彭孔陽(yáng)

摘 要：復(fù)雜的地形結(jié)構(gòu)對(duì)陸地通信系統(tǒng)的質(zhì)量和范圍會(huì)造成明顯影響。本文重點(diǎn)關(guān)注通過(guò)調(diào)整低地球軌道小衛(wèi)星的最佳分布來(lái)實(shí)現(xiàn)通信和遙感能力提升。通過(guò)在低地球軌道的小衛(wèi)星建立星座系統(tǒng)，優(yōu)化太空能力，從而為土耳其大陸和更廣泛的指定區(qū)域，包括周邊海域（黑海、愛(ài)琴海和地中海），以及周邊國(guó)家領(lǐng)土的重要區(qū)域的持續(xù)通信能力提供計(jì)劃建議。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星星座；連續(xù)覆蓋；星座優(yōu)化

中圖分類號(hào)：V423.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）06-0211-02

1 引言

土耳其的領(lǐng)土有兩個(gè)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性，由此形成了該國(guó)非常復(fù)雜的地形結(jié)構(gòu)，這些對(duì)陸地通信系統(tǒng)的質(zhì)量和范圍造成了明顯影響，而且顯著降低了土耳其武裝部隊(duì)在該國(guó)和該地區(qū)提供安全保障的效果。土耳其當(dāng)前的太空能力與任務(wù)要求的太空能力相比，最大的差距是土耳其武裝部隊(duì)在作戰(zhàn)區(qū)域要求的遠(yuǎn)程通信與全天候連續(xù)覆蓋能力。出于這個(gè)原因，本文目的是通過(guò)在低地球軌道的小衛(wèi)星建立星座系統(tǒng)，優(yōu)化太空能力，從而為土耳其大陸和更廣泛的指定區(qū)域，包括周邊海域（黑海、愛(ài)琴海和地中海），以及周邊國(guó)家領(lǐng)土的重要區(qū)域的持續(xù)通信能力提供計(jì)劃建議。

2 星座優(yōu)化

基于相關(guān)方案，通過(guò)衛(wèi)星工具包軟件模擬分析了多種通信衛(wèi)星星座分布，以求滿足對(duì)土耳其領(lǐng)土和周邊海域的連續(xù)覆蓋。通過(guò)對(duì)49個(gè)參數(shù)在三種不同高度上進(jìn)行模擬，最后發(fā)現(xiàn)了15種不同的解決方案。模擬實(shí)驗(yàn)從900公里高度開(kāi)始，然后分別在700公里高度和500公里高度進(jìn)行了重復(fù)模擬，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。驗(yàn)證了“使用同一種設(shè)備，高度更高則覆蓋面更廣”的理論，結(jié)果發(fā)現(xiàn)900公里高度的覆蓋率比700公里和500公里相應(yīng)要高。本著減少衛(wèi)星和軌道平面數(shù)量的目的，發(fā)現(xiàn)在所有15中方案中，18顆傾角為55度的衛(wèi)星處在900公里高度上，且分布于兩個(gè)軌道平面上的方案是實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋要求的最佳解決方案。

2.1 方案分析

優(yōu)化的目的首先是為了減少衛(wèi)星數(shù)量，其次是減少軌道平面數(shù)，同時(shí)通過(guò)改變高度、軌道平面數(shù)、每個(gè)軌道平面上的衛(wèi)星數(shù)，軌道傾角、軌道間距、Walker Delta星座分布的升交點(diǎn)赤經(jīng)值，又能實(shí)現(xiàn)對(duì)指定區(qū)域的連續(xù)覆蓋。

首先在利用一個(gè)既定高度的軌道平面和一顆衛(wèi)星來(lái)計(jì)算日覆蓋周期、回掃時(shí)間和日覆蓋間隙，然后，利用若干軌道平面上的若干衛(wèi)星來(lái)模擬軌道傾角的不同變化，軌道傾角與每顆衛(wèi)星地面軌道密切相關(guān)，它決定了衛(wèi)星星座所能到達(dá)的緯度。如果衛(wèi)星使命要求衛(wèi)星到達(dá)南北緯70度，那么軌道傾角值應(yīng)該在70度左右。按照這一理論后，主要研究35-45度之間的軌道傾角，因?yàn)橥炼涞牡乩砦恢锰幵诒本?6度到42度之間，有意思的是，軌道傾角在45度-60度之間要比傾角在35度—45度之間要好，這是由于Walker Delta星座是為達(dá)到全球覆蓋而設(shè)計(jì)的，該理論只適用于全球覆蓋，然而，為更好的實(shí)現(xiàn)覆蓋處在北半球的土耳其，軌道傾角大于土耳其最北部緯度（42度）效果更好。

一般來(lái)說(shuō)，所有的星座設(shè)計(jì)都尋求既能減少軌道平面的數(shù)量，又能達(dá)到覆蓋要求，而軌道平面越多，星座就更加多變和靈活，但是，如此衛(wèi)星發(fā)射和衛(wèi)星操控的成本就可能會(huì)相當(dāng)高昂。當(dāng)衛(wèi)星尺寸和運(yùn)載火箭性能允許，處在同一軌道平面上的多顆衛(wèi)星可以由一個(gè)運(yùn)載火箭發(fā)射入軌，它可以大幅降低衛(wèi)星入軌所需的推進(jìn)劑。因此，本文研究不僅旨在實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)量最少，也意在實(shí)現(xiàn)軌道平面最少。關(guān)于同一高度上軌道傾角的不同變化，我們利用不同數(shù)量的軌道平面和每個(gè)軌道面上不同數(shù)量的衛(wèi)星進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。因?yàn)閰^(qū)域覆蓋式本文研究的關(guān)鍵，模擬實(shí)驗(yàn)從兩個(gè)軌道平面、四顆衛(wèi)星這一最小數(shù)量開(kāi)始。然后增加每個(gè)軌道平面上的衛(wèi)星數(shù)量和軌道平面數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)地面的更好覆蓋。增加一個(gè)軌道平面上的衛(wèi)星數(shù)量可以減少對(duì)地表目標(biāo)的回掃時(shí)間，并且可以增加日覆蓋率，而日覆蓋率是取得連續(xù)覆蓋的衡量標(biāo)準(zhǔn)。日覆蓋率是通過(guò)衛(wèi)星工具包軟件的報(bào)告和圖文工具計(jì)算的，具體來(lái)說(shuō)，是計(jì)算一天當(dāng)中覆蓋時(shí)間占總時(shí)間的比例得出的。如果日覆蓋率值是100%，那么這意味著該地區(qū)24小時(shí)連續(xù)覆蓋，如果模擬試驗(yàn)運(yùn)行一個(gè)月，且該月內(nèi)日均覆蓋率是100%，這意味著對(duì)該地區(qū)實(shí)現(xiàn)了全天候覆蓋。

本文通過(guò)衛(wèi)星工具包軟件9.0的Walker Delta工具對(duì)Walker Delta星座進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，在創(chuàng)建了星座衛(wèi)星樣本之后，鍵入每個(gè)軌道平面上的衛(wèi)星數(shù)量、軌道平面數(shù)、軌道平面間距和升交點(diǎn)赤經(jīng)值，Walker Delta星座就模擬完成了。軌道平面間距的選擇值為“0”或者“1”，表示是否引入軌道平面間距。將軌道平面間距設(shè)置為“1”，即在所有已定義的軌道面中使衛(wèi)星相互錯(cuò)開(kāi)；設(shè)置為“0”將會(huì)在所有已定義的軌道面中排列衛(wèi)星的緯度參數(shù)。在本文研究中，總的來(lái)說(shuō)，軌道平面間距設(shè)置為“1”覆蓋效果更好。Walker星座內(nèi)有t顆衛(wèi)星在p個(gè)軌道平面內(nèi)均勻分布，而且每個(gè)軌道面上有s顆衛(wèi)星，則t=p*s。如果星座的升交點(diǎn)赤經(jīng)值選擇了360度，則軌道平面在升交點(diǎn)赤經(jīng)值0到360度之間均勻分布。為了實(shí)現(xiàn)區(qū)域的連續(xù)覆蓋，升交點(diǎn)赤經(jīng)值最好設(shè)置360度，如此在同一軌道平面內(nèi)的衛(wèi)星分布就更均勻，而且衛(wèi)星在該軌道平面內(nèi)的回掃時(shí)間均勻一致。為了覆蓋目標(biāo)區(qū)域，可以根據(jù)特定時(shí)間間隔設(shè)定不同的升交點(diǎn)赤經(jīng)值，比如，只在白天或只在晚上，或者在自定義時(shí)間間隔里。在本文研究過(guò)程中，一直設(shè)置升交點(diǎn)赤經(jīng)值為360度。

模擬試驗(yàn)中僅對(duì)傾斜距離做了明確限定，要求斜距的最低仰角為5度。這種情況下，地球表面曲率占比最大，然而并沒(méi)有對(duì)最大仰角值做約束，這是因?yàn)樵敱M的鏈接分析不是本文關(guān)注的問(wèn)題。對(duì)于未來(lái)研究，最大距離在各種情況下都應(yīng)該通過(guò)衛(wèi)星高度和最低仰角值確定。最后，每次調(diào)整之后的模擬都運(yùn)行一個(gè)月數(shù)據(jù)，即（2012年12月1日至31日的數(shù)據(jù)），來(lái)獲取一個(gè)月時(shí)間段的日覆蓋值，每月的平均覆蓋比例由此計(jì)算而來(lái)。從模擬試驗(yàn)結(jié)果中，選擇每月平均值為100%的結(jié)果表示成功實(shí)現(xiàn)了全天候連續(xù)覆蓋。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 第一組模擬試驗(yàn)

首先將Walker Delta星座的初始高度值調(diào)整為900公里，傳感器指向郭魯巴什地面設(shè)備站進(jìn)行模擬試驗(yàn)。表2顯示了25個(gè)不同的模擬試驗(yàn)結(jié)果。最后一列給出的每日平均覆蓋率百分比數(shù)據(jù)是由2012年12月2日至30日的數(shù)據(jù)計(jì)算而來(lái)的。模擬試驗(yàn)從2012年12月1日12：00 UTD至2012年12月31日12：00 UTD（不過(guò)12月1日和12月31日分別只有半天）。月平均值是從2012年12月3日至30日計(jì)算而來(lái)的。18顆衛(wèi)星處在兩個(gè)軌道平面上，高度900公里，55度的傾角，整整一個(gè)月（2012年12月1日至31日）的日覆值在附錄A中。調(diào)整中有四項(xiàng)達(dá)到了100%的日覆蓋率，18顆衛(wèi)星在兩個(gè)軌道平面上，軌道傾角55度；21顆衛(wèi)星處在三個(gè)軌道平面上，軌道傾角52度；24顆衛(wèi)星處在四個(gè)軌道平面上，軌道傾角58度； 35顆衛(wèi)星處在五個(gè)軌道平面上，軌道傾角56度。最好的結(jié)果是18顆衛(wèi)星處在兩個(gè)軌道平面上，這種情況下衛(wèi)星數(shù)量和軌道平面數(shù)量最小，當(dāng)某個(gè)軌道平面上的衛(wèi)星開(kāi)始轉(zhuǎn)向南半球（南緯52度）時(shí)，在其他軌道平面上的衛(wèi)星開(kāi)始飛向北半球（北緯52度），這種設(shè)置保證不管什么時(shí)候都有衛(wèi)星飛過(guò)指定的覆蓋區(qū)域，每個(gè)軌道面上九顆衛(wèi)星可以滿足一天持續(xù)覆蓋指定區(qū)域的衛(wèi)星數(shù)量要求。

2.2.2 第二組模擬試驗(yàn)

同樣對(duì)星座在700公里近地軌道上的飛行進(jìn)行了類似模擬。對(duì)第二組模擬做了11種不同調(diào)整，因?yàn)檩^好的模擬結(jié)果在第一組模擬中已經(jīng)出現(xiàn)。同樣，有四種達(dá)到100%的日覆蓋率，即：20顆衛(wèi)星處在兩個(gè)軌道平面上，軌道傾角為55度；24顆衛(wèi)星處在三個(gè)軌道平面上，軌道傾角為52度；32顆衛(wèi)星處在四個(gè)軌道平面上，軌道傾角為45度；和35顆衛(wèi)星處在五個(gè)軌道平面上，軌道傾角為45度。最好的結(jié)果是20顆衛(wèi)星處在兩個(gè)軌道平面上，軌道傾角為55度的情況，此時(shí)衛(wèi)星的數(shù)量最少，軌道平面也的最少。衛(wèi)星星座在700公里高度上所需衛(wèi)星總數(shù)普遍高于衛(wèi)星星座在900公里高度上所需衛(wèi)星總數(shù)。這印證了“在星座中，使用同種衛(wèi)星設(shè)備，高度更高則覆蓋面更廣”的理論，一顆在700公里高度飛行的衛(wèi)星日覆蓋率為6.55%，而相同的衛(wèi)星在900公里的高度飛行可以達(dá)到7.65%的日覆蓋率。因此，18顆衛(wèi)星處在兩個(gè)軌道平面上且飛行高度900公里的星座，與700公里的高度的同一星座相比覆蓋范圍更廣。

2.2.3 第三組模擬試驗(yàn)

最后一組模擬試驗(yàn)了各種星座在500公里高度飛行時(shí)的情況。該高度經(jīng)過(guò)13次調(diào)整之后的結(jié)果中，三次調(diào)整達(dá)到了100%的日覆蓋率，即：30顆衛(wèi)星處在三個(gè)軌道平面上，軌道傾角為52度；32顆衛(wèi)星處在四個(gè)軌道平面上，軌道傾角為58度；35顆衛(wèi)星處在五個(gè)軌道平面上，軌道傾角為52度。此時(shí)，有一次調(diào)整后的試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了99.99%的最大日覆蓋率，即：28顆衛(wèi)星處在兩個(gè)軌道平面上，軌道傾角為58度；最好的結(jié)果是30顆衛(wèi)星處在三個(gè)軌道平面上，軌道傾角為52度的情況，此時(shí)在該高度衛(wèi)星的數(shù)量最少，軌道平面也的最少。衛(wèi)星星座在500公里高度上所需衛(wèi)星總數(shù)普遍高于衛(wèi)星星座在700公里高度和900公里高度上所需的衛(wèi)星總數(shù)。在500公里高度上，衛(wèi)星總數(shù)和軌道平面的最少個(gè)數(shù)都增加了，在900公里和700公里高度上的雙軌道平面均可實(shí)現(xiàn)對(duì)指定區(qū)域的連續(xù)覆蓋，然而在500公里高度若實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋則需要三個(gè)軌道平面。因此，在900公里高度18顆衛(wèi)星、雙軌道平面的星座分布優(yōu)于700公里和500公里的試驗(yàn)結(jié)果。

3 結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)明確最優(yōu)化的衛(wèi)星組合分布以滿足土耳其武裝部隊(duì)在未來(lái)任務(wù)中的通信需求，本文為此提供了重要參考。

局限性和未來(lái)的工作，在空間部分，由于沒(méi)有真實(shí)數(shù)據(jù)支撐，因此無(wú)法對(duì)衛(wèi)星通信設(shè)備的詳細(xì)規(guī)格進(jìn)行建模，取而代之的是衛(wèi)星工具包軟件中的默認(rèn)數(shù)據(jù)。衛(wèi)星通信設(shè)備詳細(xì)信息的利用將提供更真實(shí)的衛(wèi)星星座優(yōu)化數(shù)據(jù)。

由于當(dāng)前土耳其武裝部隊(duì)使用的通訊頻率保密的原因，無(wú)法獲知和使用，因此在本文中沒(méi)有進(jìn)行鏈接分析研究。準(zhǔn)確具體的頻率范圍的明確、調(diào)制類型的選擇、不同多路復(fù)用技術(shù)間的比較、大氣衰減損失計(jì)算、雨衰減和頻率干擾等因素本文都沒(méi)有涉及。

Walker Delta星座是本文模擬實(shí)驗(yàn)中使用的唯一星座類型，該類型雖然是星座分布類型中最常見(jiàn)的類型，然而不同類型的星座分布，包括自定義的橢圓軌道，可能會(huì)增加覆蓋百分比，同時(shí)可能減少所需衛(wèi)星數(shù)量，因此，在進(jìn)一步的研究中應(yīng)予以考慮。

本文中的所有試驗(yàn)結(jié)果受到上述因素局限，因此建議該課題的未來(lái)研究能在上述領(lǐng)域繼續(xù)深入進(jìn)行。

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