卫星通信9983849879.docx

Harbin Institute of Technology

卫星移动通信技术

设计题目：IGSO 在卫星移动通信中的应用研究
院 系：电子与信息工程
班 级：
设 计 者： 裴明信
学 号： 10SF05002
指导教师：
设计时间： 2011-04-17

哈尔滨工业大
摘 要：研究利用IGSO 星座提供卫星移动通信业务所涉及到的星座覆盖性能、多普勒频移及业务支持能力等问题。研究表明，采用2 颗或3 颗IGSO 卫星构成的星座能够对我国区域提供较好的覆盖性能（单星和多星覆盖率及平均通信仰角），而引入的多普勒频移并不大。链路计算结果表明，采用IGSO 卫星能够有效解决GEO 卫星在高纬度区域的低仰角问题，并能用比较小的IGSO 卫星来达到非常大的GEO 卫星才能实现的性能。因此，采用IGSO 的区域卫星移动通信系统具有较好的技术可行性。
1 引言
采用对地静止轨道（GEO）卫星来提供区域性卫星移动通信业务具有很多优点，如：单颗GEO卫星能够覆盖地球表面积的42.2%；相对地面静止，不存在切换；多普勒频移小；技术相对成熟简单、投资相对小、运行维护方便等。因此，一直得到广泛的应用，如Inmarsat、MSAT、N-STAR、Optus 、ACeS、Thuraya 等系统均采用GEO 卫星。但是，单纯采用一颗GEO 卫星的区域性卫星移动通信系统也存在一些问题，如：
1) 向高纬度地区用户提供手持机业务较困难，速率不能太高；
2) 向特定地形和存在较多建筑物的城市区域提供卫星移动通信业务很困难；
3) 支持手持机所需的卫星较大，技术复杂、发射困难，风险较大；
4) 只有一颗卫星，一旦受干扰或者发生故障，整个系统就会瘫痪；
5) 两极附近有盲区；
6) 发生日凌中断和星蚀现象时系统会中断。
鉴于GEO 卫星的这些优点和缺点，尤其是GEO卫星对于中高纬度区始终是低仰角，导致为保证链路可用度所需的衰落余量很大，这样支持手持机通信所
需的卫星天线就很大，造成较大的技术难度和风险。采用倾斜对地同步轨道(IGSO)能充分利用GEO 的优点，同时克服了其高纬度区始终是低仰角的问题。IGSO 具有与GEO 相同的轨道高度，因此具有与地球自转周期相同的轨道周期，但由于轨道倾角大于0°，因此，其星下点轨迹在地面就不是一个点，而是以赤道为对称轴的“8”字形，轨道倾角越大，“8”字形的区域也越大。
由于IGSO 卫星在地面的轨迹是一个“8”字形，单颗IGSO 卫星的覆盖性能可能不如一颗GEO 卫星的。但利用多颗IGSO 卫星组成的星座却可以达到比
GEO 卫星更好的覆盖性能，一方面平均仰角更高；另一方面可以实现多星覆盖，若能保证到各颗卫星的传播路径相互独立，则可以在相同的衰落余量条件下实现更高的链路可用度和分集增益。文献[5]和文献分别介绍了利用IGSO 星座实现卫星通信的方案，本文主要针对中国区域的特点，分别研究IGSO 卫星星座的覆盖性能、多普勒频移及业务支持能力。

2 IGSO 卫星星座的覆盖性能分析
2.1 有关假设
对于IGSO 卫星星座来说，为达到较好的覆盖性能，其可调整的设计参数主要有3 个：轨道倾角、右升交点赤经（RAAN）和真近点角。显然，RAAN
决定了每颗IGSO 卫星过赤道时的经度，为保证较好的性能，通常要求星座中各IGSO 卫星在地面是共轨迹的，并且该经度最好处在所要求覆盖区域的
经度范围中心附近，但是实际可用的轨道位置是受很多方面限制的。这里为分析方便，假设各IGSO卫星过赤道时的经度固定为东经118°。真近点角主要决定了各颗卫星相互之间的相位关系，当卫星数一定时，该值也就基本定了。因此，本文主要研究不同的轨道倾角对覆盖性能的影响。
根据所要覆盖区域的纬度情况，通过使用STK仿真软件并适当调整IGSO 的轨道倾角来提高覆盖区的平均通信仰角和多星覆盖率。重点研究分别由2 颗和3 颗IGSO 卫星组成的星座的覆盖性能。覆盖分析中使用的有关参数如下：
1) 最低通信仰角：10°；
2) 覆盖区域：中国及其附近区域；
3) 卫星过赤道时的经度：东经118°；
4) 覆盖性能的统计方法：在北纬[0°~90°]、东经[70°~50°]的区域内以纬度2°、经度10°的区域分辨率来获得采样点，通过统计得到星座的覆盖特性。
2.2 2 颗IGSO 卫星组成的星座的覆盖性能
在由2 颗IGSO 卫星组成的星座中，2 颗卫星在地面的轨迹重合，轨道倾角相同，所不同的是真近点角分别是0°和180°，而右升交点赤经（RAAN）分别
是218.7°和38.7°。图1 和图2 分别给出了轨道倾角为30°和55°时满足单星和双星不间断覆盖的区域范围，图中只是画出了北半球的覆盖区域，南半球的覆盖是与北半球对称的（以下同）。基本规律是，轨道倾角越小，双星覆盖率越高，极限情况是轨道倾角为0°，此时单星覆盖区域就等于双星不间断覆盖区域。

图1 2-IGSO 星座的覆盖区域(30°倾角)

图2 2-IGSO 星座的覆盖区域(55°倾角)

图3 给出了轨道倾角分别为30°和55°时不同纬度的平均通信仰角的统计结果，作为比较，图中也给出了一颗位于东经118°的GEO 卫星在不同纬度时的平均通信仰角的统计结果。对于低纬度地区，GEO 卫星可以获得较高的通信仰角，但是随着纬度上升，通信仰角急剧下降。而轨道倾角较大的IGSO星座能够维持较稳定的通信仰角。

图3 2-IGSO 星座各纬度带的平均通信仰角比较

从图1～3 可以看到：为达到较高的双星覆盖率，轨道倾角应该越小越好；为达到在高纬度区有较高的仰角，轨道倾角应该越大越好；为达到较好的分集效果，应该使2 颗卫星之间的距离尽量大，以便到2 条传播路径的衰落特性能够统计独立，因此，要求倾角越大越好。
2.3 3 颗IGSO 卫星组成的星座的覆盖性能
3 颗卫星在地面的轨迹重合，轨道倾角相同，所不同的是真近点角分别是0°、120°和240°，而右升交点赤经（RAAN）分别是218.7°、98.7°和338.7°，这样3 颗IGSO 卫星过赤道时的经度均为118°，并且在相位上相差120°。图4 和图5 分别给出了轨道倾角为30°和55°时星座的覆盖性能。

图4 3-IGSO 星座覆盖性能（30°倾角）

图5 3-IGSO 星座覆盖性能（55°倾角）

从中可以看出，对于30°倾角的星座，在纬度55°以下可以获得接近100%的双星覆盖率，纬度25°以下可以获得接近100%的三星覆盖率，在纬度50°以内区域的平均通信仰角>50°。对于55°倾角的IGSO 星座，在纬度40°以下可以获得接近100%的双星覆盖率，在纬度75°以内区域的平均通信仰角>50°。对比这2 种星座的性能，30°倾角IGSO 星座在中低纬度区域的多星覆盖性能更好，而55°倾角IGSO 星座在中高纬度区域的通信仰角条件更好，在北极点仍能够保证35°以上的平均通信仰角。图6 给出了轨道倾角为30°和55°时不同纬度的
平均通信仰角的统计结果。

图6 3-IGSO 星座各纬度带的平均通信仰角比较

从以上分析可以看到，采用3 颗IGSO 组成的星座在所需要的覆盖区域（中低纬度区）内，平均通信仰角较高并且变化平缓，多星覆盖率很高，完全可以采用分集接收的方法来提高通信质量，降低衰落余量。分析2 星和3 星IGSO 卫星星座的覆盖性能，轨道倾角的选择对于平均通信仰角和多星覆盖率的影响是比较明显的。选择何种倾角与所需要的覆盖区域密切相关，如果只要求覆盖中低纬度区，则采用较小的轨道倾角能达到更好的平均仰角和多星覆盖率；若要求覆盖到高纬度区，则采用大的轨道倾角较合适。
选择星座方案时，需考虑的另一个因素是，如何保证到2 颗或3 颗卫星的空间链路的传播特性相互统计独立。虽然理论上只要2 个站之间的间距超过半个波长，就可以认为是统计独立的，但在采用了一定衰落余量的卫星移动通信系统中，导致链路不可用的主要因素是路边树木、电线杆、建筑物或地形等引起的阴影效应。因此，如果在绝大多数时间内能够保证与移动站通信的2 颗卫星是在2 个差距较大的方向上，则该星座方案能够有效地抵抗阴影效应。

3 IGSO 卫星星座多普勒频移分析
由于IGSO 卫星相对地面不是静止的，使得星地通信双方之间有相对运动，从而使接收信号的频率发生变化，称此现象为多普勒效应。由于多普勒
效应所引起的附加频移称为多普勒频移。对于上述2 种星座方案（2-IGSO 和3-IGSO），当选择具有最高仰角的IGSO 卫星作为通信卫星时，在一个轨道周期内（86 164s），对于北京、广州、喀什3 个典型地点的多普勒频移随时间的变化过程分别如图7~9 所示。计算过程中选择载波频率为1.6GHz。由于测试点选取具有最高仰角的IGSO卫星作为通信卫星，因此多普勒移呈现一种不规则的周期性变化。
从这几幅图可以看到，IGSO 卫星的轨道倾角越大，多普勒频移越大；地面站所处的纬度越高，多普勒移也越大；地面站到卫星的距离越远，多普勒频移也越大；总体而言，IGSO 卫星的多普勒移与低轨道系统相比要小得多，对于2-IGSO 星座，通常低于2 000Hz；对于3-IGSO星座，通常低于1 000Hz。这样的多普勒频移肯定会对通信造成影响，但其影响应该是很有限的，因此，采用IGSO 所引入的多普勒频移不会对整个系统设计造成很大的困难。