无线Ka波段铱星的星间链路分析

 

 

铱星的星间链路

铱星系统

铱星系统空间段：由分布在6个极地圆轨道面的72颗星（6颗备用星）组成。铱系统星座设计能保证全球任何地区在任何时间至少有一颗卫星覆盖。每个卫星天线可提供960 条话音信道，每个卫星最多能有两个天线指向一个关口站，因此每个卫星最多能提供1920条话音信道。铱系统卫星可向地面投射48个点波束，以形成48个相同小区的网络，每个小区的直径为 689km，48个点波束组合起来，可以构成直径为4700km的覆盖区，铱系统用户可以看到一颗卫星的时间约为10min。每个卫星有4条星际链路，一条为前向，一条为反向，另两条为交叉连接。星际链路速率高达 25Mbps，在L频段10.5MHz频带内按FDMA方式划分为12个频带，在此基础上再利用TDMA结构，其帧长为90ms，每帧可支持4个50kbps用户连接。

铱星所采用的MF-TDMA（多频时分多址）通信体制的话音质量不如CDMA（码分多址）。另外，铱星系统的数据传输速率仅有2.4kbps，因此除通话外，只能传送简短的电子邮件或慢速的传真，无法满足互联网的需求。

 

铱星的星座（constellation）设计可圈可点。它有6个圆形轨道，轨道倾角86.4°，这样的轨道倾角仅差4.6°就绕过地球的南北极，轨道面间隔27°，6个圆轨道上均匀分布66颗卫星，每个轨道再备份1颗卫星，在轨一共72颗卫星。其中每颗卫星都与相邻4颗卫星之间有星际链路，这样就在地球的近地轨道上，编织起来一张无缝覆盖整个地球“基站”网络。

星座选择了很好的轨道高度——距离地面780km。

 

铱星L频段相控阵天线对地覆盖（英文用一个形象的词汇“footprint”，就是“足迹”）。铱星的足迹由48个波束（Spot-Beam）构成。

每个波束平均覆盖600km，每个波束有80个信道，48个波束覆盖4700km，一共有3840个信道，可以支持几万用户。

铱星轨道面升交点赤经值

升交点赤经为卫星轨道的升交点与春分点之间的角距。升所谓升交点为卫星由南向北运行时，与地球赤道面的交点。反之，轨道面与赤道面的另一个交点称为降交点。春分点为黄道面与赤道面在天球上的交点。

轨道面	升交点赤经（0-360° ）
1	31.6°
2	63.2°
3	94.8°
4	126.4°
5	158.3°
6	189.6°

 

升交点赤经和轨道倾角

升交点赤经Ω、卫星轨道平面倾角i两个参数唯一地确定了卫星轨道平面与地球体之间的相对定向。Ω它是一个角度量。轨道平面与地球赤道有两个交点，卫星从南半球穿过赤道到北半球的运行弧段称为升段，这时穿过赤道的那一点为升交点。相反，卫星从北半球到南半球的运行弧段称为降段，相应的赤道上的交点为降交点。

在地球绕太阳的公转中，太阳从南半球到北半球时穿过赤道的点称为春分点。春分点和升交点对地心的张角为升交点赤经,并规定从春分点逆时针量到升交点。轨道倾角和升交点赤经共同决定轨道平面在空间的方位。

铱星卫星的初始平近点角

是轨道上的物体在辅助圆上相对于中心点的运行角度，在测量上不同于其他的近点角。

平近点角与时间的关系是线性的。因为与时间是线性的关系，因此要计算在轨道上两点之间移动所需的时间是非常容易的。

卫星	卫星初始平近点角（度）
	奇数轨道	偶数轨道
1	0	0.5 ×  360/11
2	360/11	1.5 ×  360/11
3	2 × 360/11	2.5 ×  360/11
4	3 × 360/11	3.5 ×  360/11
5	4 × 360/11	4.5 ×  360/11
6	5 × 360/11	5.5 ×  360/11
7	6 × 360/11	6.5 ×  360/11
8	7 × 360/11	7.5 ×  360/11
9	8 × 360/11	8.5 ×  360/11
10	9 × 360/11	9.5 ×  360/11
11	10 ×  360/11	10.5 ×  360/11

 

铱星信号体制

铱星参数

Iridium NEXT 星座	66 operational satellites in 6 planes  of 11 spacecraft each
Orbit (LEO)	Polar at an altitude of 780 km
Inclination	86.4º
Period	101 minutes per orbit
Launch period	2015 –2017
Mission life	15 years to beyond 2030
Risk mitigation	6 in-orbit spares + 6 hanger spares
航天器发射质量，功率	~860 kg, 2 kW
航天器尺寸（发射配置）	3.1 m x 2.4 m x 1.5 m
Deployed wingspan	9.4 m
Spacecraft stabilization	2-axis attitude control. A total of  248 AA-STR star trackers are being supplied by Selex Galileo for the Iridium  NEXT comsat constellation of 66 satellites.
RF communications L-band Ka-band TT&C	Regenerative processing payload with  OBP (On-Board Processor) - Single 48-beam transmit/receive  phased array antenna - TDD (Time-Division Duplex)  architecture - Two 20/30 GHz steerable feeder  links to terrestrial gateways - Four 23 GHz crosslinks to adjacent  Iridium NEXT satellites for relay communications (with two steerable, two  fixed antennas and TDD architecture) - 20/30 GHz links via omni antennas

	卫星-用户（ISU）		卫星-关口站		卫星-卫星
	下行	上行	下行	上行
多址方式	TDMA/FDMA		TDM/FDMA		TDM/FDMA
调制	QPSK		QPSK		QPSK
基带滤波	40%升余弦		滤波		滤波
FEC码率	3/4		1/2	1/2	1/2
编码数据率(Mbps)	0.05	0.05	6.25	6.25	25
信道带宽(KHz)	31.5	31.5	4375.0	4375.0	17500.0
中心频率(GHz)	1.62125	1.62125	20	29.40	23.28
总带宽(MHz)	10.5	10.5	100	100	200
载波间隔(MHz)	0.04167	0.04167	7.5	7.5	25
极化方式	右旋圆极化		右旋圆极化		垂直极化
卫星发射(EIRP,dBW)	7.5~27.5		13.3~23.2		38.4
卫星GT(dBi/K)	-10.6~ -3		-1.0		8.1
卫星放大器输出功率(W)	0.1~3.5/每载波		0.1~1.0/每载波		3.4/每载波
卫星接收系统噪声温度(K)	500		1295		720
每颗卫星容量	3840	3840	3000	3000	6000

 

铱星星间链路

Ka波段星际链路

由于外界没有大气吸收、雨雪等带来的信号衰减、只有自由空间损耗、有利于选择更高的频率进行信号传输。Ka和EHF频段资源丰富、可用带宽达几个GHz、是理想的宽带卫星通信波段。同时采用Ka频段，可以实现较窄的波束、从而获得较高的EIRP值、减小发射端天线尺寸。应用在星际链路上优势更加明显，空间传播性好、波束窄、能量集中、从而设备可以做到小型化、轻量化、同时保密性和抗干扰能力也很好。

铱系统星际链路采用23 GHz 、 MILSTART系统星际链路采用60 GHz。大气对这两个频段的射频信号的吸收最大其中水蒸气对23.5GHz左右的信号产生吸收峰值氧气对60GHz左右的信号产生吸收峰值。由于大气的吸收作用、卫星上行和下行链路一般不采用该频段。而星际链路的外界环境是自由空间，没有大气的影响。

卫星星际链路选择射频还是光，在某种程度上取决于系统的容量和功耗。一般情况下低速率选择射频链路，更高速率业务选择光链路。
铱星星间链路

铱星星间链路有4个天线。天线口径大约60厘米。增益为36 dBi且辐射方向图可变的天线。EIRP为38.4dBW.功放大约2dBW，大约1.6W不到2W.

四个卫星间天线以一定角度面向上和面向下连接铱网络而不是沿一个平面水平。星间链路天线也呈一定角度其中两个仰望，两个朝下。

Ka波段星际链路

星间距离的变化，要求链路传输有相应的自动增益或功率控制，前者通常设置在接收端，后者位于发送端。中轨系统的星间距离几乎不变，而Iridium系统星间距离在4500km～9200km之间摆动。

无线星际链路，一般工程上可以做到天线指向误差可以是波束宽度的l/10，这引起的天线指向误差损耗在0．5dB量级。星际链路天线的噪声温度在不考虑太阳时是10K左右。在实际应用中，天线尺寸可以在1 m～2m的量级。若考虑60GHz的传输频率，1dB的接收损耗，则接收品质因数G/J的量级是25dB/K～29dB/K，发射EIRP的量级是72dBw～78dBW。对于0．20 的天线波束宽度(2m天线60GHz时的天线波束宽度是0．2度)，在每个卫星的接收天线朝向发射卫星方向的精度是0．1度时，可以捕获用于跟踪的信标信号。静止卫星之间的星际链路，对指向不同卫星的波束之间也需要频率复用。考虑到卫星之间的角度很小，用窄波束天线并减少旁瓣可以避免系统之间的干扰。还考虑到运载火箭和技术兼容性的限制，应用在卫星上的天线尺寸受到一定限制，所以星际链路采用高的频率是合适的。

编辑：黄飞