一種低軌通信衛星單天線饋電鏈路切換方法

竇宏浩 章雷 徐良 貝超 李常亮 楊彪 張世杰 劉麗

(航天科工空間工程發展有限公司,北京 100854)

低軌通信衛星星座網絡作為空間信息傳輸骨干網,具備廣域覆蓋、可靠傳輸等特點,是重要的戰略基礎設施,低軌衛星互聯網是低軌通信衛星網絡的重要組成部分[1]。在低軌衛星互聯網星座系統中,衛星與用戶終端的通信鏈路構成用戶接入網,與分布在不同區域的地面信關站的通信鏈路構成饋電承載網。其中,饋電鏈路作為衛星與地面信關站之間高速傳輸通道,擔負著星上用戶數據、星間數據、隨路測控數據等業務與地面網絡交互的責任,饋電鏈路連續、穩定地通信[2],是星上各種業務實時、高速地接入地面互聯網絡的重要保障。

低軌互聯網衛星沿著固定軌道高速飛行過程中,衛星與信關站之間的相對位置不斷變化,通過調整饋電天線波束指向,保證在飛行過程中饋電波束持續指向地面信關站,從而實現饋電鏈路持續通信。衛星與信關站的可通信時長與軌道高度、饋電波束可調整范圍,以及信關站最小通信仰角有關,軌道高度為500～1200km的低軌衛星與一個信關站的饋電通信時長一般為6～13min。為了增加饋電鏈路通信時長,通常會在地面建立多個信關站,形成一個由多個衛星和信關站構成的饋電鏈路承載網,衛星在軌飛行過程中通過饋電鏈路在不同信關站之間切換實現饋電業務持續傳輸。

目前饋電天線有相控陣天線、反射面天線、喇叭天線等多種形式,綜合考慮饋電天線的研制成本、指向精度、天線增益、質量、功耗等多重因素,反射面天線具有明顯優勢,國內外大多數在軌衛星都采用反射面天線作為饋電天線,如OneWeb衛星、Starlink衛星等[3-4]。

星地饋電鏈路的波束調整需要通過控制伺服電機驅動反射面天線來實現,該過程存在機械運動,需要一定轉動時間[5]。當衛星需進行饋電鏈路切換時,饋電天線需要旋轉較大角度范圍指向幾百至數千千米外的下一個信關站,天線旋轉時間較長,無法保證饋電鏈路不中斷。為了解決該問題,傳統方法采用星上配置兩副饋電天線,通過雙饋電天線進行接力切換。

雙饋電天線同一時刻僅使用其中一副,使用率只有50%,且我國地面信關站基本均部署于國境內,衛星大多數飛行弧段無信關站可通信,饋電天線處于停止工作狀態,實際使用率遠不足50%,使用率低。衛星配置雙饋電天線后,將會增大饋電載荷電磁兼容性、散熱、控制等設計難度以及質量、功耗代價,同時也會增加衛星研制成本和整星復雜度。為了降低衛星成本,減重是一個主要途徑,通過載荷平臺融合設計、星地聯合優化設計等多種方法都可實現減重降成本?！般炐恰毙l星通信系統在設計時采用了當時成本較高的星間鏈路組網方案,每顆衛星均配有星間鏈路載荷,這就導致了“銥星”較高的衛星成本。而后來的“全球星”衛星通信系統就充分識別了“銥星”的這一成本問題,取消了星間鏈路載荷。通過星地聯合優化設計,“全球星”系統在地面部署了大量關口站,每個關口站同時可與3顆衛星建立通信,保證衛星在沒有星間鏈路的情況下也能時刻與地面關口站連接通信,進行業務傳輸,同時又實現了對衛星的減重降成本[6]。

綜上所述,對于透明轉發衛星和無星間鏈路衛星,如OneWeb衛星、Starlink(v1.0/v1.5)衛星等,傳統雙饋電天線接力切換是保證饋電連續通信的有效手段。對于當前正在快速發展與建設的具有星上處理和星間鏈路的低軌互聯網衛星,本文通過分析傳統雙饋電天線接力切換所帶來的弊端,并結合星上高速路由交換轉發服務與星座網絡特性,設計了一種適用于低軌互聯網衛星的基于星上路由策略的單饋電天線切換方法,該方法在保證饋電鏈路切換過程中業務傳輸不中斷的同時,將星座中所有衛星饋電鏈路組成的饋電承載網進行統籌使用,實現網絡優化,有效降低饋電載荷設計和衛星設計難度、成本及代價[7-9]。

1 典型場景分析

低軌衛星互聯網星座系統為實現全球無縫覆蓋,滿足用戶隨時隨地接入需求,星座一般由多個軌道面及每個軌道面內的多顆衛星組成。同一軌道面內的前后兩顆相鄰衛星以及相鄰軌道面間的衛星通過星間鏈路組網,組成一個網格狀網絡。在任一時刻,星座中均會有多顆衛星與不同地面信關站建立饋電鏈路。典型低軌衛星互聯網星座參數配置如表1所示,后續場景討論與仿真均以此場景為基礎展開分析。

表1 仿真參數配置表Teble 1 Simulation parameters

當衛星即將飛出當前信關站覆蓋范圍,達到饋電通信最小仰角限值時,需要斷開與當前信關站鏈路,并切換至規劃的下一個信關站,典型饋電切換場景如圖1所示。

圖1中示例的切換衛星由西向東飛行,當前已與喀什信關站建立饋電鏈路,在飛到切換弧段后斷開與喀什信關站的鏈路(如圖中灰色鏈路),并建立與西安信關站的饋電鏈路(如圖中桔色鏈路),完成一次饋電鏈路切換。

圖1 低軌互聯網衛星饋電鏈路切換場景Fig.1 Handover scene of LEO internet satellite feeder link

2 基于路由策略的單饋電天線切換

一個饋電天線在不同地面信關站之間進行饋電鏈路切換時,需要通過伺服電機旋轉饋電天線波束指向角度,不能立即與下一個信關站建立饋電鏈路,所以在單個饋電天線旋轉時會產生饋電鏈路中斷。為了避免饋電天線旋轉時對饋電業務傳輸產生影響,饋電業務傳輸需要與星上路由策略相結合,在饋電天線旋轉時長內通過星間鏈路將業務發送至已建立饋電鏈路的相鄰衛星,再由相鄰衛星的饋電鏈路提供服務,繼而保證饋電業務傳輸不中斷,實現無縫切換。饋電天線旋轉角度切換如圖2所示。

圖2 饋電天線旋轉示意圖Fig.2 One feeder antenna revolved diagram

2.1 饋電天線旋轉時長分析

饋電天線的波束指向從原信關站調整到需要切換的下一個信關站過程中,饋電天線不斷旋轉,所需旋轉時間由饋電天線伺服電機的角加速度、角速度和旋轉角度三者共同決定。以饋電天線方位角旋轉為例,伺服電機的角速度為ωAZ,角加速度為αAZ,方位向旋轉角度為θAZ。

1)方位向初始加速旋轉時間

(1)

2)方位向勻速旋轉時間

(2)

式中:ΔθAZ為相對于開始旋轉時刻θAZ的變化量,由于旋轉過程中衛星一直飛行導致的方位向旋轉角度產生變化。

3)方位角旋轉需要的總時間

(3)

俯仰角伺服電機旋轉需要的總時間為

(4)

式中:tEL,1為俯仰向初始加速旋轉時間;tEL,2為俯仰向勻速旋轉時間;ωEL為俯仰角伺服電機的角速度;αEL為角加速度;θEL為俯仰向旋轉角度;ΔθEL為相對于開始旋轉時刻θEL的變化量。

由于方位向和俯仰向伺服電機為同時旋轉,所以饋電天線旋轉總時長為伺服電機在方位和俯仰兩個方向旋轉時長的最大值,即

Tinter=max{TAZ,TEL}

(5)

2.2 天線切換過程

為實現單饋電天線在時長為Tinter的天線旋轉期內饋電業務傳輸不中斷,星上路由交換策略設計需與饋電天線切換的任務規劃相結合,通過兩者配合完成一次切換過程。

衛星與當前已建立饋電鏈路的信關站何時斷開連接,并與下一個信關站建立饋電鏈路是通過規劃提前已知的。根據該已知信息,星上路由器可提前調整轉發路徑,將饋電業務路由轉發至其它已建立饋電鏈路的相鄰衛星并通過信關站落地,在饋電切換完成后再次調整業務轉發路徑,使饋電業務再從本星落地信關站。

假設衛星已建立饋電鏈路的信關站設為A,目標切換信關站設為B,兩站同時處于饋電天線覆蓋范圍內的任意時刻,饋電鏈路都可進行切換。根據任務規劃,饋電鏈路的切換時刻為TAB,則衛星在TAB時刻與信關站A斷開連接,在TAB+Tinter時刻與信關站B可建立鏈路,Tinter為根據式(5)計算得到的饋電天線旋轉時長。

單饋電天線切換過程中,在TAB-Δt時刻,由星上路由停止向饋電端口發送數據,并根據星上路由協議提前計算的轉發路徑將饋電業務通過星間鏈路發送至當前已建立饋電鏈路的其他衛星落定信關站。其中Δt為切換時刻的提前量,主要用于在Δt時間內發送完畢已在路由交換隊列中排隊的饋電業務分組,以及在饋電基帶處理中緩存的業務分組,保證在天線切換時已無數據分組需要由當前饋電鏈路發送,實現切換過程數據丟包率為零。提前量Δt的時間長短與路由交換隊列長度、饋電基帶處理緩存大小、饋電傳輸速率有關,一般提前數毫秒即可,需滿足

Rf×Δt≥(Qr+Bf)

(6)

式中:為Rf饋電傳輸速率;Δt為切換提前量;Qr為路由交換隊列長度;Bf為饋電基帶緩存容量。

2.3 路由轉發策略

星上路由協議一般分為靜態路由協議和動態路由協議兩種。靜態路由協議由地面運控中心根據當前網絡拓撲切片、節點類型組成、業務服務質量(QoS)需求、鏈路擁塞狀態等多要素計算靜態路由表,并通過饋電鏈路或測控鏈路上注至星上路由器[10]。動態路由協議由星上路由器自主計算,通過星間鏈路與相鄰衛星節點及全網衛星節點交互狀態信息、端口信息、鏈路信息等協議信令內容,實現節點入網、退網自主檢測,動態維護網絡拓撲變化,根據實時交互信息計算全網路由表。

若星上采用靜態路由協議,則需地面運控中心提前規劃好切換期間的饋電業務路由轉發策略并上注至星上路由器。該策略的基本思想是在饋電切換期間,選擇相鄰最近的、且有饋電鏈路的衛星進行本星饋電業務落地[11]。按照饋電切換規劃,星上路由器在TAB-Δt時刻停止向饋電端口發送業務數據,同時在路由表中選擇切換期間的饋電業務路由轉發條目,并按此條目通過星間鏈路發送饋電業務。

若星上采用動態路由協議,則根據動態路由算法,星上路由協議在TAB-Δt之前自主計算完畢切換期間通過星間鏈路轉發的饋電業務路由條目,并保存在路由表中。計算路由條目的基本思想與靜態路由協議一致,且在此基礎上可綜合考慮星間鏈路負載、相鄰衛星饋電鏈路負載等因素,動態計算最優路徑。在TAB-Δt時刻自動選擇該路由條目轉發饋電業務。

地面信關站需要經饋電鏈路上行的業務數據也需選擇與星上一致的相鄰衛星饋電鏈路發送,再通過星間鏈路轉發至該衛星,地面信關站的切換時刻需要與衛星保持一致。

在TAB+Tinter時刻,饋電天線波束指向已對準下一個信關站,并建立饋電鏈路后,星上路由器再次調整饋電業務轉發路由。若為靜態路由協議,則按照切換后的路由條目轉發;若為動態路由協議,則在檢測到饋電鏈路可用后,根據協議算法重新自主計算饋電業務路由條目并調整轉發端口發送饋電業務。至此,一次基于星上路由策略的單饋電天線切換過程完成,切換流程如圖3所示。

圖3 單饋電天線切換流程Fig.3 Single-feeder link antenna handover process

單饋電天線切換方法對于星上路由協議設計的復雜度略有增加,僅需要根據上述切換流程,在TAB-Δt和TAB+Tinter時刻增加調整饋電業務轉發路由的處理流程即可,其余路由協議的算法和處理流程均無需改變,所以該路由策略可以融入多種路由協議中,有較強適用性。

在低軌衛星互聯網星座系統中,全網同時會有多顆衛星與地面信關站建立連接。在如圖4所示星座中,衛星1、衛星2與信關站A之間存在饋電鏈路,衛星4與信關站B之間存在饋電鏈路。衛星3處于從信關站A向信關站B切換過程中,雖然本星饋電鏈路中斷,但饋電業務可經星間鏈路從衛星4(或衛星2)的饋電鏈路傳輸,保證業務傳輸不中斷。

圖4 饋電鏈路網絡連通示意圖Fig.4 Feeder link network diagram

3 效能分析

3.1 仿真場景

使用仿真工具軟件STK構建低軌衛星互聯網星座,配置Walker星座構型、饋電天線覆蓋范圍、地面信關站部署位置、最小通信仰角、饋電天線伺服轉動性能等關鍵參數,仿真場景如圖5所示。

圖5 仿真場景示意圖Fig.5 Simulation scene

圖5中黃、紅、藍、青4種顏色分別代表喀什、楚雄、西安、北京4個信關站的覆蓋區域和衛星過境可建立饋電鏈路的飛行弧段。

通過建模仿真饋電鏈路切換時長、業務傳輸時延、衛星與信關站的“雙連通”時長、天線使用率等關鍵指標,分析基于路由策略的單饋電天線切換方案使用效能。

3.2 切換時長分析

饋電鏈路在兩個信關站之間切換時,需要衛星同時對兩個信關站可見,滿足“雙連通”條件。以饋電鏈路從喀什站向西安站切換為例進行分析,在仿真的60軌中,每軌與兩站“雙連通”時長約為1.75～5.57min,如圖6所示。

隨著衛星在軌高速飛行,在“雙連通”期間的不同時刻進行饋電鏈路切換,饋電天線所需要旋轉的角度不同。以圖6中的典型圈次14～18進行分析,這5個圈次饋電天線在不同時刻方位和俯仰兩個方向需要調整的角度如圖7所示。

根據式(5)可知,饋電天線旋轉所需的時長取決于在俯仰向和方位向旋轉的最長時。通過對30天400軌進行仿真分析,俯仰向旋轉角度范圍為87.16°～108.76°,方位向旋轉角度為0.06°～91.85°,且俯仰向旋轉角度總是大于方位向旋轉角度。按照俯仰角伺服電機和方位角伺服電機的角速度和角加速度相同,取角速度ω=±1(°)/s,角加速度為α=±0.6(°)/s計算,代入式(5)可得,饋電天線旋轉需要的時長為84.99～112.58s,即單饋電天線鏈路切換最長需要112.58s,在此期間饋電業務需要星上路由交換到相鄰衛星的饋電落地信關站。

3.3 業務傳輸時延影響

饋電業務傳輸總時延主要與業務傳播時延及業務傳輸處理時延有關,在沒有業務擁塞的情況下,處理時延一般為微秒級,相對于空間傳播時延可以忽略。

單饋電天線切換相比于雙饋電天線切換,增加了星間鏈路傳輸,業務傳輸時延也相應增大。通過仿真分析,當一顆衛星進行切換時,其相鄰的4顆衛星中至少有一顆衛星存在饋電鏈路,所以采用單饋電天線切換金會增加一跳星間鏈路傳輸時延。仿真構建的星座中,同軌星間距離為3068km,異軌星間距離為97.2～2457.6km,增加的最大傳輸時延為0.4～10.2ms。采用單饋電天線和雙饋電天線傳輸,業務從喀什信關站切換至西安信關站的總傳輸時延仿真對比結果如圖8所示。

圖8中藍色曲線是單饋電天線傳輸時延仿真結果,紅色曲線是雙饋電天線傳輸時延仿仿真結果。衛星在T0時刻與喀什信關站建立饋電鏈路開始傳輸業務,隨著通信仰角逐漸變大,傳輸距離縮短,時延變小,過頂后仰角又逐漸變小,傳輸距離增加,時延變大。在T0至TAB-Δt時間段,饋電鏈路始終保持與喀什信關站通信,單、雙饋電天線傳輸時延一致,紅、藍曲線重合。

在TAB-Δt時刻饋電開始從喀信關站向西安信關站切換,單饋電天線的饋電業務切換至相鄰衛星落地,增加星間傳輸,業務傳輸時延跳躍增大;雙饋電天線由于提前已經將另一副天線指向西安信關站,所以實現“瞬時”切換,但由于相比于喀什信關站,衛星此時距離西安信關站較遠,所以業務傳輸時延同樣跳躍增大,但因沒有星間傳輸,時延無單饋電天線長。

圖8 饋電業務傳輸時延Fig.8 Delay time of feeder link transmission

在TAB+ΔT時刻,單饋電天線已旋轉到位,指向西安信關站,并建立鏈路,此時饋電業務可從本星饋電鏈路落地,傳輸時延跳躍減小與雙饋電天線一致,時延曲線再次重合。

3.4 饋電鏈路連通時長

當地面信關站最小通信仰角≥15°,且衛星饋電天線指向≤±58°時,即認為衛星與信關站可建立饋電鏈路進行通信。通過對構建的Walker星座進行1個月仿真分析,在統計的400軌中,有235軌衛星與信關站可連通,165軌不可連通。在一個軌道圈次中,衛星與信關站連通最長時間為21.85min,平均時間為17.61min?？紤]所有圈次(包含不可連通圈次)的每軌平均連通時長為10.35min,其中60軌的仿真結果如圖9所示。

圖9 衛星與信關站連通時長Fig.9 Communication time between satellite and gateway

衛星軌道高度為1100km的軌道周期為107.26min,按平均每軌與信關站連通10.35min計算,單饋電天線切換方法饋電天線的平均使用率為為9.65%,而雙饋電天線切換方法每副天線的平均使用率僅為4.82%,使用率降低一半。

4 效能對比

低軌互聯網衛星采用傳統雙饋電天線進行信關站接力切換時,需額外配置一個反射面天線、兩個負責方位角和俯仰角轉向的伺服電機、天線連桿、配套波導及線纜等,在載荷質量、功耗、成本以及衛星設計復雜度等方面都付出較大代價。一個軌道高度為1100km的互聯網衛星,額外增加的質量約8.4kg,以300顆衛星的星座規模計算,總質量增加2520kg,衛星研制成本及火箭發射成本都因此會同步增加。

采用單饋電天線對切換方法進行優化后,由于只有一副饋電天線,可直接節省以上代價。同時對衛星結構布局約束要求降低,更有利于衛星整體優化設計。從衛星可靠性角度分析,相比于雙饋電天線,采用單饋電天線的衛星可靠性會略有降低。如果饋電天線發生故障,則饋電業務將無法從該衛星直接落地。但低軌衛星互聯網是一個星座系統,一般具有4條星間鏈路,在饋電天線發生故障后,饋電業務可通過星間鏈路由相鄰衛星的饋電鏈路落地,星間鏈路起到了對饋電鏈路的多重備份功能。所以,從星座網絡系統的角度分析,采用單饋電天線的設計不會影響整個星座系統的可靠性。兩種切換方案主要優缺點對比如表2所示。

表2 兩種切換方案對比表Teble 2 Comparison of two switching methods

5 結束語

為適應低軌衛星互聯網星座系統快速建設、快速組網、快速使用的需求,本文提出了一種基于路由策略的低軌互聯網衛星饋電鏈路切換優化方法,通過一副饋電天線實現與地面信關站進行鏈路切換時饋電業務傳輸不中斷。同時,與傳統雙饋電天線接力切換相比,具有饋電載荷質量輕、天線運動包絡小、使用率高、功耗低、設計難度小、對衛星布局要求低等優點,達到了饋電載荷設計、衛星總體設計、星座網絡設計三個層面聯合優化,為解決低軌互聯網衛星輕量化、低成本設計問題提供了一條行之有效的路徑,對于我國大規模低軌衛星互聯網星座建設具有借鑒意義。