一種MEO星座的覆蓋性能及組網(wǎng)方案分析

趙艷賓，王任寧，胡培培

（1. 北京國電高科科技有限公司，北京 100094；2. 保定市退役軍人事務(wù)局，河北 保定 071051；3. 63861部隊，吉林 白城 137000；4. 北京建企動力科技工程有限公司，北京 101100）

0 引言

地球靜止軌道（geostationary earth orbit，GEO）衛(wèi)星軌道位置資源緊張已久，隨著5G、6G以及物聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)的發(fā)展和衛(wèi)星制造、發(fā)射技術(shù)的進步，衛(wèi)星通信迎來了一股新的發(fā)展浪潮，以“星鏈（Starlink）”“OneWeb”為代表的多個超級低軌衛(wèi)星星座計劃為全球用戶提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入，商業(yè)化競爭與大國博弈交織，低軌軌道資源變得空前緊張[1-2]。目前高軌、中軌、低軌3種星座組網(wǎng)方式中，GEO星座單星覆蓋面廣、組網(wǎng)需要的衛(wèi)星數(shù)少、覆蓋范圍固定、天線跟蹤相對容易，但通信距離大、傳輸時延長、對衛(wèi)星和用戶終端的有效全向輻射功率（equivalent isotropically radiated power，EIRP）要求高，而且存在覆蓋盲區(qū)，典型星座有INMARSAT系統(tǒng)[3]、Thuraya系統(tǒng)[4]、ACeS系統(tǒng)[5]。低地球軌道（low earth orbit，LEO）星座相對時延小，最接近地面網(wǎng)絡(luò)時延要求，能夠?qū)崿F(xiàn)全球覆蓋，隨著近年商業(yè)小衛(wèi)星制造技術(shù)和發(fā)射技術(shù)的成熟，成為全球熱點新興產(chǎn)業(yè)，但LEO星座又存在組網(wǎng)需要衛(wèi)星數(shù)目多、切換頻繁、管理復(fù)雜等問題，典型星座有Iridium系統(tǒng)[6]、Globalstar系統(tǒng)[7]、Starlink系統(tǒng)[8]、Telesat系統(tǒng)[9]、OneWeb系統(tǒng)[10]等。中地球軌道（medium earth orbit，MEO）星座是高軌星座和低軌星座的折中，相對于GEO系統(tǒng)，MEO系統(tǒng)傳輸損耗小，降低了對手持機和星載天線的要求，研制手持機的難度與LEO系統(tǒng)大致相當，傳輸時延約為GEO系統(tǒng)的1/4，使得通過MEO衛(wèi)星的雙跳通信易被用戶接受，而且可以實現(xiàn)全球無縫覆蓋；相對于LEO系統(tǒng)，MEO衛(wèi)星移動速度慢，帶來的衛(wèi)星切換不是很頻繁，且衛(wèi)星覆蓋范圍大，星座需要的衛(wèi)星較少，系統(tǒng)設(shè)計和管理較簡單。所以從某種程度來看，MEO系統(tǒng)克服了GEO系統(tǒng)和LEO系統(tǒng)的缺點，其業(yè)務(wù)性能、服務(wù)壽命、傳輸時延、技術(shù)和實施風險、系統(tǒng)復(fù)雜性及系統(tǒng)費用都在可以實現(xiàn)和接受的范圍內(nèi)，適合提供全球通信服務(wù)[11]，典型星座有中圓軌道（intermediate circular orbit，ICO）系統(tǒng)[12]、O3b（other 3 billion）系統(tǒng)[13]等。ICO系統(tǒng)在提出過程中，曾對同步軌道、中軌道和低軌道進行反復(fù)論證，最后確定選擇MEO方案，采用兩個高度為10 350 km、傾角為45°的圓軌道，共有10個衛(wèi)星，另外備份2個衛(wèi)星。O3b星座系統(tǒng)是目前全球唯一一個成功投入商業(yè)運營的MEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)，系統(tǒng)整個星座并未對衛(wèi)星數(shù)量進行限制，一般采取8顆星一組的模式，可以按需增加衛(wèi)星數(shù)量，實現(xiàn)在軌容量擴展。按照美國聯(lián)邦通信委員會（Federal Communications Commission，F(xiàn)CC）批準條件，O3b系統(tǒng)能夠運營共計42顆中軌衛(wèi)星，兼用傾斜和赤道軌道，成為一個全球性通信系統(tǒng)。O3b第一代衛(wèi)星均運行在高度為8 062 km、傾角為0.03°的赤道上空MEO軌道，軌道周期為287.92 min，能夠覆蓋南、北緯45°之間所有地方，在南緯、北緯45°～62°范圍內(nèi)也能提供一定的服務(wù)。雖然部分衛(wèi)星系統(tǒng)項目停止或者公司破產(chǎn)重組，但都只是商業(yè)上的失敗，作為星座設(shè)計技術(shù)上的經(jīng)典案例，對本文星座設(shè)計仍具有重要參考意義。3種系統(tǒng)各有長短，我國對GEO、LEO星座系統(tǒng)都已有所布局，還需要對MEO星座系統(tǒng)進行布局，搶占MEO軌道位置資源和技術(shù)市場先機，本文價值在于為我國MEO星座系統(tǒng)如何組網(wǎng)規(guī)劃提供參考。

衛(wèi)星星座組網(wǎng)有兩種途徑：一是通過星際鏈路實現(xiàn)，如Iridium系統(tǒng)、Starlink系統(tǒng)、Telesat系統(tǒng)；二是通過地面信關(guān)站中繼實現(xiàn)，如ICO系統(tǒng)、O3b系統(tǒng)、Globalstar系統(tǒng)、OneWeb系統(tǒng)。在全球范圍內(nèi)布局地面信關(guān)站需要考量地形地貌、地緣政治等多重因素，OneWeb系統(tǒng)計劃部署70余個信關(guān)站，但依然難以實現(xiàn)全球無縫服務(wù)。基于星間鏈路及星上交換技術(shù)的組網(wǎng)方式可擺脫信關(guān)站部署障礙，對于實現(xiàn)全球服務(wù)能力、優(yōu)化信關(guān)站部署規(guī)模存在重要意義。目前，我國在境外建立地面站受限，適宜采用星際鏈路組網(wǎng)，同時當衛(wèi)星處于境內(nèi)上空時又可以實現(xiàn)地面站中繼組網(wǎng)，將兩種組網(wǎng)方案的優(yōu)勢結(jié)合起來進行混合組網(wǎng)，可以建立以我國區(qū)域覆蓋為主，同時兼顧全球的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。本文參考世界各MEO星座和我國國情，提出了一種（6+4）MEO星座方案，并使用STK[14]對星座覆蓋性能、星際鏈路特性和信關(guān)站選址及覆蓋性能進行了仿真分析[15]，論證了該方案的可行性。

1 星座組成及覆蓋性能分析

星座設(shè)計需要根據(jù)任務(wù)需求進行，基于當前我國國家利益在全球的拓展，星座應(yīng)實現(xiàn)全球覆蓋、提供基本接入，同時，我國是系統(tǒng)用戶和業(yè)務(wù)最多的地區(qū)，是重點服務(wù)區(qū)，在系統(tǒng)容量上應(yīng)提供更多接入點。基于以上需求，本文提出一種MEO星座，星座包含10顆MEO衛(wèi)星，其中6顆均勻分布在赤道軌道平面內(nèi)，相位角為60°、軌道傾角為0°；4顆均勻分布在極地軌道平面內(nèi)，相位角為90°、軌道傾角為90°。所有衛(wèi)星軌道高度為10 352 km，回歸周期為1天，1天內(nèi)運行4圈。重點服務(wù)區(qū)域中心位置在110°E，應(yīng)該使極地軌道衛(wèi)星地面軌跡關(guān)于此中心位置左右對稱，以取得對重點服務(wù)區(qū)域比較均勻的覆蓋，計算可得極軌道的升交點赤經(jīng)應(yīng)為89.6°，4顆衛(wèi)星的真近點角分別為0°、90°、180°、270°。當極軌道衛(wèi)星運行至赤道上空時，與相鄰兩顆赤道衛(wèi)星的間隔分別為15°和45°，使整個星座取得比較均勻的覆蓋效果。這里選用赤道軌道衛(wèi)星升交點赤經(jīng)為74.6°，真近點角分別為0°、60°、120°、180°、240°、300°。（6＋4）MEO星座的3D效果如圖1所示。

圖1 （6＋4）MEO星座的3D效果

星座的軌道要素確定后，使用STK對其10°最小仰角下的覆蓋性能進行仿真，赤道軌道和極地軌道的覆蓋特性（最低仰角10°）見表1，該星座可實現(xiàn)全球服務(wù)區(qū)全時100%覆蓋。星座的覆蓋性能是在緯度方向帶狀分布的，即相同緯度帶的覆蓋性能相同。

表1 赤道軌道和極地軌道的覆蓋特性（最低仰角為10°）

2 組網(wǎng)方案分析

衛(wèi)星之間是通過星際鏈路組網(wǎng)還是通過地面站組網(wǎng)需要綜合考慮多種因素。一方面，我國要實現(xiàn)全球通信，信關(guān)站只能建立在我國境內(nèi)，必須使用星際鏈路實現(xiàn)全球通信；另一方面，星際鏈路技術(shù)對衛(wèi)星復(fù)雜度要求較高，技術(shù)難度比較大，且受功率、容量等限制，星上處理能力有限，在能使用地面站的地方應(yīng)避免使用星際鏈路。下面對星際鏈路特性、信關(guān)站覆蓋性能進行分析。

2.1 星際鏈路組網(wǎng)

使用星際鏈路組網(wǎng)有很多優(yōu)點：傳輸條件好，星際鏈路信號不需要穿過大氣層，沒有大氣吸收、雨衰、遮擋、多徑效應(yīng)等損耗，可以采用頻率更高的波段或激光通信，實現(xiàn)大容量通信；傳輸效率高，星際鏈路中繼比地面站雙跳中繼傳播時延短，提高了傳輸效率，更容易滿足實時業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）要求；組網(wǎng)方便，地面信關(guān)站的建設(shè)會受政治、經(jīng)濟、地理等方面的限制，而星際鏈路沒有這些限制，系統(tǒng)路由選擇和網(wǎng)絡(luò)管理更加靈活方便；抗毀性強，所有衛(wèi)星通過星際鏈路互聯(lián)后，通信信號能不依賴于地面通信網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，極大地提高了系統(tǒng)抗干擾和抗摧毀能力；地面段壓力小。采用星際鏈路減少了對地面信關(guān)站的數(shù)量需求，從而可大大降低地面段的復(fù)雜度和投資。但是采用星際鏈路也帶來一些代價和難度：由于星際鏈路主要用作中繼網(wǎng)絡(luò)，對信噪比、帶寬要求都比信關(guān)站鏈路高，給收發(fā)天線、射頻設(shè)備、調(diào)制解調(diào)設(shè)備和基帶處理設(shè)備提出了更高的要求，而且衛(wèi)星必須具有星上處理和交換功能，以實現(xiàn)信號的星上選路和交換，衛(wèi)星研制難度較大；作為中繼鏈路，星際鏈路適合采用較高的工作頻段或采用激光星際鏈路，但天線指向捕獲困難，指向誤差會降低天線增益；星際鏈路距離和指向特性變化幅度較大、較快時，需要精準靈敏的星際鏈路天線指向控制和功率控制技術(shù)。

本星座同軌道相鄰衛(wèi)星之間的相對位置比較固定，星際鏈路特性幾乎不變，因此實現(xiàn)起來比較簡單，通過計算得知，10°最小仰角下的星地距離為10 352～14 500 km，傳輸時延為35～48 ms，軌道內(nèi)相鄰星間距離為10 352+6 370=16 722（km），傳輸時延為55.74 ms，隔一顆星的星際鏈路距離為16 722×1.732=28 962（km），傳輸時延為96 ms。可見，隔一顆星建立星際鏈路代價較大，且沒有明顯的優(yōu)勢，故軌道內(nèi)只是在相鄰星之間建立鏈路。

赤軌道面和極軌道面相互垂直，若按照距離最近的原則建立軌際鏈路，則某半個軌道周期（3 h）內(nèi)兩個軌道交點附近的鏈路建立情況見表2，半個周期內(nèi)要進行4次星際鏈路切換，鏈路持續(xù)時間分別為30 min、30 min、1 h、1 h。其他時刻以及另一個交點附近的鏈路情況與此類似。軌際鏈路JidiSat12-ChidaoSat13的方位角、仰角及距離變化特性如圖2所示，4:44—5:44鏈路建立期間星際距離范圍為3 102～15 013 km，方位角范圍為40°～0°(360°)～246°，仰角范圍為?27°～?5.3°，距離變化速率范圍為?6.06～6.06 km/s，角度變化速率范圍為0.005～0.128(°)/s。可見，軌際鏈路的距離和指向變化范圍很大，實現(xiàn)難度較大，應(yīng)考慮通過地面站實現(xiàn)軌際通信。

圖2 軌際鏈路JidiSat12-ChidaoSat13的方位角、仰角及距離變化特性

表2 某半個軌道周期（3 h）內(nèi)兩個軌道交點附近的鏈路建立情況

2.2 地面信關(guān)站組網(wǎng)

信關(guān)站數(shù)目與位置直接關(guān)系到整個網(wǎng)絡(luò)運行效率、所能提供服務(wù)的性能及系統(tǒng)可靠性等多個方面內(nèi)容，是系統(tǒng)設(shè)計的一個重要課題。信關(guān)站的選擇不僅要求節(jié)約投資、減少系統(tǒng)復(fù)雜度，還希望能夠保證系統(tǒng)安全性和提高系統(tǒng)的穩(wěn)健性等。信關(guān)站選擇原則和要求如下[1]：在滿足系統(tǒng)性能（容量）要求的前提下，信關(guān)站的數(shù)目要盡可能少，信關(guān)站過多不僅增大系統(tǒng)投資，且會增加系統(tǒng)的復(fù)雜度；赤軌道信關(guān)站和極軌道信關(guān)站之間要求始終保持有連接，因為在該系統(tǒng)中，異軌道衛(wèi)星之間星際鏈路實現(xiàn)難度較大，位于不同軌道衛(wèi)星覆蓋區(qū)下的用戶之間通過衛(wèi)星和信關(guān)站進行實時通信時，需要信關(guān)站之間的協(xié)同工作；信關(guān)站站址要求在我國自主控制的范圍內(nèi)，并且希望能夠通過信關(guān)站與其他地面網(wǎng)（固定網(wǎng)與無線網(wǎng)）相連；在星座給定的條件下，要求信關(guān)站站址合理，使得實時覆蓋區(qū)的面積盡可能大，所以一部分信關(guān)站要求盡量靠近邊境；盡可能滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性、穩(wěn)健性要求，需要冗余一定的備份信關(guān)站，在某些信關(guān)站失效時，系統(tǒng)能夠降級運行，但性能受到的影響相對較小。

表1指出，當?shù)孛嬲咀畹脱鼋菫?0°時，赤道軌道可以全時覆蓋到緯度為52.89°內(nèi)的區(qū)域，對52.89°～57.7°的地區(qū)是間斷覆蓋，其他高緯度覆蓋不到，極地軌道對48°以上的高緯度地區(qū)是全時覆蓋，對緯度48.2°內(nèi)的區(qū)域是間斷覆蓋，故可以在緯度為48.2°～52.89°的區(qū)域，如呼倫貝爾，建立軌道間中繼信關(guān)站，實現(xiàn)任何時候國外用戶之間的通信。而且，通過圖3所示的星座各個衛(wèi)星對中國國土的覆蓋情況也可以看出，任何時候，中國國土都可以同時連接到極地軌道星座和赤道星座，只要適當布局信關(guān)站，使得其中一些信關(guān)站與極地軌道通信，另外一些信關(guān)站與赤道軌道通信，即可通過兩個或多個地面站中繼來實現(xiàn)軌道間的通信。

圖3 星座各個衛(wèi)星對中國國土的覆蓋情況

參考ICO系統(tǒng)，假設(shè)每個信關(guān)站的容量為5 000路，每顆衛(wèi)星容量為4 500路[2]，國土大部分時間是被3+1或3+2顆星覆蓋，考慮到國土遼闊以及系統(tǒng)冗余量，對所有的可見星都要進行接入，5星容量為4 500×5路，地面至少需要5個接入信關(guān)站和1個中央信關(guān)站（網(wǎng)管中心所在站）。中央信關(guān)站可以建在北京。接入信關(guān)站要盡量靠近邊境，使信關(guān)站覆蓋范圍盡量寬廣，又能相互合作實現(xiàn)軌道間中繼通信，如呼倫貝爾、烏魯木齊、拉薩、海口、南京。呼倫貝爾單獨可實現(xiàn)24 h軌道間中繼通信，烏魯木齊或拉薩與海口或南京搭配也可實現(xiàn)24 h軌道間中繼通信。可見，軌道間通過地面站中繼組網(wǎng)的抗毀性很強，而且，我國國土及周邊的重點服務(wù)區(qū)用戶都可以直接接入信關(guān)站進行通信，不用經(jīng)過星際鏈路中繼，服務(wù)質(zhì)量更有保障。

2.3 方案性能對比

第2.1節(jié)分析指出軌際鏈路的距離和指向變化范圍很大，軌際鏈路組網(wǎng)實現(xiàn)難度較大，第2.2節(jié)指出通過合理配置地面信關(guān)站可實現(xiàn)軌際通信，下面再分析一下兩種軌際通信方案的時延特性，最終確定組網(wǎng)方案。赤道軌道覆蓋不到57.7°以上的區(qū)域，極地軌道全時覆蓋不到48.2°以下的區(qū)域，因此異軌道用戶地面站中繼時延最長的情況是極地軌道盲區(qū)用戶在我國國土的地球另一側(cè)，而赤道軌道盲區(qū)用戶在南極附近，地面站中繼時延（約400 ms）比軌際鏈路中繼時延（約200 ms）要長很多；地面站中繼時延最短的情況是極地軌道盲區(qū)用戶在中國國土的這一側(cè)，而赤道軌道盲區(qū)用戶在北極附近，地面站中繼時延（約200 ms）比軌際鏈路中繼時延（約250 ms）要稍短一點。其他地區(qū)用戶傳輸時延介于二者之間，大部分時間和地點都是軌際鏈路中繼時延優(yōu)于地面站中繼。

軌際鏈路中繼雖然具有時延短的優(yōu)勢，但其時延也在200 ms以上，來回將達到400 ms以上，已經(jīng)不能滿足實時性要求，而且還存在實現(xiàn)復(fù)雜、鏈路特性變化較大、對星上天線性能要求很高、鏈路管理麻煩等問題，加之我國的境內(nèi)通信業(yè)務(wù)量占整個業(yè)務(wù)量比重較大，更適合通過地面站中繼實現(xiàn)軌際通信。

基于以上分析，本MEO星座組網(wǎng)方案選擇混合組網(wǎng)：同一個軌道內(nèi)的相鄰衛(wèi)星間通過星際鏈路互連組網(wǎng)，不同軌道間的衛(wèi)星通過地面信關(guān)站實現(xiàn)互連組網(wǎng)。

3 結(jié)束語

當前國內(nèi)對LEO星座研究較多，對MEO星座研究較少，本文提出一種（6+4）MEO星座，用STK工具深入仿真分析了星座覆蓋性能、星際鏈路特性、地面信關(guān)站配置及覆蓋性能，分析論證了符合我國國情的混合組網(wǎng)方案，本方案通過地面站中繼實現(xiàn)軌道間通信，有效規(guī)避了利用星際鏈路實現(xiàn)軌際通信時存在的各種問題，系統(tǒng)組網(wǎng)簡單、可靠性強，在全球低軌衛(wèi)星軌道資源緊張的形勢下具有很強的戰(zhàn)略意義。當然，MEO星座系統(tǒng)作為GEO系統(tǒng)和LEO系統(tǒng)的折中，缺點也是相對的，MEO系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲在周期性變化、系統(tǒng)設(shè)計和管理相較GEO系統(tǒng)更復(fù)雜，實時性沒有LEO系統(tǒng)更接近地面網(wǎng)絡(luò)，在后續(xù)與5G、6G等地面網(wǎng)絡(luò)的融合中，應(yīng)用場景將受到影響，但是，從戰(zhàn)略角度考慮，我國仍應(yīng)該在MEO領(lǐng)域提前布局謀劃，搶占MEO頻率軌道資源，搶占技術(shù)和市場先機。