低軌衛(wèi)星組網(wǎng)設(shè)計(jì)

1、1概述衛(wèi)星星座是指由多顆衛(wèi)星按照一定規(guī)則和形狀構(gòu)成的可提供一定覆蓋性能的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，是多顆衛(wèi)星進(jìn)行協(xié)同工作的基本形式。 衛(wèi)星星座結(jié)構(gòu)會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū) 域、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和系統(tǒng)成本等。傳統(tǒng)的同步軌道衛(wèi)星軌道高、鏈路損耗大，對(duì)地面 終端的EIRP和接收天線的G/T值要求過(guò)高，難以實(shí)現(xiàn)手持機(jī)與衛(wèi)星直接進(jìn)行 通信；而低軌衛(wèi)星由于鏈路損耗小，降低了對(duì)用戶終端EIRP和G/T值的要求，可支持地面小型終端與衛(wèi)星的直接通信，有利于信息的實(shí)時(shí)傳輸。現(xiàn)代通信的發(fā)展要求衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)具有全球通信能力。低軌衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球覆蓋所需的衛(wèi)星 數(shù)目 較多（Iridium系統(tǒng)66顆星），系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本很高，對(duì)于我國(guó)這樣的發(fā)展中國(guó) 家要在短

2、期內(nèi)構(gòu)建全球性低 軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，無(wú)論是在經(jīng)濟(jì)上還是在技術(shù)上都 存在較大困難。因此，在預(yù)期星座的整體構(gòu)型下，通過(guò)設(shè)計(jì)和篩選，合理部署少 數(shù)衛(wèi)星以滿足當(dāng)前任務(wù)和需求，并在今后發(fā)展中通過(guò)不斷發(fā)射新衛(wèi)星進(jìn)行補(bǔ)網(wǎng)， 最終實(shí)現(xiàn)星座的預(yù)期覆蓋和通信能力，是我國(guó)衛(wèi)星通信發(fā)展的一條可行之路。2星座參數(shù)設(shè)計(jì)2.1 軌道設(shè)計(jì)橢圓軌道多用于區(qū)域性覆蓋，但軌道傾斜角必須為63.4。（為了避免拱點(diǎn)漂移），這對(duì)中低緯度地區(qū)的覆蓋十分不利，而圓軌道的傾斜角可在0°90 °。之間任意選擇?？紤]我國(guó)所處緯度范圍為北緯4。540之間，星座設(shè)計(jì)宜應(yīng)采用傾斜圓軌道。軌道高度選擇主要是系統(tǒng)所需衛(wèi)星數(shù)目與地面終端EI

3、RP和G/T值的折衷。同時(shí)，軌道高度的選擇還需考慮地球大氣層和范阿倫帶兩個(gè)因素的影響，通常認(rèn)為L(zhǎng)EO衛(wèi)星的可用軌道高度為7002 000 km。2.2 衛(wèi)星周期設(shè)計(jì)為了便于衛(wèi)星軌道控制，通常選擇使用回歸軌道，即衛(wèi)星運(yùn)行周期與地球自轉(zhuǎn)周期成整數(shù)比。衛(wèi) 星運(yùn)行周期與地球自轉(zhuǎn)周期關(guān)系如下式所示：TsTe %(1)式中，k、n為整數(shù)，Ts為衛(wèi)星運(yùn)行周期，Te為地球自轉(zhuǎn)周期，且Te=86 164 s。根據(jù)開普勒定理，可得衛(wèi)星周期 Ts(單位s內(nèi)軌道高度h關(guān)系如下：Ts 2Re h 3(2) 32式中，地球半徑Re=6 378.137 km ,開普勒常數(shù)39860198Km ; s 。取k=2 ,n=25

4、,可得衛(wèi)星周期 Ts=6893 s,軌道高度h=1450 km。2.3星座相位關(guān)系設(shè)計(jì)星座相位關(guān)系的確定是指確定衛(wèi)星在星群中的位置，它包括軌道傾角、軌道平面的布置、同一平面 內(nèi)衛(wèi)星的位置和相鄰軌道衛(wèi)星的相對(duì)位置關(guān)系。通常，為了 使衛(wèi)星具有最大的均勻覆蓋特性，同一軌道平面內(nèi)的衛(wèi)星應(yīng)均勻分布，即相鄰衛(wèi)星的相位差應(yīng) 滿足360/m, m為該軌道平面內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)量。對(duì)于不同軌道 平面內(nèi)衛(wèi)星，相對(duì)相位角的不同會(huì)使星座 的覆蓋特性相差甚遠(yuǎn)。 根據(jù)立體幾何 的關(guān)系，推導(dǎo)出兩個(gè)星下點(diǎn)(衛(wèi)星與地心連線和地面的交點(diǎn))之間的距離d的公 式如下：222，、2d Re arccos 2 sin cos 1sin 12 s

5、in 2 2 sin 1cos 2. 2式中，1、 2為兩星下點(diǎn)的緯度，妒為兩星下點(diǎn)經(jīng)度差的絕對(duì)值。相對(duì)相角優(yōu) 化算法準(zhǔn)則是使星下點(diǎn)間的最小距離最大化。3覆蓋分析為了研究方便，假定衛(wèi)星對(duì)地球的覆蓋是對(duì)準(zhǔn)地心的且只有一個(gè)大波束。圓軌道時(shí)單顆衛(wèi)星對(duì)地覆蓋幾何關(guān)系如圖1所示。圖1圓軌道衛(wèi)星覆蓋幾何關(guān)系示意圖其中，系統(tǒng)觀察點(diǎn)的仰角：h Re ?cos -ReE arctanh Re ?sin覆蓋區(qū)半徑：X Re?sin當(dāng)衛(wèi)星高度較低時(shí)，如果仍保持較大的仰角，則單顆衛(wèi)星的覆蓋范圍將大大減小。雖然小仰角時(shí)電 波的傳輸衰落大從而需要較大的系統(tǒng)余量，但是由于衛(wèi)星 高度低，鏈路相應(yīng)較短，傳播損耗本身比較小，系統(tǒng)

6、提供較大余量并不存在特別的困難，因此可以適當(dāng)減小系統(tǒng)的最小仰角以增大衛(wèi)星的覆蓋范圍。通常規(guī)定系統(tǒng)的最小仰角為10°左右。4星座設(shè)計(jì)方案4.1 連續(xù)覆蓋低軌衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)方案綜合考慮星座設(shè)計(jì)的上述因素后， 假定低軌衛(wèi)星星座共由3個(gè)軌道平面構(gòu)成，軌道高度1450 km,利用相位優(yōu)化準(zhǔn)則及STK仿真研究可得，相鄰軌道之間衛(wèi)星的最佳相位差為14.5° ,假定星座覆蓋目標(biāo)為包括我國(guó)全部海域及其周邊區(qū)域在內(nèi)的中低緯度地區(qū)。表1列出了不同軌道傾角時(shí)星座設(shè)計(jì)方案與其覆蓋特性統(tǒng)計(jì)。參數(shù)方案軌道高度/km軌道平回?cái)?shù)衛(wèi)星總數(shù)軌道傾角/(°)-45 -45 0覆蠱舉-50 50 °

7、;覆蠱舉-55°55 ° 覆蠱舉方案A14503243010010099.05方案B145032438100100100方案8999.6399.90方案2699.1999.80表1不同低軌星座方案及覆蓋統(tǒng)計(jì)由表可知，方案B的覆蓋性能最優(yōu)，能夠滿足 對(duì)中低緯度地區(qū)的完全連續(xù)覆蓋 通過(guò)仿真還可以發(fā)現(xiàn)，方案 B有較大的系統(tǒng)余量，即當(dāng)設(shè)定系統(tǒng)最小仰角大于50時(shí)，該星座對(duì)于指定緯度地區(qū)仍有良好的覆盞陛能，能夠滿足實(shí)時(shí)通信的要 求。4.2 區(qū)域覆蓋型星座設(shè)計(jì)4.2.1 背景假定遠(yuǎn)程指揮控制與通信保障能力是影響和制約軍隊(duì)作戰(zhàn)半徑和作戰(zhàn)能

8、力的重要因素。傳統(tǒng)的地面通信手段受地理環(huán)境限制較大，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)通信距離的有效擴(kuò)展，相反，衛(wèi)星通信由于不受地理?xiàng)l件的制約， 可以作為擴(kuò)展通信保障半徑的重要手段。在當(dāng)前我國(guó)周邊的復(fù)雜形勢(shì)下，現(xiàn)有的地面通信手段無(wú)法滿足在敏感區(qū)域行動(dòng)的需求，而靜止軌道衛(wèi)星又難以實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)傳遞，因此，在衛(wèi)星通 信的階段性發(fā)展中應(yīng)首先解決敏感區(qū)域內(nèi)的通信問(wèn)題， 為有效擴(kuò)展作戰(zhàn)半徑和作戰(zhàn)指揮提供通信保障。4.2.2 非連續(xù)單星均勻覆蓋方案設(shè)計(jì)結(jié)合方案B,假定第一階段發(fā)射4顆衛(wèi)星，軌道 高度為1 450 km,軌道傾角38°衛(wèi)星平均分布在2個(gè)軌道平面上，軌道平面開交點(diǎn)赤經(jīng)相差120°。要求星座能夠以一

9、定時(shí)間問(wèn)隔實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的定時(shí)覆蓋。通過(guò)仿真研究，各衛(wèi)星軌道參數(shù)設(shè)置如表2所示。軌道參數(shù)衛(wèi)星軌道圖度/km軌道傾角/()升交點(diǎn)赤經(jīng)/()近地點(diǎn)輻角/()Sat1145038090Sat21450380270Sat314503812060Sat4145038120240表2衛(wèi)星軌道參數(shù)設(shè)置假定目標(biāo)區(qū)域是以我國(guó)某地為中心、半徑為2 000 km的圓形區(qū)域，利用STKM一個(gè)周期(48 h)內(nèi)星座對(duì)目標(biāo)區(qū)域的覆蓋特性進(jìn)行仿真統(tǒng)計(jì)，結(jié)果可得：星座可以在平均每45 min內(nèi)完成對(duì)目標(biāo)區(qū)域的一次覆蓋，每次覆蓋時(shí)間約為1020 min,星座在5: 3011: 30時(shí)間段內(nèi)覆蓋尤為集中。事實(shí)上，可以通過(guò)改變衛(wèi)星

10、的近地點(diǎn)輻角來(lái)調(diào)整衛(wèi)星集中 覆蓋所對(duì)應(yīng)的時(shí)間區(qū)間，從而滿足實(shí)案B的要需要。同時(shí)在后期的發(fā)展中，只需調(diào)整衛(wèi)星的相位關(guān)系即可滿足方 求，具有良好的可擴(kuò)展性。4.2.3 連續(xù)覆蓋星座設(shè)計(jì)方案在4. 2. 2節(jié)所設(shè)計(jì)的方案中，由于單顆衛(wèi)星過(guò)頂?shù)臅r(shí)間較短(一月殳1020 min), 很難滿足大業(yè)務(wù)量信息的傳輸要求，因此，設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域較長(zhǎng)時(shí)間覆蓋的衛(wèi)星星座具有較大現(xiàn)實(shí)意義。由于4顆衛(wèi)星不可能完成對(duì)目標(biāo)區(qū)域的實(shí)時(shí)連續(xù)覆蓋，為了盡可能增加星座每次覆蓋時(shí)間，設(shè)定 4顆衛(wèi)星分布在同一軌道平面上，通過(guò)調(diào)整衛(wèi)星的近地點(diǎn)輻角差值使衛(wèi)星能夠?qū)崿F(xiàn)前后協(xié)同，從而延長(zhǎng)每次覆蓋時(shí)間。各衛(wèi)星參數(shù)設(shè)置如表3所示。軌道參數(shù)衛(wèi)

11、星軌道圖度/km軌道傾角/()升交點(diǎn)赤經(jīng)/()近地點(diǎn)輻角/()Sat114503812060Sat214503812020Sat3145038120340Sat4145038120300表3衛(wèi)星參數(shù)設(shè)置目標(biāo)區(qū)域不變，通過(guò)仿真，可知：星座可以在一天內(nèi)完成對(duì)目標(biāo)區(qū)域的 7次覆蓋, 每次覆蓋時(shí)間約80 min,可以實(shí)現(xiàn)較大業(yè)務(wù)量的信息傳輸，星座同樣存在覆蓋 集中時(shí)間區(qū)間，通過(guò)調(diào)整衛(wèi)星的有關(guān)參數(shù)可以改變集中覆蓋所對(duì)應(yīng)的時(shí)間區(qū)間。與4.2.2節(jié)中方案相比，該星座對(duì)目標(biāo)區(qū)域的覆蓋次數(shù)大大減少，并且存在一定 的覆蓋空白區(qū)。但是由于每次過(guò)頂時(shí)間較長(zhǎng)，可以滿足大業(yè)務(wù)量信息的不間斷實(shí)時(shí)傳輸。 經(jīng)過(guò)對(duì)上述兩種方案的

12、對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，連續(xù)覆蓋星座設(shè)計(jì)方案在實(shí)際通信中可以滿足信息的實(shí)時(shí)與大量傳輸，對(duì)于軍隊(duì)作戰(zhàn)半徑的擴(kuò)展和保障需求 較為有利，具有較大的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。5系統(tǒng)傳輸技術(shù)體制5.1 調(diào)制方式本系統(tǒng)采用冗/4-QPSK調(diào)制機(jī)制QPSK（Quadrature Phase Shift Keying）正交相移鍵控，是一種數(shù)字調(diào)制方式。在數(shù) 字信號(hào)的調(diào)制方式中 QPSK四相移鍵控是目前最常用的一種衛(wèi)星數(shù)字信號(hào)調(diào)制 方式,它具有較高的頻譜利用率、較強(qiáng)的抗干擾性、在電路上實(shí)現(xiàn)也較為簡(jiǎn)單。但 是，當(dāng)QPSK進(jìn)行脈沖成形（信號(hào)發(fā)送前的濾波，減小信號(hào)問(wèn)干擾，將信號(hào)通過(guò) 設(shè)定濾波器實(shí)現(xiàn)）時(shí)，將會(huì)失去恒包絡(luò)性質(zhì)，偶爾發(fā)生的

13、弧度為冗的相移（當(dāng)碼組0011或0110時(shí)，產(chǎn)生180°的載波相位跳變），會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的包絡(luò)在瞬時(shí) 通過(guò)零點(diǎn)。任何一種在過(guò)零點(diǎn)的硬限幅或非線性放大， 都將由于信號(hào)在低電壓時(shí) 的失真而在傳輸過(guò)程中帶來(lái)已被濾除的旁瓣。為了防止旁瓣再生和頻譜擴(kuò)展，必須使用效率較低的線性放大器來(lái)放大 QPSK信號(hào)。OQPSK是在QPSK基礎(chǔ)上發(fā) 展起來(lái)的一種恒包絡(luò)數(shù)字調(diào)制技術(shù)。消除 180°的相位跳變。恒包絡(luò)技術(shù)所產(chǎn)生 的已調(diào)波經(jīng)過(guò)發(fā)送帶限后，當(dāng)通過(guò)非線性部件時(shí)，只產(chǎn)生很小的頻譜擴(kuò)展。這種 形式的已調(diào)波具有兩個(gè)主要特點(diǎn)，其一是包絡(luò)恒定或起伏很??；其二是已調(diào)波頻 譜具有高頻快速滾降特性，或者說(shuō)已調(diào)波旁

14、瓣很小，甚至幾乎沒(méi)有旁瓣。它與QPSK有同樣的相位關(guān)系，也是把輸入碼流分成兩路，然后進(jìn)行正交調(diào)制。不同 點(diǎn)在于它將同相和正交兩支路的碼流在時(shí)間上錯(cuò)開了半個(gè)碼元周期。由于兩支路碼元半周期的偏移，每次只有一路可能發(fā)生極性翻轉(zhuǎn)，不會(huì)發(fā)生兩支路碼元極性 同時(shí)翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。因此，OQPSK信號(hào)相位只能跳變0°、±90° ,不會(huì)出現(xiàn)180° 的相位跳變。本系統(tǒng)采用 冗/4-QPSK調(diào)制，它是OQPSK和QPSK的折中，比 PQSK有更好的包絡(luò)性質(zhì)，它能夠非相干解調(diào)，使接收機(jī)設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化，在多徑 擴(kuò)展和衰落的情況下，兀/4-QPSK調(diào)制性能更好。5.2 多址接入方式OF

15、DMA: OFDM正交頻分復(fù)用結(jié)合CDMA碼分多址OFDM將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號(hào)可以通過(guò)在接收端采用相關(guān)技術(shù)來(lái)分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾ICI o每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道上的可以看成平坦性衰落， 從而可以消除符號(hào)間干擾。而且由于每個(gè)子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對(duì)容易。OFDM可以結(jié)合分集，時(shí)空編碼，干擾和信道間干擾抑制技術(shù)， 最大限度的提高了系統(tǒng)性能。OFDM中的各個(gè)載波是相互正交的，每個(gè)載波在一 個(gè)符號(hào)時(shí)間內(nèi)有整數(shù)個(gè)載波周期，每個(gè)載波的頻譜零

16、點(diǎn)和相鄰載波的零點(diǎn)重疊，這樣便減小了載波間的干擾。由于載波間有部分重疊，所以它比傳統(tǒng)的FDMA頻分多址技術(shù)提高了頻帶利用率。但OFDM本身不具有多址能力，需要和其他的多址技術(shù)，如TDMA、CDMA、FDMA等結(jié)合實(shí)現(xiàn)多址，本系統(tǒng)采用 OFDM正交頻分復(fù)用結(jié)合CDMA碼分多址。6信道申請(qǐng)及信道分配系統(tǒng)的地面站負(fù)責(zé)將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接入到世界各地的地面網(wǎng)絡(luò)或?qū)⒌孛婢W(wǎng)絡(luò)接入到 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。在三個(gè)地點(diǎn)設(shè)置地面站（即信關(guān)站，有交換和網(wǎng)絡(luò)管理功能，同時(shí)用 于與地面通信網(wǎng)接口），分別在印度尼西亞、菲律賓、泰國(guó)。本系統(tǒng)沒(méi)有星際鏈 路且無(wú)交換功能，信關(guān)站還負(fù)責(zé)路由分配功能。系統(tǒng)中控制中心（均設(shè)在印尼巴 登島）包括地面控制

17、中心（GCC）和衛(wèi)星控制中心（SC。，各信關(guān)站通過(guò)數(shù)據(jù) 網(wǎng)將傳輸監(jiān)控和狀態(tài)數(shù)據(jù)送到 GCC和SCC,它們分別對(duì)地面信關(guān)站和空間衛(wèi)星 進(jìn)行監(jiān)控。GCC為信關(guān)站制定通信計(jì)劃，控制分配給每個(gè)信關(guān)站的衛(wèi)星資源， 實(shí)現(xiàn)信道申請(qǐng)和信道分配。信道分配方式：動(dòng)態(tài)信道分配。信道動(dòng)態(tài)分配分為2個(gè)階段：第1階段是呼叫接 入的信道選擇，采用慢速 DCA,主要是進(jìn)行各個(gè)小區(qū)間的資源分配，根據(jù)一定 區(qū)域內(nèi)的業(yè)務(wù)量以及小區(qū)的干擾情況為每個(gè)小區(qū)分配上下行的資源。;第2階段是呼叫接入后為保證業(yè)務(wù)傳輸質(zhì)量而進(jìn)行的信道重選，采用快速DCA, 快速DCA是根據(jù)RU遠(yuǎn)程單元為承載分配載頻，時(shí)隙和碼道。通過(guò)一定的準(zhǔn)則 對(duì)小區(qū)信道資源進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，例如根據(jù)載波負(fù)荷，各個(gè)時(shí)隙內(nèi)的剩余碼道數(shù) 目，時(shí)隙內(nèi)的干擾，或根據(jù)接入用戶的空間位置分布等，為用戶分配最優(yōu)的頻率， 時(shí)隙和碼道。本系統(tǒng)根據(jù)各個(gè)時(shí)隙內(nèi)的剩余碼