移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)中車載站天線的設計

移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)中車載站天線的設計

0第二,系統(tǒng)設計基于同步軌道衛(wèi)星的移動通信系統(tǒng)通常被稱為“動態(tài)通信”。除了具有廣闊的衛(wèi)星通信覆蓋區(qū)域、通信距離、通信成本和通信成本幾乎無關，不受地形區(qū)域限制，通信線路穩(wěn)定可靠外，還實現(xiàn)了寬帶通信和移動通信的目的?！皠又型ā毙l(wèi)星通信系統(tǒng)由中心站和地面移動用戶站組成,系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構以星狀網(wǎng)為宜。中心站可以為固定地面站,也可以為可機動站,地面移動用戶站根據(jù)移動載體的區(qū)別可以是船載站、車載站(列車、汽車)、機載站等。地面移動用戶站可以在快速移動中通過中心站接入到公共電話網(wǎng)、會議電視網(wǎng)和專用通信網(wǎng)中。由于其運動中通信的特殊性,所以系統(tǒng)設計上要考慮以下幾方面的內(nèi)容:①衛(wèi)星功率有限、傳輸高速業(yè)務與移動站低天線增益之間的矛盾十分突出。在移動站低增益天線的情況下,為保證能夠傳輸高速業(yè)務,要求衛(wèi)星要有比較高的天線增益和大的發(fā)射功率;由于一個移動站占用衛(wèi)星功率過多,又限制了系統(tǒng)的容量,所以需要綜合考慮天線口徑、衛(wèi)星功率利用率、通信頻率和通信業(yè)務等相關問題,使系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。②系統(tǒng)有時是在非高斯信道中工作的,電波傳播情況復雜。由于移動站要在快速移動中通信,可能遇到建筑物、樹木、山谷等地形地物的遮蔽,造成陰影效應,測試表明,由于陰影效應引起的信號衰落深度達數(shù)分貝乃至幾十分貝,對通信將會產(chǎn)生嚴重影響,甚至造成通信中斷;另外由于移動,可能會產(chǎn)生多徑效應,也會對通信造成一定影響。對由于陰影效應和多徑效應造成的影響,要進行相應處理,以提高系統(tǒng)的可用性。③由于地面終端的移動通信特性,所以需要地面終端的天線時刻對準所使用的衛(wèi)星,這就要求其伺服系統(tǒng)必須對載體姿態(tài)變化有高的隔離度,即必須隔離掉載體姿態(tài)的劇烈變化對天線指向的影響,在載體快速顛簸的情況下保證天線主波束對準通信衛(wèi)星;為了減小由于遮擋等原因造成的中斷影響,要求在天線遮擋后對衛(wèi)星的再捕獲時間要短;為了提高通信效率,減小跟蹤損失,要求跟蹤精度要高。為實現(xiàn)這些要求,天線伺服跟蹤要全面考慮這些要求進行設計。本文在考慮上述問題的前提下,針對動中通所使用衛(wèi)星的帶寬和功率、移動終端能力、天線伺服跟蹤等幾個問題進行了討論,給出了相應的設計思路。1系統(tǒng)設計的原則對于衛(wèi)星通信系統(tǒng)來說,系統(tǒng)建設分為地面設備和空間段轉發(fā)器,其中空間段的成本是系統(tǒng)運營過程中的主要開銷,如何更加有效地使用衛(wèi)星轉發(fā)器,有效地降低地面設備成本,提高系統(tǒng)工作的可靠性,使系統(tǒng)簡單易用,是衛(wèi)星通信系統(tǒng)設計中最重要的工作。衛(wèi)星空間段資源主要由轉發(fā)器帶寬和轉發(fā)器功率兩部分組成,衛(wèi)星公司通常是根據(jù)用戶的載波占用轉發(fā)器的帶寬的百分比和占用轉發(fā)器功率的百分比來決定轉發(fā)器的租金,通常要取二者中比較大的那個百分數(shù)。所以系統(tǒng)設計時應考慮的原則是:①盡量少地占用轉發(fā)器的帶寬;②盡量少地占用轉發(fā)器的功率;③要平衡轉發(fā)器帶寬和功率的占用率。衛(wèi)星分配帶寬和功率一般通過如下方法計算。(1)網(wǎng)絡傳輸scdBW=Rb*1FEC*1MOD*(1+Rolloff)BW=Rb*1FEC*1ΜΟD*(1+Rolloff)。(1)式(1)中,BW為衛(wèi)星分配帶寬(HZ);Rb為系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⑺俾?kbps);FEC為系統(tǒng)傳輸?shù)那绊椉m錯編碼;MOD為系統(tǒng)調(diào)制方式;Rolloff為滾降系數(shù)。(2)系統(tǒng)的基本問題EIRPs=EbN0?(GT)D+LD+Rb+K+BOOEΙRΡs=EbΝ0-(GΤ)D+LD+Rb+Κ+BΟΟ。(2)式(2)中,EIRPs為衛(wèi)星分配功率(dBW);EbN0EbΝ0為系統(tǒng)解調(diào)門限(dB);(GT)D(GΤ)D為地面移動終端的品質因數(shù)(dB/K);LD為下行傳輸損耗,包括自由空間損耗和其他損耗(dB);Rb為信息傳輸速率(bps,計算時應換算成dB);K為波爾茲曼常數(shù),為-228.6dB;BOO為轉發(fā)器輸出補償(dB),該值與所使用衛(wèi)星有關。2天線的設計思想對于移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)的站型由于需要在移動中進行通信的特殊需要,因此站型的業(yè)務能力、體積、重量、功耗都要統(tǒng)籌考慮,直徑大的天線各種參數(shù)指標高(天線收發(fā)增益、G/T值等,但由于天線波束變窄,跟蹤較困難),對信號的傳輸有利;直徑小的天線運動慣量小,易于提高機械操控的精度,使站型的靈活性提高,但由于其收發(fā)增益低,對信號的傳輸不利。因此地面移動終端的設計原則為:①在保證傳輸業(yè)務的前提下,能夠使用較小的天線,這樣可對跟蹤帶來好處,同時可以減小移動終端的體積,提高其運動的靈活性;②在保證傳輸業(yè)務的前提下,能夠使用較小的功率放大器,這樣可降低系統(tǒng)的功耗,使系統(tǒng)的可靠性增加;③提高通信設備性能,如降低解調(diào)器的解調(diào)門限等,也可以減小天線口徑和降低功耗。移動終端的設計方法是依據(jù)解調(diào)門限的大小,通過計算得到天線口徑和功率放大器的值,下面給出簡要的設計思路。①通過下行鏈路計算,得到地面站品質因數(shù)要求,從而計算出所需要的最小接收天線口徑;②根據(jù)上行鏈路計算,得到地面站需要發(fā)射的值:EIRP=Pt×Gt,(3)式(3)中,Pt為地面移動終端的發(fā)射功率,Gt為地面移動終端的天線增益,確定了天線的增益后,可以計算出地面移動終端需要的功放功率Pt;③如果所計算出的功放功率過大,可以適當選用較大口徑的天線,重新計算,直到天線口徑和功放功率都比較適中為止。解調(diào)器性能也就是解調(diào)門限Eb/N0值,是鏈路分析計算的依據(jù),解調(diào)門限決定了接收站的品質因數(shù)G/T,而地面站的品質因數(shù)在一定條件下(給定衛(wèi)星和接收站地址)完全取決于接收天線的口徑。解調(diào)門限越高,需要的天線口徑越大;解調(diào)門限越低,需要的天線口徑越小。所以,降低解調(diào)器的解調(diào)門限,是降低天線口徑的最重要和有效的方法。3天線跟蹤跟蹤3.1天線跟蹤精度由于同步軌道衛(wèi)星定點于距離地面36000km多公里的同步軌道上,為了實現(xiàn)寬帶衛(wèi)星通信,必須采用高增益天線,這種天線的波束寬度很窄(如1.2m口徑的天線,在14.25GHz時其波束寬度為1.23°),而載體又在高速運動,其位置特別是其姿態(tài)角不斷迅速變化,引起其天線指向的角度迅速變化,而且其指向角的變化會大大超過其姿態(tài)角的不斷變化,天線的增益損失大大提高,造成通信誤碼率增加,甚至通信中斷。表1為1.2m口徑的天線跟蹤精度為0°到0.5倍天線波束寬度時的發(fā)射增益損失值。跟蹤精度的提高可以減少增益損失,從而提高通信效率,由表1可以看出隨著跟蹤精度的提高,天線增益損失減小,但是若天線跟蹤精度要求過高,天線增益增加不大,對通信效果的變化并不十分明顯,但系統(tǒng)的造價卻會提高很多,因此移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)的跟蹤精度,選擇跟蹤精度≤1/8倍天線波束寬度為宜。3.2慣導引導加單脈沖自跟蹤天線的重新捕獲時間是指地面移動衛(wèi)星終端進入信號中斷地帶后,載體的伺服系統(tǒng)無信號跟蹤衛(wèi)星,且通信中斷,載體駛出中斷區(qū)后的天線重新跟蹤上衛(wèi)星的時間。為達到這個要求,移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)應采用如下2個方法:其一,采用羅盤引導加單脈沖自跟蹤的技術體制,并且在設計時使天線伺服系統(tǒng)具有中斷后天線指向的記憶功能,經(jīng)過短時間的電波中斷后,天伺系統(tǒng)不需要重新捕獲,即可恢復通信。這種方式優(yōu)點是實現(xiàn)簡單,在一定條件下也能實現(xiàn)載體出遮擋區(qū)后的快速捕獲衛(wèi)星。如果載體在遮擋區(qū)內(nèi)轉彎或上下坡,都會引起天線的再捕獲時間大大加長。實際應用時,這種方式不能穩(wěn)定地保持在較短的時間內(nèi)使天線重新捕獲衛(wèi)星。其二、伺服系統(tǒng)采用慣導引導加單脈沖自跟蹤的技術體制,其跟蹤原理是在初始靜態(tài)情況下,由GPS、捷聯(lián)慣導系統(tǒng)測量出航向角、載體所在位置的經(jīng)度和緯度及相對水平面的初始角,然后根據(jù)其姿態(tài)及地理位置、衛(wèi)星經(jīng)度自動確定以水平面為基準的天線仰角,在保持仰角對水平面不變的前提下轉動方位,并以信號極大值方式自動對準衛(wèi)星。在載體運動過程中,測量出載體姿態(tài)的變化,通過數(shù)學平臺的運算,變換為天線的誤差角,通過伺服機構調(diào)整天線方位角、俯仰角、極化角,保證載體在變化過程中天線對星在規(guī)定范圍內(nèi),使衛(wèi)星發(fā)射天線在載體運動中實時跟蹤地球同步衛(wèi)星。這種跟蹤方式有單脈沖自跟蹤和慣導跟蹤兩種。單脈沖自跟蹤是依靠衛(wèi)星信標進行天線閉環(huán)伺服跟蹤;慣導跟蹤是利用陀螺慣導組合敏感載體的變化進行天線跟蹤。這兩種跟蹤可根據(jù)現(xiàn)場情況自動切換。當系統(tǒng)對星完畢轉入自動跟蹤后,以自跟蹤方式工作;與此同時,慣導系統(tǒng)也進入工作狀態(tài),并不斷輸出天線極化、方位和俯仰等數(shù)據(jù)。當由于遮擋或其他原因引起天線信標信號中斷時,系統(tǒng)自動切換到慣導跟蹤方式。這種跟蹤體制能夠保證穩(wěn)定地保持在較短的時間內(nèi)使天線重新捕獲衛(wèi)星,但是其成本相對比較高。4基于同步軌道衛(wèi)星的移動通信系統(tǒng)設計本文對移動衛(wèi)星通信車載站在系統(tǒng)設計時要考慮的幾個問題進行了討論,并給出了設計原則和思路。這種基于同步軌道衛(wèi)星的移動通信系統(tǒng)由于能與目前大量使用的固定站和可搬移站互通,因此具有較大的應用空間。目前,主要的應用方向有3個:移動衛(wèi)星電視移動衛(wèi)星通信社會移動衛(wèi)星通信這種方式是在移動的汽車、火車、飛機或輪船上加裝衛(wèi)星電視接收設備和天線跟蹤設備,天線跟蹤設備能夠在載體的快速移動中,跟蹤衛(wèi)星,從而接收該衛(wèi)星上的電視節(jié)目,供載體