通过链路计算可以核实卫星通信系统设备配置的合理性,在一定程度上确保系统卫星通信链路的可靠性。
1.卫星参数计算
(1)卫星饱和EIRP。
卫星饱和EIRP为当卫星转发器饱和输出时,到达卫星发射天线输入端的功率与卫星发射天线增益之积,以EIRP s 表示,单位为dBW(分贝瓦)。EIRP s 由卫星发射覆盖特性确定,其中下角标“s”代表卫星。
(2)卫星品质因数。
卫星品质因数为卫星接收天线增益与卫星接收系统的噪声温度之比,以 G / T s 表示,单位为dB/K(分贝每开尔文)。 G / T s 由卫星接收覆盖特性确定。
(3)卫星SFD。
卫星SFD(Saturation Flux Density,饱和通量密度)指为使卫星转发器饱和而到达卫星接收天线口面的通过单位面积的功率,以SFD s 表示,单位为dBW/m2(分贝瓦每平方米)。
SFD s 与卫星接收覆盖特性相关。在链路计算中,通常取当 G / T s 值为某特定值时的饱和通量密度(SFD)作为参考点,得出其他 G / T s 相应覆盖地的饱和通量密度。计算公式如下:
式中,SFD ref 为参考点处的饱和通量密度,单位为dBW/m2(分贝瓦每平方米),其值由选定的转发器增益设置决定;
G / T s 为卫星 G / T 值,单位为dB/K;
G / T s.ref 为参考点处的卫星 G / T 值,单位为dB/K;下角标“ref”代表参考点。
(4)转发器输入回退和输出回退。
转发器输入回退和输出回退分别以 BO i 和 BO o 表示,其值通常以正分贝值(dB)表示。
当转发器处于多载波工作状态时,为保证转发器工作在线性区,需要有一定回退。
当转发器处于单载波工作状态时,一般工作在饱和点附近。为保证转发器功放的正常工作性能,应根据实际情况选择适当回退。
(5)天线孔径单位面积增益。
卫星天线孔径单位面积增益以
表示,单位为dB/m2。可由下式计算得出:
式中, λ 为电磁波波长,单位为m(米)。
2.地球站参数计算
(1)天线增益。
天线增益指天线在主轴方向的增益,以 G e 表示,其值以分贝(dBi)表示。
对于抛物面天线, G e 的计算公式如下:
式中, D 为天线口径,单位为m;
λ 为电磁波波长,单位为m,为真空中的光速(一般取3×10 8 m/s)和工作频率(单位为Hz)的比值;
η 为天线效率,根据天线特性确定,一般在60%~70%之间;
下角标“e”代表地球站。
(2)地球站与卫星之间的距离。
地球站与卫星之间的距离以 d 表示,单位为km,可由下式计算得出:
式中,cos ψ =cos θ 1 cos ϕ ;
θ 1 为地球站的纬度,单位为(°);
ϕ 为地球站经度 ϕ 1 与卫星经度 ϕ 2 之差( ϕ 1 -ϕ 2 ),单位为(°)。
(3)仰角和方位角。
地球站的仰角和方位角分别以EL和AZ表示,单位为(°),可由下式计算得出:
式中, θ 1 为地球站纬度(北纬为正值,南纬为负值),单位为(°);
ϕ 为地球站经度 ϕ 1 与卫星经度 ϕ 2 之差( ϕ 1 -ϕ 2 ),单位为(°);
R E 为地球半径,一般取6378km;
H E 为卫星离地面高度,一般取35786.6km;
对于GEO高通量卫星而言, R E /( R E + H E )≈0.151。
当 θ 1 =0°、 ϕ >0°时,AZ为90°;当 θ 1 =0°、 ϕ <0°时,AZ为270°。
方位角以正北为基准,沿顺时针方向旋转。
(4)极化方位角。
线极化的水平极化方位角和垂直极化方位角分别以 τ H 和 τ V 表示,单位为(°),计算公式如下:
式中, θ =arccos(cos θ 1 cos ϕ );
θ 1 为地球站纬度,单位为(°);
ϕ 为地球站经度 ϕ 1 与卫星经度 ϕ 2 之差( ϕ 1 -ϕ 2 ),单位为(°);
β 为同步轨道的直径与地球直径的商,取6.62;
下角标“H”代表水平极化,“V”代表垂直极化。
(5)地球站等效噪声温度。
地球站接收系统晴天的等效噪声温度以 T es 表示,单位为K(开尔文)。
地球站等效噪声温度的数值与所取的参考点有关。当取低噪声放大器输入端口为计算等效噪声温度的参考点时,计算公式如下:
式中, T α 为天线噪声温度,单位为K;
L fr 为地球站天线接收端口至低噪声放大器输入端口之间的馈线损耗,包含地球站天线接收端口至低噪声放大器之间的所有连接馈线、双工器、耦合器、滤波器和开关等总的损耗(真数);
T 0 为地面环境温度,一般取290K;
T er 为接收机噪声温度,单位为K;
T er 一般由厂商提供,也可以由式 T er =( F -1)× T 0 提供,其中 F 为低噪声放大器的噪声系数(真数);
下角标“es”代表地球站(晴天),“er”代表地球站接收机,“fr”代表接收馈线。
(6)地球站品质因数( G / T )。
地球站品质因数( G / T )为地球站接收天线增益与地球站接收系统的噪声温度之比,以 G / T e 表示,单位为dB/K。
当取低噪声放大器输入端为计算等效噪声温度的参考点时,晴天、微风的 G / T e 可由下式计算得出:
式中, G er 为地球站天线接收增益(dBi);
L fr 为地球站天线接收端口至低噪声放大器之间的馈线损耗(dB);
T es 为地球站等效噪声温度,单位为dBK(分贝开尔文)。
3.空间损耗计算
(1)自由空间传播损耗。
自由空间传播损耗指信号自地球站(或卫星)到达卫星(或地球站)后由于自由空间传播造成的信号衰减量,用 L 表示,其值以dB(分贝)表示。计算公式如下:
式中, f 为工作频率,单位为MHz;
d 为地球站与卫星之间的距离,单位为km;
λ 为电磁波波长,单位为m,为真空中的光速(一般取3×10 8 m/s)和工作频率(单位为赫兹)的比值。
(2)雨衰。
雨衰(降雨衰减)指在特定可用度下由降雨引起的信号附加衰减,对于Ku频段或Ka频段的卫星通信系统,雨衰对卫星链路性能的影响相对较大,需在链路计算中考虑。
雨衰跟链路可用度相关。链路可用度指的是通信链路在长期运行时能保证规定质量的时间百分比。根据业内卫星通信系统的运营经验,通常系统的链路可用度可选取为双向99.9%,也可结合实际情况选取。系统的链路可用度为上行链路可用度与下行链路可用度的乘积。
4.载波带宽计算
(1)信息速率。
信息速率指对业务信号进行信源处理后未经信道编码的总数据流速率,以 R b 表示,单位为bit/s或bps(比特每秒)。
(2)传输速率。
传输速率指经过信道编码以后未调制数据的传输流速率,以 R t 表示,单位为bit/s。
信道编码通常包括卷积编码、RS、TPC、LDPC等前向纠错编码(FEC)。
传输速率与信息速率的关系如下:
式中, R b 为信息速率;
σ FEC 为前向纠错编码率,当前向纠错编码由多重编码级联时, σ FEC 则为各项编码率的乘积。
(3)符号速率。
符号速率指传输流经调制后形成相应的符号速率,以 R s 表示,单位为symbol/s或sps(符号每秒)或波特(Baud)。
(4)载波噪声带宽。
载波噪声带宽指载波主要能量占用的带宽,以BW n 表示,单位为Hz(赫兹)。
载波噪声带宽与符号速率的关系如下:
式中, R s 为符号速率;
α 1 为载波噪声带宽因子,由设备性能确定。
(5)载波分配带宽。
载波分配带宽指为了避免载波之间的干扰,为每个载波留出一定保护带宽后的总带宽,以BW α 表示,单位为Hz。
载波分配带宽与符号速率的关系如下:
式中, R s 为符号速率;
α 2 为载波分配带宽因子,主要依据设备性能确定。
(6)载波带宽占用比。
载波带宽占用比指载波分配带宽与转发器带宽之比,以 η BW 表示,计算公式如下:
式中,BW α 为载波分配带宽;
BW tr 为转发器带宽。
在链路计算中,需要考虑各种干扰对链路载波的影响。要考虑的主要干扰包括交调干扰、邻星干扰、交叉极化干扰。
(1)交调干扰。
在频分多址体制下,多载波工作时,卫星的行波管功率放大器需工作于线性状态以满足信号之间的交调指标要求(一般三阶交调为24dB),行波管放大器输出回退量的典型值一般为3~10dB。
(2)邻星干扰。
GEO高通量卫星分布在地球赤道平面内,卫星之间的距离较近,地球站发送的波束,其旁瓣会照射到邻近卫星,并在接收机中产生干扰信号。同样,邻近卫星发送的信号也会进入所用地球站的接收信号中,产生邻星干扰信号。
(3)交叉极化干扰。
为提高频带利用率,在高通量卫星通信系统中可以采用空间区域彼此重叠、空间指向一致、工作频率相同但极化方式不同的两个波束(Ku频段为水平极化波和垂直极化波;Ka频段为左旋极化波和右旋极化波)来实现信号隔离,当两个极化波没有完全正交时就会造成相互干扰,即交叉极化干扰。
其他可能产生的干扰还包括地球站互调干扰、卫星上相邻转发器间的干扰、相邻载波之间的干扰、来自地面环境的干扰等,这些干扰通常可通过系统设计和入网验证解决,在链路计算中可不予计算。
链路计算基于以上基本参数计算的方法,并输入以下主要参数。
(1)卫星参数:轨道位置、ERP、增益噪声温度比(Gain to Temperature Ratio)、饱和通量密度、转发器带宽、输入和输出回退。
(2)发射地球站参数:地理位置(经度、纬度、海拔)、天线口径、天线效率、工作频率、功放大小、天线各项损耗、馈线损耗。
(3)接收地球站参数:地理位置(经度、纬度、海拔高度)、天线口径、天线效率、工作频率、天线各项损耗、馈线损耗、接收系统噪声温度。
(4)载波传输参数:信息速率、传输体制(前向纠错编码率、调制和多址方式)。
(5)系统参数:解调门限、系统可用度要求、系统余量要求。
(6)干扰参数:转发器互调干扰值,相邻卫星系统在本卫星方向上行和下行功率辐射值,交叉极化在主用极化上的功率辐射值。
得到以上输入参数后,可参考《地球静止轨道卫星固定业务的链路计算方法》(YD/T 2721—2014)标准文件,进行链路计算(可采用Satmaster软件计算),计算可输出卫星功占比、卫星带宽占用比、地球站发射功率以及在不同天气状况下的系统余量,最终根据这些参数来评估系统的设计是否合理。