多层卫星网络星间链路性能分析与设计

田雍容，卢晓春，黄飞江（. 中国科学院国家授时中心，西安 70600；2. 中国科学院研究生院，北京 0009；. 长沙学院 电子与通信工程系，长沙 4000）

多层卫星网络星间链路性能分析与设计

田雍容1,2，卢晓春1，黄飞江3（1. 中国科学院国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院研究生院，北京 100039；3. 长沙学院 电子与通信工程系，长沙 410003）

对多层卫星网络星间链路各参数之间的关系进行了分析，分别在S和Ka波段上分析计算了GEO（对地静止轨道）-IGSO（倾斜同步轨道）、GEO-MEO（中轨道）和IGSO-MEO卫星间的星间链路参数Eb/N0、发射功率、天线直径和数据速率间的关系。根据计算结果对星间链路的性能进行了分析，在分析计算的基础上得到了一些规律性的结论，这些结论可应用于星间链路的设计与建立。

卫星网络；卫星通信；星间链路

近几十年来，随着空间技术的迅速发展，以及卫星制造业、电子和通信等方面技术的长足进步，多层卫星网络在空间的应用得到了迅速的发展。多层卫星网络是指在双层或多层轨道平面内同时布星，利用层与层之间的星间链路建立的立体交叉卫星网络。与单层卫星网络相比较，多层卫星网络具有空间频谱利用率高、组网灵活、抗毁性强、功能多样化（融合天基通信、导航、定位等多种功能）等优点，能够实现各种轨道高度卫星星座的优势互补，将成为未来天基网发展的一种理想组网模式。多层卫星网络中各层间的时间同步需要通过星间链路进行时间信息的交换来完成，因此首先要对星间链路进行设计和性能分析，为星间链路的建立提供依据。

星间链路对电磁波频率的选择范围比较大，根据所使用的不同频率，星间链路可以分为微波星间链路和光星间链路。本文主要分析微波星间链路的性能和参数的选择。

1 星间链路的基本组成

一条星间链路通常由4个子系统组成：接收机、发射机、捕获和跟踪子系统及天线子系统。接收机主要完成对接收信号的放大、变频、检测、解调和译码等工作，另外也需要提供星间链路与卫星下行链路之间的接口，包括必要的格式转换等。发射机负责从卫星的上行链路中选择那些需要在星间链路上传输的信号，然后完成编码、译码、变频和放大等工作。跟踪和捕获子系统负责使星间链路两端的天线能互相对准对方（捕获），并使天线的指向误差控制在一定的范围内（跟踪）。天线子系统负责在星间链路上收发电磁波信号。对于星间链路一般采用反射面天线或透镜天线[1-2]。

为了在构成卫星网络的多个星层间进行时间同步和数据通信，就需要多条星间链路来构成拓扑结构，实现多个星层间的时间同步和通信等任务。在多个星层星间链路结构中，最基本的链路是由不同层的两颗卫星间的星间链路构成，如图1所示。

图1 不同层两颗卫星间的星间链路模型

图1中，卫星A和卫星B处于不同星座，知道对方的确切位置，使用直径为D、波束宽度为Φc的相同天线指向对方。两颗卫星之间的间隔距离为dc，卫星A对卫星B的传输信号功率为Pt，卫星B的等效噪声温度为Te。表1给出了不同层卫星间的间隔距离。

表1 不同层卫星间的间隔距离 km

由表1可知层间的距离变化范围很大，从几百公里到几万公里。若要在这样的星间链路上完好地传输信号，需要对链路进行详细分析以便满足传输信号的性能要求。

2 微波星间链路性能分析

美国自1972年开始研制跟踪与数据中继系统，它是目前唯一的实用数据中继系统。该系统有S和Ka两种频带的微波链路，可以为航天飞机、哈勃太空望远镜和一些低轨卫星服务。我国中继卫星系统星间链路通信频段有两种选择可能，即采用S/Ka频段或S/Ku频段。但由于Ku频段不是国际电联规定的星间链路使用频段，其前向链路是借用13～14 GHz中的一段，返向链路是借用14～15 GHz中的一段，使用频带的限制，使得传输数据率难以进一步提高。而Ka频段是国际电联规定的星间链路使用频段，前向链路频段为22.55～23.55 GHz，返向链路频段为25.25～27.5 GHz，返向传输使用带宽2 GHz，因此具有向更高传输数据率（如600 Mbit/s）扩展的能力[3-4]。基于此，本文将分别在S频带和Ka频带对微波星间链路的性能进行分析计算。

在微波星间链路的设计中，为了满足整体系统的性能要求，需要对链路系统变量进行计算和选择。其中最重要的性能指标是信号品质，即信道上的比特能量噪声密度比（Eb/N0）。它与比特误码率（BER）有关系，可根据对比特误码率的要求计算得到Eb/N0的要求值。

在数字信号传输中，Eb/N0依赖于接收机的载噪比（C/N）。可通过以下两步来计算出C/N：

1）计算卫星接收机接收到的载波功率C；

2）计算接收机的总噪声功率N。

得到C/N后，通过C/N与Eb/N0的关系可得到Eb/N0与链路各参数之间的关系，据此在链路设计中对各参数优化取值，达到星间链路性能要求。

链路结构如图1所示，卫星A的发射功率为Pt，天线增益为Gt，在卫星B上，接收天线增益为Gr，接收到的信号功率为Pr，根据下面的卫星链路的计算公式（1）可得到Pr，在计算中只考虑自由空间损耗，忽略其他链路损耗。式（1）中λ为载波波长。

式（1）中Gt和Gr值可分别由下面的（2）式和（3）式得到：

式（2）中，Φc为发射天线的波束宽度，它依赖于天线直径D和发射频率。式（3）中，Ae为有效孔径面积，它是实际孔径面积和天线效率的积。Φc和Ae可分别由下面的式（4）和式（5）得到：

式（5）中η为天线效率。将式（2）、式（3）、式（4）和式（5）代入式（1）得到：

接收机端总噪声功率N为[5]

式（7）中k为玻耳兹曼常数，其值为1.38×10-23J/K。Te为等效噪声温度，B为载波带宽。由式（6）和式（7）可得到C/N：

由Eb/N0与C/N的关系可得

式（9）中rb为数据速率。

噪声导致检测器发生误码的概率由下式计算[6]：

在链路计算中，Eb/N0与比特误码率（BER）和调制方式有关。星间链路设计中一般采用二相移键控（BPSK）调制，要求其比特误码率（BER）不大于10-5，实现余量取2 dB，当BER=10-5时，由（10）式可计算得，对应的Eb/N0分贝值为9.6 dB，由此可得到Eb/N0为11.6 dB[7]。

首先分析S波段2.4 GHz星间链路的性能。卫星接收机的等效噪声温度Te＝1 000 K，接收天线效率η为65%。通过（9）式对GEO-IGSO层间链路、GEO-MEO层间链路和IGSO-MEO层间链路进行计算分析。

将GEO-IGSO层间卫星间的最大距离dc=53 957.1 km，GEO-MEO层间卫星间的最大距离dc=69 457 km，IGSO-MEO层间卫星间的最大距离dc=69 673 km，分别代入（9）式，可得表2所示的计算结果。

表2 GEO-IGSO层间链路、GEO-MEO层间链路、IGSO-MEO层间链路S波段链路参数变化表

随着星间通信的不断发展，对星间通信数据率的要求也越来越高，从表2可见，在S频段2.4 GHz载波上，星间链路可以满足一定的高数据率要求，但需要相对较大的天线和发射功率，这就对卫星要求较高，因此下面进一步分析更高频率的Ka频段星间链路的性能。Ka频段的可用带宽大、天线增益高、具有很小的自由空间损耗，对天线和发射功率的要求也较低。我们采用Ka波段30 GHz的载波，对GEO-IGSO层间链路和GEO-MEO层间链路以及IGSO-MEO层间链路进行计算分析。

同样对于GEO-IGSO层间卫星间的最大距离dc=53 957.1 km，GEO-MEO层间卫星间的最大距离dc=69 457 km，IGSO-MEO层间卫星间的最大距离dc=69 673 km，分别由（9）式可得表3所示的计算结果。

表3 GEO-IGSO层间链路、GEO-MEO层间链路、IGSO-MEO层间链路Ka频段参数变化表

由表3可见，当GEO-IGSO和GEO-MEO以及IGSO-MEO层间的卫星间距离最大时，用2 m天线仅需1 W就可以满足100 Mbps的数据率要求。这样就降低了对卫星天线直径和功率的要求，并能够提高数据率。

3 结论

本文在对多层卫星网络微波星间链路参数间的关系进行分析的基础上，分别在S和Ka频段上分析计算了GEO/IGSO、GEO/MEO和IGSO/MEO卫星星间链路上Eb/N0、发射功率、天线直径和数据速率间的关系。由此得到了一些规律性的结论，为星间链路的建立提供了参考和依据。

在实际的应用中，卫星之间不能相互定位对方，存在着天线指向误差，本文中没有涉及，将在后续的文章中进行详细的分析。

[1] GAGLIARDI R. Satellite Communications[M]. USA: Van Nostrand Reinhold, 1991.

[2] MARAL G, BOUSQUET M, SUN Zhi-li. Satellite Communications Systems: Systems, Techniques and Technologies[M]. USA: John Wiley & Sons, Ltd, 1992.

[3] 陈明章, 赵恩惠. 我国跟踪与数据中继卫星星间链路通信频段选择研究[J]. 空间电子技术, 2002, 2: 15-19.

[4] 刘亚琼, 杨旭海. GPS星间链路及其数据的模拟方法研究[J]. 时间频率学报, 2010, 33(1): 39-46.

[5] 罗迪. 卫星通信[M]. 张更新, 刘爱军, 张杭, 等译. 3版. 北京: 人民邮电出版社, 2002.

[6] KOLAWOLE M O. Satellite Communications Engineering[M]. New York: Marcle Dekker Incorporate, 2002.

[7] FLETCHER G D, HICKS T R. The SILEX Optical Interorbit Link Experiment[J]. Electronics & Communication Engineering Journal, 1991, 12, 6(3): 273-279.

Design and Performance Analysis of Inter-satellite Link in Multilayer Satellite Network

TIAN Yong-rong1,2, LU Xiao-chun2, HUANG Fei-jiang3

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Science, Xi’an 710600, China;
2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China;
3. Department of Electronics and Communication Engineering, University of Changsha, Changsha 410003, China)

In this paper, the relationship between the various inter-satellite link (ISL) parameters of multilayer satellite network is analyzed. The relationship among Eb/N0, transmit power, antenna diameter and data rate of GEO(geostationary earth orbit)/IGSO(inclined geosynchronous orbit ), GEO/MEO(middle earth orbit) and IGSO/MEO inter-satellite links are analyzed and calculated, and the performance of ISL is analyzed according to the calculation. From the result, some regularity conclusions are obtained, which can be used for design and establishment of ISL.

satellite network; satellite communication; inter-satellite link

TN927+.3

A

1674-0637(2010)02-0140-06

2010-01-22

国家自然科学基金资助项目（10673011）；中国科学院“西部之光”人才培养计划资助项目；中国科学院知识创新工程重要方向资助项目（KJCXZ-YW-T12）；国家重点基础研究计划（973计划）资助项目（2007CB815502）

田雍容，女，硕士，主要从事卫星导航和卫星通信方面的研究。