中國低軌衛星星座組網設計與規劃

(空軍工程大學 電訊工程學院，西安 710077)

1 引 言

衛星星座是指由多顆衛星按照一定規則和形狀構成的可提供一定覆蓋性能的衛星網絡，是多顆衛星進行協同工作的基本形式。衛星星座結構會影響網絡覆蓋區域、網絡時延和系統成本等。傳統的同步軌道衛星軌道高、鏈路損耗大，對地面終端的EIRP和接收天線的G/T值要求過高，難以實現手持機與衛星直接進行通信;而低軌衛星由于鏈路損耗小，降低了對用戶終端EIRP和G/T值的要求，可支持地面小型終端與衛星的直接通信，有利于信息的實時傳輸。

現代通信的發展要求衛星通信系統應具有全球通信能力。低軌衛星實現全球覆蓋所需的衛星數目較多(Iridium系統66顆星)，系統實現成本很高，對于我國這樣的發展中國家要在短期內構建全球性低軌衛星通信系統，無論是在經濟上還是在技術上都存在較大困難。因此，在預期星座的整體構型下，通過設計和篩選，合理部署少數衛星以滿足當前任務和需求，并在今后發展中通過不斷發射新衛星進行補網，最終實現星座的預期覆蓋和通信能力，是我國衛星通信發展的一條可行之路。

文獻[1]介紹了基于全球覆蓋的星座構型，但未針對我國當前實際提出切實可行的實施方案。文獻[2]提出了基于我國的移動衛星星座設計方案，但未考慮星座的后期可擴展能力。本文綜合考慮星座的實現成本與我國當前實際需要，提出了適用于我國當前實際并具有一定后期擴展能力的低軌衛星星座構建實施方案。

2 星座參數設計

2.1 軌道設計

橢圓軌道多用于區域性覆蓋，但軌道傾斜角必須為63.4°(為了避免拱點漂移)[3]，這對中低緯度地區的覆蓋十分不利，而圓軌道的傾斜角可在0°～90°之間任意選擇。考慮我國所處緯度范圍為北緯4°～54°之間，星座設計宜應采用傾斜圓軌道。

軌道高度選擇主要是系統所需衛星數目與地面終端EIRP和G/T值的折衷。同時，軌道高度的選擇還需考慮地球大氣層和范·阿倫帶[4]兩個因素的影響，通常認為LEO衛星的可用軌道高度為700～2 000 km。

2.2 衛星周期設計

為了便于衛星軌道控制，通常選擇使用回歸軌道，即衛星運行周期與地球自轉周期成整數比。衛星運行周期與地球自轉周期關系如下式所示：

Ts/Te=k/n

(1)

式中，k、n為整數，Ts為衛星運行周期，Te為地球自轉周期，且Te=86 164 s。根據開普勒定理，可得衛星周期Ts(單位s)與軌道高度h關系如下：

(2)

式中，地球半徑Re=6 378.137 km，開普勒常數μ=398 601.58 km3/s2。取k=2，n=25，可得衛星周期Ts=6 893 s，軌道高度h=1 450 km。

2.3 星座相位關系設計

星座相位關系的確定是指確定衛星在星群中的位置,它包括軌道傾角、軌道平面的布置、同一平面內衛星的位置和相鄰軌道衛星的相對位置關系。通常，為了使衛星具有最大的均勻覆蓋特性，同一軌道平面內的衛星應均勻分布，即相鄰衛星的相位差應滿足360/m，m為該軌道平面內的衛星數量。對于不同軌道平面內衛星，相對相位角的不同會使星座的覆蓋特性相差甚遠。

根據立體幾何的關系,推導出兩個星下點(衛星與地心連線和地面的交點)之間的距離d的公式如下[5]：

d=Rearccos[(2-sin2ψcos2θ1-sin2θ1)/2-

(sin2θ2+2sinθ1cosθ2)/2]

(3)

式中，θ1、θ2為兩星下點的緯度，ψ為兩星下點經度差的絕對值。相對相角優化算法準則是使星下點間的最小距離最大化。

3 覆蓋分析

為了研究方便，假定衛星對地球的覆蓋是對準地心的且只有一個大波束。圓軌道時單顆衛星對地覆蓋幾何關系如圖1所示。

圖1 圓軌道衛星覆蓋幾何關系示意圖Fig.1 Coverage geometric relationship of satellite in round orbit

其中，系統觀察點的仰角：

(4)

覆蓋區半徑：

X=Re·sinα

(5)

當衛星高度較低時，如果仍保持較大的仰角，則單顆衛星的覆蓋范圍將大大減小。雖然小仰角時電波的傳輸衰落大從而需要較大的系統余量，但是由于衛星高度低，鏈路相應較短，傳播損耗本身比較小，系統提供較大余量并不存在特別的困難，因此可以適當減小系統的最小仰角以增大衛星的覆蓋范圍。通常規定系統的最小仰角為10°左右。

4 星座設計方案

4.1 連續覆蓋低軌衛星星座設計方案

綜合考慮星座設計的上述因素后，假定低軌衛星星座共由3個軌道平面構成，軌道高度1 450 km，利用相位優化準則及STK仿真研究可得，相鄰軌道之間衛星的最佳相位差為14.5°，假定星座覆蓋目標為包括我國全部海域及其周邊區域在內的中低緯度地區。表1列出了不同軌道傾角時星座設計方案與其覆蓋特性統計。

表1 不同低軌星座方案及覆蓋統計Table1 Coverage statistics of different LEO satellite constellation designs

由表可知，方案B的覆蓋性能最優，能夠滿足對中低緯度地區的完全連續覆蓋。通過仿真還可以發現，方案B有較大的系統余量，即當設定系統最小仰角大于5°時，該星座對于指定緯度地區仍有良好的覆蓋性能，能夠滿足實時通信的要求。

4.2 區域覆蓋型星座設計

4.2.1背景假定

遠程指揮控制與通信保障能力是影響和制約軍隊作戰半徑和作戰能力的重要因素。傳統的地面通信手段受地理環境限制較大，難以實現對通信距離的有效擴展，相反，衛星通信由于不受地理條件的制約，可以作為擴展通信保障半徑的重要手段[6]。

在當前我國周邊的復雜形勢下，現有的地面通信手段無法滿足在敏感區域行動的需求，而靜止軌道衛星又難以實現信息的實時傳遞，因此，在衛星通信的階段性發展中應首先解決敏感區域內的通信問題，為有效擴展作戰半徑和作戰指揮提供通信保障。

4.2.2非連續單星均勻覆蓋方案設計

結合方案B，假定第一階段發射4顆衛星，軌道高度為1 450 km，軌道傾角38°，衛星平均分布在2個軌道平面上，軌道平面升交點赤經相差120°。要求星座能夠以一定時間間隔實現對目標區域的定時覆蓋。通過仿真研究，各衛星軌道參數設置如表2所示。

表2 衛星軌道參數設置Table 2 Orbit parameters configuration of satellites

假定目標區域是以我國某地為中心、半徑為2 000 km的圓形區域，利用STK對一個周期(48 h)內星座對目標區域的覆蓋特性進行仿真統計，結果如圖2所示。

圖2 星座對目標區域的覆蓋情況Fig.2 Coverage situation of constellation for area target

由圖可見，星座可以在平均每45 min內完成對目標區域的一次覆蓋，每次覆蓋時間約為10～20 min，星座在5:30～11:30時間段內覆蓋尤為集中。事實上，可以通過改變衛星的近地點輻角來調整衛星集中覆蓋所對應的時間區間，從而滿足實際需要。同時在后期的發展中，只需調整衛星的相位關系即可滿足方案B的要求，具有良好的可擴展性。

4.2.3連續覆蓋星座設計方案

在4.2.2節所設計的方案中，由于單顆衛星過頂的時間較短(一般10～20 min)，很難滿足大業務量信息的傳輸要求，因此，設計能夠實現對目標區域較長時間覆蓋的衛星星座具有較大現實意義。由于4顆衛星不可能完成對目標區域的實時連續覆蓋，為了盡可能增加星座每次覆蓋時間，設定4顆衛星分布在同一軌道平面上，通過調整衛星的近地點輻角差值使衛星能夠實現前后協同，從而延長每次覆蓋時間。各衛星參數設置如表3所示。

表3 衛星參數設置Table 3 Constellation parameters configuration

目標區域不變，通過仿真，可得星座的覆蓋性能如圖3所示。

圖3 星座對目標區域的覆蓋情況Fig.3 Coverage situation of constellation for area target

由圖3可知，星座可以在一天內完成對目標區域的7次覆蓋，每次覆蓋時間約80 min，可以實現較大業務量的信息傳輸，星座同樣存在覆蓋集中時間區間，通過調整衛星的有關參數可以改變集中覆蓋所對應的時間區間。與4.2.2節中方案相比，該星座對目標區域的覆蓋次數大大減少，并且存在一定的覆蓋空白區。但是由于每次過頂時間較長，可以滿足大業務量信息的不間斷實時傳輸。

經過對上述兩種方案的對比可以發現，連續覆蓋星座設計方案在實際通信中可以滿足信息的實時與大量傳輸，對于軍隊作戰半徑的擴展和保障需求較為有利，具有較大的實用價值和應用價值。

5 結束語

星座設計不僅要考慮星座的整體覆蓋性能，還需考慮系統實現的成本和可行性，有步驟地實現最終預期目的[7]。本文結合我國當前發展實際，綜合考慮，提出在星座整體構型下分步組建我國低軌衛星通信系統，研究了前期4顆衛星的部署策略。通過仿真可以發現，連續覆蓋型星座對于大業務量信息的實時傳輸較為有利，可以滿足我國當前實際需要。下一步的研究工作是，由于4顆衛星無法實現完全連續覆蓋，實際應用中需對地面用戶與衛星的接入方式和切換時機與策略進行深入細致的研究，在有限的空間資源下提高系統利用率。

參考文獻：

[1] 蔣虎,尹增山,龔文斌,等.全球覆蓋的衛星通信星座構型簡述[J].全球定位系統,2007(5): 42-43.

JIANG Hu,YIN Zeng-shan,GONG Wen-bin,et al.Brief Introduction of Constellations for Global Satellite Communications[J].GNSS World of China,2007(5):42-43.(in Chinese)

[2] 吳詩其,胡劍浩,吳曉文,等.衛星移動通信新技術[M].北京：國防工業出版社, 2001.

WU Shi-qi, HU Jian-hao, WU Xiao-wen,et al.New Technologies of Satellite Mobile Communication[M].Beijing: National Defense Industry Press, 2001. (in Chinese)

[3] 吳詩其,胡劍浩,廖笠.中國的三種非同步軌道衛星移動通信系統星座方案[J].通信學報,2004(17)：115-119.

WU Shi-qi, HU Jian-hao,LIAO Li. Three Constellation Designs of Non-synchronous Orbit Satellite Mobile Communication System[J].Journal on Communications,2004(17): 115-119. (in Chinese)

[4] 劉剛.非靜止軌道衛星移動通信系統組網關鍵技術研究[D].成都：電子科技大學,2004.

LIU Gang. Research on the Key Technologies of Networking in the NGSO Satellite Mobile Communication Systems[D].Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China, 2004. (in Chinese)

[5] Frank Silvio Marzano, Mario Montopoli, Tommaso Rossi. Flower Constellation of Millimeter-Wave Radiometers for Tropospheric Monitoring at Pseudogeostationary[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2009,40(9): 3107-3108.

[6] 宋鵬濤, 馬東堂,李樹峰. 軍用衛星星座效能評估指標體系研究[J].現代電子技術,2007,43(15): 43-44.

SONG Peng-tao,MA Dong-tang,LI Shu-feng. Study on Effectiveness Evaluation Index System of Military Communication Constellation Systems[J].Modern Electronic Technology, 2007, 43(15): 43-44. (in Chinese)

[7] 蒙波,葉立軍,韓潮.衛星星座組網的策略規劃[J].宇航學報,2009,30(1): 150-154.

MENG Bo, YE Li-jun, HAN Chao.Programming of Satellite Constellation Establishment Strategy[J]. Journal of Astronautics,2009,30(1): 150-152. (in Chinese)