基于STK的MEO衛星通信系統的仿真與覆蓋分析

吳 昊，王 宇

（中國空間技術研究院西安分院陜西西安710100）

基于STK的MEO衛星通信系統的仿真與覆蓋分析

吳 昊，王 宇

（中國空間技術研究院西安分院陜西西安710100）

基于對中軌衛星通信系統星座覆蓋性能進行分析的目的，本文利用STK建立了兩種典型的中軌道衛星通信系統星座的仿真模型，通過星座仿真模型分別對其全球覆蓋性能和區域覆蓋性能進行了仿真分析。仿真結果表明，ICO和Odyssey衛星通信系統星座的全球平均覆蓋率均為100%，對北京區域的雙星覆蓋率均為100%，三星覆蓋率分別為87.5%，89.8%，四星覆蓋率分別為70.3%，34.2%，五星覆蓋率分別為21.1%，3.1%。在全球覆蓋性能方面，ICO星座和Odyssey星座均具有良好的覆蓋性能；在區域覆蓋性能方面，前者的多星覆蓋性能遠優于后者。

中軌衛星通信系統；STK；星座；覆蓋性能

利用中軌道（MEO）衛星提供全球移動通信[1]的優點在于：相比于GEO衛星，MEO衛星的傳輸損耗較小，對手持機和星載天線的要求也相應較低，研制難度與LEO衛星大致相當，其傳播時延也大約為GEO衛星的四分之一。同時，相比于LEO衛星，MEO衛星的移動速度較慢，降低了衛星切換的頻率，由于其較大的覆蓋范圍，MEO衛星通信系統需要較少的衛星就能實現全球覆蓋，降低了系統設計和管理的難度。因此，在某種程度上，MEO衛星通信系統克服了GEO衛星通信系統和LEO衛星通信系統的很多方面的缺陷，而且，它的傳輸時延、系統復雜性、技術和實施風險、業務性能、服務壽命以及系統費用均保持在可以實現和承受的范圍內，非常適合用于提供全球移動通信。Inmarsat的ICO系統和TRW空間技術集團公司提出的Odyssey（奧德賽）系統是兩個典型的中軌衛星通信系統。

衛星移動通信網絡[1]是以衛星星座為基本物理架構，多顆衛星按一定形狀分布，通過星際的通信鏈路形成覆蓋全球的天基通信網絡，具有一定的覆蓋性能。星座系統[2]具有較強的抗毀性、抗干擾性和冗余能力，在個別衛星部分功能失效或個別衛星被破壞的情況下仍能降級使用。星座覆蓋性能是衛星通信系統的重要特征，通過對星座覆蓋性能進行分析可以幫助我們了解衛星通信系統網絡組成，鏈路傳播特性，抗干擾性能等。

衛星工具軟件 STK（Satellite Tool Kit，STK）[3-4]是航天領域中先進的系統分析軟件，由美國分析圖形有限公司（Analytical Graphics Inc，AGI）研制，用于分析復雜的陸地、海洋、航空及航天任務。它可提供逼真的2維、3維可視化動態場景以及精確的圖表、報告等多種分析結果。支持衛星壽命的全過程，在航天飛行任務的系統分析、設計制造，測試發射以及在軌運行等各個環節中都有廣泛的應用，對于軍事遙感衛星的戰場監測、覆蓋分析、打擊效果評估等方面同樣具有極大的應用潛力。

文中利用STK衛星工具軟件，通過對ICO系統星座和Odyssey系統星座軌道設計理論參數進行分析討論，以標準軌道根數建立典型中軌衛星通信系統星座仿真模型，進而討論分析典型星座的覆蓋性能。

1 典型中軌衛星通信系統星座的軌道根數

1.1 經典軌道參數

衛星軌道參數是用來描述在太空中衛星運行的位置、形狀和取向的各種參數。在慣性坐標系中描述衛星運動的6個經典參數是：軌道半軸長a，軌道偏心率e，軌道傾角i，升交點赤經Ω，近地點中心角ω，衛星飛過近地點時刻τ。圖1為衛星運動軌道6個經典軌道參數的示意圖。

圖1 衛星在慣性坐標系中的運動

在實際應用中我們常用的是兩行星歷，在兩行星歷數據中就包含了衛星最重要的6個軌道參數，STK衛星仿真工具包也支持兩行星歷，而且STK還提供了多種對衛星運行軌道影響的因素如地球扁率等，為研究分析衛星運行軌道的性能提供了方便。

1.2 ICO衛星通信系統、Odyssey衛星通信系統星座特點

1）ICO衛星通信系統星座特點

ICO系統星座由12顆衛星組成，其中10顆為工作衛星，2顆為備用衛星，12顆衛星排列在與地球赤道分別成45°傾角的兩個平面上，位于距地球10 355公里的中圓軌道上。

2）Odyssey衛星通信系統星座特點

Odyssey系統星座也由12顆衛星組成，平均分布在與地球赤道分別成55°傾角的3個平面上，位于距地球10 354公里的中圓軌道上。

1.3 ICO衛星通信系統、Odyssey衛星通信系統星座的軌道根數

ICO系統星座設計和Odyssey系統星座設計[5-6]均采用網狀覆蓋星座（Walker星座）。Walker星座的特點是：一般衛星軌道是圓形軌道，各軌道平面平均分布，而且軌道平面中的衛星均勻分布，但Walker星座不適合于覆蓋南北極地區，一般選在南北緯72°地區。

根據ICO、Odyssey衛星通信系統星座的相關資料分析，可知ICO、Odyssey衛星通信系統星座半長軸分別為16 726 km、16 725 km，偏心率均為0，軌道傾角分別為45°、55°，升交點赤經均按照軌道數量在空間內均勻分布，平均近點角均按照同一軌道面內衛星數量在軌道面內均勻分布。

根據上述軌道參數計算ICO和Odyssey衛星通信系統星座軌道仿真的其他參數，其中每個軌道面的升交點赤經的取值見表1和表2，初始平均近點角的取值見表3和表4。

表1 ICO星座軌道面升交點赤經值

表2 Odyssey星座軌道面升交點赤經值

表3 ICO星座衛星的初始平近點角值

表4 Odyssey星座軌道面的升交點赤經值

2 ICO、Odyssey衛星通信系統星座仿真模型的建立

STK提供了多種衛星軌道[7-8]預測模型：

1）TwoBody

二體模型，只考慮地球中心引力。通常用于問題簡化后的原理分析。

2）J2Perturbation

在中心引力的基礎上，進一步考慮地球非球形的影響，但僅考慮最大的J2項影響。同樣，由于力模型過于簡化，通常不用于定量的工程計算。

3）J4Perturbation

增加J4項影響。模型精度依然不足以用于通常的定量工程計算。

4）HPOP

高精度軌道外推模型采用數值計算方法，可用于定量計算。

還有很多模型在這里就不再贅述了，為了簡化仿真，本文用的衛星軌道預測模型為TwoBody（二體）模型。采用STK工具包建立的ICO衛星通信系統星座仿真模型見圖2，Odyssey衛星通信系統星座仿真模型見圖3。

圖2 STK生成的ICO系統星座

圖3 STK生成的Odyssey系統星座

3 ICO、Odyssey衛星通信系統星座覆蓋性能仿真分析

3.1 衛星通信系統星座覆蓋性能分析的概念

覆蓋性能[9-10]是衛星通信系統星座在需要的時間和地點動態集中所需衛星容量的能力，具有時間和地點兩個方面的屬性。評價一個星座系統對某區域的覆蓋特性通常有星座覆蓋統計性能、單星覆蓋率、多星覆蓋率等指標。這些覆蓋性能均可以通過STK建立的衛星軌道模型仿真得到，文中仿真條均為理想條件。

星座覆蓋統計性能表征了衛星星座對某一指定區域的覆蓋水平。它包括兩方面的含義，一個方面是某一時刻衛星星座對指定地區的覆蓋程度；另一個方面是衛星星座在任一運行周期內，從任一星座覆蓋圖記起，到衛星星座重新運行到該星座覆蓋圖的一段時間內，衛星星座對該區域的覆蓋情況。

單星覆蓋率是指在目標區域內和星座運行周期內各采樣站點至少有1顆衛星覆蓋的概率。

多星覆蓋率是指在目標區域內和星座運行周期內各采樣站點至少有2顆或3顆以上衛星覆蓋的概率。

3.2 ICO、Odyssey衛星通信系統星座全球覆蓋性能仿真分析

計算衛星星座的全球覆蓋性能[11-12]時，需要在地球的表面取有限個采樣點，通過這些采樣點的統計結果來表示衛星星座的覆蓋特性。STK提供了一種簡單的柵格法取采樣點，即將地球的表面分成與經度和緯度線平行的柵格，柵格間的角距相等。

ICO衛星通信系統星座的運行周期為359 min，柵格間角距為6°，通過STK仿真得到ICO衛星通信系統星座在一個運行周期內的全球平均覆蓋率與時間的變化曲線如圖4所示。Odyssey衛星通信系統星座的運行周期為359 min，柵格間角距為6°，通過STK仿真得到Odyssey衛星通信系統星座在一個運行周期內的全球平均覆蓋率與時間的變化曲線如圖5所示。

圖4 ICO系統星座全球平均覆蓋率變化曲線

圖5 Odyssey系統星座全球平均覆蓋率變化曲線

通過仿真結果可以得到ICO、Odyssey衛星通信系統星座在一個運行周期內的全球平均覆蓋率為100%。兩者對全球范圍均可以提供全天時的覆蓋，非常適合用于提供全球移動通信。

3.3 ICO、Odyssey衛星通信系統星座區域覆蓋性能仿真分析

STK提供了FOM（品質參數）模塊[13-14]，可以利用FOM模塊進行多星覆蓋性能仿真分析，圖6、圖7分別給出了ICO、Odyssey衛星通信系統星座對北京區域衛星覆蓋數量隨時間的變化曲線。

圖6 ICO系統星座區域衛星覆蓋數量變化曲線

圖7 Odyssey系統星座區域衛星覆蓋數量變化曲線

從圖6的仿真結果可以計算出，ICO衛星通信系統星座在一個運行周期內對北京的雙星覆蓋率為100%，三星覆蓋率為87.5%，四星覆蓋率為70.3%，五星覆蓋率為21.1%。

從圖7的仿真結果可以計算出，Odyssey衛星通信系統星座在一個運行周期內對北京的雙星覆蓋率為100%，三星覆蓋率為89.8%，四星覆蓋率為34.2%，五星覆蓋率為3.1%。

從ICO、Odyssey衛星通信系統星座對北京的多星覆蓋率仿真結果可以看出，兩者對北京都可以實現100%的雙星覆蓋，兩者對北京的三星覆蓋率大致相當，但ICO衛星通信系統星座對北京的四星覆蓋率和五星覆蓋率都遠遠高于Odyssey衛星通信系統星座。

4 結束語

近年來，隨著無線通信和移動通信的迅速發展，層出不窮的移動通信新技術使人們能夠在任意時間、任意地點與其他人以任意方式進行交換各種信息。其中，衛星網絡的快速發展使衛星通信成為移動通信技術中最重要的通信方式之一。

MEO衛星通信系統克服了GEO衛星通信系統和LEO衛星通信系統的很多方面的缺陷，而且，它的傳輸時延、系統復雜性、技術和實施風險、業務性能、服務壽命以及系統費用均保持在可以實現和承受的范圍內，非常適合用于提供全球移動通信。

衛星星座作為衛星移動通信系統的基本物理架構，其組織結構形式決定了衛星星座對指定區域的覆蓋質量，而較好的覆蓋是中軌衛星通信系統對指定區域提供滿意的通信的前提和保障。衛星工具軟件STK是航天領域中先進的系統分析軟件[15]，用于分析復雜的陸地、海洋、航空及航天任務。它可提供逼真的2維、3維可視化動態場景以及精確的圖表、報告等多種分析結果。支持衛星壽命的全過程，在航天飛行任務的系統分析、設計制造，測試發射以及在軌運行等各個環節中都有廣泛的應用，對于軍事遙感衛星的戰場監測、覆蓋分析、打擊效果評估等方面同樣具有極大的應用潛力。

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Simulation and coverage analysis of the constellation of the MEO satellite communication system based on STK

WU Hao，WANG Yu
（Chinese Academy of Space Technology（Xi’an），Xi'an710100，China）

Based on the analysis of the constellation coverage performance of the satellite communication system，this paper uses STK to set up two constellation simulation models of the typical satellite communication system.Then the simulation and analysis of their global and regional coverage performance are carried out.The simulation results show that the global coverage rate of ICO and Odyssey are 100%.In Beijing region，the double?satellite coverage rate for is 100%，and the triple?satellite coverage rates are 87.5%and 89.8%，and the four?satellite coverage rates are 70.3%and 34.2%，and the five?satellite coverage rates are 21.1%and 3.1%.The ICO has fine global coverage performance with Odyssey and its multiple coverage performance is even better than that of Odyssey in Beijing region.

MEO satellite communication system；STK；constellation；coverage performance

TN927+.23

A

1674-6236（2017）22-0120-04

2016-10-11稿件編號：201610043

吳昊（1990—），男，陜西咸陽人，碩士研究生。研究方向：空間通信技術。