卫星移动通信系统的监测效果仿真分析
DCW
Radio Wave Guard
电波卫士
1  研究背景
我国幅员辽阔，地理环境复杂，在部分偏远地区地面蜂窝网络不能完全覆盖。卫星移动通信系统作为陆地蜂窝通信系统的扩展和延伸，不受地域和天气的制约，是应急通信的首选方式。卫星移动电话利用地球静止轨道卫星或中、低轨道卫星作为中继站，实现区域乃至全球范围内的移动通信。卫星移动电话终端具备便携性、易用性、隐蔽性、不受公众移动通信管理手段控制等特点。自1976年Marist 系统商用以来，铱星、全球星、欧星、亚星、天通等窄带卫星移动电话持续发展[1]。
2022年下半年，中国移动联合中兴通讯等厂商发
布全球首个运营商5G 非地面网络（NTN ）技术外场验证成果。普通手机与远在3.6万千米之外的静止轨道卫星通信，像发一样，实现短消息和语音对话。此成果基于3GPP 公开协议，手机终端依次通过卫星、信关站、NTN ，接入地面核心网和业务平台，最终实现空天地一体贯通[2]。
随着卫星移动电话在各领域的应用日益增多，对
卫星移动通信系统的监测需求也日益凸显。本文基于ITU 报告中的参数，对典型卫星移动通信系统的监测
效果进行仿真分析评估。
对卫星移动通信系统上行链路和下行链路的监测，分别对应卫星通信终端和卫星空间电台的监测。一般卫星通信系统的通信链路包含用户链路和馈电链路，本文重点研究对用户链路的监测，包括用户上行链路和用户下行链路。
2  下行链路监测效果分析
卫星频谱资源为稀缺的高价值资源，对卫星频谱资源的日常使用情况开展监测和分析，有利于掌握频谱资源使用情况，进而优化频谱资源配置。
2.1 空间电台的参数
根据ITU-R 报告M.2398，选取卫星通信系统空间
电台的典型参数，如表1所示[3]
。
表1 空间电台的系统参数
卫星指标取值        工作频段（GHz ）  2.17        卫星高度（km ）36 000        卫星天线增益（dB ）50        卫星发射功率（W/5 MHz ）200        波束带宽（MHz ）5        子载波带宽（kHz ）180        天线方向图
ITU-R S.672
卫星移动通信系统的监测效果仿真分析
丁鲜花，赵延安，刘艳洁，纽莉荣
（国家无线电监测中心陕西监测站，陕西  西安  710200）
摘要：
文章以ITU-R报告M.2398中的静止轨道卫星移动通信系统的参数为例，研究卫星移动通信系统的监测效果。对于下行链路，仿真计算表明监测效果良好；对于上行链路，仿真计算表明，地基监测系统对上行链路进行监测的覆盖范围约为2.5～5 km，基于21 km高度的高空平台（HAPS）的监测系统对上行链路进行监测的覆盖范围在最小通信仰角取5°时约为203 km。
关键词：
无线电监测；通信链路仿真；上行链路；下行链路；卫星移动通信doi：
10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.07.003中图分类号：
TN  98              文献标志码：A              文章编码：1672-7274（2023）07-0013-04Simulation Analysis of Monitoring Effectiveness of Satellite Mobile
Communication System
DING Xianhua, ZHAO Yan’an, LIU Yanjie, NIU Lirong
(Shaanxi Monitoring Station of National Radio Monitoring Center, Xi’an 710200, China)
Abstract: This paper takes the parameters of GSO (Geostationary Satellite Orbit) MSS (Mobile Satellite Service) system from ITU-R report M.2398, to study the monitoring effect of the MSS system. For the downlink, theoretical calculation show that the monitoring effectiveness is good; For the uplink, the simulation calculation shows that the coverage radius of the ground-based monitoring system is about 2.5~5 km, and the coverage radius of the monitoring system based on the 21 km high altitude platform (HAPS) is about 203 km when the minimum communication elevation is 5°.
Key words: radio monitoring; communication link simulation; uplink; downlink; satellite mobile communication
IGITCW
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2.2 仿真计算
计算地面监测系统所接收到的卫星信号功率大小。
（1）
式中，P 为接收信号电平（dBm/MHz ）；EIRP 为卫星
空间电台EIRP （dBm/MHz ）；为下行链路路径损耗（dB ）；为接收链路损耗，含馈线损耗（dB ）；为
接收天线增益（dB ）；为其他损耗（dB ）。
因为卫星高度固定，即
固定；卫星空间电台
EIRP 为已知常数；因此，影响卫星监测效果的关键是、、，也就是频谱分析仪和监测系统射频设备的性能指标。
根据式（1）和表1系统参数，如监测系统的接收天
线按4 m 口径天线的常规增益取35 dBi ，计算下行链路的接收信号强度，如表2所示。
表2 下行链路计算
参数数值    单位发射EIRP  96dBm/MHz 监测接收天线增益  35dBi 极化损耗  3dB 自由空间传播损耗190.
3 dB 接收信号强度
-62.3
dBm/MHz
在上述分析中，未考虑其他损耗。此时，地面
监测系统可接收到的卫星下行链路信号强度约
为-62.3 dBm/MHz ，远大于接收机的接收灵敏度，监测效果良好；如果要进一步提升监测效果，可提
高监测接收天线的增益。
3  上行链路监测效果分析
关于卫星上行链路的监测，因终端发射功率小、
发射时间不规律、位置随机移动等原因，测向系统覆盖范围易受环境影响，如有高楼遮挡或测向机位置过低（如卫星通信终端工作在四周皆有高楼的地
面上，或者在高楼顶上）则可能地面监测系统完全无法接收到信号。实现对卫星电话上行链路信号的有效监测，除了传统的地基监测方式，可考虑探索由HAPS
（High Altitude Plateform Station ）搭载监测设备监
测等新监测方式[4][5]。
以下针对使用地基系统和HAPS 平台开展手持终
端上行链路的监测的效果，进行仿真分析。
3.1 手持终端的参数
根据ITU-R 报告M.2398，选取卫星移动通信的手
持终端的典型参数，如表3所示[3]。
表3 手持终端的主要参数
终端指标                        数值            工作频段（GHz ）                          2            占用带宽（kHz ）                        180            天线高度（m ）                            1.5            天线增益（dBi ）                    0（全向）            最大/最小发射功率（W ）
2/0.25
3.2 地基系统监测效果仿真分析
地基监测系统的监测效果受监测天线的高度、是
否有地物遮挡等多因素的影响，一般监测天线高度越高，监测效果越好。图1是使用不同高度监测天线，在不考虑地物遮挡时的传播路径损耗，接收
1.5 m 高度地面信号的仿真结果。在距离终端5 km 时，
2.5～10 m 高的监测天线接收信号的路径损耗约为124～135 dB 。
图1 传播路径损耗（ITU-R P.452-16，时间概率50%）
在发射端或接收端没有地物遮挡时，监测效果最
好。实际场景中，监测接收端常选择无地物遮挡的空旷地点，但卫星通信终端周围的环境复杂多样，应考虑有地物遮挡传播路径损耗，如图2
所示。在距离终端5 km 时，如考虑地物损耗，2.5～10 m 高的监测天线接收信号的路径损耗约为152～162 dB 。
图2 传播路径损耗（ITU-R P.452-16时间概率50%+ ITU-R P.2108-1地点概率50%）
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一般情况下，卫星手持终端的高度可近似计算为1.5 m ，功率为2 W/180 kHz ，天线增益为0 dB 。卫星
监测接收机的噪声温度取290 K ，解调门限取5 dB ，接收机噪声系数取5，根据以下计算公式可计算出卫星监测系统的灵敏度：
S (dBm)=N T0(dBm)+10lg(BW)+NF(dB)+E b /N 0  （2）
式中，S 为灵敏度；N T0为噪声基底；BW 为信号带宽；NF 为接收机噪声系数；E b /N 0为接收机的解调门限。计算可知，卫星监测系统的灵敏度可取-163 dBm /
Hz ；当监测天线高度为2.5～10 m 时，利用全向天线（天线增益为0 dB ）接收移动终端信号的范围约为2.5～5 km ，如图3
所示。
或喷气式飞机、热气球、无人飞机、亚轨道飞行器、平流层飞艇等[6]。
以下计算基于HAPS 监测系统的监测范围：卫星电话的功率为2 W/180 kHz ，天线增益为0 dB ，卫星监测系统的灵敏度为-163 dBm/Hz ；平台高度取21 km ，在只考虑传播路径损耗的情况下，利用全向天线（天线增益为0 dB ）进行监测，范围可达到450 km ，如图4所示。
图3 接收信号强度随距离变化
上述计算表明，考虑到地形地物因素，当监测天线高度为2.5 m 时，可监测距离约为2.5 km ；当天线架高到10 m 时，5 km 是在地面接收到卫星电话的最大距离。3.3 基于HAPS进行监测的仿真分析
考虑地基监测受地形地物影响较大，对于特定任务或特定区域的卫星通信移动终端的无线电监测，可以考虑采用基于HAPS 的监测系统。与现有的地面无线电频谱监测相比，HAPS 监测系统受地形约束小、信号传播损耗低，监测范围广。
《无线电规则》No.1.66A 定义的HAPS 平台位于
20 km 到50 km 之间。这个高度处于大气的平流层。该区域空气稀薄、气温低，虽有严重的臭氧腐蚀和强烈的紫外线破坏，但气象状况远不如航空空间那样复杂，很少有雷暴闪电，也没有云、雨和大气湍流的现象，对于雷达探测、侦察监测，以及提供移动通信服务等，都有很好的发展潜力。考虑到空气密度、风速等因素，HAPS 平台的有效高度为20～25 km ，为了获得更好的稳定性，平台高度需要低于25 km ，一般选择在17～22 km 。常见的HAPS 平台有直升机、螺旋桨
图4 接收信号强度
实际工程中，在研究基于HAPS 的监测平台的覆盖
卫星电视接收机升级范围时，除了要考虑传播路径损耗，还需考虑地球圆形曲率及卫星通信终端的最小通信仰角等因素。图5是基于HAPS 平台监测系统接收地面信号的场景示意图。
图5 HAPS平台监测可视范围示意图
将地面终端上行信号到达H A PS 平台监测系统
的方向与水平面夹角定义为仰角θ，地球半径为R （R =6 378 km ），地面终端与高度为H 的HAPS 平台之
[7]
（3）
HAPS 平台的可监测范围在地面的投影半径为
（4）
计算可知，随着最小通信仰角的增大，HAPS 平台监测系统的可监测半径逐渐减小，如最小通信仰角按5°计算，高度为21 km 的HAPS 监测平台的覆盖半径最大为203 km 。如图6所示。
（下转第67页）
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Technology Analysis
技术分析
人意。据央视-索福瑞媒介研究数据显示，中央电视台
少儿频道在全国53个样本地区的收视排名列第2位。地方电视台少儿频道大多都落在十几位、几十位[6]。不
少电视台都存在着缺乏节目源、缺乏资金、缺乏人才和缺乏好的运作体制机制等问题，武汉广播电视台无疑也存在上述问题。在“互联网+”与媒体多样化、购物
渠道多元化背景下，广通购物频道面临收视率低、生
存困难等问题。少儿频道与广通购物频道的高清化在技术上不存在问题，下一步将在合适的时机达成全部高清化播出。
6  结束语
实现全部频道的高清化播出，既有武汉广播电视
台抓住机遇的成功经验，化压力为动力，也有武汉全体广电人战胜困难的决心。今后，武汉广播电视台必
将继续以坚持正确导向履行社会责任，服务广大电视
观众，提供更好的视觉体验。■
参考文献
[1] 杨瑞生，等．电视播控系统数字化的“三步曲”——武汉电视台播控数字化改造的设想．广播与电视技术，2000(6):58-63.
[2] 李斯．地市台高清播出系统技术改造研究[J ]．现代信息科技，
2019,3(1):62-64.
[3] 高大上！WHTV-1今起迎来“高清制播”新时代[Z]．baijiahao.baidu.
com/s?id=1629533019105858038&wfr=spider&for=pc
[4] 林睿．区县广播电视台播出系统高清升级改造实践[J]．西部广播电视，
2019(14):250-252.
[5] 寇红丽．广播电视台播出系统高清升级改造分析．科技传播（下），
2019(11):62-63.
[6] 韩巍，罗娟．省级少儿频道资源整合的困境与出路．声屏世界，
2006(7):19-20.
图6 HAPS平台可监测半径
主要受最小通信仰角的影响。
在本文分析中，监测系统采用0 dB 全向天线。在
实际的无线电监测任务中，如果须逼近监测已经锁定范围的监测目标，使用天线增益更大的定向监测天线
可扩大可监测范围。■
参考文献
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[J]．中国无线电，2011(12):50-52.
[7] 黄颖，李伟，简晨，等．低轨星座系统的可控波束到地功率通量密度研
究[J]．电信科学，
2022(004):49-58.4  结束语
对卫星移动通信系统下行链路和上行链路监测
效果进行仿真分析发现：影响下行链路监测效果的主
要因素为接收天线增益和接收链路损耗；基于地基平台对上行链路的监测效果受地形地物的影响较大；基
于HAPS 平台的监测系统对上行链路进行监测的效果
（上接第15页）

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