基于分布式星群的雙層星座設(shè)計(jì)

蔣季，彭木根，王文博

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基于分布式星群的雙層星座設(shè)計(jì)

蔣季，彭木根，王文博

（北京郵電大學(xué)，北京 100876）

當(dāng)前，陸地通信系統(tǒng)已無法滿足日益復(fù)雜的信息需求，利用空間信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的無縫覆蓋和高效容量傳輸成為研究熱點(diǎn)。現(xiàn)有衛(wèi)星通信系統(tǒng)以單層星座為主，缺少高低軌衛(wèi)星之間的協(xié)同。提出了一種基于分布式星群的雙層星座設(shè)計(jì)，以基于分布式星群的低軌衛(wèi)星作為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)，采用星間鏈路實(shí)現(xiàn)低軌衛(wèi)星之間的通信，通過高軌衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)中低緯度地區(qū)覆蓋性能加強(qiáng)。仿真結(jié)果表明，所提方法在僅依靠在國內(nèi)部署衛(wèi)星地面站的前提下可實(shí)現(xiàn)全球多重覆蓋。

空間信息網(wǎng)絡(luò)；星座設(shè)計(jì)；衛(wèi)星協(xié)同；分布式星群

1 引言

空間信息網(wǎng)絡(luò)是以空間平臺(tái)為載體，實(shí)時(shí)獲取、傳輸和處理各類信息的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1]。由于環(huán)境與成本因素的影響，目前陸地通信系統(tǒng)在一些環(huán)境下無法提供通信服務(wù)[2]，如海洋、沙漠、森林等偏遠(yuǎn)地區(qū)部署基站成本高，使用率低；地震、泥石流等自然災(zāi)害的發(fā)生將導(dǎo)致地面基站毀壞，無法提供通信；某些熱點(diǎn)區(qū)域由于短時(shí)間內(nèi)用戶數(shù)量大幅增加，帶來嚴(yán)重的地面通信阻塞問題[3]。而空間信息網(wǎng)絡(luò)在廣域覆蓋、應(yīng)急通信和大規(guī)模信息傳輸方面都具有明顯的優(yōu)勢，能夠充分彌補(bǔ)地面通信系統(tǒng)的不足[4]。

衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)承載整個(gè)空間信息網(wǎng)絡(luò)的主要業(yè)務(wù)，根據(jù)運(yùn)行的軌道高度不同，這些衛(wèi)星被分為高軌衛(wèi)星、中軌衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星3種[5]，其中高軌衛(wèi)星的軌道高度固定在35 786 km，中軌衛(wèi)星的軌道高度為2 000~20 000 km，低軌衛(wèi)星的軌道高度一般為500~1 500 km[6]。衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)處于高速運(yùn)行狀態(tài)，需要相互協(xié)同、構(gòu)成星座，才能實(shí)現(xiàn)良好的覆蓋性能和通信性能，因此，衛(wèi)星的部署問題是整個(gè)星座設(shè)計(jì)的核心。我國國情為空間信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)增加了額外約束條件：首先，我國無法在全球范圍內(nèi)部署衛(wèi)星地面站，當(dāng)前衛(wèi)星通信系統(tǒng)普遍采用的天星地網(wǎng)不適用于我國的星座設(shè)計(jì)，天星地網(wǎng)的主要特點(diǎn)是衛(wèi)星之間不組網(wǎng)，依靠全球分布的地面站實(shí)現(xiàn)通信服務(wù)，衛(wèi)星只充當(dāng)簡單的轉(zhuǎn)發(fā)通道[7]，而我國無法采用這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在星座設(shè)計(jì)過程中必須將地面站限制在我國境內(nèi)，衛(wèi)星之間通過星間鏈路進(jìn)行信息互通。其次，我國靜止衛(wèi)星軌道位置、頻率資源稀缺，而中低軌衛(wèi)星的傳輸帶寬有限，所以必須采用有效手段解決業(yè)務(wù)帶寬需求和衛(wèi)星平臺(tái)承載能力之間的矛盾。分布式星群通過采用“多顆衛(wèi)星等效為一顆大衛(wèi)星”的方式提升服務(wù)能力，為緩解我國匱乏的空間頻率、軌位資源提供了新思路[8]。

現(xiàn)有的大部分空間系統(tǒng)均采用單層軌道衛(wèi)星星座，其中高軌單層系統(tǒng)有ViaSat1、SES12等，中軌單層系統(tǒng)有Odyssey、O3b等，低軌單層系統(tǒng)有 Iridium、OneWeb等，玫瑰星座和極軌道星座都是較為成熟的星座構(gòu)型，廣泛應(yīng)用于單層衛(wèi)星系統(tǒng)。但隨著通信要求的提高，單層衛(wèi)星系統(tǒng)的不足日益凸顯。在高軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，GEO運(yùn)行軌道高，帶來較大傳播時(shí)延；軌道位置固定，覆蓋范圍限制在中低緯度地區(qū)，無法覆蓋高緯度以及兩極地區(qū)，MEO/LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的單顆衛(wèi)星覆蓋面積有限，需要大量的衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球的無縫覆蓋[9]。針對上述問題，大量參考文獻(xiàn)提出了多層衛(wèi)星通信系統(tǒng)，參考文獻(xiàn)[10]提出了一種三層衛(wèi)星通信架構(gòu)；參考文獻(xiàn)[11]提出了一種跨 LEO/ MEO的兩層通信架構(gòu)，但集中于路由算法的研究，不涉及多層衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)問題；參考文獻(xiàn)[12]提出了一種骨干網(wǎng)和增強(qiáng)網(wǎng)的混合星座設(shè)計(jì)方法，但其衛(wèi)星軌道還是集中在高軌部分，不能解決高軌衛(wèi)星的不足問題。

為了滿足全球覆蓋性能，本文提出了一種基于分布式星群的雙層星座架構(gòu)。GEO和LEO雙層協(xié)同，低軌部分采用分布式星群加強(qiáng)性能，并利用星間鏈路進(jìn)行衛(wèi)星間的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)我國建站條件下的全球覆蓋。仿真結(jié)果表明，相比于僅依靠低軌衛(wèi)星的單層系統(tǒng)，基于分布式星群的雙層衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其覆蓋性能和平均通信仰角性能大大提高。

2 當(dāng)前星座構(gòu)型

衛(wèi)星星座是由多顆衛(wèi)星按照一定構(gòu)型組成的集合，通過多個(gè)節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作實(shí)現(xiàn)一定的覆蓋性能。衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)是星座的核心部分，設(shè)計(jì)星座的過程中需要對衛(wèi)星的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行確定，這些參數(shù)如圖1所示，包括：軌道平面傾角，升交點(diǎn)赤經(jīng)，近地點(diǎn)幅角，軌道半長軸，軌道的偏心率，真近點(diǎn)角。其中，軌道平面的位置由前兩個(gè)要素確定，軌道在軌道平面內(nèi)的指向由第3個(gè)要素確定，軌道的大小和形狀由第4、第5要素確定，衛(wèi)星某一時(shí)刻在軌道中的位置由最后一個(gè)要素確定[13]。

在星座設(shè)計(jì)的過程中，不僅需要確定衛(wèi)星的相關(guān)參數(shù)，還需要確定星座的幾何構(gòu)型。為了設(shè)計(jì)滿足全球覆蓋性能的衛(wèi)星星座，基礎(chǔ)星座通常從極軌星座和玫瑰星座中產(chǎn)生。圖2(a)和圖2(b)分別顯示的是6個(gè)軌道面中，每個(gè)軌道面11顆衛(wèi)星的情況下極軌星座和玫瑰星座的構(gòu)型。

圖1 衛(wèi)星軌道參數(shù)

圖2 軌道星座構(gòu)型

極軌道星座與玫瑰星座都屬于對稱星座，軌道面分布均勻，每個(gè)軌道面上衛(wèi)星數(shù)目相同，極軌道星座的軌道面經(jīng)過兩極且與赤道面垂直，而玫瑰星座軌道面傾角一般小于90°。兩個(gè)星座軌道特點(diǎn)的不同決定了兩個(gè)星座性能的不同，玫瑰星座中衛(wèi)星均勻分布，而極軌道星座中衛(wèi)星集中在兩極地區(qū)，人口集中的中低緯度地區(qū)衛(wèi)星數(shù)目反而小。在軌道部署相同的條件下，玫瑰星座的覆蓋性能優(yōu)于極軌道星座。大多數(shù)不采用星間鏈路的導(dǎo)航衛(wèi)星星座，如GPS、北斗等都采用玫瑰星座。而極軌道星座中衛(wèi)星之間相對位置穩(wěn)定，便于星間鏈路的維護(hù)，多作為空中組網(wǎng)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)構(gòu)型[14]。我國無法大規(guī)模部署海外衛(wèi)星地面站，衛(wèi)星之間的通信必須借助星間鏈路實(shí)現(xiàn)，所以本文將基于極軌道星座進(jìn)行軌道設(shè)計(jì)。

在極軌道衛(wèi)星星座中，單顆衛(wèi)星可以維持多條星間鏈路。常用的衛(wèi)星系統(tǒng)單星維持4條星間鏈路，如Iridium系統(tǒng)，除兩個(gè)相鄰的逆向軌道面上的衛(wèi)星以外，每顆衛(wèi)星均維持4條星間鏈路，分別與同軌道面上前后兩顆相鄰衛(wèi)星和左右軌道面上的兩顆衛(wèi)星互連[15]。隨著星座中衛(wèi)星數(shù)目的增加，空中組網(wǎng)方式更加復(fù)雜，單星所維持的星間鏈路數(shù)目也逐步增加。星間鏈路的部署也是本文星座設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

3 基于分布式星群的雙層星座架構(gòu)

本文提出了一種基于分布式星群的雙層星座架構(gòu)。首先，GEO和 LEO雙層協(xié)同，GEO能加強(qiáng) LEO對于中低緯度地區(qū)的覆蓋，中低緯度地區(qū)正好是全球人口分布相對密集的區(qū)域，且LEO避免了 GEO通信時(shí)延大、鏈路損耗高、無法覆蓋高緯度地區(qū)的問題，具有比單軌道衛(wèi)星更好的性能。其次低軌部分采用分布式星群的架構(gòu)，其特點(diǎn)是將一顆大衛(wèi)星的功能分散到多顆小衛(wèi)星上，實(shí)現(xiàn)服務(wù)能力的增強(qiáng)。最后考慮到我國沒有建立海外衛(wèi)星地面站的條件，在軌道設(shè)計(jì)的過程中加入星間鏈路，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星之間的通信。

3.1 高軌衛(wèi)星位置選取

地球同步軌道可以部署4顆GEO，加強(qiáng)中低緯度地區(qū)的覆蓋[12]。考慮到全球覆蓋和僅在我國境內(nèi)建立衛(wèi)星地面站的條件，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(gè)位置作為地面站，基于地面站的可見性將4顆GEO部署在177.5°W、9.8°E、96.1°E和116.4°W。高軌衛(wèi)星的部署，增強(qiáng)了中低緯度地區(qū)的覆蓋性能，如圖3所示。

圖3 4顆GEO衛(wèi)星對地覆蓋情況

3.2 基于分布式星群的低軌衛(wèi)星架構(gòu)

在低軌部分，以實(shí)現(xiàn)了全球覆蓋的銥星為基礎(chǔ)進(jìn)行部署，銥星星座是一個(gè)擁有6個(gè)軌道面，每個(gè)軌道面上平均部署11顆衛(wèi)星的極軌道星座[9]。采用分布式小星群代替原來的銥星系統(tǒng)中的單顆衛(wèi)星，小星群內(nèi)部衛(wèi)星的架構(gòu)如圖4所示。

圖4 分布式星群架構(gòu)

每個(gè)小星群包含9顆衛(wèi)星，其中心的衛(wèi)星相當(dāng)于一個(gè)管理者，以8條星間鏈路分別連接星群中的其他衛(wèi)星，并以4條星間鏈路分別與前后兩顆相鄰星群和左右軌道面上的星群的主星進(jìn)行連接，這樣星群間以及星群內(nèi)部的通信都通過星間鏈路實(shí)現(xiàn)，解決了我國無法全球布站的問題，低軌部分的軌道以及衛(wèi)星情況如圖5所示。副星只有簡單的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)功能，而主星完成復(fù)雜的控制和計(jì)算，并通過星間鏈路實(shí)現(xiàn)與副星的通信，主星需要較強(qiáng)的計(jì)算能力來保證副星的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，并在運(yùn)行過程中維持多條星間鏈路，但主副星的架構(gòu)使得數(shù)據(jù)與控制分離，副星的功能單一化，便于實(shí)現(xiàn)，主星實(shí)現(xiàn)集中式管理，每條副星只維持一條星間鏈路，降低了副星的部署與維護(hù)成本[4]，且隨著小衛(wèi)星成本的降低以及一箭多星技術(shù)的成熟，該星座設(shè)計(jì)的成本會(huì)顯著降低。星間鏈路解決了無法全球布站的問題，且現(xiàn)階段teledesic840星座已經(jīng)提出了每顆衛(wèi)星8條星間鏈路部署方案，在本設(shè)計(jì)方案中，主星實(shí)時(shí)維持4條與相鄰主星的星間鏈路，主星與副星的星間鏈路通過數(shù)據(jù)傳輸量進(jìn)行調(diào)整，而副星功能單一，數(shù)據(jù)量少，數(shù)據(jù)傳輸完成后保證休眠狀態(tài)，大大減少了主星負(fù)擔(dān)。

圖5 基于分布式星群的低軌衛(wèi)星架構(gòu)

基于分布式星群的雙層星座架構(gòu)如圖6所示，小圈代表了GEO的位置，方框代表了LEO的位置。以下將通過仿真來驗(yàn)證本星座設(shè)計(jì)在性能方面的提升。

圖6 基于分布式星群的雙層星座架構(gòu)

在本星座設(shè)計(jì)中，低軌衛(wèi)星和高軌衛(wèi)星協(xié)同合作，即體現(xiàn)在覆蓋協(xié)同方面，也體現(xiàn)在業(yè)務(wù)協(xié)同方面[6]。高軌衛(wèi)星相對地面靜止，通信時(shí)延大，不適用于時(shí)延敏感業(yè)務(wù)，所以時(shí)延敏感的實(shí)時(shí)通信業(yè)務(wù)會(huì)依賴于低軌衛(wèi)星通信。但低軌衛(wèi)星覆蓋范圍和容量小，當(dāng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離大規(guī)模衛(wèi)星通信時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過多個(gè)低軌衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，導(dǎo)致時(shí)延和復(fù)雜度的上升，但這種情況下低軌衛(wèi)星間的轉(zhuǎn)發(fā)由高軌衛(wèi)星完成，路由轉(zhuǎn)發(fā)過程得到簡化，時(shí)延降低。

4 仿真與分析

GEO/LEO雙層架構(gòu)在保證多重覆蓋的情況下，通信仰角也大大提高，本部分將通過仿真結(jié)果與銥星系統(tǒng)進(jìn)行對比，從全球覆蓋情況、中低緯度覆蓋重?cái)?shù)和平均通信仰角3個(gè)方面來證明本架構(gòu)性能的提升。仿真參數(shù)如下，低軌衛(wèi)星高度為780 km，星群個(gè)數(shù)為66個(gè)，每個(gè)星群中衛(wèi)星數(shù)目為9顆，每個(gè)中心衛(wèi)星維持的星間鏈路數(shù)目為12條，其中8條分配給星群內(nèi)部的相鄰衛(wèi)星，星間鏈路最大長度為1 936 km，4條分配給相鄰星群的主星，星間鏈路長度大約為4 100 km。

4.1 覆蓋重?cái)?shù)對比

兩個(gè)星座都能實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的覆蓋，但在保證全球覆蓋的情況下，本系統(tǒng)相比于銥星系統(tǒng)，中低緯度地區(qū)覆蓋重?cái)?shù)明顯加強(qiáng)，中低緯度地區(qū)覆蓋重?cái)?shù)越大，可供選擇的衛(wèi)星越多，星座抗打擊能力越強(qiáng)，系統(tǒng)的頑健性越好[16]。銥星中低緯度地區(qū)衛(wèi)星覆蓋重?cái)?shù)的情況如圖7(a)所示，不足4重，而基于分布式星群的雙層星座在中低緯度地區(qū)衛(wèi)星覆蓋重?cái)?shù)的情況如圖7(b)所示，性能大大提高。由圖7可知，雙層系統(tǒng)的平均覆蓋重?cái)?shù)明顯增加，整個(gè)區(qū)域的衛(wèi)星覆蓋重?cái)?shù)都在4以上。

圖7 星座中低緯度地區(qū)覆蓋重?cái)?shù)

4.2 平均通信仰角對比

對于移動(dòng)通信系統(tǒng)，由于阻塞和多徑效應(yīng)，電子流衰減、大氣吸收以及閃爍對于衛(wèi)星鏈路的影響較大，影響的程度主要由鏈路經(jīng)過大氣層的路徑長度決定，而路徑長度又直接由通信仰角決定[17]。隨著仰角的增大，路徑長度減小，通信質(zhì)量提高。圖8顯示了雙層星座與銥星星座在中低緯度地區(qū)的平均通信仰角的情況對比，由圖8可知，在保證全球覆蓋的情況下，銥星星座的平均通信仰角為25°~35°，而雙層星座的平均通信仰角為58°~65°，明顯高于銥星系統(tǒng)。

圖8 全球平均通信仰角對比

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于分布式星群的雙層星座架構(gòu)，低軌部分主要由分布式星群組成，每個(gè)星群內(nèi)部由星間鏈路連接，解決了我國無法全球部署衛(wèi)星地面站的問題，高軌部分由4顆同步軌道衛(wèi)星組成，增強(qiáng)中低緯度地區(qū)的覆蓋性能。最后由仿真結(jié)果可知，全球衛(wèi)星覆蓋重?cái)?shù)明顯增加，平均通信仰角也得到了極大提高。

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Design of double layer satellite constellation based on distributed satellite clusters

JIANG Ji, PENG Mugen, WANG Wenbo

Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China

Nowadays, the land communication system is unable to support the complex information needs, and realizing global seamless coverage and high capacity through space information network is anticipated. The existing satellite network is mainly composed of single satellite constellation, which absents the cooperation between the low earth orbit (LEO) satellites and geostationary orbit (GEO) satellites. A double-layer satellite constellation based on distributed satellite clusters was proposed, in which the infrastructure layer was composed of LEO satellites, the communication between LEO satellites was accomplished over inter-satellite links (ISL), and GEO satellites enhance the performance of coverage in low and middle latitudes. As simulation results show, the proposed approach can realize excellent global multiple coverage only relying on the deployment of satellite earth stations in China.

space information network, constellation design, satellite collaboration, distributed satellite cluster

V474

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2018172

2017?11?08；

2018?03?28

國家科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（No.HQGF01601877GGN00）

The National Science and Technology Major Project of China (No.HQGF01601877GGN00)

蔣季（1994?），女，北京郵電大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)星座設(shè)計(jì)。

彭木根（1978?），男，北京郵電大學(xué)教師發(fā)展中心主任、教授，主要研究方向?yàn)槲磥頍o線網(wǎng)絡(luò)、霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)和協(xié)同通信理論。

王文博（1965?），男，北京郵電大學(xué)副校長，主要研究方向?yàn)闊o線傳輸技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)理論、無線信號(hào)處理。