中軌道地帶移動通信衛星星座應用研究

林來興

(北京控制工程研究所， 北京 100190)

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中軌道地帶移動通信衛星星座應用研究

林來興

(北京控制工程研究所， 北京 100190)

論述中軌道移動通信衛星星座的特點(相對于高、低軌道)，提出10種可供選擇的星座方案。每種方案都具有區域通信、地帶通信、加強地帶通信等3種功能，采用5顆工作衛星組成的方案B和采用8顆衛星組成的方案J，除了可為現在建設的“一帶一路”地區提供實時、廉價、使用方便的移動通信服務外，還可以為將來在南美洲國家建設高鐵工程提供移動通信，并且也可使占全世界85%以上的人口受益。

中軌道；移動通信衛星；星座；“一帶一路”

1 引言

在衛星應用領域，通信衛星很普遍，其經濟效益很高，在全世界民用、商用航天器發射數量方面，歷來通信衛星發射數量占總發射數量比例是最高的。

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

地球靜止軌道通信衛星星座優點是，可對地面某區域保持靜止，也就是說可以實現區域通信，也可實現全球通信。缺點是通信距離長，要求很大發射功率；通信時間延遲大，信息來回一次傳輸8萬千米，時間延遲近0.27 s；另外還有一個弱點，即地球靜止軌道上的定點位置目前已經很擁擠，要求申請新的軌道位置非常困難。而對低地球軌道通信衛星來說，要實現全球“無縫”覆蓋要求衛星數量很多，一般至少要幾十顆，甚至上百顆，而且難以建立區域通信，要建則就是全球通信。同時，上述高低兩種軌道通信衛星都需要投入費用高。

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，因為高于和低于此軌道高度，存在很強的地球內外輻射帶，對衛星運行安全將有較大影響。

文中首先討論中軌道移動通信衛星星座具有的特點和星座設計要求，并分析10種多用途中軌道移動衛星星座方案[1]；最后介紹英國在2013—2014年發射的“其他30億人口”(Other 3 billion，O3b)中軌道通信衛星星座的概況和特點，以論證發展中軌道移動通信衛星的必要性。

2 中軌道地帶移動通信衛星星座特點與星座設計

2.1 特點

中軌道地帶移動通信衛星星座有如下特點：

(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，根據通信需要發射功率與距離平方成正比的關系，可簡單估算中軌道通信衛星發射功率比地球靜止軌道功率可以降低至1/25～1/5。為照顧地面接收設備簡易性，發射功率只作適當減少。

(2)通信延遲時間為靜止軌道衛星的1/5～1/2，這樣語音通信延時短，普通人都能適應。

(3)中軌道通信衛信星座可以實現區域通信、地帶通信(經度無限制，緯度有限制)，也可以使天線偏移指向，實現南北緯度不對稱，確保急需用戶的需求，具有多功能多用途的通信功能。

(4)中軌道上的衛星數量相對于地球低軌道較少，發射和配置星座都比較方便。

(5)中軌道通信衛星星座布置在赤道平面，傾角為零度，各顆衛星均勻分布，且衛星軌道高度也相同。因此星座除發射和部署方便外，將來在運行過程星座位置保持也較簡單,因為相同軌道平面和相同高度，其星間攝動差很小，星座位置保持既簡單又省燃料。

(6)中軌道地帶通信衛星星座，衛星可分批分期發射。也就是說星座具有的功能可以隨著發射衛星數量的增加而提高。這個特點對經濟欠發達國家與地區，如果既要求擁有自已的區域通信，又要節約費用，則具有現實意義。

另外，中軌道地帶通信衛星星座設計的核心問題是使軌道高度和衛星數量兩者之間達到最佳，詳見下文星座設計。

2.2 地帶星座設計

星座設計要考慮軌道選擇、軌道參數確定、軌道面數量與衛星數量的確定，以及火箭多星發射和將來星座位置保持等眾多問題，還要考慮需要經費投入多少等，本文討論的赤道地帶星座設計方案，只涉及衛星軌道高度和衛星數量。本文的設計目標是要求覆蓋南北緯度寬度盡量寬和使用衛星數量盡量少(經費投入少)，也就是效益與成本比例高，具體原則可參閱文獻[2]。

地帶通信星座由若干顆衛星組成。有關星座的具體參數為：衛星個數(n)，軌道高度(H)，用戶最低仰角(E)和連續覆蓋地區范圍，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為衛星覆蓋區的地心夾角。覆蓋南北緯度與衛星數量和軌道的關系如圖1所示(本文假設最低仰角E=10°)。

圖1 覆蓋南北緯度與衛星數量和軌道高度的關系Fig.1 Relationship between north and south latitude coverage and the number of satellites and height of orbit

3 中軌道地帶通信衛星星座方案

按上述中軌道地帶通信衛星星座所具有的特點，這里采用4～8顆衛星組成通信衛星星座。為了實現區域通信功能，對衛星數量的要求是：衛星數量要滿足南北緯覆蓋區要求，即按式(2)確定。

根據式(1)和式(2)計算不同星座方案，需要考慮衛星數量、軌道高度以及將來能達到覆蓋的南北緯度，設軌道傾角為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中最后一個方案K是O3b中軌道通信衛星星座，其有關詳情將在第5節介紹。

表1 中軌道通信衛星星座方案(參數)

表1的星座方案都具有下列3種功能：

(1)區域通信星座：覆蓋區域經度和緯度都有限制，南北緯對稱。在衛星的通信有效載荷上設置一個電源固定時間啟動與關閉的開關，使整個星座僅需1～2顆衛星開機，其他衛星有效載荷關閉，衛星維持最低功耗，關閉有效載荷的衛星可節省較多功耗。方案B的1顆衛星工作覆蓋區域在赤道經度為72°，南北緯度分別為±50°，±54°，±45°，若兩顆衛星同時工作，覆蓋區域經度相應增加。由于衛星軌道周期是一顆衛星覆蓋時間的整倍數，所以有效載荷電源開關時間相對經度完全是固定的。若需要實現區域通信，又不想發射3萬多千米軌道的衛星，這是一個可采用的方案。

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

(3)加強地帶通信星座：覆蓋區域經度無限制，若天線固定向北或向南半球偏移一個角度，以減小波束寬度，則覆蓋區域為南北緯度不對稱。覆蓋區域變狹，天線增益有望提高，如果對某覆蓋區增大天線增益，則稱它為加強地帶。

4 為“一帶一路”區域提供實時移動通信星座

“一帶一路”貫穿亞歐非大陸，一頭是活躍的東亞經濟圈，一頭是發達的歐洲經濟圈，中間廣大腹地國家經濟發展潛力巨大。絲綢之路經濟帶重點暢通中國經中亞、俄羅斯至歐洲(波羅的海)；中國經中亞、西亞至波斯灣、地中海；中國至東南亞、南亞、印度洋。21世紀海上絲綢之路重點方向是從中國沿海港口經過南海到印度洋，延伸至歐洲；從中國沿海港口經過南海到南太平洋。有關“一帶一路”所經過的國家，詳見圖2所示[4]。

圖2 “一帶一路”所經過國家示意圖Fig.2 Schematic diagram of “One Belt and One Road” through countries diagram

上述計算結果并綜合經濟效益，這里提岀兩個服務的星座方案，可以為“一帶一路”區域提供實時移動通信。

4.1 星座方案B

星座方案B：衛星軌道高度H=10 887 km，衛星個數n=5，其它參數見圖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°，經度360°，24小時通信。

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

此衛星星座與其他類型星座相比具有下列優點：

(1)在相同條件(覆蓋區域和軌道高度)下衛星個數是最少的，其他全球覆蓋星座設計很難配置更少的衛星數目(與其它類似中軌道星座相比，衛星數量僅為常見星座的1/2左右)。例如奧德賽(Odyssey)星座，軌道高度10 350 km，衛星數目12顆，衛星質量1950 kg；又如國際移動衛星的Inmarsat-p21星座，軌道高度10 350 km，衛星數目10顆，衛星質量2300 kg。

(2)建造成本低。

(3)星座構型為一個軌道平面，為此備份星也僅需要一顆。(全球覆蓋星座有3～6個軌道面，一個軌道面需要備份星一顆，不同軌道面的備份星不能共用，因為傾角改變，燃料消耗很大。)

(4)若衛星天線向北固定偏移一個角度,覆蓋地帶可從南緯-20°到北緯+50°。因為“一帶一路”地區，最南邊是印尼雅加達(南緯6.1°)，其次是非洲肯尼亞內羅畢。星座方案B天線可以向北偏移，提高該地區通信質量，其重點解決海上絲綢之路和大部分新絲綢之路經濟帶，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、荷蘭、德國等北歐部分地區未能覆蓋，此可依靠方案J來解決。

4.2 星座方案J

對于在中軌道赤道平面的多顆衛星組成通信星座來說，軌道高度和衛星數量應適當匹配，衛星數量太少，必然造成軌道高度過高，使上述中軌道優勢丟失；反之衛星數量太多，軌道高度過低，覆蓋區域未能得到應有擴大，造成經濟投資浪費。考慮這些因素，星座方案J采用8顆衛星組成，軌道高度H=11 815 km，覆蓋南北緯度±57°。

星座方案J，除了為正在建設的“一帶一路”全部地區提供實時、廉價、使用方便的移動通信系統以外，還可以為將來在南美洲建設高鐵工程提供移動通信。星座方案B與J，兩者可以互相關連，由于開發建設“一帶一路”工程需要較長時間，可先按星座方案B發射部署衛星，若需要星座方案J，再次發射3顆衛星后，經過調相和提高軌道高度，星座方案B可調整為星座方案J。

5 O3b中軌道通信衛星星座

2013—2014年英國O3b Networks公司成功發射8顆衛星，組成了O3b通信衛星星座，2014年12月又發射4顆，組成最終12顆衛星星座[5-6]。

5.1 O3b衛星概況

O3b通信衛星由泰雷茲-阿萊尼亞空間公司(Thales Space)負責設計、制造與調試，從星座組成來說，衛星軌道傾角為0°，軌道高度(8063 km)和衛星數量(12顆)與達到覆蓋南北緯度±50°是合適匹配的。根據式(1)和式(2)的計算結果：若再增加衛星數量(例如18或20顆)，軌道高度不變，覆蓋區域擴大甚微，南北緯度沒有明顯增加。O3b衛星數量與覆蓋區域關系詳見圖4所示。

“O3b”意即“Other 3 billion”(“其他30億人口”的網絡)，目標是幫助非洲、亞洲和南美洲地區上網困難和上網昂貴的30億人通過衛星光纖接入互聯網。8顆衛星組成的O3b星座，衛星繞地球運動軌跡如圖5所示[5]。O3b網絡公司目前正在研制更高性能的新一代O3b網絡衛星。

O3b設計工作壽命10年,衛星質量700 kg，采用Ka頻段通信，分為10波束，每個波束數傳率為1.2 Gbit/s，有12副可控天線，每副天線可指向和跟蹤±26°內的地面站。星上功率為1500 W。衛星電源分系統由兩個砷化鎵太陽能電池陣列和一套鋰離子蓄電池組組成；衛星姿控系統為零動量三軸穩定。控制系統執行機構由反作用輪、磁力矩棒和單組元肼噴氣推進器等組成；GPS接收機用于確定軌道位置；軌道控制與保持采用肼單元推進器，推力為8×1 N；姿態確定系統由地球敏感器、太陽敏感器和慣性測量單元組成。衛星外形結構如圖6所示，兩側各有1個可展開太陽電池翼。

圖4 O3b星座衛星數量與覆蓋區域關系Fig.4 Number of O3b constellation satellites and coverage area

圖5 8顆衛星組成的O3b星座Fig.5 O3b constellation of 8 satellites

圖6 O3b衛星外形結構Fig.6 Satellite configuration

5.2 O3b星座的特點

(1)星座總的數據傳輸率為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)衛星通信發射功率約為地球靜止軌道衛星的1/20，若發射功率適當增加，則地面接收設備可更簡易，有利于移動通信。

5.3 O3b星座計劃服務的3類用戶

1)國家電信運營商和大型存儲處理器(ISP)

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

2)蜂窩回程和企業虛擬專用網絡(VPN)

φ1～2 m天線，最高155 Mbit/s，典型服務為2～10 Mbit/s對稱，前向時分調制(TDM)，返向多址(multi-access)。

3)個人用戶和小企業(未來)

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

5.4 O3b移動通信衛星星座使用概況

O3b 移動通信衛星參加了2015年美國海軍第七艦隊“三叉戟勇士”(Trident Warrior 2015 Exercises)軍演[7]。采用海上φ1.2 m跟蹤天線，收發速率上行200 Mbit/s，下行400 Mbit/s，工作性能良好。軍演結果說明O3b移動通信衛星性能優越：通信延遲時間短、容量大、數據傳輸效率高。

通過O3b 移動通信衛星星座成功運行表明，O3b Networks公司已成為全球衛星服務供應商，可為電信運營商提供新一代衛星網絡及互聯網產品。O3b公司可為分布在近180個國家和地區的數十億的消費者和企業人員，提供從衛星到光纖網絡的通信服務，其產品具有廉價、高速、低延遲的性能。

6 結束語

本文經過論證和技術研究，以及O3b實際衛星發射和運行，說明選擇中軌道移動通信衛星星座是可行的。當軌道傾角選擇0°，星座設計、衛星發射部署與運行都比較簡單、易行，同時這種星座具有多種功能，可實現區域通信、地帶通信，若天線向北固定偏移一個角度，則可以實現加強地帶通信。

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

References)

[1]林來興，陳芳允，陸鎮麟，等.中軌赤道衛星星座方案：中國，106177.2[P]. 1999-04-30

Lin Laixing, Chen Fangyun, Lu Zhenlin, et al. Mid-orbit equatorial satellite constellation：China，106177.2[P].1999-04-30 (in Chinese)

[2]林來興. 一種觀測我國海岸線和近海小衛星編隊飛行方案[J]. 航天器工程, 2013,22(1): 61-65

Lin Laixing. Small satellite formation flying for China’s coastline and near sea[J]. Spacecraft Engineering, 2013,22(1): 61-65 (in Chinese)

[3]楊維廉. 一種區域性中軌道衛星移動通信星座[J]. 中國空間科學技術, 2001(2): 1-6

Yang Weilian. A MEO satellite constellation for regional mobile communication[J]. Chinese Space Science and Technology,2001(2): 1-6 (in Chinese)

[4]中國經濟網. 筑夢“一帶一路”[EB/OL]. [2015-04-10]. http://www.ce.cn/ztpd/xwzt/guonei/2014/ydyl/in￣dex.shtml

China Economic Net. One belt and one road[EB/OL]. [2015-04-10]. http://www.ce.cn/ztpd/xwzt/guonei/2014/ydyl/index.shtml (in Chinese)

[5]O3b Networks. O3b “Our Technology”[EB/OL]. [2015-03-11]. http://www. o3b networks.com/o3b-ad tage/our technology

[6]Space Skyrocket. O3b[EB/OL]. [2015-04-15]. http://www.space.skyrocket.de/doc-sdat/o3b.htm

[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

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

V52

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.04.001