基于STK的MEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的仿真與覆蓋分析

吳 昊，王 宇

（中國空間技術(shù)研究院西安分院陜西西安710100）

基于STK的MEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的仿真與覆蓋分析

吳 昊，王 宇

（中國空間技術(shù)研究院西安分院陜西西安710100）

基于對中軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座覆蓋性能進(jìn)行分析的目的，本文利用STK建立了兩種典型的中軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座的仿真模型，通過星座仿真模型分別對其全球覆蓋性能和區(qū)域覆蓋性能進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，ICO和Odyssey衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座的全球平均覆蓋率均為100%，對北京區(qū)域的雙星覆蓋率均為100%，三星覆蓋率分別為87.5%，89.8%，四星覆蓋率分別為70.3%，34.2%，五星覆蓋率分別為21.1%，3.1%。在全球覆蓋性能方面，ICO星座和Odyssey星座均具有良好的覆蓋性能；在區(qū)域覆蓋性能方面，前者的多星覆蓋性能遠(yuǎn)優(yōu)于后者。

中軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)；STK；星座；覆蓋性能

利用中軌道（MEO）衛(wèi)星提供全球移動通信[1]的優(yōu)點在于：相比于GEO衛(wèi)星，MEO衛(wèi)星的傳輸損耗較小，對手持機和星載天線的要求也相應(yīng)較低，研制難度與LEO衛(wèi)星大致相當(dāng)，其傳播時延也大約為GEO衛(wèi)星的四分之一。同時，相比于LEO衛(wèi)星，MEO衛(wèi)星的移動速度較慢，降低了衛(wèi)星切換的頻率，由于其較大的覆蓋范圍，MEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)需要較少的衛(wèi)星就能實現(xiàn)全球覆蓋，降低了系統(tǒng)設(shè)計和管理的難度。因此，在某種程度上，MEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)克服了GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)和LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的很多方面的缺陷，而且，它的傳輸時延、系統(tǒng)復(fù)雜性、技術(shù)和實施風(fēng)險、業(yè)務(wù)性能、服務(wù)壽命以及系統(tǒng)費用均保持在可以實現(xiàn)和承受的范圍內(nèi)，非常適合用于提供全球移動通信。Inmarsat的ICO系統(tǒng)和TRW空間技術(shù)集團(tuán)公司提出的Odyssey（奧德賽）系統(tǒng)是兩個典型的中軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

衛(wèi)星移動通信網(wǎng)絡(luò)[1]是以衛(wèi)星星座為基本物理架構(gòu)，多顆衛(wèi)星按一定形狀分布，通過星際的通信鏈路形成覆蓋全球的天基通信網(wǎng)絡(luò)，具有一定的覆蓋性能。星座系統(tǒng)[2]具有較強的抗毀性、抗干擾性和冗余能力，在個別衛(wèi)星部分功能失效或個別衛(wèi)星被破壞的情況下仍能降級使用。星座覆蓋性能是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要特征，通過對星座覆蓋性能進(jìn)行分析可以幫助我們了解衛(wèi)星通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成，鏈路傳播特性，抗干擾性能等。

衛(wèi)星工具軟件 STK（Satellite Tool Kit，STK）[3-4]是航天領(lǐng)域中先進(jìn)的系統(tǒng)分析軟件，由美國分析圖形有限公司（Analytical Graphics Inc，AGI）研制，用于分析復(fù)雜的陸地、海洋、航空及航天任務(wù)。它可提供逼真的2維、3維可視化動態(tài)場景以及精確的圖表、報告等多種分析結(jié)果。支持衛(wèi)星壽命的全過程，在航天飛行任務(wù)的系統(tǒng)分析、設(shè)計制造，測試發(fā)射以及在軌運行等各個環(huán)節(jié)中都有廣泛的應(yīng)用，對于軍事遙感衛(wèi)星的戰(zhàn)場監(jiān)測、覆蓋分析、打擊效果評估等方面同樣具有極大的應(yīng)用潛力。

文中利用STK衛(wèi)星工具軟件，通過對ICO系統(tǒng)星座和Odyssey系統(tǒng)星座軌道設(shè)計理論參數(shù)進(jìn)行分析討論，以標(biāo)準(zhǔn)軌道根數(shù)建立典型中軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座仿真模型，進(jìn)而討論分析典型星座的覆蓋性能。

1 典型中軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座的軌道根數(shù)

1.1 經(jīng)典軌道參數(shù)

衛(wèi)星軌道參數(shù)是用來描述在太空中衛(wèi)星運行的位置、形狀和取向的各種參數(shù)。在慣性坐標(biāo)系中描述衛(wèi)星運動的6個經(jīng)典參數(shù)是：軌道半軸長a，軌道偏心率e，軌道傾角i，升交點赤經(jīng)Ω，近地點中心角ω，衛(wèi)星飛過近地點時刻τ。圖1為衛(wèi)星運動軌道6個經(jīng)典軌道參數(shù)的示意圖。

圖1 衛(wèi)星在慣性坐標(biāo)系中的運動

在實際應(yīng)用中我們常用的是兩行星歷，在兩行星歷數(shù)據(jù)中就包含了衛(wèi)星最重要的6個軌道參數(shù)，STK衛(wèi)星仿真工具包也支持兩行星歷，而且STK還提供了多種對衛(wèi)星運行軌道影響的因素如地球扁率等，為研究分析衛(wèi)星運行軌道的性能提供了方便。

1.2 ICO衛(wèi)星通信系統(tǒng)、Odyssey衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座特點

1）ICO衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座特點

ICO系統(tǒng)星座由12顆衛(wèi)星組成，其中10顆為工作衛(wèi)星，2顆為備用衛(wèi)星，12顆衛(wèi)星排列在與地球赤道分別成45°傾角的兩個平面上，位于距地球10 355公里的中圓軌道上。

2）Odyssey衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座特點

Odyssey系統(tǒng)星座也由12顆衛(wèi)星組成，平均分布在與地球赤道分別成55°傾角的3個平面上，位于距地球10 354公里的中圓軌道上。

1.3 ICO衛(wèi)星通信系統(tǒng)、Odyssey衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座的軌道根數(shù)

ICO系統(tǒng)星座設(shè)計和Odyssey系統(tǒng)星座設(shè)計[5-6]均采用網(wǎng)狀覆蓋星座（Walker星座）。Walker星座的特點是：一般衛(wèi)星軌道是圓形軌道，各軌道平面平均分布，而且軌道平面中的衛(wèi)星均勻分布，但Walker星座不適合于覆蓋南北極地區(qū)，一般選在南北緯72°地區(qū)。

根據(jù)ICO、Odyssey衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座的相關(guān)資料分析，可知ICO、Odyssey衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座半長軸分別為16 726 km、16 725 km，偏心率均為0，軌道傾角分別為45°、55°，升交點赤經(jīng)均按照軌道數(shù)量在空間內(nèi)均勻分布，平均近點角均按照同一軌道面內(nèi)衛(wèi)星數(shù)量在軌道面內(nèi)均勻分布。

根據(jù)上述軌道參數(shù)計算ICO和Odyssey衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座軌道仿真的其他參數(shù)，其中每個軌道面的升交點赤經(jīng)的取值見表1和表2，初始平均近點角的取值見表3和表4。

表1 ICO星座軌道面升交點赤經(jīng)值

表2 Odyssey星座軌道面升交點赤經(jīng)值

表3 ICO星座衛(wèi)星的初始平近點角值

表4 Odyssey星座軌道面的升交點赤經(jīng)值

2 ICO、Odyssey衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座仿真模型的建立

STK提供了多種衛(wèi)星軌道[7-8]預(yù)測模型：

1）TwoBody

二體模型，只考慮地球中心引力。通常用于問題簡化后的原理分析。

2）J2Perturbation

在中心引力的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮地球非球形的影響，但僅考慮最大的J2項影響。同樣，由于力模型過于簡化，通常不用于定量的工程計算。

3）J4Perturbation

增加J4項影響。模型精度依然不足以用于通常的定量工程計算。

4）HPOP

高精度軌道外推模型采用數(shù)值計算方法，可用于定量計算。

還有很多模型在這里就不再贅述了，為了簡化仿真，本文用的衛(wèi)星軌道預(yù)測模型為TwoBody（二體）模型。采用STK工具包建立的ICO衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座仿真模型見圖2，Odyssey衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座仿真模型見圖3。

圖2 STK生成的ICO系統(tǒng)星座

圖3 STK生成的Odyssey系統(tǒng)星座

3 ICO、Odyssey衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座覆蓋性能仿真分析

3.1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座覆蓋性能分析的概念

覆蓋性能[9-10]是衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座在需要的時間和地點動態(tài)集中所需衛(wèi)星容量的能力，具有時間和地點兩個方面的屬性。評價一個星座系統(tǒng)對某區(qū)域的覆蓋特性通常有星座覆蓋統(tǒng)計性能、單星覆蓋率、多星覆蓋率等指標(biāo)。這些覆蓋性能均可以通過STK建立的衛(wèi)星軌道模型仿真得到，文中仿真條均為理想條件。

星座覆蓋統(tǒng)計性能表征了衛(wèi)星星座對某一指定區(qū)域的覆蓋水平。它包括兩方面的含義，一個方面是某一時刻衛(wèi)星星座對指定地區(qū)的覆蓋程度；另一個方面是衛(wèi)星星座在任一運行周期內(nèi)，從任一星座覆蓋圖記起，到衛(wèi)星星座重新運行到該星座覆蓋圖的一段時間內(nèi)，衛(wèi)星星座對該區(qū)域的覆蓋情況。

單星覆蓋率是指在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)和星座運行周期內(nèi)各采樣站點至少有1顆衛(wèi)星覆蓋的概率。

多星覆蓋率是指在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)和星座運行周期內(nèi)各采樣站點至少有2顆或3顆以上衛(wèi)星覆蓋的概率。

3.2 ICO、Odyssey衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座全球覆蓋性能仿真分析

計算衛(wèi)星星座的全球覆蓋性能[11-12]時，需要在地球的表面取有限個采樣點，通過這些采樣點的統(tǒng)計結(jié)果來表示衛(wèi)星星座的覆蓋特性。STK提供了一種簡單的柵格法取采樣點，即將地球的表面分成與經(jīng)度和緯度線平行的柵格，柵格間的角距相等。

ICO衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座的運行周期為359 min，柵格間角距為6°，通過STK仿真得到ICO衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座在一個運行周期內(nèi)的全球平均覆蓋率與時間的變化曲線如圖4所示。Odyssey衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座的運行周期為359 min，柵格間角距為6°，通過STK仿真得到Odyssey衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座在一個運行周期內(nèi)的全球平均覆蓋率與時間的變化曲線如圖5所示。

圖4 ICO系統(tǒng)星座全球平均覆蓋率變化曲線

圖5 Odyssey系統(tǒng)星座全球平均覆蓋率變化曲線

通過仿真結(jié)果可以得到ICO、Odyssey衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座在一個運行周期內(nèi)的全球平均覆蓋率為100%。兩者對全球范圍均可以提供全天時的覆蓋，非常適合用于提供全球移動通信。

3.3 ICO、Odyssey衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座區(qū)域覆蓋性能仿真分析

STK提供了FOM（品質(zhì)參數(shù)）模塊[13-14]，可以利用FOM模塊進(jìn)行多星覆蓋性能仿真分析，圖6、圖7分別給出了ICO、Odyssey衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座對北京區(qū)域衛(wèi)星覆蓋數(shù)量隨時間的變化曲線。

圖6 ICO系統(tǒng)星座區(qū)域衛(wèi)星覆蓋數(shù)量變化曲線

圖7 Odyssey系統(tǒng)星座區(qū)域衛(wèi)星覆蓋數(shù)量變化曲線

從圖6的仿真結(jié)果可以計算出，ICO衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座在一個運行周期內(nèi)對北京的雙星覆蓋率為100%，三星覆蓋率為87.5%，四星覆蓋率為70.3%，五星覆蓋率為21.1%。

從圖7的仿真結(jié)果可以計算出，Odyssey衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座在一個運行周期內(nèi)對北京的雙星覆蓋率為100%，三星覆蓋率為89.8%，四星覆蓋率為34.2%，五星覆蓋率為3.1%。

從ICO、Odyssey衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座對北京的多星覆蓋率仿真結(jié)果可以看出，兩者對北京都可以實現(xiàn)100%的雙星覆蓋，兩者對北京的三星覆蓋率大致相當(dāng)，但I(xiàn)CO衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座對北京的四星覆蓋率和五星覆蓋率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Odyssey衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座。

4 結(jié)束語

近年來，隨著無線通信和移動通信的迅速發(fā)展，層出不窮的移動通信新技術(shù)使人們能夠在任意時間、任意地點與其他人以任意方式進(jìn)行交換各種信息。其中，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展使衛(wèi)星通信成為移動通信技術(shù)中最重要的通信方式之一。

MEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)克服了GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)和LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的很多方面的缺陷，而且，它的傳輸時延、系統(tǒng)復(fù)雜性、技術(shù)和實施風(fēng)險、業(yè)務(wù)性能、服務(wù)壽命以及系統(tǒng)費用均保持在可以實現(xiàn)和承受的范圍內(nèi)，非常適合用于提供全球移動通信。

衛(wèi)星星座作為衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的基本物理架構(gòu)，其組織結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了衛(wèi)星星座對指定區(qū)域的覆蓋質(zhì)量，而較好的覆蓋是中軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)對指定區(qū)域提供滿意的通信的前提和保障。衛(wèi)星工具軟件STK是航天領(lǐng)域中先進(jìn)的系統(tǒng)分析軟件[15]，用于分析復(fù)雜的陸地、海洋、航空及航天任務(wù)。它可提供逼真的2維、3維可視化動態(tài)場景以及精確的圖表、報告等多種分析結(jié)果。支持衛(wèi)星壽命的全過程，在航天飛行任務(wù)的系統(tǒng)分析、設(shè)計制造，測試發(fā)射以及在軌運行等各個環(huán)節(jié)中都有廣泛的應(yīng)用，對于軍事遙感衛(wèi)星的戰(zhàn)場監(jiān)測、覆蓋分析、打擊效果評估等方面同樣具有極大的應(yīng)用潛力。

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Simulation and coverage analysis of the constellation of the MEO satellite communication system based on STK

WU Hao，WANG Yu
（Chinese Academy of Space Technology（Xi’an），Xi'an710100，China）

Based on the analysis of the constellation coverage performance of the satellite communication system，this paper uses STK to set up two constellation simulation models of the typical satellite communication system.Then the simulation and analysis of their global and regional coverage performance are carried out.The simulation results show that the global coverage rate of ICO and Odyssey are 100%.In Beijing region，the double?satellite coverage rate for is 100%，and the triple?satellite coverage rates are 87.5%and 89.8%，and the four?satellite coverage rates are 70.3%and 34.2%，and the five?satellite coverage rates are 21.1%and 3.1%.The ICO has fine global coverage performance with Odyssey and its multiple coverage performance is even better than that of Odyssey in Beijing region.

MEO satellite communication system；STK；constellation；coverage performance

TN927+.23

A

1674-6236（2017）22-0120-04

2016-10-11稿件編號：201610043

吳昊（1990—），男，陜西咸陽人，碩士研究生。研究方向：空間通信技術(shù)。