基于高低軌通信衛星的聯合組網研究

孫萌 張淼

航天恒星科技有限公司 北京 100086

近年來，隨著我國經濟的發展衛星技術的不斷進步，衛星應用領域逐漸擴大。同時，隨著萬物互聯時代的到來，衛星通信與人們的日常生活越來越密切。人們通過衛星通信可做到對地球的無縫覆蓋，衛星通信已成為人們生活中不可或缺的一部分。

1 衛星通信的組成及特點

衛星通信是以空間衛星作為中繼載體的一種通信方式，是在地面微波中繼通信和空間電子技術的基礎上發展起來的，衛星通信系統一般由空間衛星、網絡控制中心站、地面關口站和移動終端站四部分組成。其中，對衛星控制最為重要的是網絡控制中心站，負責監測、協調和控制網絡內所有衛星的操作運行，包括對衛星姿態、燃料消耗、星上工作環境參數和設備工作狀態的監測。

2 我國高低軌衛星移動通信現狀

經過多年發展，中國在軌衛星數已成為世界第二，衛星產業在國家信息化建設高速發展中起到支柱的作用支。但就目前來看，衛星遙感和衛星導航領域優勢較大，而在應用空間最大的衛星通信領域已經嚴重滯后。截至2013年年底，中國1.53萬家境內投資者在境外設立2.54萬家直接對外企業，分布于184個國家（地區），對外直接投資累計凈額超過6，600億美元，各類外派勞務人員超過70萬人。通過對我國國民經濟18個主要應用行業的調研和統計分析，預計我國未來衛星移動通信覆蓋范圍需求將從國土擴展至全球，潛在用戶數量達到300萬，公眾用戶產品年市場容量110億元。為保障我國海外人員的生命財產安全、國家全球化的經濟利益，建設我國自主可控、全球覆蓋的衛星移動通信系統既是迫切需要，也是必然選擇[1]。

目前，中國的地面移動通信網只能覆蓋到15%的國土面積，尤其是落后偏遠地區，地面基礎通信嚴重缺失，如果采用傳統地面通信方式來覆蓋面積龐大的偏遠地區，經濟壓力會很大。針對偏遠地區地面通信系統的“短板”，在統籌規劃建設自主衛星移動通信系統時，需要同時考慮以我國及周邊地區作為高容量熱點區域，這不僅是我國新時期國家戰略的客觀要求、經濟社會建設協調發展的必然趨勢，也是有效解決我國邊遠地區通信、有效應對各類自然災害威脅和彰顯負責任大國形象的需要。但是因為GEO衛星和LEO衛星在設計思想、技術手段、應用領域等方面都有著明顯區別，分別代表了衛星移動通信領域內兩種不同的發展方向，各有自己的優勢、不足，任何一方都不可能完全代替另一方。

3 高低軌衛星組網面臨的難題

高低軌衛星由于其軌道特性不同，運動狀態也不同。高軌衛星位于地球同步軌道，與地面保持相對靜止，而低軌衛星軌道高度較低，繞地旋轉速度大于地球自轉速度，因此，高軌衛星與低軌衛星之間處于相對運動狀態，由此引發了高低軌衛星相互通信時，星載天線對準難、對準開銷大的問題。一方面，對準難度高，對星載天線提出了很高的要求；另一方面，對準開銷大，對攜帶有限燃料的衛星是一個挑戰，嚴重影響了衛星的壽命[2]。此外，對于高軌衛星，其視場內有多顆低軌通信衛星。組網時需要一顆高軌衛星對多顆低軌衛星同時進行通信，但因為頻率資源有限，每個低軌衛星與高軌衛星通信時不具備使用不同頻率進行區隔的條件，因此，如何避免多顆低軌衛星與高軌衛星同時進行通信時的干擾，是另一個需要解決的問題。最后，當前設計衛星的主要思路和方法仍然是設計安裝對應的星載硬件設備來匹配不同的衛星功能，這種設計方法帶來了衛星用途僵化的問題，無法根據情況的變化改變使用場景和使用方式，同時也帶來載荷設備復雜性，不僅提高了使用衛星的技術門檻，也使衛星系統的不可靠性風險大大增加。

4 星間共享信道組網方式

針對高低軌聯合組網難題，本文提出興建共享信道組網方式。高低軌衛星聯合組網通信著重解決一星對多星的通信干擾問題，同時盡量降低高低軌衛星天線對準復雜度。根據這個設計要求，高低軌衛星星間通信信道應采用共享信道的設計模式，保證多顆低軌衛星有序共享信道資源，同時，星間通信天線應采用方向性要求低的天線。針對共享信道協議，有基于競爭和非競爭的信道協議模式，競爭信道是讓共享用戶隨機競爭信道，依靠協議的概率模型設計，在統計學上保證多用戶有序接入信道；非競爭信道協議則是依靠系統控制器進行調度，使多用戶有序接入信道。由于非競爭信道的中心控制使高低軌衛星聯合組網復雜度大大增加，因此，信道通信協議宜采用基于競爭的多用戶共享信道接入模式。針對星載天線，為了降低星間相對運動時天線對準的難度和對準過程的開銷，天線可使用主瓣方向角大、對方向性要求不高的天線，這將大大提高天線對準的幾率，提高傳輸連接成功率[3]。

為降低衛星天線波束對準的復雜度，高低軌衛星間通信采用波束寬度較寬的天線，高軌衛星天線對下發射信號，低軌衛星天線對上發射信號。高低軌衛星間天線發射和接收信號的波束角度范圍很寬，這樣的設計可以讓高低軌衛星在相對運動且天線沒有精確對準的情況下也能完成通信，提高了通信成功的概率。由于收發天線波束角較寬，高軌衛星可以同時收到視場內多顆低軌衛星的信號，而無線電頻譜資源有限，無法通過設置不同的頻段給各衛星鏈路加以區分通信信號。為了避免多顆低軌衛星的信號互相干擾，方案將星間通信鏈路協議設計為分時隙的應答確認與退避機制。

5 結語

高低軌寬帶通信衛星系統的發展，要結合各自特點，找好市場定位，提前進行布局，開拓一個新的廣闊的前景。