李連強, 游寒旭, 朱　杰, 楊宇濤, 胡　珍

(1.上海交通大學 電子信息與電氣工程學院,上海 200240;

2.上海衛(wèi)星工程研究所,上海 200240)

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一種新型多層衛(wèi)星星座組網設計

李連強1, 游寒旭1, 朱杰1, 楊宇濤2, 胡珍2

(1.上海交通大學 電子信息與電氣工程學院,上海 200240;

2.上海衛(wèi)星工程研究所,上海 200240)

摘要:隨著空間技術需求的不斷增多,傳統(tǒng)的單層衛(wèi)星星座組網模式,由于其結構簡單,在未來空間技術的發(fā)展中受到限制.近年來,采用多層衛(wèi)星進行星座組網受到業(yè)界的普遍關注.鑒于多層衛(wèi)星星座模型的優(yōu)點,設計了一種新的基于GEO/MEO/LEO的三層衛(wèi)星星座模型.本模型充分結合高、中、低軌道各自的優(yōu)勢,以盡量少的衛(wèi)星數量實現了對地球的全面覆蓋,較之傳統(tǒng)單層模型更為立體化.最后,通過STK和MATLAB對所提出的多層衛(wèi)星星座組網模型進行了數字化仿真,從星間鏈路的長度、鏈路通信俯仰角以及方位角等方面進行了對比和分析,驗證了本模型的合理性和有效性.

關鍵詞:多層衛(wèi)星星座; 鏈路長度; 通信俯仰角; 方位角

0引言

圖1　從單層衛(wèi)星星座到多層衛(wèi)星星座

地面的因特網已經取得了巨大的成功,人們希望將因特網的模式復制到太空,實現天地一體化網絡[1-2].其中,衛(wèi)星星座組網的設計是關鍵和基礎,它直接決定和影響著天地一體化網絡的拓撲結構和路由方案[3].現階段的衛(wèi)星星座組網大多是單層模式,雖然不同軌道高度的衛(wèi)星星座具有不同的優(yōu)點,但也伴隨著相應的局限性[4].隨著人們對衛(wèi)星網絡服務質量要求的提高以及空間技術的不斷發(fā)展和進步,多層衛(wèi)星星座組網設計已然成為衛(wèi)星星座設計的主流方向[5].圖1分別給出了傳統(tǒng)單層衛(wèi)星星座組網、多層衛(wèi)星星座組網的簡單示意圖.

1衛(wèi)星星座組網的關鍵技術

1.1衛(wèi)星覆蓋范圍

衛(wèi)星星座組網的設計首先要滿足一定的覆蓋特性[6].隨著衛(wèi)星通信網絡用戶數量的增大和服務種類的增加,從長遠考慮,衛(wèi)星星座對地球的覆蓋應是全球覆蓋.理論計算的衛(wèi)星對地覆蓋范圍由衛(wèi)星對地面的切線所限定.實際應用中,假定衛(wèi)星視角范圍內有一地面基站,通常要求它與衛(wèi)星的通信需要保證一個最小的通信仰角E,以避免仰角過小時信號的巨大衰減,影響接受質量,如圖2所示.

圖2　衛(wèi)星覆蓋范圍

此時衛(wèi)星與地面基站之間的最長星地鏈路d可表示為:

(1)

式(1)中衛(wèi)星軌道高度記為hs,α為覆蓋范圍對應地心角的一半,定義如下:

(2)

(3)

1.2星間鏈路

由于地球的遮擋作用,處于視距之外的兩顆衛(wèi)星無法直接建立通信聯系,同時考率到地面基站地理位置的局限性,要實現彼此間的通信必須在中間建立星間鏈路.星間鏈路可分為軌內鏈路、軌間鏈路和層間鏈路.

不同類型的星間鏈路具有相同的評價指標,如鏈路的長度、鏈路通信俯仰角以及方位角等[7].星間鏈路長度決定了傳播時延以及方位角和俯仰角的大小,而方位角、俯仰角的大小又影響著星載天線的設計復雜程度和通信質量.可以說這些指標共同決定了衛(wèi)星通信網絡的穩(wěn)定性和可靠性,在多層衛(wèi)星星座組網設計中要重點考慮.

2衛(wèi)星星座組網的設計

綜上所述,衛(wèi)星星座組網的設計不僅要考慮衛(wèi)星對地面的覆蓋范圍,還受制于高軌衛(wèi)星對低軌衛(wèi)星的覆蓋性,以及衛(wèi)星之間通信鏈路的穩(wěn)定性和可靠性.

Walker星座是目前所知性能最優(yōu)的全球覆蓋星座模式[8],可用4個參數組合:i,T/P/F表示,其中i為軌道傾角,T為衛(wèi)星數量,P為軌道數,F為相位因子,且0≤F≤P-1,F定義了相鄰衛(wèi)星間的相對位置[9].

本文作者在低地球軌道(LEO)和中地球軌道(MEO)層面均采用Walker Delta 2π 星座,在覆蓋全球的基礎上使得同一層間的衛(wèi)星彼此可以建立相對穩(wěn)定的鏈路關系,這樣即使在極地區(qū)上空,鏈路也不會關閉[10].而同步地球軌道(GEO)層面設置等間隔分布的3顆衛(wèi)星,具體參數指標如表1所示.

表1　多層衛(wèi)星星座網絡參數

利用式(1)、(2)、(3)可求出在設定的通信仰角下,LEO實現了對南北緯77.1°地區(qū)的覆蓋,MEO實現了全球覆蓋,而GEO實現了對南北緯61.8°區(qū)域的覆蓋,并且低軌衛(wèi)星總是在高軌衛(wèi)星的輻射下,符合未來天地一體化網絡發(fā)展趨勢的要求.

3實驗仿真與分析

在多層衛(wèi)星星座組網設計中,為LEO層的每個衛(wèi)星設計了6條同層鏈路,其中2條軌內鏈路,4條軌間鏈路.圖3所示是LEO11衛(wèi)星在LEO層內的星間鏈路通斷情況,其他層內星間鏈路連接情況與此類似.

圖3　LEO11與LEO層星間鏈路通信持續(xù)時間

圖3的橫坐標為仿真時間,縱坐標表示為LEO11與各個LEO層衛(wèi)星的星間鏈路通斷關系.可看出無論是軌內鏈路還是軌間鏈路,鏈路通斷關系圖一直為實線,說明鏈路始終保持暢通狀態(tài),沒有斷開.這為用戶在任意時刻的全球互聯互通提供了基本保證.但需要明確的是,這其中軌內鏈路中的衛(wèi)星相對位置保持不變,它們的鏈路長度、通信俯仰角以及方位角也隨之固定.而軌間鏈路的鏈路長度、通信俯仰角以及方位角會隨著衛(wèi)星相對位置的改變處于動態(tài)變化中.以LEO11-LEO21鏈路為示例解釋說明,如圖4所示.

由圖4可知,LEO層面的星間鏈路的長度較短且變化不大,則單跳的傳輸時延會較小,而且通信俯仰角變化較為平緩,有利于星載天線的追蹤.但星間鏈路的方位角變化范圍大且在某些時段變化較為劇烈,會嚴重加劇信息的傳輸時延,同時對星載天線的性能也會提出更高的要求.如果考慮到當用戶請求過多,業(yè)務量很大的情形,數據將無法按時傳遞,網絡將會發(fā)生擁塞,衛(wèi)星通信網絡的性能將會急劇下降.這時多層衛(wèi)星星座組網設計的優(yōu)點盡顯無遺,利用層間鏈路的分流作用和高軌衛(wèi)星對低軌衛(wèi)星的覆蓋特性,將數據分組轉發(fā)到更高的軌道,作為中繼點,則可以效地保證衛(wèi)星通信網絡的穩(wěn)定性和可靠性.

圖4　LEO11-LEO21星間鏈路關系

LEO-MEO和MEO-GEO層間鏈路的通信情況和鏈路關系比較相似,將之放在一起討論.圖5和圖6分別展示的是LEO11與MEO層間鏈路以及MEO11與GEO層間鏈路的通斷情況.圖7和圖8分別展示的是LEO11與MEO11層間鏈路以及MEO11與GEO1層間鏈路的鏈路關系.

由圖5和圖6可以看出,層間鏈路的通信是間斷性的,即層間衛(wèi)星鏈路不能夠一直保持,斷斷續(xù)續(xù).但是與層內鏈路相似的是,一個低軌衛(wèi)星總是可以同時被多個高軌衛(wèi)星所覆蓋,在實際的應用中,可以將累積時延作為標準選擇其中的一條鏈路為主鏈路,即只選取其中一個高軌衛(wèi)星作為中繼通信衛(wèi)星,當鏈路斷開時再尋求切換,這樣在保證一定性能的前提下又減少了鏈路的頻繁切換.

圖5　LEO11與MEO層星間鏈路通信持續(xù)時間

圖6　MEO11與GEO層星間鏈路通信持續(xù)時間

根據圖7和圖8,可以觀察到隨著軌道高度的增加,層間鏈路的距離會變長,進而傳輸時延會很大,所以一般不能將MEO層和GEO層作為衛(wèi)星骨干網絡.但是隨著高度的增加,星間鏈路方位角無論是變化范圍還是變化率都明顯降低,這有利于星載天線的跟蹤指向,可以更高效地傳輸數據,在保證了通信的連續(xù)性同時還減小了衛(wèi)星的設計難度.

圖7　LEO11-MEO11星間鏈路關系

圖8　MEO11-GEO1星間鏈路關系

4結論

本文作者采用了基于GEO/MEO/LEO的三層衛(wèi)星星座的組網設計,并對該方案進行了數字化仿真,通過對實驗結果的分析,取得了預想的實驗結果,驗證了該方案的合理性.

該方案的出發(fā)點是利用多層衛(wèi)星星座的優(yōu)點以盡量少的衛(wèi)星數量實現對地球的全面覆蓋,同時利用不同層次間的星間鏈路切換等優(yōu)點規(guī)避了單層衛(wèi)星星座的缺點,充分結合了高、中、低軌道各自的優(yōu)勢,形成了一個立體結構的衛(wèi)星通信網絡,符合天地一體化網絡的發(fā)展要求.

參考文獻:

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(責任編輯：包震宇)

A novel design on multi-layer satellite constellation network

LI Lianqiang1, YOU Hanxu1, ZHU Jie1, YANG Yutao2, HU Zhen2

(1.School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;2.Shanghai Institute of Satellite Engineering,Shanghai 200240,China)

Abstract:With the increasing demand of space technology,the traditional single layer satellite constellation network is restricted in the development of future space technology because of its simple structure.For this reason,more and more researchers have carried out the research on the multi-layer satellite constellation network in recent years.This paper put forward a new GEO/MEO/LEO satellite constellation design based on the advantages of multi-layer satellite constellation to achieve full coverage of the earth with as little satellites as possible.It is more stereo than traditional style.Finally,we use STK and MATLAB to realize the digital simulation of this design.The rationality and effectiveness of this design are verified by comparison and analysis of the length of the satellite link,the communication pitch angle and azimuth angle.

Key words:multi-layer satellite constellation; length of the satellite link; communication pitch angle; azimuth angle

中圖分類號:TN 927

文獻標志碼:A

文章編號:1000-5137(2016)02-0248-05

通信作者:朱杰,中國上海市閔行區(qū)東川路800號,上海交通大學電子信息與電氣工程學院,郵編:200240,E-mail:zhujie@sjtu.edu.cn

基金項目:上海航天科技創(chuàng)新基金(SAST2015039);國家自然科學基金(61271349,61371147,11433002)

收稿日期:2016-02-29