低軌衛(wèi)星組網(wǎng)設計VIP

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，是多顆衛(wèi)星進行協(xié)同工作的基本形式。衛(wèi)星星座結(jié)構(gòu)會影響網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域、網(wǎng)絡時延和系統(tǒng)成本等。傳統(tǒng)的同步軌道衛(wèi)星軌道高、鏈路損耗大，對地面終端的 EIRP和接收天線的GT值要求過高，難以實現(xiàn)手持機與衛(wèi)星直接進行通信；而低軌衛(wèi)星由于鏈路損耗小，降低了對用戶終端EIRP和GT值的要求，可支持地面小型終端與衛(wèi)星的直接通信，有利于信息的實時傳輸。 現(xiàn)代通信的發(fā)展要求衛(wèi)星通信系統(tǒng)應具有全球通信能力。低軌衛(wèi)星實現(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)實現(xiàn)成本很高，對于我國這樣的發(fā)展中國家要在短期內(nèi)構(gòu)建全球性低 軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，無論是在經(jīng)濟上還是在技術(shù)上都 存在較大困難。因此，在預期星座的整體構(gòu)型下，通過設計和篩選，合理部署少數(shù)衛(wèi)星以滿足當前任務 和需求，并在今后發(fā)展中通過不斷發(fā)射新衛(wèi)星進行補網(wǎng)，最終實現(xiàn)星座的預期覆蓋和通信能力，是我國衛(wèi)星通信發(fā)展的一條可行之路。 2星座參數(shù)設計2.1軌道設計 橢圓軌道多用于區(qū)域性覆蓋，但軌道傾斜角必須為63.4(為了避免拱點漂移)，這對中低緯度地區(qū)的覆蓋十分不利，而圓軌道的傾斜角可在090。 之間任意選擇?？紤]我國所處緯度范圍為北緯4 54之間，星座設計宜應采用傾斜圓軌道。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EIRP和GT值的折衷。同時，軌道高度的選擇還需考慮地球大氣層和范阿倫帶兩個因素的影響，通常認為LEO衛(wèi)星的可用軌道高度為7002 000 km。2.2衛(wèi)星周期設計為了便于衛(wèi)星軌道控制，通常選擇使用回歸軌道，即衛(wèi)星運行周期與地球自轉(zhuǎn)周期成整數(shù)比。衛(wèi) 星運行周期與地球自轉(zhuǎn)周期關系如下式所示： (1) 式中，k、n為整數(shù)，Ts為衛(wèi)星運行周期，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)與軌道高度h關系如下： （2）式中，地球半徑Re=6 378.137 km，開普勒常數(shù)。取k=2，n=25，可得衛(wèi)星周期 Ts=6893 s，軌道高度h=1450 km。2.3星座相位關系設計星座相位關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)星的相對位置關系。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)星應均勻分布，即相鄰衛(wèi)星的相位差應 滿足360m，m為該軌道平面內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)量。對于不同軌道平面內(nèi)衛(wèi)星，相對相位角的不同會使星座 的覆蓋特性相差甚遠。 根據(jù)立體幾何的關系，推導出兩個星下點(衛(wèi)星與 地心連線和地面的交點)之間的距離d的公式如下： 式中，、為兩星下點的緯度，妒為兩星下點經(jīng)度差的絕對值。相對相角優(yōu)化算法準則是使星下點間的最小距離最大化。3覆蓋分析為了研究方便，假定衛(wèi)星對地球的覆蓋是對準地心的且只有一個大波束。圓軌道時單顆衛(wèi)星對地覆蓋幾何關系如圖1所示。d觀察點觀察點地平線EH+ReX星下點ORe 圖1 圓軌道衛(wèi)星覆蓋幾何關系示意圖 其中，系統(tǒng)觀察點的仰角： 覆蓋區(qū)半徑：當衛(wèi)星高度較低時，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，鏈路相應較短，傳播損耗本身比較小，系統(tǒng)提供較大余量并不存在特別的困難，因此可以適當減小系統(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星座設計方案4.1連續(xù)覆蓋低軌衛(wèi)星星座設計方案綜合考慮星座設計的上述因素后，假定低軌衛(wèi)星星座共由3個軌道平面構(gòu)成，軌道高度1450 km，利用相位優(yōu)化準則及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，假定星座覆蓋目標為包括我國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星座設計方案與其覆蓋特性統(tǒng)計。 參數(shù)方案軌道高度/km軌道平面數(shù)衛(wèi)星總數(shù)軌道傾角/()-4545覆蓋率-5050覆蓋率-5555覆蓋率方案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 由表可知，方案B的覆蓋性能最優(yōu)，能夠滿足 對中低緯度地區(qū)的完全連續(xù)覆蓋。通過仿真還可以發(fā)現(xiàn)，方案B有較大的系統(tǒng)余量，即當設定系統(tǒng)最小仰角大于50時，該星座對于指定緯度地區(qū)仍有良好的覆盞陛能，能夠滿足實時通信的要求。4.2區(qū)域覆蓋型星座設計4.2.1背景假定 遠程指揮控制與通信保障能力是影響和制約軍隊作戰(zhàn)半徑和作戰(zhàn)能力的重要因素。傳統(tǒng)的地面通 信手段受地理環(huán)境限制較大，難以實現(xiàn)對通信距離 的有效擴展，相反，衛(wèi)星通信由于不受地理條件的制約，可以作為擴展通信保障半徑的重要手段。 在當前我國周邊的復雜形勢下，現(xiàn)有的地面通信手段無法滿足在敏感區(qū)域行動的需求，而靜止軌道衛(wèi)星又難以實現(xiàn)信息的實時傳遞，因此，在衛(wèi)星通信的階段性發(fā)展中應首先解決敏感區(qū)域內(nèi)的通信問題，為有效擴展作戰(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計 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個軌道平面上，軌道平面升交點赤經(jīng)相差120。要求星座能夠以一定時間間隔實現(xiàn)對目標區(qū)域的定時覆蓋。 通過仿真研究，各衛(wèi)星軌道參數(shù)設置如表2所示。 軌道參數(shù)衛(wèi)星軌道高度/km軌道傾角/()升交點赤經(jīng)/()近地點輻角/()Sat1145038090Sat21450380270Sat314503812060Sat4145038120240 表2 衛(wèi)星軌道參數(shù)設置 假定目標區(qū)域是以我國某地為中心、半徑為 2 000 km的圓形區(qū)域，利用STK對一個周期(48 h)內(nèi) 星座對目標區(qū)域的覆蓋特性進行仿真統(tǒng)計，結(jié)果可得：星座可以在平均每45 min內(nèi)完成對目 標區(qū)域的一次覆蓋，每次覆蓋時間約為1020 min，星座在5：3011：30時間段內(nèi)覆蓋尤為集中。事實上，可以通過改變衛(wèi)星的近地點輻角來調(diào)整衛(wèi)星集中 覆蓋所對應的時間區(qū)間，從而滿足實際需要。同時在后期的發(fā)展中，只需調(diào)整衛(wèi)星的相位關系即可滿足方 案B的要求，具有良好的可擴展性。 4.2.3連續(xù)覆蓋星座設計方案 在422節(jié)所設計的方案中，由于單顆衛(wèi)星過頂?shù)臅r間較短(一般1020 min)，很難滿足大業(yè)務量信息的傳輸要求，因此，設計能夠?qū)崿F(xiàn)對目標區(qū)域 較長時間覆蓋的衛(wèi)星星座具有較大現(xiàn)實意義。由于4顆衛(wèi)星不可能完成對目標區(qū)域的實時連續(xù)覆蓋， 為了盡可能增加星座每次覆蓋時間，設定4顆衛(wèi)星分布在同一軌道平面上，通過調(diào)整衛(wèi)星的近地點輻角差值使衛(wèi)星能夠?qū)崿F(xiàn)前后協(xié)同，從而延長每次覆 蓋時間。各衛(wèi)星參數(shù)設置如表3所示。 軌道參數(shù)衛(wèi)星軌道高度/km軌道傾角/()升交點赤經(jīng)/()近地點輻角/()Sat114503812060Sat214503812020Sat3145038120340Sat4145038120300 表3衛(wèi)星參數(shù)設置 目標區(qū)域不變，通過仿真，可知：星座可以在一天內(nèi)完成對目標區(qū)域的7次覆蓋，每次覆蓋時間約80 min，可以實現(xiàn)較大業(yè)務量的信息傳輸，星座同樣存在覆蓋集中時間區(qū)間，通過調(diào)整衛(wèi)星的有關參數(shù)可以改變集中覆蓋所對應的時間區(qū)間。與4.2.2節(jié)中方案相比，該星座對目標區(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)。但是由于每次過頂時間較長，可以滿足大業(yè)務量信息的不間斷實時傳輸。 經(jīng)過對上述兩種方案的對比可以發(fā)現(xiàn)，連續(xù)覆蓋星座設計方案在實際通信中可以滿足信息的實時與大量傳輸，對于軍隊作戰(zhàn)半徑的擴展和保障需求 較為有利，具有較大的實用價值和應用價值。5系統(tǒng)傳輸技術(shù)體制5.1調(diào)制方式本系統(tǒng)采用4-QPSK調(diào)制機制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)字信號調(diào)制方式,它具有較高的頻譜利用率、較強的抗干擾性、在電路上實現(xiàn)也較為簡單。 但是，當QPSK進行脈沖成形（信號發(fā)送前的濾波，減小信號間干擾，將信號通過設定濾波器實現(xiàn)）時，將會失去恒包絡性質(zhì)，偶爾發(fā)生的弧度為的相移（當碼組0011或0110時，產(chǎn)生180的載波相位跳變），會導致信號的包絡在瞬時通過零點。任何一種在過零點的硬限幅或非線性放大，都將由于信號在低電壓時的失真而在傳輸過程中帶來已被濾除的旁瓣。為了防止旁瓣再生和頻譜擴展，必須使用效率較低的線性放大器來放大QPSK信號。OQPSK是在QPSK基礎上發(fā)展起來的一種恒包絡數(shù)字調(diào)制技術(shù)。消除180的相位跳變。恒包絡技術(shù)所產(chǎn)生的已調(diào)波經(jīng)過發(fā)送帶限后，當通過非線性部件時，只產(chǎn)生很小的頻譜擴展。這種形式的已調(diào)波具有兩個主要特點，其一是包絡恒定或起伏很??；其二是已調(diào)波頻譜具有高頻快速滾降特性，或者說已調(diào)波旁瓣很小，甚至幾乎沒有旁瓣。它與QPSK有同樣的相位關系，也是把輸入碼流分成兩路，然后進行正交調(diào)制。不同點在于它將同相和正交兩支路的碼流在時間上錯開了半個碼元周期。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)，不會發(fā)生兩支路碼元極性同時翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。因此，OQPSK信號相位只能跳變0、90，不會出現(xiàn)180的相位跳變。本系統(tǒng)采用4-QPSK調(diào)制，它是OQPSK和QPSK的折中，比PQSK有更好的包絡性質(zhì)，它能夠非相干解調(diào)，使接收機設計大大簡化，在多徑擴展和衰落的情況下，4-QPSK調(diào)制性能更好。5.2多址接入方式OFDMA：OFDM正交頻分復用結(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)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾 ICI 。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此每個子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。OFDM可以結(jié)合分集，時空編碼，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中的各個載波是相互正交的，每個載波在一個符號時間內(nèi)有整數(shù)個載波周期，每個載波的頻譜零點和相鄰載波的零點重疊，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)合實現(xiàn)多址，本系統(tǒng)采用OFDM正交頻分復用結(jié)合CDMA碼分多址。6信道申請及信道分配系統(tǒng)的地面站負責將衛(wèi)星網(wǎng)絡接入到世界各地的地面網(wǎng)絡或?qū)⒌孛婢W(wǎng)絡接入到衛(wèi)星網(wǎng)絡。在三個地點設置地面站（即信關站，有交換和網(wǎng)絡管理功能，同時用于與地面通信網(wǎng)接口），分別在印度尼西亞、菲律賓、泰國。本系統(tǒng)沒有星際鏈路且無交換功能，信關站還負責路由分配功能。系統(tǒng)中控制中心（均設在印尼巴登島）包括地面控制中心（GCC）和衛(wèi)星控制中心（SCC），各信關站通過數(shù)據(jù)網(wǎng)將傳輸監(jiān)控和狀態(tài)數(shù)據(jù)送到GCC和SCC，它們分別對地面信關站和空間衛(wèi)星進行監(jiān)控。GCC為信關站制定通信計劃，控制分配給每個信關站的衛(wèi)星資源，實現(xiàn)信道申請和信道分配。信道分配方式：動態(tài)信道分配。信道動態(tài)分配分為2個階段：第1階段是呼叫接入的信道選擇，采用慢速DCA，主要是進行各個小區(qū)間的資源分配，根據(jù)一定區(qū)域內(nèi)的業(yè)務量以及小區(qū)的干擾情況為每個小區(qū)分配上下行的資源。；第2階段是呼叫接入后為保證業(yè)務傳輸質(zhì)量而進行的信道重選，采用快速DCA，快速DCA是根據(jù)RU遠程單元為承載分配載頻，時隙和碼道。通過一定的準則對小區(qū)信道資源進行優(yōu)先級排序，例如根據(jù)載波負荷，各個時隙內(nèi)的剩余碼道數(shù)目，時隙內(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，時隙和碼道。本系統(tǒng)根據(jù)各個時隙內(nèi)的剩余碼道數(shù)目對小區(qū)