- 1 -
中国科技论文在线
转发式卫星导航通信系统的卫星通信链路
计算#
余炳泽1，陈伟1，沈兵2，孙振砺1，李晶2*
基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目（2007AA12Z343）
作者简介：余炳泽 ，(1981-)，在读硕士生，研究方向：信息系统理论与技术
（1. 武汉理工大学信息工程学院，武汉 430070；
2. 中国交通通信信息中心，北京 100011）
摘要：中国区域卫星定位系统(CAPS)是基于转发式卫星的导航通信一体化系统，在其卫星通
信网络中，如何将有限的带宽更好的进行利用和链路计算，是重点也是难点，这关乎到设备
和卫星带宽的使用效率。本文从实例出发，详细的介绍 CAPS 卫星通信网络的链路计算要点
和注意事项，并给出了工程上的测量方法。本文中提到的卫星转发器为 C波段，定义卫星链
路上行中心频率为 ，下行中心频率为 。
关键词：卫星通信；CAPS；转发式卫星导航；链路计算
中图分类号：TN914. 42
Satellite Communication Link Calculation of Transmitting
Satellite Navigation and Communication System
Yu Bingze1, Chen Wei1, Shen Bing2, Sun Zhenli1, Li Jing2
(1. Wuhan University of Technology Information Engineering, WuHan 430070;
2. China Transportation & Telecommunication Information Center, Beijing 100011)
Abstract: The China Area Positioning System (CAPS) is a satellite-based navigation and commun
ication transmitting integrated system，in the satellite communications network，how to better carry out
using of the limited bandwidth and link budget，which is focus and difficult，it is about to equipment
and satellite bandwidth calculate。 This departure from the example，described in detail the link
calculate CAPS satellite communications network and matters need attention，and gives engineering
methods of measurement。Mentioned in this article for the C-band satellite transponder，the definition
of the satellite uplink center frequency link ，downlink center frequency 。
Keywords:Satellite communication; CAPS; transponding satellite navigation; Link calculate
0 引言
现有的卫星导航系统有美国的全球定位系统(GPS)、前苏联开发的全球导航卫星系统
(GLONASS)、以及欧洲正在建设中的 Galileo 卫星导航系统等。全球卫星导航系统能实时提
供准确连续的位置、速度和时间信息，具有覆盖区域广、精度高、功能全、性能好和使用方
便等优点。以 GPS 为代表的卫星导航系统，采用专用导航卫星，高精度原子钟等高技术装
置均安置在卫星上，测距码和导航电文从卫星上生成并广播给用户。2002 年国家天文台艾
国祥院士等科学家提出了基于通信卫星的转发式卫星导航定位概念，中国科学院国家天文
台、国家授时中心等单位组成的研究团队，建立了中国区域卫星定位系统（China Area
Positioning System, CAPS），并于 2006 年 9 月开始了常规运行。CAPS 卫星导航系统使用 C
波段商用的静止轨道(GEO)通信卫星和即将退役而成为小倾角倾斜同步轨道(SIGSO)的通信
卫星组成转发式卫星导航系统，利用通信卫星的转发功能，将地面生成的原子钟信号和导航
电文等导航信息通过卫星转发给用户，进行导航定位[1]。
为了利用通信卫星上宝贵的转发器资源，CAPS 实现了转发式卫星导航和通信一体化，
该系统采用同步通信卫星作为导航星，不但能实现导航定位，而且可以利用卫星的通信能力
- 2 -
中国科技论文在线
方便的实现通信。由于卫星距离遥远 ，CAPS 卫星通信系统的信息传输速率一般不超过
1kb/s，从而形成了一类新型的低信息速率卫星通信系统[2]。系统中的导航通信终端是一个微
小型的卫星终端，发射和接收天线波束较宽，一般为全向天线，增益一般只有 0~3dBi，发
射的功率仅在 W 级，发射的有效全向辐射功率（EIRPe）与 VSAT 相比，要小 30 dB 左右，
不超过 16dBw，终端传输速率只有 100bps。那么对于退役后转变成小倾角倾斜同步轨道的
通信卫星，在其饱和有效全向辐射功率比现有卫星通信系统小的情形下，要完成移动导航的
卫星通信，满足系统整体的性能要求，需要对其链路参量进行详细的计算和分析。
卫星链路参数计算是卫星通信系统总体设计的重要步骤，目的是根据卫星公司提供的卫
星转发器的技术指标，计算出地球站载波有效全向辐射功率，从而也就确定了地球站所需功
放的输出功率。之后，在计算整个卫星通信系统的载噪比完成后，可以推算出接收机的载噪
比门限值。这为设备的选型和功放的选取都有着重要的意义。文中提到主站是北京地面站，
小站是假设位于广州的导航通信终端。
1 信号载波带宽的计算
卫星通信系统一般的体制如下图 1 所示：
图 1：卫星通信系统示意图
Fig1：diagram of satellite communication system
发射地球站的信道编码器速率也就是通常我们说的 FEC，指的是前向纠错编码技术，
它的速率有 1/2、2/3、3/4、5/6、7/8 等等，以 7/8 为例，只有 7/8 的内容是装有数据内容的
PES（Packet Elementary Streams）流，而另外的 1/8 内容,则是用来保护数据流不发生变异的
纠错码。
数据在经过信源编码以后，就要通过调制使其加载到载波中，如图所示，常用的调制方
式有 BPSK，QPSK,16QAM 等，以 QPSK 为例，调制相位可以区分为 00，01，10，11。则
每个符号携带的信息量为 2 个信息比特，其它调制方式原理相同，公式如下：
2baud *logbitR R n= （1）
其中 n 为不同调制方式下相位或者幅度的最大可能，QPSK 为 4，上式论述了比特率和
波特率之间的关系。
在实际的带宽计算其还需要考虑升余弦滤波器的滚降系数，这是由于根据耐奎斯特采样
定理，滤波器所实现的频谱效率要比理论最高效率下降一个滚降系数 a 倍。通常载波间隔系
- 3 -
中国科技论文在线
数应当与滚降系数一致，这样才能最大的将分配的带宽利用起来，由如上几个因素最终决定
的数据传输速率和转发器带宽的关系如下：
2* *
(1 )
BR FE C lo g n
a
= + 编 码 率 (2)
式中 R 为实际的数据速率，B 为等效噪声带宽也就是使用的卫星转发器的带宽，FEC
编码率根据设备的实际情况决定，n 为所采用调制方式的位数。这样就可以确定在已知的给
定带宽下，实际可以传输的数据速率。
以现有的 C 波段主站天线为例：上行卫星链路的噪声带宽为 3Mhz，采用 FEC 编码速
率为 3/4，调制方式为 QPSK.。滚降系数 a 为 ，上行小站到卫星的速率是 100bps，带入
上述公式计算得到信号的带宽 B=。
2 晴天时卫星通信网络的门限确定
卫星链路计算各项参数指标的确定
根据使用卫星公司提供的数据，在当前的转发器模式下，北京地区的饱和通量密度
（SFD）为
向辐射功率为 ，本次设计假设小站地理位置是广州，广州地区的 SFD 为
平方米，卫星天线的接收品质因数 G/T 为 dB/K，卫星天线的等效全向辐射功率为
dBW。该转发器的输入回退设定为 5dB，输出回退为 。
主站采用的是直径 13 米天线对星仰角 40 度，噪声温度的计算值为 40K，各个小站天线
的噪声温度大概为 40K，主站和小站前置 LNB 噪声温度为 30K，接收机指向误差损耗均为
，极化误差损耗为 。在这里我们假定北京地区的水蒸气密度为 5g/立方米，地表
温度 20 度。广州地区为 10g/立方米，地表温度 25 度。采用 CRANE2 雨衰模型，北京位与
D2 区，广州位于 E 区。
根据国际电联标准，在给定的水蒸汽密度下，上行路径大气闪烁损耗 ，大气吸
收损耗 dB，其它大气损耗和去极化损耗一共为 dB。下行路径大气闪烁损耗 dB，
大气吸收损耗 dB，其它大气去极化损耗为 。接收端 LNB 损耗设定为 ，发
射端波导处损失为 。
主站和小站天线品质因数的确定
通过以上的这些参数我们首先计算地面站天线和各小站天线的 G/T值，首先计算天线的
增益，天线增益的计算公式为:
( )2/ 10 log 20 log 20 log D Dη π λ η λ= = + − + （3）
其中η为天线的效率，根据计算η取 最为接近实际值，λ为天线传输波长，D为天
线的直径，经过计算主站 13m 天线的发射增益为 ，接收增益为 ；小站天
线的发射增益为 5dB，接收增益为 3dB。
系统的噪声温度可以由以下公式确定：
1( 1) *S a f f eT T L T L T= + − + (4)
在这里我们应当清楚馈线损耗为对数值，应当把它转化为真值再进行计算，环境温度假
设为 290K。有些高频头给出的是噪声系数，也应当将其转化为等效噪声温度后进行计算。
- 4 -
中国科技论文在线
其中 Ta 和 Te 为天线和 LNB 的噪声温度，高频头等效噪声温度和温度系数的换算关系为：
N=1+TE/T1，T1 为馈线的环境温度，Lf 为天线到 LNB 的馈线损耗。最终求得主站和小站的
系统噪声温度为 83K，。
则主站和小站的接收 G/T 品质因数可以确定：
G/T = 10logG -10logT = =
G/T = 10logG -10logT = =
接收机门限值的确定
卫星链路计算中最重要的一步就是系统载噪比门限的确定，在卫星数据传输系统中，假
设载波功率为 C，噪声功率为 N，载噪比就可以用 C/N来确定，但是有时候这个载噪比公式
并不直观，所以可以写成如下形式：
b
0
C E Rs= *
N N B
主 （5）
式中 N0为噪声功率谱密度，Rs为数据传输速率，B为噪声等效带宽。这样载噪比就可
以转化为 Eb/N0，而与实际的噪声带宽和信息速率无关，同时如果确定了系统的门限 Eb/N0，
就可以确定系统的载波噪声功率比门限。比如在本例中，采用 QPSK 的调制方式，TURBO
编码速率 3/4，误码率要求为 10E-7时，接收端的(Eb/N0)th为 ，在本例中可以根据上面
的公式计算 C/N的门限：
4 log3 = − − =b S
0
C E R= * dB
N N B
主
地面站发小站接收和小站发主站收由于采用同样的编码方式和调制方式，所以具有同样
的载噪比门限值。
3 转发器输入和输出回退量以及功率密度
卫星转发器输入回退和输出回退
由于卫星转发器上存在多个载波，为了防止多个载波之间产生交调干扰，必须将转发器
TWTA 放大器的输入功率和输出功率进行补偿,使其能够工作在线性区，同时因为每个载波
使用的是转发器的部分功率，而且由于经过回退后转发器工作在线性区域，所以在输出和输
入补偿后，每个单载波还应当回退一个值，这个值得含义是每个载波所占用的转发器的功率
比例：
10H = log 转发器带宽单个载波带宽 (6)
所以转发器上每单个载波实际输入回退量 IBO 和输出回退量 OBO 为：
IBO= H
OBO= H
+
+
转发器输入回退量
转发器输出回退量 (7)
首先我们计算主站发射 3Mhz 带宽的载波的情况，
10 36 / 3 =H = log主
所以主站发射时载波的实际回退量为
- 5 -
中国科技论文在线
5
IBO = H
OBO = H
+ = + =
+ = + =
主
主
转发器输入回退量
转发器输出回退量
同理可得小站的情况为：
10 36 /
5
=
+ = + =
+ = + =
H = log
IBO = H
OBO = H
小
小
小
转发器输入回退量
转发器输出回退量
卫星的饱和通量密度和 EIRP
星上的功率放大器是卫星的关键部件，对卫星的功率起决定作用，如果回退值太小，交
调干扰会超过指标规定，回退太大会对卫星功率资源造成浪费，所以输入和输出回退的计算
和选取时卫星数据传输设计的重要步骤。
在实际的卫星链路计算中，还会接触到的一个重要的卫星参数是 SFD，也就是卫星的
饱和通量密度，指的是卫星转发器获得最大输出功率的时候，卫星的最低输入功率，也就是
转发器的灵敏度，但是在实际的使用中，卫星公司会根据转发器设置一定衰减，使得转发器
工作在最佳状态而不是最灵敏饱和通量密度上。
此时由于载波的输入功率经过了回退，则到达卫星的实际功率通量密度ω为:
2
2
SFD -IBO ==
SFD -IBO ==
ω
ω
=
=
主 北京 主
小 广州 小
(8)
卫星的实际有效全向辐射功率 EIRP 为：
EIRP = EIRP -OBO
EIRP = EIRP -OBO
卫小 卫 主
卫主 卫 小 (9)
最终，根据以上两式，分别确定主站和小站的上行功率密度和卫星到地面站的 EIRP：
由于设计的是双向通信系统，所以在实际通信的过程中，是由主站发射小站接收或者小
站发射主站接收，所以主站发射小站接收的卫星 EIRP 卫小和小站发主站收 EIRP 卫主应当根据
各个地区卫星不同的 EIRP 来计算，这里是最为重要的一点：
==
=
EIRP = EIRP -OBO
EIRP = EIRP -OBO
卫小 广州 主
卫主 北京 小=
至此卫星链路计算中最为重要的因数已经确定。
4 上行卫星链路的计算
根据给定的频率特征，可以根据公式推算出上行和下行传输路径损耗：
( )/L = 20log 4 dπ λ路 (10)
λ 为传输载波的波长。在实际的计算中地面站距离卫星的距离并不是卫星距离地面的垂
直距离，根据书中的公式[3]，可以推算出主站和小站距离卫星的距离分别为 37749KM 和
36822KM。则传输路径损耗可以确定：
- 6 -
中国科技论文在线
7
7
7
7
**10log 20log8699272558
**10log 20log5324491705 195dB
**10log 20log8699272558 199dB
**10log 20log 53244
L
L
L
L
π
π
π
π
= =
= =
= =
=
主出
主入
小出
小入
4=20
4=20
4=20
4=20 91705 =
定义主站载波的有效全向辐射功率为 EIRP 主，小站的有效全向辐射功率为 EIRP 小站，根
据辐射功率密度的概念，到达卫星的实际功率通量密度应该与 EIRP 有如下的关系，才能够
合理的利用卫星功率资源。
2 22
EIRP
4 d
4 4= EIRP L 10log L L EIRP LOSSES 10logπ πω λ λπ = −上- 上路+ 指误- 大气= 主- +
EIRP上为主站或者小站的上行 EIRP值，L上路为上行自由空间传输路径损耗，L指误
为天线指向误差损耗，L大气为上行路径各种大气损耗。式中 LOSSES为所有损耗的总和。
根据上式便可以求出实质使用中地面站和小站的 EIRP值：
2
- 4 /
=
EIRP LOSSES 10log
EIRP G +P - L
P EIRP G +L
ω π λ
−
= +上
上 地 地 发馈
地= 上 地 发馈
(11)
G 地为地面站的发射天线增益，P 地为地面站功放的输出功率，L 发馈为发射机到天线的馈
线损耗。根据公式确定好的各项指标，分别计算主站和小站的 EIRP 值和功放功率：
2
- 4 /
ω π λ
−
= + =
− + =
EIRP LOSSES 10log
P EIRP G +L
主 主
主= 主 主 发馈=
2
- 4 /
5
ω π λ
−
= + =
− + =
EIRP LOSSES 10log
P EIRP G +L
小 小
主= 主 主 发馈=
由以上的计算可得小站在晴天时所需要的功放功率为 ，主站为 在这种情况
下，主站和小站的功放远远没有到达 1dB 压缩点，同时为主站和小站在雨天和复杂情况下
提供了丰富的余量，关于雨衰和其它干扰余量我们将在最后讨论。
上行卫星链路的载噪比就应该如下所示：
[ ] [ ] [ ] [ ]C
N
K 2 2 8 . 6 d B k
G= E I R P - L O S S E S + - B - K
T
⎡ ⎤⎢ ⎥⎣ ⎦
−
上 行 地 面 上 行 卫
其 中 为 波 兹 曼 常 数 ， 数 值 为 （12）
至此，我们可以求出主站和小站分别的上行载噪比：
[ ] [ ] [ ] [ ]C
N
65
⎡ ⎤⎢ ⎥⎣ ⎦
= − − − − + =
G= EIRP - LOSSES + - B - K
T
主上 主 上行 主卫
- 7 -
中国科技论文在线
[ ] [ ] [ ] [ ]C
N
199
⎡ ⎤⎢ ⎥⎣ ⎦
= − − + − + =
G= EIRP - LOSSES + - B - K
T
小上 小 上行 小卫 小
从计算中可以看到小站和主站的上行链路的载噪比较为接近，对于一个卫星通信系统来
说，主站和小站的负载平衡是十分重要的。载噪比的值也比较正常。
5 下行卫星链路的计算
[ ] [ ] [ ] [ ]
[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
G+ -
T
C EIRP LOSSES B N
N
LOSSES L L L L L
EIRP
L
L
L
L
L
⎡ ⎤= − −⎢ ⎥⎣ ⎦
= + + + +
下行 卫 地面站
下路 指误 大气 馈 极误
卫
下路
指误
大气
馈
极误
其中 为卫星实际的有效全向辐射功率
为自由空间传输路径损耗
为天线指向误差损耗
为大气吸收和去极化损耗
为接收机馈线损耗
为极化误差损耗 （13）
现在根据上面列出的方程组求下行链路的载噪比：
[ ] [ ] [ ] [ ]G+ -
T
⎡ ⎤= − −⎢ ⎥⎣ ⎦
= − + − − − − + =
C EIRP LOSSES B K
N
主下 主卫 主站
[ ] [ ] [ ] [ ]G+ -
T
65
C EIRP LOSSES B K
N
⎡ ⎤= − −⎢ ⎥⎣ ⎦
= + − − − − + =
小下 小卫 小站
卫星的下行链路现在就已经确定了。
6 卫星多载波交调和邻星干扰带来的载噪比
在卫星通信的过程中干扰的类型非常多，根据常见的干扰类型，主要可以分为：上行邻
星干扰、下行邻星干扰、功放交调干扰、反极化干扰、邻频干扰。在本例中主要计算这五种
干扰。
根据卫星公司提供的数据，上行链路会出现邻星干扰，需要考虑的主要是交调干扰和正
交极化干扰，在这里我们根据卫星公司提供的数据正交极化干扰为 27dB，上行邻星干扰和
下行邻星干扰为 30dB，交调干扰为 23dB，交调干扰为 18 dB。总的干扰的载噪比为：
1 1 1 1 1 1
/ / / / / /C I C I C I C I C I C I
= + + + +
总 极化 邻星上 邻星下 交调 邻频 （14）
在这里我们暂时并不计算，将其合并在整体系统计算。
7 系统整体载波与噪声功率比的确定
刚才两节我们计算的都是上下行或者干扰的载波噪声比，但是在计算系统总体的载噪比
- 8 -
中国科技论文在线
的时候应当将这几项合并在一起，基于上面计算的基础，双向卫星链路总的载噪比的计算已
经可以得出：
1 1 1 1
/ / / /C N C I C N C N
= + +总
总 上 下 （15）
首先计算主站发射小站接收的总的载噪比为：
1 1 1 1
/ / / /C N C I C N C N
= + +主总
总 主上 主下
在进行总体链路计算的时候应该注意，这里说的载噪比实际上是真值，也就是实际比值，
应当首先把载噪比由对数值转换为真值后计算，最终的主站发射小站接收的 C/N为 ，
小站发射主站接收的载噪比为 由此可以推算出系统的整体载噪比远远的超过了门限
值。由于本文中的计算在进行估算时均采用最保守的方法，应当低于实际测量值，所以可以
说本系统的卫星链路情况是健康的。
8 系统的雨衰余量和自动功率控制
降雨衰耗为无线电波在穿过雨区时所受到的衰减量。降雨衰耗对 10GHz 以上的 Ku 波
段和 Ka 波段、以及频率更高的毫米波波段的电波传输具有很大的影响。但是对于 C 波段卫
星通信，并没有致命性的影响，降雨衰耗是在平均年度的某个统计时间中可能超过的预测衰
减量。统计时间用百分数表示。%时间的雨衰量为 5dB，意味着平均每年有 %时间（大
约 526 分钟）的降雨衰耗可能超过 5dB。统计时间的百分数越小，所对应的降雨衰耗值就越
大。 与此相对应的是降雨可用度的概念。等效于 %时间雨衰量的降雨可用度为 %。
%时间可用度的降雨衰耗为 5dB，意味着在平均年度中的 %时间内，降雨衰耗不高
于 5dB。降雨可用度的时间百分数越大，所对应的降雨衰耗值也就越大。 在卫星通信的链
路计算中，降雨可用度通常选在 %与 %之间，所对应的降雨时间百分数为 %到
%[4-6]。 本文中的系统可用度设计为 %。
根据 CRANE 的经验雨衰模型，北京地区属于 D2 区，广州地区属于 E 区，在本例的频
率下：北京地区的上行雨衰值为 ，下行雨衰值为 ，dB 广州地区上行雨衰值为
，下行雨衰值为 。
由于 C 波段卫星通信雨衰对于卫星通信的影响并不明显，而且主站配备的功放一般功
率较大，本例中主站的功放基本属于低负载阶段，假设主站采用 100W 的大功率固态功放，
那么就可以有将近 10 个 db 的裕量，足够应付一切由降雨引起的信号衰减。
在实际的卫星应用过程中，接收机存在明显的门限效应，当接收信号低于门限值以后，
误码率会迅速的提升，但是当载噪比高于门限值后，误码率基本不会变化，计算雨衰余量分
别为：、。可以算出该系统的设计是十分稳定的，即使遇到暴雨和上下行方向上
均有降雨的情况，也有充足的裕量，同时主站的功放还没有完全发挥它的作用，可以采用自
动增益控制的方法，当遭遇恶劣气候影响时，比如降雪使天线效率大大下降，可以适当的提
高功放输出功率，等到恢复正常天气之后，再将发射功率回退到原有水平。
9 结语
CAPS 是一个工作在 C 波段的转发式卫星导航通信一体化的系统，其导航通信终端是微
- 9 -
中国科技论文在线
小卫星终端，发射功率有限，因此整个卫星传输速率比较低。整个通信系统与通常的卫星通
信系统不同，是个上行功率受限的系统。本文根据卫星的技术参数对 CAPS 卫星通信系统的
通信链路进行了估算，估算结果表明 CAPS 系统的卫星链路情况良好，满足导航通信一体化
需求。
[参考文献] (References)
[1] 艾国祥，施浒立，吴海涛，等. 基于通信卫星的定位系统原理[J].中国科学 G 辑:物理学 力学 天文
学,2008,38(12):1615-1633
[2] 崔君霞，施浒立，陈吉斌，等. CAPS 导航通信系统的传输链路[J].中国科学 G 辑:物理学 力学 天文
学,2008,38(12):1648-1659
[3] [美]普拉特等著. 卫星通信（第二版.英文版）[M]. 北京：电子工业出版社. 2003
[4] Nukfron,Ekavit,Hemmakorn,et al. Rain attenuation in broadband satellite . Asia-Pacific Conference on
Communications, APCC, p 11-14, 2007
[5] Liu, Yunjiang, Huang, Guoce, Zhen, Shunchun, et al. Performance analysis of Ka-band satellite channel
capacity in the presence of rain attenuation .2004 4th International Conference on Microwave and Millimeter
Wave Technology, ICMMT 2004, p 175-177, 2004.
[6] Panagopoulos, Athanasios D; Kanellopoulos, et al. Differential rain attenuation statistics on two converging
point-to-point terrestrial links located in a tropical climatic region .Annales des Telecommunications/Annals of
Telecommunications, v 58, n 3-4, p 673-677, March/April 2003
