面向应急通信的低轨短数据通信星座优化设计

刘洋 刘武 戴媛媛 刘勇 李华 杨杰峰

关键词： 应急通信; 短数据; 低轨卫星; 激光通信; 通信系统; 星座

中图分类号： TN927?34                        文献标识码： A                           文章编号： 1004?373X（2019）05?0019?04

Optimization design of LEO short data communication constellation

for emergency communication

LIU Yang， LIU Wu， DAI Yuanyuan， LIU Yong， LI Hua， YANG Jiefeng

（Shanghai Engineering Center for Microsatellites， Shanghai 201203， China）

Abstract： The design and optimization analysis of short data communication system based on low earth orbit （LEO） satellites are carried out to meet the requirement of various industries in civil and military fields for emergency communication. The global constellation optimization design method is used to obtain a short data communication satellite constellation composed of 49 LEO satellites distributed in 7 orbit surfaces. The satellites in the system provide the real?time transmission channels for user information transmission by means of laser link， which can maintain the communication link between the single satellite in constellation and more than 10 satellites at any time. The efficiency simulation results show that the system can realize the seamless coverage over all the land territories in China， cover more than 90% surrounding areas and low?latitude areas， and meet the requirement of information emergency transmission.

Keywords： emergency communication; short data; LEO satellite; laser communication; communication system; constellation

0  引  言

随着国民经济的高速发展，各行业对信息获取的时效性要求增长迅速，通过稳定可靠的信息网络进行高频次信息交换的应用需求迫切。我国地域广阔、地形复杂、受气候及地理環境的影响大，地面通信网络还无法覆盖到海洋、沙漠及偏远山区等，使得现有信息网络中存在信息传递鸿沟，难以实现全区域用户的实时性通信需求。据不完全统计，我国大约有30万船只，包括海上运输、渔船等需要实时的通信保障;在森林防火方面，我国共有约6万个森林防火检查站，护林人员约50万名，实时通信需求十分迫切;在应急减灾方面，汶川地震对我国通信设施的脆弱、应急通信手段不足等问题提出了严峻的挑战;目前我国边远地区，包括许多自然村尚未建立完善的通信系统。

卫星通信系统，特别是卫星移动通信系统[1?3]成为现有地面移动通信网络的有力补充和延伸，是应对突发事件应急信息传输的重要手段。而且我国包括军队、武警，公安、渔业、农业、民政等政府机构，以及石油、电力、气象等部门都需要广域的卫星移动通信系统提供高效可靠的保障支持。与同步轨道相比，中、低轨道卫星具有传播时延短、路径损耗低、频率复用率高、卫星研制周期短、多星组网实现真正意义上的多星覆盖、支持终端手持化等优点。全球性卫星移动通信系统主要采用中、低轨道卫星，低轨卫星短数据[4?5]移动通信系统具有传输时延长、通信突发时间短等特点，国际现有铱星[6?7]，ORBCOMM[8?9]，Globalstar[10]，ARGOS[11]等短数据和数据采集通信系统。

国际卫星虽能在一定程度上满足通信需求，但信息安全性不能保障，资源调配受制于人，因此亟需发展满足我国军民各行业应急应用需求的短数据通信系统。本文设计了一套低轨短数据通信星座网络并进行优化设计，能够对我国及周边领土全面覆盖，为区域内用户提供信息实时（准实时）传输通道，并通过系统效能仿真，验证其可用性和有效性。

1  通信频段

低轨卫星（LEO）由于自身的功率限制以及地面手持终端的功率限制，不宜使用过高的传输频率，当前主流的LEO系统用户链路频段主要集中在2 GHz以下，如表1所示。这一频段同时也是地面设备使用密集的频率空间，而且多个卫星系统集中在这个频段内就必须保证相互之间的干扰比较小。空间信息网络的建立是以高速、灵活、准确传输用户数据为目的，因此不可避免的需要大量的频谱资源作为支撑，由于低轨卫星系统覆盖范围远超于地面系统，因此卫星通信环境的频谱状况极为复杂。在卫星无线宽带接入越来越接近商业化的今天，大带宽的申请更是困难。对于低轨通信卫星而言，过高的频率将使得链路的衰减量大幅上升，同时造成多普勒偏移过高，这对于地面的接收和发射都是极为不利的。

根据无线电频率规划，UHF频段中400.15～401 MHz和410～420 MHz可用于空间研究，使用其附近频段的系统有美军特高频后继卫星通信系统（UFO）、美国战术数据广播系统（TIBS），增强型定位报告系统（EPLRS），工作频段均为225～400 MHz。

目前，对于L频段可用的卫星通信频段仅有7 MHz，国际上已有数百份网络申请资料，协调难度巨大，而且L频段相对于UHF频段链路衰减大，同样的距离和接收增益，需要发射的EIRP更高，而现有的短数据卫星通信的ORBCOMM系统以及数据采集系统的ARGOS系统普遍采用UHF频段，该频段链路衰减小，有利于低功耗终端，故考虑方案的成熟度，终端的低功耗以及集成度，建议采用UHF频段，在已有的UHF突发短数据的基础上进行适应性功能扩展，可满足性能指标要求。

2  系统设计

卫星星座按以下原则进行设计：

以用户需求为中心：星座设计紧密结合用户需求，以应急场景信息实时（准实时）交互应用为中心，兼顾军、民用需求，实现军民融合效益的最大化。

高效性：星座规划合理，力求用最少的卫星实现中低纬度区域的全面覆盖。

均衡性：星座设计均匀性和覆盖性好，星间链路连通性好，满足高时间分辨率重访需求，实现各类业务信息的快速回传和落地。

连续性：星座轨道设计便于后续任务部署的连续性、互补性和组网的便利性。

主要设计约束如下：

覆盖范围：可连续覆盖北纬18°～53°区域（中国陆地主要区域），高频次覆盖北纬0°～18°区域。

轨道高度：600～1 200 km。

窄带通信终端最小可通信仰角：15°。

卫星数目：尽量少（节省建设成本）。

轨道面数目：尽量少（节省运载成本）。

为实现重点地区的连续覆盖和部分地区的高频次覆盖，采用约束多目标优化的方法，借鉴全球星的星座设计方法，优化得到多种卫星轨道高度和倾角一致的同构星座，星座的具体参数如表2所示。

进一步给出不同轨道高度的空间分布密度，如图1所示，可知轨道高度在700～750 km和1 000～1 200 km，相对分布密度较低，可作为通信卫星的优选频段。

从系统建设成本的方面考虑，700 km的设计星座所需卫星和轨道面较多，所需的运载数目也较多。因此，选用轨道高度为1 054 km，倾角为43.14°的圆轨道星座。

3  星间链路

对于系统的实时（准实时）短消息通信需求，要求系统必须具备快速的信息传递通道，能够将用户信息实时、准确、安全地送达至目标地址，这就需要通过建设相应的网络体系将全部用户互联互通。

网络可以通过地基和天基两种方式来实现。目前，地面已利用光纤通信技术（即有线光通信技术）建立了地面高速光通信网络，奠定了全球互联网的物理基础。但是，地面光纤网络还无法覆盖到地球上具有广阔面积的海洋、沙漠及偏远山区等，使得世界信息网络中存在信息鸿沟，难以实现全区域用户的实时性通信需求。

通过卫星的星间通信来实现信息的实时传递是保证信息实时传递的有效手段，通过微波和激光的方式均能实现。目前，使用星间微波进行信息传递的方式已在导航卫星上实现，但该方式存在传递信息带宽受限的问题，且使用中存在与星地通信存在干扰的问题，在天基通信網络建设时存在诸多应用瓶颈。

卫星激光通信[12?13]具有通信容量大、传输距离远、保密性好等优点，将改变现有的卫星通信体制，给空间信息传输领域带来革命性变化，在空间高速信息传输方面具有不可替代的作用，是建立空间信息网络的主要支撑技术，能够解决我国空间海量信息数据实时传输的瓶颈问题。低轨卫星用激光建立通信网，具有激光通信终端体积小、重量轻、性价比高、功耗低等优点，以低轨卫星激光通信网络为基础，通过星地激光链路或高轨卫星转发，可与地面站、车载终端、舰载终端、机载终端等构成天地一体化空间信息传输网络。因此，拟采用星间激光通信的方式形成天基信息互联网，保证系统信息的实时传输。

为满足星座组网的总体设计要求，采用收发空间分离的方式实现双工通信。同时，为尽量节约空间与重量资源，设计采用无信标跟踪的方案。通信和跟踪共用同一个通信光源，并共用同一个通信探测器，从而极大地降低资源消耗。

4  效能分析

4.1  覆盖百分比

首先，分析宽带卫星对纬度0～90°之间的覆盖百分比，如图3所示。

对于重点区域的南北纬18°～54°之间，可实现100%的连续覆盖，对于低纬度地区（南北纬0～18°）可实现不低于90%的覆盖率。

4.2  覆盖重数

在南北纬0～54°的区间内，不同纬度的覆盖重数分布在1～2.17之间，覆盖性能较好，如图4所示。

4.3  通信仰角

分析不同緯度平均通信仰角（选取距离最近的卫星接入），如图5所示，在南北纬0～46°的平均通信仰角分布在34.0°～47.6°，可获得较好的通信性能;在46°～54°区间，平均通信仰角高于20°。

4.4  重访时间

如图6所示，星座的重访性能在南北纬54°分为两个区域：

1） 重点区域：处于南北纬18°～54°，连续实时覆盖;

2） 低纬度地区：处于南北纬0～18°，平均重访时间最大可达2 min，最大重访时间达到5 min;每天重访次数小于68次。

4.5  星间链路联通性

短数据通信星座间链路联通性见图7。分析结果可知，任意时刻星座内任意单星与周边至少10颗以上卫星存在可通信的链路，能够保证信息的实时传输通畅。

5  结  语

通过对卫星的合理配置和轨道优化设计，利用不到50颗的低轨卫星就可以实现对我国领土的100%覆盖，满足各行业应急通信的需求。同时可兼顾低纬度地区的准实时短数据通信应用，方案具备较好的经济性和可实施性，可为未来全球一体的通信网络建设提供设计思路。

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