面向應(yīng)急通信的低軌短數(shù)據(jù)通信星座優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉洋 劉武 戴媛媛 劉勇 李華 楊杰峰

關(guān)鍵詞： 應(yīng)急通信; 短數(shù)據(jù); 低軌衛(wèi)星; 激光通信; 通信系統(tǒng); 星座

中圖分類號(hào)： TN927?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）05?0019?04

Optimization design of LEO short data communication constellation

for emergency communication

LIU Yang， LIU Wu， DAI Yuanyuan， LIU Yong， LI Hua， YANG Jiefeng

（Shanghai Engineering Center for Microsatellites， Shanghai 201203， China）

Abstract： The design and optimization analysis of short data communication system based on low earth orbit （LEO） satellites are carried out to meet the requirement of various industries in civil and military fields for emergency communication. The global constellation optimization design method is used to obtain a short data communication satellite constellation composed of 49 LEO satellites distributed in 7 orbit surfaces. The satellites in the system provide the real?time transmission channels for user information transmission by means of laser link， which can maintain the communication link between the single satellite in constellation and more than 10 satellites at any time. The efficiency simulation results show that the system can realize the seamless coverage over all the land territories in China， cover more than 90% surrounding areas and low?latitude areas， and meet the requirement of information emergency transmission.

Keywords： emergency communication; short data; LEO satellite; laser communication; communication system; constellation

0 ?引 ?言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各行業(yè)對(duì)信息獲取的時(shí)效性要求增長(zhǎng)迅速，通過(guò)穩(wěn)定可靠的信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高頻次信息交換的應(yīng)用需求迫切。我國(guó)地域廣闊、地形復(fù)雜、受氣候及地理環(huán)境的影響大，地面通信網(wǎng)絡(luò)還無(wú)法覆蓋到海洋、沙漠及偏遠(yuǎn)山區(qū)等，使得現(xiàn)有信息網(wǎng)絡(luò)中存在信息傳遞鴻溝，難以實(shí)現(xiàn)全區(qū)域用戶的實(shí)時(shí)性通信需求。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)大約有30萬(wàn)船只，包括海上運(yùn)輸、漁船等需要實(shí)時(shí)的通信保障;在森林防火方面，我國(guó)共有約6萬(wàn)個(gè)森林防火檢查站，護(hù)林人員約50萬(wàn)名，實(shí)時(shí)通信需求十分迫切;在應(yīng)急減災(zāi)方面，汶川地震對(duì)我國(guó)通信設(shè)施的脆弱、應(yīng)急通信手段不足等問題提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn);目前我國(guó)邊遠(yuǎn)地區(qū)，包括許多自然村尚未建立完善的通信系統(tǒng)。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)，特別是衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)[1?3]成為現(xiàn)有地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的有力補(bǔ)充和延伸，是應(yīng)對(duì)突發(fā)事件應(yīng)急信息傳輸?shù)闹匾侄巍６椅覈?guó)包括軍隊(duì)、武警，公安、漁業(yè)、農(nóng)業(yè)、民政等政府機(jī)構(gòu)，以及石油、電力、氣象等部門都需要廣域的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)提供高效可靠的保障支持。與同步軌道相比，中、低軌道衛(wèi)星具有傳播時(shí)延短、路徑損耗低、頻率復(fù)用率高、衛(wèi)星研制周期短、多星組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)真正意義上的多星覆蓋、支持終端手持化等優(yōu)點(diǎn)。全球性衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)主要采用中、低軌道衛(wèi)星，低軌衛(wèi)星短數(shù)據(jù)[4?5]移動(dòng)通信系統(tǒng)具有傳輸時(shí)延長(zhǎng)、通信突發(fā)時(shí)間短等特點(diǎn)，國(guó)際現(xiàn)有銥星[6?7]，ORBCOMM[8?9]，Globalstar[10]，ARGOS[11]等短數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)采集通信系統(tǒng)。

國(guó)際衛(wèi)星雖能在一定程度上滿足通信需求，但信息安全性不能保障，資源調(diào)配受制于人，因此亟需發(fā)展?jié)M足我國(guó)軍民各行業(yè)應(yīng)急應(yīng)用需求的短數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)了一套低軌短數(shù)據(jù)通信星座網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠?qū)ξ覈?guó)及周邊領(lǐng)土全面覆蓋，為區(qū)域內(nèi)用戶提供信息實(shí)時(shí)（準(zhǔn)實(shí)時(shí)）傳輸通道，并通過(guò)系統(tǒng)效能仿真，驗(yàn)證其可用性和有效性。

1 ?通信頻段

低軌衛(wèi)星（LEO）由于自身的功率限制以及地面手持終端的功率限制，不宜使用過(guò)高的傳輸頻率，當(dāng)前主流的LEO系統(tǒng)用戶鏈路頻段主要集中在2 GHz以下，如表1所示。這一頻段同時(shí)也是地面設(shè)備使用密集的頻率空間，而且多個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)集中在這個(gè)頻段內(nèi)就必須保證相互之間的干擾比較小?？臻g信息網(wǎng)絡(luò)的建立是以高速、靈活、準(zhǔn)確傳輸用戶數(shù)據(jù)為目的，因此不可避免的需要大量的頻譜資源作為支撐，由于低軌衛(wèi)星系統(tǒng)覆蓋范圍遠(yuǎn)超于地面系統(tǒng)，因此衛(wèi)星通信環(huán)境的頻譜狀況極為復(fù)雜。在衛(wèi)星無(wú)線寬帶接入越來(lái)越接近商業(yè)化的今天，大帶寬的申請(qǐng)更是困難。對(duì)于低軌通信衛(wèi)星而言，過(guò)高的頻率將使得鏈路的衰減量大幅上升，同時(shí)造成多普勒偏移過(guò)高，這對(duì)于地面的接收和發(fā)射都是極為不利的。

根據(jù)無(wú)線電頻率規(guī)劃，UHF頻段中400.15～401 MHz和410～420 MHz可用于空間研究，使用其附近頻段的系統(tǒng)有美軍特高頻后繼衛(wèi)星通信系統(tǒng)（UFO）、美國(guó)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)（TIBS），增強(qiáng)型定位報(bào)告系統(tǒng)（EPLRS），工作頻段均為225～400 MHz。

目前，對(duì)于L頻段可用的衛(wèi)星通信頻段僅有7 MHz，國(guó)際上已有數(shù)百份網(wǎng)絡(luò)申請(qǐng)資料，協(xié)調(diào)難度巨大，而且L頻段相對(duì)于UHF頻段鏈路衰減大，同樣的距離和接收增益，需要發(fā)射的EIRP更高，而現(xiàn)有的短數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信的ORBCOMM系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的ARGOS系統(tǒng)普遍采用UHF頻段，該頻段鏈路衰減小，有利于低功耗終端，故考慮方案的成熟度，終端的低功耗以及集成度，建議采用UHF頻段，在已有的UHF突發(fā)短數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行適應(yīng)性功能擴(kuò)展，可滿足性能指標(biāo)要求。

2 ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)

衛(wèi)星星座按以下原則進(jìn)行設(shè)計(jì)：

以用戶需求為中心：星座設(shè)計(jì)緊密結(jié)合用戶需求，以應(yīng)急場(chǎng)景信息實(shí)時(shí)（準(zhǔn)實(shí)時(shí)）交互應(yīng)用為中心，兼顧軍、民用需求，實(shí)現(xiàn)軍民融合效益的最大化。

高效性：星座規(guī)劃合理，力求用最少的衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)中低緯度區(qū)域的全面覆蓋。

均衡性：星座設(shè)計(jì)均勻性和覆蓋性好，星間鏈路連通性好，滿足高時(shí)間分辨率重訪需求，實(shí)現(xiàn)各類業(yè)務(wù)信息的快速回傳和落地。

連續(xù)性：星座軌道設(shè)計(jì)便于后續(xù)任務(wù)部署的連續(xù)性、互補(bǔ)性和組網(wǎng)的便利性。

主要設(shè)計(jì)約束如下：

覆蓋范圍：可連續(xù)覆蓋北緯18°～53°區(qū)域（中國(guó)陸地主要區(qū)域），高頻次覆蓋北緯0°～18°區(qū)域。

軌道高度：600～1 200 km。

窄帶通信終端最小可通信仰角：15°。

衛(wèi)星數(shù)目：盡量少（節(jié)省建設(shè)成本）。

軌道面數(shù)目：盡量少（節(jié)省運(yùn)載成本）。

為實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)地區(qū)的連續(xù)覆蓋和部分地區(qū)的高頻次覆蓋，采用約束多目標(biāo)優(yōu)化的方法，借鑒全球星的星座設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化得到多種衛(wèi)星軌道高度和傾角一致的同構(gòu)星座，星座的具體參數(shù)如表2所示。

進(jìn)一步給出不同軌道高度的空間分布密度，如圖1所示，可知軌道高度在700～750 km和1 000～1 200 km，相對(duì)分布密度較低，可作為通信衛(wèi)星的優(yōu)選頻段。

從系統(tǒng)建設(shè)成本的方面考慮，700 km的設(shè)計(jì)星座所需衛(wèi)星和軌道面較多，所需的運(yùn)載數(shù)目也較多。因此，選用軌道高度為1 054 km，傾角為43.14°的圓軌道星座。

3 ?星間鏈路

對(duì)于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)（準(zhǔn)實(shí)時(shí)）短消息通信需求，要求系統(tǒng)必須具備快速的信息傳遞通道，能夠?qū)⒂脩粜畔?shí)時(shí)、準(zhǔn)確、安全地送達(dá)至目標(biāo)地址，這就需要通過(guò)建設(shè)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)體系將全部用戶互聯(lián)互通。

網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)地基和天基兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前，地面已利用光纖通信技術(shù)（即有線光通信技術(shù)）建立了地面高速光通信網(wǎng)絡(luò)，奠定了全球互聯(lián)網(wǎng)的物理基礎(chǔ)。但是，地面光纖網(wǎng)絡(luò)還無(wú)法覆蓋到地球上具有廣闊面積的海洋、沙漠及偏遠(yuǎn)山區(qū)等，使得世界信息網(wǎng)絡(luò)中存在信息鴻溝，難以實(shí)現(xiàn)全區(qū)域用戶的實(shí)時(shí)性通信需求。

通過(guò)衛(wèi)星的星間通信來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)傳遞是保證信息實(shí)時(shí)傳遞的有效手段，通過(guò)微波和激光的方式均能實(shí)現(xiàn)。目前，使用星間微波進(jìn)行信息傳遞的方式已在導(dǎo)航衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)，但該方式存在傳遞信息帶寬受限的問題，且使用中存在與星地通信存在干擾的問題，在天基通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時(shí)存在諸多應(yīng)用瓶頸。

衛(wèi)星激光通信[12?13]具有通信容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、保密性好等優(yōu)點(diǎn)，將改變現(xiàn)有的衛(wèi)星通信體制，給空間信息傳輸領(lǐng)域帶來(lái)革命性變化，在空間高速信息傳輸方面具有不可替代的作用，是建立空間信息網(wǎng)絡(luò)的主要支撐技術(shù)，能夠解決我國(guó)空間海量信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)钠款i問題。低軌衛(wèi)星用激光建立通信網(wǎng)，具有激光通信終端體積小、重量輕、性價(jià)比高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，以低軌衛(wèi)星激光通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通過(guò)星地激光鏈路或高軌衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，可與地面站、車載終端、艦載終端、機(jī)載終端等構(gòu)成天地一體化空間信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。因此，擬采用星間激光通信的方式形成天基信息互聯(lián)網(wǎng)，保證系統(tǒng)信息的實(shí)時(shí)傳輸。

為滿足星座組網(wǎng)的總體設(shè)計(jì)要求，采用收發(fā)空間分離的方式實(shí)現(xiàn)雙工通信。同時(shí)，為盡量節(jié)約空間與重量資源，設(shè)計(jì)采用無(wú)信標(biāo)跟蹤的方案。通信和跟蹤共用同一個(gè)通信光源，并共用同一個(gè)通信探測(cè)器，從而極大地降低資源消耗。

4 ?效能分析

4.1 ?覆蓋百分比

首先，分析寬帶衛(wèi)星對(duì)緯度0～90°之間的覆蓋百分比，如圖3所示。

對(duì)于重點(diǎn)區(qū)域的南北緯18°～54°之間，可實(shí)現(xiàn)100%的連續(xù)覆蓋，對(duì)于低緯度地區(qū)（南北緯0～18°）可實(shí)現(xiàn)不低于90%的覆蓋率。

4.2 ?覆蓋重?cái)?shù)

在南北緯0～54°的區(qū)間內(nèi)，不同緯度的覆蓋重?cái)?shù)分布在1～2.17之間，覆蓋性能較好，如圖4所示。

4.3 ?通信仰角

分析不同緯度平均通信仰角（選取距離最近的衛(wèi)星接入），如圖5所示，在南北緯0～46°的平均通信仰角分布在34.0°～47.6°，可獲得較好的通信性能;在46°～54°區(qū)間，平均通信仰角高于20°。

4.4 ?重訪時(shí)間

如圖6所示，星座的重訪性能在南北緯54°分為兩個(gè)區(qū)域：

1） 重點(diǎn)區(qū)域：處于南北緯18°～54°，連續(xù)實(shí)時(shí)覆蓋;

2） 低緯度地區(qū)：處于南北緯0～18°，平均重訪時(shí)間最大可達(dá)2 min，最大重訪時(shí)間達(dá)到5 min;每天重訪次數(shù)小于68次。

4.5 ?星間鏈路聯(lián)通性

短數(shù)據(jù)通信星座間鏈路聯(lián)通性見圖7。分析結(jié)果可知，任意時(shí)刻星座內(nèi)任意單星與周邊至少10顆以上衛(wèi)星存在可通信的鏈路，能夠保證信息的實(shí)時(shí)傳輸通暢。

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

通過(guò)對(duì)衛(wèi)星的合理配置和軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用不到50顆的低軌衛(wèi)星就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)我國(guó)領(lǐng)土的100%覆蓋，滿足各行業(yè)應(yīng)急通信的需求。同時(shí)可兼顧低緯度地區(qū)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)短數(shù)據(jù)通信應(yīng)用，方案具備較好的經(jīng)濟(jì)性和可實(shí)施性，可為未來(lái)全球一體的通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供設(shè)計(jì)思路。

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