中國(guó)低軌衛(wèi)星星座組網(wǎng)設(shè)計(jì)與規(guī)劃

(空軍工程大學(xué) 電訊工程學(xué)院，西安 710077)

1 引 言

衛(wèi)星星座是指由多顆衛(wèi)星按照一定規(guī)則和形狀構(gòu)成的可提供一定覆蓋性能的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，是多顆衛(wèi)星進(jìn)行協(xié)同工作的基本形式。衛(wèi)星星座結(jié)構(gòu)會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和系統(tǒng)成本等。傳統(tǒng)的同步軌道衛(wèi)星軌道高、鏈路損耗大，對(duì)地面終端的EIRP和接收天線的G/T值要求過(guò)高，難以實(shí)現(xiàn)手持機(jī)與衛(wèi)星直接進(jìn)行通信;而低軌衛(wèi)星由于鏈路損耗小，降低了對(duì)用戶終端EIRP和G/T值的要求，可支持地面小型終端與衛(wèi)星的直接通信，有利于信息的實(shí)時(shí)傳輸。

現(xiàn)代通信的發(fā)展要求衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)具有全球通信能力。低軌衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球覆蓋所需的衛(wèi)星數(shù)目較多(Iridium系統(tǒng)66顆星)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本很高，對(duì)于我國(guó)這樣的發(fā)展中國(guó)家要在短期內(nèi)構(gòu)建全球性低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，無(wú)論是在經(jīng)濟(jì)上還是在技術(shù)上都存在較大困難。因此，在預(yù)期星座的整體構(gòu)型下，通過(guò)設(shè)計(jì)和篩選，合理部署少數(shù)衛(wèi)星以滿足當(dāng)前任務(wù)和需求，并在今后發(fā)展中通過(guò)不斷發(fā)射新衛(wèi)星進(jìn)行補(bǔ)網(wǎng)，最終實(shí)現(xiàn)星座的預(yù)期覆蓋和通信能力，是我國(guó)衛(wèi)星通信發(fā)展的一條可行之路。

文獻(xiàn)[1]介紹了基于全球覆蓋的星座構(gòu)型，但未針對(duì)我國(guó)當(dāng)前實(shí)際提出切實(shí)可行的實(shí)施方案。文獻(xiàn)[2]提出了基于我國(guó)的移動(dòng)衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)方案，但未考慮星座的后期可擴(kuò)展能力。本文綜合考慮星座的實(shí)現(xiàn)成本與我國(guó)當(dāng)前實(shí)際需要，提出了適用于我國(guó)當(dāng)前實(shí)際并具有一定后期擴(kuò)展能力的低軌衛(wèi)星星座構(gòu)建實(shí)施方案。

2 星座參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 軌道設(shè)計(jì)

橢圓軌道多用于區(qū)域性覆蓋，但軌道傾斜角必須為63.4°(為了避免拱點(diǎn)漂移)[3]，這對(duì)中低緯度地區(qū)的覆蓋十分不利，而圓軌道的傾斜角可在0°～90°之間任意選擇?？紤]我國(guó)所處緯度范圍為北緯4°～54°之間，星座設(shè)計(jì)宜應(yīng)采用傾斜圓軌道。

軌道高度選擇主要是系統(tǒng)所需衛(wèi)星數(shù)目與地面終端EIRP和G/T值的折衷。同時(shí)，軌道高度的選擇還需考慮地球大氣層和范·阿倫帶[4]兩個(gè)因素的影響，通常認(rèn)為L(zhǎng)EO衛(wèi)星的可用軌道高度為700～2 000 km。

2.2 衛(wèi)星周期設(shè)計(jì)

為了便于衛(wèi)星軌道控制，通常選擇使用回歸軌道，即衛(wèi)星運(yùn)行周期與地球自轉(zhuǎn)周期成整數(shù)比。衛(wèi)星運(yùn)行周期與地球自轉(zhuǎn)周期關(guān)系如下式所示：

Ts/Te=k/n

(1)

式中，k、n為整數(shù)，Ts為衛(wèi)星運(yùn)行周期，Te為地球自轉(zhuǎn)周期，且Te=86 164 s。根據(jù)開普勒定理，可得衛(wèi)星周期Ts(單位s)與軌道高度h關(guān)系如下：

(2)

式中，地球半徑Re=6 378.137 km，開普勒常數(shù)μ=398 601.58 km3/s2。取k=2，n=25，可得衛(wèi)星周期Ts=6 893 s，軌道高度h=1 450 km。

2.3 星座相位關(guān)系設(shè)計(jì)

星座相位關(guān)系的確定是指確定衛(wèi)星在星群中的位置,它包括軌道傾角、軌道平面的布置、同一平面內(nèi)衛(wèi)星的位置和相鄰軌道衛(wèi)星的相對(duì)位置關(guān)系。通常，為了使衛(wèi)星具有最大的均勻覆蓋特性，同一軌道平面內(nèi)的衛(wèi)星應(yīng)均勻分布，即相鄰衛(wèi)星的相位差應(yīng)滿足360/m，m為該軌道平面內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)量。對(duì)于不同軌道平面內(nèi)衛(wèi)星，相對(duì)相位角的不同會(huì)使星座的覆蓋特性相差甚遠(yuǎn)。

根據(jù)立體幾何的關(guān)系,推導(dǎo)出兩個(gè)星下點(diǎn)(衛(wèi)星與地心連線和地面的交點(diǎn))之間的距離d的公式如下[5]：

d=Rearccos[(2-sin2ψcos2θ1-sin2θ1)/2-

(sin2θ2+2sinθ1cosθ2)/2]

(3)

式中，θ1、θ2為兩星下點(diǎn)的緯度，ψ為兩星下點(diǎn)經(jīng)度差的絕對(duì)值。相對(duì)相角優(yōu)化算法準(zhǔn)則是使星下點(diǎn)間的最小距離最大化。

3 覆蓋分析

為了研究方便，假定衛(wèi)星對(duì)地球的覆蓋是對(duì)準(zhǔn)地心的且只有一個(gè)大波束。圓軌道時(shí)單顆衛(wèi)星對(duì)地覆蓋幾何關(guān)系如圖1所示。

圖1 圓軌道衛(wèi)星覆蓋幾何關(guān)系示意圖Fig.1 Coverage geometric relationship of satellite in round orbit

其中，系統(tǒng)觀察點(diǎn)的仰角：

(4)

覆蓋區(qū)半徑：

X=Re·sinα

(5)

當(dāng)衛(wèi)星高度較低時(shí)，如果仍保持較大的仰角，則單顆衛(wèi)星的覆蓋范圍將大大減小。雖然小仰角時(shí)電波的傳輸衰落大從而需要較大的系統(tǒng)余量，但是由于衛(wèi)星高度低，鏈路相應(yīng)較短，傳播損耗本身比較小，系統(tǒng)提供較大余量并不存在特別的困難，因此可以適當(dāng)減小系統(tǒng)的最小仰角以增大衛(wèi)星的覆蓋范圍。通常規(guī)定系統(tǒng)的最小仰角為10°左右。

4 星座設(shè)計(jì)方案

4.1 連續(xù)覆蓋低軌衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)方案

綜合考慮星座設(shè)計(jì)的上述因素后，假定低軌衛(wèi)星星座共由3個(gè)軌道平面構(gòu)成，軌道高度1 450 km，利用相位優(yōu)化準(zhǔn)則及STK仿真研究可得，相鄰軌道之間衛(wèi)星的最佳相位差為14.5°，假定星座覆蓋目標(biāo)為包括我國(guó)全部海域及其周邊區(qū)域在內(nèi)的中低緯度地區(qū)。表1列出了不同軌道傾角時(shí)星座設(shè)計(jì)方案與其覆蓋特性統(tǒng)計(jì)。

表1 不同低軌星座方案及覆蓋統(tǒng)計(jì)Table1 Coverage statistics of different LEO satellite constellation designs

由表可知，方案B的覆蓋性能最優(yōu)，能夠滿足對(duì)中低緯度地區(qū)的完全連續(xù)覆蓋。通過(guò)仿真還可以發(fā)現(xiàn)，方案B有較大的系統(tǒng)余量，即當(dāng)設(shè)定系統(tǒng)最小仰角大于5°時(shí)，該星座對(duì)于指定緯度地區(qū)仍有良好的覆蓋性能，能夠滿足實(shí)時(shí)通信的要求。

4.2 區(qū)域覆蓋型星座設(shè)計(jì)

4.2.1背景假定

遠(yuǎn)程指揮控制與通信保障能力是影響和制約軍隊(duì)作戰(zhàn)半徑和作戰(zhàn)能力的重要因素。傳統(tǒng)的地面通信手段受地理環(huán)境限制較大，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)通信距離的有效擴(kuò)展，相反，衛(wèi)星通信由于不受地理?xiàng)l件的制約，可以作為擴(kuò)展通信保障半徑的重要手段[6]。

在當(dāng)前我國(guó)周邊的復(fù)雜形勢(shì)下，現(xiàn)有的地面通信手段無(wú)法滿足在敏感區(qū)域行動(dòng)的需求，而靜止軌道衛(wèi)星又難以實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)傳遞，因此，在衛(wèi)星通信的階段性發(fā)展中應(yīng)首先解決敏感區(qū)域內(nèi)的通信問(wèn)題，為有效擴(kuò)展作戰(zhàn)半徑和作戰(zhàn)指揮提供通信保障。

4.2.2非連續(xù)單星均勻覆蓋方案設(shè)計(jì)

結(jié)合方案B，假定第一階段發(fā)射4顆衛(wèi)星，軌道高度為1 450 km，軌道傾角38°，衛(wèi)星平均分布在2個(gè)軌道平面上，軌道平面升交點(diǎn)赤經(jīng)相差120°。要求星座能夠以一定時(shí)間間隔實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的定時(shí)覆蓋。通過(guò)仿真研究，各衛(wèi)星軌道參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 衛(wèi)星軌道參數(shù)設(shè)置Table 2 Orbit parameters configuration of satellites

假定目標(biāo)區(qū)域是以我國(guó)某地為中心、半徑為2 000 km的圓形區(qū)域，利用STK對(duì)一個(gè)周期(48 h)內(nèi)星座對(duì)目標(biāo)區(qū)域的覆蓋特性進(jìn)行仿真統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 星座對(duì)目標(biāo)區(qū)域的覆蓋情況Fig.2 Coverage situation of constellation for area target

由圖可見，星座可以在平均每45 min內(nèi)完成對(duì)目標(biāo)區(qū)域的一次覆蓋，每次覆蓋時(shí)間約為10～20 min，星座在5:30～11:30時(shí)間段內(nèi)覆蓋尤為集中。事實(shí)上，可以通過(guò)改變衛(wèi)星的近地點(diǎn)輻角來(lái)調(diào)整衛(wèi)星集中覆蓋所對(duì)應(yīng)的時(shí)間區(qū)間，從而滿足實(shí)際需要。同時(shí)在后期的發(fā)展中，只需調(diào)整衛(wèi)星的相位關(guān)系即可滿足方案B的要求，具有良好的可擴(kuò)展性。

4.2.3連續(xù)覆蓋星座設(shè)計(jì)方案

在4.2.2節(jié)所設(shè)計(jì)的方案中，由于單顆衛(wèi)星過(guò)頂?shù)臅r(shí)間較短(一般10～20 min)，很難滿足大業(yè)務(wù)量信息的傳輸要求，因此，設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域較長(zhǎng)時(shí)間覆蓋的衛(wèi)星星座具有較大現(xiàn)實(shí)意義。由于4顆衛(wèi)星不可能完成對(duì)目標(biāo)區(qū)域的實(shí)時(shí)連續(xù)覆蓋，為了盡可能增加星座每次覆蓋時(shí)間，設(shè)定4顆衛(wèi)星分布在同一軌道平面上，通過(guò)調(diào)整衛(wèi)星的近地點(diǎn)輻角差值使衛(wèi)星能夠?qū)崿F(xiàn)前后協(xié)同，從而延長(zhǎng)每次覆蓋時(shí)間。各衛(wèi)星參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 衛(wèi)星參數(shù)設(shè)置Table 3 Constellation parameters configuration

目標(biāo)區(qū)域不變，通過(guò)仿真，可得星座的覆蓋性能如圖3所示。

圖3 星座對(duì)目標(biāo)區(qū)域的覆蓋情況Fig.3 Coverage situation of constellation for area target

由圖3可知，星座可以在一天內(nèi)完成對(duì)目標(biāo)區(qū)域的7次覆蓋，每次覆蓋時(shí)間約80 min，可以實(shí)現(xiàn)較大業(yè)務(wù)量的信息傳輸，星座同樣存在覆蓋集中時(shí)間區(qū)間，通過(guò)調(diào)整衛(wèi)星的有關(guān)參數(shù)可以改變集中覆蓋所對(duì)應(yīng)的時(shí)間區(qū)間。與4.2.2節(jié)中方案相比，該星座對(duì)目標(biāo)區(qū)域的覆蓋次數(shù)大大減少，并且存在一定的覆蓋空白區(qū)。但是由于每次過(guò)頂時(shí)間較長(zhǎng)，可以滿足大業(yè)務(wù)量信息的不間斷實(shí)時(shí)傳輸。

經(jīng)過(guò)對(duì)上述兩種方案的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，連續(xù)覆蓋星座設(shè)計(jì)方案在實(shí)際通信中可以滿足信息的實(shí)時(shí)與大量傳輸，對(duì)于軍隊(duì)作戰(zhàn)半徑的擴(kuò)展和保障需求較為有利，具有較大的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)束語(yǔ)

星座設(shè)計(jì)不僅要考慮星座的整體覆蓋性能，還需考慮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的成本和可行性，有步驟地實(shí)現(xiàn)最終預(yù)期目的[7]。本文結(jié)合我國(guó)當(dāng)前發(fā)展實(shí)際，綜合考慮，提出在星座整體構(gòu)型下分步組建我國(guó)低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，研究了前期4顆衛(wèi)星的部署策略。通過(guò)仿真可以發(fā)現(xiàn)，連續(xù)覆蓋型星座對(duì)于大業(yè)務(wù)量信息的實(shí)時(shí)傳輸較為有利，可以滿足我國(guó)當(dāng)前實(shí)際需要。下一步的研究工作是，由于4顆衛(wèi)星無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全連續(xù)覆蓋，實(shí)際應(yīng)用中需對(duì)地面用戶與衛(wèi)星的接入方式和切換時(shí)機(jī)與策略進(jìn)行深入細(xì)致的研究，在有限的空間資源下提高系統(tǒng)利用率。

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