基于天地一體化網(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星遙感系統(tǒng)效能仿真

王俊蕊，彭會湘

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

衛(wèi)星遙感系統(tǒng)通常由遙感衛(wèi)星和地面的測運控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，測運控系統(tǒng)利用地面站對衛(wèi)星測控[1]，控制衛(wèi)星執(zhí)行遙感任務(wù)，之后再利用地面站將衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)接收下來，發(fā)送至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行處理[2]。衛(wèi)星測控和數(shù)據(jù)接收只有在衛(wèi)星過頂?shù)孛嬲緯r才能進行，低軌遙感衛(wèi)星每天繞地球運行約15圈，最多只有4次機會過頂一個地面站，每次過頂時間不超過10 min。隨著衛(wèi)星制造技術(shù)的成熟，在軌衛(wèi)星數(shù)量急劇增加，且大部分可見光遙感衛(wèi)星運行于太陽同步軌道，過站時間段集中，導(dǎo)致測控和數(shù)據(jù)接收資源沖突嚴重[3]。受多種因素制約，我國地面站的建設(shè)遠滯后于衛(wèi)星發(fā)展，越來越難以滿足大量衛(wèi)星測控和數(shù)據(jù)接收的需求，致使衛(wèi)星能力不能充分發(fā)揮，遙感需求不能充分滿足。

隨著航天技術(shù)、通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展成熟，建立覆蓋全球的天地一體化寬帶網(wǎng)絡(luò)已成為通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展趨勢[4]，成為國際互聯(lián)網(wǎng)巨頭爭奪的焦點[5]，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)公司OneWeb計劃發(fā)射680顆小型衛(wèi)星，SpaceX則計劃采用數(shù)量更加龐大的低軌衛(wèi)星構(gòu)建空間互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，我國也提出了相應(yīng)的發(fā)展計劃。未來的天地一體化寬帶網(wǎng)絡(luò)將利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)和衛(wèi)星通信網(wǎng)的互聯(lián)互通[6]，將3種網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)承載方式打通，形成可承載實現(xiàn)各類信息覆蓋的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通用平臺[7]。

天地一體化寬帶網(wǎng)絡(luò)使得處于全球任意位置的遙感衛(wèi)星能與測運控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及時通信，將徹底改變只有在衛(wèi)星過頂?shù)孛嬲緯r才能測控和接收數(shù)據(jù)的限制，衛(wèi)星能力將得到充分發(fā)揮，用戶需求將得到充分響應(yīng)。本文重點介紹了天地一體化網(wǎng)絡(luò)的策劃設(shè)計和效能分析，然后對比分析衛(wèi)星遙感系統(tǒng)分別在天地一體化網(wǎng)絡(luò)和地面站網(wǎng)支持情況下的效能。

1 天地一體化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與仿真分析

1.1 天基網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

天地一體化網(wǎng)絡(luò)由天基骨干網(wǎng)、天基接入網(wǎng)、地基節(jié)點網(wǎng)、地面互聯(lián)網(wǎng)和移動通信網(wǎng)等多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)融合而成，對實現(xiàn)國家安全戰(zhàn)略目標具有重要意義[8]。其中天基網(wǎng)絡(luò)是天地一體化網(wǎng)絡(luò)的核心，是促進信息共享和資源綜合利用、充分發(fā)揮航天信息化建設(shè)應(yīng)用效益的重要手段[9]。

天基骨干網(wǎng)由具有固定連接關(guān)系的通信衛(wèi)星星座構(gòu)成，固定關(guān)系是指2顆節(jié)點通信衛(wèi)星相對位置基本固定，永遠不會被地球遮擋，始終能夠具備通信條件[10]。擬采用均勻分布的星座構(gòu)建天基網(wǎng)絡(luò)，該星座由處于同一高度的多個軌道面構(gòu)成，同一軌道面上前后2顆衛(wèi)星始終可見，相鄰軌道面前后位置2顆衛(wèi)星始終可見，如圖1所示，星座中相鄰衛(wèi)星采用高速激光鏈路連接，這樣整個星座就形成了一張具有固定連接關(guān)系的覆蓋全球的天基骨干網(wǎng)絡(luò)。

圖1 天基網(wǎng)絡(luò)想定Fig.1 Vision of the space network

通信星座中每顆衛(wèi)星上部署微波鏈路，用于遙感衛(wèi)星和地面站點的接入，構(gòu)成天基接入網(wǎng)，通過合理設(shè)計的星座構(gòu)型和規(guī)模，就可以實現(xiàn)對全球地表和一定高度空域的無縫覆蓋，這樣處于該高度之下任意位置的遙感衛(wèi)星和地面站都可以隨時接入天基網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)遙感衛(wèi)星之間、遙感衛(wèi)星與地面站之間的實時通信，從而實現(xiàn)對處于全球任意位置的遙感衛(wèi)星進行實時測控與數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 天基網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

綜合考慮地球曲率對衛(wèi)星可見性的影響、星座對全球覆蓋要求、被服務(wù)的遙感衛(wèi)星軌道特點和天基網(wǎng)絡(luò)節(jié)點成本等因素，提出了天基網(wǎng)絡(luò)通信星座的參數(shù)，如表1所示。通信載荷為全向天線，地球不遮擋即可通信。

表1 通信星座參數(shù)

基于STK對該星座進行可視化仿真，如圖2所示。

圖2 天基網(wǎng)絡(luò)仿真Fig.2 Simulation of the space network

該星座構(gòu)型穩(wěn)定，同一軌道面上每個通信節(jié)點都能與其前后2個節(jié)點始終可見，相鄰軌道面相位角最近的2個通信節(jié)點也始終可見，基于此星座結(jié)構(gòu)構(gòu)建天基網(wǎng)絡(luò)，每個通信節(jié)點部署5個通信載荷，其中4個分別與其前后左右的4個節(jié)點始終連接，構(gòu)成穩(wěn)定天基網(wǎng)絡(luò)，第5個通信載荷指向下方，用于連接地面或低軌遙感衛(wèi)星。地面站之間用固定有線網(wǎng)絡(luò)連接，本身就是一個穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，不同站點之間始終處于連接狀態(tài)，任意站點連接天基網(wǎng)絡(luò)就相當于所有地面站連接了天基網(wǎng)絡(luò)，這就代表整個地面站網(wǎng)與整個天基網(wǎng)絡(luò)連接在一起。這樣，只要遙感衛(wèi)星接入任意一個通信節(jié)點，就相當于接入了整個天基網(wǎng)絡(luò)，能夠與同時接入天基網(wǎng)絡(luò)的其他遙感衛(wèi)星或地面站進行通信。

1.3 地面站接入能力分析

根據(jù)我國遙感衛(wèi)星地面站的大致分布，模擬8個地面站，具體參數(shù)如表2所示。

利用STK軟件逐一計算天基網(wǎng)絡(luò)每個通信衛(wèi)星與每個地面站的可見時段，每個可見時段內(nèi)，地面站網(wǎng)均可與天基網(wǎng)絡(luò)進行連接通信[11]，統(tǒng)計地面站與天基網(wǎng)絡(luò)的可連接情況，如表3所示，以STA1，STA2和STA4為例，每個站在24 h內(nèi)可有效連接天基網(wǎng)絡(luò)(連接時長大于5 min)的次數(shù)為300次以上，連接的最大時長為16 min，平均時長超過13 min，每個站均存在多次的連接縫隙，每次縫隙的最大時長不超過5 min，而多站聯(lián)合則不存在連接縫隙，也就是說，如果用一個站連接天基網(wǎng)絡(luò)，24 h內(nèi)最長需要等待5 min，但是用多個站連接天基網(wǎng)絡(luò)，則隨時可連接。因此可以認為，天地一體化網(wǎng)絡(luò)時刻都可以通信，每次通信時間長度最大不超過16 min。

表3 地面站接入天基網(wǎng)絡(luò)能力分析

1.4 遙感衛(wèi)星接入能力分析

根據(jù)當前遙感衛(wèi)星的軌道特點，模擬3組遙感衛(wèi)星星座，參數(shù)如表4所示。

表4 模擬遙感星座參數(shù)

成像衛(wèi)星星座名稱為IMG1，衛(wèi)星數(shù)量12顆，軌道高度500 km，軌道傾角98°，遙感載荷為CCD線陣，視場半角45°[12]，衛(wèi)星代號分別為：IMG100，IMG101，IMG102，IMG103，IMG110，IMG111，IMG112，IMG113，IMG120，IMG121，IMG122和IMG123。

電磁信號探測衛(wèi)星星座名稱為ELEC2，衛(wèi)星數(shù)量9顆，軌道高度900 km，軌道傾角45°，載荷圓錐半角60°[13]，衛(wèi)星代號分別為：ELEC200，ELEC210，ELEC220，ELEC230，ELEC240，ELEC250，ELEC260，ELEC270和ELEC280。

分別統(tǒng)計極地軌道和傾斜軌道的2顆衛(wèi)星與天基網(wǎng)絡(luò)的連接情況，如表5所示。由表5可以看出，2種軌道的衛(wèi)星在24 h內(nèi)可有效連接天基網(wǎng)絡(luò)(連接時長大于5 min)的次數(shù)均在1 000次左右，連接最大時長超過200 min，并且均不存在連接縫隙。

表5 遙感衛(wèi)星接入天基網(wǎng)絡(luò)能力分析

綜上所述，任意遙感衛(wèi)星都可以隨時接入天地一體化網(wǎng)絡(luò)，與其他遙感衛(wèi)星或地面站網(wǎng)進行通信，地面系統(tǒng)可以通過天地一體化網(wǎng)絡(luò)隨時向處于任意空間位置的遙感衛(wèi)星發(fā)送控制指令、接收遙感數(shù)據(jù)，而不再是通過專用測控站在特定時刻向衛(wèi)星注入指令，通過專用接收站在特定時刻接收衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，測控窗口和接收窗口的概念將不復(fù)存在，實現(xiàn)全球?qū)崟r測控、全球?qū)崟r數(shù)傳。

2 基于天地一體化網(wǎng)絡(luò)的遙感衛(wèi)星典型業(yè)務(wù)分析

2.1 遠海點目標應(yīng)急觀測仿真試驗

應(yīng)急任務(wù)通常指，提出觀測要求后衛(wèi)星當圈能夠完成觀測和數(shù)據(jù)下傳[14]。應(yīng)急任務(wù)處理流程為：根據(jù)任務(wù)觀測位置要求，開展衛(wèi)星目標訪問計算，篩選出當前圈次能夠過頂目標的衛(wèi)星，根據(jù)衛(wèi)星對目標訪問的時間，查詢該衛(wèi)星相應(yīng)的測控資源和數(shù)傳資源[15]，然后進行應(yīng)急任務(wù)規(guī)劃，生成衛(wèi)星控制指令和地面站接收計劃，在衛(wèi)星過頂目標之前將指令上注衛(wèi)星，將數(shù)據(jù)接收計劃發(fā)送至地面站[16]。考慮到地面分析計算時間，一般應(yīng)急測控時間在衛(wèi)星過頂目標之前0.5 h之內(nèi)，觀測數(shù)據(jù)也要在衛(wèi)星觀測之后0.5 h之內(nèi)下傳。

以對遠離海岸的某地點應(yīng)急觀測為例進行分析。在20210501T08:00:00/20210502T08:00:00，共有10顆次衛(wèi)星過頂目標，如表6所示。

表6 遙感衛(wèi)星觀測時間列表

假如都是在衛(wèi)星過頂目標之前1 h內(nèi)提出對該地點進行應(yīng)急觀測，則需要在每次觀測之前0.5 h之內(nèi)將指令上注衛(wèi)星，在觀測之后0.5 h之內(nèi)將觀測數(shù)據(jù)下傳，只考慮傳統(tǒng)地面測控數(shù)傳情況，查詢相應(yīng)的測控資源和數(shù)傳資源，結(jié)果如表7所示。這10次應(yīng)急觀測任務(wù)中，要么沒有測控資源，要么沒有數(shù)傳資源，均不能按要求完成。其原因是地球自轉(zhuǎn)方向為自西向東，衛(wèi)星都是從東向西逐圈遞進，而我國的地面站都分布在目標西側(cè)，因此地面站的資源嚴重不足。

表7 地面測控/數(shù)傳資源情況

如果使用天地一體化化網(wǎng)絡(luò)，則相應(yīng)的測控資源和數(shù)傳資源如表8所示。這10次應(yīng)急觀測的測控資源和數(shù)傳資源非常豐富，有很大的選擇余地，可以有效地完成應(yīng)急測控和數(shù)據(jù)的下傳。

表8 天基測控/數(shù)傳資源情況

2.2 遠海區(qū)域快速覆蓋仿真試驗

區(qū)域快速覆蓋的要求是盡快完成對區(qū)域的覆蓋觀測，并最快將觀測數(shù)據(jù)下傳，其處理流程為：首先，將區(qū)域沿衛(wèi)星飛行方向劃分為若干條帶，條帶的寬度不超過衛(wèi)星的觀測幅寬；然后，計算所有衛(wèi)星對所有條帶的訪問時間，形成“衛(wèi)星—條帶—訪問時間”集合；按訪問時間排序，之后按時間順序依次從集合中挑選出每個條帶的最早訪問時間，形成若干條帶觀測任務(wù)；再為每個條帶觀測任務(wù)選擇測控資源和數(shù)傳資源[17]。

因為所有條帶觀測任務(wù)是統(tǒng)一確定的，所以每個條帶任務(wù)的測控時間段為任務(wù)規(guī)劃完成之后到觀測開始執(zhí)行之前，觀測時間靠后的任務(wù)對應(yīng)的測控資源相對較多，為了盡快獲取觀測數(shù)據(jù)，每個條帶觀測開始之后要在0.5 h之內(nèi)將觀測數(shù)據(jù)下傳。

2021年5月1日上午9:00對100 km×100 km大小的某區(qū)域進行應(yīng)急覆蓋觀測，根據(jù)衛(wèi)星運行方向和衛(wèi)星觀測幅寬，將其從東到西拆分為10個條帶，編號QYMB1～QYMB10，然后通過目標訪問計算，得到每個條帶的觀測衛(wèi)星及訪問時間，如表9所示。

按照訪問時間順序，挑選出每個條帶的最早訪問時間，形成每個條帶的觀測任務(wù)，如表10所示。

表9 遙感衛(wèi)星對區(qū)域條帶觀測時間列表

表10 區(qū)域目標覆蓋觀測任務(wù)

在第一個觀測任務(wù)開始前0.5 h到每個觀測任務(wù)開始時刻之間查詢每個觀測任務(wù)的測控資源，在每個觀測任務(wù)開始之后0.5 h之內(nèi)查詢該任務(wù)的數(shù)傳資源，只考慮傳統(tǒng)地面測控數(shù)傳情況，查詢相應(yīng)的測控資源和數(shù)傳資源，結(jié)果如表11所示。

表11 地面站對區(qū)域覆蓋任務(wù)支持情況

YQMB10和YQMB9因沒有測控資源，所以不能及時觀測，只能選擇后續(xù)最早觀測時間，如表12所示，在2021-05-01T10:03:33兩個條帶均有一次觀測機會，但仍然查詢不到測控資源，在2021-05-01T13:52:39兩個條帶均有一次觀測機會，均有測控資源，但因觀測資源相同，只能觀測一個，另一個則被安排在2021-05-01T17:41:47觀測，時間分別滯后4 h和8 h。

表12 地面資源不足對觀測任務(wù)的影響分析

如果使用天地一體化化網(wǎng)絡(luò)，則相應(yīng)的測控資源和數(shù)傳資源如表13所示，10個條帶觀測任務(wù)的測控資源和數(shù)傳資源非常豐富，有很大的選擇余地，可以有效完成應(yīng)急任務(wù)指令的上注和數(shù)據(jù)的下傳。

表13 天基資源對區(qū)域觀測任務(wù)支持情況

2.3 海上移動目標搜索跟蹤仿真試驗

2.3.1 任務(wù)處理流程

海洋移動目標搜索與跟蹤的主要任務(wù)是：事先得知海洋目標的大致活動范圍，然后利用電磁信號探測衛(wèi)星對目標活動范圍進行搜索，當發(fā)現(xiàn)目標后，利用通信鏈路向其他衛(wèi)星發(fā)送目標位置及相關(guān)信息，其他衛(wèi)星收到目標信息后，自主進行任務(wù)規(guī)劃并執(zhí)行[18]；其他衛(wèi)星觀測到目標后，繼續(xù)通過通信鏈路廣播目標的最新信息，驅(qū)動更多衛(wèi)星自主規(guī)劃觀測目標，如此反復(fù)迭代，完成對海洋動目標的持續(xù)跟蹤，如圖3所示，具體處理流程如下：

① 地面預(yù)先計算通信鏈路信息(日常業(yè)務(wù)，與某次具體任務(wù)無關(guān))：通信衛(wèi)星星間鏈路、通信衛(wèi)星星地鏈路、遙感衛(wèi)星星地鏈路和遙感衛(wèi)星與通信衛(wèi)星的星間鏈路。

② 得到消息，2個船隊分別在2個海域活動，要進一步獲取船隊詳細信息，并持續(xù)關(guān)注2個船隊的動態(tài)。

③ 劃定2個大區(qū)域：分別包括2個船隊的活動海域。

④ 地面計算電子探測衛(wèi)星對2個海域的訪問時間，制定電子探測衛(wèi)星目標搜索方案：電磁信號探測衛(wèi)星只要進入2個海域，電子載荷開機，對目標進行搜索，發(fā)現(xiàn)目標后通過通信鏈路將目標信息發(fā)送到其他遙感衛(wèi)星和地面。

⑤ 制定衛(wèi)星自主協(xié)同計劃：成像遙感衛(wèi)星收到目標信息后，進行自主任務(wù)規(guī)劃，確定載荷開機時機，電磁信號探測衛(wèi)星接收目標信息后，結(jié)束相應(yīng)區(qū)域的目標搜索狀態(tài)，重新進行自主任務(wù)規(guī)劃，確定載荷開機時機；其他遙感衛(wèi)星執(zhí)行自主任務(wù)規(guī)劃結(jié)果，發(fā)現(xiàn)目標后，智能解譯目標信息，并更新目標信息，繼續(xù)通過通信鏈路向地面和其他遙感衛(wèi)星發(fā)送，直到任務(wù)結(jié)束。

⑥ 地面系統(tǒng)將通信鏈路信息、電磁信號探測衛(wèi)星目標搜索工作計劃、衛(wèi)星自主協(xié)同計劃等信息通過星地、星間鏈路上注衛(wèi)星。

⑦ 星群根據(jù)目標搜索計劃、自主協(xié)同工作計劃開展工作，直至任務(wù)結(jié)束。

⑧ 電磁信號探測衛(wèi)星執(zhí)行目標搜索任務(wù)，發(fā)現(xiàn)目標后，獲取目標位置信息，智能解譯目標電磁輻射信息，根據(jù)預(yù)先加載的通信鏈路信息，將目標信息發(fā)送至地面和其他遙感衛(wèi)星。

圖3 海洋移動目標搜索與跟蹤處理流程Fig.3 Processing flow of search and tracking of marine moving target

2.3.2 數(shù)據(jù)準備

仿真時間段：2021-05-01T08:26:00/2021-05-02T08:26:00；

預(yù)知目標信息：2個海上活動目標SHIP1和SHIP2，分別在2個海域活動；

天基網(wǎng)絡(luò)通信星座參數(shù)如表1所示，地面站參數(shù)如表2所示，電磁信號探測衛(wèi)星星座ELEC2和成像遙感衛(wèi)星星座IMG1，具體參數(shù)如表4所示。

2.3.3 基于天地一體化網(wǎng)絡(luò)分發(fā)協(xié)同信息的仿真結(jié)果

基于天地一體化網(wǎng)絡(luò)的仿真結(jié)果如表14所示，24 h內(nèi)對2個目標共探測107次，每次發(fā)現(xiàn)目標后都能通過天基網(wǎng)絡(luò)實時將目標信息發(fā)送給其他衛(wèi)星。其中對SHIP1探測54次，相鄰2次間隔最大值為81 min，平均18 min，對SHIP2探測53次，相鄰2次間隔最大值為67 min，平均16.7 min。

表14 基于天地一體化網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同信息分發(fā)仿真

2.3.4 基于地面站分發(fā)協(xié)同信息的仿真結(jié)果

基于地面站分發(fā)協(xié)同信息，24 h內(nèi)對2個目標共探測104次，每次衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)目標后需要通過地面站將目標信息發(fā)送給其他衛(wèi)星，由于衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)目標時不一定處于與地面站的可視范圍之內(nèi)，所以向地面站下傳信息可能延遲，地面站網(wǎng)收到目標信息后，其他衛(wèi)星不一定及時過頂，地面站將目標信息上傳到其他衛(wèi)星會進一步延遲。

其中，對SHIP1探測52次，相鄰2次間隔最大值為92.7 min，平均26.1 min，引導(dǎo)探測40次，其中31次在收到引導(dǎo)信息后100 min以上進行探測，發(fā)現(xiàn)目標后通過地面站轉(zhuǎn)發(fā)目標信息，其中有16次因衛(wèi)星不能及時過頂?shù)孛嬲?0 min之后才將目標信息發(fā)送至地面站；地面站收到目標信息后，通過地面站網(wǎng)向其他衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)引導(dǎo)觀測任務(wù)，其中19次因衛(wèi)星不能及時過頂?shù)孛嬲?0 min之后才收到引導(dǎo)任務(wù)，仿真數(shù)據(jù)如表15所示。

表15 基于地面站對SHIP1協(xié)同觀測信息分發(fā)仿真

其中，對SHIP2探測53次，相鄰2次間隔最大值為68.6 min，平均23.6 min，引導(dǎo)觀測35次，其中17次在收到引導(dǎo)信息后1 h以上進行探測，發(fā)現(xiàn)目標后通過地面站轉(zhuǎn)發(fā)目標信息，其中有35次因衛(wèi)星不能及時過頂?shù)孛嬲?0 min之后才將目標信息發(fā)送至地面站；地面站收到目標信息后，通過地面站網(wǎng)向其他衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)引導(dǎo)觀測任務(wù)，其中19次因衛(wèi)星不能及時過頂?shù)孛嬲? h之后才收到引導(dǎo)任務(wù)，仿真數(shù)據(jù)如表16所示。

表16 基于地面站對SHIP2協(xié)同觀測信息分發(fā)仿真

3 結(jié)束語

天地一體化網(wǎng)絡(luò)目前尚處于論證階段，本文根據(jù)當前認知，構(gòu)想并設(shè)計了天基網(wǎng)絡(luò)星座構(gòu)型，然后對其能力進行了仿真計算和分析，將天基網(wǎng)絡(luò)和地面站網(wǎng)聯(lián)合起來形成天地一體化網(wǎng)絡(luò)，然后對遙感衛(wèi)星的典型業(yè)務(wù)在有無天地一體化網(wǎng)絡(luò)支持的情況下做了分析比對，可以看出衛(wèi)星遙感系統(tǒng)在天地一體化網(wǎng)絡(luò)的支持下，其效能將得到大幅的提升，希望本文的仿真結(jié)論能夠為未來新型衛(wèi)星遙感系統(tǒng)的論證提供參考。