應用于物聯(lián)網(wǎng)的衛(wèi)星星座設計及分析與覆蓋仿真

馬曉攀，孔念平，余少波

（深圳航天科技創(chuàng)新研究院北斗增強衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)合研發(fā)中心，廣東 深圳 440305）

0 引言

1957年10月，世界上第一個人造地球衛(wèi)星由前蘇聯(lián)發(fā)射成功，標志著人類進入航天探索的開始。1970年4月24日，“東方紅”1號在酒泉發(fā)射成功，標志著我國開啟了航天探索的歷程。至今，半個多世紀以來，衛(wèi)星在經(jīng)濟、科學、軍事、氣象、導航等各個領域得到廣泛的應用，起到了關鍵作用。近年來，SpaceX的Starlink計劃部署4.2萬顆衛(wèi)星，提供全球覆蓋的高速互聯(lián)網(wǎng)服務，這項堪稱瘋狂的計劃一經(jīng)提出便得到廣泛的關注，目前的陸續(xù)部署也將衛(wèi)星工程再次放到聚光燈之下，一方面讓人驚嘆科技的進步，同時也讓國人提高警惕，太空資源的爭奪已到不可不重視的地位。

2005年11月17日，在突尼斯舉行的信息社會世界峰會（WSIS）上，國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)》，正式提出了“物聯(lián)網(wǎng)”的概念。時至今日，物聯(lián)網(wǎng)技術已經(jīng)廣泛應用于人們的生活與工作中。物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎上的延伸和擴展的網(wǎng)絡，在城市中易于實現(xiàn)，但在偏遠山村等網(wǎng)絡欠缺地區(qū)，進行物聯(lián)網(wǎng)部署遇到了很大的困難，因此，通過衛(wèi)星建立通信的衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)工程應運而生。

1 軌道參數(shù)

1.1 軌道高度[1]

人造地球衛(wèi)星以軌道高度來分可分為三類，低軌（LEO），距地面約200-2 000 km。中軌（MEO），距地面約2 000-20 000 km。高軌（GEO），距地面20 000 km以上。中高軌衛(wèi)星，能以較少衛(wèi)星實現(xiàn)更大的覆蓋（例如地球同步軌道距地35 900 km，3顆衛(wèi)星便可實現(xiàn)全球覆蓋），但軌道高度越高信號傳輸損耗與延時就越大，而LEO衛(wèi)星由于軌道低，通信鏈路損耗小、傳輸延時小成為衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)通信的首要選擇。然而軌道越低，大氣阻尼和擾動對衛(wèi)星壽命的影響就越大，而在高度1500-2 500 km處存在一條強烈的電磁輻射帶。綜合考慮大氣阻尼和范艾倫輻射帶的影響，軌道高度在800 km左右，是衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)應用中較好的選擇。

1.2 軌道傾角

軌道傾角是衛(wèi)星軌道要素之一，傾角的不同，衛(wèi)星覆蓋也不同，傾角為90°時，衛(wèi)星軌道平面與地球赤道平面垂直，飛越南北兩極上空，稱為極地軌道，實際應用中一般使用傾角90°左右的近極軌道。在這種軌道上運行的衛(wèi)星可以飛經(jīng)地球上任何地區(qū)上空，多顆星座組合可實現(xiàn)全球覆蓋。美國的銥星（Iridium）星座就是采用傾角86.4°的近極圓軌道實現(xiàn)全球全時段通信。

由于受地球攝動的影響，衛(wèi)星軌道平面會產生變化。衛(wèi)星載荷的工作需要電源的支持，當衛(wèi)星在軌道上時，太陽能電池板的光照尤為重要，此時選擇太陽同步軌道（SSO），衛(wèi)星和太陽保持一定的同步關系，太陽能電池板始終面向太陽便能提供充足的光照，保證載荷的工作。地球圍繞太陽公轉一年，為使軌道平面保持固定的角度，衛(wèi)星必須旋轉或進動360°，即軌道平面每天旋轉0.9856°，由公式（1）[2]可計算出軌道傾角為98.608°。

1.3 星座設計

當選擇傾角為98.608°，軌道高度為800 km時，若要實現(xiàn)全球全時段覆蓋，參考銥星（Iridium）星座，同樣設計出6個軌道面，每個軌道面12顆星的星座，該星座一共72顆星，其中12顆為備用星，每顆衛(wèi)星覆蓋半徑約為2 500 km。若要實現(xiàn)全球物聯(lián)網(wǎng)通信業(yè)務，需在其他國家落地的大量工作，目前尚未完成，綜合考慮衛(wèi)星及發(fā)射成本，前期以最少的衛(wèi)星數(shù)實現(xiàn)對中國最大的覆蓋率，首先滿足國內的物聯(lián)網(wǎng)需求作為目標來進行星座設計，后期補 星可實現(xiàn)全球全時段通信。

1.4 升交點赤經(jīng)[3]

在軌道6要素中，升交點赤經(jīng)也是決定軌道位置的重要因素。在近極軌道星座中，衛(wèi)星軌道之間間隔不是均勻分布的。因為第一個軌道和最后一個軌道的衛(wèi)星是逆向飛行的，要實現(xiàn)低緯度地區(qū)全覆蓋，這兩個軌道的間隔要小于其他軌道的間隔。如圖1所示，在衛(wèi)星覆蓋設計中，設軌道個數(shù)為P，每個軌道面衛(wèi)星數(shù)為S，同向軌道夾角為θ同向，逆向軌道夾角為θ逆向。θ同向與θ逆向滿足公式（2）、（3）；覆蓋帶半寬滿足公式（4）。

圖1

在低緯度地區(qū)滿足全時段覆蓋的條件需滿足公式（5）：

結合公式（3）、（4）、（5），得出公式（6）：

結合式（6）與上文給出的軌道高度和傾角，設計出6個軌道平面的升交點赤經(jīng)為：31.6°、63.2°、94.8°、126.4°、158°、189.6°。

2 基于STK的覆蓋仿真及分析

由上文分析，當軌道高度、軌道傾角、升交點赤經(jīng)、軌道數(shù)、衛(wèi)星總數(shù)確定之后，同軌道衛(wèi)星、相鄰軌道衛(wèi)星之間相位角的大小，以及衛(wèi)星如何編隊排列則是影響衛(wèi)星覆蓋率的最大因素。在以最少的衛(wèi)星數(shù)實現(xiàn)對中國最大的覆蓋率的前提下，基于STK軟件以中國為Area target建立仿真模型，見圖2。衛(wèi)星有多種排列方式，如圖3所示每個軌道衛(wèi)星均勻分布，以及圖4所示的多種編隊方式。

圖 2

圖 3

圖 4

衛(wèi)星采用圖4中第3種編隊模式排列時，即相同軌道衛(wèi)星連續(xù)排列，相鄰軌道 衛(wèi)星相接（即與相同軌道相鄰衛(wèi)星相位角相同）排列，間隔一個軌道的兩軌道衛(wèi)星呈現(xiàn)近對稱分布（相差較小的相位角）。通過大量仿真數(shù)據(jù)與計算得出，在這種衛(wèi)星排列方式（暫命名為間隔軌道對稱分布）之下，星座具有最大的覆蓋率。下面將呈現(xiàn)6個軌道每個軌道2、3、4、6顆星分別在Walker星座分布和間隔軌道對稱分布的場景下的仿真數(shù)據(jù)。

2.1 星座衛(wèi)星總數(shù)為12顆星，每個軌道2顆星

（1）Walker星座，12/6/1分布方式。一天中對中國完全覆蓋比率為16.43%，平均覆蓋率為44.14%，平均重訪間隙為27 min。

圖5 星座對中國地區(qū)全覆蓋時間

圖6 星座對中國地區(qū)全覆蓋比率

（2）間隔軌道對稱分布方式。一天中對中國完全覆蓋比率為19.82%，平均覆蓋率為42.62%，平均重訪間隙為47 min。

圖7 星座訪問間隙周期圖

圖8 星座對中國地區(qū)全覆蓋時間

圖9 星座對中國地區(qū)全覆蓋比率

圖10 星座訪問間隙周期圖

2.2 星座衛(wèi)星總數(shù)為18顆星，每個軌道3顆星

（1）Walker星座，18/6/1分布方式。一天中對中國完全覆蓋比率為18.66%，平均 覆 蓋率為53.43%，平均重訪間隙為15 min。

圖11 星座對中國地區(qū)全覆蓋時間

圖12 星座對中國地區(qū)全覆蓋比率

圖13 星座訪問間隙周期圖

（2）間隔軌道對稱分布方式。一天中對中國完全覆蓋比率為31.37%，平均覆蓋率為61.13%，平均重訪間隙為27.5 min。

圖14 星座對中國地區(qū)全覆蓋時間

圖15 星座對中國地區(qū)全覆蓋比率

圖16 星座訪問間隙周期圖

2.3 星座衛(wèi)星總數(shù)為24顆星，每個軌道4顆星

（1）Walker星座，24/6/1分布方式。一天中對中國完全覆蓋比率為25.5%，平均覆蓋率為67.76%，平均重訪間隙為8.5 min。

圖17 星座對中國地區(qū)全覆蓋時間

圖18 星座對中國地區(qū)全覆蓋比率

圖19 星座訪問間隙周期圖

（2）間隔軌道對稱分布方式。一天中對中國完全覆蓋比率為44.16%，平均覆蓋率為80.29%，平均重訪間隙為14 min。

圖20 星座對中國地區(qū)全覆蓋時間

圖21 星座對中國地區(qū)全覆蓋比率

圖22 星座訪問間隙周期圖

2.4 星座衛(wèi)星總數(shù)為36顆星，每個軌道6顆星

（1）Walker星座，36/6/1分布方式。一天中對中國完全覆蓋比率為45.3%，平均覆蓋率為92.24%，平均重訪間隙為1.5 min。

圖23 星座對中國地區(qū)全覆蓋時間

圖24 星座對中國地區(qū)全覆蓋比率

圖25 星座訪問間隙周期圖

（2）間隔軌道對稱分布方式。一天中對中國完全覆蓋比率為71.41%，平均覆蓋率為96.58%，平均重訪間隙為1.8 min。

圖26 星座對中國地區(qū)全覆蓋時間

圖27 星座對中國地區(qū)全覆蓋比率

圖28 星座訪問間隙周期圖

3 結束語

應用于物聯(lián)網(wǎng)的衛(wèi)星星座設計中，前期以最少的衛(wèi)星數(shù)實現(xiàn)對中國最大的覆蓋率，首先滿足國內的物聯(lián)網(wǎng)需求作為目標來進行星座設計。采用近極圓軌道，軌道高度800 km，同時采用太陽同步軌道（傾角為98.608°），6個軌道面（升交點赤經(jīng)：31.6°、63.2°、94.8°、126.4°、158°、198.6°）?；赟TK仿真得出，采用Walker星座，同軌道衛(wèi)星均勻分布時，星座對中國地區(qū)具有均勻的覆蓋，重訪間隙較小。每個軌道2、3、4、6顆星時，對中國完全覆蓋率分別為：16.43%、18.66%、25.5%、45.3%，重訪平均間隙分別為：27 min、15 min、8.5 min、1.5 min。采用間隔軌道對稱分布星座時，星座對中國地區(qū)具有全覆蓋最大的覆蓋率，相比之下，覆蓋重訪間隙較大，每個軌道2、3、4、6顆星時，對中國完全覆蓋率分別為：19.82%、31.37%、44.16%、71.41%。重訪平均間隙分別為：47 min、27.5 min、14 min、1.8 min。

6個軌道面，每個軌道2顆星，衛(wèi)星總數(shù)為12顆時即可實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)服務的運營，每天有10次以上的重訪，每次重訪全覆蓋時間在20 min左右。實際應用中，若優(yōu)先考慮星座重訪均勻性和重訪間隙，則可選擇Walker星座分布。若優(yōu)先考慮最大覆蓋率，則選擇間隔軌道對稱分布的星座。