高低軌衛(wèi)星一體化協(xié)調(diào)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)與實踐

張亮

摘要：文章針對我國高、低軌衛(wèi)星協(xié)同工作所面臨的主要問題進行了深入研究，明確了其發(fā)展目標(biāo)。研究重點對高、低軌道融合問題的復(fù)雜度進行了分析。在研究過程中，筆者將著眼于提高整個衛(wèi)星的綜合效能，促進衛(wèi)星通信的發(fā)展，從技術(shù)層面上來解決上述問題。研究結(jié)果表明，高、低軌道融合對于提升系統(tǒng)性能和解決技術(shù)難點都有重要意義。該項目的研究成果將為我國在軌衛(wèi)星技術(shù)在通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星系統(tǒng)；發(fā)展趨勢；高低軌衛(wèi)星一體化；技術(shù)挑戰(zhàn)

中圖分類號：TN927? 文獻標(biāo)志碼：A

0 引言

本文旨在對衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展趨勢進行深入分析，尤其是對高、低軌道衛(wèi)星一體化的重要意義進行分析。隨著科技的發(fā)展，衛(wèi)星系統(tǒng)已成為衛(wèi)星通信、科學(xué)研究及對地監(jiān)測的重要手段。本文在回顧衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展史的基礎(chǔ)上，著重討論了高、低軌道衛(wèi)星一體化所面臨的技術(shù)難題，明確了本課題的研究目的與意義。本項目的研究成果，可為未來衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展提供新思路，使其更好地適應(yīng)現(xiàn)代通信與科學(xué)技術(shù)的需要，推動衛(wèi)星系統(tǒng)的進一步發(fā)展。

1 綜述

1.1 我國高、低軌道融合技術(shù)的發(fā)展概況

近年來，高、低軌道衛(wèi)星的融合已逐漸引起人們的關(guān)注。高軌道衛(wèi)星具有遠(yuǎn)距離傳送的優(yōu)點。低軌道衛(wèi)星具有對地高分辨探測及低時延傳輸?shù)膬?yōu)點。高低軌道衛(wèi)星在多個方面都具有廣闊的應(yīng)用前景。在通信領(lǐng)域，研制并使用新一代衛(wèi)星通信規(guī)范，是推進我國高、低軌道融合發(fā)展的重要方向。近幾年，隨著量子通信的迅速發(fā)展及應(yīng)用，衛(wèi)星通信會變得更為安全有效。

通過對國內(nèi)外典型實例的研究，可以看出，高、低軌道融合技術(shù)在對地觀測、衛(wèi)星通信和導(dǎo)航等方面具有很大的應(yīng)用前景。比如：一顆高軌道通信衛(wèi)星與一顆近地軌道衛(wèi)星合作，可以建立覆蓋全球的通信網(wǎng)絡(luò)，對該網(wǎng)絡(luò)進行高精度的監(jiān)控。本項目的研究成果將提升整個衛(wèi)星的綜合效能，為衛(wèi)星在多個行業(yè)的實際應(yīng)用提供更為精確的數(shù)據(jù)支撐。

1.2 協(xié)同應(yīng)用研究的新領(lǐng)域

面向協(xié)同應(yīng)用這一前沿性課題，對其真實的應(yīng)用場景進行深度挖掘是其核心所在。高、低軌道融合技術(shù)的融合方案涵蓋全球通聯(lián)、災(zāi)害監(jiān)控、資源管理、環(huán)境監(jiān)測等諸多方面。為了滿足各種應(yīng)用場合的要求，必須根據(jù)用戶的個性化要求，為用戶提供定制化的數(shù)據(jù)支撐。面向工程實踐的研究，既要從理論上解決問題，又要與各行各業(yè)的專家進行深度合作，掌握其特定的需求，才能將其與工程實踐相融合［1］。

同時，對協(xié)同應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r進行研究，也是該領(lǐng)域研究的一個重點內(nèi)容。近年來，衛(wèi)星遙感在氣象、農(nóng)業(yè)和城市規(guī)劃等方面得到了廣泛的應(yīng)用。遙感資料具有高時空分辨率和實時傳輸?shù)奶攸c，因此，利用遙感資料進行海洋環(huán)境污染的研究具有重要意義。當(dāng)前，衛(wèi)星通信系統(tǒng)在我國已經(jīng)取得大范圍、多領(lǐng)域的應(yīng)用，但在信息傳輸可靠性和傳輸效率等方面有進一步提高的可能。

2 高低軌衛(wèi)星一體化協(xié)調(diào)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)與實踐挑戰(zhàn)

2.1 技術(shù)性難題

高、低軌道衛(wèi)星通信協(xié)議的設(shè)計和應(yīng)用是首要的問題。高、低軌衛(wèi)星融合時，傳統(tǒng)的通信協(xié)議面臨著高、低頻段頻譜資源分配和信道干擾等諸多的挑戰(zhàn)。為了使多個衛(wèi)星協(xié)同工作，必須研究適用于不同軌道的通信協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定和高效傳輸。

數(shù)據(jù)的傳輸和處理也是其中的一個難點。高、低軌道衛(wèi)星數(shù)據(jù)量巨大，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方法很難滿足實時、高效的要求。數(shù)據(jù)處理算法的優(yōu)化對提高衛(wèi)星系統(tǒng)性能具有重要意義。高、低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理過程中涉及的數(shù)據(jù)源多、傳輸方式多樣，因此需要研究和應(yīng)用新的數(shù)據(jù)處理算法。

2.2 實踐挑戰(zhàn)

在高、低軌道融合過程中面臨著諸多挑戰(zhàn)，而系統(tǒng)融合和優(yōu)化就是其中一項重要的挑戰(zhàn)。為了保證整個系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，需要通信、控制和能量等多個子系統(tǒng)相互配合。系統(tǒng)整合的難點在于：在整個系統(tǒng)中，要實現(xiàn)多個子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，才可以保證整個系統(tǒng)正常運行。

同時，現(xiàn)實的環(huán)境適應(yīng)能力也是一個很大的挑戰(zhàn)。在運行過程中，由于受到氣象、溫度、輻射等多種因素的影響，系統(tǒng)的可靠運行會受到影響。因此，有必要對其在多種復(fù)雜條件下的環(huán)境適應(yīng)情況進行研究，包括材料選擇、防護措施等，以保證它在真實工作條件下的可靠工作。

為應(yīng)對上述問題，必須注重關(guān)鍵技術(shù)方法的研究和應(yīng)用，以保證高、低軌道融合在實際中的應(yīng)用。

3 高低軌衛(wèi)星一體化協(xié)同應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 低軌道的衛(wèi)星通信方式

如何實現(xiàn)高、低軌道間的通信，是實現(xiàn)高、低軌道數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵膯栴}。對于高軌衛(wèi)星，要解決信號傳輸時延、信噪比降低等問題，以提升系統(tǒng)的可靠性與有效性。一種創(chuàng)新思路是通過對通信鏈路的狀態(tài)進行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，使它能夠最大限度地提高系統(tǒng)的傳輸品質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)可以利用多根天線實現(xiàn)多徑傳輸，以補償傳輸過程中的通道損耗，從而增強傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

對低軌衛(wèi)星而言，最大的難點是如何實現(xiàn)高速運動的衛(wèi)星與地面站點間的信息傳輸。一種方法就是利用自適應(yīng)波束賦形方法，通過對通信波束角進行實時修正，以達到對衛(wèi)星目標(biāo)進行追蹤與捕獲的目的，進而提高系統(tǒng)的通信效能。另外，利用多路接入技術(shù)，可以使多顆衛(wèi)星與地面站點同步通信，從而增加通信的吞吐率［2］。

3.2 數(shù)據(jù)處理與傳輸技術(shù)

對于資料的處理和傳送，有效的資料壓縮方法是其中的一個重要環(huán)節(jié)。衛(wèi)星通信所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量非常巨大，如果采用常規(guī)的數(shù)據(jù)傳送模式，則會大大降低衛(wèi)星資源的有效利用率，造成衛(wèi)星資源的浪費。為此，本文提出了一種改進的壓縮方法來實現(xiàn)對圖像的壓縮，從而減少了圖像中的信息量，提高了圖像的傳輸效果。研發(fā)人員將無損與有損2種編碼方法相融合，依據(jù)其重要程度，靈活地選取相應(yīng)的編碼方案，可以大大提升系統(tǒng)的性能。

另外一個重要的技術(shù)就是建立一套實時的通信協(xié)議。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性，衛(wèi)星通信系統(tǒng)可使用用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）進行實時的數(shù)據(jù)傳送。在此基礎(chǔ)上，研究人員可以采用糾錯與丟失修復(fù)技術(shù)來增強網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸性能。

3.3 智能化系統(tǒng)管理與調(diào)度算法

針對目前衛(wèi)星通信中存在的問題，文章提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的智能控制方法。該方法利用現(xiàn)代感知的手段，獲得信號強度、能耗、狀態(tài)等多個參數(shù)的實時監(jiān)測，為電力電子設(shè)備的運營管理奠定堅實的理論和實踐基礎(chǔ)。

針對不同類型的資源，文章提出了一種基于遺傳算法和模擬退火算法的新方法。該方法綜合考慮了通信需求、能量消耗以及在軌運行時的運行狀況，優(yōu)化了通信網(wǎng)絡(luò)的資源使用，提高了通信系統(tǒng)的綜合效能。

在實際應(yīng)用中，如何有效地適應(yīng)業(yè)務(wù)的變化是一個很大的問題，這就要求有相應(yīng)的優(yōu)化策略和平衡策略。優(yōu)化策略和平衡策略保證了整個網(wǎng)絡(luò)的快速響應(yīng)、網(wǎng)絡(luò)的高效率以及網(wǎng)絡(luò)的高穩(wěn)定性。人工智能技術(shù)的發(fā)展為智能化提供了新的途徑。機器學(xué)習(xí)方法可以從過去的數(shù)據(jù)中提取出錯誤信息，對設(shè)備進行預(yù)防性維修，通過對用戶行為的認(rèn)知來提高設(shè)備的使用效率，從而實現(xiàn)智能化的資源管理［3］。

4 高低軌衛(wèi)星一體化協(xié)調(diào)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)與實踐的解決辦法

4.1 高、低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計

針對高、低軌道的衛(wèi)星通信問題，本研究將自適應(yīng)調(diào)制方法應(yīng)用于多種通信信道環(huán)境下。該方法通過對通道和噪聲進行在線監(jiān)控，動態(tài)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了高低軌衛(wèi)星系統(tǒng)可靠、高效地運行。此外，多個天線的應(yīng)用能夠有效地發(fā)揮多徑傳輸?shù)膬?yōu)勢，有效地補償了通道損耗，增強了通信的可靠性。本項目的研究成果為未來的高速軌道交通系統(tǒng)提供更加靈活和穩(wěn)定的解決方案。

針對低軌衛(wèi)星的特點，本研究提出了一種基于自適應(yīng)波束賦形的方法。通過對通信波束角的在線調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了對衛(wèi)星的跟蹤，保證了高速運行中的衛(wèi)星與地面基站的通信連接。此外，多址傳輸還允許多顆衛(wèi)星同步與地面站點進行通信，增加了系統(tǒng)的傳輸能力。上述關(guān)鍵技術(shù)的突破將顯著提高軌道交通系統(tǒng)的整體性能［4］。

4.2 數(shù)據(jù)處理與傳輸技術(shù)創(chuàng)新方案

在當(dāng)今海量的衛(wèi)星信息傳送中，如何進行有效的信息處理和傳送是一個關(guān)鍵問題。一種重要的方法就是將無損與有損的編碼方法相融合，以提高編碼效率。通過對網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)特征進行實時地分析，結(jié)合相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)編碼策略，可以有效地減少網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時延，有效地提升網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率。本項目提出了一種切實可行的、具有創(chuàng)新性的解決方法，可以有效地解決大型衛(wèi)星在高速率數(shù)據(jù)處理與傳輸?shù)确矫娴膯栴}。

另外，使用UDP實時通信，不僅傳輸時延較低，還可以實現(xiàn)較高的實時數(shù)據(jù)傳送速度。在對地面觀測、氣象監(jiān)控等要求較高的應(yīng)用場景中，采用UDP協(xié)議這種快速、有效的通信方式，可以保證衛(wèi)星信息的即時傳送。研究人員可以通過錯誤更正與丟失修復(fù)等技術(shù)，提升通信的穩(wěn)定與可靠度，保證衛(wèi)星通信能夠高效地傳送數(shù)據(jù)信息。

4.3 系統(tǒng)集成與協(xié)同優(yōu)化方案

在未來的高、低軌道衛(wèi)星通信中，為了提高整個系統(tǒng)的綜合效能，需要進行多個系統(tǒng)的綜合協(xié)調(diào)和協(xié)同優(yōu)化。首先，必須對其進行智能控制與調(diào)度。這就要求該系統(tǒng)可以對通信及數(shù)據(jù)處理過程中各個部分的運行狀況進行實時監(jiān)測，可以隨應(yīng)用要求而作出相應(yīng)的調(diào)整。比如：在通信請求急劇增加或者某個數(shù)據(jù)處理節(jié)點負(fù)載過重等情況下，該平臺可以進行資源再配置，從而保證了整個網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定與高效。系統(tǒng)通過對業(yè)務(wù)負(fù)荷的實時監(jiān)測與調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對業(yè)務(wù)負(fù)荷的動態(tài)調(diào)節(jié)。

為了使各子系統(tǒng)之間能夠有效地整合，必須使用開放的界面與規(guī)范的通信協(xié)議。使用統(tǒng)一的通信協(xié)定及公開的規(guī)范，使各子系統(tǒng)之間的通信與數(shù)據(jù)交互更為流暢。該方法既能增強軟件的柔性、可維護性，又能減少集成的復(fù)雜性。目前，各廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品及系統(tǒng)易于與衛(wèi)星通信系統(tǒng)相結(jié)合，具有較強的兼容性［5］。

本研究有望推動我國衛(wèi)星通信技術(shù)向更高層次發(fā)展。對業(yè)務(wù)進行智能化的管理與柔性的資源分配，實現(xiàn)了業(yè)務(wù)負(fù)荷與工作環(huán)境的有效匹配。而開放的接口與規(guī)范的使用，推動了科技革新與裝備升級。本研究為我國衛(wèi)星通信的發(fā)展提供新的思路和方法。

5 結(jié)語

在分析了我國目前的發(fā)展態(tài)勢和我國高、低軌道衛(wèi)星融合的意義之后，隨著我國航天事業(yè)的快速發(fā)展，我國的航天事業(yè)將面臨巨大的挑戰(zhàn)。在滿足日趨復(fù)雜的應(yīng)用需求方面，高、低軌道融合技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。本文分析了這些問題，為提高衛(wèi)星系統(tǒng)的柔性與綜合效能提供了一個新的思路。項目研究結(jié)果將在我國航天科技發(fā)展中發(fā)揮重要作用，為其他學(xué)科的科學(xué)研究與應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。這既是對以往衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展歷程的一個概括，也是對其前景的一種積極預(yù)測，對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與社會的發(fā)展具有一定的借鑒意義。

參考文獻

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（編輯 王永超）

Key technologies and practices for integrated and coordinated application of high and low orbit satellites

ZHANG? Liang

（The 54th Research Institute of CETC， Shijiazhuang 050000， China）

Abstract：? According to the main problems of cooperative work of high and low orbit satellites in China， the paper makes a thorough study， and its development goals are clearly defined. This study focuses on the complexity analysis of high and low orbit fusion problems. In the research process， the author will focus on improving the comprehensive efficiency of the whole satellite， promoting the development of satellite communication， and solve the above problems from the technical level. The results show that the fusion of high and low orbits is important for improving system performance and solving technical difficulties. The research results of this project will lay a theoretical foundation for the application of in-orbit satellite technology in communication networks in China.

Key words： satellite system; development trend; high and low orbit satellite integration; technical challenge