IGSO 在卫星移动通信中的应用研究分析 电子与信息工程专业VIP专享VIP免费

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。2IGSO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。2.22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...