中国低轨卫星星座组网设计与规划

(空军工程大学 电讯工程学院，西安 710077)

1 引 言

卫星星座是指由多颗卫星按照一定规则和形状构成的可提供一定覆盖性能的卫星网络，是多颗卫星进行协同工作的基本形式。卫星星座结构会影响网络覆盖区域、网络时延和系统成本等。传统的同步轨道卫星轨道高、链路损耗大，对地面终端的EIRP和接收天线的G/T值要求过高，难以实现手持机与卫星直接进行通信;而低轨卫星由于链路损耗小，降低了对用户终端EIRP和G/T值的要求，可支持地面小型终端与卫星的直接通信，有利于信息的实时传输。

现代通信的发展要求卫星通信系统应具有全球通信能力。低轨卫星实现全球覆盖所需的卫星数目较多(Iridium系统66颗星)，系统实现成本很高，对于我国这样的发展中国家要在短期内构建全球性低轨卫星通信系统，无论是在经济上还是在技术上都存在较大困难。因此，在预期星座的整体构型下，通过设计和筛选，合理部署少数卫星以满足当前任务和需求，并在今后发展中通过不断发射新卫星进行补网，最终实现星座的预期覆盖和通信能力，是我国卫星通信发展的一条可行之路。

文献[1]介绍了基于全球覆盖的星座构型，但未针对我国当前实际提出切实可行的实施方案。文献[2]提出了基于我国的移动卫星星座设计方案，但未考虑星座的后期可扩展能力。本文综合考虑星座的实现成本与我国当前实际需要，提出了适用于我国当前实际并具有一定后期扩展能力的低轨卫星星座构建实施方案。

2 星座参数设计

2.1 轨道设计

椭圆轨道多用于区域性覆盖，但轨道倾斜角必须为63.4°(为了避免拱点漂移)[3]，这对中低纬度地区的覆盖十分不利，而圆轨道的倾斜角可在0°～90°之间任意选择。考虑我国所处纬度范围为北纬4°～54°之间，星座设计宜应采用倾斜圆轨道。

轨道高度选择主要是系统所需卫星数目与地面终端EIRP和G/T值的折衷。同时，轨道高度的选择还需考虑地球大气层和范·阿伦带[4]两个因素的影响，通常认为LEO卫星的可用轨道高度为700～2 000 km。

2.2 卫星周期设计

为了便于卫星轨道控制，通常选择使用回归轨道，即卫星运行周期与地球自转周期成整数比。卫星运行周期与地球自转周期关系如下式所示：

Ts/Te=k/n

(1)

式中，k、n为整数，Ts为卫星运行周期，Te为地球自转周期，且Te=86 164 s。根据开普勒定理，可得卫星周期Ts(单位s)与轨道高度h关系如下：

(2)

式中，地球半径Re=6 378.137 km，开普勒常数μ=398 601.58 km3/s2。取k=2，n=25，可得卫星周期Ts=6 893 s，轨道高度h=1 450 km。

2.3 星座相位关系设计

星座相位关系的确定是指确定卫星在星群中的位置,它包括轨道倾角、轨道平面的布置、同一平面内卫星的位置和相邻轨道卫星的相对位置关系。通常，为了使卫星具有最大的均匀覆盖特性，同一轨道平面内的卫星应均匀分布，即相邻卫星的相位差应满足360/m，m为该轨道平面内的卫星数量。对于不同轨道平面内卫星，相对相位角的不同会使星座的覆盖特性相差甚远。

根据立体几何的关系,推导出两个星下点(卫星与地心连线和地面的交点)之间的距离d的公式如下[5]：

d=Rearccos[(2-sin2ψcos2θ1-sin2θ1)/2-

(sin2θ2+2sinθ1cosθ2)/2]

(3)

式中，θ1、θ2为两星下点的纬度，ψ为两星下点经度差的绝对值。相对相角优化算法准则是使星下点间的最小距离最大化。

3 覆盖分析

为了研究方便，假定卫星对地球的覆盖是对准地心的且只有一个大波束。圆轨道时单颗卫星对地覆盖几何关系如图1所示。

图1 圆轨道卫星覆盖几何关系示意图Fig.1 Coverage geometric relationship of satellite in round orbit

其中，系统观察点的仰角：

(4)

覆盖区半径：

X=Re·sinα

(5)

当卫星高度较低时，如果仍保持较大的仰角，则单颗卫星的覆盖范围将大大减小。虽然小仰角时电波的传输衰落大从而需要较大的系统余量，但是由于卫星高度低，链路相应较短，传播损耗本身比较小，系统提供较大余量并不存在特别的困难，因此可以适当减小系统的最小仰角以增大卫星的覆盖范围。通常规定系统的最小仰角为10°左右。

4 星座设计方案

4.1 连续覆盖低轨卫星星座设计方案

综合考虑星座设计的上述因素后，假定低轨卫星星座共由3个轨道平面构成，轨道高度1 450 km，利用相位优化准则及STK仿真研究可得，相邻轨道之间卫星的最佳相位差为14.5°，假定星座覆盖目标为包括我国全部海域及其周边区域在内的中低纬度地区。表1列出了不同轨道倾角时星座设计方案与其覆盖特性统计。

表1 不同低轨星座方案及覆盖统计Table1 Coverage statistics of different LEO satellite constellation designs

由表可知，方案B的覆盖性能最优，能够满足对中低纬度地区的完全连续覆盖。通过仿真还可以发现，方案B有较大的系统余量，即当设定系统最小仰角大于5°时，该星座对于指定纬度地区仍有良好的覆盖性能，能够满足实时通信的要求。

4.2 区域覆盖型星座设计

4.2.1背景假定

远程指挥控制与通信保障能力是影响和制约军队作战半径和作战能力的重要因素。传统的地面通信手段受地理环境限制较大，难以实现对通信距离的有效扩展，相反，卫星通信由于不受地理条件的制约，可以作为扩展通信保障半径的重要手段[6]。

在当前我国周边的复杂形势下，现有的地面通信手段无法满足在敏感区域行动的需求，而静止轨道卫星又难以实现信息的实时传递，因此，在卫星通信的阶段性发展中应首先解决敏感区域内的通信问题，为有效扩展作战半径和作战指挥提供通信保障。

4.2.2非连续单星均匀覆盖方案设计

结合方案B，假定第一阶段发射4颗卫星，轨道高度为1 450 km，轨道倾角38°，卫星平均分布在2个轨道平面上，轨道平面升交点赤经相差120°。要求星座能够以一定时间间隔实现对目标区域的定时覆盖。通过仿真研究，各卫星轨道参数设置如表2所示。

表2 卫星轨道参数设置Table 2 Orbit parameters configuration of satellites

假定目标区域是以我国某地为中心、半径为2 000 km的圆形区域，利用STK对一个周期(48 h)内星座对目标区域的覆盖特性进行仿真统计，结果如图2所示。

图2 星座对目标区域的覆盖情况Fig.2 Coverage situation of constellation for area target

由图可见，星座可以在平均每45 min内完成对目标区域的一次覆盖，每次覆盖时间约为10～20 min，星座在5:30～11:30时间段内覆盖尤为集中。事实上，可以通过改变卫星的近地点辐角来调整卫星集中覆盖所对应的时间区间，从而满足实际需要。同时在后期的发展中，只需调整卫星的相位关系即可满足方案B的要求，具有良好的可扩展性。

4.2.3连续覆盖星座设计方案

在4.2.2节所设计的方案中，由于单颗卫星过顶的时间较短(一般10～20 min)，很难满足大业务量信息的传输要求，因此，设计能够实现对目标区域较长时间覆盖的卫星星座具有较大现实意义。由于4颗卫星不可能完成对目标区域的实时连续覆盖，为了尽可能增加星座每次覆盖时间，设定4颗卫星分布在同一轨道平面上，通过调整卫星的近地点辐角差值使卫星能够实现前后协同，从而延长每次覆盖时间。各卫星参数设置如表3所示。

表3 卫星参数设置Table 3 Constellation parameters configuration

目标区域不变，通过仿真，可得星座的覆盖性能如图3所示。

图3 星座对目标区域的覆盖情况Fig.3 Coverage situation of constellation for area target

由图3可知，星座可以在一天内完成对目标区域的7次覆盖，每次覆盖时间约80 min，可以实现较大业务量的信息传输，星座同样存在覆盖集中时间区间，通过调整卫星的有关参数可以改变集中覆盖所对应的时间区间。与4.2.2节中方案相比，该星座对目标区域的覆盖次数大大减少，并且存在一定的覆盖空白区。但是由于每次过顶时间较长，可以满足大业务量信息的不间断实时传输。

经过对上述两种方案的对比可以发现，连续覆盖星座设计方案在实际通信中可以满足信息的实时与大量传输，对于军队作战半径的扩展和保障需求较为有利，具有较大的实用价值和应用价值。

5 结束语

星座设计不仅要考虑星座的整体覆盖性能，还需考虑系统实现的成本和可行性，有步骤地实现最终预期目的[7]。本文结合我国当前发展实际，综合考虑，提出在星座整体构型下分步组建我国低轨卫星通信系统，研究了前期4颗卫星的部署策略。通过仿真可以发现，连续覆盖型星座对于大业务量信息的实时传输较为有利，可以满足我国当前实际需要。下一步的研究工作是，由于4颗卫星无法实现完全连续覆盖，实际应用中需对地面用户与卫星的接入方式和切换时机与策略进行深入细致的研究，在有限的空间资源下提高系统利用率。

参考文献：

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