一種MEO星座的覆蓋性能及組網方案分析

趙艷賓，王任寧，胡培培

（1. 北京國電高科科技有限公司，北京 100094；2. 保定市退役軍人事務局，河北 保定 071051；3. 63861部隊，吉林 白城 137000；4. 北京建企動力科技工程有限公司，北京 101100）

0 引言

地球靜止軌道（geostationary earth orbit，GEO）衛星軌道位置資源緊張已久，隨著5G、6G以及物聯網等通信技術的發展和衛星制造、發射技術的進步，衛星通信迎來了一股新的發展浪潮，以“星鏈（Starlink）”“OneWeb”為代表的多個超級低軌衛星星座計劃為全球用戶提供寬帶互聯網接入，商業化競爭與大國博弈交織，低軌軌道資源變得空前緊張[1-2]。目前高軌、中軌、低軌3種星座組網方式中，GEO星座單星覆蓋面廣、組網需要的衛星數少、覆蓋范圍固定、天線跟蹤相對容易，但通信距離大、傳輸時延長、對衛星和用戶終端的有效全向輻射功率（equivalent isotropically radiated power，EIRP）要求高，而且存在覆蓋盲區，典型星座有INMARSAT系統[3]、Thuraya系統[4]、ACeS系統[5]。低地球軌道（low earth orbit，LEO）星座相對時延小，最接近地面網絡時延要求，能夠實現全球覆蓋，隨著近年商業小衛星制造技術和發射技術的成熟，成為全球熱點新興產業，但LEO星座又存在組網需要衛星數目多、切換頻繁、管理復雜等問題，典型星座有Iridium系統[6]、Globalstar系統[7]、Starlink系統[8]、Telesat系統[9]、OneWeb系統[10]等。中地球軌道（medium earth orbit，MEO）星座是高軌星座和低軌星座的折中，相對于GEO系統，MEO系統傳輸損耗小，降低了對手持機和星載天線的要求，研制手持機的難度與LEO系統大致相當，傳輸時延約為GEO系統的1/4，使得通過MEO衛星的雙跳通信易被用戶接受，而且可以實現全球無縫覆蓋；相對于LEO系統，MEO衛星移動速度慢，帶來的衛星切換不是很頻繁，且衛星覆蓋范圍大，星座需要的衛星較少，系統設計和管理較簡單。所以從某種程度來看，MEO系統克服了GEO系統和LEO系統的缺點，其業務性能、服務壽命、傳輸時延、技術和實施風險、系統復雜性及系統費用都在可以實現和接受的范圍內，適合提供全球通信服務[11]，典型星座有中圓軌道（intermediate circular orbit，ICO）系統[12]、O3b（other 3 billion）系統[13]等。ICO系統在提出過程中，曾對同步軌道、中軌道和低軌道進行反復論證，最后確定選擇MEO方案，采用兩個高度為10 350 km、傾角為45°的圓軌道，共有10個衛星，另外備份2個衛星。O3b星座系統是目前全球唯一一個成功投入商業運營的MEO衛星通信系統，系統整個星座并未對衛星數量進行限制，一般采取8顆星一組的模式，可以按需增加衛星數量，實現在軌容量擴展。按照美國聯邦通信委員會（Federal Communications Commission，FCC）批準條件，O3b系統能夠運營共計42顆中軌衛星，兼用傾斜和赤道軌道，成為一個全球性通信系統。O3b第一代衛星均運行在高度為8 062 km、傾角為0.03°的赤道上空MEO軌道，軌道周期為287.92 min，能夠覆蓋南、北緯45°之間所有地方，在南緯、北緯45°～62°范圍內也能提供一定的服務。雖然部分衛星系統項目停止或者公司破產重組，但都只是商業上的失敗，作為星座設計技術上的經典案例，對本文星座設計仍具有重要參考意義。3種系統各有長短，我國對GEO、LEO星座系統都已有所布局，還需要對MEO星座系統進行布局，搶占MEO軌道位置資源和技術市場先機，本文價值在于為我國MEO星座系統如何組網規劃提供參考。

衛星星座組網有兩種途徑：一是通過星際鏈路實現，如Iridium系統、Starlink系統、Telesat系統；二是通過地面信關站中繼實現，如ICO系統、O3b系統、Globalstar系統、OneWeb系統。在全球范圍內布局地面信關站需要考量地形地貌、地緣政治等多重因素，OneWeb系統計劃部署70余個信關站，但依然難以實現全球無縫服務。基于星間鏈路及星上交換技術的組網方式可擺脫信關站部署障礙，對于實現全球服務能力、優化信關站部署規模存在重要意義。目前，我國在境外建立地面站受限，適宜采用星際鏈路組網，同時當衛星處于境內上空時又可以實現地面站中繼組網，將兩種組網方案的優勢結合起來進行混合組網，可以建立以我國區域覆蓋為主，同時兼顧全球的衛星通信系統。本文參考世界各MEO星座和我國國情，提出了一種（6+4）MEO星座方案，并使用STK[14]對星座覆蓋性能、星際鏈路特性和信關站選址及覆蓋性能進行了仿真分析[15]，論證了該方案的可行性。

1 星座組成及覆蓋性能分析

星座設計需要根據任務需求進行，基于當前我國國家利益在全球的拓展，星座應實現全球覆蓋、提供基本接入，同時，我國是系統用戶和業務最多的地區，是重點服務區，在系統容量上應提供更多接入點。基于以上需求，本文提出一種MEO星座，星座包含10顆MEO衛星，其中6顆均勻分布在赤道軌道平面內，相位角為60°、軌道傾角為0°；4顆均勻分布在極地軌道平面內，相位角為90°、軌道傾角為90°。所有衛星軌道高度為10 352 km，回歸周期為1天，1天內運行4圈。重點服務區域中心位置在110°E，應該使極地軌道衛星地面軌跡關于此中心位置左右對稱，以取得對重點服務區域比較均勻的覆蓋，計算可得極軌道的升交點赤經應為89.6°，4顆衛星的真近點角分別為0°、90°、180°、270°。當極軌道衛星運行至赤道上空時，與相鄰兩顆赤道衛星的間隔分別為15°和45°，使整個星座取得比較均勻的覆蓋效果。這里選用赤道軌道衛星升交點赤經為74.6°，真近點角分別為0°、60°、120°、180°、240°、300°。（6＋4）MEO星座的3D效果如圖1所示。

圖1 （6＋4）MEO星座的3D效果

星座的軌道要素確定后，使用STK對其10°最小仰角下的覆蓋性能進行仿真，赤道軌道和極地軌道的覆蓋特性（最低仰角10°）見表1，該星座可實現全球服務區全時100%覆蓋。星座的覆蓋性能是在緯度方向帶狀分布的，即相同緯度帶的覆蓋性能相同。

表1 赤道軌道和極地軌道的覆蓋特性（最低仰角為10°）

2 組網方案分析

衛星之間是通過星際鏈路組網還是通過地面站組網需要綜合考慮多種因素。一方面，我國要實現全球通信，信關站只能建立在我國境內，必須使用星際鏈路實現全球通信；另一方面，星際鏈路技術對衛星復雜度要求較高，技術難度比較大，且受功率、容量等限制，星上處理能力有限，在能使用地面站的地方應避免使用星際鏈路。下面對星際鏈路特性、信關站覆蓋性能進行分析。

2.1 星際鏈路組網

使用星際鏈路組網有很多優點：傳輸條件好，星際鏈路信號不需要穿過大氣層，沒有大氣吸收、雨衰、遮擋、多徑效應等損耗，可以采用頻率更高的波段或激光通信，實現大容量通信；傳輸效率高，星際鏈路中繼比地面站雙跳中繼傳播時延短，提高了傳輸效率，更容易滿足實時業務的服務質量（quality of service，QoS）要求；組網方便，地面信關站的建設會受政治、經濟、地理等方面的限制，而星際鏈路沒有這些限制，系統路由選擇和網絡管理更加靈活方便；抗毀性強，所有衛星通過星際鏈路互聯后，通信信號能不依賴于地面通信網絡進行傳輸，極大地提高了系統抗干擾和抗摧毀能力；地面段壓力小。采用星際鏈路減少了對地面信關站的數量需求，從而可大大降低地面段的復雜度和投資。但是采用星際鏈路也帶來一些代價和難度：由于星際鏈路主要用作中繼網絡，對信噪比、帶寬要求都比信關站鏈路高，給收發天線、射頻設備、調制解調設備和基帶處理設備提出了更高的要求，而且衛星必須具有星上處理和交換功能，以實現信號的星上選路和交換，衛星研制難度較大；作為中繼鏈路，星際鏈路適合采用較高的工作頻段或采用激光星際鏈路，但天線指向捕獲困難，指向誤差會降低天線增益；星際鏈路距離和指向特性變化幅度較大、較快時，需要精準靈敏的星際鏈路天線指向控制和功率控制技術。

本星座同軌道相鄰衛星之間的相對位置比較固定，星際鏈路特性幾乎不變，因此實現起來比較簡單，通過計算得知，10°最小仰角下的星地距離為10 352～14 500 km，傳輸時延為35～48 ms，軌道內相鄰星間距離為10 352+6 370=16 722（km），傳輸時延為55.74 ms，隔一顆星的星際鏈路距離為16 722×1.732=28 962（km），傳輸時延為96 ms。可見，隔一顆星建立星際鏈路代價較大，且沒有明顯的優勢，故軌道內只是在相鄰星之間建立鏈路。

赤軌道面和極軌道面相互垂直，若按照距離最近的原則建立軌際鏈路，則某半個軌道周期（3 h）內兩個軌道交點附近的鏈路建立情況見表2，半個周期內要進行4次星際鏈路切換，鏈路持續時間分別為30 min、30 min、1 h、1 h。其他時刻以及另一個交點附近的鏈路情況與此類似。軌際鏈路JidiSat12-ChidaoSat13的方位角、仰角及距離變化特性如圖2所示，4:44—5:44鏈路建立期間星際距離范圍為3 102～15 013 km，方位角范圍為40°～0°(360°)～246°，仰角范圍為?27°～?5.3°，距離變化速率范圍為?6.06～6.06 km/s，角度變化速率范圍為0.005～0.128(°)/s。可見，軌際鏈路的距離和指向變化范圍很大，實現難度較大，應考慮通過地面站實現軌際通信。

圖2 軌際鏈路JidiSat12-ChidaoSat13的方位角、仰角及距離變化特性

表2 某半個軌道周期（3 h）內兩個軌道交點附近的鏈路建立情況

2.2 地面信關站組網

信關站數目與位置直接關系到整個網絡運行效率、所能提供服務的性能及系統可靠性等多個方面內容，是系統設計的一個重要課題。信關站的選擇不僅要求節約投資、減少系統復雜度，還希望能夠保證系統安全性和提高系統的穩健性等。信關站選擇原則和要求如下[1]：在滿足系統性能（容量）要求的前提下，信關站的數目要盡可能少，信關站過多不僅增大系統投資，且會增加系統的復雜度；赤軌道信關站和極軌道信關站之間要求始終保持有連接，因為在該系統中，異軌道衛星之間星際鏈路實現難度較大，位于不同軌道衛星覆蓋區下的用戶之間通過衛星和信關站進行實時通信時，需要信關站之間的協同工作；信關站站址要求在我國自主控制的范圍內，并且希望能夠通過信關站與其他地面網（固定網與無線網）相連；在星座給定的條件下，要求信關站站址合理，使得實時覆蓋區的面積盡可能大，所以一部分信關站要求盡量靠近邊境；盡可能滿足系統穩定性、穩健性要求，需要冗余一定的備份信關站，在某些信關站失效時，系統能夠降級運行，但性能受到的影響相對較小。

表1指出，當地面站最低仰角為10°時，赤道軌道可以全時覆蓋到緯度為52.89°內的區域，對52.89°～57.7°的地區是間斷覆蓋，其他高緯度覆蓋不到，極地軌道對48°以上的高緯度地區是全時覆蓋，對緯度48.2°內的區域是間斷覆蓋，故可以在緯度為48.2°～52.89°的區域，如呼倫貝爾，建立軌道間中繼信關站，實現任何時候國外用戶之間的通信。而且，通過圖3所示的星座各個衛星對中國國土的覆蓋情況也可以看出，任何時候，中國國土都可以同時連接到極地軌道星座和赤道星座，只要適當布局信關站，使得其中一些信關站與極地軌道通信，另外一些信關站與赤道軌道通信，即可通過兩個或多個地面站中繼來實現軌道間的通信。

圖3 星座各個衛星對中國國土的覆蓋情況

參考ICO系統，假設每個信關站的容量為5 000路，每顆衛星容量為4 500路[2]，國土大部分時間是被3+1或3+2顆星覆蓋，考慮到國土遼闊以及系統冗余量，對所有的可見星都要進行接入，5星容量為4 500×5路，地面至少需要5個接入信關站和1個中央信關站（網管中心所在站）。中央信關站可以建在北京。接入信關站要盡量靠近邊境，使信關站覆蓋范圍盡量寬廣，又能相互合作實現軌道間中繼通信，如呼倫貝爾、烏魯木齊、拉薩、海口、南京。呼倫貝爾單獨可實現24 h軌道間中繼通信，烏魯木齊或拉薩與海口或南京搭配也可實現24 h軌道間中繼通信。可見，軌道間通過地面站中繼組網的抗毀性很強，而且，我國國土及周邊的重點服務區用戶都可以直接接入信關站進行通信，不用經過星際鏈路中繼，服務質量更有保障。

2.3 方案性能對比

第2.1節分析指出軌際鏈路的距離和指向變化范圍很大，軌際鏈路組網實現難度較大，第2.2節指出通過合理配置地面信關站可實現軌際通信，下面再分析一下兩種軌際通信方案的時延特性，最終確定組網方案。赤道軌道覆蓋不到57.7°以上的區域，極地軌道全時覆蓋不到48.2°以下的區域，因此異軌道用戶地面站中繼時延最長的情況是極地軌道盲區用戶在我國國土的地球另一側，而赤道軌道盲區用戶在南極附近，地面站中繼時延（約400 ms）比軌際鏈路中繼時延（約200 ms）要長很多；地面站中繼時延最短的情況是極地軌道盲區用戶在中國國土的這一側，而赤道軌道盲區用戶在北極附近，地面站中繼時延（約200 ms）比軌際鏈路中繼時延（約250 ms）要稍短一點。其他地區用戶傳輸時延介于二者之間，大部分時間和地點都是軌際鏈路中繼時延優于地面站中繼。

軌際鏈路中繼雖然具有時延短的優勢，但其時延也在200 ms以上，來回將達到400 ms以上，已經不能滿足實時性要求，而且還存在實現復雜、鏈路特性變化較大、對星上天線性能要求很高、鏈路管理麻煩等問題，加之我國的境內通信業務量占整個業務量比重較大，更適合通過地面站中繼實現軌際通信。

基于以上分析，本MEO星座組網方案選擇混合組網：同一個軌道內的相鄰衛星間通過星際鏈路互連組網，不同軌道間的衛星通過地面信關站實現互連組網。

3 結束語

當前國內對LEO星座研究較多，對MEO星座研究較少，本文提出一種（6+4）MEO星座，用STK工具深入仿真分析了星座覆蓋性能、星際鏈路特性、地面信關站配置及覆蓋性能，分析論證了符合我國國情的混合組網方案，本方案通過地面站中繼實現軌道間通信，有效規避了利用星際鏈路實現軌際通信時存在的各種問題，系統組網簡單、可靠性強，在全球低軌衛星軌道資源緊張的形勢下具有很強的戰略意義。當然，MEO星座系統作為GEO系統和LEO系統的折中，缺點也是相對的，MEO系統網絡拓撲在周期性變化、系統設計和管理相較GEO系統更復雜，實時性沒有LEO系統更接近地面網絡，在后續與5G、6G等地面網絡的融合中，應用場景將受到影響，但是，從戰略角度考慮，我國仍應該在MEO領域提前布局謀劃，搶占MEO頻率軌道資源，搶占技術和市場先機。