基于中轨卫星的“智慧天网”星座设计与覆盖性及可见性分析.pdf

2023 年第 9 期48计算机应用信息技术与信息化基于中轨卫星的“智慧天网”星座设计与覆盖性及可见性分析李沁芮1LI Qinrui 摘要 基于卫星网络通信发展迅速且迫切的背景下，对中轨卫星星座网络“智慧天网”概念进行了研究，基于“智慧天网”卫星星座网络模型，探讨了其参数设计及覆盖性分析。通过对中轨卫星网络的分析，确定了星座的基本构型、星间链路以及各项参数取值范围，以确保星座合理性；利用 STK 仿真平台，确定了波束锥半角对星座通信范围和覆盖范围的影响，以达到星座全球全时段全覆盖的目标；同时，为保证卫星通信的稳定性和可靠性，对代表城市北京与“智慧天网”卫星网络进行了可见性分析。最后实验表明，当卫星传感器波束锥半角在一定范围内，“智慧天网”卫星星座可以提供全球全时段全覆盖通信，并可在同时刻提供多条通信渠道。关键词 卫星通信；智慧天网；中轨卫星网络；星座设计；卫星覆盖性分析；卫星可见性分析 doi：10.3969/j.issn.1672-9528.2023.09.0101.西南交通大学 四川成都 6117560 引言在过去的几十年里，蜂窝通信的快速发展1引发了用户对高数据速率应用日益增长的需求2-4，尤其自俄乌冲突爆发后，SpaceX 的项目“星链”计划表现非凡，广域覆盖范围、高速宽带通信能力、高可靠性、多接入方式以及网络覆盖范围扩展等多个优势使卫星网络通信成为一种重要的通信手段，在海上、航空、野外探险、灾害救援以及全球全天无缝侦察和监视等场景中发挥着重要作用5，同时频轨资源稀缺，具有排他性与不可再生性，在频谱资源掠夺方面的竞争十分激烈。相较于 LEO 卫星，MEO 卫星的轨道高度较高，相对地球的视野更广，可以实现更大范围的通信覆盖，同时所需数目少，成本较低，寿命较长，可以提供廉价、持续的通信信道6-8，故而在此种背景下由清华大学联办，清申科技所提出的 MEO 卫星星座“智慧天网”应运而生。以全覆盖为目标，支持少部分用户使用，主要用于远洋渔业、极地科考等使用场景，在中轨布星中实现从“0”到“1”的转变。本文将针对该种特定的 Walker Delta 星座进行研究，确定其具体设计参数并进行覆盖性仿真，对该特定星座进行分析研究。1 “智慧天网”卫星星座网络模型“智慧天网创新工程”是一项由清华大学提出的全球卫星通信网络解决方案，采用了一种创新的中轨玫瑰星座构型。该方案部署了 8 颗中圆轨道卫星作为一个基本组，每个轨道面上只有一颗卫星。这些卫星围绕地球运行，在与地球固连的空间中划出一条封闭且固定的鞍形曲线，以形成全球全时覆盖能力。智慧天网的第一组八颗卫星构成了一个可持续的星座系统，实现了全球范围内 100%连续覆盖，并提供了高达160 Gbit/s 的微波总容量，能够支持全球超过 100 万人的话音用户和 20 万人的数据用户，支持多种形态的用户终端。通过提供高达 300 Mbit/s 的下行链路速率和 100 Mbit/s 的上行链路速率，以及 10 Gbit/s 的星间激光链路通信速率，用户可以高效地获得云端信息处理服务。第一组卫星预计将于 2025 年前全部部署完毕，届时通信带宽总容量将达到200 Gbit/s以上，能够满足超过 50 万地面通信用户的需求。未来，智慧天网将根据需求逐步增加容量和提高星座服务性能，并计划在第二、第三组卫星上天后，使通信容量达到 Tbit/s 级别。本文中“智慧天网”的星座模型选用的是特定的 Walker Delta 星座模型，来源于玫瑰（rosette）星座，星座整体呈现马鞍形，所以“智慧天网”星座构型整体也参考 Walker Delta星座构型，并选取卫星仿真工具包（satellite tool kit，STK）平台进行仿真模拟分析。在轨道设计中，常用轨道类型其实可以按照形状、倾角与轨道周期进行划分。本文避开范 艾伦带（内带 1500 5000 km，外带 13 000 20 000 km），并且选用回归轨道或准回归轨道进行卫星运行。回归轨道和准回归轨道的卫星星下点轨迹具有周期性重复性质，即经过一定时间后，星下点轨迹又重新经过原先的路线，该周期被称为回归周期。回归轨道的周期为 N=1 天，而准回归轨道 2023 年第 9 期49计算机应用信息技术与信息化的周期 N2 天。每个回归周期内会有多条轨道可供选择，若回归周期为 1 天时，可选用 24 h、8 h、6 h 等周期的轨道，可以根据卫星使命需求选择合适的运行周期。卫星轨道周期 T 由轨道高度 h 决定：343()21.658669 10()RhTRh+=+(1)式中：R 表示为地球半径，R=6 378.137 km；表示为地球引力常数，=3.986105 km3/s2。由 STK 软件进行仿真模拟，“智慧天网”2D 模型应类似于一条正弦曲线，在 24 h 的仿真定时中包含两个周期，根据 Walker Delta 星座的特性可知，该模拟满足其特性，在采用 1/2 回归轨道的前提下保证轨道周期为半个恒星日，根据公式计算可得单颗卫星轨道高度 h=20 232.1 km。由于“智慧天网”满足 Walker Delta 星座特性，故而可以根据现有数据大概推演出其星间链路的模拟示意图，如图1 所示。图 1“智慧天网”星间链路 3D 示意图2 “智慧天网”星座参数设计对于 Walker 类星座，其特点是所有卫星通过在地球赤道平面上，等间距分布若干个等高圆轨道，使得卫星在轨道平面内均匀分布，并且不同轨道面上的卫星之间具有一定的相位关系。不同轨道面间卫星的相位存在一定关系9。由于卫星的高度和倾角相同，因此在覆盖面积和信号传输方面具有一定的优势，同时也使得卫星在轨道上的相互干扰较小。根据Walker Delta星座的经典构型代表码字：N/P/F（卫星总数目/轨道平面数/相位因子），以及星座中任意编号为 m 的卫星的升交点角距 um和升交点赤经 m，经过公示(2)进行反向推导可以得到相位因子 F 的数据，其公式为：360360(1)(1,2,.,1)360(1)(1,2,.,)mmmmmmuNFNSSNPPPP=+=(2)其中，相关变量值的计算公式为：NSP=(3)1mmPS=+(4)(1)mmNmPS=(5)式中：S 表示为单个轨道面上的卫星数目；Pm表示为卫星 m所在轨道平面编号；Nm表示为卫星 m 在其自身所在轨道平面的编号。Walker Delta 星座可用 5 个参数 N/P/F,h,i 表示，h 为轨道高度，i 为轨道倾角，相位因子 F 表示相邻轨道之间卫星通过赤道面的相对相位差，是以任意一条轨道内相邻卫星间隔的 1/P 为度量的相对相位，满足 0FS-1。由智慧天网的星下点轨迹知，满足 Walker Delta 星座的特性，即满足公式(2)，根据上式计算可得 F=6。经卫星软件 STK 仿真测试，也可验证 F=6 的正确性。综上，“智慧天网”的构型参数 N/P/F 为：8/8/6。同时根据升交点角距和升交点赤经数据，以及卫星投影足迹可得轨道倾角 i 53。根据上述所得数据，确定“智慧天网”星座的部分参数如表 1 所示。表 1 “智慧天网”星座参数星座 参数参数说明轨道面数目8轨道面内卫星数目1卫星总数8轨道高度/km20 232.1轨道类型太阳同步轨道轨道倾角/度53相位因子6在该研究中，本文采用种子卫星（seed satellite）作为基础，命名单颗构成卫星节点为 SXXYY，其中 XX 代表所在的轨道面编号，YY 则代表该轨道面内该卫星的编号。根据预先设置的卫星星座参数，使用 STK 软件10生成了相应的星座模型，该模型的 2D 结构如图 2 所示。图 2 “智慧天网”星座模型及星间链路 2D 示意图2023 年第 9 期50计算机应用信息技术与信息化3 “智慧天网”覆盖性分析3.1“智慧天网”单星覆盖性分析根据经典 Walker Delta 卫星轨道模型结合圆形低轨卫星轨道模型11，将模型由原来经典的六坐标退化为 3 个参数坐标，分别定为轨道面倾角i、升交点角距w以及升交点赤经。其中，根据已知地球半径 Re，上节已计算的卫星轨道高度 h以及上述参量，可以对卫星位置的笛卡尔坐标进行计算，计算公式为：cos()cossin()cos sin()cos()sinsin()cos cossin()sinssesxwvwviyhRwvwviwviz+=+(6)式中：x,y,z 分别表示为空间直角坐标系中的横轴，纵轴与竖轴坐标。地面站与卫星的通信需要满足一定的最小仰角，通常表示为 min。只有当卫星高度角大于最小仰角时，地面站才能建立与卫星的回程链路，卫星波束的边缘位置是卫星可见的地面用户的最远距离，波束锥半角和卫星高度共同决定了单颗卫星的覆盖面积，而星座的构型和卫星分布决定了整个星座的覆盖性能，其单颗卫星覆盖区域如图 3 所示。图 3 “智慧天网”单颗卫星覆盖区域示意图图 3 中，dm表示为最大传输距离，min表示为地面接收站的最小仰角，h 表示为卫星轨道高度，max表示为星下覆盖区对应的地球中心角（覆盖地心角），为波束锥半角卫星的覆盖范围直接由地面站最小仰角 min和卫星轨道高度 h决定，卫星若想进行正常通信，必须高于最小仰角范围。若将地球视作一个正球体，则卫星覆盖区域类似一个球冠的形状，其对应的角半径为：maxminminarccos(cos)RRh=+(7)覆盖面积为：2max2(1 cos)SR=(8)代入公式进行计算可以得到当波束锥半角 在一定范围内时，单颗卫星在全覆盖面积大于地球最大横截面面积，这表示单颗中轨卫星就可以实现半球全覆盖，理论上来说，“智慧天网”卫星网络可以做到全时段全球覆盖。3.2 “智慧天网”星座覆盖性分析根据计算可以得到波束锥半角与覆盖面积之间的联系，由于卫星轨道高度 h 已知，可以通过地球半径 Re计算波束锥半角满足单星半球全覆盖时的最小值约为 0.235，换算成具体角度约为 13 13.5，同时可推测单星保证半球全覆盖时，“智慧天网”星座必定能保证全球覆盖，但反之则不一定，因此保证“智慧天网”星座实现全球覆盖的波束锥半角范围一定小于 13.5，由于经过测算，当波束锥半角为 13 时并不能实现“智慧天网”不间断的全球覆盖，故而能最低限度满足该目的的波束锥半角选取集合必在 13 13.5 区间范围内，为其子集。本文选取 0.05 为步长，以 13 为其起始值，在 STK 中进行模拟仿真，一共测算了 8 组数据，根据该数据可以更为详细地得到“智慧天网”星座保证全球覆盖的锥半角范围，经过多次仿真测试，所估计的角度范围以及波束锥半角对“智慧天网”星座全球覆盖率的影响结果如表 2 所示。即当13.10时，“智慧天网”星座即可实现全球覆盖。表 2 波束锥半角对“智慧天网”全球覆盖率的影响波束锥半角 13.0013.0513.1013.1513.20全球覆盖率(%)95.82699.2631001001003.3“智慧天网”星座覆盖性与可见性分析仿真考虑到卫星的覆盖面积虽有重合但极有可能不完全，本文测试波束锥半角分别于13.05与13.10 时的维度覆盖特性，确定星座的纬度覆盖特性，其中波束锥半角在 13.05 时的全球覆盖率为 99.363%，其维度覆盖特性如图 4 所示。图 4 波束锥半角 13.05 时维度覆盖特性示意图可以从上图看出，在近两极点位置时“智慧天网”星座覆盖能力减弱，尤其在南北纬 42 左右有断崖式下跌，但覆盖时间率仍在 99%以上，而当波束锥半角在 13.10 时的全球覆盖率达到 100%，纬度覆盖率同时也达到 100%，其维度覆盖特性如图 5 所示。2023 年第 9 期51计算机应用信息技术与信息化图 5 波束锥半角 13.10 时维度覆盖特性示意图为便于展示，本文选择城市北京（经度 11627，纬度3955）作为“智慧天网”星座可见性的仿真对象，并对其星地可见性、多星可见数、AER（azimuth，elevation，range；方位角，俯仰角，链路距离）以及单颗卫星对其的访问持续时间进行仿真分析。在“智慧天网”星座中，设定波束锥半角 15 时，仿真时长为一个恒星日，时间模拟从 2022 年 3 月 29 日凌晨 4点起到 2022 年 3 月 30 日凌晨 4 点结束，其中“智慧天网”星座 8 颗卫星在不同时间段对北京的星地可见性情况如图 6所示。图 6 波束锥半角 13.10 北京-星座可见性示意图根据图 6 显示的结果可以看出，针对位于北京的用户位置节点，该星座提供的覆盖时间是全天无间断的，用户可以在任何时间使用该星座提供的服务。此外，假定不考虑该位置的信号接收器的波束锥半角大小，可以发现，在同一时间段内可能有多个卫星同时覆盖该地区，而且同时覆盖的卫星数量最多可达 3 颗，其中北京于不同时间段的多星可见数如图 7 所示。图 7 波束锥半角 13.10 北京-星座多星可见数示意图由仿真可知在整个 24 h 的时间段内，所有卫星对北京的访问持续时间均为 100%，即北京不间断处于卫星的通信范围之内，可以保持稳定的通信连接。4 结束语为了更好地结合国情研究卫星网络，本文针对“智慧天网”的提出进行了更为深入的研究，对其具体参数、构型以及可行性都进行了分析仿真，对星座覆盖性以及代表性城市对其的可见性进行了仿真分析。实验表明，“智慧天网”星座的覆盖范围由其卫星的波束锥半角大小决定，在举值合理时，可以提供稳定不间断的全球通信覆盖，且在同一时刻可出现多星同时覆盖同一地点的情况。实验表明，中轨卫星通信为全球信号覆盖提供了可能。参考文献：1 LI Y,PATEROMICHELAKIS E,VUCIC N,et al.Radio resource management considerations for 5G millimeter wave backhaul and access networksJ.IEEE communications mag-azine,2017,55(6):8692.2 SONG L,SHEN J.Evolved Cellular Network Planning and Optimization for UMTS and LTEM.Taylor and Francis,Boca Raton,FL,USA:CRC Press,2010.3 WU J,YUEN C,CHEUNG N M,et al.Delay-constrained high defi nition video transmission in hetero-geneous wireless networks with multi-homed terminalsJ.IEEE transactions on mobile computing,2016,15(3):641655.4 SU Y T,LIU Y Q,ZHOU Y Q,et al.Broadband LEO satel-lite communications:architectures and key tech-nologiesJ.IEEE wireless communications,2019,26(2):55-61.5 李小历.警惕“星链”的野蛮扩张和军事化应用 J.国防科技工业,2022,265(5):54-55.6 QI X G，MA J L,WU D,et al.A survey of routing tech-niques for satellite networksJ.Journal of communications and information networks,2016,1(4):66-85.7 GOPAL R,BENAMMAR N.Framework for unifying 5G and next generation satellite communicationsJ.IEEE network,2018,32(5):16-24.8 王大鹏,赵培,刘立祥.空间信息网发展态势及关键技术J.国际太空,2016(4):42-47.9 马吉康.通信卫星组网仿真系统的设计与实现 D.北京:北京邮电大学,2008.10 杨颖,王琦.STK 在计算机仿真中的应用 M.北京:国防工业出版社,2005.11 LI X,FENG W,WANG J,et al.Enabling 5G on the ocean:a hybrid satellite-UAV-terrestrial network solution J.IEEE wireless communications,2020,27(6):116-121.【作者简介】李沁芮（1997），女，四川资阳人，西南交通大学计算机与人工智能学院硕士研究生，研究方向：卫星网络路由。（收稿日期：2023-03-02 修回日期：2023-03-27）