基于低軌互聯(lián)網(wǎng)星座的衛(wèi)星通信新應用分析

于杰 王玉云

摘 要：衛(wèi)星通信作為航天技術(shù)系統(tǒng)中的重要組成部分，在現(xiàn)階段以低軌互聯(lián)網(wǎng)星座的形式呈現(xiàn)出來，在衛(wèi)星通信領(lǐng)域應用極為廣泛。文章針對低軌互聯(lián)網(wǎng)星座技術(shù)展開論述，探究低軌互聯(lián)網(wǎng)星座技術(shù)的發(fā)展進程與現(xiàn)狀，深入分析低軌互聯(lián)網(wǎng)星座在衛(wèi)星通信中的新應用，以此為相關(guān)研究人員提供參考。

關(guān)鍵詞：低軌衛(wèi)星；互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)；衛(wèi)星通信；技術(shù)應用

0 引言

近年來，隨著衛(wèi)星通信技術(shù)服務范圍不斷拓寬，全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)建設效率提高，逐漸成為推動數(shù)字化信息時代發(fā)展的重要引擎，同時也為構(gòu)建低軌互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)提供技術(shù)支持，加快實現(xiàn)全球衛(wèi)星網(wǎng)絡全覆蓋目標，進一步提高衛(wèi)星通信與網(wǎng)絡信息傳輸效率。

1 低軌互聯(lián)網(wǎng)星座概述

低軌互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)由成百上千的低軌道小衛(wèi)星組成，為地球提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務，在消除對地衛(wèi)星數(shù)字鴻溝方面應用廣泛，是實現(xiàn)全球互聯(lián)網(wǎng)通信衛(wèi)星覆蓋布局的關(guān)鍵。就當前衛(wèi)星通信行業(yè)發(fā)展狀況而言，低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已然成為全球通信衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設的新風口，全球科技信息通信行業(yè)巨頭紛紛涌入其中，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信逐漸邁向激烈的競爭時代。以虹云星座、鴻雁星座、OneWeb星座、StarLink星座等低軌互聯(lián)網(wǎng)星座為主的互聯(lián)網(wǎng)通信衛(wèi)星的發(fā)射，刺激和帶動了巨型低軌互聯(lián)網(wǎng)寬帶通信衛(wèi)星星座的發(fā)展與進步，通過科技創(chuàng)新的形式，對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信方式進行更新，在未來行業(yè)社會發(fā)展進程中，將成為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)發(fā)展的新方向[1]。

2 低軌互聯(lián)網(wǎng)星座技術(shù)發(fā)展進程及現(xiàn)狀

低軌道衛(wèi)星一般存在于對地遙感系統(tǒng)之中，在互聯(lián)網(wǎng)移動通信領(lǐng)域占據(jù)重要作用，信息數(shù)據(jù)傳輸受衛(wèi)星軌道高度影響，低軌道互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座位置的確定，有效縮短信號傳輸時間，減少信號傳輸延時問題，在衛(wèi)星運行期間，信號傳輸環(huán)境對信號的傳輸損耗較小，應用效果較好。隨著蜂窩通信、點對點波束、多地址頻率復用技術(shù)的推廣與應用，為低軌道衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)移動通信系統(tǒng)的建設與發(fā)展提供技術(shù)支持，將小型部件與輕型技術(shù)相結(jié)合，綜合考慮通信衛(wèi)星的重量、成本、運行模式等問題，經(jīng)過長期的探索和實踐工作，地軌衛(wèi)星發(fā)射技術(shù)逐漸成熟，成為構(gòu)建低軌互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)的重要動力。

低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信相較傳統(tǒng)的地面通信網(wǎng)絡而言，其造價成本更高，在普通民用領(lǐng)域應用范圍小，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)建設進程中，解決衛(wèi)星通信網(wǎng)絡市場定位問題迫在眉睫，逐漸成為約束和限制低軌互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。當前，全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)軌道均采用Leo模式，系統(tǒng)建設與完善的核心技術(shù)在創(chuàng)新與應用期間，存在明顯的復雜性特征，由于星載器件實用性能有限，整體動力不足，直接導致我國低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)信號處理與交換技術(shù)研發(fā)陷入困境，全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信頻率協(xié)調(diào)目標難以實現(xiàn)，網(wǎng)絡荷載技術(shù)與核心控制技術(shù)研發(fā)滯后，嚴重影響低軌互聯(lián)網(wǎng)星座衛(wèi)星通信網(wǎng)絡建設效果。

3 低軌互聯(lián)網(wǎng)星座在衛(wèi)星通信中的新應用分析

3.1 目標優(yōu)化設計

低軌互聯(lián)網(wǎng)星座在衛(wèi)星通信系統(tǒng)建設中占主導地位，對系統(tǒng)整體建設目標進行優(yōu)化設計，是解決通信衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)建設問題的前提。為此，相關(guān)人員通過深入分析衛(wèi)星星座設計環(huán)節(jié)存在的具體問題，結(jié)合當前衛(wèi)星通信市場上應用最廣泛的衛(wèi)星通信技術(shù)，構(gòu)建基本的衛(wèi)星通信互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)的基本模型，綜合考量多方面影響因素和約束條件，建立多目標優(yōu)化模型，經(jīng)過精準、嚴密的優(yōu)化計算，生成系統(tǒng)建設目標數(shù)據(jù)庫，尋求低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星通信技術(shù)網(wǎng)絡系統(tǒng)建設的最優(yōu)方案[2]。

3.1.1 基本星座模型

針對低軌道衛(wèi)星通信星座設計問題，其最終目的是獲取星座衛(wèi)星數(shù)目與軌道衛(wèi)星運行相關(guān)參數(shù)，充分考慮衛(wèi)星位置對近地點、春分點、升交點位置產(chǎn)生的變化和影響，以此確定衛(wèi)星中軌道參數(shù)，保證星座參數(shù)設計符合衛(wèi)星數(shù)目分布特點，利用較為常見的Walker星座與Flower星座為基本模型，降低空間維數(shù)求解難度。

3.1.2 多目標優(yōu)化模型

低軌道通信衛(wèi)星星座系統(tǒng)構(gòu)建期間，存在多目標約束問題，其本質(zhì)問題在于系統(tǒng)內(nèi)部各子目標之間的沖突性和矛盾性，要求技術(shù)人員通過多種方式和手段，對星座系統(tǒng)中多目標進行優(yōu)化設計，構(gòu)建目標優(yōu)化模型，逐步滿足任務覆蓋量，降低軌道高度與通信仰角對軌道衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信服務能力覆蓋產(chǎn)生的不良影響。多目標優(yōu)化模型包含多目標函數(shù)與諸多約束條件，通過目標函數(shù)精準反映本質(zhì)性問題，綜合考慮通信衛(wèi)星發(fā)射成本、技術(shù)研發(fā)進度、通信網(wǎng)絡系統(tǒng)維護成本等問題，建立滿足約束條件的衛(wèi)星系統(tǒng)多目標優(yōu)化模型。

3.1.3 約束條件分析

低軌道衛(wèi)星通信星座模型中，星座覆蓋性能是影響衛(wèi)星星座設計的關(guān)鍵，按照覆蓋范圍可以分為全球覆蓋和區(qū)域覆蓋；從時間覆蓋來看，主要分為連續(xù)覆蓋與間斷覆蓋；按覆蓋維度可分為單一覆蓋與多重覆蓋、模型構(gòu)建過程中，需對系統(tǒng)建設約束條件進行分析，通過覆蓋帶法和網(wǎng)格設計法實現(xiàn)對衛(wèi)星星座覆蓋情況的精準計算。

3.1.4 星間鏈路情況

低軌道通信衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設期間，衛(wèi)星星座模型中存在靜態(tài)和動態(tài)兩種星間鏈路方式，根據(jù)不同覆蓋區(qū)域特定用戶的通信目標，在相鄰衛(wèi)星之間建立星間鏈路，利用衛(wèi)星通信系統(tǒng)向全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)用戶提供便捷的通信服務，在一定程度上緩解通信衛(wèi)星區(qū)域覆蓋壓力，發(fā)揮實時通信功能，提高衛(wèi)星通信效率和質(zhì)量，推進衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)建設進程。

3.2 具體應用場景

基于低軌道互聯(lián)網(wǎng)星座的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，相較傳統(tǒng)衛(wèi)星通信具備更加強大的通信功能，通信軌道呈現(xiàn)多樣化發(fā)展趨勢，通信終端綜合性能較強，在全球信號覆蓋方面具有明顯的應用優(yōu)勢，對我國衛(wèi)星通信自主信息系統(tǒng)建設提供必要的技術(shù)支持，在社會各行業(yè)、各領(lǐng)域內(nèi)應用廣泛[3]。

3.2.1 在科考探險中的應用

低軌道衛(wèi)星在信號傳輸中占據(jù)優(yōu)勢，現(xiàn)代軌道衛(wèi)星通信技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座系統(tǒng)被應用于社會生活中的各個方面，在科學考察探險工作開展期間，科考探險研究人員利用衛(wèi)星通信的方式，通過低軌道衛(wèi)星通信星座進行寬帶連接，將科學考察分析得來的詳細數(shù)據(jù)信息經(jīng)由低軌互聯(lián)網(wǎng)通信衛(wèi)星傳輸至科學考察實驗室，通信衛(wèi)星星座系統(tǒng)的應用，有效保證了科考數(shù)據(jù)的真實性和完整性，提高數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)男屎唾|(zhì)量，加快實現(xiàn)精準數(shù)據(jù)傳輸作業(yè)，為科學考察與實地調(diào)研工作提供技術(shù)支持。

3.2.2 在自然環(huán)境保護中的應用

衛(wèi)星通信技術(shù)為我國部分邊遠地區(qū)自然環(huán)境保護做出巨大貢獻，以可可西里自然保護區(qū)為例，國家相關(guān)部門針對保護區(qū)開展生態(tài)環(huán)境保護與環(huán)境監(jiān)測工作，通過建立衛(wèi)星通信固定基站，利用低軌道衛(wèi)星星座進行互聯(lián)網(wǎng)通信，充分發(fā)揮衛(wèi)星通信技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的重要作用，已基本解決自然環(huán)境保護區(qū)通信卡頓、網(wǎng)絡延時、圖像不清晰等問題，實現(xiàn)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在邊遠地區(qū)的信號全覆蓋，自然資源和稀有物種盜獵事件發(fā)生概率大大降低，推動自然保護區(qū)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

3.2.3 在海上通信中的應用

地軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)在海洋運輸行業(yè)中，主要發(fā)揮衛(wèi)星通信技術(shù)在船舶信息跟蹤、浮標監(jiān)測、船舶自動識別等方面，在海洋運輸生產(chǎn)作業(yè)開展期間，為保證船舶安全運行，利用衛(wèi)星通信技術(shù)，在船舶系統(tǒng)中增加海上網(wǎng)絡通信模塊，一旦出現(xiàn)航行線路有誤、船舶運行異常等情況，利用衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信功能，向陸上發(fā)射緊急救援信號，保證海洋運輸作業(yè)的安全性和穩(wěn)定性。

3.2.4 在智能導航中的應用

地軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)在智能導航系統(tǒng)建設中應用效果較好，衛(wèi)星通信項目逐漸成為未來智能生活布局中的重點發(fā)展方向，隨著無人駕駛、移動物聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)和發(fā)展，社會各行業(yè)逐漸加大對衛(wèi)星通信技術(shù)的重視，將其與智能導航系統(tǒng)進行有機結(jié)合，通過衛(wèi)星信號傳輸，綜合運用多種定位導航技術(shù)，實現(xiàn)多場景化的職能導航定位，對智能產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展提供必要的技術(shù)支持。

3.2.5 在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中的應用

地軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡構(gòu)建過程中起到核心作用，以現(xiàn)代化5G移動網(wǎng)絡通信技術(shù)為依托，自主研發(fā)低軌寬帶通信衛(wèi)星，采用Q/V通信頻段，平均信號傳輸速率可達10 Gbps，具備較強的透明轉(zhuǎn)發(fā)通信能力，通過建立星間鏈路的形式，將通信衛(wèi)星進行信號連接，將5G移動網(wǎng)絡接入衛(wèi)星星座系統(tǒng)，實現(xiàn)對海陸空的全信號覆蓋。

4 結(jié)語

綜上所述，地軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)建設，以衛(wèi)星通信技術(shù)為基礎，通過對系統(tǒng)目標進行優(yōu)化設計，構(gòu)建通信衛(wèi)星連接網(wǎng)絡，提高信號傳輸質(zhì)量和效率，進一步推動社會各行業(yè)網(wǎng)絡通信技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新。

[參考文獻]

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[2]段佳.空間頻率和軌道資源分配規(guī)則研究—基于低軌通信衛(wèi)星星座建設的視角[J].國際太空，2020（10）：42-47.

[3]沈大海，蒙艷松，邊朗，等.基于低軌通信星座的全球?qū)Ш皆鰪娤到y(tǒng)[J].太赫茲科學與電子信息學報，2019（2）：209-215.

（編輯 王雪芬）

Analysis of the new application of satellite communication based on low - rail Internet constellation

Yu Jie， Wang Yuyun

（Nanjing Panda Handa Technology Co.， Ltd.， Nanjing 210000， China）

Abstract：As an important part of the space technology system， satellite communication is presented in the form of a low - orbit Internet constellation， and is widely used in the field of satellite communication. This paper discusses low - orbit Internet constellation technology， explores the development process and status quo of low - orbit Internet constellation technology， and deeply analyzes the new application of low - track Internet constellation in satellite communication， so as to provide reference for relevant researchers.

Key words：low - orbit satellite； Internet constellation system； satellite communication； technology application