多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)激光星間鏈路空間特性仿真

(空軍工程大學(xué) 電訊工程學(xué)院，西安 710077)

1 引 言

衛(wèi)星激光通信以其容量大、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)以及終端體積和重量小而成為空間通信的研究熱點(diǎn)[1-3]。隨著衛(wèi)星光通信可靠性不斷提高，衛(wèi)星數(shù)目不斷增加，利用激光鏈路互聯(lián)衛(wèi)星組成空間信息網(wǎng)絡(luò)成為了衛(wèi)星光通信發(fā)展的主要方向之一[4-5]。衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)作為面向服務(wù)的空間信息網(wǎng)絡(luò)體系，必須整合通信、偵察、導(dǎo)航以及遙感遙測等諸多動(dòng)能，充分提高系統(tǒng)利用率，才能和其它通信方式進(jìn)行競爭。由于不同軌道高度的衛(wèi)星具有不同的用途，因而只有對高軌衛(wèi)星(GEO)、中軌衛(wèi)星(MEO)和低軌衛(wèi)星(LEO)進(jìn)行組網(wǎng)，才能實(shí)現(xiàn)以上多用途整合的功能。在多層衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，GEO作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)設(shè)施，通過軌道間激光鏈路向下連接多個(gè)LEO衛(wèi)星和MEO衛(wèi)星，下層衛(wèi)星通過軌道內(nèi)激光鏈路互聯(lián)構(gòu)成空間信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施接入移動(dòng)終端。

多層結(jié)構(gòu)衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)魯棒性、大容量和無縫覆蓋等特點(diǎn)，其功能實(shí)現(xiàn)依賴于高性能的星間激光鏈路。由于星間通信激光束發(fā)散角在微弧度量級(信標(biāo)光毫弧度)，平臺(tái)間微小的指向關(guān)系變化都可能導(dǎo)致通信性能惡化[6-7]。衛(wèi)星激光鏈路組網(wǎng)對捕獲、瞄準(zhǔn)和追蹤技術(shù)(Acquisition Tracking Pointing,ATP)提出了更高的要求。因此在衛(wèi)星激光網(wǎng)絡(luò)中，研究任意兩顆衛(wèi)星間空間相對位置關(guān)系具有最基本的意義，它可以為星載激光終端和ATP技術(shù)提供參考，為實(shí)現(xiàn)高性能的星間激光鏈路奠定基礎(chǔ)，從而為組網(wǎng)提供了可能。

2 星間激光鏈路

2.1 鏈路分類

星間激光鏈路是指利用激光束進(jìn)行衛(wèi)星間通信的物理鏈路，如圖1所示，由3個(gè)極地軌道和一個(gè)傾斜中軌道組成，低軌衛(wèi)星與其前后左右4個(gè)衛(wèi)星具有激光鏈路。衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)中星間激光鏈路有3類：衛(wèi)星間鏈路(Optical Inter-Satellite Link，ISL),指同一軌道高度內(nèi)兩個(gè)衛(wèi)星間的鏈路，在同一軌道高度內(nèi)相鄰軌道間的星間鏈路又稱軌間鏈路(Inter-plane Link),同一軌道內(nèi)相鄰兩個(gè)衛(wèi)星間的鏈路稱軌內(nèi)鏈路(Intra-plane Link)；軌道間鏈路(Inter-Orbit Link，IOL)指不同軌道高度間兩個(gè)衛(wèi)星間的鏈路；星地鏈路指衛(wèi)星和地面網(wǎng)關(guān)間的上行和下行鏈路。

圖1 衛(wèi)星激光鏈路示意圖Fig.1 Optical inter-satellites links

2.2 星間鏈路參數(shù)計(jì)算

星間鏈路的參數(shù)主要包括兩顆衛(wèi)星間覆蓋、俯仰角、方位角和距離4個(gè)參數(shù)，覆蓋特性決定了高層的衛(wèi)星能否為底層衛(wèi)星提供中轉(zhuǎn)，進(jìn)而影響路由的選擇，在多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中具有非常重要的作用，俯仰角和方位角與光學(xué)天線的指瞄跟蹤密切相關(guān)，而星間距離決定著傳輸時(shí)延。

為了計(jì)算兩顆衛(wèi)星空間位置關(guān)系，必須進(jìn)行坐標(biāo)變換[8-9]。如圖2所示，首先建立地球赤道坐標(biāo)系oxyz，以赤道面為基準(zhǔn)，x軸指向春分點(diǎn)，y軸向東與x軸垂直，z軸指向地理北極，xyz服從右手關(guān)系準(zhǔn)則。其次建立衛(wèi)星軌道平面移動(dòng)坐標(biāo)系OXYZ。以任意時(shí)刻衛(wèi)星在其軌道面位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，地心和衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)連線方向?yàn)閄軸，瞬時(shí)速度方向?yàn)閅軸，Z軸垂直軌道面，XYZ服從右手準(zhǔn)則。該坐標(biāo)系是以衛(wèi)星2為準(zhǔn)的移動(dòng)坐標(biāo)系。已知衛(wèi)星1和衛(wèi)星2在地球赤道坐標(biāo)系中的坐標(biāo)S1(x,y,z)和S2(x,y,z)，要計(jì)算衛(wèi)星1相對于衛(wèi)星2的方位角、仰角隨時(shí)間變化情況，只需計(jì)算衛(wèi)星1在衛(wèi)星2移動(dòng)坐標(biāo)中系中的坐標(biāo)S1(X,Y,Z)即可。

圖2 星間鏈路坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖Fig.2 Coordinate transformation of inter-satellite links

已知衛(wèi)星1在地球赤道坐標(biāo)系中的坐標(biāo)S1(x,y,z)，通過坐標(biāo)變換變換到衛(wèi)星2的移動(dòng)坐標(biāo)系S2(X,Y,Z)，容易知道：

θazimuth=tg-1(Y/X)

(1)

(2)

如圖2所示的星間鏈路坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖中，通過3次坐標(biāo)變換可求得地心赤道坐標(biāo)系oxyz到衛(wèi)星軌道移動(dòng)坐標(biāo)系OXYZ的轉(zhuǎn)換。

(1)Z軸不動(dòng)，將X軸繞Z軸旋轉(zhuǎn)ω到軌道面與赤道面交線l，建立坐標(biāo)系OX′Y′Z，有X=X′cosω-Y′sinω，Y=X′sinω+Y′cosω，轉(zhuǎn)換矩陣

(2)X′軸不動(dòng)，將Z軸繞X′軸旋轉(zhuǎn)i到z軸的位置，建立坐標(biāo)系OX′Y″z，則有如下變換，Y′=Y″cosi-zsini，Z=Y″sini+zcosi，轉(zhuǎn)換矩陣

(3)z軸不動(dòng)，將X′軸繞z軸旋轉(zhuǎn)Ω到x的位置，此時(shí)Y″恰好轉(zhuǎn)到y(tǒng)軸，建立坐標(biāo)系Oxyz，則變換如下，X′=xcosΩ-ysinΩ,Y″=xsinΩ+ycosΩ，其轉(zhuǎn)換矩陣：

(3)

3 星間鏈路特性分析

3.1 軌道間鏈路(IOL)參數(shù)仿真計(jì)算

GEO衛(wèi)星作為中轉(zhuǎn)設(shè)施，不僅負(fù)責(zé)對地面站的大容量數(shù)據(jù)傳輸，而且在底層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)阻塞的情況下可以承載一部分非實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)。同時(shí)，當(dāng)?shù)讓有l(wèi)星發(fā)生故障時(shí)，也可以以犧牲服務(wù)質(zhì)量而滿足連續(xù)通信和覆蓋的要求。為了定量分析同步軌道衛(wèi)星(GEO)和低軌衛(wèi)星(LEO)間鏈路特性，仿真場景引入第一次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星激光通信的ARTEMIS地球同步衛(wèi)星和另外一顆低軌衛(wèi)星(圓軌道，半長軸為7 578.137 km，軌道傾角55°，右升節(jié)點(diǎn)經(jīng)度292.491 76°)，系統(tǒng)從6月1日中午12時(shí)運(yùn)行到6月2日12時(shí)，步長60 s，它們的覆蓋時(shí)間統(tǒng)計(jì)如表1所示，可分為13個(gè)階段，任意兩個(gè)連續(xù)覆蓋時(shí)間段內(nèi)間隔40 min，最小覆蓋時(shí)間39 min，最大覆蓋時(shí)間92 min，總覆蓋時(shí)間為16.43 h，占有一天時(shí)間的比例為68.47%。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，在系統(tǒng)運(yùn)行周期內(nèi)，GEO對LEO的平均連續(xù)覆蓋時(shí)間為76 min，92 min的最長連續(xù)覆蓋時(shí)間完全可以對LEO(MEO)提供中繼服務(wù)。

圖3是方位角隨時(shí)間變化曲線圖，橫坐標(biāo)從2004年6月1日12時(shí)開始到6月2日12時(shí)結(jié)束，圖中曲線躍變的地方表示此段時(shí)間內(nèi)GEO不能覆蓋到LEO，如表1所示，每個(gè)連續(xù)覆蓋的時(shí)間段后跟隨一段無法覆蓋時(shí)間段。從仿真結(jié)果可以看出，GEO-LEO最小方位角為0.759°，最大為359°，雖然最大值和最小值之間有將近2π的差值，除了有3個(gè)時(shí)間點(diǎn)發(fā)生了大幅變化(1.2°～358.5°，持續(xù)時(shí)間在秒量級)外，其它躍變都跨越兩個(gè)連續(xù)覆蓋時(shí)間段，這段時(shí)間光學(xué)天線有足夠的時(shí)間調(diào)整其指瞄方向，從而實(shí)現(xiàn)兩者的對準(zhǔn)。圖4是俯仰角隨時(shí)間變化曲線圖，最小仰角-88.3°，最大仰角-79.6°，俯仰角的變化非常小，目前的衛(wèi)星光通信終端完全可以滿足這種變化。圖5是距離隨時(shí)間變化曲線圖，最小距離為34 688.73 km，最大距離為45 828.22 km，平均距離為41 742.76 km，平均單程時(shí)延138 ms。除了跨越連續(xù)覆蓋時(shí)間段時(shí)有躍變，連續(xù)覆蓋時(shí)間內(nèi)連續(xù)變化，具有優(yōu)良的時(shí)延抖動(dòng)特性。

表1 GEO-LEO覆蓋情況統(tǒng)計(jì)Table 1 GEO satellite coverage for LEO satellite

圖3 GEO-LEO方位角變化圖Fig.3 Curves of azimuth angle between GEO and LEO

圖4 GEO-LEO俯仰角變化圖Fig.4 Curves of elevation angle between GEO and LEO

圖5 GEO-LEO距離變化圖Fig.5 Curves of distance between GEO and LEO

3.2 軌道內(nèi)鏈路(ISL) 參數(shù)仿真計(jì)算

低軌衛(wèi)星群作為接入設(shè)施，負(fù)責(zé)空基、陸基和?；苿?dòng)終端的隨機(jī)接入，該群間激光鏈路的連接決定著衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)的路由，進(jìn)而決定了網(wǎng)絡(luò)的性能。仿真場景為一個(gè)低軌衛(wèi)星Walker Delta星座，該星座和日本的下一代低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)(NeLs)配置相似[10,11]?；九渲萌缦拢?0個(gè)軌道，每個(gè)軌道12顆衛(wèi)星，軌道間相位因子為3，衛(wèi)星高度1 200 km，軌道傾角55°，離心率0(圓軌道)。由于衛(wèi)星周期為1.8 h，仿真時(shí)間設(shè)置為12 h，步長60 s。由于軌道內(nèi)兩顆相鄰衛(wèi)星位置相對固定，因此不作為研究對象，激光鏈路取第一個(gè)軌道的第一個(gè)衛(wèi)星101和第二個(gè)軌道的第一個(gè)衛(wèi)星201間的鏈路作為研究對象。

如圖6所示，在運(yùn)行的12 h時(shí)間內(nèi)，LEO-LEO方位角最小值為0.456°，最大值為359.98°，變化速率5.99°/s，每運(yùn)行將近50 min之后經(jīng)歷一次躍變，此時(shí)需要跟瞄天線作較大的方位調(diào)整，這說明在設(shè)計(jì)跟瞄天線時(shí)水平變化范圍和變化速度是一個(gè)非常重要的參數(shù)。圖7是俯仰角隨時(shí)間變化曲線圖，其形狀類似于正弦曲線，最大俯仰角為-16.663°，最小為-0.055°，平均俯仰角為-9.352°，無論是從指瞄范圍或指瞄速度考慮，光學(xué)天線性能完全可以滿足。

圖8是兩顆衛(wèi)星距離隨時(shí)間變化曲線圖，最大距離為3 836 km，最小15 km，平均距離2 455.8 km，單跳平均時(shí)延8.2 ms。

圖6 LEO-LEO方位角變化圖Fig.6 Curves of azimuth angle between LEO satellites

圖7 LEO-LEO俯仰角變化圖Fig.7 Curves of elevation angle between LEO satellites

圖8 LEO-LEO距離變化圖Fig.8 Curves of distance between LEO satellites

4 結(jié) 論

隨著ATP性能不斷提高，點(diǎn)對點(diǎn)衛(wèi)星激光通信鏈路逐步實(shí)現(xiàn)工程化，目前國際上把衛(wèi)星激光鏈路組網(wǎng)列為衛(wèi)星光通信的重要發(fā)展方向之一。GEO/MEO/LEO 多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)由于其魯棒性強(qiáng)、覆蓋范圍廣等特點(diǎn)從一提出就引起了人們廣泛的關(guān)注，加之我國“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)也采用此結(jié)構(gòu)，研究基于激光鏈路的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)顯得非常具有實(shí)際意義。

本文對多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)ISL和IOL方位角、俯仰角和距離進(jìn)行了計(jì)算及仿真研究。歐空局研制的衛(wèi)星激光通信終端OPTEL系列中，其中用作GEO-LEO通信的OPTEL25 GEO方位角指向范圍為-180°～+180°，俯仰指向范圍為-10°～+90°。用作LEO-LEO通信的OPTEL02水平指向范圍為-180°～+180°，俯仰指向范圍為-25°～+85°[12]，比較從仿真得到的結(jié)論可以發(fā)現(xiàn)，這樣的參數(shù)足可以滿足實(shí)際通信需求。通過圖3和圖6可以發(fā)現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用中，方位角的指向在數(shù)秒的時(shí)間內(nèi)發(fā)生了從0°～360°的激變，這對衛(wèi)星光通信終端在水平方向的指瞄速度提出了較高的要求，這是設(shè)計(jì)必須首要考慮的問題。

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