直播卫星备份星的轨位频率方案分析

  • 优秀论文奖
  • 文章作者:中国新闻技术工作者联合会 2021/12/30-04:43 阅读: loading...

     

    朱云怡

    (国家广电总局广播电视规划院)

     

    摘要

    本文对我国直播卫星备份星的轨位频率可选方案进行了分析,阐述了主备星同轨方案部分有效载荷可选用不同频率,对同轨同频的备份方案进行优化;对于主备星异轨备份方案,分析提出了首选的备份轨位。

    关键词

    直播卫星 备份星 轨位频率 卫星广播业务(BSS)

     

    2008年6月9日中星9号成功发射,定点于东经92.2度,成为我国首颗在轨提供业务的广播电视直播卫星。中星9号是由法国泰雷兹阿莱尼亚宇航公司采用Spacebus4000平台制造,搭载22个Ku BSS规划频段转发器,其中18个36MHz转发器,4个54MHz转发器,卫星设计寿命15年。

    我国直播卫星的同轨备份方案是2004年前后制定的,原计划主用星为2006年10月发射的国产卫星鑫诺2号,备用星为中星9号,主备两颗星发射时间间隔1年半左右,都定点在东经92.2度,互为在轨热备份。众所周知,继鑫诺2号失效后,中星9号卫星成为我国唯一一颗在轨直播星,其备份星一直未发。随着我国中9直播卫星用户的增多,节目套数增加,直播卫星广播电视的影响力越来越大。而数据表明,在轨卫星发生故障是大概率事件,因此,为保证卫星直播电视广播的安全可靠,要求尽快发射中9 备份星的呼声越来越高,备份星方案则成为业内关心的热点问题。之前国内有专家从卫星工程运维及运行的经济性、可靠性等不同角度探讨了备份星方案,本文将重点对备份星的轨位频率应用进行可行性分析,与业内同行探讨,为我国备份星方案决策提供参考。

     

    1. 在轨卫星故障分析

    近年来我国广播电视传输卫星经历了亚星2号、中星6B和鑫诺3号(现改名为“中星6A ”)卫星分别于2003年、2009年2月9日和2009年7月13日在轨运行时的故障,造成广播电视节目的中断。那么,我国遭遇到的上述情况是否是个例呢?

    据业内专家统计分析,2002年到2011年10月31日各类航天器故障表明,通信卫星故障321次,涉及221颗通信卫星,占总故障率的36%,遥感卫星、导航卫星、技术试验卫星、载人航天器以及空间科学与深空探测器的故障数量分别为110、24、59、82和288次,分别占总故障率的12%,3%,7%,9%和33%。由此可见,在全球卫星故障率中通信卫星居首。通过进一步对国际上典型通信卫星平台故障进行统计分析,结果表明(见表1),卫星在发射后的10年内发射故障的概率仍然很大,可见卫星在轨运行发生故障是不可避免的。

    表1 国际上典型卫星平台故障统计情况

    卫星平台

    国家

    已发星(颗)

    故障卫星

    (颗)

    故障率

    故障事件

    (次)

    平均每颗卫星的故障数

    故障时间(年)与数量

    0-2

    3-5

    6-10

    10年以上

    A2100

    美国

    43

    22

    51.2%

    48

    1.1

    29

    8

    11

    0

    BSS601

    美国

    79

    51

    64.6%

    105

    1.3

    57

    22

    19

    7

    BSS702

    美国

    23

    12

    52.2%

    19

    0.8

    16

    2

    1

    0

    LS1300

    美国

    82

    38

    46.3%

    150

    1.8

    90

    35

    25

    0

    Eurostar

    欧洲

    54

    21

    38.9%

    36

    0.7

    21

    9

    4

    2

    Spacebus 3000/4000

    欧洲

    47

    25

    53.2%

    47

    1

    24

    11

    7

    5

    卫星系统极其复杂,具有高故障率高风险的特点;而卫星空间段故障不易修复,其故障将会严重影响整个卫星系统的可靠运行,因此,为保证用户可靠接收卫星信号,对在轨卫星提供备份星是世界各国通行的做法。

     

    2. 卫星备份方式和考虑因素

    卫星失效通常有发射失效和在轨运行失效。备份方案有在轨热备份和地面冷备份。热备份又有同轨热备份和异轨热备份方案。备份星发射时间会根据业务需求选择尽快发射(对于主用卫星发射失效或早期失效情况)、或选择最优发射时间或者伺机发射。

    1

    2

    2.1 备份星接替要求

    备份星接替要求主要有:

    1) 接替时间要求:希望尽快启动备份星来接替,接替时间越短越好;

    2) 接替后信道工作状态要求:希望接替星信道工作状态与工作星状态越接近越好;

    3) 地面接收天线指向要求:希望所有的地面接收天线指向不变。

    2.2 备份星方案的考虑因素

    备份星备份方案一般考虑因素有:

    1) 备份星在备份期间的系统外的适度利用;

    2) 改进本系统的空间段性能(增大容量,提高信道性能,延长寿命等);

    3) 可选用卫星厂商对备份星方案选择的影响(主备星不同厂商对备份星方案的影响);

    4) 可选用卫星信道容量与要求直播星信道容量的比较,即:是超过需求还是相当,或还是小于需求。包括在任务期间直播星信道容量需求的增加。

     

    3. 我国直播星备份星可选方案

    制定直播星备份方案考虑的因素有系统的可靠性、安全性、经济成本(地面成本)以及频率使用效率等因素。我国仅一颗在轨运行直播星,针对我国国情,备份星将选用在轨热备份方案,预防在轨卫星故障。

    我国备份星方案,有以下可选方案:

    方案1:主备星同轨热备份;

    方案2:主备星异轨热备份。

    对上述方案的频率与轨位的不同选择可细分为4个小方案(见表2),分析如下:

    表2 备份星轨位频率可选方案

    方案

    方案1:主备星同轨

    方案2:主备星异轨

    方案1a:

    主备星同频同覆盖。

    方案1b:

    主备星部分转发器同频,部分不同频。

    方案2a:

    主备星同频同覆盖。

    方案2b:

    主备星部分转发器同频,部分不同频。

    频率

    主备星:

    11.7-12.2GHz

    17.3-17.8GHz

    备用星:

    下行:11.7-12.2GHz (选300MHz);

    上行:14.5-14.8GHz;

    另外增加其它频段的转发器,如Ka BSS 频段频率或其它可用频率。

     

    主备星:

    11.7-12.2GHz

    17.3-17.8GHz

    备用星:

    下行:11.7-12.2GHz (选300MHz);

    上行:14.5-14.8GHz;

    另外增加其它频段的转发器,如Ka BSS 频段频率或其它可用频率。

    轨位

    主备星均定点在东经92.2度。

    同左栏。

    备份星可选用东经62,101.4,125.7和134度轨位,建议首选东经101.4度。

    同左栏。

    优点

    卫星故障后转化时间短,地面用户不用做天线调整。

    主用星正常状态下,其它频段的卫星转发器可处于工作状态,主用星故障时,启用与主用星同频的转发器工作。

    满足对主用星的主要节目备份的同时,备份星还增加了节目容量使用。

    节目容量翻番;

    多占用一个卫星资源。

     

    节目容量适度扩展;占用一个卫星资源。

    不足

    两颗卫星只能同时各使用一半载荷;卫星系统运行成本高。

     

    故障后飘移到主用星位置,要引起节目中断和卫星燃料耗费,减少卫星寿命。

     

    辅助手段

     

    部分转发器为Ku BSS规划频段频率,部分转发器为Ka BSS频段或其它可行频段的频率。

    用户接收设备要有双馈源天线,可同时接收主备两个卫星的广播电视节目

     

    3

    3.1 备份星频率选择考虑

    备用星选用频率时优先选用与直播星相同的频率,尤其是下行用户接收频率。在选用其它频率时,最好优先考虑BSS频段的频率,因为国际规则要求BSS 频率的使用基于本国覆盖,如覆盖其它国家,要得到被覆盖国的许可。如选用非BSS 频段,要考虑邻星干扰和境外卫星对我国的覆盖情况,避免受到其它卫星的影响。 对于方案1a和方案2a ,备份星频率与主用星完全相同,下行频率为:11.7-12.2GHz;上行频率为17.3-17.8GHz。 对于方案1b和方案2b, 备份星有大约60% 的下行频率与主用星的下行频率相同,起到对重要(或主要)节目的备份作用,其它下行频率可采用Ka BSS频段或其它可用频率。对于上行频率可选用14.5-14.8GHz 或17.3-18.1GHz等频率。 方案1b是主备星同轨,但部分转发器频率相同、部分转发器频率不同。当主用星正常状态时,备份星的Ku 直播星频段的转发器关闭;当主用星故障时,备份星的Ku 直播星频段的频率启用,代替主用星工作,地面用户不用调整天线。无论主用星状态如何,备份星的其它频段的转发器都处于工作状态。与方案1a 相比,节目容量得到扩展。 对于方案2a 主备星同频同覆盖的应用可以考虑:如主用星故障时不打算让备份星飘星,则备份星需预留部分转发器对主用星的重要节目进行备份,这样,用户采用多馈源天线,也可接收主用星的节目。如用户未使用多馈源接收天线,主用星故障时,则需要将备份星飘移到主用星。 对于方案2b主备星异轨方案,主备星的所有转发器均可正常工作,如选用Ka BSS频段,可用于Ka 频段BSS系统的试验或Ka BSS 频段业务的开展。如选用其它非BSS规划频率,则可做业务容量扩展。

    3.2 备份轨位选择考虑

    备份星异轨轨位选择考虑的因素有:与主用星的轨位适当间隔,保证主用星与备份星两颗星可同时工作,无相互干扰;用户接收仰角高;备份星飘移到主用星位置后波束变形小等因素。 目前,我国直播卫星在国际电联申报的卫星网络分别在东经62,92.2,101.4,125.7和134度轨位,比较如下: ― 轨道间隔:为保证主备星同频同覆盖时,均能正常工作,采用ITU-R BO.1213建议书定义的12GHz BSS卫星接收地球站天线方向图估算,用户采用45公分天线接收时,主备星轨位间隔最好在5度以上;采用60公分天线接收时,主备星轨位间隔最好在4度以上。若用户采用双馈源天线实现一副天线双星接收,两颗卫星最好间隔不大于25度。从表3可见,东经101.4度轨位与主用星间隔为9.2度,满足主备星既无相互干扰,又可采用双馈源天线接收两颗卫星节目的要求。 ― 接收仰角:表3中给出了东经62,101.4,125.7和134度轨位卫星在我国境内接收仰角示意图,最外一条线是我国边境地区接收最小仰角,可见东经62度和134度在全国部分地区的最小接收仰角分别在5度和10度,东经101.4度和125.7度在20度以上;第2条线为40度仰角线,可见对于东经101.4度的卫星,在全国范围内的接收仰角绝大部分都在40度以上,优于其它轨位。 ― 飘星能耗:101.4度与92.2度的轨位最近,标称轨位间隔仅为9.2度,其它则间隔在30度以上,因此,若需要备份星飘移到主用星位置,则以同样速度飘移时,东经101.4度备份星需要的飘移时间最短,消耗的卫星能量最少,飘星对卫星寿命影响最小。 ― 波束变形:直播星覆盖为中国国土赋形波束,如果将在东经62,125.7和134度的中国国土赋形波束的卫星飘移到东经92.2度,那么到主用星位置后,原轨位的我国国土赋形波束会发生较大的变形。而东经101.4度卫星的赋形波束飘到92.2度后,相对而言波束变形最小,仍可较好地实现对我国国土的赋形覆盖。

    表3 现有备用星轨位比较

    轨位 东经62度 东经101.4度 东经125.7度 东经134度
    与92.2度轨位间隔 30.2度 9.2度 33.5度 41.8度
    接收仰角(度) 东北部仰角是5度 全国仰角25度以上 全国仰角20度以上 全国仰角10度以上;

    4. 结束语

    通常,主备星同轨时,当工作星故障时,备份星接替快,用户不用调整天线指向,广播电视信号中断时间降低到最小;而且备份星无需因移动轨位而消耗燃料,减少寿命;一个轨位多颗卫星可以形成“热槽”,用户用一副天线可接收海量节目,这已被日本、美国和欧洲普遍使用,但通常有效载荷的频率会有部分同频,起到互为备份作用,也有部分转发器不同频,起到扩展节目容量作用。这种应用对应于本文中的方案1b。如果主备星同频同覆盖(即本文的方案1a),那么两颗卫星的容量相当于一颗,卫星空间段的成本较高。

    主备星异轨备份时,主备两颗可以同时工作,采用双馈源接收天线,用户可以同时接收主备两颗卫星的广播电视节目,无须改变指向,用户接收的节目数量得到极大的扩展。

    我国直播卫星具有以下特点:唯一性。目前我国工作在直播卫星频段、覆盖我国的卫星仅有中星9号一颗在轨卫星;影响力大。我国直播卫星承担着全国广播电视的重要任务是广播电视公共服务的主要手段之一,服务于公众,担负这政治、宣传、舆论及教育任务。与欧美日等国家相比,我国直播卫星仅一颗,不成规模,尚不具备飘星备份的条件。如能开发利用第二颗直播卫星轨位,这对我国今后业务拓展以及在频率资源占用和业务扩容等方面都是有益。

    上述方案仅是对备份星空间资源应用的初步设想,详细的可行性方案需要考虑我国航天卫星制造、国家信息安全、广电业务需求、卫星运行和节目分级、用户接收需求以及邻星干扰等各方面信息,汇总分析后,综合考虑后确定。

    参考文献

    [1] 刘豪.国外通信卫星最新发展动态及故障统计研究

    编辑:中国新闻技术工作者联合会

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