多層衛(wèi)星網絡星間鏈路性能分析與設計

田雍容，盧曉春，黃飛江（. 中國科學院國家授時中心，西安 70600；2. 中國科學院研究生院，北京 0009；. 長沙學院 電子與通信工程系，長沙 4000）

多層衛(wèi)星網絡星間鏈路性能分析與設計

田雍容1,2，盧曉春1，黃飛江3（1. 中國科學院國家授時中心，西安 710600；2. 中國科學院研究生院，北京 100039；3. 長沙學院 電子與通信工程系，長沙 410003）

對多層衛(wèi)星網絡星間鏈路各參數之間的關系進行了分析，分別在S和Ka波段上分析計算了GEO（對地靜止軌道）-IGSO（傾斜同步軌道）、GEO-MEO（中軌道）和IGSO-MEO衛(wèi)星間的星間鏈路參數Eb/N0、發(fā)射功率、天線直徑和數據速率間的關系。根據計算結果對星間鏈路的性能進行了分析，在分析計算的基礎上得到了一些規(guī)律性的結論，這些結論可應用于星間鏈路的設計與建立。

衛(wèi)星網絡；衛(wèi)星通信；星間鏈路

近幾十年來，隨著空間技術的迅速發(fā)展，以及衛(wèi)星制造業(yè)、電子和通信等方面技術的長足進步，多層衛(wèi)星網絡在空間的應用得到了迅速的發(fā)展。多層衛(wèi)星網絡是指在雙層或多層軌道平面內同時布星，利用層與層之間的星間鏈路建立的立體交叉衛(wèi)星網絡。與單層衛(wèi)星網絡相比較，多層衛(wèi)星網絡具有空間頻譜利用率高、組網靈活、抗毀性強、功能多樣化（融合天基通信、導航、定位等多種功能）等優(yōu)點，能夠實現(xiàn)各種軌道高度衛(wèi)星星座的優(yōu)勢互補，將成為未來天基網發(fā)展的一種理想組網模式。多層衛(wèi)星網絡中各層間的時間同步需要通過星間鏈路進行時間信息的交換來完成，因此首先要對星間鏈路進行設計和性能分析，為星間鏈路的建立提供依據。

星間鏈路對電磁波頻率的選擇范圍比較大，根據所使用的不同頻率，星間鏈路可以分為微波星間鏈路和光星間鏈路。本文主要分析微波星間鏈路的性能和參數的選擇。

1 星間鏈路的基本組成

一條星間鏈路通常由4個子系統(tǒng)組成：接收機、發(fā)射機、捕獲和跟蹤子系統(tǒng)及天線子系統(tǒng)。接收機主要完成對接收信號的放大、變頻、檢測、解調和譯碼等工作，另外也需要提供星間鏈路與衛(wèi)星下行鏈路之間的接口，包括必要的格式轉換等。發(fā)射機負責從衛(wèi)星的上行鏈路中選擇那些需要在星間鏈路上傳輸的信號，然后完成編碼、譯碼、變頻和放大等工作。跟蹤和捕獲子系統(tǒng)負責使星間鏈路兩端的天線能互相對準對方（捕獲），并使天線的指向誤差控制在一定的范圍內（跟蹤）。天線子系統(tǒng)負責在星間鏈路上收發(fā)電磁波信號。對于星間鏈路一般采用反射面天線或透鏡天線[1-2]。

為了在構成衛(wèi)星網絡的多個星層間進行時間同步和數據通信，就需要多條星間鏈路來構成拓撲結構，實現(xiàn)多個星層間的時間同步和通信等任務。在多個星層星間鏈路結構中，最基本的鏈路是由不同層的兩顆衛(wèi)星間的星間鏈路構成，如圖1所示。

圖1 不同層兩顆衛(wèi)星間的星間鏈路模型

圖1中，衛(wèi)星A和衛(wèi)星B處于不同星座，知道對方的確切位置，使用直徑為D、波束寬度為Φc的相同天線指向對方。兩顆衛(wèi)星之間的間隔距離為dc，衛(wèi)星A對衛(wèi)星B的傳輸信號功率為Pt，衛(wèi)星B的等效噪聲溫度為Te。表1給出了不同層衛(wèi)星間的間隔距離。

表1 不同層衛(wèi)星間的間隔距離 km

由表1可知層間的距離變化范圍很大，從幾百公里到幾萬公里。若要在這樣的星間鏈路上完好地傳輸信號，需要對鏈路進行詳細分析以便滿足傳輸信號的性能要求。

2 微波星間鏈路性能分析

美國自1972年開始研制跟蹤與數據中繼系統(tǒng)，它是目前唯一的實用數據中繼系統(tǒng)。該系統(tǒng)有S和Ka兩種頻帶的微波鏈路，可以為航天飛機、哈勃太空望遠鏡和一些低軌衛(wèi)星服務。我國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)星間鏈路通信頻段有兩種選擇可能，即采用S/Ka頻段或S/Ku頻段。但由于Ku頻段不是國際電聯(lián)規(guī)定的星間鏈路使用頻段，其前向鏈路是借用13～14 GHz中的一段，返向鏈路是借用14～15 GHz中的一段，使用頻帶的限制，使得傳輸數據率難以進一步提高。而Ka頻段是國際電聯(lián)規(guī)定的星間鏈路使用頻段，前向鏈路頻段為22.55～23.55 GHz，返向鏈路頻段為25.25～27.5 GHz，返向傳輸使用帶寬2 GHz，因此具有向更高傳輸數據率（如600 Mbit/s）擴展的能力[3-4]?；诖?，本文將分別在S頻帶和Ka頻帶對微波星間鏈路的性能進行分析計算。

在微波星間鏈路的設計中，為了滿足整體系統(tǒng)的性能要求，需要對鏈路系統(tǒng)變量進行計算和選擇。其中最重要的性能指標是信號品質，即信道上的比特能量噪聲密度比（Eb/N0）。它與比特誤碼率（BER）有關系，可根據對比特誤碼率的要求計算得到Eb/N0的要求值。

在數字信號傳輸中，Eb/N0依賴于接收機的載噪比（C/N）?？赏ㄟ^以下兩步來計算出C/N：

1）計算衛(wèi)星接收機接收到的載波功率C；

2）計算接收機的總噪聲功率N。

得到C/N后，通過C/N與Eb/N0的關系可得到Eb/N0與鏈路各參數之間的關系，據此在鏈路設計中對各參數優(yōu)化取值，達到星間鏈路性能要求。

鏈路結構如圖1所示，衛(wèi)星A的發(fā)射功率為Pt，天線增益為Gt，在衛(wèi)星B上，接收天線增益為Gr，接收到的信號功率為Pr，根據下面的衛(wèi)星鏈路的計算公式（1）可得到Pr，在計算中只考慮自由空間損耗，忽略其他鏈路損耗。式（1）中λ為載波波長。

式（1）中Gt和Gr值可分別由下面的（2）式和（3）式得到：

式（2）中，Φc為發(fā)射天線的波束寬度，它依賴于天線直徑D和發(fā)射頻率。式（3）中，Ae為有效孔徑面積，它是實際孔徑面積和天線效率的積。Φc和Ae可分別由下面的式（4）和式（5）得到：

式（5）中η為天線效率。將式（2）、式（3）、式（4）和式（5）代入式（1）得到：

接收機端總噪聲功率N為[5]

式（7）中k為玻耳茲曼常數，其值為1.38×10-23J/K。Te為等效噪聲溫度，B為載波帶寬。由式（6）和式（7）可得到C/N：

由Eb/N0與C/N的關系可得

式（9）中rb為數據速率。

噪聲導致檢測器發(fā)生誤碼的概率由下式計算[6]：

在鏈路計算中，Eb/N0與比特誤碼率（BER）和調制方式有關。星間鏈路設計中一般采用二相移鍵控（BPSK）調制，要求其比特誤碼率（BER）不大于10-5，實現(xiàn)余量取2 dB，當BER=10-5時，由（10）式可計算得，對應的Eb/N0分貝值為9.6 dB，由此可得到Eb/N0為11.6 dB[7]。

首先分析S波段2.4 GHz星間鏈路的性能。衛(wèi)星接收機的等效噪聲溫度Te＝1 000 K，接收天線效率η為65%。通過（9）式對GEO-IGSO層間鏈路、GEO-MEO層間鏈路和IGSO-MEO層間鏈路進行計算分析。

將GEO-IGSO層間衛(wèi)星間的最大距離dc=53 957.1 km，GEO-MEO層間衛(wèi)星間的最大距離dc=69 457 km，IGSO-MEO層間衛(wèi)星間的最大距離dc=69 673 km，分別代入（9）式，可得表2所示的計算結果。

表2 GEO-IGSO層間鏈路、GEO-MEO層間鏈路、IGSO-MEO層間鏈路S波段鏈路參數變化表

隨著星間通信的不斷發(fā)展，對星間通信數據率的要求也越來越高，從表2可見，在S頻段2.4 GHz載波上，星間鏈路可以滿足一定的高數據率要求，但需要相對較大的天線和發(fā)射功率，這就對衛(wèi)星要求較高，因此下面進一步分析更高頻率的Ka頻段星間鏈路的性能。Ka頻段的可用帶寬大、天線增益高、具有很小的自由空間損耗，對天線和發(fā)射功率的要求也較低。我們采用Ka波段30 GHz的載波，對GEO-IGSO層間鏈路和GEO-MEO層間鏈路以及IGSO-MEO層間鏈路進行計算分析。

同樣對于GEO-IGSO層間衛(wèi)星間的最大距離dc=53 957.1 km，GEO-MEO層間衛(wèi)星間的最大距離dc=69 457 km，IGSO-MEO層間衛(wèi)星間的最大距離dc=69 673 km，分別由（9）式可得表3所示的計算結果。

表3 GEO-IGSO層間鏈路、GEO-MEO層間鏈路、IGSO-MEO層間鏈路Ka頻段參數變化表

由表3可見，當GEO-IGSO和GEO-MEO以及IGSO-MEO層間的衛(wèi)星間距離最大時，用2 m天線僅需1 W就可以滿足100 Mbps的數據率要求。這樣就降低了對衛(wèi)星天線直徑和功率的要求，并能夠提高數據率。

3 結論

本文在對多層衛(wèi)星網絡微波星間鏈路參數間的關系進行分析的基礎上，分別在S和Ka頻段上分析計算了GEO/IGSO、GEO/MEO和IGSO/MEO衛(wèi)星星間鏈路上Eb/N0、發(fā)射功率、天線直徑和數據速率間的關系。由此得到了一些規(guī)律性的結論，為星間鏈路的建立提供了參考和依據。

在實際的應用中，衛(wèi)星之間不能相互定位對方，存在著天線指向誤差，本文中沒有涉及，將在后續(xù)的文章中進行詳細的分析。

[1] GAGLIARDI R. Satellite Communications[M]. USA: Van Nostrand Reinhold, 1991.

[2] MARAL G, BOUSQUET M, SUN Zhi-li. Satellite Communications Systems: Systems, Techniques and Technologies[M]. USA: John Wiley & Sons, Ltd, 1992.

[3] 陳明章, 趙恩惠. 我國跟蹤與數據中繼衛(wèi)星星間鏈路通信頻段選擇研究[J]. 空間電子技術, 2002, 2: 15-19.

[4] 劉亞瓊, 楊旭海. GPS星間鏈路及其數據的模擬方法研究[J]. 時間頻率學報, 2010, 33(1): 39-46.

[5] 羅迪. 衛(wèi)星通信[M]. 張更新, 劉愛軍, 張杭, 等譯. 3版. 北京: 人民郵電出版社, 2002.

[6] KOLAWOLE M O. Satellite Communications Engineering[M]. New York: Marcle Dekker Incorporate, 2002.

[7] FLETCHER G D, HICKS T R. The SILEX Optical Interorbit Link Experiment[J]. Electronics & Communication Engineering Journal, 1991, 12, 6(3): 273-279.

Design and Performance Analysis of Inter-satellite Link in Multilayer Satellite Network

TIAN Yong-rong1,2, LU Xiao-chun2, HUANG Fei-jiang3

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Science, Xi’an 710600, China;
2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China;
3. Department of Electronics and Communication Engineering, University of Changsha, Changsha 410003, China)

In this paper, the relationship between the various inter-satellite link (ISL) parameters of multilayer satellite network is analyzed. The relationship among Eb/N0, transmit power, antenna diameter and data rate of GEO(geostationary earth orbit)/IGSO(inclined geosynchronous orbit ), GEO/MEO(middle earth orbit) and IGSO/MEO inter-satellite links are analyzed and calculated, and the performance of ISL is analyzed according to the calculation. From the result, some regularity conclusions are obtained, which can be used for design and establishment of ISL.

satellite network; satellite communication; inter-satellite link

TN927+.3

A

1674-0637(2010)02-0140-06

2010-01-22

國家自然科學基金資助項目（10673011）；中國科學院“西部之光”人才培養(yǎng)計劃資助項目；中國科學院知識創(chuàng)新工程重要方向資助項目（KJCXZ-YW-T12）；國家重點基礎研究計劃（973計劃）資助項目（2007CB815502）

田雍容，女，碩士，主要從事衛(wèi)星導航和衛(wèi)星通信方面的研究。