(空軍工程大學 電訊工程學院，西安 710077)

1 引 言

衛(wèi)星星座是指由多顆衛(wèi)星按照一定規(guī)則和形狀構(gòu)成的可提供一定覆蓋性能的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，是多顆衛(wèi)星進行協(xié)同工作的基本形式。衛(wèi)星星座結(jié)構(gòu)會影響網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域、網(wǎng)絡(luò)時延和系統(tǒng)成本等。傳統(tǒng)的同步軌道衛(wèi)星軌道高、鏈路損耗大，對地面終端的EIRP和接收天線的G/T值要求過高，難以實現(xiàn)手持機與衛(wèi)星直接進行通信;而低軌衛(wèi)星由于鏈路損耗小，降低了對用戶終端EIRP和G/T值的要求，可支持地面小型終端與衛(wèi)星的直接通信，有利于信息的實時傳輸。

現(xiàn)代通信的發(fā)展要求衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)具有全球通信能力。低軌衛(wèi)星實現(xiàn)全球覆蓋所需的衛(wèi)星數(shù)目較多(Iridium系統(tǒng)66顆星)，系統(tǒng)實現(xiàn)成本很高，對于我國這樣的發(fā)展中國家要在短期內(nèi)構(gòu)建全球性低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，無論是在經(jīng)濟上還是在技術(shù)上都存在較大困難。因此，在預期星座的整體構(gòu)型下，通過設(shè)計和篩選，合理部署少數(shù)衛(wèi)星以滿足當前任務(wù)和需求，并在今后發(fā)展中通過不斷發(fā)射新衛(wèi)星進行補網(wǎng)，最終實現(xiàn)星座的預期覆蓋和通信能力，是我國衛(wèi)星通信發(fā)展的一條可行之路。

文獻[1]介紹了基于全球覆蓋的星座構(gòu)型，但未針對我國當前實際提出切實可行的實施方案。文獻[2]提出了基于我國的移動衛(wèi)星星座設(shè)計方案，但未考慮星座的后期可擴展能力。本文綜合考慮星座的實現(xiàn)成本與我國當前實際需要，提出了適用于我國當前實際并具有一定后期擴展能力的低軌衛(wèi)星星座構(gòu)建實施方案。

2 星座參數(shù)設(shè)計

2.1 軌道設(shè)計

橢圓軌道多用于區(qū)域性覆蓋，但軌道傾斜角必須為63.4°(為了避免拱點漂移)[3]，這對中低緯度地區(qū)的覆蓋十分不利，而圓軌道的傾斜角可在0°～90°之間任意選擇?？紤]我國所處緯度范圍為北緯4°～54°之間，星座設(shè)計宜應(yīng)采用傾斜圓軌道。

軌道高度選擇主要是系統(tǒng)所需衛(wèi)星數(shù)目與地面終端EIRP和G/T值的折衷。同時，軌道高度的選擇還需考慮地球大氣層和范·阿倫帶[4]兩個因素的影響，通常認為LEO衛(wèi)星的可用軌道高度為700～2 000 km。

2.2 衛(wèi)星周期設(shè)計

為了便于衛(wèi)星軌道控制，通常選擇使用回歸軌道，即衛(wèi)星運行周期與地球自轉(zhuǎn)周期成整數(shù)比。衛(wèi)星運行周期與地球自轉(zhuǎn)周期關(guān)系如下式所示：

Ts/Te=k/n

(1)

式中，k、n為整數(shù)，Ts為衛(wèi)星運行周期，Te為地球自轉(zhuǎn)周期，且Te=86 164 s。根據(jù)開普勒定理，可得衛(wèi)星周期Ts(單位s)與軌道高度h關(guān)系如下：

(2)

式中，地球半徑Re=6 378.137 km，開普勒常數(shù)μ=398 601.58 km3/s2。取k=2，n=25，可得衛(wèi)星周期Ts=6 893 s，軌道高度h=1 450 km。

2.3 星座相位關(guān)系設(shè)計

星座相位關(guān)系的確定是指確定衛(wèi)星在星群中的位置,它包括軌道傾角、軌道平面的布置、同一平面內(nèi)衛(wèi)星的位置和相鄰軌道衛(wèi)星的相對位置關(guān)系。通常，為了使衛(wèi)星具有最大的均勻覆蓋特性，同一軌道平面內(nèi)的衛(wèi)星應(yīng)均勻分布，即相鄰衛(wèi)星的相位差應(yīng)滿足360/m，m為該軌道平面內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)量。對于不同軌道平面內(nèi)衛(wèi)星，相對相位角的不同會使星座的覆蓋特性相差甚遠。

根據(jù)立體幾何的關(guān)系,推導出兩個星下點(衛(wèi)星與地心連線和地面的交點)之間的距離d的公式如下[5]：

d=Rearccos[(2-sin2ψcos2θ1-sin2θ1)/2-

(sin2θ2+2sinθ1cosθ2)/2]

(3)

式中，θ1、θ2為兩星下點的緯度，ψ為兩星下點經(jīng)度差的絕對值。相對相角優(yōu)化算法準則是使星下點間的最小距離最大化。

3 覆蓋分析

為了研究方便，假定衛(wèi)星對地球的覆蓋是對準地心的且只有一個大波束。圓軌道時單顆衛(wèi)星對地覆蓋幾何關(guān)系如圖1所示。

圖1 圓軌道衛(wèi)星覆蓋幾何關(guān)系示意圖Fig.1 Coverage geometric relationship of satellite in round orbit

其中，系統(tǒng)觀察點的仰角：

(4)

覆蓋區(qū)半徑：

X=Re·sinα

(5)

當衛(wèi)星高度較低時，如果仍保持較大的仰角，則單顆衛(wèi)星的覆蓋范圍將大大減小。雖然小仰角時電波的傳輸衰落大從而需要較大的系統(tǒng)余量，但是由于衛(wèi)星高度低，鏈路相應(yīng)較短，傳播損耗本身比較小，系統(tǒng)提供較大余量并不存在特別的困難，因此可以適當減小系統(tǒng)的最小仰角以增大衛(wèi)星的覆蓋范圍。通常規(guī)定系統(tǒng)的最小仰角為10°左右。

4 星座設(shè)計方案

4.1 連續(xù)覆蓋低軌衛(wèi)星星座設(shè)計方案

綜合考慮星座設(shè)計的上述因素后，假定低軌衛(wèi)星星座共由3個軌道平面構(gòu)成，軌道高度1 450 km，利用相位優(yōu)化準則及STK仿真研究可得，相鄰軌道之間衛(wèi)星的最佳相位差為14.5°，假定星座覆蓋目標為包括我國全部海域及其周邊區(qū)域在內(nèi)的中低緯度地區(qū)。表1列出了不同軌道傾角時星座設(shè)計方案與其覆蓋特性統(tǒng)計。

表1 不同低軌星座方案及覆蓋統(tǒng)計Table1 Coverage statistics of different LEO satellite constellation designs

由表可知，方案B的覆蓋性能最優(yōu)，能夠滿足對中低緯度地區(qū)的完全連續(xù)覆蓋。通過仿真還可以發(fā)現(xiàn)，方案B有較大的系統(tǒng)余量，即當設(shè)定系統(tǒng)最小仰角大于5°時，該星座對于指定緯度地區(qū)仍有良好的覆蓋性能，能夠滿足實時通信的要求。

4.2 區(qū)域覆蓋型星座設(shè)計

4.2.1背景假定

遠程指揮控制與通信保障能力是影響和制約軍隊作戰(zhàn)半徑和作戰(zhàn)能力的重要因素。傳統(tǒng)的地面通信手段受地理環(huán)境限制較大，難以實現(xiàn)對通信距離的有效擴展，相反，衛(wèi)星通信由于不受地理條件的制約，可以作為擴展通信保障半徑的重要手段[6]。

在當前我國周邊的復雜形勢下，現(xiàn)有的地面通信手段無法滿足在敏感區(qū)域行動的需求，而靜止軌道衛(wèi)星又難以實現(xiàn)信息的實時傳遞，因此，在衛(wèi)星通信的階段性發(fā)展中應(yīng)首先解決敏感區(qū)域內(nèi)的通信問題，為有效擴展作戰(zhàn)半徑和作戰(zhàn)指揮提供通信保障。

4.2.2非連續(xù)單星均勻覆蓋方案設(shè)計

結(jié)合方案B，假定第一階段發(fā)射4顆衛(wèi)星，軌道高度為1 450 km，軌道傾角38°，衛(wèi)星平均分布在2個軌道平面上，軌道平面升交點赤經(jīng)相差120°。要求星座能夠以一定時間間隔實現(xiàn)對目標區(qū)域的定時覆蓋。通過仿真研究，各衛(wèi)星軌道參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 衛(wèi)星軌道參數(shù)設(shè)置Table 2 Orbit parameters configuration of satellites

假定目標區(qū)域是以我國某地為中心、半徑為2 000 km的圓形區(qū)域，利用STK對一個周期(48 h)內(nèi)星座對目標區(qū)域的覆蓋特性進行仿真統(tǒng)計，結(jié)果如圖2所示。

圖2 星座對目標區(qū)域的覆蓋情況Fig.2 Coverage situation of constellation for area target

由圖可見，星座可以在平均每45 min內(nèi)完成對目標區(qū)域的一次覆蓋，每次覆蓋時間約為10～20 min，星座在5:30～11:30時間段內(nèi)覆蓋尤為集中。事實上，可以通過改變衛(wèi)星的近地點輻角來調(diào)整衛(wèi)星集中覆蓋所對應(yīng)的時間區(qū)間，從而滿足實際需要。同時在后期的發(fā)展中，只需調(diào)整衛(wèi)星的相位關(guān)系即可滿足方案B的要求，具有良好的可擴展性。

4.2.3連續(xù)覆蓋星座設(shè)計方案

在4.2.2節(jié)所設(shè)計的方案中，由于單顆衛(wèi)星過頂?shù)臅r間較短(一般10～20 min)，很難滿足大業(yè)務(wù)量信息的傳輸要求，因此，設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)對目標區(qū)域較長時間覆蓋的衛(wèi)星星座具有較大現(xiàn)實意義。由于4顆衛(wèi)星不可能完成對目標區(qū)域的實時連續(xù)覆蓋，為了盡可能增加星座每次覆蓋時間，設(shè)定4顆衛(wèi)星分布在同一軌道平面上，通過調(diào)整衛(wèi)星的近地點輻角差值使衛(wèi)星能夠?qū)崿F(xiàn)前后協(xié)同，從而延長每次覆蓋時間。各衛(wèi)星參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 衛(wèi)星參數(shù)設(shè)置Table 3 Constellation parameters configuration

目標區(qū)域不變，通過仿真，可得星座的覆蓋性能如圖3所示。

圖3 星座對目標區(qū)域的覆蓋情況Fig.3 Coverage situation of constellation for area target

由圖3可知，星座可以在一天內(nèi)完成對目標區(qū)域的7次覆蓋，每次覆蓋時間約80 min，可以實現(xiàn)較大業(yè)務(wù)量的信息傳輸，星座同樣存在覆蓋集中時間區(qū)間，通過調(diào)整衛(wèi)星的有關(guān)參數(shù)可以改變集中覆蓋所對應(yīng)的時間區(qū)間。與4.2.2節(jié)中方案相比，該星座對目標區(qū)域的覆蓋次數(shù)大大減少，并且存在一定的覆蓋空白區(qū)。但是由于每次過頂時間較長，可以滿足大業(yè)務(wù)量信息的不間斷實時傳輸。

經(jīng)過對上述兩種方案的對比可以發(fā)現(xiàn)，連續(xù)覆蓋星座設(shè)計方案在實際通信中可以滿足信息的實時與大量傳輸，對于軍隊作戰(zhàn)半徑的擴展和保障需求較為有利，具有較大的實用價值和應(yīng)用價值。

5 結(jié)束語

星座設(shè)計不僅要考慮星座的整體覆蓋性能，還需考慮系統(tǒng)實現(xiàn)的成本和可行性，有步驟地實現(xiàn)最終預期目的[7]。本文結(jié)合我國當前發(fā)展實際，綜合考慮，提出在星座整體構(gòu)型下分步組建我國低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，研究了前期4顆衛(wèi)星的部署策略。通過仿真可以發(fā)現(xiàn)，連續(xù)覆蓋型星座對于大業(yè)務(wù)量信息的實時傳輸較為有利，可以滿足我國當前實際需要。下一步的研究工作是，由于4顆衛(wèi)星無法實現(xiàn)完全連續(xù)覆蓋，實際應(yīng)用中需對地面用戶與衛(wèi)星的接入方式和切換時機與策略進行深入細致的研究，在有限的空間資源下提高系統(tǒng)利用率。

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