基于分布式星群的雙層星座設計

蔣季，彭木根，王文博

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基于分布式星群的雙層星座設計

蔣季，彭木根，王文博

（北京郵電大學，北京 100876）

當前，陸地通信系統已無法滿足日益復雜的信息需求，利用空間信息網絡實現全球范圍內的無縫覆蓋和高效容量傳輸成為研究熱點。現有衛星通信系統以單層星座為主，缺少高低軌衛星之間的協同。提出了一種基于分布式星群的雙層星座設計，以基于分布式星群的低軌衛星作為網絡架構的基礎，采用星間鏈路實現低軌衛星之間的通信，通過高軌衛星實現中低緯度地區覆蓋性能加強。仿真結果表明，所提方法在僅依靠在國內部署衛星地面站的前提下可實現全球多重覆蓋。

空間信息網絡；星座設計；衛星協同；分布式星群

1 引言

空間信息網絡是以空間平臺為載體，實時獲取、傳輸和處理各類信息的網絡系統[1]。由于環境與成本因素的影響，目前陸地通信系統在一些環境下無法提供通信服務[2]，如海洋、沙漠、森林等偏遠地區部署基站成本高，使用率低；地震、泥石流等自然災害的發生將導致地面基站毀壞，無法提供通信；某些熱點區域由于短時間內用戶數量大幅增加，帶來嚴重的地面通信阻塞問題[3]。而空間信息網絡在廣域覆蓋、應急通信和大規模信息傳輸方面都具有明顯的優勢，能夠充分彌補地面通信系統的不足[4]。

衛星節點承載整個空間信息網絡的主要業務，根據運行的軌道高度不同，這些衛星被分為高軌衛星、中軌衛星和低軌衛星3種[5]，其中高軌衛星的軌道高度固定在35 786 km，中軌衛星的軌道高度為2 000~20 000 km，低軌衛星的軌道高度一般為500~1 500 km[6]。衛星節點處于高速運行狀態，需要相互協同、構成星座，才能實現良好的覆蓋性能和通信性能，因此，衛星的部署問題是整個星座設計的核心。我國國情為空間信息網絡的建設增加了額外約束條件：首先，我國無法在全球范圍內部署衛星地面站，當前衛星通信系統普遍采用的天星地網不適用于我國的星座設計，天星地網的主要特點是衛星之間不組網，依靠全球分布的地面站實現通信服務，衛星只充當簡單的轉發通道[7]，而我國無法采用這種網絡架構，在星座設計過程中必須將地面站限制在我國境內，衛星之間通過星間鏈路進行信息互通。其次，我國靜止衛星軌道位置、頻率資源稀缺，而中低軌衛星的傳輸帶寬有限，所以必須采用有效手段解決業務帶寬需求和衛星平臺承載能力之間的矛盾。分布式星群通過采用“多顆衛星等效為一顆大衛星”的方式提升服務能力，為緩解我國匱乏的空間頻率、軌位資源提供了新思路[8]。

現有的大部分空間系統均采用單層軌道衛星星座，其中高軌單層系統有ViaSat1、SES12等，中軌單層系統有Odyssey、O3b等，低軌單層系統有 Iridium、OneWeb等，玫瑰星座和極軌道星座都是較為成熟的星座構型，廣泛應用于單層衛星系統。但隨著通信要求的提高，單層衛星系統的不足日益凸顯。在高軌道衛星通信系統中，GEO運行軌道高，帶來較大傳播時延；軌道位置固定，覆蓋范圍限制在中低緯度地區，無法覆蓋高緯度以及兩極地區，MEO/LEO衛星通信系統的單顆衛星覆蓋面積有限，需要大量的衛星實現全球的無縫覆蓋[9]。針對上述問題，大量參考文獻提出了多層衛星通信系統，參考文獻[10]提出了一種三層衛星通信架構；參考文獻[11]提出了一種跨 LEO/ MEO的兩層通信架構，但集中于路由算法的研究，不涉及多層衛星星座設計問題；參考文獻[12]提出了一種骨干網和增強網的混合星座設計方法，但其衛星軌道還是集中在高軌部分，不能解決高軌衛星的不足問題。

為了滿足全球覆蓋性能，本文提出了一種基于分布式星群的雙層星座架構。GEO和LEO雙層協同，低軌部分采用分布式星群加強性能，并利用星間鏈路進行衛星間的互聯互通，實現我國建站條件下的全球覆蓋。仿真結果表明，相比于僅依靠低軌衛星的單層系統，基于分布式星群的雙層衛星通信系統，其覆蓋性能和平均通信仰角性能大大提高。

2 當前星座構型

衛星星座是由多顆衛星按照一定構型組成的集合，通過多個節點相互協作實現一定的覆蓋性能。衛星節點是星座的核心部分，設計星座的過程中需要對衛星的相應參數進行確定，這些參數如圖1所示，包括：軌道平面傾角，升交點赤經，近地點幅角，軌道半長軸，軌道的偏心率，真近點角。其中，軌道平面的位置由前兩個要素確定，軌道在軌道平面內的指向由第3個要素確定，軌道的大小和形狀由第4、第5要素確定，衛星某一時刻在軌道中的位置由最后一個要素確定[13]。

在星座設計的過程中，不僅需要確定衛星的相關參數，還需要確定星座的幾何構型。為了設計滿足全球覆蓋性能的衛星星座，基礎星座通常從極軌星座和玫瑰星座中產生。圖2(a)和圖2(b)分別顯示的是6個軌道面中，每個軌道面11顆衛星的情況下極軌星座和玫瑰星座的構型。

圖1 衛星軌道參數

圖2 軌道星座構型

極軌道星座與玫瑰星座都屬于對稱星座，軌道面分布均勻，每個軌道面上衛星數目相同，極軌道星座的軌道面經過兩極且與赤道面垂直，而玫瑰星座軌道面傾角一般小于90°。兩個星座軌道特點的不同決定了兩個星座性能的不同，玫瑰星座中衛星均勻分布，而極軌道星座中衛星集中在兩極地區，人口集中的中低緯度地區衛星數目反而小。在軌道部署相同的條件下，玫瑰星座的覆蓋性能優于極軌道星座。大多數不采用星間鏈路的導航衛星星座，如GPS、北斗等都采用玫瑰星座。而極軌道星座中衛星之間相對位置穩定，便于星間鏈路的維護，多作為空中組網的衛星網絡的基礎構型[14]。我國無法大規模部署海外衛星地面站，衛星之間的通信必須借助星間鏈路實現，所以本文將基于極軌道星座進行軌道設計。

在極軌道衛星星座中，單顆衛星可以維持多條星間鏈路。常用的衛星系統單星維持4條星間鏈路，如Iridium系統，除兩個相鄰的逆向軌道面上的衛星以外，每顆衛星均維持4條星間鏈路，分別與同軌道面上前后兩顆相鄰衛星和左右軌道面上的兩顆衛星互連[15]。隨著星座中衛星數目的增加，空中組網方式更加復雜，單星所維持的星間鏈路數目也逐步增加。星間鏈路的部署也是本文星座設計的重點。

3 基于分布式星群的雙層星座架構

本文提出了一種基于分布式星群的雙層星座架構。首先，GEO和 LEO雙層協同，GEO能加強 LEO對于中低緯度地區的覆蓋，中低緯度地區正好是全球人口分布相對密集的區域，且LEO避免了 GEO通信時延大、鏈路損耗高、無法覆蓋高緯度地區的問題，具有比單軌道衛星更好的性能。其次低軌部分采用分布式星群的架構，其特點是將一顆大衛星的功能分散到多顆小衛星上，實現服務能力的增強。最后考慮到我國沒有建立海外衛星地面站的條件，在軌道設計的過程中加入星間鏈路，實現衛星之間的通信。

3.1 高軌衛星位置選取

地球同步軌道可以部署4顆GEO，加強中低緯度地區的覆蓋[12]。考慮到全球覆蓋和僅在我國境內建立衛星地面站的條件，選取北京（39.9°N，116.4°E）、喀什（39.5°N，76.0°E）以及三亞（18.2°N，109.5°E）3個位置作為地面站，基于地面站的可見性將4顆GEO部署在177.5°W、9.8°E、96.1°E和116.4°W。高軌衛星的部署，增強了中低緯度地區的覆蓋性能，如圖3所示。

圖3 4顆GEO衛星對地覆蓋情況

3.2 基于分布式星群的低軌衛星架構

在低軌部分，以實現了全球覆蓋的銥星為基礎進行部署，銥星星座是一個擁有6個軌道面，每個軌道面上平均部署11顆衛星的極軌道星座[9]。采用分布式小星群代替原來的銥星系統中的單顆衛星，小星群內部衛星的架構如圖4所示。

圖4 分布式星群架構

每個小星群包含9顆衛星，其中心的衛星相當于一個管理者，以8條星間鏈路分別連接星群中的其他衛星，并以4條星間鏈路分別與前后兩顆相鄰星群和左右軌道面上的星群的主星進行連接，這樣星群間以及星群內部的通信都通過星間鏈路實現，解決了我國無法全球布站的問題，低軌部分的軌道以及衛星情況如圖5所示。副星只有簡單的存儲轉發功能，而主星完成復雜的控制和計算，并通過星間鏈路實現與副星的通信，主星需要較強的計算能力來保證副星的數據轉發，并在運行過程中維持多條星間鏈路，但主副星的架構使得數據與控制分離，副星的功能單一化，便于實現，主星實現集中式管理，每條副星只維持一條星間鏈路，降低了副星的部署與維護成本[4]，且隨著小衛星成本的降低以及一箭多星技術的成熟，該星座設計的成本會顯著降低。星間鏈路解決了無法全球布站的問題，且現階段teledesic840星座已經提出了每顆衛星8條星間鏈路部署方案，在本設計方案中，主星實時維持4條與相鄰主星的星間鏈路，主星與副星的星間鏈路通過數據傳輸量進行調整，而副星功能單一，數據量少，數據傳輸完成后保證休眠狀態，大大減少了主星負擔。

圖5 基于分布式星群的低軌衛星架構

基于分布式星群的雙層星座架構如圖6所示，小圈代表了GEO的位置，方框代表了LEO的位置。以下將通過仿真來驗證本星座設計在性能方面的提升。

圖6 基于分布式星群的雙層星座架構

在本星座設計中，低軌衛星和高軌衛星協同合作，即體現在覆蓋協同方面，也體現在業務協同方面[6]。高軌衛星相對地面靜止，通信時延大，不適用于時延敏感業務，所以時延敏感的實時通信業務會依賴于低軌衛星通信。但低軌衛星覆蓋范圍和容量小，當進行遠距離大規模衛星通信時，數據會經過多個低軌衛星進行轉發，導致時延和復雜度的上升，但這種情況下低軌衛星間的轉發由高軌衛星完成，路由轉發過程得到簡化，時延降低。

4 仿真與分析

GEO/LEO雙層架構在保證多重覆蓋的情況下，通信仰角也大大提高，本部分將通過仿真結果與銥星系統進行對比，從全球覆蓋情況、中低緯度覆蓋重數和平均通信仰角3個方面來證明本架構性能的提升。仿真參數如下，低軌衛星高度為780 km，星群個數為66個，每個星群中衛星數目為9顆，每個中心衛星維持的星間鏈路數目為12條，其中8條分配給星群內部的相鄰衛星，星間鏈路最大長度為1 936 km，4條分配給相鄰星群的主星，星間鏈路長度大約為4 100 km。

4.1 覆蓋重數對比

兩個星座都能實現全球范圍內的覆蓋，但在保證全球覆蓋的情況下，本系統相比于銥星系統，中低緯度地區覆蓋重數明顯加強，中低緯度地區覆蓋重數越大，可供選擇的衛星越多，星座抗打擊能力越強，系統的頑健性越好[16]。銥星中低緯度地區衛星覆蓋重數的情況如圖7(a)所示，不足4重，而基于分布式星群的雙層星座在中低緯度地區衛星覆蓋重數的情況如圖7(b)所示，性能大大提高。由圖7可知，雙層系統的平均覆蓋重數明顯增加，整個區域的衛星覆蓋重數都在4以上。

圖7 星座中低緯度地區覆蓋重數

4.2 平均通信仰角對比

對于移動通信系統，由于阻塞和多徑效應，電子流衰減、大氣吸收以及閃爍對于衛星鏈路的影響較大，影響的程度主要由鏈路經過大氣層的路徑長度決定，而路徑長度又直接由通信仰角決定[17]。隨著仰角的增大，路徑長度減小，通信質量提高。圖8顯示了雙層星座與銥星星座在中低緯度地區的平均通信仰角的情況對比，由圖8可知，在保證全球覆蓋的情況下，銥星星座的平均通信仰角為25°~35°，而雙層星座的平均通信仰角為58°~65°，明顯高于銥星系統。

圖8 全球平均通信仰角對比

5 結束語

本文提出了一種基于分布式星群的雙層星座架構，低軌部分主要由分布式星群組成，每個星群內部由星間鏈路連接，解決了我國無法全球部署衛星地面站的問題，高軌部分由4顆同步軌道衛星組成，增強中低緯度地區的覆蓋性能。最后由仿真結果可知，全球衛星覆蓋重數明顯增加，平均通信仰角也得到了極大提高。

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Design of double layer satellite constellation based on distributed satellite clusters

JIANG Ji, PENG Mugen, WANG Wenbo

Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China

Nowadays, the land communication system is unable to support the complex information needs, and realizing global seamless coverage and high capacity through space information network is anticipated. The existing satellite network is mainly composed of single satellite constellation, which absents the cooperation between the low earth orbit (LEO) satellites and geostationary orbit (GEO) satellites. A double-layer satellite constellation based on distributed satellite clusters was proposed, in which the infrastructure layer was composed of LEO satellites, the communication between LEO satellites was accomplished over inter-satellite links (ISL), and GEO satellites enhance the performance of coverage in low and middle latitudes. As simulation results show, the proposed approach can realize excellent global multiple coverage only relying on the deployment of satellite earth stations in China.

space information network, constellation design, satellite collaboration, distributed satellite cluster

V474

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2018172

2017?11?08；

2018?03?28

國家科技重大專項基金資助項目（No.HQGF01601877GGN00）

The National Science and Technology Major Project of China (No.HQGF01601877GGN00)

蔣季（1994?），女，北京郵電大學碩士生，主要研究方向為衛星通信網絡星座設計。

彭木根（1978?），男，北京郵電大學教師發展中心主任、教授，主要研究方向為未來無線網絡、霧計算網絡和協同通信理論。

王文博（1965?），男，北京郵電大學副校長，主要研究方向為無線傳輸技術、無線網絡理論、無線信號處理。