面向應急通信的低軌短數據通信星座優化設計

劉洋 劉武 戴媛媛 劉勇 李華 楊杰峰

關鍵詞： 應急通信; 短數據; 低軌衛星; 激光通信; 通信系統; 星座

中圖分類號： TN927?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）05?0019?04

Optimization design of LEO short data communication constellation

for emergency communication

LIU Yang， LIU Wu， DAI Yuanyuan， LIU Yong， LI Hua， YANG Jiefeng

（Shanghai Engineering Center for Microsatellites， Shanghai 201203， China）

Abstract： The design and optimization analysis of short data communication system based on low earth orbit （LEO） satellites are carried out to meet the requirement of various industries in civil and military fields for emergency communication. The global constellation optimization design method is used to obtain a short data communication satellite constellation composed of 49 LEO satellites distributed in 7 orbit surfaces. The satellites in the system provide the real?time transmission channels for user information transmission by means of laser link， which can maintain the communication link between the single satellite in constellation and more than 10 satellites at any time. The efficiency simulation results show that the system can realize the seamless coverage over all the land territories in China， cover more than 90% surrounding areas and low?latitude areas， and meet the requirement of information emergency transmission.

Keywords： emergency communication; short data; LEO satellite; laser communication; communication system; constellation

0 ?引 ?言

隨著國民經濟的高速發展，各行業對信息獲取的時效性要求增長迅速，通過穩定可靠的信息網絡進行高頻次信息交換的應用需求迫切。我國地域廣闊、地形復雜、受氣候及地理環境的影響大，地面通信網絡還無法覆蓋到海洋、沙漠及偏遠山區等，使得現有信息網絡中存在信息傳遞鴻溝，難以實現全區域用戶的實時性通信需求。據不完全統計，我國大約有30萬船只，包括海上運輸、漁船等需要實時的通信保障;在森林防火方面，我國共有約6萬個森林防火檢查站，護林人員約50萬名，實時通信需求十分迫切;在應急減災方面，汶川地震對我國通信設施的脆弱、應急通信手段不足等問題提出了嚴峻的挑戰;目前我國邊遠地區，包括許多自然村尚未建立完善的通信系統。

衛星通信系統，特別是衛星移動通信系統[1?3]成為現有地面移動通信網絡的有力補充和延伸，是應對突發事件應急信息傳輸的重要手段。而且我國包括軍隊、武警，公安、漁業、農業、民政等政府機構，以及石油、電力、氣象等部門都需要廣域的衛星移動通信系統提供高效可靠的保障支持。與同步軌道相比，中、低軌道衛星具有傳播時延短、路徑損耗低、頻率復用率高、衛星研制周期短、多星組網實現真正意義上的多星覆蓋、支持終端手持化等優點。全球性衛星移動通信系統主要采用中、低軌道衛星，低軌衛星短數據[4?5]移動通信系統具有傳輸時延長、通信突發時間短等特點，國際現有銥星[6?7]，ORBCOMM[8?9]，Globalstar[10]，ARGOS[11]等短數據和數據采集通信系統。

國際衛星雖能在一定程度上滿足通信需求，但信息安全性不能保障，資源調配受制于人，因此亟需發展滿足我國軍民各行業應急應用需求的短數據通信系統。本文設計了一套低軌短數據通信星座網絡并進行優化設計，能夠對我國及周邊領土全面覆蓋，為區域內用戶提供信息實時（準實時）傳輸通道，并通過系統效能仿真，驗證其可用性和有效性。

1 ?通信頻段

低軌衛星（LEO）由于自身的功率限制以及地面手持終端的功率限制，不宜使用過高的傳輸頻率，當前主流的LEO系統用戶鏈路頻段主要集中在2 GHz以下，如表1所示。這一頻段同時也是地面設備使用密集的頻率空間，而且多個衛星系統集中在這個頻段內就必須保證相互之間的干擾比較小。空間信息網絡的建立是以高速、靈活、準確傳輸用戶數據為目的，因此不可避免的需要大量的頻譜資源作為支撐，由于低軌衛星系統覆蓋范圍遠超于地面系統，因此衛星通信環境的頻譜狀況極為復雜。在衛星無線寬帶接入越來越接近商業化的今天，大帶寬的申請更是困難。對于低軌通信衛星而言，過高的頻率將使得鏈路的衰減量大幅上升，同時造成多普勒偏移過高，這對于地面的接收和發射都是極為不利的。

根據無線電頻率規劃，UHF頻段中400.15～401 MHz和410～420 MHz可用于空間研究，使用其附近頻段的系統有美軍特高頻后繼衛星通信系統（UFO）、美國戰術數據廣播系統（TIBS），增強型定位報告系統（EPLRS），工作頻段均為225～400 MHz。

目前，對于L頻段可用的衛星通信頻段僅有7 MHz，國際上已有數百份網絡申請資料，協調難度巨大，而且L頻段相對于UHF頻段鏈路衰減大，同樣的距離和接收增益，需要發射的EIRP更高，而現有的短數據衛星通信的ORBCOMM系統以及數據采集系統的ARGOS系統普遍采用UHF頻段，該頻段鏈路衰減小，有利于低功耗終端，故考慮方案的成熟度，終端的低功耗以及集成度，建議采用UHF頻段，在已有的UHF突發短數據的基礎上進行適應性功能擴展，可滿足性能指標要求。

2 ?系統設計

衛星星座按以下原則進行設計：

以用戶需求為中心：星座設計緊密結合用戶需求，以應急場景信息實時（準實時）交互應用為中心，兼顧軍、民用需求，實現軍民融合效益的最大化。

高效性：星座規劃合理，力求用最少的衛星實現中低緯度區域的全面覆蓋。

均衡性：星座設計均勻性和覆蓋性好，星間鏈路連通性好，滿足高時間分辨率重訪需求，實現各類業務信息的快速回傳和落地。

連續性：星座軌道設計便于后續任務部署的連續性、互補性和組網的便利性。

主要設計約束如下：

覆蓋范圍：可連續覆蓋北緯18°～53°區域（中國陸地主要區域），高頻次覆蓋北緯0°～18°區域。

軌道高度：600～1 200 km。

窄帶通信終端最小可通信仰角：15°。

衛星數目：盡量少（節省建設成本）。

軌道面數目：盡量少（節省運載成本）。

為實現重點地區的連續覆蓋和部分地區的高頻次覆蓋，采用約束多目標優化的方法，借鑒全球星的星座設計方法，優化得到多種衛星軌道高度和傾角一致的同構星座，星座的具體參數如表2所示。

進一步給出不同軌道高度的空間分布密度，如圖1所示，可知軌道高度在700～750 km和1 000～1 200 km，相對分布密度較低，可作為通信衛星的優選頻段。

從系統建設成本的方面考慮，700 km的設計星座所需衛星和軌道面較多，所需的運載數目也較多。因此，選用軌道高度為1 054 km，傾角為43.14°的圓軌道星座。

3 ?星間鏈路

對于系統的實時（準實時）短消息通信需求，要求系統必須具備快速的信息傳遞通道，能夠將用戶信息實時、準確、安全地送達至目標地址，這就需要通過建設相應的網絡體系將全部用戶互聯互通。

網絡可以通過地基和天基兩種方式來實現。目前，地面已利用光纖通信技術（即有線光通信技術）建立了地面高速光通信網絡，奠定了全球互聯網的物理基礎。但是，地面光纖網絡還無法覆蓋到地球上具有廣闊面積的海洋、沙漠及偏遠山區等，使得世界信息網絡中存在信息鴻溝，難以實現全區域用戶的實時性通信需求。

通過衛星的星間通信來實現信息的實時傳遞是保證信息實時傳遞的有效手段，通過微波和激光的方式均能實現。目前，使用星間微波進行信息傳遞的方式已在導航衛星上實現，但該方式存在傳遞信息帶寬受限的問題，且使用中存在與星地通信存在干擾的問題，在天基通信網絡建設時存在諸多應用瓶頸。

衛星激光通信[12?13]具有通信容量大、傳輸距離遠、保密性好等優點，將改變現有的衛星通信體制，給空間信息傳輸領域帶來革命性變化，在空間高速信息傳輸方面具有不可替代的作用，是建立空間信息網絡的主要支撐技術，能夠解決我國空間海量信息數據實時傳輸的瓶頸問題。低軌衛星用激光建立通信網，具有激光通信終端體積小、重量輕、性價比高、功耗低等優點，以低軌衛星激光通信網絡為基礎，通過星地激光鏈路或高軌衛星轉發，可與地面站、車載終端、艦載終端、機載終端等構成天地一體化空間信息傳輸網絡。因此，擬采用星間激光通信的方式形成天基信息互聯網，保證系統信息的實時傳輸。

為滿足星座組網的總體設計要求，采用收發空間分離的方式實現雙工通信。同時，為盡量節約空間與重量資源，設計采用無信標跟蹤的方案。通信和跟蹤共用同一個通信光源，并共用同一個通信探測器，從而極大地降低資源消耗。

4 ?效能分析

4.1 ?覆蓋百分比

首先，分析寬帶衛星對緯度0～90°之間的覆蓋百分比，如圖3所示。

對于重點區域的南北緯18°～54°之間，可實現100%的連續覆蓋，對于低緯度地區（南北緯0～18°）可實現不低于90%的覆蓋率。

4.2 ?覆蓋重數

在南北緯0～54°的區間內，不同緯度的覆蓋重數分布在1～2.17之間，覆蓋性能較好，如圖4所示。

4.3 ?通信仰角

分析不同緯度平均通信仰角（選取距離最近的衛星接入），如圖5所示，在南北緯0～46°的平均通信仰角分布在34.0°～47.6°，可獲得較好的通信性能;在46°～54°區間，平均通信仰角高于20°。

4.4 ?重訪時間

如圖6所示，星座的重訪性能在南北緯54°分為兩個區域：

1） 重點區域：處于南北緯18°～54°，連續實時覆蓋;

2） 低緯度地區：處于南北緯0～18°，平均重訪時間最大可達2 min，最大重訪時間達到5 min;每天重訪次數小于68次。

4.5 ?星間鏈路聯通性

短數據通信星座間鏈路聯通性見圖7。分析結果可知，任意時刻星座內任意單星與周邊至少10顆以上衛星存在可通信的鏈路，能夠保證信息的實時傳輸通暢。

5 ?結 ?語

通過對衛星的合理配置和軌道優化設計，利用不到50顆的低軌衛星就可以實現對我國領土的100%覆蓋，滿足各行業應急通信的需求。同時可兼顧低緯度地區的準實時短數據通信應用，方案具備較好的經濟性和可實施性，可為未來全球一體的通信網絡建設提供設計思路。

參考文獻

[1] 易克初，李怡，孫晨華，等.衛星通信的近期發展與前景展望[J].通信學報，2015（6）：161?176.

YI K C， LI Y， SUN C H， et al. Recent development and its prospect of satellite communications [J]. Journal on communications， 2015（6）： 161?176.

[2] 郝學坤，孫晨華，李文鐸.MF?TDMA衛星通信系統技術體制研究[J].無線電通信技術，2006，32（5）：1?3.

HAO X K， SUN C H， LI W D. The investigation of MF?TDMA satellite communication system [J]. Radio communications technology， 2006， 32（5）： 1?3.

[3] 張樂，金曉晨.國外衛星通信標準體系框架研究[J].衛星應用，2014（7）：28?31.

ZHANG L， JIN X C. Research on oversea satellite communication standard system [J]. Satellite applications， 2014（7）： 28?31.

[4] 宗可，曹桂興，閆忠文.數據通信微小衛星星座系統的發展及應用[J].航天器工程，2011，20（2）：66?71.

ZONG K， CAO G X， YAN Z W. Development and application of data communication microsatellite constellation system [J]. Spacecraft engineering， 2011， 20（2）： 66?71.

[5] 劉宇，鄒光南，王兆俊，等.衛星短報文通信系統研究[J].無線電工程，2014，44（10）：12?14.

LIU Y， ZOU G N， WANG Z J， et al. Research on satellite short datagram communication system [J]. Radio engineering， 2014， 44（10）： 12?14.

[6] LEMME P W， GLENISTER S M， MILLER A W. Iridium（r） aeronautical satellite communications [J]. IEEE aerospace and electronic systems magazine， 1999， 14（11）： 11?16.

[7] STERLING D E， HARLELID E. The Iridium system： a revolutionary satellite communications system developed with innovative applications of technology [C]// Proceedings of 1991 IEEE Military Satellite Communications Conference. McLean， America： IEEE，1991： 436?440.

[8] MIYAMOTO Y，UCHIDA K，ORII R， et al. Three?dimensional underwater shape measurement of tuna longline using ultrasonic positioning system and ORBCOMMB [J]. Fisheries science， 2006， 72（1）： 63?68.

[9] ORBCOMM. ORBCOMM system overview [EB/OL]. [2015?09?15]. http：//www.mesky.net/downn/kctedegi.

[10] DIETRICH F， METZEN P， MONTE P. The Globalstar cellular satellite system [J]. IEEE transactions on antennas and propagation， 1998， 46（6）： 935?942.

[11] 張少永，林玉池，熊焰.Argos衛星發射平臺研究與Argos通訊系統應用[J].海洋技術，2005（1）：25?28.

ZHANG S Y， LIN Y C， XIONG Y. Study on Argos transmitter terminal and its applications [J]. Ocean technology， 2005（1）： 25?28.

[12] BEGLEY D L. Free?space laser communication： a historical perspective [C]// 2002 IEEE Annual Meeting on Lasers and Electro?Optics Society. Piscataway， America： IEEE， 2002： 391?392.

[13] TOYOSHIMA M. Trends in satellite communications and the role of optical free?space communications [J]. Journal of optical networking， 2005（4）： 300?311.