利用中高軌通信衛星支持低軌衛星數據中繼的應用研究

李靖

隨著低軌衛星（LEO）星座系統在衛星互聯網、衛星物聯網、遙感觀測等行業的應用逐步擴大，解決其高效、便捷的數據中繼傳輸的問題將變得突出。采用中高軌衛星的天基中繼服務方式是對地基數據中繼服務的一種有效補充方式，本文介紹了現有天基數據中繼服務的若干手段和發展方向，提出了利用中高軌通信衛星來解決低軌衛星數據中繼的若干設想和需要解決的關鍵問題。

LEO衛星系統在衛星互聯網、衛星物聯網、遙感觀測信息采集等商業應用中具有廣闊的發展前景。然而，由于低軌衛星的軌道較低、覆蓋區較小的特征，也會帶來諸多的問題。例如，對于低軌通信衛星，會帶來全球信關站布站困難、星間鏈路規劃復雜、路徑規劃時延較長、網絡阻塞率增加和系統抗毀能力變弱等問題。對于遙感、測繪、氣象等方面應用的低軌衛星，也需要在有地面饋電鏈路連接的時段，才能將數據回傳地面，對海量的數據采集需求和更高的實時性需求，也逐漸力不從心。

為了解決上述問題，可以使用天基數據中繼平臺，為LEO衛星提供遠程數據通道，減少星上存儲壓力。目前天基數傳業務主要采用專用中繼衛星完成，一般采用較簡單的通信協議，使用任務規劃或簡單輪詢等方式來實現航天器與中繼衛星的鏈路對接。上述方式難以為未來海量的低軌星座系統提供便捷的衛星接入服務。

隨著高通量衛星等大容量通信衛星系統的建立，衛星通信能力得到了成百倍的提升，利用中高軌通信衛星作為低軌衛星的數據中繼支撐成為可能。但為了支持低軌衛星的數據接入，還需要開展諸如小型化終端、衛星網絡管控等問題開展研究。

現有的國外天基數據中繼系統，仍然以跟蹤與數據中繼衛星系統（TDRSS）為主力軍。包括美國的以S、Ku＼KA頻段鏈路為主用鏈路的TDRS系統，以及具備光通信鏈路的后續發展型；歐洲的以Ka頻段和激光通信鏈路為主用鏈路的ESA中繼衛星系統。上述系統都使用專用天基數據中繼頻段，采用專用數傳中繼鏈路實現低軌航天器的數據中繼。

早在上世紀90年代，美軍就曾研究嘗試利用國防衛星通信系統DSCS III型衛星的SHF鏈路作為其TDRSS中繼能力的補充。從2015年開始，有商業公司開始嘗試使用中高軌通信衛星，為低軌衛星提供數據中繼服務。2017年，AddValue Technologies公司與Inmarsat聯合，為LEO衛星和運載系統提供名為IDRS的數據中繼服務，LEO衛星可搭載其提供的數據中繼服務終端，利用Inmarsat的L頻段信道作為星間中繼鏈路，再利用Inmarsat的饋電鏈路完成數據中繼任務。

2018年，Audacy公司提出要用三顆MEO衛星，為LEO衛星提供數據中繼服務，并且拿到了FCC的頻率許可；2020年，澳大利亞光電系統公司（EOS）收購Audacy，并在美國組建了一家名為SpaceLink的全資子公司，繼續開展LEO衛星的數據中繼服務。

我國的天基數據中繼系統主要是以移動點波束為主用模式的天鏈一代和具備蜂窩全向上行波束的天鏈二代衛星系統為代表，基本采用了基于CCSDS協議體系，實現對我國航天器的數據中繼服務。

在“天地一體化信息網絡”相關的課題和工程中，也開展了針對多種軌道衛星融合設計的研究。在其組網規劃中，由高軌衛星簇組成的“天基骨干網”中部署了數據中繼衛星（或中繼載荷模塊），具備為其系統內的低軌衛星提供數據中繼服務的能力。從整體架構上看，其高軌衛星提供的數傳服務，仍然采用的是按規劃建鏈的方式，由系統天基接入管控中心配合其他管控中心完成相關的規劃和執行控制。因此，該系統的數據中繼方案仍然與傳統方式一種，并沒有規劃LEO衛星按需隨域接入的靈活數據中繼應用場景。

在商業數據中繼領域，目前國內只有航星光網Laser Fleet，從2018年開始，該系統計劃通過建立低軌星座，以激光鏈路為關鍵技術，實現對為平流層飛行器、系留氣球、亞軌道飛船、空間站和微小衛星等提供接入服務。

從目前我國的數據中繼體系現狀分析，一方面，中繼衛星系統并不具備靈活受理不同應用和管理背景的低軌衛星的中繼接入的能力，另一方面，我國的商業天基測控數據中繼系統落后于服務全球的LEO衛星系統的建設。從國內外發展方向分析，利用現有中高軌的寬帶通信衛星，以通信業務的方式實現低軌衛星的數據接入，是一種能夠廉價且高效的手段。

中高軌通信衛星具備了以下能力特征，能夠為LEO衛星提供數據中繼服務。

（一）帶寬服務能力提升

目前，中高軌衛星的高通量發展趨勢明顯，隨著高通量衛星不斷擴容，在短期已經產生了供給過剩的情況，數據服務價格處于下降通道，因此能夠有足夠的帶寬服務于低軌衛星的數據中繼業務。

（二）創新技術能力增強

新一代的中高軌通信衛星，特別是高通量衛星，普遍采用了多點波束、頻率復用、增益集中等技術，最新的系統還使用了如相控陣波束成形，星上數據處理等技術，使通信系統根據用戶終端需求的來調配資源的靈活度大大增加，能夠在通信系統中統一規劃兼容更多的用戶應用，使低軌衛星數據中繼服務能夠平滑的加入到通信系統中來。

（三）頻率資源豐富

針對未來海量的商業低軌衛星的數據中繼業務，若仍采用在天基數據中繼頻段（25.5～27GHz），其頻率協調難度將大大增加。對于希望提供天基數據中繼服務的商業公司，除了采用復雜度較高的激光通信等方式，微波通信的頻率協調工作幾乎是不可能完成的。

如果采用已完成國際電聯申報并通過審核的中高軌衛星通信系統的通信頻段，則能夠完全不受頻率資源的限制。只要低軌衛星搭載的通信終端也滿足衛星通信系統申報的終端頻段、功率譜密度、天線輻射方向性的要求，即可使用。

（一）通信體制和終端設計

中高軌寬帶通信衛星的EIRP和G/T值較高，其系統內標準小型終端（如0.4m等效口徑，5W功放）的上行業務帶寬支撐能力能最高夠達到十幾兆水平。對于在低軌衛星上搭載的星載用戶終端，體積和重量相對受限，因此需要根據實際的系統指標和終端要求，設計通信終端的功放和天線尺寸指標。

LEO衛星的運行速度比一般終端的運動速度高，可達20多馬赫，因此與中高軌衛星的相對速度（加速度相對不高）最高可造成幾百KHz的多普勒頻偏。因此，需要對其使用的中高軌衛星的通信體制開展分析，通過鏈路計算分析，使其終端能夠傳輸滿足耐受最大的多普勒頻譜頻偏的業務速率的數據信息。此外，還可以設計專用業務波形在專用載波中支撐低軌衛星的數傳應用。

LEO衛星搭載的通信終端的天線波束指向應能夠連續掃描，從而滿足低軌衛星姿態的變化導致對中高軌衛星指向的改變。從目前的發展趨勢來看，采用相控陣天線波束合成技術是未來的發展方向，但其波束指向范圍較傳統伺服機構的天線仍有較大差距，因此需要根據中高軌衛星的覆蓋情況綜合判斷終端的天線的種類和指標要求。對于天線跟蹤問題。由于LEO衛星運行環境相對地面終端平穩，因此其加速度調整要求不高，通信終端采用開環跟蹤的方式，即利用本星姿態和軌道位置以及中高軌衛星的精確星歷信息，就可以基本滿足信號跟蹤要求。

（二）LEO衛星終端的移動性管理

LEO衛星作為終端用戶，需要解決其移動性管理問題，該問題與中高軌衛星系統支持機載終端的移動性管理問題類似，但由于其高速特性，還需要在切換控制等方面做進一步優化。

對于按波束區劃分信關站的高通量衛星來說，主要需要考慮其在跨越波束交疊區時的切換時延和成功率，以及在切換不同信關站管理的波束時，其業務的對于地面網絡的IP承載的移動管理問題。

對于LEO衛星終端，其特征是軌道的確定性，因此，在跨波束切換問題上，可采取一定的預規劃方式來輔助切換。提供中繼業務服務的中高軌系統應可以根據其搭載終端的屬性信息，得到其所在LEO衛星的星歷和實際軌道信息，再根據本系統波束覆蓋區信息，確定該衛星的下個切換時刻，在規定的時刻直接向其發送切換指令，完成切換控制過程。

由于LEO衛星運行路徑長，在其跨越不同信關站管理的波束時，可能會出現轉發該衛星的數據的地面信關站發生切換，導致網關IP地址需要的切換的問題。該問題可以采用地面移動通信系統常用的IP數據隧道或移動IPv6等技術解決，或采用信關站間的地面專用數據通道完成數據轉發的方式完成不間斷的數據交互。

（三）衛星資源管理和QoS保障

系統為LEO衛星終端的數據中繼業務分配無線資源時，需要考慮其應用的特殊性，應可以靈活選擇多種資源分LEO配的方式，滿足不同QoS需求的數據中繼業務傳輸。

傳統數據中繼業務是典型的電路域分配方式，即使采用多種復用方式，其無線資源基本是不可調整的；而較新的基于移動通信體制或寬帶多媒體衛星通信體制（BMS）的系統，則以分組域為主要資源管理方式。

對于LEO衛星終端的數據中繼業務，既有突發的信令信息，也有大數據量的數據回傳業務。為了滿足不同等級中繼數據的傳輸需求，可在多個資源層面上采取措施，實現不同的QoS保障需求。

1. 波束層面獨享

對于最高優先級的數據中繼業務，一些具備移動點波束的中高軌系統，可調配點波束資源，由該低軌衛星獨占，完成全程的波束跟蹤服務，提供無線專線服務質量。

2. 資源塊層面獨享

可以采用固定分配資源塊的方式，如FMDA信息，分配固定頻段；TDMA系統，分配時隙，MF-TDMA系統分配固定時頻塊，該無線資源由其獨占，即提供虛擬電路域的服務質量。

3. 分組數據共享

根據終端用戶的前返向數據緩沖區的數據緩存，動態向系統申請無線資源根據其數據業務的優先等級，由系統無線資源管理單元完成對其業務的動態無線資源塊的分配管理。

因此，系統應具備多級的QoS保障和資源分配的管理策略，滿足不同數據中繼業務的傳輸需求。

從天基數據中繼的發展方向上來看，對于日益增長的LEO衛星的數據中繼需求，采用高通量等中高軌通信衛星實現數據中繼，是對現有數傳業務服務非常有益的補充，且非常適合中繼業務的商業推廣。

為了實現中高軌通信衛星為低軌衛星提供數據中繼服務，還需要在衛星通信系統的波形體制、終端設計、系統管控方式等多方面做多種優化改進。本文分析了主要的關鍵問題和技術，為后續研究和開發工作打下了基礎。下一步工作，將對低軌衛星的快速接入、便捷切換等算法做深入研究和仿真，在切換時延、成功率等指標上進行各種方法的比較和驗證。

作者單位：天津七一二通信廣播股份有限公司 北京研發中心