程中,测量出载体姿态的变化,通过数学平台的运算,变换为天线的误差角,通过伺服机构调整天线方位角、俯仰角、极化角,保证载体在变化过程中天线对星在规定范围内,使卫星发射天线在载体运动中实时跟踪地球同步卫星。这种跟踪方式有单脉冲自跟踪和惯导跟踪两种。单脉冲自跟踪是依靠卫星信标进行天线闭环伺服跟踪;惯导跟踪是利用陀螺惯导组合敏感载体的变化进行天线跟踪。这两种跟踪可根据现场情况自动切换。当系统对星完毕转入自动跟踪后,以自跟踪方式工作;与此同时,惯导系统也进入工作状态,并不断输出天线极化、方位和俯仰等数据。当由于遮挡或其他原因引起天线信标信号中断时,系统自动切换到惯导跟踪方式。这种跟踪体制能够保证稳定地保持在较短的时间内使天线重新捕获卫星,但是其成本相对比较高。4基于同步轨道卫星的移动通信系统设计本文对移动卫星通信车载站在系统设计时要考虑的几个问题进行了讨论,并给出了设计原则和思路。这种基于同步轨道卫星的移动通信系统由于能与目前大量使用的固定站和可搬移站互通,因此具有较大的应用空间。目前,主要的应用方向有3个:移动卫星电视移动卫星通信社会移动卫星通信这种方式是在移动的汽车、火车、飞机或轮船上加装卫星电视接收设备和天线跟踪设备,天线跟踪设备能够在载体的快速移动中,跟踪卫星,从而接收该卫星上的电视节目,供载体