中轨道地带移动通信卫星星座应用研究

林来兴

(北京控制工程研究所， 北京 100190)



中轨道地带移动通信卫星星座应用研究

林来兴

(北京控制工程研究所， 北京 100190)

论述中轨道移动通信卫星星座的特点(相对于高、低轨道)，提出10种可供选择的星座方案。每种方案都具有区域通信、地带通信、加强地带通信等3种功能，采用5颗工作卫星组成的方案B和采用8颗卫星组成的方案J，除了可为现在建设的“一带一路”地区提供实时、廉价、使用方便的移动通信服务外，还可以为将来在南美洲国家建设高铁工程提供移动通信，并且也可使占全世界85%以上的人口受益。

中轨道；移动通信卫星；星座；“一带一路”

1 引言

在卫星应用领域，通信卫星很普遍，其经济效益很高，在全世界民用、商用航天器发射数量方面，历来通信卫星发射数量占总发射数量比例是最高的。

卫星通信由于要保持用户通信连续性和语音通信不能中断，覆盖地面要求“无缝”，为此通信卫星基本上要组成星座。通信卫星星座有高(地球静止轨道)、中、低三种，各有其特点。

地球静止轨道通信卫星星座优点是，可对地面某区域保持静止，也就是说可以实现区域通信，也可实现全球通信。缺点是通信距离长，要求很大发射功率；通信时间延迟大，信息来回一次传输8万千米，时间延迟近0.27 s；另外还有一个弱点，即地球静止轨道上的定点位置目前已经很拥挤，要求申请新的轨道位置非常困难。而对低地球轨道通信卫星来说，要实现全球“无缝”覆盖要求卫星数量很多，一般至少要几十颗，甚至上百颗，而且难以建立区域通信，要建则就是全球通信。同时，上述高低两种轨道通信卫星都需要投入费用高。

本文所谈的中轨道限定在倾角等于零度，高度为7000～20 000 km的轨道，因为高于和低于此轨道高度，存在很强的地球内外辐射带，对卫星运行安全将有较大影响。

文中首先讨论中轨道移动通信卫星星座具有的特点和星座设计要求，并分析10种多用途中轨道移动卫星星座方案[1]；最后介绍英国在2013—2014年发射的“其他30亿人口”(Other 3 billion，O3b)中轨道通信卫星星座的概况和特点，以论证发展中轨道移动通信卫星的必要性。

2 中轨道地带移动通信卫星星座特点与星座设计

2.1 特点

中轨道地带移动通信卫星星座有如下特点：

(1)由于中轨道高度(7000～2 0000 km)是地球静止轨道高度的1/5～1/1.8，根据通信需要发射功率与距离平方成正比的关系，可简单估算中轨道通信卫星发射功率比地球静止轨道功率可以降低至1/25～1/5。为照顾地面接收设备简易性，发射功率只作适当减少。

(2)通信延迟时间为静止轨道卫星的1/5～1/2，这样语音通信延时短，普通人都能适应。

(3)中轨道通信卫信星座可以实现区域通信、地带通信(经度无限制，纬度有限制)，也可以使天线偏移指向，实现南北纬度不对称，确保急需用户的需求，具有多功能多用途的通信功能。

(4)中轨道上的卫星数量相对于地球低轨道较少，发射和配置星座都比较方便。

(5)中轨道通信卫星星座布置在赤道平面，倾角为零度，各颗卫星均匀分布，且卫星轨道高度也相同。因此星座除发射和部署方便外，将来在运行过程星座位置保持也较简单,因为相同轨道平面和相同高度，其星间摄动差很小，星座位置保持既简单又省燃料。

(6)中轨道地带通信卫星星座，卫星可分批分期发射。也就是说星座具有的功能可以随着发射卫星数量的增加而提高。这个特点对经济欠发达国家与地区，如果既要求拥有自已的区域通信，又要节约费用，则具有现实意义。

另外，中轨道地带通信卫星星座设计的核心问题是使轨道高度和卫星数量两者之间达到最佳，详见下文星座设计。

2.2 地带星座设计

星座设计要考虑轨道选择、轨道参数确定、轨道面数量与卫星数量的确定，以及火箭多星发射和将来星座位置保持等众多问题，还要考虑需要经费投入多少等，本文讨论的赤道地带星座设计方案，只涉及卫星轨道高度和卫星数量。本文的设计目标是要求覆盖南北纬度宽度尽量宽和使用卫星数量尽量少(经费投入少)，也就是效益与成本比例高，具体原则可参阅文献[2]。

地带通信星座由若干颗卫星组成。有关星座的具体参数为：卫星个数(n)，轨道高度(H)，用户最低仰角(E)和连续覆盖地区范围，则轨道高度和星座覆盖南北纬度(Φ)可得[3]

H=[cosE/cos(γ+E)-1]R

(1)

Φ=arccos[cosγ/cos(π/n)]

(2)

式中：R为地球半径；γ为卫星覆盖区的地心夹角。覆盖南北纬度与卫星数量和轨道的关系如图1所示(本文假设最低仰角E=10°)。

图1 覆盖南北纬度与卫星数量和轨道高度的关系Fig.1 Relationship between north and south latitude coverage and the number of satellites and height of orbit

3 中轨道地带通信卫星星座方案

按上述中轨道地带通信卫星星座所具有的特点，这里采用4～8颗卫星组成通信卫星星座。为了实现区域通信功能，对卫星数量的要求是：卫星数量要满足南北纬覆盖区要求，即按式(2)确定。

根据式(1)和式(2)计算不同星座方案，需要考虑卫星数量、轨道高度以及将来能达到覆盖的南北纬度，设轨道倾角为0°，用户最小仰角为10°。表1列出的前10种星座方案，覆盖南北纬度分别为±45°，±50°，±54°，±57°。表1中最后一个方案K是O3b中轨道通信卫星星座，其有关详情将在第5节介绍。

表1 中轨道通信卫星星座方案(参数)

表1的星座方案都具有下列3种功能：

(1)区域通信星座：覆盖区域经度和纬度都有限制，南北纬对称。在卫星的通信有效载荷上设置一个电源固定时间启动与关闭的开关，使整个星座仅需1～2颗卫星开机，其他卫星有效载荷关闭，卫星维持最低功耗，关闭有效载荷的卫星可节省较多功耗。方案B的1颗卫星工作覆盖区域在赤道经度为72°，南北纬度分别为±50°，±54°，±45°，若两颗卫星同时工作，覆盖区域经度相应增加。由于卫星轨道周期是一颗卫星覆盖时间的整倍数，所以有效载荷电源开关时间相对经度完全是固定的。若需要实现区域通信，又不想发射3万多千米轨道的卫星，这是一个可采用的方案。

(2)地带通信星座：当星座的卫星有效载荷全部工作时，则地带覆盖地区也是全部卫星覆盖区的总和，相当于一般的全球通信卫星星座，差别仅是纬度有限制。

(3)加强地带通信星座：覆盖区域经度无限制，若天线固定向北或向南半球偏移一个角度，以减小波束宽度，则覆盖区域为南北纬度不对称。覆盖区域变狭，天线增益有望提高，如果对某覆盖区增大天线增益，则称它为加强地带。

4 为“一带一路”区域提供实时移动通信星座

“一带一路”贯穿亚欧非大陆，一头是活跃的东亚经济圈，一头是发达的欧洲经济圈，中间广大腹地国家经济发展潜力巨大。丝绸之路经济带重点畅通中国经中亚、俄罗斯至欧洲(波罗的海)；中国经中亚、西亚至波斯湾、地中海；中国至东南亚、南亚、印度洋。21世纪海上丝绸之路重点方向是从中国沿海港口经过南海到印度洋，延伸至欧洲；从中国沿海港口经过南海到南太平洋。有关“一带一路”所经过的国家，详见图2所示[4]。

图2 “一带一路”所经过国家示意图Fig.2 Schematic diagram of “One Belt and One Road” through countries diagram

上述计算结果并综合经济效益，这里提岀两个服务的星座方案，可以为“一带一路”区域提供实时移动通信。

4.1 星座方案B

星座方案B：卫星轨道高度H=10 887 km，卫星个数n=5，其它参数见图3[1]。星座由5颗工作星、1颗备份星组成，均匀分布在赤道平面，每颗工作星相隔为72°。保证南北纬度±50°，经度360°，24小时通信。

图3 由5颗卫星组成的星座方案BFig.3 Constellation B consisting of 5 satellites

此卫星星座与其他类型星座相比具有下列优点：

(1)在相同条件(覆盖区域和轨道高度)下卫星个数是最少的，其他全球覆盖星座设计很难配置更少的卫星数目(与其它类似中轨道星座相比，卫星数量仅为常见星座的1/2左右)。例如奥德赛(Odyssey)星座，轨道高度10 350 km，卫星数目12颗，卫星质量1950 kg；又如国际移动卫星的Inmarsat-p21星座，轨道高度10 350 km，卫星数目10颗，卫星质量2300 kg。

(2)建造成本低。

(3)星座构型为一个轨道平面，为此备份星也仅需要一颗。(全球覆盖星座有3～6个轨道面，一个轨道面需要备份星一颗，不同轨道面的备份星不能共用，因为倾角改变，燃料消耗很大。)

(4)若卫星天线向北固定偏移一个角度,覆盖地带可从南纬-20°到北纬+50°。因为“一带一路”地区，最南边是印尼雅加达(南纬6.1°)，其次是非洲肯尼亚内罗毕。星座方案B天线可以向北偏移，提高该地区通信质量，其重点解决海上丝绸之路和大部分新丝绸之路经济带，但是覆盖最北边是意大利，其次是哈萨克斯坦、俄罗斯南部等，而莫斯科地区、荷兰、德国等北欧部分地区未能覆盖，此可依靠方案J来解决。

4.2 星座方案J

对于在中轨道赤道平面的多颗卫星组成通信星座来说，轨道高度和卫星数量应适当匹配，卫星数量太少，必然造成轨道高度过高，使上述中轨道优势丢失；反之卫星数量太多，轨道高度过低，覆盖区域未能得到应有扩大，造成经济投资浪费。考虑这些因素，星座方案J采用8颗卫星组成，轨道高度H=11 815 km，覆盖南北纬度±57°。

星座方案J，除了为正在建设的“一带一路”全部地区提供实时、廉价、使用方便的移动通信系统以外，还可以为将来在南美洲建设高铁工程提供移动通信。星座方案B与J，两者可以互相关连，由于开发建设“一带一路”工程需要较长时间，可先按星座方案B发射部署卫星，若需要星座方案J，再次发射3颗卫星后，经过调相和提高轨道高度，星座方案B可调整为星座方案J。

5 O3b中轨道通信卫星星座

2013—2014年英国O3b Networks公司成功发射8颗卫星，组成了O3b通信卫星星座，2014年12月又发射4颗，组成最终12颗卫星星座[5-6]。

5.1 O3b卫星概况

O3b通信卫星由泰雷兹-阿莱尼亚空间公司(Thales Space)负责设计、制造与调试，从星座组成来说，卫星轨道倾角为0°，轨道高度(8063 km)和卫星数量(12颗)与达到覆盖南北纬度±50°是合适匹配的。根据式(1)和式(2)的计算结果：若再增加卫星数量(例如18或20颗)，轨道高度不变，覆盖区域扩大甚微，南北纬度没有明显增加。O3b卫星数量与覆盖区域关系详见图4所示。

“O3b”意即“Other 3 billion”(“其他30亿人口”的网络)，目标是帮助非洲、亚洲和南美洲地区上网困难和上网昂贵的30亿人通过卫星光纤接入互联网。8颗卫星组成的O3b星座，卫星绕地球运动轨迹如图5所示[5]。O3b网络公司目前正在研制更高性能的新一代O3b网络卫星。

O3b设计工作寿命10年,卫星质量700 kg，采用Ka频段通信，分为10波束，每个波束数传率为1.2 Gbit/s，有12副可控天线，每副天线可指向和跟踪±26°内的地面站。星上功率为1500 W。卫星电源分系统由两个砷化镓太阳能电池阵列和一套锂离子蓄电池组组成；卫星姿控系统为零动量三轴稳定。控制系统执行机构由反作用轮、磁力矩棒和单组元肼喷气推进器等组成；GPS接收机用于确定轨道位置；轨道控制与保持采用肼单元推进器，推力为8×1 N；姿态确定系统由地球敏感器、太阳敏感器和惯性测量单元组成。卫星外形结构如图6所示，两侧各有1个可展开太阳电池翼。

图4 O3b星座卫星数量与覆盖区域关系Fig.4 Number of O3b constellation satellites and coverage area

图5 8颗卫星组成的O3b星座Fig.5 O3b constellation of 8 satellites

图6 O3b卫星外形结构Fig.6 Satellite configuration

5.2 O3b星座的特点

(1)星座总的数据传输率为12 Gbit/s，采用Ka频段，下行17.8～18.6 GHz，上行27.6～28.4 GHz；

(2)通信延迟比地球静止轨道小，为100 ms；

(3)卫星通信发射功率约为地球静止轨道卫星的1/20，若发射功率适当增加，则地面接收设备可更简易，有利于移动通信。

5.3 O3b星座计划服务的3类用户

1)国家电信运营商和大型存储处理器(ISP)

φ3.5 m天线，单载波服务(全波束)，前向600 Mbit/s，返向540 Mbit/s。

2)蜂窝回程和企业虚拟专用网络(VPN)

φ1～2 m天线，最高155 Mbit/s，典型服务为2～10 Mbit/s对称，前向时分调制(TDM)，返向多址(multi-access)。

3)个人用户和小企业(未来)

φ50～100 cm 天线，前向1～2 Mbit/s，返向256～512 kbit/s。

5.4 O3b移动通信卫星星座使用概况

O3b 移动通信卫星参加了2015年美国海军第七舰队“三叉戟勇士”(Trident Warrior 2015 Exercises)军演[7]。采用海上φ1.2 m跟踪天线，收发速率上行200 Mbit/s，下行400 Mbit/s，工作性能良好。军演结果说明O3b移动通信卫星性能优越：通信延迟时间短、容量大、数据传输效率高。

通过O3b 移动通信卫星星座成功运行表明，O3b Networks公司已成为全球卫星服务供应商，可为电信运营商提供新一代卫星网络及互联网产品。O3b公司可为分布在近180个国家和地区的数十亿的消费者和企业人员，提供从卫星到光纤网络的通信服务，其产品具有廉价、高速、低延迟的性能。

6 结束语

本文经过论证和技术研究，以及O3b实际卫星发射和运行，说明选择中轨道移动通信卫星星座是可行的。当轨道倾角选择0°，星座设计、卫星发射部署与运行都比较简单、易行，同时这种星座具有多种功能，可实现区域通信、地带通信，若天线向北固定偏移一个角度，则可以实现加强地带通信。

本文提供了中轨道多种星座方案，轨道高度与卫星数量决定了覆盖南北纬度宽度，这两者增加都能扩大纬度宽度，卫星数量增加比轨道高度提高，其扩大纬度宽度的效果更显著，但是投资成本会增加。若卫星数量增加到一定程度，轨道高度不变，其纬度宽度提高甚微。为此星座设计追求的目标是选择适当轨道高度，让覆盖南北纬度尽量提高，而使用卫星数目尽量减少。

References)

[1]林来兴，陈芳允，陆镇麟，等.中轨赤道卫星星座方案：中国，106177.2[P]. 1999-04-30

Lin Laixing, Chen Fangyun, Lu Zhenlin, et al. Mid-orbit equatorial satellite constellation：China，106177.2[P].1999-04-30 (in Chinese)

[2]林来兴. 一种观测我国海岸线和近海小卫星编队飞行方案[J]. 航天器工程, 2013,22(1): 61-65

Lin Laixing. Small satellite formation flying for China’s coastline and near sea[J]. Spacecraft Engineering, 2013,22(1): 61-65 (in Chinese)

[3]杨维廉. 一种区域性中轨道卫星移动通信星座[J]. 中国空间科学技术, 2001(2): 1-6

Yang Weilian. A MEO satellite constellation for regional mobile communication[J]. Chinese Space Science and Technology,2001(2): 1-6 (in Chinese)

[4]中国经济网. 筑梦“一带一路”[EB/OL]. [2015-04-10]. http://www.ce.cn/ztpd/xwzt/guonei/2014/ydyl/in￣dex.shtml

China Economic Net. One belt and one road[EB/OL]. [2015-04-10]. http://www.ce.cn/ztpd/xwzt/guonei/2014/ydyl/index.shtml (in Chinese)

[5]O3b Networks. O3b “Our Technology”[EB/OL]. [2015-03-11]. http://www. o3b networks.com/o3b-ad tage/our technology

[6]Space Skyrocket. O3b[EB/OL]. [2015-04-15]. http://www.space.skyrocket.de/doc-sdat/o3b.htm

[7]Business Wire. O3b Networks successfully participates in U.S. Navy 7th Fleet Trident Warrio 2015 Exercises[EB/OL]. [2015-06-23]. http://www.digitaljournal.com/pr/2591070#ixzz3fY2LeuY6

(编辑：张小琳)

Research on Mid-orbit Zone Mobile Communications Satellite Constellation

LIN Laixing

(Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100190, China)

The paper describes the characteristics of mid-orbit communications satellite constellation with respect to high and low earth orbit, and presents ten alternative constellation options. Each option has three functions as follows regional communication, zone communication and strengthened zone communication. In this paper we study two schemes: scheme B constellation using 5 satellites and scheme J constellation using 8 satellites. These two programs can not only provide cheap, real time and convenient mobile communication system for building “One Belt and One Road”, but also provide mobile communication system for the future in South America to build high-speed rail project. They would benefit more than 85% of the world’s population as well.

mid-orbit; mobile communications satellite; constellation; “One Belt and One Road”

2015-05-29；

2015-07-17

林来兴(1932-)，男，研究员，从事航天控制、小卫星编队飞行研究。Email：laixing_lin@sina.com。

V52

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.04.001