中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 姚涉

衛(wèi)星通信系統(tǒng)中有很多的組成部分，其中最主要的兩個(gè)部分是衛(wèi)星以及地球站。地球站利用電磁波將信息傳送到衛(wèi)星上，衛(wèi)星再將接收到的信息轉(zhuǎn)送到另一個(gè)地球站，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)地球站之間的信息互傳，這是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要作用之一。但是在這個(gè)過(guò)程中為了使得信息的傳送更加精準(zhǔn)就需要對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行功率控制，以確保信息在傳送中的一致性。

1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)以及功率控制含義

衛(wèi)星通信是一個(gè)龐大的系統(tǒng)，在進(jìn)行高效運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中需要多個(gè)設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)配合，才能實(shí)現(xiàn)最好的效果。當(dāng)下社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速提升，促進(jìn)了我國(guó)衛(wèi)星通信的發(fā)展和完善，在大量信息進(jìn)入到衛(wèi)星系統(tǒng)之后，如何科學(xué)高效的對(duì)信息展開(kāi)分類(lèi)整理成為了目前衛(wèi)星通信中的重大難題之一。在衛(wèi)星通信的系統(tǒng)中可以根據(jù)信息的種類(lèi)和來(lái)源進(jìn)行分類(lèi)儲(chǔ)存和傳送。

在衛(wèi)星系統(tǒng)的通信過(guò)程中會(huì)涉及到功率控制[1]。所謂功率控制主要是在地球站和衛(wèi)星發(fā)射信息的環(huán)節(jié)，合適的功率可以保證信息的準(zhǔn)確度和完整性，還能減少電磁波，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作的時(shí)候，功率控制要在確保對(duì)接端設(shè)備完好以及信號(hào)接收強(qiáng)度高于接收電平門(mén)限的前提下開(kāi)展，這是發(fā)揮功率控制在衛(wèi)星通信中最大作用的重要基礎(chǔ)，同時(shí)也是保證信息發(fā)送中減少對(duì)周?chē)ㄐ畔到y(tǒng)產(chǎn)生干擾的有效辦法。對(duì)于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的整體而言，功率控制是其中一項(xiàng)重要的內(nèi)容，將功率控制在一個(gè)合適的強(qiáng)度可以促進(jìn)衛(wèi)星系統(tǒng)的良好運(yùn)轉(zhuǎn)。相反則會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星通信功能在信息傳送中出現(xiàn)誤碼、誤幀，從而使得衛(wèi)星系統(tǒng)通信質(zhì)量下降。減少衛(wèi)星發(fā)射中的電磁波是一個(gè)長(zhǎng)期的探索創(chuàng)新過(guò)程，目前現(xiàn)有的技術(shù)限制著電磁波使用量。使用合適的功率控制設(shè)備，將衛(wèi)星通信過(guò)程中的功率控制在一個(gè)特定的數(shù)值范圍內(nèi)，從而充分發(fā)揮衛(wèi)星通信在數(shù)據(jù)傳遞以及信息交流中的最大價(jià)值。

2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)中功率控制的重要意義

衛(wèi)星通信系統(tǒng)其實(shí)是一種微波通信，通過(guò)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)微波信號(hào)，在不同地面之間實(shí)現(xiàn)通信，可以實(shí)現(xiàn)地面的無(wú)縫隙覆蓋。衛(wèi)星通信對(duì)地面設(shè)備的發(fā)射功率要求較高，因此，在使用過(guò)程中要做好功率控制工作才能保證衛(wèi)星通信的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和使用。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)終端和業(yè)務(wù)類(lèi)型不斷增加，寬帶業(yè)務(wù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，傳統(tǒng)的波段已經(jīng)不能滿(mǎn)足寬帶業(yè)務(wù)的需求，Ka波段成為寬帶業(yè)務(wù)的主要發(fā)展趨勢(shì)，但是Ka波段容易受空氣以及環(huán)境的影響，出現(xiàn)信號(hào)的衰減，功率控制可以很好的解決這一問(wèn)題。功率控制方法研究的重點(diǎn)是衛(wèi)星信道衰落對(duì)信號(hào)功率的影響，提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的誤碼性能。因此，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中通過(guò)功率控制方法可以有效的提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的容量，保證衛(wèi)星通信系統(tǒng)的資源得到有效的利用，對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)有重要的意義。

另外，衛(wèi)星通信系統(tǒng)由星載轉(zhuǎn)發(fā)器和功率放大器組成，功率放大器可以直接線性的提高傳輸信號(hào)的傳輸功率。但是功率放大器也具有非線性的特點(diǎn)，使信號(hào)在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生失真的情況，可以通過(guò)預(yù)失真方法來(lái)改善功率放大器所產(chǎn)生的非線性特性，提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)整體的誤碼性。功率控制方法可以很好的改善衛(wèi)星通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)質(zhì)量，控制衛(wèi)星通信系統(tǒng)的衰減現(xiàn)象。

3 衛(wèi)星通信系統(tǒng)中進(jìn)行功率控制的系統(tǒng)分析

（1）上行發(fā)射信道的分析。在站內(nèi)上行衛(wèi)星信號(hào)的發(fā)射線路中，地面站是影響上行功率的重要設(shè)備。如圖1所示，其中包含衛(wèi)星天線、高頻功率放大器以及調(diào)制器和上行處理設(shè)備等。通過(guò)地球站內(nèi)上行衛(wèi)星的發(fā)射線路，就可以獲取某調(diào)制發(fā)射器在信息發(fā)射時(shí)天線的出口位置所對(duì)應(yīng)的具體電平值。經(jīng)過(guò)一定的計(jì)算可知，調(diào)制器的電平值和上行電平值之間存在著線性正相關(guān)的聯(lián)系[2]。這種情況下就可以采用調(diào)節(jié)調(diào)制器的輸出電平數(shù)值，對(duì)地面站的發(fā)射功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。地球站的天線增益以及發(fā)射功率以及地理位置等都會(huì)對(duì)衛(wèi)星接受端電平值產(chǎn)生影響。比如：在出現(xiàn)雨雪等天氣的時(shí)候，衛(wèi)星系統(tǒng)在收發(fā)信息的時(shí)候就會(huì)受到影響，其中功率控制也會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，從而影響信息的傳送準(zhǔn)確性以及及時(shí)性。對(duì)于上行的發(fā)射信道來(lái)講，一旦衛(wèi)星的信息接收端出現(xiàn)較大波動(dòng)的時(shí)候，上行信號(hào)的接受質(zhì)量就會(huì)明顯降低。另外，因?yàn)樯闲行诺烙兄鄠€(gè)連接站點(diǎn)，各個(gè)站點(diǎn)之間具有不同的發(fā)射功率以及地址地理位置，有的時(shí)候下行鏈路功率控制較好，并且接受的信息質(zhì)量較高，但是在進(jìn)行信息發(fā)送的時(shí)候功率控制不到位，就會(huì)影響信息的發(fā)送質(zhì)量。因此，在衛(wèi)星的通信過(guò)程中一定要將功率控制在一個(gè)合理的范圍，才能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的接收和發(fā)送信息。針對(duì)衛(wèi)星通信中存在的功率控制問(wèn)題，提高對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境以及天氣狀況的判定，利用可調(diào)節(jié)的星載調(diào)節(jié)器，針對(duì)不同的環(huán)境設(shè)置不同的控制功率。例如：惡劣環(huán)境中可以增加發(fā)送功率，這是因?yàn)閻毫迎h(huán)境會(huì)影響衛(wèi)星的信息接收以及發(fā)送能力。

圖1 上行衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射線路Fig.1 Uplink satellite signal transmission line

（2）空間當(dāng)中的射頻鏈路分析。在衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行信息傳輸?shù)倪^(guò)程中，傳輸鏈路從地球站發(fā)射之后，經(jīng)由上行信號(hào)鏈路再傳送到轉(zhuǎn)發(fā)器中，然后對(duì)信息進(jìn)行放大處理，再經(jīng)由下行信號(hào)鏈路轉(zhuǎn)送到另外的地球站的接收端。其中需要重點(diǎn)說(shuō)明的是，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中空間射頻鏈路有上行鏈路以及下行鏈路和轉(zhuǎn)發(fā)器組成。對(duì)通信性能產(chǎn)生重要影響的是轉(zhuǎn)發(fā)器的發(fā)射效果、接收增益以及下行和上行傳輸階段所產(chǎn)生的損耗和傳輸階段出現(xiàn)的噪聲干擾等。如果要對(duì)衛(wèi)星通信的傳輸途徑進(jìn)行定量計(jì)算，需要對(duì)極化誤差損耗、傳輸損耗、大氣損耗、降雨損耗、天線跟蹤誤差損耗等所有損耗在鏈路中進(jìn)行全面分析。衛(wèi)星通信的覆蓋范圍較大，所以不同區(qū)域之間的ERIP值和G/T值有所不同。為了計(jì)算空間鏈路就需要結(jié)合ERIP和 G/T值的分布圖，從而確定上行以及下行鏈路中各自的場(chǎng)強(qiáng)補(bǔ)償圖。區(qū)域之間的差異性會(huì)影響上行以及下行鏈路增益，可以通過(guò)功率控制和補(bǔ)償來(lái)達(dá)到均衡。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)計(jì)算之后可知，補(bǔ)償場(chǎng)強(qiáng)后各個(gè)區(qū)域空間中的鏈路增益趨于相同[4]。

（3）下行信號(hào)接收鏈路分析。地面站接收電平的設(shè)備包含衛(wèi)星天線、低噪聲放大器、下行處理裝置和下變頻器等。在下行鏈路的功率控制中，因?yàn)榈厍蛘竞托l(wèi)星的距離相對(duì)較遠(yuǎn)，導(dǎo)致信息發(fā)送的過(guò)程和時(shí)間比較長(zhǎng)。通信信號(hào)質(zhì)量在下行鏈路工作中容易受到天氣的影響。為了地球站能穩(wěn)定工作，并且減少環(huán)境變化對(duì)其產(chǎn)生的影響，通常選擇使衛(wèi)星通信系統(tǒng)在最大發(fā)射功率狀態(tài)下運(yùn)行。因?yàn)榈厍蛘镜慕邮招诺篮吞炀€增益差異不同，因此，不同接收站的工作頻段和最大速率也不盡相同，這就需要對(duì)電平進(jìn)行合理分配。解調(diào)器擁有自動(dòng)增益控制功能之后，在下行鏈路中，可以通過(guò)控制功率，減少天氣對(duì)衛(wèi)星通信的不利影響，提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力。但是下行鏈路中受到電波的影響較大，只能減少環(huán)境對(duì)此產(chǎn)生的影響，卻不能完全消除。采用FEC技術(shù)適當(dāng)增加冗余校驗(yàn)信息，降低系統(tǒng)的誤碼率，從而最大限度減少惡劣環(huán)境對(duì)衛(wèi)星通信質(zhì)量的影響。

4 在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中開(kāi)展功率控制研究條件背景分析

功率控制在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的運(yùn)行中發(fā)揮著重要的作用。目前信息能夠?qū)崿F(xiàn)快速傳播，并且傳播速度明顯加快，同時(shí)準(zhǔn)確度也得到明顯提升。呈現(xiàn)這一效果的原因在于衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)功率控制能力的增強(qiáng)。第一顆通信型衛(wèi)星在美國(guó)發(fā)射成功，早期此衛(wèi)星服務(wù)于商務(wù)活動(dòng)，技術(shù)水平也只能實(shí)現(xiàn)短途短時(shí)的信息傳輸。但是第一顆衛(wèi)星的成功發(fā)射給人類(lèi)帶來(lái)了很大的信心，促進(jìn)了衛(wèi)星通信事業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。衛(wèi)星系統(tǒng)能夠?qū)⒁粋€(gè)完整且透明的信息傳遞到另一個(gè)地方，例如：在發(fā)生災(zāi)難等公共事件的時(shí)候，信息傳遞效率很低，不利于信息的快速傳播。然而利用衛(wèi)星通信技術(shù)就能夠快速實(shí)現(xiàn)大范圍的信息傳播，從而減輕災(zāi)難程度。尤其近些年，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展為衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展帶來(lái)了新的生機(jī)和活力，隨著人們對(duì)通信要求的提高，傳統(tǒng)的通信技術(shù)已經(jīng)不能滿(mǎn)足當(dāng)今人們的生活需求，這就為衛(wèi)星通信系統(tǒng)提供了機(jī)會(huì)。通過(guò)完善衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的功率控制能力，將寬帶與不同的接送端進(jìn)行連接，從而提升通信質(zhì)量和效率，還能幫助衛(wèi)星通信擴(kuò)大其業(yè)務(wù)范圍。目前低波段衛(wèi)星通信因?yàn)槭褂眠^(guò)多，呈現(xiàn)出市場(chǎng)飽和的現(xiàn)象，這也是通信衛(wèi)星系統(tǒng)中的瓶頸環(huán)節(jié)。為了更好的解決低波段市場(chǎng)飽和情況，在衛(wèi)星通信中利用功率控制的方法，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星系統(tǒng)升級(jí)，突破現(xiàn)有發(fā)展瓶頸[5]。

5 衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行功率控制的具體實(shí)施步驟

目前衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，大多數(shù)鏈路層沒(méi)有準(zhǔn)確的定量計(jì)算方法，這就需要借助于系統(tǒng)校準(zhǔn)比對(duì)功能，并對(duì)發(fā)送的電平值進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，從而有效控制衛(wèi)星鏈路的功率。

5.1 校準(zhǔn)工作

對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行功率控制是一項(xiàng)技術(shù)含量高的工作，尤其在信息的接收和發(fā)送重要信息時(shí)保證高度準(zhǔn)確性，因此需要衛(wèi)星通信系統(tǒng)具備高效的校準(zhǔn)工作。對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)工作主要是利用校準(zhǔn)電平來(lái)完成的。對(duì)電平進(jìn)行校準(zhǔn)主要包含兩方面內(nèi)容：接收電平校準(zhǔn)和發(fā)送電平校準(zhǔn)。接收電平校準(zhǔn)首先要對(duì)接收信號(hào)的底噪進(jìn)行校準(zhǔn)，確保衛(wèi)星通信系統(tǒng)內(nèi)的所有解調(diào)器的入口底噪滿(mǎn)足解調(diào)器性能，并且還要對(duì)地面接收站的信號(hào)接收能力進(jìn)行校準(zhǔn)。網(wǎng)控中心會(huì)不斷的發(fā)送TDM信號(hào)，各個(gè)地面站接收到信號(hào)后會(huì)將時(shí)時(shí)電平值經(jīng)過(guò)ALOHA傳送到網(wǎng)控中心。除此之外，網(wǎng)控中心通過(guò)地球站獲得的下行信號(hào)鏈路相應(yīng)增益的補(bǔ)償數(shù)值，進(jìn)而得到地球站對(duì)應(yīng)的接受增益的補(bǔ)償數(shù)值，網(wǎng)控中心通過(guò)接收地球站發(fā)出的信號(hào)來(lái)校準(zhǔn)地球站的功率，對(duì)地球站調(diào)制器的發(fā)送電平進(jìn)行調(diào)整。與此同時(shí)，發(fā)送電平當(dāng)中囊括網(wǎng)控中心下行信號(hào)鏈路的增益補(bǔ)償以及地球站上行信號(hào)鏈路的增益補(bǔ)償?shù)龋阅軌虻玫降厍蛘菊{(diào)制器所發(fā)出的基準(zhǔn)電平值，其能夠?qū)⒌厍蛘景l(fā)送性能反映出來(lái)。

5.2 計(jì)算電平

在衛(wèi)星通信環(huán)節(jié)，地面地球站發(fā)送電平包含基準(zhǔn)電平值、地球站下行信號(hào)鏈增益補(bǔ)償值、接受增益補(bǔ)償值、上行信號(hào)增益補(bǔ)償值。因此在地球站需要在固定周期內(nèi)（每三個(gè)月）進(jìn)行一次電平校準(zhǔn)，以保證計(jì)算的精準(zhǔn)性和有效性[6]。

5.3 控制功率

利用計(jì)算所得來(lái)發(fā)送電平屬于開(kāi)環(huán)值，但只能保證雙方之間實(shí)現(xiàn)通信。在初期通信雙方按照實(shí)際通信的效果，進(jìn)行閉環(huán)互調(diào)操作。因此地球站要嚴(yán)格控制發(fā)送功率并落實(shí)以下兩點(diǎn)。首先，按照地球站發(fā)送電平對(duì)調(diào)制器的相應(yīng)發(fā)送電平展開(kāi)計(jì)算；其次通信雙方按照最終的效果進(jìn)行功率互調(diào)操作。衛(wèi)星在傳輸中會(huì)有較大延遲性，因此需要利用閉環(huán)算法，并且結(jié)合微分+比例控制器，才能將調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行有效解決，以保證衛(wèi)星通信系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

5.4 檢查改進(jìn)

將功率控制設(shè)計(jì)方案應(yīng)用到具體的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)內(nèi)的轉(zhuǎn)發(fā)器底噪有了明顯的降低，而且信號(hào)整體都比較穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的觀察，應(yīng)用設(shè)計(jì)方案后的通信系統(tǒng)的效果相比之前有了較高的提升。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的全面分析，尤其是對(duì)空間鏈路以及上下行信號(hào)鏈路的分析，可以利用科學(xué)的方法獲得需求的功率電平。還能夠按照不同的功率控制實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)電平、計(jì)算電平和控制功率等作用。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的運(yùn)行中也要重視檢查改進(jìn)，以確保衛(wèi)星通信系統(tǒng)能夠在安全穩(wěn)定的狀態(tài)下運(yùn)行，促進(jìn)行業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。

引用

[1] 陳鵬,吳成杰,朱俊清,等.衛(wèi)星通信系統(tǒng)中功率控制的設(shè)計(jì)分析[J].數(shù)字通信世界,2022(3):66-68.

[2] 吳必旗,宋穎.衛(wèi)星通信系統(tǒng)中功率控制的設(shè)計(jì)分析[J].無(wú)線互聯(lián)科技,2020,17(19):9-10.

[3] 楊仁慶,楊清森,許陵,等.衛(wèi)星通信系統(tǒng)中功率控制的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J].數(shù)字通信世界,2019(12):11-12.

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