卫星通信系统中功率控制的设计分析

陈 鹏，吴成杰，朱俊清，王立婷

（1.西安航天天绘数据技术有限公司，陕西 西安 710100；2.航天恒星科技有限公司，北京 100095）

卫星通信系统组成部分很多，最主要的部分是卫星和地球站。一个地球站通过电磁波将相关信息发送到天上的卫星，卫星再将收到的信息转发到另一个地球站，于是就将两个地球站紧密联系在一起，这也是卫星通信系统的重要所在。然而，想要准确无误地通过卫星发送信息，就必须要控制好功率，这样才能保证信息在传播的过程中不会出现缺失。

1 卫星通信系统中系统和功率控制简介

1.1 卫星通信系统

卫星通信系统的高效运行不是通过单一设备工作的，而是依靠多个设备协调工作的。随着经济水平与科学技术水平的提升，促进了卫星通信系统的发展与完善。大量的信息不断涌入卫星通信系统，如何对这些信息进行分类和整理成了一个重大难题，系统的最大作用就是分门别类地整理这些信息，会根据不同的来源、不同的种类将信息储存、发送。然而需要说明的是，卫星通信系统在容量和发射功率方面有上限，不可能无限制地进行存储与保留。因此，系统需要及时对所收到的信息和资源进行更新，并适当删除部分年代久远的技术数据，将存储容量空闲出来，给予新的数据必要的存储空间，“减负提速”才能将卫星通信系统的作用发挥到极致。

1.2 功率控制

在卫星通信系统中，功率控制主要是指在发射信息的过程中，既要保证信息的完整性和准确性，又要适当减少发射的电磁波，以达到节约能源的目的。功率控制要保证在不损害对接端的设备和接收信号强度的前提下进行，这样既可以将卫星通信系统中功率控制发挥到最大价值，又能在发送信息过程中不影响周围相关通信系统的正常运行。对于卫星通信系统这个整体来说，功率控制是其中的重要部分也是其中的关键之处，功率控制合适能够促进卫星通信系统的发展，相反控制不合适则会使卫星通信系统出现巨大纰漏。减少发射的电磁波是一个长期探索的过程，现有的相关技术限制了电磁波的使用量。在这一点上，实际减少的是卫星通信系统的适应能力，相反则是对自然环境的最小化破坏，使用更符合当前设备的功率控制装置，将功率稳定在特定的参数值上，才可以最大限度地发挥卫星通信系统在信息交流、数据传递上的功能优势[1]。

2 卫星通信系统中功率控制的研究条件以及研究作用

卫星通信系统中的功率控制具有非常大的优势，比如传播信息较快、传播地域较广、准确性较高等，造就这些优势也是由于卫星通信系统功率控制经历了长时间的研究和发展。世界上第一颗通信卫星由美国发射，前期这颗卫星用于商务活动，技术水平的限制使得第一颗通信卫星仅能实现短暂、短途的信息传递和数据传输，但通信卫星的成功发射及实际运行，也证明了世界卫星通信系统获得了巨大的进步，同时在这颗卫星中通信系统的功率控制也经历了漫长的研究时期，由于没有前期经验可以借鉴，美国在卫星通信系统功率控制研究时遇到了巨大的困难。卫星通信系统可以透明地将信息传递到另一个地点，比如在发生灾难时，人为信息传播就受到了非常大的局限，但是卫星通信系统却可以在恶劣的条件下，将相关信息准确的传送到另一个站点，这种覆盖性广、适应性强的卫星通信系统在很多情况下都得到了广泛应用。

近年来，互联网技术的不断发展与提高，又给卫星通信系统带来了新的发展机遇，人们对服务的要求越来越高，现有的通信技术难以满足人们的要求，于是卫星通信系统有了更大的舞台。卫星通信系统将功率控制的恰到好处，就可以宽带接入不同的接送端，宽带一起协同提升了通信的质量，也扩大了卫星通信系统的业务。虽然卫星通信系统受到了高科技的帮助和人们的追捧，但是一些低波段的卫星通信系统，由于过多的使用，在市场中已经渐渐的趋于饱和，发展也到了瓶颈期。比如C波段由于前期的研究投入不够，波段又比较低，且没有自身特有的优势，所以在后期的卫星通信系统竞争中无法跟上时代的步伐。与此同时，那些有自身优势的波段就在新时代的发展中如火如荼，比如Ka波段具有通信速率高、适应性强的特点，频率的范围大致保持在20/30 GHz左右。为了解决低波段卫星通信系统的各种问题，可以采用功率控制的方法来帮助低波段的卫星通信系统升级[2]。

3 卫星通信系统中功率控制的方法

3.1 上行功率

上行链路的功率控制能力不强，容易受到多方面的影响。比如，当出现雨雪云雾天气时，卫星通信系统的信息接收就会受到干扰，功率控制也会波动，这时就会影响信息的传送。对于上行线路FIMA来说，如果卫星接收端的信号接收时有较大的波动的话，上行信号的接收效果就会大打折扣。地球站天线增益、发射功率、地理位置差异等因素都会影响卫星接收端电平的稳定性。此外，上行链路一般连接的站点比较多，各站点之间又有不同的地理位置和发射功率等，有时上行链路的功率控制在进行工作时，接收信息的功率恰好，但是在发送时却会出现功率过大或者是过小的问题。所以在卫星通信系统工作过程中，必须要保证功率控制的精确性，可靠而稳定的接收信息和发送信息。面对卫星通信系统中功率控制存在的相关问题，我们也有一定的调整方法和策略，当前被普遍接受的调整方法是通过判定器来解决这一难题。在卫星通信系统的功率控制检测器上设定一个判定器，以用来判定当地的自然环境和天气状况，而不是在卫星通信系统中设置两个不同的系统，这两个不同的系统用于应对不同的情况。通过可调控的星载调节器，来保证上行信号的接收频率和波段在一个固定范围之内，同时设置不同的功率控制，在恶劣的条件中要将功率控制适当加大，因为恶劣天气会影响卫星通信系统的信息接收和信息发射，将功率控制加大就可以增强卫星通信系统的接收和发送能力。然而，关于除开信号发射之外的卫星检测、卫星返回，以及不同时段状态值提取等，也同样需要在不同的功率状态下才能得到更加完善、精确的数据值[3]。

图1 VASAT卫星通信系统构成示意图

3.2 下行功率

下行链路功率控制中，主要是卫星与地球站之间的联系，由于地球站与卫星的距离较远，发送信息的过程比较长，而下行链路中受到天气影响的可能较大，所以在下行链路的卫星通信信息传输控制中，需要更加

注重功率的大小。为了使在不同的波速内的地球站都能可靠工作，不用受限于恶劣天气造成的运行困难，通常卫星通信系统都被要求在最大发射功率下运行。地球站的天线增益差异和接收信道不同，造成了不同接收站的速率和工作频段出现差异，所以合理的电平分配势在必行。经过高科技加持，解调器可以拥有AGC功能（自动增益控制：通过反馈控制直放站来控制输出信号电平），在下行链路中，天气因素对Ka波段的影响非常大，若该频段伴有经常性的降雨，此时把握好通信系统的功率控制，则能够很好地应对雨季。然而，卫星下行链路在很大程度上会受到电波的控制，无法彻底得消除雨季对于卫星通信系统的影响，于是FEC技术应运而生，当出现雨季时，适当调大功率来减缓雨季的冲击力，同时减缓信息资源传送的速率，以便于信息资源在发射过程中不受恶劣天气的影响。

图2 卫星通信各个系统

4 卫星通信系统功率控制的实施步骤

4.1 校准工作

卫星通信系统功率控制是一个技术性的工作，在进行接收和发射信息时都不允许有一点偏差，所以卫星通信系统的校准工作一定要圆满完成。通常卫星通信系统的校准工作是通过校准电平来进行的，一次信息的接收和发送，要经过两次，分别是接收端的电平和发射端的电平。接收端的电平主要是用来接收信息，同时还具有一定的降噪功能。降噪功能使通信系统在收集信息时减少周围噪音的干扰。卫星通信系统的电平，还可以对所收集到的信息进行加工和升级，但原有信息所要传递的内容不会进行改变，进行信息的加工和升级是为了增强信息的保密性和准确性。例如，接收端收到的信息为P，那么该信息在发射端进行加工得到的信息为P1，最后地球站所接收到的信息为P2，用公示表示则为P2=P1-P，电平的校准工作是卫星通信系统功率控制的第一步，也是关键的一步。

4.2 设计功率

功率的设置是根据信息的具体情况来定的，有时信息再通过校准工作和发射之后会出现一定的改变，这时就会需要一些补偿值来使信息回归到初始的状态，这个初始状态一般都是由控制功率来完成的。例如，接收端的卫星接收信息为G，经过发射端加工后的信息为G1，发射端将信息发射到地球站的信息为G2，补偿端的信息为G3，由此可得出公式G=G3=G2-G1，而这些补偿值都是通过功率的控制来实现的。除此之外，通信系统的功率控制，还有一个非常重要的功能叫作功率互调，卫星通信系统在一定程度上来说还是具有滞后性的，虽然能够较为及时地传播信息，但滞后性是存在一定弊端的，那么这个滞后的弊端就必须要靠功率互调来消除。

4.3 检查改进

在卫星通信系统接收和发射信息之后，一定要对卫星通信系统的功率控制进行检查和改进，认真分析功率控制所不足的地方，然后聘请专业的技术人员和工程师进行技术指导。在对功率控制的设备进行检查时，要遵循的第一个原则是“精细化”，即事无巨细地对相关运行设备进行测定和检验，不可以放过任何一个细节，不能有盲目自信的想法，认为偶尔间的漏查不会影响整体系统的安全运行。第二个原则就是遇到问题立即解决，不可遗留推诿。对于设备运行及维护的各种问题，一经发现应当立即着手解决，部分专业知识欠缺的员工应当寻求前辈的指导与帮助，不可将问题带到下一个工作日。通信部门最好能够设置一个专门的监察部门，在卫星通信系统工作之后，能够及时观察设备运行数据参数，发现系统其中的漏洞并及时制定出解决策略，相关的卫星通信工作人员，也需要尽心尽力地研究和改进卫星通信系统的不足之处，提高卫星通信系统功率控制的效率，加强对信息传输的保护。

5 结束语

卫星通信系统不是时代的潮流，却是当今社会必不可少的。移动通信现在已经成为人们广泛关注的问题，新时代的生活中几乎人人都有一部手机，家家户户都配备了计算机、电视、iPad等，这些电子设备都依赖于卫星通信系统，如果缺少了卫星通信系统传播信息的功能，那么这些高科技产品就将缺少很多功能，由此可见，卫星通信系统对于人类的现代生活发挥着至关重要的作用。然而，随着科学技术的不断发展，对于卫星通信系统的要求也越来越高，功率控制是卫星通信系统的重要组成部分之一，同时功率也属于通信系统的硬性条件，为了给人们更好的通信体验，卫星通信系统的相关工作人员，唯有吸取经验，立足于人们的实际需求，不断研究和探索，把握适度的功率控制，才能打造一个完善的卫星通信系统，促进卫星通信事业的不断发展。