[科普中国]-星际链路

星际链路简介

在卫星之间建立星际通信链路(可以是激光链路，也可采用毫米波如Ka波段链路)，每颗卫星将成为空间网的一个节点，使通信信号能按照所需的最佳路径进行传输，可以组织全球通信网。对于没有星际链路的系统，当不同卫星覆盖范围内的用户之间需要通信时，必须通过各卫星覆盖区内相应的信关站和地面公用网，一个没有星际链路的全球LEO系统需要在各地建立上百个信关站。

星际链路可以是LEO或MEO系统内的星际链路，也可以是GEO卫星与LEO卫星之系统内星际链路是指同一星座内轨道高度均相同的卫星之间的星际链路。每颗卫星与同一轨道面相邻卫星的星际链路称为轨道内星际链路，同时与相邻轨道的相邻卫星之间也有星际链路，称为轨道间星际链路。

不同NGEO系统移动用户通信链路如图所示。

由于卫星之间的相对运动，加之激光波束很窄，天线的瞄准和跟踪问题十分关键。中轨倾斜轨道高度为8042km的6颗卫星时限区域星座，低轨系统方位角变化的摆幅大、速度快，对卫星天线的瞄准、跟踪系统要求高。而中轨系统方位角的变化较小，且速度慢。

星间距离的变化，要求链路传输有相应的自动增益或功率控制，前者通常设置在接收端，后者位于发送端。中轨系统的星间距离几乎不变，而Iridium系统星间距离在4500km～9200km之间摆动。

LEO卫星离地面近，相对于地球站的运动速度快，因此地球站与卫星交换信息的通信时间短。对于高度为1000km的卫星，最长过境时间不到13min。为了延长地球站与LEO卫星之间的通信时间，可利用GEO卫星中继，这就是通常所说的“跟踪与数据中继卫星”。为此，需要在LEO卫星与GEO卫星之间建立星际链路。

由于LEO卫星与GEO卫星之间仍然不能保持全天不间断地通信，因此它们之间每天总的通信业务量是系统的一个重要参数，除了与卫星的EIRP、G/T值、信息传输速率、链路损耗等有关外，还与两颗卫星可通信的时间有关。同时，通信速率可根据LEO卫星处于GEO卫星天线不同辐射强度的位置而自适应地调节。1

原理和作用星际链路的原理是，在卫星之间建立星际通信链路，每颗卫星将成为空间网的一个节点，使通信信号能不依赖于地面通信网络进行传输，提高传输的效率和系统的独立性。它与一般的上/下行链路的不同点就在于链路的两端都是卫星。2

星际链路的作用就是在卫星之间构成通信链路，经过它可以实现卫星之间的信息交换。因此，通过星际链路把多颗卫星互联在一起，就可以形成一个以卫星作为交换节点的空间通信网络。根据两端卫星所处轨道类型不同，星际链路可分为同种轨道类型之间的星际链路（如GSO-GSO,LEO-LEO），和不同轨道类型之间的星际链路(如GSO-LEO,GSO-MEO)。作为一条星际链路通常由四个子系统组成：接收机、发射机、捕获和跟踪子系统及天线子系统。3

星际链路的组成星际链路包括四个子系统：接收机、发射机、捕获跟踪子系统以及天线子系统。

1.接收机：完成对接收信号的放大、变频、检测、解调和译码等，提供星间链路与卫星下行链路之间的接口。

2.发射机：负责从卫星的上行链路中选择需要在星间链路上传输的信号，完成编码、调制、变频和放大。

3.捕获跟踪子系统：负责使星间链路两端的天线互相对准（捕获），并使指向误差控制在一定的误差范围以内（跟踪）

4.天线子系统：负责在星间链路收发电磁波信号。

两种链路形式星际链路是空间卫星之间的通信链路。由于星际链路不受大气层的影响，一般选择Ka频段以上甚至光作为星际传输链路。在这些频段不仅可用带宽宽、天线增益高，而且大气对这些频段的吸收衰减比较大，减小了星际链路与地面系统之间的相互干扰。分配给星际链路的无线电频率和光波波长如表所列。

无线电频率链路对于无线电频率的星际链路，一般工程上可以做到天线指向误差可以是波束宽度的l/10，这引起的天线指向误差损耗在0．5dB量级。星际链路天线的噪声温度在不考虑太阳时是10K左右。在实际应用中，天线尺寸可以在1 m～2m的量级。若考虑60GHz的传输频率，1dB的接收损耗，则接收品质因数G/J的量级是25dB/K～29dB/K，发射EIRP的量级是72dBw～78dBW。对于0．20的天线波束宽度(2m天线60GHz时的天线波束宽度是0．2度)，在每个卫星的接收天线朝向发射卫星方向的精度是0．1度时，可以捕获用于跟踪的信标信号。静止卫星之间的星际链路，对指向不同卫星的波束之间也需要频率复用。考虑到卫星之间的角度很小，用窄波束天线并减少旁瓣可以避免系统之间的干扰。还考虑到运载火箭和技术兼容性的限制，应用在卫星上的天线尺寸受到一定限制，所以星际链路采用高的频率是合适的。

光星际链路对于光星际链路，天线就是一个尺寸很小的透镜，典型值是直径0．3m。在这种方式，可以把它较容易地集成到载荷的其他天线上。光链路的波束很窄，典型值是5rad。这个宽度比无线电波束低几个数量级，好处是可以避免两个系统之问的干扰。但缺点是由于光束宽度远低于卫星姿态控制精度(典型值是0．1度)。需要复杂的指向设备，这是在工程实现上需要解决的技术难题。

光通信有3种基本的阶段：

(1)捕获。开始时必须有一个足够宽的光波束以减少捕获时间，这就需要激光发生器的功率较高。波束在安装接收机的位置区域扫描，当接收机接收到信号时，进入跟踪阶段并在该方向上发射接收信号。一旦收到接收端的返回信号，发射端也进入跟踪阶段，该阶段的典型时间是10s。

(2)跟踪。这时波束减小到正常宽度，激光发射器变为连续工作状态。在这个阶段，提供完全的跟踪，指向误差控制设备必须允许平台运动和两颗卫星之问的相对运动。另外，由于两颗卫星之问的相对速度不为零，在接收视线和发射视线之间存在一个前向引导角。前向引导角大于波束宽度，且必须精确测定。

(3)通信。两个星际链路终端之间进行信息交换。

无线电频率链路和光链路的选择取决于技术、资金、载荷重量多种凶素。但通常来说，对于低速率星际无线链路有优势(低于1Mbit/s)，对于高容量链路(几十Mbit/s以上)光链路的优势更明显。4

建立星际链路的意义在卫星通信系统中，通过建立星间链路，使得整个卫星通信系统有如下意义：

1.扩大了系统的覆盖范围；

2.减少传输时延，满足多媒体实时业务的QoS要求；

3.可以独立组网，卫星网不依赖于地面网提供通信业务，作为地面网的备份；

4.可以在一定程度上解决地面蜂窝网的漫游问题。

需要解决的问题星际链路的指向变化：

指向变化可能导致背景噪声温度的动态变化，且变化幅度可能较大，需要研究星际链路天线指向控制技术

天线指向捕获困难，指向误差会降低天线增益。

星际链路子网络信息交换的路由选择。

星际激光链路的PAT。