空間信息網絡中的星座設計方法研究

張威+張更新+茍亮

摘要：提出了一種“骨干網+增強網”的混合星座設計方法，即以GEO衛星節點構成骨干網，以IGSO、HEO、MEO或LEO衛星等其他軌道衛星節點作為增強網，實現全球覆蓋。并設計一種了“4GEO+5IGSO”混合星座，對其覆蓋性能進行了詳細分析。仿真結果表明，所提出的方法采用較少數量的衛星即可滿足全球無縫覆蓋并可僅依靠中國信關站落地。

關鍵詞：空間信息網絡；星座設計；混合星座；GEO衛星；IGSO衛星

中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：1009-6868 （2016） 04-0019-005

縱觀世界范圍，各類衛星通信系統的建設仍然表現出各自為政、獨立建設的局面。各系統針對不同的任務需求和服務對象構建，系統缺乏一般性、通用性和相互協作的能力，形成重復建設、“煙囪式”發展的不利局面。例如，僅40°E～180°E的亞太地區就有120多個靜止軌道（GEO）位置用于衛星移動通信[1-2]，而各類寬帶通信、數據中繼、氣象、導航衛星更占用了大量軌道資源。并且單個系統針對既定任務設計，系統完成任務后會出現較多空閑狀態，無法對空間資源進行整體配置。此外，由于頻譜和軌道等資源的限制，各系統的全域覆蓋能力有限，不同的技術體制更導致網絡擴展能力差。空間信息網絡的提出為解決上述問題提供了有效途徑，已成為全球范圍的研究熱點[3-6]。

空間信息網絡是以多種空間平臺（如同步衛星或中、低軌道衛星，平流層氣球和有人或無人駕駛飛機等）為載體，實時獲取、傳輸和處理各類信息的網絡系統。作為國家重要基礎設施，空間信息網絡在服務遠洋航行、應急救援、導航定位、航空運輸、航天測控等重大應用的同時，向下可支持對地觀測的高動態、寬帶實時傳輸，向上可支持深空探測的超遠程、大時延可靠傳輸，從而將人類科學、文化、生產活動拓展至空間、遠洋、乃至深空[7]。

相比傳統衛星網絡，空間信息網絡結構復雜，包含了多種類型節點。但由衛星節點組成的網絡仍是整個空間信息網絡承載業務的核心，其工作方式、覆蓋特點直接影響整個空間信息網絡的效能，是空間信息網絡建設過程中需要重點考慮的內容。然而，衛星節點一般處于高速軌道運行狀態，衛星節點間需要相互協同，構成星座，才能實現良好的空時覆蓋性能。此外，中國靜止衛星軌道位置、頻率資源稀缺，也沒有條件建設類似美國全球電信港的海外基地，僅能在國土內建設信關站，這對空間信息網絡的星座設計增加了額外約束條件。

根據調研，現有大部分空間系統均采用單軌道類型星座，譬如采用GEO衛星組成星座的Thuraya [8]、Inmarsat [9]等系統，采用中軌道（MEO）衛星組成星座的O3b [10]、全球定位系統（GPS）[11]、GLONASS [12]，采用低軌道（LEO）衛星組成星座的Iridium [13]、Globalstar [14]、Orbcomm [15]等。單一軌道類型星座具有較為成熟的設計方法，一般采用Walker星座[16]的形式來進行星座設計。但單一軌道類型星座具有明顯的不足：GEO星座對中、高緯度地區平均覆蓋仰角較低，衰落余量大，存在“南山效應”，兩極附近有通信盲區；MEO、LEO需要大量衛星組成星座才能實現區域或全球無縫覆蓋，運行費用高。針對該問題，有大量文獻對新的星座形式進行了探討，其中以多層衛星網絡[17]（MLSN）最具代表性。多層衛星網絡在不同的軌道高度上同時布星，利用星間鏈路（ISL）建立立體交叉衛星網絡，從而將各種軌道高度衛星的優勢進行互補。但現有文獻對多層衛星網絡的研究主要集中在其組網和路由方面[18-21]，并沒有回答好多層衛星星座如何設計這個問題。

針對上述問題，我們從混合星座設計的角度考慮空間信息網絡中提供信息服務的衛星節點布設方法。混合星座采用不同軌道類型（GEO、傾斜地球同步軌道（IGSO）、高橢圓軌道（HEO）等）的衛星組成星座，相互之間優勢互補，具有比單軌道類型星座更好的性能。在文章中，我們首先提出了一種“骨干網+增強網”的混合星座設計方法，以GEO衛星節點構成骨干網，以IGSO、HEO、MEO或LEO衛星等其他軌道衛星節點作為增強網，實現全球覆蓋。與多層衛星網不同的是：該方法分清了星座組成中的“主”和“次”，并且星座中衛星軌道高度可以相同。然后利用該方法針對中國僅限國內建設信關站的國情，設計了一種“GEO+IGSO”混合星座，對其覆蓋性能進行了詳細分析。仿真結果表明：所提方法采用較少的衛星即能滿足全球無縫覆蓋并可僅依靠中國信關站落地。

1 “骨干網+增強網”混合星座設計方法

文章中，我們從業界普遍認同的“空間骨干節點”出發，提出一種骨干網+增強網的混合星座設計方法：采用GEO衛星作為骨干網，采用其他類型衛星作為增強手段。該星座設計方法將整個星座的構建過程分為兩個階段，具體描述如下。

（1）階段1。GEO衛星工作于距離地面高度為35 786 km的赤道軌道上，相對地面保持靜止，覆蓋范圍大，且技術相對成熟，運行維護方便。因此，在節點布設的第1個階段，采用3～5個分布在不同軌道位置上GEO星群組成空間骨干網。這里，考慮到軌道位置受限，每個軌道位置上布設多顆GEO衛星節點，物理上可能包括通信、中繼、遙感、導航等多種衛星，邏輯上可以看作一個信息服務節點，星群內衛星協作完成包括信息獲取、處理、傳輸、交換、存儲、分發等功能。GEO星群之間和星群內各衛星之間可通過高速的微波或激光星間鏈路實現信息交換。境外GEO衛星通過星間鏈路迂回，僅依靠中國信關站落地。當骨干網節點布設完畢后，空間信息網絡的基本功能就已初步具備。

（2）階段2。由于GEO衛星節點的軌道特性，骨干網對中、高緯度地區平均覆蓋仰角較低，衰落余量大，存在南山效應，無法覆蓋南北兩極。需要借助其他軌道類型的衛星來增強其覆蓋能力，彌補其不足。為了便于設計和建設，一般應采用同一軌道類型的衛星（譬如采用IGSO衛星、HEO衛星、MEO衛星或LEO衛星等）對骨干網的覆蓋進行增強。在該階段需要對中高緯度地區、兩極地區進行覆蓋增強，提高熱點區域的系統可用度，解決中、高緯度地區、城市、峽谷、山區、叢林等GEO衛星節點視線受限區域的信息服務需求。

2 混合星座設計方案

2.1 GEO衛星骨干網節點位置選取

考慮到中國沒有條件建設類似美國全球電信港的海外信關站，因此，GEO衛星骨干網節點布設過程中需重點考慮中國信關站地點這一約束條件。我們經過調研選取北京（39.9°N，116.4°E）、喀什（39.5°N，76.0°E）以及三亞（18.2°N，109.5°E）3個典型地點的信關站作為空間節點布設的約束條件。在實際應用中，衛星的波束邊緣仰角需要留有余量，在文中的覆蓋分析中，波束邊緣仰角取10°。考慮到中國信關站地址的限制，骨干網中的GEO衛星節點應盡可能多地對中國信關可見。這里考慮采用4顆GEO衛星的策略。

為使更多衛星節點對中國信關站直接可見，且兼顧中低緯度地區的覆蓋。首先，根據位于最東的北京信關站（39.9°N，116.4°E）以及波束邊緣仰角10°來確定中國領土東部GEO2節點的定點位置，為177.5°W；然后，根據位于最西的喀什信關站（39.5°N，76.0°E）確定中國領土西部GEO4節點的定點位置，為9.8°E。GEO1和GEO3節點分別位于GEO2和GEO4節點間空隙的中點位置，定點位置分別為96.1°E和83.9°W。4顆GEO衛星通過固定星間鏈路組成環路。如圖1所示，GEO1、GEO2和GEO4節點均能被中國信關站可見，唯一不可見的GEO3節點信息可以通過GEO2或GEO4一跳中繼落地中國信關站。該方案能夠覆蓋南北緯63.7°以內的區域。該方案在其覆蓋區和中國區域的平均通信仰角如圖2所示。可以看出：該方案在中國區域的平均通信仰角明顯高于3GEO方案。

2.2 GEO+IGSO混合星座

IGSO衛星與GEO衛星具有相同的軌道高度，因此具有與地球自轉周期相同的軌道周期，能夠充分繼承GEO衛星的優點，便于與GEO衛星組網融合。IGSO衛星可以采用兩種方式構成星座：地面同軌跡IGSO星座，星座中所有IGSO衛星具有相同的地面軌跡（地面軌跡成8字形，衛星傾角越大，8字越大），但衛星位于不同的軌道面，衛星之間的相對位置時刻變化；同軌道面IGSO衛星，星座中IGSO衛星位于同一軌道面內，相互之間相對靜止，便于建立星間鏈路。

地面同軌跡的IGSO衛星能夠對固定區域（譬如中國區域）進行接力覆蓋，增強中國及周邊區域的覆蓋性能。但是，由于中國信關站局限在領土范圍內，當IGSO衛星軌道傾角較高時，IGSO衛星星下點位于南極附近時對信關站不可見。表1給出了不同軌道傾角的IGSO衛星在一天中對信關站的不可見時間長度，其中IGSO衛星升交點經度為109.5°E（與三亞信關站經度相同），信關站為三亞（18.2°N，109.5°E）。

信息服務節點之間的鏈路一般是高速寬帶鏈路，星間鏈路波束寬度非常小。由于同地面軌跡的IGSO衛星位于不同的軌道，相互之間的俯仰和方位角實時變化，如果相互之間建立高速星間鏈路將對天線跟蹤和對準提出極高的要求，并且天線時刻調整對準方位也嚴重影響了使用壽命。因此，星座設計中，相對運動的衛星節點間盡可能不建立星間鏈路，以保證信息服務節點的高效、可靠的運行。

然而，若地面同軌跡IGSO衛星間不建立星間鏈路，從表1可知，衛星的軌道傾角不能超過53.4°。此時，4GEO骨干網+3地面同軌跡IGSO增強網的多星對地覆蓋情況如圖3所示。其中，4顆GEO衛星分別定點于96.1°E、177.5°W、83.9°W、9.8°E，相互之間通過星間鏈路組成環路；3顆IGSO衛星地面同軌跡，軌道傾角為53.4°，升交點經度為109.5°E，相互之間真近點角相差為120°，不建立星間鏈路。

從圖3中可以看出：此時仍有部分區域無法達到100%時間覆蓋，但中國安全利益重要區域得到了很好的多星覆蓋。為了彌補4GEO+3IGSO的覆蓋空隙，我們進一步提出將地面同軌跡IGSO衛星和同軌道面IGSO衛星相結合，結合的方法如下：

（1）至少包含3顆地面同軌跡IGSO衛星，以保證IGSO衛星對地面的連續接力覆蓋。

（2）至少包含3顆同軌道面的IGSO衛星，以建立IGSO衛星間鏈路，使對中國信關站不可見IGSO衛星的信息通過中繼落回中國信關站。

（3）存在1顆IGSO衛星既屬于地面同軌跡IGSO星座又屬于同軌道面IGSO星座，將兩種不同類型的IGSO星座密切結合。

也就是說，最少也需要5顆IGSO衛星即可將兩類IGSO星座密切地結合，如圖4所示。其中，IGSO1既屬于地面同軌跡同時又屬于同軌道面IGSO星座。

采用圖4中的5顆IGSO衛星作為增強網與GEO衛星骨干網組成混合星座，得到的多星覆蓋情況如圖5所示。其中4顆GEO衛星分別定點于96.1°E、177.5°W、83.9°W、9.8°E，相互之間通過星間鏈路組成環路；地面同軌跡3顆IGSO衛星軌道傾角為53.4°，升交點經度為109.5°E，相互之間真近點角相差120°，不建立星間鏈路；同軌道面的3顆IGSO衛星軌道傾角為53.4°，其中1顆IGSO衛星與地面同軌跡IGSO星座共用，相互之間真近點角相差120°，通過星間鏈路組成環路。

從圖5可以看出，覆蓋中仍存在縫隙，但此時同軌道面的IGSO衛星IGSO4、IGSO5僅考慮通過IGSO1中繼落入中國信關站。事實上，IGSO4有部分時間對北京信關站可見；而IGSO5衛星有部分時間對喀什信關站可見。因此，可以對5IGSO星座進行進一步調整：

（1）保留IGSO2和IGSO3衛星的軌道參數不變，因此IGSO2和IGSO3仍始終對中國信關站可見。

（2）擴大IGSO1、IGSO4和IGSO5衛星的軌道傾角，如果其中任何一顆衛星對中國信關站可見，其他兩顆衛星均能利用該衛星一跳中繼將信息傳回中國信關站。

表2通過仿真統計給出了當3顆同軌道面IGSO衛星軌道傾角調整過程中，3顆IGSO衛星同時對中國信關站不可見的時間。

顯然，3顆同軌道面的IGSO衛星IGSO1、IGSO4和IGSO5無論取何種軌道傾角，總有一顆IGSO衛星對中國信關站可見。因此，調整圖5混合星座中3顆同軌道面IGSO衛星的軌道傾角為60°，可得到改進后的4GEO+5IGSO混合星座的多星覆蓋，如圖6所示。

此時，4GEO+5IGSO混合星座在全球和中國區域的平均通信仰角（重疊覆蓋時取較大的仰角）如圖7所示。顯然，無論是在全球還是在中國區域，平均通信仰角均有較大程度的提升。

從圖6和圖7中可以看出，改進后的4GEO+5IGSO混合星座具有以下特點：

（1）僅采用9顆衛星即能夠對全球實現無縫覆蓋，這對中國安全和利益重點區域能夠達到非常好的多星覆蓋（3～4星100%時間覆蓋），將系統資源集中在重點區域。

（2）僅在同軌道面GEO、IGSO之間建立星間鏈路，由于同軌道面衛星之間相對靜止，星間鏈路可采用成熟的固定指向、窄波束寬帶天線。

（3）在中高緯度地區也具有高通信仰角，解決了解決中高緯度地區、城市、峽谷、山區、叢林等GEO衛星節點視線受限區域的信息服務需求。

（4）GEO、IGSO衛星軌道高度高，相對導航、遙感衛星俯仰方位角變化較慢，適合為導航衛星、低軌遙感衛星等用戶節點提供接入服務。

（5）整個星座中至少同時有6顆衛星（3顆GEO衛星、3顆IGSO衛星）對于中國信關站可見，其他不直接可見的衛星僅需一跳中繼即可與中國信關站互連，很好地解決了我中國僅能在國內布設信關站的關鍵問題。

3 結束語

我們首先提出了一種骨干網+增強網混合星座設計方法，以GEO衛星節點構成骨干網，以IGSO、HEO衛星等其他軌道衛星節點作為增強網，實現全球覆蓋。然后，重點針對中國僅在國內布設信關站這個強約束條件，設計了一種“4GEO+5IGSO”混合星座，對其覆蓋性能進行了仿真分析。結果表明：所設計星座達到全球無縫覆蓋所需衛星數量不超過9顆，并且能夠很好滿足“僅依靠中國信關站落地”這個強約束條件。

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