基于天地一體化網絡的衛星遙感系統效能仿真

王俊蕊，彭會湘

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

衛星遙感系統通常由遙感衛星和地面的測運控系統和數據處理系統組成，測運控系統利用地面站對衛星測控[1]，控制衛星執行遙感任務，之后再利用地面站將衛星遙感數據接收下來，發送至數據處理系統進行處理[2]。衛星測控和數據接收只有在衛星過頂地面站時才能進行，低軌遙感衛星每天繞地球運行約15圈，最多只有4次機會過頂一個地面站，每次過頂時間不超過10 min。隨著衛星制造技術的成熟，在軌衛星數量急劇增加，且大部分可見光遙感衛星運行于太陽同步軌道，過站時間段集中，導致測控和數據接收資源沖突嚴重[3]。受多種因素制約，我國地面站的建設遠滯后于衛星發展，越來越難以滿足大量衛星測控和數據接收的需求，致使衛星能力不能充分發揮，遙感需求不能充分滿足。

隨著航天技術、通信技術和互聯網技術的發展成熟，建立覆蓋全球的天地一體化寬帶網絡已成為通信網絡技術的發展趨勢[4]，成為國際互聯網巨頭爭奪的焦點[5]，衛星互聯網公司OneWeb計劃發射680顆小型衛星，SpaceX則計劃采用數量更加龐大的低軌衛星構建空間互聯網基礎設施，我國也提出了相應的發展計劃。未來的天地一體化寬帶網絡將利用互聯網技術實現互聯網、移動通信網和衛星通信網的互聯互通[6]，將3種網絡業務承載方式打通，形成可承載實現各類信息覆蓋的網絡系統通用平臺[7]。

天地一體化寬帶網絡使得處于全球任意位置的遙感衛星能與測運控系統、數據處理系統及時通信，將徹底改變只有在衛星過頂地面站時才能測控和接收數據的限制，衛星能力將得到充分發揮，用戶需求將得到充分響應。本文重點介紹了天地一體化網絡的策劃設計和效能分析，然后對比分析衛星遙感系統分別在天地一體化網絡和地面站網支持情況下的效能。

1 天地一體化網絡設計與仿真分析

1.1 天基網絡規劃

天地一體化網絡由天基骨干網、天基接入網、地基節點網、地面互聯網和移動通信網等多種異構網絡互聯融合而成，對實現國家安全戰略目標具有重要意義[8]。其中天基網絡是天地一體化網絡的核心，是促進信息共享和資源綜合利用、充分發揮航天信息化建設應用效益的重要手段[9]。

天基骨干網由具有固定連接關系的通信衛星星座構成，固定關系是指2顆節點通信衛星相對位置基本固定，永遠不會被地球遮擋，始終能夠具備通信條件[10]。擬采用均勻分布的星座構建天基網絡，該星座由處于同一高度的多個軌道面構成，同一軌道面上前后2顆衛星始終可見，相鄰軌道面前后位置2顆衛星始終可見，如圖1所示，星座中相鄰衛星采用高速激光鏈路連接，這樣整個星座就形成了一張具有固定連接關系的覆蓋全球的天基骨干網絡。

圖1 天基網絡想定Fig.1 Vision of the space network

通信星座中每顆衛星上部署微波鏈路，用于遙感衛星和地面站點的接入，構成天基接入網，通過合理設計的星座構型和規模，就可以實現對全球地表和一定高度空域的無縫覆蓋，這樣處于該高度之下任意位置的遙感衛星和地面站都可以隨時接入天基網絡，實現遙感衛星之間、遙感衛星與地面站之間的實時通信，從而實現對處于全球任意位置的遙感衛星進行實時測控與數據傳輸。

1.2 天基網絡設計

綜合考慮地球曲率對衛星可見性的影響、星座對全球覆蓋要求、被服務的遙感衛星軌道特點和天基網絡節點成本等因素，提出了天基網絡通信星座的參數，如表1所示。通信載荷為全向天線，地球不遮擋即可通信。

表1 通信星座參數

基于STK對該星座進行可視化仿真，如圖2所示。

圖2 天基網絡仿真Fig.2 Simulation of the space network

該星座構型穩定，同一軌道面上每個通信節點都能與其前后2個節點始終可見，相鄰軌道面相位角最近的2個通信節點也始終可見，基于此星座結構構建天基網絡，每個通信節點部署5個通信載荷，其中4個分別與其前后左右的4個節點始終連接，構成穩定天基網絡，第5個通信載荷指向下方，用于連接地面或低軌遙感衛星。地面站之間用固定有線網絡連接，本身就是一個穩定的網絡，不同站點之間始終處于連接狀態，任意站點連接天基網絡就相當于所有地面站連接了天基網絡，這就代表整個地面站網與整個天基網絡連接在一起。這樣，只要遙感衛星接入任意一個通信節點，就相當于接入了整個天基網絡，能夠與同時接入天基網絡的其他遙感衛星或地面站進行通信。

1.3 地面站接入能力分析

根據我國遙感衛星地面站的大致分布，模擬8個地面站，具體參數如表2所示。

利用STK軟件逐一計算天基網絡每個通信衛星與每個地面站的可見時段，每個可見時段內，地面站網均可與天基網絡進行連接通信[11]，統計地面站與天基網絡的可連接情況，如表3所示，以STA1，STA2和STA4為例，每個站在24 h內可有效連接天基網絡(連接時長大于5 min)的次數為300次以上，連接的最大時長為16 min，平均時長超過13 min，每個站均存在多次的連接縫隙，每次縫隙的最大時長不超過5 min，而多站聯合則不存在連接縫隙，也就是說，如果用一個站連接天基網絡，24 h內最長需要等待5 min，但是用多個站連接天基網絡，則隨時可連接。因此可以認為，天地一體化網絡時刻都可以通信，每次通信時間長度最大不超過16 min。

表3 地面站接入天基網絡能力分析

1.4 遙感衛星接入能力分析

根據當前遙感衛星的軌道特點，模擬3組遙感衛星星座，參數如表4所示。

表4 模擬遙感星座參數

成像衛星星座名稱為IMG1，衛星數量12顆，軌道高度500 km，軌道傾角98°，遙感載荷為CCD線陣，視場半角45°[12]，衛星代號分別為：IMG100，IMG101，IMG102，IMG103，IMG110，IMG111，IMG112，IMG113，IMG120，IMG121，IMG122和IMG123。

電磁信號探測衛星星座名稱為ELEC2，衛星數量9顆，軌道高度900 km，軌道傾角45°，載荷圓錐半角60°[13]，衛星代號分別為：ELEC200，ELEC210，ELEC220，ELEC230，ELEC240，ELEC250，ELEC260，ELEC270和ELEC280。

分別統計極地軌道和傾斜軌道的2顆衛星與天基網絡的連接情況，如表5所示。由表5可以看出，2種軌道的衛星在24 h內可有效連接天基網絡(連接時長大于5 min)的次數均在1 000次左右，連接最大時長超過200 min，并且均不存在連接縫隙。

表5 遙感衛星接入天基網絡能力分析

綜上所述，任意遙感衛星都可以隨時接入天地一體化網絡，與其他遙感衛星或地面站網進行通信，地面系統可以通過天地一體化網絡隨時向處于任意空間位置的遙感衛星發送控制指令、接收遙感數據，而不再是通過專用測控站在特定時刻向衛星注入指令，通過專用接收站在特定時刻接收衛星遙感數據，測控窗口和接收窗口的概念將不復存在，實現全球實時測控、全球實時數傳。

2 基于天地一體化網絡的遙感衛星典型業務分析

2.1 遠海點目標應急觀測仿真試驗

應急任務通常指，提出觀測要求后衛星當圈能夠完成觀測和數據下傳[14]。應急任務處理流程為：根據任務觀測位置要求，開展衛星目標訪問計算，篩選出當前圈次能夠過頂目標的衛星，根據衛星對目標訪問的時間，查詢該衛星相應的測控資源和數傳資源[15]，然后進行應急任務規劃，生成衛星控制指令和地面站接收計劃，在衛星過頂目標之前將指令上注衛星，將數據接收計劃發送至地面站[16]。考慮到地面分析計算時間，一般應急測控時間在衛星過頂目標之前0.5 h之內，觀測數據也要在衛星觀測之后0.5 h之內下傳。

以對遠離海岸的某地點應急觀測為例進行分析。在20210501T08:00:00/20210502T08:00:00，共有10顆次衛星過頂目標，如表6所示。

表6 遙感衛星觀測時間列表

假如都是在衛星過頂目標之前1 h內提出對該地點進行應急觀測，則需要在每次觀測之前0.5 h之內將指令上注衛星，在觀測之后0.5 h之內將觀測數據下傳，只考慮傳統地面測控數傳情況，查詢相應的測控資源和數傳資源，結果如表7所示。這10次應急觀測任務中，要么沒有測控資源，要么沒有數傳資源，均不能按要求完成。其原因是地球自轉方向為自西向東，衛星都是從東向西逐圈遞進，而我國的地面站都分布在目標西側，因此地面站的資源嚴重不足。

表7 地面測控/數傳資源情況

如果使用天地一體化化網絡，則相應的測控資源和數傳資源如表8所示。這10次應急觀測的測控資源和數傳資源非常豐富，有很大的選擇余地，可以有效地完成應急測控和數據的下傳。

表8 天基測控/數傳資源情況

2.2 遠海區域快速覆蓋仿真試驗

區域快速覆蓋的要求是盡快完成對區域的覆蓋觀測，并最快將觀測數據下傳，其處理流程為：首先，將區域沿衛星飛行方向劃分為若干條帶，條帶的寬度不超過衛星的觀測幅寬；然后，計算所有衛星對所有條帶的訪問時間，形成“衛星—條帶—訪問時間”集合；按訪問時間排序，之后按時間順序依次從集合中挑選出每個條帶的最早訪問時間，形成若干條帶觀測任務；再為每個條帶觀測任務選擇測控資源和數傳資源[17]。

因為所有條帶觀測任務是統一確定的，所以每個條帶任務的測控時間段為任務規劃完成之后到觀測開始執行之前，觀測時間靠后的任務對應的測控資源相對較多，為了盡快獲取觀測數據，每個條帶觀測開始之后要在0.5 h之內將觀測數據下傳。

2021年5月1日上午9:00對100 km×100 km大小的某區域進行應急覆蓋觀測，根據衛星運行方向和衛星觀測幅寬，將其從東到西拆分為10個條帶，編號QYMB1～QYMB10，然后通過目標訪問計算，得到每個條帶的觀測衛星及訪問時間，如表9所示。

按照訪問時間順序，挑選出每個條帶的最早訪問時間，形成每個條帶的觀測任務，如表10所示。

表9 遙感衛星對區域條帶觀測時間列表

表10 區域目標覆蓋觀測任務

在第一個觀測任務開始前0.5 h到每個觀測任務開始時刻之間查詢每個觀測任務的測控資源，在每個觀測任務開始之后0.5 h之內查詢該任務的數傳資源，只考慮傳統地面測控數傳情況，查詢相應的測控資源和數傳資源，結果如表11所示。

表11 地面站對區域覆蓋任務支持情況

YQMB10和YQMB9因沒有測控資源，所以不能及時觀測，只能選擇后續最早觀測時間，如表12所示，在2021-05-01T10:03:33兩個條帶均有一次觀測機會，但仍然查詢不到測控資源，在2021-05-01T13:52:39兩個條帶均有一次觀測機會，均有測控資源，但因觀測資源相同，只能觀測一個，另一個則被安排在2021-05-01T17:41:47觀測，時間分別滯后4 h和8 h。

表12 地面資源不足對觀測任務的影響分析

如果使用天地一體化化網絡，則相應的測控資源和數傳資源如表13所示，10個條帶觀測任務的測控資源和數傳資源非常豐富，有很大的選擇余地，可以有效完成應急任務指令的上注和數據的下傳。

表13 天基資源對區域觀測任務支持情況

2.3 海上移動目標搜索跟蹤仿真試驗

2.3.1 任務處理流程

海洋移動目標搜索與跟蹤的主要任務是：事先得知海洋目標的大致活動范圍，然后利用電磁信號探測衛星對目標活動范圍進行搜索，當發現目標后，利用通信鏈路向其他衛星發送目標位置及相關信息，其他衛星收到目標信息后，自主進行任務規劃并執行[18]；其他衛星觀測到目標后，繼續通過通信鏈路廣播目標的最新信息，驅動更多衛星自主規劃觀測目標，如此反復迭代，完成對海洋動目標的持續跟蹤，如圖3所示，具體處理流程如下：

① 地面預先計算通信鏈路信息(日常業務，與某次具體任務無關)：通信衛星星間鏈路、通信衛星星地鏈路、遙感衛星星地鏈路和遙感衛星與通信衛星的星間鏈路。

② 得到消息，2個船隊分別在2個海域活動，要進一步獲取船隊詳細信息，并持續關注2個船隊的動態。

③ 劃定2個大區域：分別包括2個船隊的活動海域。

④ 地面計算電子探測衛星對2個海域的訪問時間，制定電子探測衛星目標搜索方案：電磁信號探測衛星只要進入2個海域，電子載荷開機，對目標進行搜索，發現目標后通過通信鏈路將目標信息發送到其他遙感衛星和地面。

⑤ 制定衛星自主協同計劃：成像遙感衛星收到目標信息后，進行自主任務規劃，確定載荷開機時機，電磁信號探測衛星接收目標信息后，結束相應區域的目標搜索狀態，重新進行自主任務規劃，確定載荷開機時機；其他遙感衛星執行自主任務規劃結果，發現目標后，智能解譯目標信息，并更新目標信息，繼續通過通信鏈路向地面和其他遙感衛星發送，直到任務結束。

⑥ 地面系統將通信鏈路信息、電磁信號探測衛星目標搜索工作計劃、衛星自主協同計劃等信息通過星地、星間鏈路上注衛星。

⑦ 星群根據目標搜索計劃、自主協同工作計劃開展工作，直至任務結束。

⑧ 電磁信號探測衛星執行目標搜索任務，發現目標后，獲取目標位置信息，智能解譯目標電磁輻射信息，根據預先加載的通信鏈路信息，將目標信息發送至地面和其他遙感衛星。

圖3 海洋移動目標搜索與跟蹤處理流程Fig.3 Processing flow of search and tracking of marine moving target

2.3.2 數據準備

仿真時間段：2021-05-01T08:26:00/2021-05-02T08:26:00；

預知目標信息：2個海上活動目標SHIP1和SHIP2，分別在2個海域活動；

天基網絡通信星座參數如表1所示，地面站參數如表2所示，電磁信號探測衛星星座ELEC2和成像遙感衛星星座IMG1，具體參數如表4所示。

2.3.3 基于天地一體化網絡分發協同信息的仿真結果

基于天地一體化網絡的仿真結果如表14所示，24 h內對2個目標共探測107次，每次發現目標后都能通過天基網絡實時將目標信息發送給其他衛星。其中對SHIP1探測54次，相鄰2次間隔最大值為81 min，平均18 min，對SHIP2探測53次，相鄰2次間隔最大值為67 min，平均16.7 min。

表14 基于天地一體化網絡的協同信息分發仿真

2.3.4 基于地面站分發協同信息的仿真結果

基于地面站分發協同信息，24 h內對2個目標共探測104次，每次衛星發現目標后需要通過地面站將目標信息發送給其他衛星，由于衛星發現目標時不一定處于與地面站的可視范圍之內，所以向地面站下傳信息可能延遲，地面站網收到目標信息后，其他衛星不一定及時過頂，地面站將目標信息上傳到其他衛星會進一步延遲。

其中，對SHIP1探測52次，相鄰2次間隔最大值為92.7 min，平均26.1 min，引導探測40次，其中31次在收到引導信息后100 min以上進行探測，發現目標后通過地面站轉發目標信息，其中有16次因衛星不能及時過頂地面站90 min之后才將目標信息發送至地面站；地面站收到目標信息后，通過地面站網向其他衛星轉發引導觀測任務，其中19次因衛星不能及時過頂地面站90 min之后才收到引導任務，仿真數據如表15所示。

表15 基于地面站對SHIP1協同觀測信息分發仿真

其中，對SHIP2探測53次，相鄰2次間隔最大值為68.6 min，平均23.6 min，引導觀測35次，其中17次在收到引導信息后1 h以上進行探測，發現目標后通過地面站轉發目標信息，其中有35次因衛星不能及時過頂地面站90 min之后才將目標信息發送至地面站；地面站收到目標信息后，通過地面站網向其他衛星轉發引導觀測任務，其中19次因衛星不能及時過頂地面站1 h之后才收到引導任務，仿真數據如表16所示。

表16 基于地面站對SHIP2協同觀測信息分發仿真

3 結束語

天地一體化網絡目前尚處于論證階段，本文根據當前認知，構想并設計了天基網絡星座構型，然后對其能力進行了仿真計算和分析，將天基網絡和地面站網聯合起來形成天地一體化網絡，然后對遙感衛星的典型業務在有無天地一體化網絡支持的情況下做了分析比對，可以看出衛星遙感系統在天地一體化網絡的支持下，其效能將得到大幅的提升，希望本文的仿真結論能夠為未來新型衛星遙感系統的論證提供參考。