基于高低軌通信衛(wèi)星的聯(lián)合組網(wǎng)研究

孫萌 張淼

航天恒星科技有限公司 北京 100086

近年來，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展衛(wèi)星技術(shù)的不斷進步，衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴大。同時，隨著萬物互聯(lián)時代的到來，衛(wèi)星通信與人們的日常生活越來越密切。人們通過衛(wèi)星通信可做到對地球的無縫覆蓋，衛(wèi)星通信已成為人們生活中不可或缺的一部分。

1 衛(wèi)星通信的組成及特點

衛(wèi)星通信是以空間衛(wèi)星作為中繼載體的一種通信方式，是在地面微波中繼通信和空間電子技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，衛(wèi)星通信系統(tǒng)一般由空間衛(wèi)星、網(wǎng)絡(luò)控制中心站、地面關(guān)口站和移動終端站四部分組成。其中，對衛(wèi)星控制最為重要的是網(wǎng)絡(luò)控制中心站，負責監(jiān)測、協(xié)調(diào)和控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有衛(wèi)星的操作運行，包括對衛(wèi)星姿態(tài)、燃料消耗、星上工作環(huán)境參數(shù)和設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)測。

2 我國高低軌衛(wèi)星移動通信現(xiàn)狀

經(jīng)過多年發(fā)展，中國在軌衛(wèi)星數(shù)已成為世界第二，衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)在國家信息化建設(shè)高速發(fā)展中起到支柱的作用支。但就目前來看，衛(wèi)星遙感和衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域優(yōu)勢較大，而在應(yīng)用空間最大的衛(wèi)星通信領(lǐng)域已經(jīng)嚴重滯后。截至2013年年底，中國1.53萬家境內(nèi)投資者在境外設(shè)立2.54萬家直接對外企業(yè)，分布于184個國家（地區(qū)），對外直接投資累計凈額超過6，600億美元，各類外派勞務(wù)人員超過70萬人。通過對我國國民經(jīng)濟18個主要應(yīng)用行業(yè)的調(diào)研和統(tǒng)計分析，預(yù)計我國未來衛(wèi)星移動通信覆蓋范圍需求將從國土擴展至全球，潛在用戶數(shù)量達到300萬，公眾用戶產(chǎn)品年市場容量110億元。為保障我國海外人員的生命財產(chǎn)安全、國家全球化的經(jīng)濟利益，建設(shè)我國自主可控、全球覆蓋的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)既是迫切需要，也是必然選擇[1]。

目前，中國的地面移動通信網(wǎng)只能覆蓋到15%的國土面積，尤其是落后偏遠地區(qū)，地面基礎(chǔ)通信嚴重缺失，如果采用傳統(tǒng)地面通信方式來覆蓋面積龐大的偏遠地區(qū)，經(jīng)濟壓力會很大。針對偏遠地區(qū)地面通信系統(tǒng)的“短板”，在統(tǒng)籌規(guī)劃建設(shè)自主衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)時，需要同時考慮以我國及周邊地區(qū)作為高容量熱點區(qū)域，這不僅是我國新時期國家戰(zhàn)略的客觀要求、經(jīng)濟社會建設(shè)協(xié)調(diào)發(fā)展的必然趨勢，也是有效解決我國邊遠地區(qū)通信、有效應(yīng)對各類自然災(zāi)害威脅和彰顯負責任大國形象的需要。但是因為GEO衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星在設(shè)計思想、技術(shù)手段、應(yīng)用領(lǐng)域等方面都有著明顯區(qū)別，分別代表了衛(wèi)星移動通信領(lǐng)域內(nèi)兩種不同的發(fā)展方向，各有自己的優(yōu)勢、不足，任何一方都不可能完全代替另一方。

3 高低軌衛(wèi)星組網(wǎng)面臨的難題

高低軌衛(wèi)星由于其軌道特性不同，運動狀態(tài)也不同。高軌衛(wèi)星位于地球同步軌道，與地面保持相對靜止，而低軌衛(wèi)星軌道高度較低，繞地旋轉(zhuǎn)速度大于地球自轉(zhuǎn)速度，因此，高軌衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星之間處于相對運動狀態(tài)，由此引發(fā)了高低軌衛(wèi)星相互通信時，星載天線對準難、對準開銷大的問題。一方面，對準難度高，對星載天線提出了很高的要求；另一方面，對準開銷大，對攜帶有限燃料的衛(wèi)星是一個挑戰(zhàn)，嚴重影響了衛(wèi)星的壽命[2]。此外，對于高軌衛(wèi)星，其視場內(nèi)有多顆低軌通信衛(wèi)星。組網(wǎng)時需要一顆高軌衛(wèi)星對多顆低軌衛(wèi)星同時進行通信，但因為頻率資源有限，每個低軌衛(wèi)星與高軌衛(wèi)星通信時不具備使用不同頻率進行區(qū)隔的條件，因此，如何避免多顆低軌衛(wèi)星與高軌衛(wèi)星同時進行通信時的干擾，是另一個需要解決的問題。最后，當前設(shè)計衛(wèi)星的主要思路和方法仍然是設(shè)計安裝對應(yīng)的星載硬件設(shè)備來匹配不同的衛(wèi)星功能，這種設(shè)計方法帶來了衛(wèi)星用途僵化的問題，無法根據(jù)情況的變化改變使用場景和使用方式，同時也帶來載荷設(shè)備復(fù)雜性，不僅提高了使用衛(wèi)星的技術(shù)門檻，也使衛(wèi)星系統(tǒng)的不可靠性風險大大增加。

4 星間共享信道組網(wǎng)方式

針對高低軌聯(lián)合組網(wǎng)難題，本文提出興建共享信道組網(wǎng)方式。高低軌衛(wèi)星聯(lián)合組網(wǎng)通信著重解決一星對多星的通信干擾問題，同時盡量降低高低軌衛(wèi)星天線對準復(fù)雜度。根據(jù)這個設(shè)計要求，高低軌衛(wèi)星星間通信信道應(yīng)采用共享信道的設(shè)計模式，保證多顆低軌衛(wèi)星有序共享信道資源，同時，星間通信天線應(yīng)采用方向性要求低的天線。針對共享信道協(xié)議，有基于競爭和非競爭的信道協(xié)議模式，競爭信道是讓共享用戶隨機競爭信道，依靠協(xié)議的概率模型設(shè)計，在統(tǒng)計學上保證多用戶有序接入信道；非競爭信道協(xié)議則是依靠系統(tǒng)控制器進行調(diào)度，使多用戶有序接入信道。由于非競爭信道的中心控制使高低軌衛(wèi)星聯(lián)合組網(wǎng)復(fù)雜度大大增加，因此，信道通信協(xié)議宜采用基于競爭的多用戶共享信道接入模式。針對星載天線，為了降低星間相對運動時天線對準的難度和對準過程的開銷，天線可使用主瓣方向角大、對方向性要求不高的天線，這將大大提高天線對準的幾率，提高傳輸連接成功率[3]。

為降低衛(wèi)星天線波束對準的復(fù)雜度，高低軌衛(wèi)星間通信采用波束寬度較寬的天線，高軌衛(wèi)星天線對下發(fā)射信號，低軌衛(wèi)星天線對上發(fā)射信號。高低軌衛(wèi)星間天線發(fā)射和接收信號的波束角度范圍很寬，這樣的設(shè)計可以讓高低軌衛(wèi)星在相對運動且天線沒有精確對準的情況下也能完成通信，提高了通信成功的概率。由于收發(fā)天線波束角較寬，高軌衛(wèi)星可以同時收到視場內(nèi)多顆低軌衛(wèi)星的信號，而無線電頻譜資源有限，無法通過設(shè)置不同的頻段給各衛(wèi)星鏈路加以區(qū)分通信信號。為了避免多顆低軌衛(wèi)星的信號互相干擾，方案將星間通信鏈路協(xié)議設(shè)計為分時隙的應(yīng)答確認與退避機制。

5 結(jié)語

高低軌寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展，要結(jié)合各自特點，找好市場定位，提前進行布局，開拓一個新的廣闊的前景。