多层卫星网络激光星间链路空间特性仿真

(空军工程大学 电讯工程学院，西安 710077)

1 引 言

卫星激光通信以其容量大、功耗低、抗干扰能力强以及终端体积和重量小而成为空间通信的研究热点[1-3]。随着卫星光通信可靠性不断提高，卫星数目不断增加，利用激光链路互联卫星组成空间信息网络成为了卫星光通信发展的主要方向之一[4-5]。卫星光网络作为面向服务的空间信息网络体系，必须整合通信、侦察、导航以及遥感遥测等诸多动能，充分提高系统利用率，才能和其它通信方式进行竞争。由于不同轨道高度的卫星具有不同的用途，因而只有对高轨卫星(GEO)、中轨卫星(MEO)和低轨卫星(LEO)进行组网，才能实现以上多用途整合的功能。在多层卫星光网络结构中，GEO作为数据中转设施，通过轨道间激光链路向下连接多个LEO卫星和MEO卫星，下层卫星通过轨道内激光链路互联构成空间信息网络基础设施接入移动终端。

多层结构卫星光网络具有强鲁棒性、大容量和无缝覆盖等特点，其功能实现依赖于高性能的星间激光链路。由于星间通信激光束发散角在微弧度量级(信标光毫弧度)，平台间微小的指向关系变化都可能导致通信性能恶化[6-7]。卫星激光链路组网对捕获、瞄准和追踪技术(Acquisition Tracking Pointing,ATP)提出了更高的要求。因此在卫星激光网络中，研究任意两颗卫星间空间相对位置关系具有最基本的意义，它可以为星载激光终端和ATP技术提供参考，为实现高性能的星间激光链路奠定基础，从而为组网提供了可能。

2 星间激光链路

2.1 链路分类

星间激光链路是指利用激光束进行卫星间通信的物理链路，如图1所示，由3个极地轨道和一个倾斜中轨道组成，低轨卫星与其前后左右4个卫星具有激光链路。卫星光网络中星间激光链路有3类：卫星间链路(Optical Inter-Satellite Link，ISL),指同一轨道高度内两个卫星间的链路，在同一轨道高度内相邻轨道间的星间链路又称轨间链路(Inter-plane Link),同一轨道内相邻两个卫星间的链路称轨内链路(Intra-plane Link)；轨道间链路(Inter-Orbit Link，IOL)指不同轨道高度间两个卫星间的链路；星地链路指卫星和地面网关间的上行和下行链路。

图1 卫星激光链路示意图Fig.1 Optical inter-satellites links

2.2 星间链路参数计算

星间链路的参数主要包括两颗卫星间覆盖、俯仰角、方位角和距离4个参数，覆盖特性决定了高层的卫星能否为底层卫星提供中转，进而影响路由的选择，在多层卫星网络结构中具有非常重要的作用，俯仰角和方位角与光学天线的指瞄跟踪密切相关，而星间距离决定着传输时延。

为了计算两颗卫星空间位置关系，必须进行坐标变换[8-9]。如图2所示，首先建立地球赤道坐标系oxyz，以赤道面为基准，x轴指向春分点，y轴向东与x轴垂直，z轴指向地理北极，xyz服从右手关系准则。其次建立卫星轨道平面移动坐标系OXYZ。以任意时刻卫星在其轨道面位置为坐标原点，地心和卫星节点连线方向为X轴，瞬时速度方向为Y轴，Z轴垂直轨道面，XYZ服从右手准则。该坐标系是以卫星2为准的移动坐标系。已知卫星1和卫星2在地球赤道坐标系中的坐标S1(x,y,z)和S2(x,y,z)，要计算卫星1相对于卫星2的方位角、仰角随时间变化情况，只需计算卫星1在卫星2移动坐标中系中的坐标S1(X,Y,Z)即可。

图2 星间链路坐标转换示意图Fig.2 Coordinate transformation of inter-satellite links

已知卫星1在地球赤道坐标系中的坐标S1(x,y,z)，通过坐标变换变换到卫星2的移动坐标系S2(X,Y,Z)，容易知道：

θazimuth=tg-1(Y/X)

(1)

(2)

如图2所示的星间链路坐标转换示意图中，通过3次坐标变换可求得地心赤道坐标系oxyz到卫星轨道移动坐标系OXYZ的转换。

(1)Z轴不动，将X轴绕Z轴旋转ω到轨道面与赤道面交线l，建立坐标系OX′Y′Z，有X=X′cosω-Y′sinω，Y=X′sinω+Y′cosω，转换矩阵

(2)X′轴不动，将Z轴绕X′轴旋转i到z轴的位置，建立坐标系OX′Y″z，则有如下变换，Y′=Y″cosi-zsini，Z=Y″sini+zcosi，转换矩阵

(3)z轴不动，将X′轴绕z轴旋转Ω到x的位置，此时Y″恰好转到y轴，建立坐标系Oxyz，则变换如下，X′=xcosΩ-ysinΩ,Y″=xsinΩ+ycosΩ，其转换矩阵：

(3)

3 星间链路特性分析

3.1 轨道间链路(IOL)参数仿真计算

GEO卫星作为中转设施，不仅负责对地面站的大容量数据传输，而且在底层卫星网络阻塞的情况下可以承载一部分非实时性业务。同时，当底层卫星发生故障时，也可以以牺牲服务质量而满足连续通信和覆盖的要求。为了定量分析同步轨道卫星(GEO)和低轨卫星(LEO)间链路特性，仿真场景引入第一次实现卫星激光通信的ARTEMIS地球同步卫星和另外一颗低轨卫星(圆轨道，半长轴为7 578.137 km，轨道倾角55°，右升节点经度292.491 76°)，系统从6月1日中午12时运行到6月2日12时，步长60 s，它们的覆盖时间统计如表1所示，可分为13个阶段，任意两个连续覆盖时间段内间隔40 min，最小覆盖时间39 min，最大覆盖时间92 min，总覆盖时间为16.43 h，占有一天时间的比例为68.47%。从统计数据可以看出，在系统运行周期内，GEO对LEO的平均连续覆盖时间为76 min，92 min的最长连续覆盖时间完全可以对LEO(MEO)提供中继服务。

图3是方位角随时间变化曲线图，横坐标从2004年6月1日12时开始到6月2日12时结束，图中曲线跃变的地方表示此段时间内GEO不能覆盖到LEO，如表1所示，每个连续覆盖的时间段后跟随一段无法覆盖时间段。从仿真结果可以看出，GEO-LEO最小方位角为0.759°，最大为359°，虽然最大值和最小值之间有将近2π的差值，除了有3个时间点发生了大幅变化(1.2°～358.5°，持续时间在秒量级)外，其它跃变都跨越两个连续覆盖时间段，这段时间光学天线有足够的时间调整其指瞄方向，从而实现两者的对准。图4是俯仰角随时间变化曲线图，最小仰角-88.3°，最大仰角-79.6°，俯仰角的变化非常小，目前的卫星光通信终端完全可以满足这种变化。图5是距离随时间变化曲线图，最小距离为34 688.73 km，最大距离为45 828.22 km，平均距离为41 742.76 km，平均单程时延138 ms。除了跨越连续覆盖时间段时有跃变，连续覆盖时间内连续变化，具有优良的时延抖动特性。

表1 GEO-LEO覆盖情况统计Table 1 GEO satellite coverage for LEO satellite

图3 GEO-LEO方位角变化图Fig.3 Curves of azimuth angle between GEO and LEO

图4 GEO-LEO俯仰角变化图Fig.4 Curves of elevation angle between GEO and LEO

图5 GEO-LEO距离变化图Fig.5 Curves of distance between GEO and LEO

3.2 轨道内链路(ISL) 参数仿真计算

低轨卫星群作为接入设施，负责空基、陆基和海基移动终端的随机接入，该群间激光链路的连接决定着卫星光网络的路由，进而决定了网络的性能。仿真场景为一个低轨卫星Walker Delta星座，该星座和日本的下一代低轨卫星通信系统(NeLs)配置相似[10,11]。基本配置如下：10个轨道，每个轨道12颗卫星，轨道间相位因子为3，卫星高度1 200 km，轨道倾角55°，离心率0(圆轨道)。由于卫星周期为1.8 h，仿真时间设置为12 h，步长60 s。由于轨道内两颗相邻卫星位置相对固定，因此不作为研究对象，激光链路取第一个轨道的第一个卫星101和第二个轨道的第一个卫星201间的链路作为研究对象。

如图6所示，在运行的12 h时间内，LEO-LEO方位角最小值为0.456°，最大值为359.98°，变化速率5.99°/s，每运行将近50 min之后经历一次跃变，此时需要跟瞄天线作较大的方位调整，这说明在设计跟瞄天线时水平变化范围和变化速度是一个非常重要的参数。图7是俯仰角随时间变化曲线图，其形状类似于正弦曲线，最大俯仰角为-16.663°，最小为-0.055°，平均俯仰角为-9.352°，无论是从指瞄范围或指瞄速度考虑，光学天线性能完全可以满足。

图8是两颗卫星距离随时间变化曲线图，最大距离为3 836 km，最小15 km，平均距离2 455.8 km，单跳平均时延8.2 ms。

图6 LEO-LEO方位角变化图Fig.6 Curves of azimuth angle between LEO satellites

图7 LEO-LEO俯仰角变化图Fig.7 Curves of elevation angle between LEO satellites

图8 LEO-LEO距离变化图Fig.8 Curves of distance between LEO satellites

4 结 论

随着ATP性能不断提高，点对点卫星激光通信链路逐步实现工程化，目前国际上把卫星激光链路组网列为卫星光通信的重要发展方向之一。GEO/MEO/LEO 多层卫星网络由于其鲁棒性强、覆盖范围广等特点从一提出就引起了人们广泛的关注，加之我国“北斗”导航系统也采用此结构，研究基于激光链路的多层卫星网络显得非常具有实际意义。

本文对多层卫星网络ISL和IOL方位角、俯仰角和距离进行了计算及仿真研究。欧空局研制的卫星激光通信终端OPTEL系列中，其中用作GEO-LEO通信的OPTEL25 GEO方位角指向范围为-180°～+180°，俯仰指向范围为-10°～+90°。用作LEO-LEO通信的OPTEL02水平指向范围为-180°～+180°，俯仰指向范围为-25°～+85°[12]，比较从仿真得到的结论可以发现，这样的参数足可以满足实际通信需求。通过图3和图6可以发现在实际应用中，方位角的指向在数秒的时间内发生了从0°～360°的激变，这对卫星光通信终端在水平方向的指瞄速度提出了较高的要求，这是设计必须首要考虑的问题。

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