iPSTAR卫星的有效载荷与参数
1.
波束覆盖
中国服务区包含工作在Ku频段、面向用户终端的23个点波束、1个成型波束和1个广播波束、以及工作在用于关口站的3个Ka频段点波束。
图1-1和图1-2分别为点波束和成型波束重叠对应的下行和上行频段的等值线图，所有波束均含-3、-5和-7dB等值线，部分波束另含-9、-11和-13dB等值线。
图1-1 点波束和成型波束的下行频段等值线图
图1-2 点波束和成型波束的上行频段等值线图
图1-3为点波束和广播波束重叠对应的下行频段等值线图。其中，左图的广播波束工作在11500到11650MHz频段，其覆盖范围大致为除波束309之外的点波束的总和；右图的广播波束工作在11650到11700MHz频段，其覆盖范围大致为除波束309、314、319
和323之外的点波束的总和。
图1-3 点波束和广播波束的下行频段等值线图
2. 工作频段
iPSTAR的中国点波束采用3x频率复用，三个关口站点波束也复用Ka频段带宽资源。iPSTAR系统采用以关口站为中心的星状网络结构，在关口站与终端之间建立通信联系，终端用户之间的通信必须通过关口站双跳连接。频率复用的优点在于大大增加了系统的传输容量，频率复用和关口站星状网结构的缺点在于增加了系统的复杂性。
iPSTAR系统的前向信道和广播波束的频率极化计划如图2-1所示，其返向信道的频率极化计划如图2-2所示。
图2-1 前向信道和广播波束的频率极化示意图
图2-2 返向信道的频率极化示意图
点波束的前向信道工作在上行27000到27550MHz和29500到30050MHz频段（双线极化），下行12200到12750MHz频段（垂直极化）；返向信道工作在上行14000到14375MHz频段（水平极化），下行18300到18675MHz和19700到20075MHz频段（双线极化）。
补充点波束（仅覆盖北京和广州周边地区）的前向信道工作在上行28350MHz到28600MHz频段（垂直极化），下行10950到11200MHz频段（垂直极化）；返向信道工作在上行14375到14500MHz频段（水平极化），下行20075到20200MHz频段（垂直极化），
区域波束的前向信道工作在上行28350MHz到28600MHz频段（垂直极化），下行10950到11200MHz频段（水平极化）；返向信道工作在上行14375到14500MHz频段（垂直极化），下行20075到20200MHz频段（垂直极化）。
广播波束工作在上行13775MHz到13975MHz频段（水平极化），下行11500到11700MHz频段（垂直极化）。从转发器结构上看，广播波束是与点波束返向链路共用LNA的，其上行信道的频率极化应该包含在图2-2中。只是由于广播波束的下行工作频段夹在点波束和成型波束的前向链路Ku下行频段之间，为了便于上下行对照，因而将其画在图2-1中。
3. 转发器参数
iPSTAR卫星的Ku频段中国波束的转发器参数[0]大致如表3-1所示。
|
波束 |
中心坐标 |
覆盖 |
包含邻省 |
关口站 |
EIRP (dBw) |
G/T (dB/k) |
Ka频率-极化 |
|
点波束 前向带宽183/171MHz，垂直极化；返向带宽125MHz/116MHz，水平极化 |
|||||||
|
301 |
124.3/45.1 |
吉林 |
辽宁 |
北京 |
59.5/54.5 |
18.7 |
HM-H |
|
302 |
130.0/47.0 |
黑龙江 |
|
北京 |
59.4 |
18.6 |
HH-H |
|
303 |
111.4/40.2 |
山西 |
内蒙 |
北京 |
59.5 |
18.8 |
HL-H |
|
304 |
116.9/40.1 |
北京 |
天津、河北 |
北京 |
59.7 |
19.7 |
HM-V |
|
305 |
122.5/39.4 |
辽宁 |
|
北京 |
59.7 |
19.3 |
HH-V |
|
306 |
110.1/35.1 |
陕西 |
甘肃、山西 |
北京 |
60.1/55.1 |
18.8 |
LM-H |
|
307 |
114.6/35.0 |
河南 |
河北、山西 |
北京 |
59.3 |
19.1 |
LH-H |
|
308 |
119.1/35.0 |
山东 |
|
北京 |
59.3 |
19.3 |
HL-V |
|
309 |
103.6/31.2 |
四川 |
重庆、湖北 |
广州 |
59.9/54.9 |
18.6 |
LM-H |
|
310 |
108.1/31.1 |
重庆 |
四川、陕西、湖北 |
广州 |
60.0 |
19.7 |
HH-V |
|
311 |
112.4/31.1 |
湖北 |
河南、湖南 |
北京 |
59.8 |
18.7 |
LL-H |
|
312 |
？ |
安徽 |
江西、湖北、河南 |
上海 |
59.7/54.7 |
18.6 |
LM-V |
|
313 |
？ |
上海 |
江苏、浙江 |
上海 |
60.0 |
19.2 |
LH-V |
|
314 |
102.2/25.7 |
云南 |
四川 |
广州 |
60.2 |
18.8 |
LH-H |
|
315 |
106.2/27.4 |
贵州 |
云南、四川、重庆 |
广州 |
59.9 |
18.7 |
LL-H |
|
316 |
110.9/27.3 |
湖南 |
广西 |
广州 |
60.1/55.1 |
19.7 |
HM-V |
|
317 |
115.1/27.2 |
江西 |
湖南、福建 |
上海 |
60.5 |
19.5 |
HH-V |
|
318 |
119.2/27.2 |
浙江 |
福建、江西 |
上海 |
59.8 |
19.3 |
HL-V |
|
319 |
108.9/23.7 |
广西 |
|
广州 |
60.4 |
19.0 |
LH-V |
|
320 |
122.9/23.1 |
广东 |
|
广州 |
59.5 |
19.5 |
HL-V |
|
321 |
117.4/23.7 |
福建 |
广东 |
上海 |
60.1/55.1 |
19.3 |
HM-V |
|
322 |
121.3/23.7 |
[台湾] |
|
台北 |
|
|
LL-V? |
|
323 |
110.9/19.7 |
海南 |
|
广州 |
60.4/55.4 |
18.9 |
LM-V |
|
406 |
127.4/41.0 |
[朝鲜] |
吉林 |
上海 |
？ |
？ |
LL-V |
|
补充点波束 前向带宽250MHz，垂直极化；返向带宽125/111.5MHz，水平极化 |
|||||||
|
304-2 |
|
北京 |
|
北京 |
60.6/53.9 |
19.9 |
V |
|
320-2 |
|
广东 |
|
广州 |
61.3/54.6 |
19.8 |
V |
|
成型波束 前向带宽250MHz，水平极化；返向带宽125/111.5MHz，垂直极化 |
|||||||
|
328 |
|
西部 |
上海 |
54.2/47.5 |
8 |
V |
|
|
广播波束 200MHz带宽，上行水平极化，下行垂直极化 |
|||||||
|
3 |
|
东部 |
北京 |
56/50.3 |
12.4 |
N/A |
|
|
波束 |
中心坐标 |
覆盖 |
包含邻省 |
关口站 |
EIRP (dBw) |
G/T (dB/k) |
Ka频率-极化 |
表3-1 iPSTAR中国波束的转发器参数
表3-1中，点波束中心坐标提取自泰方提供的等值线图，精确度有限。部分波束的带宽参数中含有两个数值，其中的前一个为标称带宽，后一个为实用带宽。部分EIRP参数含有两个数值，其中的前一个为泰方提供的峰值EIRP，后一个为折算到54MHz带宽的等效EIRP。Ka频率极化一栏的前两个字母表示关口站Ka载波的工作频段（HH、HM、……、LL分别表示Ka高半频段中的高、中频点、……、Ka低半频段中的低频点），后一个字母表示极化，相关信息可结合第2节中的频率极化示意图和第5节中的转发器结构示意图对照了解。
iPSTAR卫星的Ku频段转发器参数还有：点波束和成型波束在晴空条件下的OBO分别为6dB和3.5dB，点波束和成型波束的SFD工作范围分别为-116到-91dBw/m2和-101到-76dBw/m2。广播波束在晴空条件下的OBO为3.5dB，SFD的工作范围为-101.2到-81.2dBw/m2。
iPSTAR卫星的北京、广州和上海三个Ka频段关口站点波束的转发器参数[0]大致为：前向链路上行G/T值在18.7到21.7dB/k之间，SFD的工作范围在-108.3到-83.3dBw/m2之间；返向链路下行EIRP在55.6到58.7dBw之间，晴空条件下的OBO为9.5dB。
所有的Ku和Ka频段转发器都有ALC功能，所有的功放都装有线性器。
4. 卫星天线
图4-1为iPSTAR卫星的天线配置图。由图可见，卫星载有四个2.7米口径的展开式天线，分别用于形成Ku频段印度和东南亚点波束、中日韩菲点波束、澳新点波束、以及Ka频段关口站点波束。卫星还载有两个1.2米口径和一个1.0米口径的顶置（nadir）天线，分别用于形成中国（1.2米）、印尼和澳洲等三个成型波束（区域波束）。
图4-1 iPSTAR卫星的天线配置图
由于Ku频段点波束在地面的直径大致仅为400公里，为了避免卫星天线的指向偏差影响转发器参数的稳定性，iPSTAR的测控部门在泰国（99.0E/18.8N）、安达曼岛（92.8E/11.7N）和澳大利亚（121.5E/30.7S）等三处，分别建立4.9米信标发射站（Ku-Tx/Rx，与Ka-Rx）[3]，使卫星点波束得以精确定位。据介绍，星上点波束和成型波束天线的指向精度分别可达0.04度和0.11度。
5. 转发器结构
根据泰方所提供的资料，iPSTAR卫星中国资源采用Ku频段高中低三个频率的点波束共用一个转发器（TWTA）、以及Ka频段最多七个波束共用一个转发器（TWTA）的设计，大幅度减少了Ku和Ka频段一百多个波束所对应的转发器（HPA）数量，从而简化了有效载荷的结构。
综合第2、3节的转发器频率极化计划与上述信息，可以画出对应于三个中国关口站的iPSTAR卫星前向链路和返向链路转发器的原理框图，如图5-1到图5-6所示。
图5-1 对应于北京关口站的前向转发器框图
图5-2 对应于广州关口站的前向转发器框图
图5-3 对应于上海关口站的前向转发器框图
由图5-1、图5-2和图5-3可见，在前向信道，总带宽为550MHz的一组三个点波束合用一个TWTA。输出功率载波将经由滤波合成电路，与可能有的广播载波和扩展点波束载波一同送入相关点波束的天线馈源。每个点波束的标称带宽约为183MHz，经过带通滤波器的实用带宽约为171MHz。
据了解，广播波束的上行站可设在北京、广东、上海和台北等四个点波束中的任意地点。之所以只将广播转发器画在图5-1（而没有画在图5-2和图5-3）中，是因为泰方已将北京关口站选为iPSTAR中国广播波束的上行站。
图5-4 对应于北京关口站的返向转发器框图
图5-5 对应于广州关口站的返向转发器框图
图5-6 对应于上海关口站的返向转发器框图
由图5-4、图5-5和图5-6可见，在返向信道，Ka转发器的总带宽最大可为1.9GHz，发往不同关口站的某个极化的Ka频段载波的标称工作带宽可为375MHz、500MHz、750MHz或875MHz。
6. 转发器参数核算
由图1-3可见，iPSTAR中国广播波束的峰值天线发送增益为38.0dBi。由其他渠道得来的信息得知，iPSTAR中国成型波束的峰值天线收发增益（实际参数或设计参数）分别为37.8和36.5dBi。由天线口径2.7米、上下行中心频率14188MHz和12375MHz、以及天线效率50%估算，Ku频段点波束的峰值天线收发增益分别约为49.1和47.9dBi。
据介绍，iPSTAR卫星的Ku频段点波束、补充点波束和成型波束由44个100w到300w的TWTA推动，Ka频段关口站点波束由20个65w到120w的TWTA推动，Ku频段广播波束由7个150w到300w的TWTA推动。由此可得iPSTAR卫星射频功率的推算一：假设Ku频段点波束、补充点波束和成型波束所用44个TWTA的平均功率为200w，相关波束的总射频功率约为8800w；假设Ka频段关口站点波束所用20个TWTA的平均功率为100w，相关波束的总射频功率约为2000w；假设Ku频段广播波束所用7个TWTA的平均功率为200w，相关波束的总射频功率约为1400w；相加后可得，卫星的总射频功率约为12200w。
iPSTAR的TWTA数量多，波导损耗大，点波束的前向链路载波和广播载波等的功放输出还需在滤波合成后送入天线馈源，因此TWTA和天线馈源之间的馈线和功率合成损耗将远高于传统卫星。假设三个点波束合用一个输出功率为250w（24.0dBw）的TWTA，馈线和功率合成损耗为6dB，则每个点波束的下行EIRP约为
EIRPSpot
= 24.0 – 6 + 47.9 - 4.8 = 61.1 （dBw）。
假设中国成型波束和广播波束的TWTA输出功率为300w（24.8dBw），前者的馈线损耗为4dB，后者的馈线和功率合成损耗为5dB，则两者的下行EIRP分别约为
EIRPShaped = 24.8 – 4 + 36.5 = 57.3 （dBw）。
EIRPBroad
= 24.8 – 5 + 38.0 = 57.8 （dBw）。
由估算数据均高于实际参数可见，表3-1中的EIRP参数应该是可以实现的。
iPSTAR的92个点波束（包括补充点波束）的前向链路总带宽约为19GHz，假设每550MHz带宽所分配使用的TWTA功率为250w，点波束Ku频段转发器所需的射频功率约为9000w。假设中国和澳洲、印尼等3个成型波束的射频功率分别为300w、200w和200w，成型波束所消耗的射频功率为700w。假设广播波束的平均射频功率为200w，7个广播波束的总射频功率为1400w。假设每个返向波束的Ka载波平均耗费30w射频功率，95个点波束和成型波束的射频总功率约为3000w。由此可得iPSTAR卫星总射频功率的推算二：大约14kw，但这是卫星的14kw直流功率所不足以支持的。
iPSTAR卫星射频功率分配的估算值和泰方所提供数据的对照参见表6-1。
|
|
Ku频段 |
Ka频段 |
合计 |
||
|
点波束 |
成型波束 |
广播波束 |
关口站波束 |
||
|
估算值一 |
8800w |
1400w |
2000w |
12200w |
|
|
估算值二 |
9000w |
700w |
1400w |
3000w |
14100w |
|
泰方数据 |
6700w |
1600w |
2700w |
11000w |
|
|
差值 |
-2100或-3000w |
200w |
+700或-300w |
-1200或-3100w |
|
表6-1 iPSTAR有效载荷的射频功率分配对照表
上表中，前向链路射频功率的自行估算值与Shin所提供数据的3000w差值较大，其原因可能为，每550MHz带宽点波束和补充点波束所需分配射频功率的实际数据或为150到180w，远低于250w的估算值。值得一提的是，泰方所给Ka频段点波束所需的2700w射频功率，超过其转发器描述中20个TWTA（65w到120w）的总功率（最大2400w），难免令人怀疑相关数据的准确性和可靠性。
由中国成型波束的天线接收增益和G/T值推算，成型波束的接收系统噪声温度约为
TShaped
= 37.8 – 8 = 29.8 （dB/k） = 955 （k）。
套用噪声温度的计算公式，上述数据或可改写为
TShaped
= Ta + (Lf – 1) T1 + Lf * Tr
= 300 + (2.5 – 1)
300 + 2.5 * 80 = 950（k）。
上式中选用了较大的插入损耗值，这是因为iPSTAR卫星的90多个返向链路波束共用21个LNA，天线馈源与LNA之间的波导较长，多个波束的输入载波还需在合路后送入LNA，因此插入损耗也随之增大。假设点波束返向链路接收前端的插入损耗为3dB，则
TSpot
= 300 + (3 – 1) 300 + 3 * 80 = 1140 （k） = 30.6（dBk）
由此可推得
G/TSpot
= 49.1 – 30.6 = 18.5 (dB/k)
这也与表3-1中的G/T参数大致相符。
从广播波束的上行信道借用点波束的返向链路信道考虑，广播波束与点波束的G/T值应该大致相当。但在泰方提供的转发器参数中，广播波束的G/T值（12.4dB/k）却远低于点波束（19.0dB/k上下）。曾向泰方提过此问题，但未得到解释。
8. 波束覆盖参数验证
卫星公司通常会向用户提供转发器参数的城市列表。虽然iPSTAR不同于传统卫星，开通远端站前无需经过复杂的链路计算和系统设计，但仍需要直观准确的数据，用于市场开发和工程运作。表8-1为自制的iPSTAR卫星在中国主要城市的Ku频段转发器参数表。表内已填入的部分数据根据表3-1参数、以及图1-1、图1-2、图1-3中的等值线推算而得。考虑到通过图上作业自行估算得到的数据准确度有限，曾请泰方校对修正表中的现有数据，并且补足空白栏目，但未获得响应。
|
城市 |
东经 |
北纬 |
波束号 |
EIRP (dBw) |
G/T (dB/k) |
|||||||||||||
|
点fH |
点fM |
点fL |
点fH |
点fM |
点fL |
成型 |
广播 |
点fH |
点fM |
点fL |
成型 |
|||||||
|
北京 |
116.3 |
39.6 |
|
304 |
|
|
59.2 |
|
|
53.0 |
|
18.1 |
|
？ |
||||
|
长春 |
125.2 |
43.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
长沙 |
113.1 |
28.0 |
317 |
316 |
311 |
56.5 |
53.1 |
51.8 |
|
52.0 |
14.5 |
11.7 |
8.7 |
|
||||
|
成都 |
104.1 |
30.4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
重庆 |
106.4 |
29.3 |
310 |
309 |
315 |
54.0 |
50.9 |
54.9 |
|
51.0 |
11.2 |
8.6 |
13.2 |
|
||||
|
福州 |
119.2 |
26.0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
广州 |
113.3 |
23.2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
贵阳 |
106.4 |
26.4 |
|
|
315 |
|
|
58.9 |
|
50.5 |
|
|
17.7 |
|
||||
|
哈尔滨 |
126.4 |
45.5 |
302 |
301 |
|
52.4 |
56.5 |
|
|
54.5 |
9.6 |
15.7 |
|
|
||||
|
海口 |
110.3 |
20.1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
杭州 |
120.1 |
30.1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
合肥 |
117.2 |
31.6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
呼和浩特 |
111.4 |
40.5 |
|
|
303 |
|
|
59.0 |
49.2 |
47.0 |
|
|
18.3 |
1.5 |
||||
|
济南 |
117.0 |
36.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
昆明 |
102.4 |
25.0 |
314 |
|
|
59.7 |
|
|
|
51.0 |
17.8 |
|
|
|
||||
|
拉萨 |
91.1 |
29.4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
兰州 |
103.5 |
36.0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
南昌 |
115.6 |
28.4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
南京 |
118.4 |
32.0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
南宁 |
108.2 |
22.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
上海 |
121.3 |
31.1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
沈阳 |
123.3 |
41.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
石家庄 |
114.3 |
38.0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
台北 |
121.5 |
25.1 |
|
|
|
|
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||||
|
太原 |
112.3 |
37.5 |
307 |
306 |
303 |
52.3 |
51.1 |
56.5 |
47.2 |
51.5 |
10.6 |
7.8 |
14.8 |
-0.5 |
||||
|
天津 |
117.1 |
39.1 |
|
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|
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||||
|
乌鲁木齐 |
87.4 |
43.4 |
|
|
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|
|
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|
|
|
||||
|
武汉 |
114.2 |
30.4 |
317 |
312 |
311 |
52.5 |
48.7 |
57.3 |
|
50.5 |
7.5 |
8.6 |
15.7 |
|
||||
|
西安 |
108.5 |
34.2 |
310 |
306 |
|
52.0 |
57.1 |
|
47.2 |
50.0 |
9.7 |
15.8 |
|
-0.5 |
||||
|
西宁 |
101.6 |
36.4 |
|
|
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||||
|
香港 |
114.1 |
22.3 |
|
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银川 |
106.2 |
38.3 |
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||||
|
郑州 |
113.4 |
34.4 |
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城市 |
东经 |
北纬 |
波束号 |
EIRP (dBw) |
G/T (dB/k) |
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点fH |
点fM |
点fL |
点fH |
点fM |
点fL |
成型 |
广播 |
点fH |
点fM |
点fL |
成型 |
|||||||
表8-1 iPSTAR转发器参数的中国城市列表
上表中，点fH、点fM和点fL表示分别覆盖相关城市的高、中、低频段的三分频点波束。如果某个城市位于二或三个点波束的10dB滚降区内，将选用二或三组相关的点波束参数。部分城市（如昆明和贵阳两地）的广播波束只工作在11650到11700MHz频段，相关的EIRP参数用下划线表示。
迄今为止在远端站建设过程中取得的少量数据均反映，如果关口站上行的TOLL载波功率符合系统设计要求的话，
iPSTAR点波束和成型波束的Ku频段转发器参数大致符合设计指标。只要有可能，今后还应积累相关数据。
广播波束有待作重点测试。测试载波可采用TOLL载波和DVB载波。两个测试载波在北京的接收电平应与304点波束的TOLL载波相等。在广播波束中发送TOLL载波时，需要与泰方协调，借用北京关口站的一路备份TOLL
chain设备。通过在测试地点对比接收设备所显示的点波束和广播波束的TOLL载波Es/No参数，可以由当地的点波束EIRP数据，大致估算得出广播波束在该地的EIRP值。通过对比TOLL载波和DVB载波的接收效果，还可以验证泰方所谓iPSTAR设备的调制解调性能比DVB设备高2dB的说法。