空間信息網(wǎng)絡(luò)中的星座設(shè)計方法研究

張威+張更新+茍亮

摘要：提出了一種“骨干網(wǎng)+增強網(wǎng)”的混合星座設(shè)計方法，即以GEO衛(wèi)星節(jié)點構(gòu)成骨干網(wǎng)，以IGSO、HEO、MEO或LEO衛(wèi)星等其他軌道衛(wèi)星節(jié)點作為增強網(wǎng)，實現(xiàn)全球覆蓋。并設(shè)計一種了“4GEO+5IGSO”混合星座，對其覆蓋性能進行了詳細分析。仿真結(jié)果表明，所提出的方法采用較少數(shù)量的衛(wèi)星即可滿足全球無縫覆蓋并可僅依靠中國信關(guān)站落地。

關(guān)鍵詞：空間信息網(wǎng)絡(luò)；星座設(shè)計；混合星座；GEO衛(wèi)星；IGSO衛(wèi)星

中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：1009-6868 （2016） 04-0019-005

縱觀世界范圍，各類衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建設(shè)仍然表現(xiàn)出各自為政、獨立建設(shè)的局面。各系統(tǒng)針對不同的任務(wù)需求和服務(wù)對象構(gòu)建，系統(tǒng)缺乏一般性、通用性和相互協(xié)作的能力，形成重復(fù)建設(shè)、“煙囪式”發(fā)展的不利局面。例如，僅40°E～180°E的亞太地區(qū)就有120多個靜止軌道（GEO）位置用于衛(wèi)星移動通信[1-2]，而各類寬帶通信、數(shù)據(jù)中繼、氣象、導(dǎo)航衛(wèi)星更占用了大量軌道資源。并且單個系統(tǒng)針對既定任務(wù)設(shè)計，系統(tǒng)完成任務(wù)后會出現(xiàn)較多空閑狀態(tài)，無法對空間資源進行整體配置。此外，由于頻譜和軌道等資源的限制，各系統(tǒng)的全域覆蓋能力有限，不同的技術(shù)體制更導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擴展能力差?？臻g信息網(wǎng)絡(luò)的提出為解決上述問題提供了有效途徑，已成為全球范圍的研究熱點[3-6]。

空間信息網(wǎng)絡(luò)是以多種空間平臺（如同步衛(wèi)星或中、低軌道衛(wèi)星，平流層氣球和有人或無人駕駛飛機等）為載體，實時獲取、傳輸和處理各類信息的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。作為國家重要基礎(chǔ)設(shè)施，空間信息網(wǎng)絡(luò)在服務(wù)遠洋航行、應(yīng)急救援、導(dǎo)航定位、航空運輸、航天測控等重大應(yīng)用的同時，向下可支持對地觀測的高動態(tài)、寬帶實時傳輸，向上可支持深空探測的超遠程、大時延可靠傳輸，從而將人類科學、文化、生產(chǎn)活動拓展至空間、遠洋、乃至深空[7]。

相比傳統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，空間信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含了多種類型節(jié)點。但由衛(wèi)星節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)仍是整個空間信息網(wǎng)絡(luò)承載業(yè)務(wù)的核心，其工作方式、覆蓋特點直接影響整個空間信息網(wǎng)絡(luò)的效能，是空間信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中需要重點考慮的內(nèi)容。然而，衛(wèi)星節(jié)點一般處于高速軌道運行狀態(tài)，衛(wèi)星節(jié)點間需要相互協(xié)同，構(gòu)成星座，才能實現(xiàn)良好的空時覆蓋性能。此外，中國靜止衛(wèi)星軌道位置、頻率資源稀缺，也沒有條件建設(shè)類似美國全球電信港的海外基地，僅能在國土內(nèi)建設(shè)信關(guān)站，這對空間信息網(wǎng)絡(luò)的星座設(shè)計增加了額外約束條件。

根據(jù)調(diào)研，現(xiàn)有大部分空間系統(tǒng)均采用單軌道類型星座，譬如采用GEO衛(wèi)星組成星座的Thuraya [8]、Inmarsat [9]等系統(tǒng)，采用中軌道（MEO）衛(wèi)星組成星座的O3b [10]、全球定位系統(tǒng)（GPS）[11]、GLONASS [12]，采用低軌道（LEO）衛(wèi)星組成星座的Iridium [13]、Globalstar [14]、Orbcomm [15]等。單一軌道類型星座具有較為成熟的設(shè)計方法，一般采用Walker星座[16]的形式來進行星座設(shè)計。但單一軌道類型星座具有明顯的不足：GEO星座對中、高緯度地區(qū)平均覆蓋仰角較低，衰落余量大，存在“南山效應(yīng)”，兩極附近有通信盲區(qū)；MEO、LEO需要大量衛(wèi)星組成星座才能實現(xiàn)區(qū)域或全球無縫覆蓋，運行費用高。針對該問題，有大量文獻對新的星座形式進行了探討，其中以多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)[17]（MLSN）最具代表性。多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在不同的軌道高度上同時布星，利用星間鏈路（ISL）建立立體交叉衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，從而將各種軌道高度衛(wèi)星的優(yōu)勢進行互補。但現(xiàn)有文獻對多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中在其組網(wǎng)和路由方面[18-21]，并沒有回答好多層衛(wèi)星星座如何設(shè)計這個問題。

針對上述問題，我們從混合星座設(shè)計的角度考慮空間信息網(wǎng)絡(luò)中提供信息服務(wù)的衛(wèi)星節(jié)點布設(shè)方法?；旌闲亲捎貌煌壍李愋停℅EO、傾斜地球同步軌道（IGSO）、高橢圓軌道（HEO）等）的衛(wèi)星組成星座，相互之間優(yōu)勢互補，具有比單軌道類型星座更好的性能。在文章中，我們首先提出了一種“骨干網(wǎng)+增強網(wǎng)”的混合星座設(shè)計方法，以GEO衛(wèi)星節(jié)點構(gòu)成骨干網(wǎng)，以IGSO、HEO、MEO或LEO衛(wèi)星等其他軌道衛(wèi)星節(jié)點作為增強網(wǎng)，實現(xiàn)全球覆蓋。與多層衛(wèi)星網(wǎng)不同的是：該方法分清了星座組成中的“主”和“次”，并且星座中衛(wèi)星軌道高度可以相同。然后利用該方法針對中國僅限國內(nèi)建設(shè)信關(guān)站的國情，設(shè)計了一種“GEO+IGSO”混合星座，對其覆蓋性能進行了詳細分析。仿真結(jié)果表明：所提方法采用較少的衛(wèi)星即能滿足全球無縫覆蓋并可僅依靠中國信關(guān)站落地。

1 “骨干網(wǎng)+增強網(wǎng)”混合星座設(shè)計方法

文章中，我們從業(yè)界普遍認同的“空間骨干節(jié)點”出發(fā)，提出一種骨干網(wǎng)+增強網(wǎng)的混合星座設(shè)計方法：采用GEO衛(wèi)星作為骨干網(wǎng)，采用其他類型衛(wèi)星作為增強手段。該星座設(shè)計方法將整個星座的構(gòu)建過程分為兩個階段，具體描述如下。

（1）階段1。GEO衛(wèi)星工作于距離地面高度為35 786 km的赤道軌道上，相對地面保持靜止，覆蓋范圍大，且技術(shù)相對成熟，運行維護方便。因此，在節(jié)點布設(shè)的第1個階段，采用3～5個分布在不同軌道位置上GEO星群組成空間骨干網(wǎng)。這里，考慮到軌道位置受限，每個軌道位置上布設(shè)多顆GEO衛(wèi)星節(jié)點，物理上可能包括通信、中繼、遙感、導(dǎo)航等多種衛(wèi)星，邏輯上可以看作一個信息服務(wù)節(jié)點，星群內(nèi)衛(wèi)星協(xié)作完成包括信息獲取、處理、傳輸、交換、存儲、分發(fā)等功能。GEO星群之間和星群內(nèi)各衛(wèi)星之間可通過高速的微波或激光星間鏈路實現(xiàn)信息交換。境外GEO衛(wèi)星通過星間鏈路迂回，僅依靠中國信關(guān)站落地。當骨干網(wǎng)節(jié)點布設(shè)完畢后，空間信息網(wǎng)絡(luò)的基本功能就已初步具備。

（2）階段2。由于GEO衛(wèi)星節(jié)點的軌道特性，骨干網(wǎng)對中、高緯度地區(qū)平均覆蓋仰角較低，衰落余量大，存在南山效應(yīng)，無法覆蓋南北兩極。需要借助其他軌道類型的衛(wèi)星來增強其覆蓋能力，彌補其不足。為了便于設(shè)計和建設(shè)，一般應(yīng)采用同一軌道類型的衛(wèi)星（譬如采用IGSO衛(wèi)星、HEO衛(wèi)星、MEO衛(wèi)星或LEO衛(wèi)星等）對骨干網(wǎng)的覆蓋進行增強。在該階段需要對中高緯度地區(qū)、兩極地區(qū)進行覆蓋增強，提高熱點區(qū)域的系統(tǒng)可用度，解決中、高緯度地區(qū)、城市、峽谷、山區(qū)、叢林等GEO衛(wèi)星節(jié)點視線受限區(qū)域的信息服務(wù)需求。

2 混合星座設(shè)計方案

2.1 GEO衛(wèi)星骨干網(wǎng)節(jié)點位置選取

考慮到中國沒有條件建設(shè)類似美國全球電信港的海外信關(guān)站，因此，GEO衛(wèi)星骨干網(wǎng)節(jié)點布設(shè)過程中需重點考慮中國信關(guān)站地點這一約束條件。我們經(jīng)過調(diào)研選取北京（39.9°N，116.4°E）、喀什（39.5°N，76.0°E）以及三亞（18.2°N，109.5°E）3個典型地點的信關(guān)站作為空間節(jié)點布設(shè)的約束條件。在實際應(yīng)用中，衛(wèi)星的波束邊緣仰角需要留有余量，在文中的覆蓋分析中，波束邊緣仰角取10°?？紤]到中國信關(guān)站地址的限制，骨干網(wǎng)中的GEO衛(wèi)星節(jié)點應(yīng)盡可能多地對中國信關(guān)可見。這里考慮采用4顆GEO衛(wèi)星的策略。

為使更多衛(wèi)星節(jié)點對中國信關(guān)站直接可見，且兼顧中低緯度地區(qū)的覆蓋。首先，根據(jù)位于最東的北京信關(guān)站（39.9°N，116.4°E）以及波束邊緣仰角10°來確定中國領(lǐng)土東部GEO2節(jié)點的定點位置，為177.5°W；然后，根據(jù)位于最西的喀什信關(guān)站（39.5°N，76.0°E）確定中國領(lǐng)土西部GEO4節(jié)點的定點位置，為9.8°E。GEO1和GEO3節(jié)點分別位于GEO2和GEO4節(jié)點間空隙的中點位置，定點位置分別為96.1°E和83.9°W。4顆GEO衛(wèi)星通過固定星間鏈路組成環(huán)路。如圖1所示，GEO1、GEO2和GEO4節(jié)點均能被中國信關(guān)站可見，唯一不可見的GEO3節(jié)點信息可以通過GEO2或GEO4一跳中繼落地中國信關(guān)站。該方案能夠覆蓋南北緯63.7°以內(nèi)的區(qū)域。該方案在其覆蓋區(qū)和中國區(qū)域的平均通信仰角如圖2所示?？梢钥闯觯涸摲桨冈谥袊鴧^(qū)域的平均通信仰角明顯高于3GEO方案。

2.2 GEO+IGSO混合星座

IGSO衛(wèi)星與GEO衛(wèi)星具有相同的軌道高度，因此具有與地球自轉(zhuǎn)周期相同的軌道周期，能夠充分繼承GEO衛(wèi)星的優(yōu)點，便于與GEO衛(wèi)星組網(wǎng)融合。IGSO衛(wèi)星可以采用兩種方式構(gòu)成星座：地面同軌跡IGSO星座，星座中所有IGSO衛(wèi)星具有相同的地面軌跡（地面軌跡成8字形，衛(wèi)星傾角越大，8字越大），但衛(wèi)星位于不同的軌道面，衛(wèi)星之間的相對位置時刻變化；同軌道面IGSO衛(wèi)星，星座中IGSO衛(wèi)星位于同一軌道面內(nèi)，相互之間相對靜止，便于建立星間鏈路。

地面同軌跡的IGSO衛(wèi)星能夠?qū)潭▍^(qū)域（譬如中國區(qū)域）進行接力覆蓋，增強中國及周邊區(qū)域的覆蓋性能。但是，由于中國信關(guān)站局限在領(lǐng)土范圍內(nèi)，當IGSO衛(wèi)星軌道傾角較高時，IGSO衛(wèi)星星下點位于南極附近時對信關(guān)站不可見。表1給出了不同軌道傾角的IGSO衛(wèi)星在一天中對信關(guān)站的不可見時間長度，其中IGSO衛(wèi)星升交點經(jīng)度為109.5°E（與三亞信關(guān)站經(jīng)度相同），信關(guān)站為三亞（18.2°N，109.5°E）。

信息服務(wù)節(jié)點之間的鏈路一般是高速寬帶鏈路，星間鏈路波束寬度非常小。由于同地面軌跡的IGSO衛(wèi)星位于不同的軌道，相互之間的俯仰和方位角實時變化，如果相互之間建立高速星間鏈路將對天線跟蹤和對準提出極高的要求，并且天線時刻調(diào)整對準方位也嚴重影響了使用壽命。因此，星座設(shè)計中，相對運動的衛(wèi)星節(jié)點間盡可能不建立星間鏈路，以保證信息服務(wù)節(jié)點的高效、可靠的運行。

然而，若地面同軌跡IGSO衛(wèi)星間不建立星間鏈路，從表1可知，衛(wèi)星的軌道傾角不能超過53.4°。此時，4GEO骨干網(wǎng)+3地面同軌跡IGSO增強網(wǎng)的多星對地覆蓋情況如圖3所示。其中，4顆GEO衛(wèi)星分別定點于96.1°E、177.5°W、83.9°W、9.8°E，相互之間通過星間鏈路組成環(huán)路；3顆IGSO衛(wèi)星地面同軌跡，軌道傾角為53.4°，升交點經(jīng)度為109.5°E，相互之間真近點角相差為120°，不建立星間鏈路。

從圖3中可以看出：此時仍有部分區(qū)域無法達到100%時間覆蓋，但中國安全利益重要區(qū)域得到了很好的多星覆蓋。為了彌補4GEO+3IGSO的覆蓋空隙，我們進一步提出將地面同軌跡IGSO衛(wèi)星和同軌道面IGSO衛(wèi)星相結(jié)合，結(jié)合的方法如下：

（1）至少包含3顆地面同軌跡IGSO衛(wèi)星，以保證IGSO衛(wèi)星對地面的連續(xù)接力覆蓋。

（2）至少包含3顆同軌道面的IGSO衛(wèi)星，以建立IGSO衛(wèi)星間鏈路，使對中國信關(guān)站不可見IGSO衛(wèi)星的信息通過中繼落回中國信關(guān)站。

（3）存在1顆IGSO衛(wèi)星既屬于地面同軌跡IGSO星座又屬于同軌道面IGSO星座，將兩種不同類型的IGSO星座密切結(jié)合。

也就是說，最少也需要5顆IGSO衛(wèi)星即可將兩類IGSO星座密切地結(jié)合，如圖4所示。其中，IGSO1既屬于地面同軌跡同時又屬于同軌道面IGSO星座。

采用圖4中的5顆IGSO衛(wèi)星作為增強網(wǎng)與GEO衛(wèi)星骨干網(wǎng)組成混合星座，得到的多星覆蓋情況如圖5所示。其中4顆GEO衛(wèi)星分別定點于96.1°E、177.5°W、83.9°W、9.8°E，相互之間通過星間鏈路組成環(huán)路；地面同軌跡3顆IGSO衛(wèi)星軌道傾角為53.4°，升交點經(jīng)度為109.5°E，相互之間真近點角相差120°，不建立星間鏈路；同軌道面的3顆IGSO衛(wèi)星軌道傾角為53.4°，其中1顆IGSO衛(wèi)星與地面同軌跡IGSO星座共用，相互之間真近點角相差120°，通過星間鏈路組成環(huán)路。

從圖5可以看出，覆蓋中仍存在縫隙，但此時同軌道面的IGSO衛(wèi)星IGSO4、IGSO5僅考慮通過IGSO1中繼落入中國信關(guān)站。事實上，IGSO4有部分時間對北京信關(guān)站可見；而IGSO5衛(wèi)星有部分時間對喀什信關(guān)站可見。因此，可以對5IGSO星座進行進一步調(diào)整：

（1）保留IGSO2和IGSO3衛(wèi)星的軌道參數(shù)不變，因此IGSO2和IGSO3仍始終對中國信關(guān)站可見。

（2）擴大IGSO1、IGSO4和IGSO5衛(wèi)星的軌道傾角，如果其中任何一顆衛(wèi)星對中國信關(guān)站可見，其他兩顆衛(wèi)星均能利用該衛(wèi)星一跳中繼將信息傳回中國信關(guān)站。

表2通過仿真統(tǒng)計給出了當3顆同軌道面IGSO衛(wèi)星軌道傾角調(diào)整過程中，3顆IGSO衛(wèi)星同時對中國信關(guān)站不可見的時間。

顯然，3顆同軌道面的IGSO衛(wèi)星IGSO1、IGSO4和IGSO5無論取何種軌道傾角，總有一顆IGSO衛(wèi)星對中國信關(guān)站可見。因此，調(diào)整圖5混合星座中3顆同軌道面IGSO衛(wèi)星的軌道傾角為60°，可得到改進后的4GEO+5IGSO混合星座的多星覆蓋，如圖6所示。

此時，4GEO+5IGSO混合星座在全球和中國區(qū)域的平均通信仰角（重疊覆蓋時取較大的仰角）如圖7所示。顯然，無論是在全球還是在中國區(qū)域，平均通信仰角均有較大程度的提升。

從圖6和圖7中可以看出，改進后的4GEO+5IGSO混合星座具有以下特點：

（1）僅采用9顆衛(wèi)星即能夠?qū)θ驅(qū)崿F(xiàn)無縫覆蓋，這對中國安全和利益重點區(qū)域能夠達到非常好的多星覆蓋（3～4星100%時間覆蓋），將系統(tǒng)資源集中在重點區(qū)域。

（2）僅在同軌道面GEO、IGSO之間建立星間鏈路，由于同軌道面衛(wèi)星之間相對靜止，星間鏈路可采用成熟的固定指向、窄波束寬帶天線。

（3）在中高緯度地區(qū)也具有高通信仰角，解決了解決中高緯度地區(qū)、城市、峽谷、山區(qū)、叢林等GEO衛(wèi)星節(jié)點視線受限區(qū)域的信息服務(wù)需求。

（4）GEO、IGSO衛(wèi)星軌道高度高，相對導(dǎo)航、遙感衛(wèi)星俯仰方位角變化較慢，適合為導(dǎo)航衛(wèi)星、低軌遙感衛(wèi)星等用戶節(jié)點提供接入服務(wù)。

（5）整個星座中至少同時有6顆衛(wèi)星（3顆GEO衛(wèi)星、3顆IGSO衛(wèi)星）對于中國信關(guān)站可見，其他不直接可見的衛(wèi)星僅需一跳中繼即可與中國信關(guān)站互連，很好地解決了我中國僅能在國內(nèi)布設(shè)信關(guān)站的關(guān)鍵問題。

3 結(jié)束語

我們首先提出了一種骨干網(wǎng)+增強網(wǎng)混合星座設(shè)計方法，以GEO衛(wèi)星節(jié)點構(gòu)成骨干網(wǎng)，以IGSO、HEO衛(wèi)星等其他軌道衛(wèi)星節(jié)點作為增強網(wǎng)，實現(xiàn)全球覆蓋。然后，重點針對中國僅在國內(nèi)布設(shè)信關(guān)站這個強約束條件，設(shè)計了一種“4GEO+5IGSO”混合星座，對其覆蓋性能進行了仿真分析。結(jié)果表明：所設(shè)計星座達到全球無縫覆蓋所需衛(wèi)星數(shù)量不超過9顆，并且能夠很好滿足“僅依靠中國信關(guān)站落地”這個強約束條件。

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