一種新型多層衛(wèi)星星座組網(wǎng)設(shè)計(jì)

李連強(qiáng), 游寒旭, 朱　杰, 楊宇濤, 胡　珍

(1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240;

2.上海衛(wèi)星工程研究所,上海 200240)

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一種新型多層衛(wèi)星星座組網(wǎng)設(shè)計(jì)

李連強(qiáng)1, 游寒旭1, 朱杰1, 楊宇濤2, 胡珍2

(1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240;

2.上海衛(wèi)星工程研究所,上海 200240)

摘要:隨著空間技術(shù)需求的不斷增多,傳統(tǒng)的單層衛(wèi)星星座組網(wǎng)模式,由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,在未來(lái)空間技術(shù)的發(fā)展中受到限制.近年來(lái),采用多層衛(wèi)星進(jìn)行星座組網(wǎng)受到業(yè)界的普遍關(guān)注.鑒于多層衛(wèi)星星座模型的優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種新的基于GEO/MEO/LEO的三層衛(wèi)星星座模型.本模型充分結(jié)合高、中、低軌道各自的優(yōu)勢(shì),以盡量少的衛(wèi)星數(shù)量實(shí)現(xiàn)了對(duì)地球的全面覆蓋,較之傳統(tǒng)單層模型更為立體化.最后,通過(guò)STK和MATLAB對(duì)所提出的多層衛(wèi)星星座組網(wǎng)模型進(jìn)行了數(shù)字化仿真,從星間鏈路的長(zhǎng)度、鏈路通信俯仰角以及方位角等方面進(jìn)行了對(duì)比和分析,驗(yàn)證了本模型的合理性和有效性.

關(guān)鍵詞:多層衛(wèi)星星座; 鏈路長(zhǎng)度; 通信俯仰角; 方位角

0引言

圖1　從單層衛(wèi)星星座到多層衛(wèi)星星座

地面的因特網(wǎng)已經(jīng)取得了巨大的成功,人們希望將因特網(wǎng)的模式復(fù)制到太空,實(shí)現(xiàn)天地一體化網(wǎng)絡(luò)[1-2].其中,衛(wèi)星星座組網(wǎng)的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵和基礎(chǔ),它直接決定和影響著天地一體化網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由方案[3].現(xiàn)階段的衛(wèi)星星座組網(wǎng)大多是單層模式,雖然不同軌道高度的衛(wèi)星星座具有不同的優(yōu)點(diǎn),但也伴隨著相應(yīng)的局限性[4].隨著人們對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量要求的提高以及空間技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步,多層衛(wèi)星星座組網(wǎng)設(shè)計(jì)已然成為衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)的主流方向[5].圖1分別給出了傳統(tǒng)單層衛(wèi)星星座組網(wǎng)、多層衛(wèi)星星座組網(wǎng)的簡(jiǎn)單示意圖.

1衛(wèi)星星座組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

1.1衛(wèi)星覆蓋范圍

衛(wèi)星星座組網(wǎng)的設(shè)計(jì)首先要滿足一定的覆蓋特性[6].隨著衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量的增大和服務(wù)種類的增加,從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮,衛(wèi)星星座對(duì)地球的覆蓋應(yīng)是全球覆蓋.理論計(jì)算的衛(wèi)星對(duì)地覆蓋范圍由衛(wèi)星對(duì)地面的切線所限定.實(shí)際應(yīng)用中,假定衛(wèi)星視角范圍內(nèi)有一地面基站,通常要求它與衛(wèi)星的通信需要保證一個(gè)最小的通信仰角E,以避免仰角過(guò)小時(shí)信號(hào)的巨大衰減,影響接受質(zhì)量,如圖2所示.

圖2　衛(wèi)星覆蓋范圍

此時(shí)衛(wèi)星與地面基站之間的最長(zhǎng)星地鏈路d可表示為:

(1)

式(1)中衛(wèi)星軌道高度記為hs,α為覆蓋范圍對(duì)應(yīng)地心角的一半,定義如下:

(2)

(3)

1.2星間鏈路

由于地球的遮擋作用,處于視距之外的兩顆衛(wèi)星無(wú)法直接建立通信聯(lián)系,同時(shí)考率到地面基站地理位置的局限性,要實(shí)現(xiàn)彼此間的通信必須在中間建立星間鏈路.星間鏈路可分為軌內(nèi)鏈路、軌間鏈路和層間鏈路.

不同類型的星間鏈路具有相同的評(píng)價(jià)指標(biāo),如鏈路的長(zhǎng)度、鏈路通信俯仰角以及方位角等[7].星間鏈路長(zhǎng)度決定了傳播時(shí)延以及方位角和俯仰角的大小,而方位角、俯仰角的大小又影響著星載天線的設(shè)計(jì)復(fù)雜程度和通信質(zhì)量.可以說(shuō)這些指標(biāo)共同決定了衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性,在多層衛(wèi)星星座組網(wǎng)設(shè)計(jì)中要重點(diǎn)考慮.

2衛(wèi)星星座組網(wǎng)的設(shè)計(jì)

綜上所述,衛(wèi)星星座組網(wǎng)的設(shè)計(jì)不僅要考慮衛(wèi)星對(duì)地面的覆蓋范圍,還受制于高軌衛(wèi)星對(duì)低軌衛(wèi)星的覆蓋性,以及衛(wèi)星之間通信鏈路的穩(wěn)定性和可靠性.

Walker星座是目前所知性能最優(yōu)的全球覆蓋星座模式[8],可用4個(gè)參數(shù)組合:i,T/P/F表示,其中i為軌道傾角,T為衛(wèi)星數(shù)量,P為軌道數(shù),F為相位因子,且0≤F≤P-1,F定義了相鄰衛(wèi)星間的相對(duì)位置[9].

本文作者在低地球軌道(LEO)和中地球軌道(MEO)層面均采用Walker Delta 2π 星座,在覆蓋全球的基礎(chǔ)上使得同一層間的衛(wèi)星彼此可以建立相對(duì)穩(wěn)定的鏈路關(guān)系,這樣即使在極地區(qū)上空,鏈路也不會(huì)關(guān)閉[10].而同步地球軌道(GEO)層面設(shè)置等間隔分布的3顆衛(wèi)星,具體參數(shù)指標(biāo)如表1所示.

表1　多層衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

利用式(1)、(2)、(3)可求出在設(shè)定的通信仰角下,LEO實(shí)現(xiàn)了對(duì)南北緯77.1°地區(qū)的覆蓋,MEO實(shí)現(xiàn)了全球覆蓋,而GEO實(shí)現(xiàn)了對(duì)南北緯61.8°區(qū)域的覆蓋,并且低軌衛(wèi)星總是在高軌衛(wèi)星的輻射下,符合未來(lái)天地一體化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)的要求.

3實(shí)驗(yàn)仿真與分析

在多層衛(wèi)星星座組網(wǎng)設(shè)計(jì)中,為L(zhǎng)EO層的每個(gè)衛(wèi)星設(shè)計(jì)了6條同層鏈路,其中2條軌內(nèi)鏈路,4條軌間鏈路.圖3所示是LEO11衛(wèi)星在LEO層內(nèi)的星間鏈路通斷情況,其他層內(nèi)星間鏈路連接情況與此類似.

圖3　LEO11與LEO層星間鏈路通信持續(xù)時(shí)間

圖3的橫坐標(biāo)為仿真時(shí)間,縱坐標(biāo)表示為L(zhǎng)EO11與各個(gè)LEO層衛(wèi)星的星間鏈路通斷關(guān)系.可看出無(wú)論是軌內(nèi)鏈路還是軌間鏈路,鏈路通斷關(guān)系圖一直為實(shí)線,說(shuō)明鏈路始終保持暢通狀態(tài),沒(méi)有斷開(kāi).這為用戶在任意時(shí)刻的全球互聯(lián)互通提供了基本保證.但需要明確的是,這其中軌內(nèi)鏈路中的衛(wèi)星相對(duì)位置保持不變,它們的鏈路長(zhǎng)度、通信俯仰角以及方位角也隨之固定.而軌間鏈路的鏈路長(zhǎng)度、通信俯仰角以及方位角會(huì)隨著衛(wèi)星相對(duì)位置的改變處于動(dòng)態(tài)變化中.以LEO11-LEO21鏈路為示例解釋說(shuō)明,如圖4所示.

由圖4可知,LEO層面的星間鏈路的長(zhǎng)度較短且變化不大,則單跳的傳輸時(shí)延會(huì)較小,而且通信俯仰角變化較為平緩,有利于星載天線的追蹤.但星間鏈路的方位角變化范圍大且在某些時(shí)段變化較為劇烈,會(huì)嚴(yán)重加劇信息的傳輸時(shí)延,同時(shí)對(duì)星載天線的性能也會(huì)提出更高的要求.如果考慮到當(dāng)用戶請(qǐng)求過(guò)多,業(yè)務(wù)量很大的情形,數(shù)據(jù)將無(wú)法按時(shí)傳遞,網(wǎng)絡(luò)將會(huì)發(fā)生擁塞,衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的性能將會(huì)急劇下降.這時(shí)多層衛(wèi)星星座組網(wǎng)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)盡顯無(wú)遺,利用層間鏈路的分流作用和高軌衛(wèi)星對(duì)低軌衛(wèi)星的覆蓋特性,將數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)到更高的軌道,作為中繼點(diǎn),則可以效地保證衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性.

圖4　LEO11-LEO21星間鏈路關(guān)系

LEO-MEO和MEO-GEO層間鏈路的通信情況和鏈路關(guān)系比較相似,將之放在一起討論.圖5和圖6分別展示的是LEO11與MEO層間鏈路以及MEO11與GEO層間鏈路的通斷情況.圖7和圖8分別展示的是LEO11與MEO11層間鏈路以及MEO11與GEO1層間鏈路的鏈路關(guān)系.

由圖5和圖6可以看出,層間鏈路的通信是間斷性的,即層間衛(wèi)星鏈路不能夠一直保持,斷斷續(xù)續(xù).但是與層內(nèi)鏈路相似的是,一個(gè)低軌衛(wèi)星總是可以同時(shí)被多個(gè)高軌衛(wèi)星所覆蓋,在實(shí)際的應(yīng)用中,可以將累積時(shí)延作為標(biāo)準(zhǔn)選擇其中的一條鏈路為主鏈路,即只選取其中一個(gè)高軌衛(wèi)星作為中繼通信衛(wèi)星,當(dāng)鏈路斷開(kāi)時(shí)再尋求切換,這樣在保證一定性能的前提下又減少了鏈路的頻繁切換.

圖5　LEO11與MEO層星間鏈路通信持續(xù)時(shí)間

圖6　MEO11與GEO層星間鏈路通信持續(xù)時(shí)間

根據(jù)圖7和圖8,可以觀察到隨著軌道高度的增加,層間鏈路的距離會(huì)變長(zhǎng),進(jìn)而傳輸時(shí)延會(huì)很大,所以一般不能將MEO層和GEO層作為衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò).但是隨著高度的增加,星間鏈路方位角無(wú)論是變化范圍還是變化率都明顯降低,這有利于星載天線的跟蹤指向,可以更高效地傳輸數(shù)據(jù),在保證了通信的連續(xù)性同時(shí)還減小了衛(wèi)星的設(shè)計(jì)難度.

圖7　LEO11-MEO11星間鏈路關(guān)系

圖8　MEO11-GEO1星間鏈路關(guān)系

4結(jié)論

本文作者采用了基于GEO/MEO/LEO的三層衛(wèi)星星座的組網(wǎng)設(shè)計(jì),并對(duì)該方案進(jìn)行了數(shù)字化仿真,通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析,取得了預(yù)想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證了該方案的合理性.

該方案的出發(fā)點(diǎn)是利用多層衛(wèi)星星座的優(yōu)點(diǎn)以盡量少的衛(wèi)星數(shù)量實(shí)現(xiàn)對(duì)地球的全面覆蓋,同時(shí)利用不同層次間的星間鏈路切換等優(yōu)點(diǎn)規(guī)避了單層衛(wèi)星星座的缺點(diǎn),充分結(jié)合了高、中、低軌道各自的優(yōu)勢(shì),形成了一個(gè)立體結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò),符合天地一體化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展要求.

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(責(zé)任編輯：包震宇)

A novel design on multi-layer satellite constellation network

LI Lianqiang1, YOU Hanxu1, ZHU Jie1, YANG Yutao2, HU Zhen2

(1.School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;2.Shanghai Institute of Satellite Engineering,Shanghai 200240,China)

Abstract:With the increasing demand of space technology,the traditional single layer satellite constellation network is restricted in the development of future space technology because of its simple structure.For this reason,more and more researchers have carried out the research on the multi-layer satellite constellation network in recent years.This paper put forward a new GEO/MEO/LEO satellite constellation design based on the advantages of multi-layer satellite constellation to achieve full coverage of the earth with as little satellites as possible.It is more stereo than traditional style.Finally,we use STK and MATLAB to realize the digital simulation of this design.The rationality and effectiveness of this design are verified by comparison and analysis of the length of the satellite link,the communication pitch angle and azimuth angle.

Key words:multi-layer satellite constellation; length of the satellite link; communication pitch angle; azimuth angle

中圖分類號(hào):TN 927

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1000-5137(2016)02-0248-05

通信作者:朱杰,中國(guó)上海市閔行區(qū)東川路800號(hào),上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院,郵編:200240,E-mail:zhujie@sjtu.edu.cn

基金項(xiàng)目:上海航天科技創(chuàng)新基金(SAST2015039);國(guó)家自然科學(xué)基金(61271349,61371147,11433002)

收稿日期:2016-02-29