基于STK的MEO卫星通信系统的仿真与覆盖分析

吴 昊，王 宇

（中国空间技术研究院西安分院陕西西安710100）

基于STK的MEO卫星通信系统的仿真与覆盖分析

吴 昊，王 宇

（中国空间技术研究院西安分院陕西西安710100）

基于对中轨卫星通信系统星座覆盖性能进行分析的目的，本文利用STK建立了两种典型的中轨道卫星通信系统星座的仿真模型，通过星座仿真模型分别对其全球覆盖性能和区域覆盖性能进行了仿真分析。仿真结果表明，ICO和Odyssey卫星通信系统星座的全球平均覆盖率均为100%，对北京区域的双星覆盖率均为100%，三星覆盖率分别为87.5%，89.8%，四星覆盖率分别为70.3%，34.2%，五星覆盖率分别为21.1%，3.1%。在全球覆盖性能方面，ICO星座和Odyssey星座均具有良好的覆盖性能；在区域覆盖性能方面，前者的多星覆盖性能远优于后者。

中轨卫星通信系统；STK；星座；覆盖性能

利用中轨道（MEO）卫星提供全球移动通信[1]的优点在于：相比于GEO卫星，MEO卫星的传输损耗较小，对手持机和星载天线的要求也相应较低，研制难度与LEO卫星大致相当，其传播时延也大约为GEO卫星的四分之一。同时，相比于LEO卫星，MEO卫星的移动速度较慢，降低了卫星切换的频率，由于其较大的覆盖范围，MEO卫星通信系统需要较少的卫星就能实现全球覆盖，降低了系统设计和管理的难度。因此，在某种程度上，MEO卫星通信系统克服了GEO卫星通信系统和LEO卫星通信系统的很多方面的缺陷，而且，它的传输时延、系统复杂性、技术和实施风险、业务性能、服务寿命以及系统费用均保持在可以实现和承受的范围内，非常适合用于提供全球移动通信。Inmarsat的ICO系统和TRW空间技术集团公司提出的Odyssey（奥德赛）系统是两个典型的中轨卫星通信系统。

卫星移动通信网络[1]是以卫星星座为基本物理架构，多颗卫星按一定形状分布，通过星际的通信链路形成覆盖全球的天基通信网络，具有一定的覆盖性能。星座系统[2]具有较强的抗毁性、抗干扰性和冗余能力，在个别卫星部分功能失效或个别卫星被破坏的情况下仍能降级使用。星座覆盖性能是卫星通信系统的重要特征，通过对星座覆盖性能进行分析可以帮助我们了解卫星通信系统网络组成，链路传播特性，抗干扰性能等。

卫星工具软件 STK（Satellite Tool Kit，STK）[3-4]是航天领域中先进的系统分析软件，由美国分析图形有限公司（Analytical Graphics Inc，AGI）研制，用于分析复杂的陆地、海洋、航空及航天任务。它可提供逼真的2维、3维可视化动态场景以及精确的图表、报告等多种分析结果。支持卫星寿命的全过程，在航天飞行任务的系统分析、设计制造，测试发射以及在轨运行等各个环节中都有广泛的应用，对于军事遥感卫星的战场监测、覆盖分析、打击效果评估等方面同样具有极大的应用潜力。

文中利用STK卫星工具软件，通过对ICO系统星座和Odyssey系统星座轨道设计理论参数进行分析讨论，以标准轨道根数建立典型中轨卫星通信系统星座仿真模型，进而讨论分析典型星座的覆盖性能。

1 典型中轨卫星通信系统星座的轨道根数

1.1 经典轨道参数

卫星轨道参数是用来描述在太空中卫星运行的位置、形状和取向的各种参数。在惯性坐标系中描述卫星运动的6个经典参数是：轨道半轴长a，轨道偏心率e，轨道倾角i，升交点赤经Ω，近地点中心角ω，卫星飞过近地点时刻τ。图1为卫星运动轨道6个经典轨道参数的示意图。

图1 卫星在惯性坐标系中的运动

在实际应用中我们常用的是两行星历，在两行星历数据中就包含了卫星最重要的6个轨道参数，STK卫星仿真工具包也支持两行星历，而且STK还提供了多种对卫星运行轨道影响的因素如地球扁率等，为研究分析卫星运行轨道的性能提供了方便。

1.2 ICO卫星通信系统、Odyssey卫星通信系统星座特点

1）ICO卫星通信系统星座特点

ICO系统星座由12颗卫星组成，其中10颗为工作卫星，2颗为备用卫星，12颗卫星排列在与地球赤道分别成45°倾角的两个平面上，位于距地球10 355公里的中圆轨道上。

2）Odyssey卫星通信系统星座特点

Odyssey系统星座也由12颗卫星组成，平均分布在与地球赤道分别成55°倾角的3个平面上，位于距地球10 354公里的中圆轨道上。

1.3 ICO卫星通信系统、Odyssey卫星通信系统星座的轨道根数

ICO系统星座设计和Odyssey系统星座设计[5-6]均采用网状覆盖星座（Walker星座）。Walker星座的特点是：一般卫星轨道是圆形轨道，各轨道平面平均分布，而且轨道平面中的卫星均匀分布，但Walker星座不适合于覆盖南北极地区，一般选在南北纬72°地区。

根据ICO、Odyssey卫星通信系统星座的相关资料分析，可知ICO、Odyssey卫星通信系统星座半长轴分别为16 726 km、16 725 km，偏心率均为0，轨道倾角分别为45°、55°，升交点赤经均按照轨道数量在空间内均匀分布，平均近点角均按照同一轨道面内卫星数量在轨道面内均匀分布。

根据上述轨道参数计算ICO和Odyssey卫星通信系统星座轨道仿真的其他参数，其中每个轨道面的升交点赤经的取值见表1和表2，初始平均近点角的取值见表3和表4。

表1 ICO星座轨道面升交点赤经值

表2 Odyssey星座轨道面升交点赤经值

表3 ICO星座卫星的初始平近点角值

表4 Odyssey星座轨道面的升交点赤经值

2 ICO、Odyssey卫星通信系统星座仿真模型的建立

STK提供了多种卫星轨道[7-8]预测模型：

1）TwoBody

二体模型，只考虑地球中心引力。通常用于问题简化后的原理分析。

2）J2Perturbation

在中心引力的基础上，进一步考虑地球非球形的影响，但仅考虑最大的J2项影响。同样，由于力模型过于简化，通常不用于定量的工程计算。

3）J4Perturbation

增加J4项影响。模型精度依然不足以用于通常的定量工程计算。

4）HPOP

高精度轨道外推模型采用数值计算方法，可用于定量计算。

还有很多模型在这里就不再赘述了，为了简化仿真，本文用的卫星轨道预测模型为TwoBody（二体）模型。采用STK工具包建立的ICO卫星通信系统星座仿真模型见图2，Odyssey卫星通信系统星座仿真模型见图3。

图2 STK生成的ICO系统星座

图3 STK生成的Odyssey系统星座

3 ICO、Odyssey卫星通信系统星座覆盖性能仿真分析

3.1 卫星通信系统星座覆盖性能分析的概念

覆盖性能[9-10]是卫星通信系统星座在需要的时间和地点动态集中所需卫星容量的能力，具有时间和地点两个方面的属性。评价一个星座系统对某区域的覆盖特性通常有星座覆盖统计性能、单星覆盖率、多星覆盖率等指标。这些覆盖性能均可以通过STK建立的卫星轨道模型仿真得到，文中仿真条均为理想条件。

星座覆盖统计性能表征了卫星星座对某一指定区域的覆盖水平。它包括两方面的含义，一个方面是某一时刻卫星星座对指定地区的覆盖程度；另一个方面是卫星星座在任一运行周期内，从任一星座覆盖图记起，到卫星星座重新运行到该星座覆盖图的一段时间内，卫星星座对该区域的覆盖情况。

单星覆盖率是指在目标区域内和星座运行周期内各采样站点至少有1颗卫星覆盖的概率。

多星覆盖率是指在目标区域内和星座运行周期内各采样站点至少有2颗或3颗以上卫星覆盖的概率。

3.2 ICO、Odyssey卫星通信系统星座全球覆盖性能仿真分析

计算卫星星座的全球覆盖性能[11-12]时，需要在地球的表面取有限个采样点，通过这些采样点的统计结果来表示卫星星座的覆盖特性。STK提供了一种简单的栅格法取采样点，即将地球的表面分成与经度和纬度线平行的栅格，栅格间的角距相等。

ICO卫星通信系统星座的运行周期为359 min，栅格间角距为6°，通过STK仿真得到ICO卫星通信系统星座在一个运行周期内的全球平均覆盖率与时间的变化曲线如图4所示。Odyssey卫星通信系统星座的运行周期为359 min，栅格间角距为6°，通过STK仿真得到Odyssey卫星通信系统星座在一个运行周期内的全球平均覆盖率与时间的变化曲线如图5所示。

图4 ICO系统星座全球平均覆盖率变化曲线

图5 Odyssey系统星座全球平均覆盖率变化曲线

通过仿真结果可以得到ICO、Odyssey卫星通信系统星座在一个运行周期内的全球平均覆盖率为100%。两者对全球范围均可以提供全天时的覆盖，非常适合用于提供全球移动通信。

3.3 ICO、Odyssey卫星通信系统星座区域覆盖性能仿真分析

STK提供了FOM（品质参数）模块[13-14]，可以利用FOM模块进行多星覆盖性能仿真分析，图6、图7分别给出了ICO、Odyssey卫星通信系统星座对北京区域卫星覆盖数量随时间的变化曲线。

图6 ICO系统星座区域卫星覆盖数量变化曲线

图7 Odyssey系统星座区域卫星覆盖数量变化曲线

从图6的仿真结果可以计算出，ICO卫星通信系统星座在一个运行周期内对北京的双星覆盖率为100%，三星覆盖率为87.5%，四星覆盖率为70.3%，五星覆盖率为21.1%。

从图7的仿真结果可以计算出，Odyssey卫星通信系统星座在一个运行周期内对北京的双星覆盖率为100%，三星覆盖率为89.8%，四星覆盖率为34.2%，五星覆盖率为3.1%。

从ICO、Odyssey卫星通信系统星座对北京的多星覆盖率仿真结果可以看出，两者对北京都可以实现100%的双星覆盖，两者对北京的三星覆盖率大致相当，但ICO卫星通信系统星座对北京的四星覆盖率和五星覆盖率都远远高于Odyssey卫星通信系统星座。

4 结束语

近年来，随着无线通信和移动通信的迅速发展，层出不穷的移动通信新技术使人们能够在任意时间、任意地点与其他人以任意方式进行交换各种信息。其中，卫星网络的快速发展使卫星通信成为移动通信技术中最重要的通信方式之一。

MEO卫星通信系统克服了GEO卫星通信系统和LEO卫星通信系统的很多方面的缺陷，而且，它的传输时延、系统复杂性、技术和实施风险、业务性能、服务寿命以及系统费用均保持在可以实现和承受的范围内，非常适合用于提供全球移动通信。

卫星星座作为卫星移动通信系统的基本物理架构，其组织结构形式决定了卫星星座对指定区域的覆盖质量，而较好的覆盖是中轨卫星通信系统对指定区域提供满意的通信的前提和保障。卫星工具软件STK是航天领域中先进的系统分析软件[15]，用于分析复杂的陆地、海洋、航空及航天任务。它可提供逼真的2维、3维可视化动态场景以及精确的图表、报告等多种分析结果。支持卫星寿命的全过程，在航天飞行任务的系统分析、设计制造，测试发射以及在轨运行等各个环节中都有广泛的应用，对于军事遥感卫星的战场监测、覆盖分析、打击效果评估等方面同样具有极大的应用潜力。

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Simulation and coverage analysis of the constellation of the MEO satellite communication system based on STK

WU Hao，WANG Yu
（Chinese Academy of Space Technology（Xi’an），Xi'an710100，China）

Based on the analysis of the constellation coverage performance of the satellite communication system，this paper uses STK to set up two constellation simulation models of the typical satellite communication system.Then the simulation and analysis of their global and regional coverage performance are carried out.The simulation results show that the global coverage rate of ICO and Odyssey are 100%.In Beijing region，the double⁃satellite coverage rate for is 100%，and the triple⁃satellite coverage rates are 87.5%and 89.8%，and the four⁃satellite coverage rates are 70.3%and 34.2%，and the five⁃satellite coverage rates are 21.1%and 3.1%.The ICO has fine global coverage performance with Odyssey and its multiple coverage performance is even better than that of Odyssey in Beijing region.

MEO satellite communication system；STK；constellation；coverage performance

TN927+.23

A

1674-6236（2017）22-0120-04

2016-10-11稿件编号：201610043

吴昊（1990—），男，陕西咸阳人，硕士研究生。研究方向：空间通信技术。