林來(lái)興

(北京控制工程研究所， 北京 100190)

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中軌道地帶移動(dòng)通信衛(wèi)星星座應(yīng)用研究

林來(lái)興

(北京控制工程研究所， 北京 100190)

論述中軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星星座的特點(diǎn)(相對(duì)于高、低軌道)，提出10種可供選擇的星座方案。每種方案都具有區(qū)域通信、地帶通信、加強(qiáng)地帶通信等3種功能，采用5顆工作衛(wèi)星組成的方案B和采用8顆衛(wèi)星組成的方案J，除了可為現(xiàn)在建設(shè)的“一帶一路”地區(qū)提供實(shí)時(shí)、廉價(jià)、使用方便的移動(dòng)通信服務(wù)外，還可以為將來(lái)在南美洲國(guó)家建設(shè)高鐵工程提供移動(dòng)通信，并且也可使占全世界85%以上的人口受益。

中軌道；移動(dòng)通信衛(wèi)星；星座；“一帶一路”

1 引言

在衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域，通信衛(wèi)星很普遍，其經(jīng)濟(jì)效益很高，在全世界民用、商用航天器發(fā)射數(shù)量方面，歷來(lái)通信衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量占總發(fā)射數(shù)量比例是最高的。

衛(wèi)星通信由于要保持用戶通信連續(xù)性和語(yǔ)音通信不能中斷，覆蓋地面要求“無(wú)縫”，為此通信衛(wèi)星基本上要組成星座。通信衛(wèi)星星座有高(地球靜止軌道)、中、低三種，各有其特點(diǎn)。

地球靜止軌道通信衛(wèi)星星座優(yōu)點(diǎn)是，可對(duì)地面某區(qū)域保持靜止，也就是說(shuō)可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域通信，也可實(shí)現(xiàn)全球通信。缺點(diǎn)是通信距離長(zhǎng)，要求很大發(fā)射功率；通信時(shí)間延遲大，信息來(lái)回一次傳輸8萬(wàn)千米，時(shí)間延遲近0.27 s；另外還有一個(gè)弱點(diǎn)，即地球靜止軌道上的定點(diǎn)位置目前已經(jīng)很擁擠，要求申請(qǐng)新的軌道位置非常困難。而對(duì)低地球軌道通信衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)全球“無(wú)縫”覆蓋要求衛(wèi)星數(shù)量很多，一般至少要幾十顆，甚至上百顆，而且難以建立區(qū)域通信，要建則就是全球通信。同時(shí)，上述高低兩種軌道通信衛(wèi)星都需要投入費(fèi)用高。

本文所談的中軌道限定在傾角等于零度，高度為7000～20 000 km的軌道，因?yàn)楦哂诤偷陀诖塑壍栏叨龋嬖诤軓?qiáng)的地球內(nèi)外輻射帶，對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行安全將有較大影響。

文中首先討論中軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星星座具有的特點(diǎn)和星座設(shè)計(jì)要求，并分析10種多用途中軌道移動(dòng)衛(wèi)星星座方案[1]；最后介紹英國(guó)在2013—2014年發(fā)射的“其他30億人口”(Other 3 billion，O3b)中軌道通信衛(wèi)星星座的概況和特點(diǎn)，以論證發(fā)展中軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星的必要性。

2 中軌道地帶移動(dòng)通信衛(wèi)星星座特點(diǎn)與星座設(shè)計(jì)

2.1 特點(diǎn)

中軌道地帶移動(dòng)通信衛(wèi)星星座有如下特點(diǎn)：

(1)由于中軌道高度(7000～2 0000 km)是地球靜止軌道高度的1/5～1/1.8，根據(jù)通信需要發(fā)射功率與距離平方成正比的關(guān)系，可簡(jiǎn)單估算中軌道通信衛(wèi)星發(fā)射功率比地球靜止軌道功率可以降低至1/25～1/5。為照顧地面接收設(shè)備簡(jiǎn)易性，發(fā)射功率只作適當(dāng)減少。

(2)通信延遲時(shí)間為靜止軌道衛(wèi)星的1/5～1/2，這樣語(yǔ)音通信延時(shí)短，普通人都能適應(yīng)。

(3)中軌道通信衛(wèi)信星座可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域通信、地帶通信(經(jīng)度無(wú)限制，緯度有限制)，也可以使天線偏移指向，實(shí)現(xiàn)南北緯度不對(duì)稱，確保急需用戶的需求，具有多功能多用途的通信功能。

(4)中軌道上的衛(wèi)星數(shù)量相對(duì)于地球低軌道較少，發(fā)射和配置星座都比較方便。

(5)中軌道通信衛(wèi)星星座布置在赤道平面，傾角為零度，各顆衛(wèi)星均勻分布，且衛(wèi)星軌道高度也相同。因此星座除發(fā)射和部署方便外，將來(lái)在運(yùn)行過(guò)程星座位置保持也較簡(jiǎn)單,因?yàn)橄嗤壍榔矫婧拖嗤叨?，其星間攝動(dòng)差很小，星座位置保持既簡(jiǎn)單又省燃料。

(6)中軌道地帶通信衛(wèi)星星座，衛(wèi)星可分批分期發(fā)射。也就是說(shuō)星座具有的功能可以隨著發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量的增加而提高。這個(gè)特點(diǎn)對(duì)經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)國(guó)家與地區(qū)，如果既要求擁有自已的區(qū)域通信，又要節(jié)約費(fèi)用，則具有現(xiàn)實(shí)意義。

另外，中軌道地帶通信衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題是使軌道高度和衛(wèi)星數(shù)量?jī)烧咧g達(dá)到最佳，詳見(jiàn)下文星座設(shè)計(jì)。

2.2 地帶星座設(shè)計(jì)

星座設(shè)計(jì)要考慮軌道選擇、軌道參數(shù)確定、軌道面數(shù)量與衛(wèi)星數(shù)量的確定，以及火箭多星發(fā)射和將來(lái)星座位置保持等眾多問(wèn)題，還要考慮需要經(jīng)費(fèi)投入多少等，本文討論的赤道地帶星座設(shè)計(jì)方案，只涉及衛(wèi)星軌道高度和衛(wèi)星數(shù)量。本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)是要求覆蓋南北緯度寬度盡量寬和使用衛(wèi)星數(shù)量盡量少(經(jīng)費(fèi)投入少)，也就是效益與成本比例高，具體原則可參閱文獻(xiàn)[2]。

地帶通信星座由若干顆衛(wèi)星組成。有關(guān)星座的具體參數(shù)為：衛(wèi)星個(gè)數(shù)(n)，軌道高度(H)，用戶最低仰角(E)和連續(xù)覆蓋地區(qū)范圍，則軌道高度和星座覆蓋南北緯度(Φ)可得[3]

H=[cosE/cos(γ+E)-1]R

(1)

Φ=arccos[cosγ/cos(π/n)]

(2)

式中：R為地球半徑；γ為衛(wèi)星覆蓋區(qū)的地心夾角。覆蓋南北緯度與衛(wèi)星數(shù)量和軌道的關(guān)系如圖1所示(本文假設(shè)最低仰角E=10°)。

圖1 覆蓋南北緯度與衛(wèi)星數(shù)量和軌道高度的關(guān)系Fig.1 Relationship between north and south latitude coverage and the number of satellites and height of orbit

3 中軌道地帶通信衛(wèi)星星座方案

按上述中軌道地帶通信衛(wèi)星星座所具有的特點(diǎn)，這里采用4～8顆衛(wèi)星組成通信衛(wèi)星星座。為了實(shí)現(xiàn)區(qū)域通信功能，對(duì)衛(wèi)星數(shù)量的要求是：衛(wèi)星數(shù)量要滿足南北緯覆蓋區(qū)要求，即按式(2)確定。

根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算不同星座方案，需要考慮衛(wèi)星數(shù)量、軌道高度以及將來(lái)能達(dá)到覆蓋的南北緯度，設(shè)軌道傾角為0°，用戶最小仰角為10°。表1列出的前10種星座方案，覆蓋南北緯度分別為±45°，±50°，±54°，±57°。表1中最后一個(gè)方案K是O3b中軌道通信衛(wèi)星星座，其有關(guān)詳情將在第5節(jié)介紹。

表1 中軌道通信衛(wèi)星星座方案(參數(shù))

表1的星座方案都具有下列3種功能：

(1)區(qū)域通信星座：覆蓋區(qū)域經(jīng)度和緯度都有限制，南北緯對(duì)稱。在衛(wèi)星的通信有效載荷上設(shè)置一個(gè)電源固定時(shí)間啟動(dòng)與關(guān)閉的開關(guān)，使整個(gè)星座僅需1～2顆衛(wèi)星開機(jī)，其他衛(wèi)星有效載荷關(guān)閉，衛(wèi)星維持最低功耗，關(guān)閉有效載荷的衛(wèi)星可節(jié)省較多功耗。方案B的1顆衛(wèi)星工作覆蓋區(qū)域在赤道經(jīng)度為72°，南北緯度分別為±50°，±54°，±45°，若兩顆衛(wèi)星同時(shí)工作，覆蓋區(qū)域經(jīng)度相應(yīng)增加。由于衛(wèi)星軌道周期是一顆衛(wèi)星覆蓋時(shí)間的整倍數(shù)，所以有效載荷電源開關(guān)時(shí)間相對(duì)經(jīng)度完全是固定的。若需要實(shí)現(xiàn)區(qū)域通信，又不想發(fā)射3萬(wàn)多千米軌道的衛(wèi)星，這是一個(gè)可采用的方案。

(2)地帶通信星座：當(dāng)星座的衛(wèi)星有效載荷全部工作時(shí)，則地帶覆蓋地區(qū)也是全部衛(wèi)星覆蓋區(qū)的總和，相當(dāng)于一般的全球通信衛(wèi)星星座，差別僅是緯度有限制。

(3)加強(qiáng)地帶通信星座：覆蓋區(qū)域經(jīng)度無(wú)限制，若天線固定向北或向南半球偏移一個(gè)角度，以減小波束寬度，則覆蓋區(qū)域?yàn)槟媳本暥炔粚?duì)稱。覆蓋區(qū)域變狹，天線增益有望提高，如果對(duì)某覆蓋區(qū)增大天線增益，則稱它為加強(qiáng)地帶。

4 為“一帶一路”區(qū)域提供實(shí)時(shí)移動(dòng)通信星座

“一帶一路”貫穿亞歐非大陸，一頭是活躍的東亞經(jīng)濟(jì)圈，一頭是發(fā)達(dá)的歐洲經(jīng)濟(jì)圈，中間廣大腹地國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展?jié)摿薮?。絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶重點(diǎn)暢通中國(guó)經(jīng)中亞、俄羅斯至歐洲(波羅的海)；中國(guó)經(jīng)中亞、西亞至波斯灣、地中海；中國(guó)至東南亞、南亞、印度洋。21世紀(jì)海上絲綢之路重點(diǎn)方向是從中國(guó)沿海港口經(jīng)過(guò)南海到印度洋，延伸至歐洲；從中國(guó)沿海港口經(jīng)過(guò)南海到南太平洋。有關(guān)“一帶一路”所經(jīng)過(guò)的國(guó)家，詳見(jiàn)圖2所示[4]。

圖2 “一帶一路”所經(jīng)過(guò)國(guó)家示意圖Fig.2 Schematic diagram of “One Belt and One Road” through countries diagram

上述計(jì)算結(jié)果并綜合經(jīng)濟(jì)效益，這里提岀兩個(gè)服務(wù)的星座方案，可以為“一帶一路”區(qū)域提供實(shí)時(shí)移動(dòng)通信。

4.1 星座方案B

星座方案B：衛(wèi)星軌道高度H=10 887 km，衛(wèi)星個(gè)數(shù)n=5，其它參數(shù)見(jiàn)圖3[1]。星座由5顆工作星、1顆備份星組成，均勻分布在赤道平面，每顆工作星相隔為72°。保證南北緯度±50°，經(jīng)度360°，24小時(shí)通信。

圖3 由5顆衛(wèi)星組成的星座方案BFig.3 Constellation B consisting of 5 satellites

此衛(wèi)星星座與其他類型星座相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：

(1)在相同條件(覆蓋區(qū)域和軌道高度)下衛(wèi)星個(gè)數(shù)是最少的，其他全球覆蓋星座設(shè)計(jì)很難配置更少的衛(wèi)星數(shù)目(與其它類似中軌道星座相比，衛(wèi)星數(shù)量?jī)H為常見(jiàn)星座的1/2左右)。例如奧德賽(Odyssey)星座，軌道高度10 350 km，衛(wèi)星數(shù)目12顆，衛(wèi)星質(zhì)量1950 kg；又如國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星的Inmarsat-p21星座，軌道高度10 350 km，衛(wèi)星數(shù)目10顆，衛(wèi)星質(zhì)量2300 kg。

(2)建造成本低。

(3)星座構(gòu)型為一個(gè)軌道平面，為此備份星也僅需要一顆。(全球覆蓋星座有3～6個(gè)軌道面，一個(gè)軌道面需要備份星一顆，不同軌道面的備份星不能共用，因?yàn)閮A角改變，燃料消耗很大。)

(4)若衛(wèi)星天線向北固定偏移一個(gè)角度,覆蓋地帶可從南緯-20°到北緯+50°。因?yàn)椤耙粠б宦贰钡貐^(qū)，最南邊是印尼雅加達(dá)(南緯6.1°)，其次是非洲肯尼亞內(nèi)羅畢。星座方案B天線可以向北偏移，提高該地區(qū)通信質(zhì)量，其重點(diǎn)解決海上絲綢之路和大部分新絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶，但是覆蓋最北邊是意大利，其次是哈薩克斯坦、俄羅斯南部等，而莫斯科地區(qū)、荷蘭、德國(guó)等北歐部分地區(qū)未能覆蓋，此可依靠方案J來(lái)解決。

4.2 星座方案J

對(duì)于在中軌道赤道平面的多顆衛(wèi)星組成通信星座來(lái)說(shuō)，軌道高度和衛(wèi)星數(shù)量應(yīng)適當(dāng)匹配，衛(wèi)星數(shù)量太少，必然造成軌道高度過(guò)高，使上述中軌道優(yōu)勢(shì)丟失；反之衛(wèi)星數(shù)量太多，軌道高度過(guò)低，覆蓋區(qū)域未能得到應(yīng)有擴(kuò)大，造成經(jīng)濟(jì)投資浪費(fèi)?？紤]這些因素，星座方案J采用8顆衛(wèi)星組成，軌道高度H=11 815 km，覆蓋南北緯度±57°。

星座方案J，除了為正在建設(shè)的“一帶一路”全部地區(qū)提供實(shí)時(shí)、廉價(jià)、使用方便的移動(dòng)通信系統(tǒng)以外，還可以為將來(lái)在南美洲建設(shè)高鐵工程提供移動(dòng)通信。星座方案B與J，兩者可以互相關(guān)連，由于開發(fā)建設(shè)“一帶一路”工程需要較長(zhǎng)時(shí)間，可先按星座方案B發(fā)射部署衛(wèi)星，若需要星座方案J，再次發(fā)射3顆衛(wèi)星后，經(jīng)過(guò)調(diào)相和提高軌道高度，星座方案B可調(diào)整為星座方案J。

5 O3b中軌道通信衛(wèi)星星座

2013—2014年英國(guó)O3b Networks公司成功發(fā)射8顆衛(wèi)星，組成了O3b通信衛(wèi)星星座，2014年12月又發(fā)射4顆，組成最終12顆衛(wèi)星星座[5-6]。

5.1 O3b衛(wèi)星概況

O3b通信衛(wèi)星由泰雷茲-阿萊尼亞空間公司(Thales Space)負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、制造與調(diào)試，從星座組成來(lái)說(shuō)，衛(wèi)星軌道傾角為0°，軌道高度(8063 km)和衛(wèi)星數(shù)量(12顆)與達(dá)到覆蓋南北緯度±50°是合適匹配的。根據(jù)式(1)和式(2)的計(jì)算結(jié)果：若再增加衛(wèi)星數(shù)量(例如18或20顆)，軌道高度不變，覆蓋區(qū)域擴(kuò)大甚微，南北緯度沒(méi)有明顯增加。O3b衛(wèi)星數(shù)量與覆蓋區(qū)域關(guān)系詳見(jiàn)圖4所示。

“O3b”意即“Other 3 billion”(“其他30億人口”的網(wǎng)絡(luò))，目標(biāo)是幫助非洲、亞洲和南美洲地區(qū)上網(wǎng)困難和上網(wǎng)昂貴的30億人通過(guò)衛(wèi)星光纖接入互聯(lián)網(wǎng)。8顆衛(wèi)星組成的O3b星座，衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示[5]。O3b網(wǎng)絡(luò)公司目前正在研制更高性能的新一代O3b網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星。

O3b設(shè)計(jì)工作壽命10年,衛(wèi)星質(zhì)量700 kg，采用Ka頻段通信，分為10波束，每個(gè)波束數(shù)傳率為1.2 Gbit/s，有12副可控天線，每副天線可指向和跟蹤±26°內(nèi)的地面站。星上功率為1500 W。衛(wèi)星電源分系統(tǒng)由兩個(gè)砷化鎵太陽(yáng)能電池陣列和一套鋰離子蓄電池組組成；衛(wèi)星姿控系統(tǒng)為零動(dòng)量三軸穩(wěn)定?？刂葡到y(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由反作用輪、磁力矩棒和單組元肼噴氣推進(jìn)器等組成；GPS接收機(jī)用于確定軌道位置；軌道控制與保持采用肼單元推進(jìn)器，推力為8×1 N；姿態(tài)確定系統(tǒng)由地球敏感器、太陽(yáng)敏感器和慣性測(cè)量單元組成。衛(wèi)星外形結(jié)構(gòu)如圖6所示，兩側(cè)各有1個(gè)可展開太陽(yáng)電池翼。

圖4 O3b星座衛(wèi)星數(shù)量與覆蓋區(qū)域關(guān)系Fig.4 Number of O3b constellation satellites and coverage area

圖5 8顆衛(wèi)星組成的O3b星座Fig.5 O3b constellation of 8 satellites

圖6 O3b衛(wèi)星外形結(jié)構(gòu)Fig.6 Satellite configuration

5.2 O3b星座的特點(diǎn)

(1)星座總的數(shù)據(jù)傳輸率為12 Gbit/s，采用Ka頻段，下行17.8～18.6 GHz，上行27.6～28.4 GHz；

(2)通信延遲比地球靜止軌道小，為100 ms；

(3)衛(wèi)星通信發(fā)射功率約為地球靜止軌道衛(wèi)星的1/20，若發(fā)射功率適當(dāng)增加，則地面接收設(shè)備可更簡(jiǎn)易，有利于移動(dòng)通信。

5.3 O3b星座計(jì)劃服務(wù)的3類用戶

1)國(guó)家電信運(yùn)營(yíng)商和大型存儲(chǔ)處理器(ISP)

φ3.5 m天線，單載波服務(wù)(全波束)，前向600 Mbit/s，返向540 Mbit/s。

2)蜂窩回程和企業(yè)虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(VPN)

φ1～2 m天線，最高155 Mbit/s，典型服務(wù)為2～10 Mbit/s對(duì)稱，前向時(shí)分調(diào)制(TDM)，返向多址(multi-access)。

3)個(gè)人用戶和小企業(yè)(未來(lái))

φ50～100 cm 天線，前向1～2 Mbit/s，返向256～512 kbit/s。

5.4 O3b移動(dòng)通信衛(wèi)星星座使用概況

O3b 移動(dòng)通信衛(wèi)星參加了2015年美國(guó)海軍第七艦隊(duì)“三叉戟勇士”(Trident Warrior 2015 Exercises)軍演[7]。采用海上φ1.2 m跟蹤天線，收發(fā)速率上行200 Mbit/s，下行400 Mbit/s，工作性能良好。軍演結(jié)果說(shuō)明O3b移動(dòng)通信衛(wèi)星性能優(yōu)越：通信延遲時(shí)間短、容量大、數(shù)據(jù)傳輸效率高。

通過(guò)O3b 移動(dòng)通信衛(wèi)星星座成功運(yùn)行表明，O3b Networks公司已成為全球衛(wèi)星服務(wù)供應(yīng)商，可為電信運(yùn)營(yíng)商提供新一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)及互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。O3b公司可為分布在近180個(gè)國(guó)家和地區(qū)的數(shù)十億的消費(fèi)者和企業(yè)人員，提供從衛(wèi)星到光纖網(wǎng)絡(luò)的通信服務(wù)，其產(chǎn)品具有廉價(jià)、高速、低延遲的性能。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文經(jīng)過(guò)論證和技術(shù)研究，以及O3b實(shí)際衛(wèi)星發(fā)射和運(yùn)行，說(shuō)明選擇中軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星星座是可行的。當(dāng)軌道傾角選擇0°，星座設(shè)計(jì)、衛(wèi)星發(fā)射部署與運(yùn)行都比較簡(jiǎn)單、易行，同時(shí)這種星座具有多種功能，可實(shí)現(xiàn)區(qū)域通信、地帶通信，若天線向北固定偏移一個(gè)角度，則可以實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)地帶通信。

本文提供了中軌道多種星座方案，軌道高度與衛(wèi)星數(shù)量決定了覆蓋南北緯度寬度，這兩者增加都能擴(kuò)大緯度寬度，衛(wèi)星數(shù)量增加比軌道高度提高，其擴(kuò)大緯度寬度的效果更顯著，但是投資成本會(huì)增加。若衛(wèi)星數(shù)量增加到一定程度，軌道高度不變，其緯度寬度提高甚微。為此星座設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)是選擇適當(dāng)軌道高度，讓覆蓋南北緯度盡量提高，而使用衛(wèi)星數(shù)目盡量減少。

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[7]Business Wire. O3b Networks successfully participates in U.S. Navy 7th Fleet Trident Warrio 2015 Exercises[EB/OL]. [2015-06-23]. http://www.digitaljournal.com/pr/2591070#ixzz3fY2LeuY6

(編輯：張小琳)

Research on Mid-orbit Zone Mobile Communications Satellite Constellation

LIN Laixing

(Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100190, China)

The paper describes the characteristics of mid-orbit communications satellite constellation with respect to high and low earth orbit, and presents ten alternative constellation options. Each option has three functions as follows regional communication, zone communication and strengthened zone communication. In this paper we study two schemes: scheme B constellation using 5 satellites and scheme J constellation using 8 satellites. These two programs can not only provide cheap, real time and convenient mobile communication system for building “One Belt and One Road”, but also provide mobile communication system for the future in South America to build high-speed rail project. They would benefit more than 85% of the world’s population as well.

mid-orbit; mobile communications satellite; constellation; “One Belt and One Road”

2015-05-29；

2015-07-17

林來(lái)興(1932-)，男，研究員，從事航天控制、小衛(wèi)星編隊(duì)飛行研究。Email：laixing_lin@sina.com。

V52

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.04.001