基于小衛星中繼的遠程通信方案?

吳昊，陳樹新，張衡陽

（空軍工程大學電訊工程學院，西安710077）

基于小衛星中繼的遠程通信方案?

吳昊，陳樹新，張衡陽

（空軍工程大學電訊工程學院，西安710077）

為滿足遠程局部戰場的通信需求，提出了一種以小衛星為中繼的遠程通信方案。在分析遠程通信系統組成和工作原理的基礎上，綜合考慮環境因素推算了小衛星軌道參數，構建了具備通信中繼功能的中橢圓回歸軌道小衛星星座，實現了戰機-作戰指揮中心通信功能，通過STK軟件建立了基于小衛星中繼的遠程通信覆蓋模型。仿真結果表明，該方案對指定戰區的平均覆蓋率為99.69%，作戰指揮中心與戰機的可連接時間達到98.26%。

遠程通信；小衛星；中繼；區域覆蓋；橢圓軌道

1 引言

打贏信息化條件下的遠程局部戰爭離不開遠程通信的保障。伊拉克戰爭中，幾乎所有的美軍戰機、坦克都可以通過美軍的全球通信系統實現與美國本土信息的傳遞。強大的軍事信息網絡在為美軍獲得絕對信息優勢，迅速贏得戰爭勝利發揮了無可替代的作用［1］。

目前，軍事遠程通信主要采用短波通信、超短波通信、高軌衛星中繼通信等。短波通信帶寬有限且信道質量差，通信質量難以達到作戰需求；受地球曲率影響，超短波通信的通信半徑有限，若戰區在視距范圍之外，則會造成戰區部隊與本土作戰指揮中心的通信困難；高軌衛星中繼通信傳輸時延大，對用戶天線的發射功率要求高，在如今快節奏、高技術戰爭中難以保證通信的實時性和有效性。為此，需要設計一種不受距離限制且通信質量高的遠程通信方案，在還未建立起全球軍事通信保障系統的情況下，確保對任意戰區內部隊尤其是戰機的遠程通信保障。

小衛星通常是指質量在1 000 kg以下的一種人造衛星。近年來，因具有功能密度高、研制周期短等特點被廣泛應用于軍事領域，成為取得現代信息戰爭主導權的主要手段之一［2-3］。因此，本文提出一種以小衛星為中繼平臺的遠程通信方案，通過衛星對戰區的全天候連續覆蓋，實現對戰區部隊尤其是戰機的通信支援。

2 小衛星遠程通信系統的工作原理

小衛星遠程通信系統實質是以多顆衛星組成的中繼平臺實現作戰指揮中心和局部戰場戰機的通信，主要包括空間段、用戶段和地面段［4］。空間段包括由多顆小衛星組成的中繼平臺以及具有控制功能的地球同步中繼衛星；用戶段由各種用戶終端組成，可以是手持機、便攜站、機（車）載站等設備；地面段主要包括信關站、衛星控制中心、網絡控制中心等。為簡化分析，假定作戰指揮中心具備信關站、控制段的功能，且小衛星間不存在星間鏈路。系統具體結構如圖1所示。其中，作戰指揮中心位于戰區之外。

圖1 小衛星中繼遠程通信系統的結構Fig.1 Structure of small satellite relay remote communication system

下面以對戰機的遠程通信支援為例來說明該系統的工作原理。首先保證小衛星對戰區的連續覆蓋。若作戰指揮中心與戰區都在小衛星的覆蓋范圍內，直接通過小衛星建立作戰指揮中心和戰機的通信鏈路；若作戰指揮中心不在小衛星的覆蓋范圍內，建立小衛星與地球同步衛星的星間鏈路，再以地球同步衛星進行二次中繼，實現信息的發送與回傳。

3 小衛星中繼平臺軌道參數推算

實現小衛星對戰區的全天連續覆蓋是保證戰區部隊與作戰指揮中心通信暢通的前提，即在任意時間段至少有一顆衛星完全覆蓋作戰區域。為此，需要推算小衛星中繼平臺的軌道參數以達到這一要求。

設定目標區域為以（25.83°N，123.75°E）為中心、直徑為400 km的圓形區域A。為了定量描述小衛星在空間的位置，建立地心慣性坐標系oxyz，衛星沿著軌道的運動可以用軌道傾角、升交點赤經、近地點幅角、軌道半長軸、軌道偏心率和衛星的初始相位6個參數來描述。

橢圓軌道具有遠地點運動速度慢、相對滯留時間長的特點，不會造成鏈路的浪費，特別適合對特定區域的覆蓋。軌道高度越高，單顆衛星對地面的覆蓋區域越大，所需衛星數也就越少，但自由空間損耗、傳輸時延也就越大。此外，希望每天任意時刻衛星相對于地球的位置是固定的，這樣就能根據衛星的運動規律安排工作時段和信號發射功率的大小。考慮到以上因素的折衷，中繼小衛星采用中橢圓回歸軌道。

當考慮地球非球形一階攝動時，衛星軌道在慣性空間有旋轉［5］，為了克服橢圓軌道的遠地點漂移，軌道傾角只能選擇63.4°或116.6°。

設小衛星回歸周期為T，選定后可根據式（1）計算出橢圓軌道半長軸a。

式中，μ為開普勒常數。

確定橢圓軌道半長軸后，軌道高度就由偏心率e決定。考慮到范·艾倫帶對星載電子設備的損害極大，在設計軌道高度時應該避開范·艾倫帶的中心區域［6］，所以遠地點軌道高度應位于8 000～15 000 km范圍內。由式（2）～（3）以及以上討論可得出偏心率的取值范圍。

式中，Re為地球半徑，hp和ha分別是橢圓軌道的近地點高度和遠地點高度。

選擇合適的近地點幅角可以使軌道的遠地點過目標區域上空，以提高小衛星的區域覆蓋性能。為確保目標區域的中心點位于軌道平面內，還需對升交點赤經和真近點角進行組合設計，這可以在地心慣性坐標系下通過幾何方法以及衛星的軌道運動特性算出［7］。在軍事通信中，軌道的選擇往往還受到其他因素如抗毀性能的影響。

由于地球自轉和中橢圓軌道的限制，只用一顆小衛星顯然無法實現對目標區域的連續覆蓋，因此，要用多顆小衛星組網來實現對目標區域的連續覆蓋。通過計算和仿真發現，對上述區域來說，至少需要4顆小衛星才能實現對目標區域99%以上的覆蓋。根據以上討論，得出小衛星的軌道參數如表1所示。

表1 小衛星軌道參數Table 1 Orbit parameters of small satellites

4 覆蓋性能和鏈路連接性能建模仿真

遠程通信方案是否可行，還需對方案的性能進行研究。下面利用STK軟件［8］建立具體的仿真模型，從遠程通信系統對戰區的覆蓋率、具體通信鏈路的可連接情況兩個方面對該方案的性能進行建模仿真分析。

4.1 仿真模型建立

戰區設定為第3節討論的圓形區域A，作戰指揮中心位于區域A以外的某點B。戰機于12：00從作戰指揮中心出發到戰區執行任務，次日11：22回到作戰指揮中心。累計時間為23 h 22min。仿真時間步長設為1min。小衛星遠程通信系統需保證戰機在執行任務期間與作戰指揮中心的實時信息互通。

因小衛星覆蓋范圍大且在該場景中戰區與作戰指揮中心較近，直接通過小衛星星座建立作戰指揮中心與戰區的通信鏈路，若在某時刻一顆或一顆以上小衛星能同時覆蓋戰機和作戰指揮中心，就認為它們之間可以建立通信鏈路。

實際中，4顆小衛星工作時段不同，還需要考慮如何切換工作時段。如圖1所示，可以通過地球同步衛星對小衛星進行控制，當小衛星進入或離開指定工作空間時，地球同步衛星分別下達工作、停機命令，確保通信系統的順利運行。

4.2 小衛星中繼平臺對戰區的覆蓋情況仿真

以表1所示的小衛星星座作為中繼平臺，以戰區為目標區域進行覆蓋分析。由于采用回歸軌道，衛星每天具有相同的地面軌跡，因此僅需分析一天內小衛星星座對戰區的累計覆蓋情況，如圖2所示。圖中橫坐標為時間，縱坐標為小衛星星座對戰區的平均覆蓋率。

圖2 一天內小衛星星座對戰區的覆蓋情況Fig.2 Coverage condition of small satellite constellation towar area in a day

從STK覆蓋分析工具得到系統對戰區的平均覆蓋率99.69%。其中，未完全覆蓋的時間段為13∶14～13∶22和18∶15～18∶18，累計時間為13min，基本實現了對戰區的連續覆蓋。

4.3 通信鏈路建立仿真

利用STK仿真，得到戰機從出發到返航時間段內與作戰指揮中心的通信鏈路的建立情況，如圖3所示。圖中橫軸是時間，縱軸分別為以4顆小衛星為中繼，戰機與作戰指揮中心的連接情況。

圖3 戰機和作戰指揮中心的鏈路建立情況Fig.3 Link establishments of fighter and combat command center

通過STK鏈路連接工具，得到作戰指揮中心與戰機未建立鏈路的時間段為13：14～13：27和18：14～18：24，累計時間為25min。即可以進行連接的時間占98.26%。在系統發射、接收功率設置合理的情況下，該方案基本可以滿足戰術通信需求。

需要說明的是，橢圓軌道對不同經緯度地區的覆蓋性能有所不同，因此局部戰場的位置和大小不同，需要的小衛星數目可能會不同，但可用同樣的方法推算出小衛星星座的軌道參數，得出其覆蓋性能。

5 結束語

通信暢通是贏得現代戰爭的必要條件，本文以局部戰爭為背景，提出了一種小衛星遠程區域通信支援方案。該方案同超短波通信、高軌衛星中繼通信等已有遠程通信方式相比，具有區域覆蓋效果好、傳輸時延小、組網靈活、成本低等優點。在尚未建立全球軍事信息保障系統的前提下，提供了一種可行的、成本較低的軍事遠程區域通信保障系統的建設思路。

當然，本文僅僅在理想條件下對小衛星的覆蓋特性和通信鏈路的可連接性進行了仿真分析，要實現遠程通信支援的有效性，還應在此基礎上考慮衛星信道的傳輸特性，衛星、通信終端、地面站發射接收參數的設計，傳輸誤碼率性能以及通信容量等問題。

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WU Hao was born in Hanzhong，Shaanxi Province，in 1988. He received the B.S.degree from Air Force Engineering University in 2010.He isnow a graduate student.His research concerns airspace information and network transmission.

Email：wuhao123＠qq.com

陳樹新（1965—），男，陜西商洛人，2002年于西北工業大學獲博士學位，現為教授、碩士生導師，主要研究方向為通信系統仿真；

CHEN Shu-xin was born in Shangluo，Shaanxi Province，in 1965.He received the Ph.D.degree from Northwestern Polytechnical University in 2002.He is now a professor and also the instructor of graduate students.His research direction is communication system simulation.

張衡陽（1978—），男，湖南祁東人，2007年于國防科學技術大學獲博士學位，現為講師，主要研究方向為軍事航空通信、Ad Hoc網絡。

ZHANGHeng-yangwasborn in Qidong，Hunan Province，in 1978.He received the Ph.D.degree from National University of Defense Technology in 2007.He is now a lecturer.His research concernsmilitary aeronautics communication and Ad Hoc network.

A Remote Communication Scheme Based on Small Satellite Relay

WU Hao，CHEN Shu-xin，ZHANGHeng-yang
（Telecommunications Engineering Institute，Air Force Engineering University，Xi′an 710077，China）

To satisfy the communication demands of remote localwar，a small satellite relay-based remote communication scheme is proposed.The composition and working principle of remote communication system are analysed，orbitparameters of small satellite are calculated according to environment factors.Small satellites communication relay constellation ofmedium elliptic recursive orbit is structured，and communication between fighter and combat command center is realized.The coveragemodel of small satellite relay-based remote communication is built by STK software，and simulation results show that the average coverage rate of target area is 99.69%，available connection time rate of combat command center and fighter is 98.26%.

remote communication；small satellite；relay；area coverage；elliptic orbit

Aeronautics Science Foundation（No.20095596016）；The Natural Science Foundation of Shaanxi Province（2010JQ8010）；The Scientific Research Innovation Fund of Telecommunications Engineering Institute of Air Force Engineering University（DYCX1108）

TN927

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.04.006

吳昊（1988—），男，陜西漢中人，2010年于空軍工程大學獲學士學位，現為碩士研究生，主要研究方向為空天信息與網絡傳輸；

1001-893X（2012）04-0452-04

2011-11-15；

2012-03-02

航空科學基金資助項目（20095596016）；陜西省自然科學基金資助項目（2010JQ8010）；空軍工程大學電訊工程學院科研創新基金資助項目（DYCX1108）