高低轨卫星一体化协调应用的关键技术与实践

张亮

摘要：文章针对我国高、低轨卫星协同工作所面临的主要问题进行了深入研究，明确了其发展目标。研究重点对高、低轨道融合问题的复杂度进行了分析。在研究过程中，笔者将着眼于提高整个卫星的综合效能，促进卫星通信的发展，从技术层面上来解决上述问题。研究结果表明，高、低轨道融合对于提升系统性能和解决技术难点都有重要意义。该项目的研究成果将为我国在轨卫星技术在通信网络中的应用奠定理论基础。

关键词：卫星系统；发展趋势；高低轨卫星一体化；技术挑战

中图分类号：TN927  文献标志码：A

0 引言

本文旨在对卫星系统的发展趋势进行深入分析，尤其是对高、低轨道卫星一体化的重要意义进行分析。随着科技的发展，卫星系统已成为卫星通信、科学研究及对地监测的重要手段。本文在回顾卫星技术发展史的基础上，着重讨论了高、低轨道卫星一体化所面临的技术难题，明确了本课题的研究目的与意义。本项目的研究成果，可为未来卫星技术发展提供新思路，使其更好地适应现代通信与科学技术的需要，推动卫星系统的进一步发展。

1 综述

1.1 我国高、低轨道融合技术的发展概况

近年来，高、低轨道卫星的融合已逐渐引起人们的关注。高轨道卫星具有远距离传送的优点。低轨道卫星具有对地高分辨探测及低时延传输的优点。高低轨道卫星在多个方面都具有广阔的应用前景。在通信领域，研制并使用新一代卫星通信规范，是推进我国高、低轨道融合发展的重要方向。近几年，随着量子通信的迅速发展及应用，卫星通信会变得更为安全有效。

通过对国内外典型实例的研究，可以看出，高、低轨道融合技术在对地观测、卫星通信和导航等方面具有很大的应用前景。比如：一颗高轨道通信卫星与一颗近地轨道卫星合作，可以建立覆盖全球的通信网络，对该网络进行高精度的监控。本项目的研究成果将提升整个卫星的综合效能，为卫星在多个行业的实际应用提供更为精确的数据支撑。

1.2 协同应用研究的新领域

面向协同应用这一前沿性课题，对其真实的应用场景进行深度挖掘是其核心所在。高、低轨道融合技术的融合方案涵盖全球通联、灾害监控、资源管理、环境监测等诸多方面。为了满足各种应用场合的要求，必须根据用户的个性化要求，为用户提供定制化的数据支撑。面向工程实践的研究，既要从理论上解决问题，又要与各行各业的专家进行深度合作，掌握其特定的需求，才能将其与工程实践相融合［1］。

同时，对协同应用领域的发展状况进行研究，也是该领域研究的一个重点内容。近年来，卫星遥感在气象、农业和城市规划等方面得到了广泛的应用。遥感资料具有高时空分辨率和实时传输的特点，因此，利用遥感资料进行海洋环境污染的研究具有重要意义。当前，卫星通信系统在我国已经取得大范围、多领域的应用，但在信息传输可靠性和传输效率等方面有进一步提高的可能。

2 高低轨卫星一体化协调应用的关键技术与实践挑战

2.1 技术性难题

高、低轨道卫星通信协议的设计和应用是首要的问题。高、低轨卫星融合时，传统的通信协议面临着高、低频段频谱资源分配和信道干扰等诸多的挑战。为了使多个卫星协同工作，必须研究适用于不同轨道的通信协议，以保证数据的稳定和高效传输。

数据的传输和处理也是其中的一个难点。高、低轨道卫星数据量巨大，传统的数据传输方法很难满足实时、高效的要求。数据处理算法的优化对提高卫星系统性能具有重要意义。高、低轨卫星数据处理过程中涉及的数据源多、传输方式多样，因此需要研究和应用新的数据处理算法。

2.2 实践挑战

在高、低轨道融合过程中面临着诸多挑战，而系统融合和优化就是其中一项重要的挑战。为了保证整个系统的正常运转，需要通信、控制和能量等多个子系统相互配合。系统整合的难点在于：在整个系统中，要实现多个子系统的协调，才可以保证整个系统正常运行。

同时，现实的环境适应能力也是一个很大的挑战。在运行过程中，由于受到气象、温度、辐射等多种因素的影响，系统的可靠运行会受到影响。因此，有必要对其在多种复杂条件下的环境适应情况进行研究，包括材料选择、防护措施等，以保证它在真实工作条件下的可靠工作。

为应对上述问题，必须注重关键技术方法的研究和应用，以保证高、低轨道融合在实际中的应用。

3 高低轨卫星一体化协同应用的关键技术

3.1 低轨道的卫星通信方式

如何实现高、低轨道间的通信，是实现高、低轨道数据传输的核心问题。对于高轨卫星，要解决信号传输时延、信噪比降低等问题，以提升系统的可靠性与有效性。一种创新思路是通过对通信链路的状态进行自适应调节，使它能够最大限度地提高系统的传输品质。在此基础上，系统可以利用多根天线实现多径传输，以补偿传输过程中的通道损耗，从而增强传输的可靠性。

对低轨卫星而言，最大的难点是如何实现高速运动的卫星与地面站点间的信息传输。一种方法就是利用自适应波束赋形方法，通过对通信波束角进行实时修正，以达到对卫星目标进行追踪与捕获的目的，进而提高系统的通信效能。另外，利用多路接入技术，可以使多颗卫星与地面站点同步通信，从而增加通信的吞吐率［2］。

3.2 数据处理与传输技术

对于资料的处理和传送，有效的资料压缩方法是其中的一个重要环节。卫星通信所需传输的数据量非常巨大，如果采用常规的数据传送模式，则会大大降低卫星资源的有效利用率，造成卫星资源的浪费。为此，本文提出了一种改进的压缩方法来实现对图像的压缩，从而减少了图像中的信息量，提高了图像的传输效果。研发人员将无损与有损2种编码方法相融合，依据其重要程度，灵活地选取相应的编码方案，可以大大提升系统的性能。

另外一个重要的技术就是建立一套实时的通信协议。为了保证数据传输的时效性，卫星通信系统可使用用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）进行实时的数据传送。在此基础上，研究人员可以采用纠错与丢失修复技术来增强网络中的数据传输性能。

3.3 智能化系统管理与调度算法

针对目前卫星通信中存在的问题，文章提出了一种基于网络拓扑结构的智能控制方法。该方法利用现代感知的手段，获得信号强度、能耗、状态等多个参数的实时监测，为电力电子设备的运营管理奠定坚实的理论和实践基础。

针对不同类型的资源，文章提出了一种基于遗传算法和模拟退火算法的新方法。该方法综合考虑了通信需求、能量消耗以及在轨运行时的运行状况，优化了通信网络的资源使用，提高了通信系统的综合效能。

在实际应用中，如何有效地适应业务的变化是一个很大的问题，这就要求有相应的优化策略和平衡策略。优化策略和平衡策略保证了整个网络的快速响应、网络的高效率以及网络的高稳定性。人工智能技术的发展为智能化提供了新的途径。机器学习方法可以从过去的数据中提取出错误信息，对设备进行预防性维修，通过对用户行为的认知来提高设备的使用效率，从而实现智能化的资源管理［3］。

4 高低轨卫星一体化协调应用的关键技术与实践的解决办法

4.1 高、低轨道卫星通信系统的最优设计

针对高、低轨道的卫星通信问题，本研究将自适应调制方法应用于多种通信信道环境下。该方法通过对通道和噪声进行在线监控，动态调节，实现了高低轨卫星系统可靠、高效地运行。此外，多个天线的应用能够有效地发挥多径传输的优势，有效地补偿了通道损耗，增强了通信的可靠性。本项目的研究成果为未来的高速轨道交通系统提供更加灵活和稳定的解决方案。

针对低轨卫星的特点，本研究提出了一种基于自适应波束赋形的方法。通过对通信波束角的在线调节，实现了对卫星的跟踪，保证了高速运行中的卫星与地面基站的通信连接。此外，多址传输还允许多颗卫星同步与地面站点进行通信，增加了系统的传输能力。上述关键技术的突破将显著提高轨道交通系统的整体性能［4］。

4.2 数据处理与传输技术创新方案

在当今海量的卫星信息传送中，如何进行有效的信息处理和传送是一个关键问题。一种重要的方法就是将无损与有损的编码方法相融合，以提高编码效率。通过对网络中的数据特征进行实时地分析，结合相应的网络编码策略，可以有效地减少网络中的传输时延，有效地提升网络的传输效率。本项目提出了一种切实可行的、具有创新性的解决方法，可以有效地解决大型卫星在高速率数据处理与传输等方面的问题。

另外，使用UDP实时通信，不仅传输时延较低，还可以实现较高的实时数据传送速度。在对地面观测、气象监控等要求较高的应用场景中，采用UDP协议这种快速、有效的通信方式，可以保证卫星信息的即时传送。研究人员可以通过错误更正与丢失修复等技术，提升通信的稳定与可靠度，保证卫星通信能够高效地传送数据信息。

4.3 系统集成与协同优化方案

在未来的高、低轨道卫星通信中，为了提高整个系统的综合效能，需要进行多个系统的综合协调和协同优化。首先，必须对其进行智能控制与调度。这就要求该系统可以对通信及数据处理过程中各个部分的运行状况进行实时监测，可以随应用要求而作出相应的调整。比如：在通信请求急剧增加或者某个数据处理节点负载过重等情况下，该平台可以进行资源再配置，从而保证了整个网络的稳定与高效。系统通过对业务负荷的实时监测与调节，实现对业务负荷的动态调节。

为了使各子系统之间能够有效地整合，必须使用开放的界面与规范的通信协议。使用统一的通信协定及公开的规范，使各子系统之间的通信与数据交互更为流畅。该方法既能增强软件的柔性、可维护性，又能减少集成的复杂性。目前，各厂家生产的产品及系统易于与卫星通信系统相结合，具有较强的兼容性［5］。

本研究有望推动我国卫星通信技术向更高层次发展。对业务进行智能化的管理与柔性的资源分配，实现了业务负荷与工作环境的有效匹配。而开放的接口与规范的使用，推动了科技革新与装备升级。本研究为我国卫星通信的发展提供新的思路和方法。

5 结语

在分析了我国目前的发展态势和我国高、低轨道卫星融合的意义之后，随着我国航天事业的快速发展，我国的航天事业将面临巨大的挑战。在满足日趋复杂的应用需求方面，高、低轨道融合技术具有广阔的应用前景。本文分析了这些问题，为提高卫星系统的柔性与综合效能提供了一个新的思路。项目研究结果将在我国航天科技发展中发挥重要作用，为其他学科的科学研究与应用奠定基础。这既是对以往卫星技术发展历程的一个概括，也是对其前景的一种积极预测，对科学技术的发展与社会的发展具有一定的借鉴意义。

参考文献

［1］王瑜.高预紧低密度支护技术与掘锚护一体机的应用实践［J］.山东煤炭科技，2022（6）：156-158.

［2］郑纬.基于本体论的智能化一键制图关键技术研究与应用［J］.中国航班，2022（4）：158-161.

［3］王文海.安全一体化智能控制设备的关键技术研究与装备研制应用［J］.科技成果管理与研究，2021（2）：85-86.

［4］杨阳.机电一体化技术在电梯中的应用研究与实践［J］.机电信息，2020（14）：24-25.

［5］黄文.《单片机技术应用》课程一体化教学的探索与实践［J］.科技风，2019（8）：51-52.

（编辑 王永超）

Key technologies and practices for integrated and coordinated application of high and low orbit satellites

ZHANG  Liang

（The 54th Research Institute of CETC， Shijiazhuang 050000， China）

Abstract：  According to the main problems of cooperative work of high and low orbit satellites in China， the paper makes a thorough study， and its development goals are clearly defined. This study focuses on the complexity analysis of high and low orbit fusion problems. In the research process， the author will focus on improving the comprehensive efficiency of the whole satellite， promoting the development of satellite communication， and solve the above problems from the technical level. The results show that the fusion of high and low orbits is important for improving system performance and solving technical difficulties. The research results of this project will lay a theoretical foundation for the application of in-orbit satellite technology in communication networks in China.

Key words： satellite system; development trend; high and low orbit satellite integration; technical challenge