卫星通信专题
转发器资源的比较和选择-卫星转发器参数的取值与比较 发布时间:2019/7/29 14:14:18
在卫星的工作寿命期间、以及一天的24小时内,转发器参数都不是固定不变的。不同的卫星公司对转发器参数的取值原则也略有不同。用户在选择和比较卫星性能时,应对相关情况有大致的了解。
转发器在使用中的参数变化
·主备份切换与波束切换
为了提高系统的可靠性,星上的主要通信部件采用主备份设计。为了使系统能适应不同的用户需求,部分卫星的转发器信道可在多个天线波束或者不同波段之间进行切换。主备用部件切换与波束或波段切换需要引入额外的开关和馈线损耗,切换前后的转发器参数可能会有零点几dB的改变。
·器件老化
下行EIRP大致为功放输出功率与天线发送增益之和。转发器的功率放大器将会伴随使用时间的推移而逐渐老化,从而使放大器的输出功率随之而降低。卫星上的能源来自太阳能电池板。电池板的光电转换效率和充放电效率也会随时间的推移而逐渐降低。在卫星的工作寿命末期,电源供应的不足也可能限制功放的输出功率。这两项因素都将降低卫星寿命末期的下行EIRP。
·卫星姿态变化
通信卫星的在轨姿态变化,将改变星上天线的指向,从而改变与天线覆盖区有关的性能参数。三轴卫星采用飞行器的俯仰轴(pitch)、滚动轴(roll)和偏航轴(yaw)描述卫星的在轨姿态。当星体分别在三个轴上产生偏转时,天线的覆盖区将相应作东西、南北和旋转变化。服务区边缘的参数所受的影响将远大于波束中心。卫星上的姿态控制系统会自动对星体的对地姿态作微调,尽可能使之保持不变。
·轨位保持精度
静止卫星的轨道位置会受各种自然力的影响而产生漂移。卫星测控站将定期对卫星作南北方向和东西方向的机动控制,以便使卫星的轨道漂移保持在一定的范围内。静止通信卫星的轨位保持精度要求通常为±0.1度。亚太地区的多数卫星公司都将轨位保持精度提高到±0.05度以内。
当卫星漂离地面天线的波束中心时,转发器参数会因为天线的指向偏差而受到损失。下表列出了不同口径的C和Ku波段天线的偏轴增益差(天线的峰值增益与对应于某个偏轴角度的天线增益之差值)。表中的数据表明,0.1度的天线偏轴增益差数倍于0.05度的增益差。偏轴增益差可以用于估算卫星轨位漂移对转发器参数的影响。数据对比证明了提高轨位保持精度的必要性。
0.05deg | 0.1deg | |||||||||
1.8m | 2.4m | 3m | 4.5m | 6.2m | 1.8m | 2.4m | 3m | 4.5m | 6.2m | |
4.2GHz | 0.00 | 0.01 | 0.01 | 0.02 | 0.05 | 0.02 | 0.03 | 0.04 | 0.10 | 0.19 |
6.425GHz | 0.01 | 0.02 | 0.03 | 0.06 | 0.11 | 0.04 | 0.07 | 0.10 | 0.23 | 0.44 |
12.75GHz | 0.03 | 0.06 | 0.09 | 0.21 | 0.40 | 0.14 | 0.24 | 0.38 | 0.84 | 1.60 |
14.5GHz | 0.04 | 0.07 | 0.10 | 0.23 | 0.43 | 0.15 | 0.26 | 0.41 | 0.91 | 1.74 |
亚洲卫星参数的取值原则
亚洲卫星公司倾向于采用偏于保守的转发器参数。
在亚洲卫星公司向用户提供的技术文件中,转发器参数的城市列表采用工作在相同波段和极化的所有转发器参数中的最差数据。此外,参数的取值还考虑了天线的热变形、天线指向误差、测量误差、短期增益变化、信道间的差异、以及卫星寿命末期的器件老化等因素的影响。
在亚洲卫星公司向潜在用户提供的宣传资料中,转发器参数的城市列表采用相关波段和极化的转发器参数的算术平均值。
亚洲卫星公司在技术文件中所提供的干扰计算系数也都考虑最坏条件。例如,被干扰转发器均被假设为多载波应用,而干扰源所在的转发器则被假设为单载波应用。通过比对不同公司的链路计算表,可以证实亚洲卫星公司所用的反极化干扰、邻星干扰、特别是上下行交调干扰参数都选得相当保守。
参数的保守取值可以保证实际效果优于链路估算。亚洲卫星为用户所提供的链路计算结果通常比实测数据差约2dB,亦即计算结果已含有2dB的余量。
比较转发器参数时的考虑因素
·转发器参数的取值
在比较转发器参数时应该注意到:在卫星的同一个波段和极化上,不同转发器的参数略有不同;在卫星设计制造过程的不同阶段,前后参数略有不同;在卫星工作寿命中的不同阶段,转发器参数会有变化;面对不同的对象,卫星公司所提供的参数也可能略有不同;此外,不同的卫星公司可能有不同的参数取值原则。
就目前由美国和欧洲制造的通信卫星而言,所能提供的转发器性能相差不多。卫星和转发器的参数不同主要因设计要求而异。比较参数时应对服务区的覆盖面和等值线分布等多加考虑。一般说来,天线口径和增益、以及功放输出功率是硬指标,而系统噪声温度和馈线损耗则为软指标。相关数据都会影响到转发器参数的取值。
·用户载波所分配到的EIRP
带宽和功率同为转发器的重要资源。对于用户而言,关心的应该是载波EIRP,或为单位带宽的EIRP,而非转发器EIRP。载波功率在转发器功率中所占的比例,通常体现在载波的输出回退上。载波输出回退为转发器饱和输出功率与载波下行功率之差值。在同样的转发器EIRP条件下,载波的输出回退量越小,载波所占的功率比例就越大,载波的EIRP也就越高。
当载波在转发器中的功率占用率与带宽占用率相平衡时,载波输出回退的计算公式为,
OPBOC = OPBOXpd + 10lg(BWXpd / BWC)
式中,OPBOXpd为整个转发器的线性输出回退量,OPBOC为载波的输出回退量,BWC和BWxpd分别为载波和转发器的带宽。上式表明,转发器的线性输出回退量和转发器带宽都直接影响到载波的EIRP值。
转发器的线性输出回退量为多载波工作的转发器中,转发器的饱和输出功率与线性输出功率(即所有载波在线性工作状态下的总输出功率)之间的差值。转发器的线性输出回退量越小,载波可被分配到的功率就越大。一般而言,工作在装有线性器的TWTA转发器中的载波,EIRP可比不装线性器的高约1.5dB。此外,转发器带宽越窄,同一个载波可被分配到的功率就越大。工作在带宽为36MHz的转发器中的载波EIRP可比72MHz转发器的高约3dB。
·邻星协调对转发器参数的限制
为了减轻对邻星载波的干扰,卫星公司可能已在邻星协调中作出承诺,限制本系统的上、下行天线口径和载波功率谱密度,从而使转发器不能在实际使用中充分发挥其设计性能。此外,当同波段同服务区的邻星系统有小口径上行天线、或者本系统有小口径接收天线时,如果对来自邻星的上行和下行干扰估计不足,也将降低转发器的载波干扰比,从而使实际使用中的系统余量低于链路计算值。
·天线仰角的考虑
地面天线的仰角极低时,地面噪声将进入天线的近旁瓣甚至主瓣,从而提高天线热噪声,降低地面系统的G/T值。天线仰角低,载波穿越降雨区的距离也长,Ku波段为降雨衰耗预留的余量也较大。这两项因素都可能抵消掉部分的转发器EIRP。
·卫星在轨寿命的考虑
卫星在轨工作6到12个月后,星上的各个分系统都经过测试,日渐增加的用户载波使系统进入半负荷甚至满负荷状态,电源系统也经过星蚀期间的充放电考验。这时的卫星已渡过发射后的风险期,性能参数也最为稳定。
随着在轨工作年限的增加,星上的器件逐渐老化,转发器的性能参数也可能随卫星剩余工作寿命的缩短而变差。
·管理与服务的影响
用户通过地面天线而实际用到的转发器参数会受卫星的轨位保持精度和天线指向精度的影响。在每年春分和秋分前后的星蚀期间,太阳能电池将不能维持全天工作。这时,如果星上蓄电池的供电能力不足,将影响转发器的输出功率。由此可见,卫星测控也将间接影响转发器的性能参数。
严格的用户设备及载波管理可以避免和减少干扰,从而更好地发挥转发器的性能。良好的售前和售后服务也可以帮助用户合理设计卫星通信系统,从而充分利用转发器的性能。由此可见,选择好的卫星公司,或许和选择好的卫星转发器同等重要。