基于北斗的卫星移动通信试验系统地面段设计

北京卫星导航中心 李洪力 刘 冰 窦晓晶 张 婷

引言：基于北斗的卫星移动通信试验系统利用北斗卫星的冗余资源，建立支持语音和低速数据传输的小容量卫星移动通信试验系统，其核心部分是地面段。本文在兼顾考虑满足卫星移动通信试验系统与北斗系统信号共存基础上，对卫星移动通信试验系统地面段进行了链路设计，实现了卫星移动通信试验系统用户信号的处理转发；同时通过卫星资源管理与监控部分设计，实现了北斗卫星L/C转发器入站信号的监测，当移动通信对北斗系统正常入站造成影响时，通过反向功率控制，停止移动通信用户入站或使其降功率使用，保障了北斗系统正常服务不受影响。

1.前言

基于北斗的卫星移动通信试验系统利用北斗卫星的冗余资源为空间段，建立支持语音和低速数据传输的小容量卫星移动通信试验系统，开展卫星移动通信系统的语音、短消息和数据广播通信试验。

系统由三部分构成：由北斗卫星冗余资源支持的空间段；具有系统接续控制和交换能力的地面段；以及进行各类试验验证的用户段。其中，空间段利用北斗卫星所搭载的转发器实现用户与用户、用户与地面段间信号的转发。用户段将可识别的信息（语音、数据、短消息）处理成可在空间传输的、符合系统要求的无线信号，并向卫星发射；同时，将卫星发射（转发）来的符合系统要求的空间无线信号接收处理成可识别的信息（语音、数据、短消息）。地面段是系统的核心部分，主要完成各类试验用户之间通信信息的接收处理与转发控制。

本文在兼顾考虑满足卫星移动通信试验系统与北斗系统信号共存基础上，对卫星移动通信试验系统地面段进行了总体设计、射频信道部分设计、信关站部分设计、卫星资源管理与监控部分设计，在确保北斗系统正常服务不受影响的前提下，实现了卫星移动通信试验系统用户信号的处理转发，保障了卫星移动通信系统各类通信试验的圆满完成。

2.地面段方案设计与实现

2.1 总体方案设计

基于北斗的卫星移动通信试验系统利用北斗某颗GEO卫星作为其空间通信卫星，通过卫星L/C转发器实现用户至地面站的信号入站，利用卫星星上搭载的S/L转发器实现地面站至用户的信号出站。

如图1所示，该系统工作流程为：移动通信用户1发射L上行入站信号，经北斗卫星L/C转发器转发为C下行信号，到达地面13米天线，经天线接收、低噪声放大、射频分路、下变频，形成中频信号后送信关站进行信号及信息处理；信关站将处理后的信息调制为出站中频信号，经上变频、功率放大，形成S射频信号，通过地面13米天线发向卫星，经卫星S/L转发器转发为L下行出站信号，到达移动通信用户2，从而完成用户间的通信。

图1 基于北斗的卫星移动通信试验系统总体组成框图

地面段主要由射频信道部分、信关站部分、卫星资源管理与监控部分、配套时频及供配电部分等地面设备组成。射频信道部分主要完成入站射频信号的接收和出站射频信号的发送，以及出入站中频信号与射频信号间的转换。信关站部分主要完成用户出入站中频信号的调制解调及通信转发。卫星资源管理与监控部分主要完成卫星L/C转发器入站信号的监测，当移动通信对系统正常入站造成影响时，通过反向功率控制，停止移动通信用户入站或使其降功率使用。时频及供配电部分主要为射频信道及信关站等设备提供所需的时频信号及配套电源。

2.2 射频信道部分方案设计

射频信道部分主要由S上变频器、S功放、S发射天线、C接收天线、低噪声场放、射频分路器、下变频器等设备组成，如图2阴影部分所示。

S上变频器主要负责接收信关站送来的已调中频信号，并将其变换为射频信号。S功放主要负责接收S上变频器送来的射频信号，将其放大到所需的功率电平，通过波导发送至天线。S发射天线主要负责接收S功放送来的出站射频信号，完成向卫星的发射。C接收天线主要负责接收卫星转发的入站射频信号，送往后端的低噪声场放。低噪声场放主要负责完成入站射频信号的高增益低噪声放大，并将其送往后端的射频分路器。射频分路器主要负责接收低噪声场放送来的射频信号，将其分路后送至后端的下变频器。下变频器主要负责接收射频分路器送来的射频信号，将其下变频为70MHz左右的中频信号，并将中频信号进行放大滤波后送给信关站进行接收解调。

图2 射频信道部分设备组成框图

图3 信关站多通道调制解调器组成框图

2.3 信关站部分方案设计

信关站部分主要由多台多通道调制解调器及其外围设备组成，每台设备含一块16通道调制板和一块16通道解调板。该部分主要负责完成出站中频信号的成帧、编码、扩频、调制等发送功能，以及入站中频信号的解扩、定时同步、解调、译码等接收功能。每台设备的组成如图3所示。

多通道调制器主要负责接收通过CPCI总线送来的信道管理信令以及用户业务数据，每个信道分别经物理帧处理、定时、符号恢复、信道编码、加密、扩频、信道合成、发射功率控制、短码、长码发生、QPSK调制、数字上变频、基带成形滤波，经合路器向射频信道S上变频器输出多路扩频中频信号。

图4 卫星资源管理与监控部分组成框图

多通道解调器主要负责接收来自射频信道下变频器输出的入站中频信号，经中频信号分路器送到各解调支路。每个解调支路完成中频信号模数转换、数字下变频、捕获同步、解扩解调、解密、信道译码和去交织，解帧后的入站数据经接口电路和CPCI总线后送往信道管理。

多通道调制解调器还具备估测接收用户终端的信号质量，向信道管理发送测量报告；受信道管理的控制实现扩频序列选择、功率控制等功能。

2.4 卫星资源管理与监控部分方案设计

卫星移动通信试验系统利用北斗卫星入站L/C和出站S/L转发器进行卫星移动通信试验，前提是要保证北斗系统正常稳定运行。因此，在进行通信试验的同时，必须对北斗系统入站情况进行实时监测，以便在北斗系统入站受到影响时，立即采取相关措施来确保系统稳定运行。

卫星资源监控与管理部分即负责完成北斗卫星资源的在线实时监控与管理工作，主要由入站信号分析平台、入站数据提取平台和控制平台等部分组成，如图4阴影部分所示。

入站信号分析平台主要负责实时采集卫星入站中频信号，根据监测到的信号频谱和干扰情况，分析干扰类型及干扰源位置，并将相关信息送往后端的控制平台，以便采取针对性抗干扰措施，减小干扰造成的影响。入站数据提取平台是移动通信试验系统获取北斗系统入站数据的接口，串接在北斗卫星信号收发系统地面接收设备之后，主要负责通过串口接收北斗系统入站波束数据，并对接收的入站数据帧进行合理性检验，分别提取各波束入站信息，按照一定的数据组信息格式进行信息重组，形成统一的数据包发送给后端的控制平台。控制平台主要负责实时监测入站数据提取平台解算的北斗卫星入站载噪比值，结合入站信号分析平台给出的干扰分析结果，按照一定的判断策略，对卫星移动通信试验系统用户终端实施反向功率控制：设定北斗系统入站载噪比门限，当载噪比C/N0下降至下限时，停止未接入通信用户，并同时降低正在入站的通信用户功率，待载噪比恢复正常后，再将所有通信用户恢复正常通信。

3.结束语

基于北斗的卫星移动通信试验系统利用北斗卫星的冗余资源，建立支持语音和低速数据传输的小容量卫星移动通信试验系统，其核心部分是地面段。本文在兼顾考虑满足卫星移动通信试验系统与北斗系统信号共存基础上，对卫星移动通信试验系统地面段进行了链路设计，实现了卫星移动通信试验系统用户信号的处理转发；同时通过卫星资源管理与监控设计，实现了北斗卫星L/C转发器入站信号的监测，当移动通信对北斗系统正常入站造成影响时，通过反向功率控制，停止移动通信用户入站或使其降功率使用，保障了北斗系统正常服务不受影响。