低轨通信星座星间链路特点研究.pdf

：引用格式：王立民，安绍毅，覃智祥低轨通信星座星间链路特点研究无线电工程，（）：，（）：低轨通信星座星间链路特点研究王立民，安绍毅，覃智祥（中国电科网络通信研究院，河北 石家庄；中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西 桂林）摘要：随着全球宽带通信需求的增长，世界各国提出并建设了多种低轨通信星座，我国的卫星互联网系统也在紧张建设中，星间链路将是通信星座系统的重要组成部分。为研究星间链路特点和建链需求，以极轨通信星座为例，从几何角度给出了星间链路指向角和距离的数值计算公式，分析了顺行轨道星间链路的变化规律，并进一步研究了异轨星间反向缝建链的特点。研究结果表明，选取合适的星座参数，可以实现卫星跨反向缝的接续建链，从而保证反向缝两侧卫星之间始终存在可用的通信链路。关键词：低轨通信星座；星间链路；反向缝；星座参数优化中图分类号：文献标志码：开放科学（资源服务）标识码（）：文 章 编 号：（），（，；，）：，：；收稿日期：基金项目：青年科学基金项目（）：（）引言空间中的卫星总是沿着固定轨道绕中心天体做周期性运动，一颗卫星通常难以满足对较大范围空间或者全球范围的可见任务需求。近年来随着全球宽带卫星通信市场的扩大，国际上涌现了诸如铱星（）、一网（）和星链（）等由几十颗甚至上千颗卫星组成的星座系统，这些卫星的轨道通常具有相同的高度和倾角，在空间中形成相对稳定的几何构型，容易在卫星之间建立稳定的无线通信链路，即星间链路。星座系统通过星间链路可以实现卫星之间的信息传输和交换，使各个卫星组成一个有机整体，减少对地面信关站数量的需求并降低对地面网络系统的依赖，增强系统自身的稳健性。但与此同时，建立星间链路也将不可避免地增加卫星的建造成本和星座系统建设的复杂性。随着卫星互联网作为重要的通信网络基础设施工程与应用 年 无线电工程 第 卷 第 期 建设被纳入国家“新基建”，势将加快推进我国通信卫星星座系统的建设步伐。考虑到系统的安全性、易用性和稳健性等问题，星间链路将是未来星座系统发展中不可或缺的重要组成部分，而激光链路由于带宽高、传输速度快和抗干扰能力强等优势，具有极大应用价值。本文将重点研究低轨通信星座系统星间链路变化规律，并进行异轨星间反向缝建链仿真分析，期望该研究成果能为我国卫星互联网系统建设提供重要的参考价值。星间链路的应用及分类星间链路作为卫星之间的无线链路，通常具有星间通信、数据传输、星间测距和星间测控等功能，在国内外的导航卫星系统、通信卫星系统和中继卫星系统等多个卫星系统中都已得到应用。在导航卫星系统领域，借助星间链路可以实现卫星之间的双向距离测量和数据传输，提升卫星广播星历和广播钟差的精度，缩短卫星广播电文的更新周期，从而实现自主导航，同时也提高了星座的管控能力。在通信卫星系统领域，尤其是低轨通信卫星系统，利用星间链路可以增大系统的通信容量，并扩大地面的通信服务区域而不受关口站部署位置的限制，尽可能减少地面终端用户之间的通信星地跳数，降低通信时延，提高系统的服务质量。在中继卫星系统领域，通过星间链路可以实现卫星之间的测控接力，从而增加用户星的可测控弧段，甚至可以实现全天候测控。低轨通信星座系统中的星间链路有多种分类方式，根据建立星间链路的两端卫星所在轨道的关系，星间链路可分为同轨道面内的星间链路和异轨道面间的星间链路；根据星间链路连接时长不同，星间链路又可分为永久星间链路和临时星间链路；根据星间链路通信的载波不同，星间链路可分为微波星间链路和激光星间链路等。研究星间链路通常侧重于方位角、俯仰角和链路距离个参量的变化，研究结果可以为星上跟瞄系统的设计和发射功率的选择提供参考。低轨通信星座星间链路特点 异轨星间链路特点异轨星间链路即在不同轨道面卫星之间建立的星间链路，并且随着卫星的运动，异轨星间链路的参数也在时刻变化。一种包含个轨道面的典型极轨卫星星座的北极视图如图所示，由于卫星存在升轨（南极向北极）和降轨（北极向南极）两个运行方向，地球赤道圈被划分为升轨段和降轨段个区域，任何一个区域内相邻个轨道面内的卫星运行方向相同，称为顺行轨道。升轨段和降轨段交叠区域两侧的卫星运行方向相反，该交叠区域称为反向缝，反向缝两侧的卫星轨道称为逆行轨道。顺行轨道间的星间链路和逆行轨道间的星间链路变化特点不同，并且逆行轨道卫星之间由于相对运动较快，更难以建立星间链路。图极轨卫星星座的北极视图 为分析异轨星间链路的指向变化规律，在低轨通信星座中，选取任意个相邻轨道面，并在每个轨道上各取一颗卫星分别记作和，如图所示，图中的线段即表示异轨星间链路。任一时刻卫星的地心纬度角记作，卫星的地心纬度角记作，个轨道面的升交点赤经差记作，颗卫星与地心连线的夹角记作，可得到相应时刻卫星指向卫星的星间链路方位角、俯仰角和距离的计算公式。图极轨卫星异轨星间链路几何关系 工程与应用 根据球面几何关系，颗卫星的地心角与卫星纬度角、和经度差有如下三角函数关系式：。（）根据地心角的值，进一步可以得到卫星指向卫星的星间链路俯仰角、方位角和星间距离的计算公式：()（）（），（）式中：为卫星的轨道高度，为地球半径。上式不仅适用于极轨卫星，对于倾斜轨道卫星，式中的即为颗卫星的经度差，有，其中和分别为颗卫星的星下点经度或赤经。同轨星间链路特点同轨星间链路即在同一轨道面内的卫星之间建立的星间链路。在低轨通信星座系统中，同一轨道面内的卫星通常除真近点角之外的其他轨道要素均相同，卫星按照相位关系均匀分布在轨道上，且保持相对稳定。这种情况对星载天线的指向变化要求较小，甚至可以采用固定指向天线。由于星间链路长度不变，通信状态较稳定，不会发生较大的多普勒频偏及变化。除激光星间链路会因太阳日凌问题而导致链路中断等情况外，同轨星间链路可以认为是永久星间链路，也即星间链路两侧的卫星之间时刻存在信息通路。假设星座系统的轨道高度为，地球半径记作，同一轨道面内均匀分布颗卫星，此时颗卫星所在轨道面的经度差，代入上述星间链路计算式中，可以简化得到星间链路的方位角、俯仰角和距离满足如下关系式：或 （）。（）对于星间链路的方位角，当目标星位于本星前方时，星间链路的方位角为，当目标星位于本星后方时，方位角为。同一轨道面内所有卫星之间均建立星间链路后，整个轨道面会形成一个环形网络，但受运载火箭发射能力限制，星座建设初期难以快速部署一个完整轨道面，任意颗卫星之间仅有一条连接通路，系统可靠性较低；系统初步建设完成后若为进一步提高覆盖重数而选择在轨道面内增加卫星数，则会改变相邻卫星之间的指向关系；当某一颗卫星故障时，若需同轨道面内的卫星跨过故障星建立星间链路，其指向关系同样会发生改变。仿真分析及结果 顺行轨道异轨星间链路建链分析在卫星仿真工具软件中模拟颗顺行轨道的卫星，卫星的轨道高度为，轨道倾角为，轨道偏心率为，个轨道面的升交点赤经差为，颗卫星的纬度幅角差为。以 为步长生成共计 的卫星星下点经纬度信息，涵盖了卫星一个周期内的运动。将上述离散点代入异轨星间链路变化计算公式中，可以得到相应时刻的方位角、俯仰角和距离值，并将这些值随时间的变化情况与仿真得到的数据相比较，结果如图所示。从图中可以看出，计算值与仿真值的符合性较高，验证了星间链路计算公式的正确性。（）方位角随时间变化情况（）俯仰角随时间变化情况（）星间距离随时间变化情况图异轨星间链路计算值与仿真值比较 工程与应用 年 无线电工程 第 卷 第 期 从仿真和计算结果中还可以看出，顺行轨道星间链路指向的方位角、俯仰角和距离的变化都是周期性的，根本原因是卫星的周期性运动，其中方位角的变化周期与卫星绕地球一周的时长相同；俯仰角和距离的变化周期一致，均为卫星绕地球半周的时长。在上述仿真场景中进一步计算星间链路各参数的变化如表所示。从表中数据可以看出，异轨星间链路的方位角变化范围和角度的变化率均较大，而俯仰角的变化范围和角度变化率均较小，因此在星间激光终端设计时，俯仰方向的转动要求较小，并且在卫星舱板上布局时，俯仰方向受遮挡的影响更小。由于方位角的变化范围以为中心，激光终端需安装在卫星的飞行方向上。表顺行轨道异轨星间链路变化 范围方位角（）方位角速度（）俯仰角（）俯仰角速度（）距离 距离变化率（）最大值 最小值 星间链路距离的变化率会造成星间通信时的多普勒频移现象，这不仅会对接收信号的相位产生影响，同时也会增大接收机的相位噪声，影响解调和激光终端的性能。以波长为 的激光终端为例计算，上述仿真场景中星间距离变化率造成的通信多普勒频偏为 ，相应的接收端需适应的波长变化范围为，对收发终端的要求较小。异轨星间反向缝建链分析反向缝两侧卫星难以建立异轨星间链路，但无此星间链路会影响整个星座系统的网络传输时延，为此多位学者研究了无反向缝链路情况下的星座路由算法和建链策略，同时也有直接研究反向缝建链的工作，本文则从几何关系角度开展异轨星间反向缝建链分析。将反向缝两侧卫星的经纬度信息代入异轨星间链路变化关系式中，即可得出异轨星间反向缝链路的方位角、俯仰角和距离的变化情况。与顺行轨道不同的是，此时升交点赤经差代表某一轨道的升交点与另一轨道的降交点赤经差。由于颗卫星为逆行关系，只能在相遇时建立临时星间链路，其他时刻由于地球的遮挡而无法形成永久的星间链路。经分析，颗卫星初始时刻的不同相对相位关系会决定其相遇时的轨道位置及相对运动情况，因此有必要研究如何使逆行卫星之间的链路变化情况最小，从而更适合建立星间链路。对于轨道高度为 的低轨通信星座，选取异轨道面内的和两颗卫星，轨道的升交点赤经差为（即一颗星的升交点与另一颗星的降交点赤经差为），初始时刻星的纬度幅角固定为，分别针对星不同的初始纬度幅角值（），计算分析星间链路的方位角、俯仰角和距离随时间的变化情况，结果如图所示。由于反向缝两侧的卫星运动方向相反，相对运动时的方位角、俯仰角和距离的变化范围较大。（）星间距离随时间变化情况（）俯仰角随时间变化情况（）方位角随时间变化情况工程与应用 （）可见时间内方位角随时间变化情况图不同相位关系的逆行卫星异轨星间链路仿真变化情况 图（）图（）为根据星间距离、俯仰角和方位角计算公式得到的整个仿真周期内变化情况。进一步分析可知，只有在颗卫星相遇且不受地球遮挡时可以建立星间链路，因此星间链路的变化应是分段连续的。图（）中星间距离 以下部分和图（）中俯仰角 以下部分的曲线为星间链路的实际变化范围。图（）为限制仿真时间至双星可见时段内得到的星间链路方位角随时间的变化范围。为定量分析不同初始相位关系对反向缝建链的影响，在 以为间隔选取组初始相位差值，给出相应的星间链路变化范围，结果如表所示。从整体上看，逆向运行卫星之间的可见时间均较短，并且相遇过程中的方位角变化范围较大，变化速度较快，对天线指向机构的跟踪要求较高。表不同初始相位差的星间链路变化范围 序号相位差（）方位角变化范围（）俯仰角变化范围（）距离变化范围 可见时长 从组不同初始相位差的星间链路参数变化情况对比来看，当逆向运行的卫星相位差为时，相遇过程中的异轨星间链路方位角、俯仰角和距离的变化范围最小，其中与初始相位差的结果相比，方位角变化范围减小了约，俯仰角和距离的变化范围减小了约，但星间可见时长无较大变化仅减小了约。因此，卫星初始相位差为时相对更容易建立反向缝星间链路。对卫星初始相位差为的情况进一步开展分析，计算星间链路方位角速度、俯仰角速度和星间距离的变化率范围，并与顺行轨道的星间链路变化速率对比，结果如表所示。可以看出，相对于顺行轨道，异轨星间反向缝链路变化速率较大，其中方位角的变化率约为 倍，俯仰角的变化率约为 倍，距离的变化率约为 倍。表不同类型星间链路变化速率 运行方向方位角变化率（）俯仰角变化率（）距离变化率（）逆行（）顺行 同样选用 波长的激光链路开展建链分析，星间距离变化速度造成的星间通信多普勒频偏为 ，相应的接收端需适应的波长变化范围为，目前的激光终端能力可满足该使用要求。不同于顺行轨道的激光终端安装在卫星飞行方向，异轨星间反向缝链路的方位角转动范围为（），激光终端需安装在卫星的侧面，并且需在轴个方向各配置一台激光终端，以保证在卫星的升轨段和降轨段均可以建立星间链路，单次反向缝星间建链情况如图所示。图反向缝卫星建链情况示意 异轨星间反向缝接续建链分析经过前述分析，当反向缝两侧卫星的初始相位工程与应用 年 无线电工程 第 卷 第 期 差为时，更容易在赤道附近建立反向缝星间链路（如图中的和），且容易分析得到，这颗卫星所在轨道上间隔固定相位差的后序卫星之间（如图中的和），同样具有相位差的关系，因此当后一颗卫星运行至前一颗卫星的空间位置处时，也可以建立反向缝星间链路。进一步分析发现，同轨道面相邻卫星之间设置合适的相位差，可在原有链路断开连接之前建立新链路，即前后颗卫星与临轨卫星建链的时间段有重叠。若重叠部分的时长大于激光捕获建链所需的时长，可使反向缝两侧的卫星在运行过程中接续建链，反向缝两侧的轨道面之间始终存在至少一条可正常通信的星间链路。设极轨卫星的轨道高度为，卫星的轨道周期为，反向缝两侧轨道的升交点赤经与降交点赤经的差为，建链卫星的相位差为，并且考虑图所示星间链路掠过地球表面时的最低点距离，则单星跨反向缝单次持续建链时长有如下关系：（）（）()，（）式中：（）槡，为地球半径，为地球引力常数。星座中的卫星通常均匀分布在轨道面内，单个轨道面内的卫星数决定了相邻卫星之间的相位差。为保证反向缝两侧的卫星在运行过程中可以接续建链，并考虑激光捕获建链所需时长，单个轨道面内的卫星数需满足以下关系式：，（）式中：为整数。公式右侧的计算结果需要向上取整。图星间链路掠过地球表面最低点示意 对于轨道高度、轨道周期 的卫星，设反向缝两侧轨道的升交点赤经与降交点赤经差，并限制星间链路掠过地球表面最低点高度为，代入上述公式中可以得到单星跨反向缝单次持续建链时长，若令激光捕获建链所需的时长 ，则单个轨道面内的卫星数。若同一轨道面内有颗卫星，可知同轨相邻颗卫星依次跨反向缝与异轨道面卫星建链的起始时间间隔为。如图所示，次建链之间会有 的重叠，即新链路建立的起始时刻至原链路断开会持续，后一颗卫星可利用该重叠时长开展新链路的扫描捕获跟踪建链工作。图反向缝两侧依次建立星间链路的时间关系 对于如图所示的极轨星座，考虑到系统的对称性，在个反向缝位于赤道附近的位置处均具有建立反向缝星间链路的条件，即极轨星座的条逆行轨道之间可存在两条异轨星间反向缝链路。星间链路的应用建议在低轨通信星座中，顺行轨道上的卫星之间可以建立稳定长期的异轨星间链路，提高卫星之间的信息传输速率。但在极轨卫星星座中，由于逆行轨道之间反向缝的存在，反向缝两侧的卫星若无星间链路，其通信只能通过顺行轨道星间链路和同轨道星间链路远距离传递实现，这将显著增加反向缝两侧卫星的通信跳数和通信时延，影响该区域地面用户的使用体验。通过合理设计星座参数，使反向缝两侧卫星的初始相位差为，并在同轨道面内设置合适的卫星数，同时在反向缝隙两侧卫星的轴个方向各配置一台激光终端，可使极轨星座在运行过程中始终存在条可用的反向缝星间链路，从而提高整个系统的路由效率。结束语本文针对以极轨卫星为代表的低轨通信星座，通过对异轨道面间星间链路的研究，基于空间几何关系，建立了异轨星间链路方位角、俯仰角和距离的变化关系式，并以此为基础分析了顺行轨道和反向缝两侧星间链路的变化特点，开展了异轨星间反向缝建链分析。分析认为，当反向缝两侧卫星初始相位差为时，逆行轨道间较容易建立星间链路，工程与应用 通过设置合适的同轨卫星数，可以保证星座系统始终存在条可用的反向缝星间链路，降低星座系统通信时延。建立反向缝星间链路，需要星间链路终端具备星上快速自主建链的能力，这将提高终端设计的复杂度，并且反向缝两侧卫星建链所用的激光终端指向范围和安装位置等要求不同于顺行轨道异轨星间激光终端的要求，不便于卫星的总体设计和统型工作，需进一步深入研究。?参考文献孙晨华，庞策低轨卫星互联网体系和技术体制研究发展路线思考无线电通信技术，（）：萧鑫，尚湘安，乔璐，等星间链路关键性能指标评估的方案设计空间电子技术，（）：李龙龙，耿国桐，李作虎国外卫星导航系统星间链路发展研究测绘科学技术学报，（）：李强，顾芳，韩志军卫星互联网产业现状综述通信技术，（）：王天枢，林鹏，董芳，等空间激光通信技术发展现状及展望中国工程科学，（）：陈忠贵基于星间链路的导航卫星星座自主运行关键技术研究长沙：国防科学技术大学，陈山枝关于低轨卫星通信的分析及我国的发展建议电信科学，（）：刘向南，赵卓，李晓亮，等星间链路技术研究现状及关键技术分析遥测遥控，（）：韩松辉，归庆明，李建文，等混合星座星间链路的建立以及连通性和稳健性分析武汉大学学报（信息科学版），（）：乔元哲，李铁龙，李海昊，等高速星间激光通信终端设计与验证光通信技术，（）：卢勇，赵有健，孙富春，等卫星网络路由技术软件学报，（）：苑?，张军，柳重堪一种基于链路稳定性模型的 双层卫星网星间链路设计方法电子与信息学报，（）：许云祥，吴斌，汪勃卫星相干光通信多普勒频移开环估计技术红外与激光工程，（）：张悦低轨卫星网络路由算法研究西安：西安电子科技大学，张路，燕锋，章跃跃，等基于星间链路状态的低轨卫星网络路由算法上海航天（中英文），（）：，：，：，：刘宇婷，田丰，李国通一种高效的低轨卫星网络反向缝建链策略中国科学院大学学报，（）：李维梅，施锦文，崔镇，等一种考虑反向缝的全球低轨卫星通信系统的波束排布方法电讯技术，（）：李振东，何善宝，刘崇华，等一种导航星座星间链路拓扑设计方法航天器工程，（）：作者简介王立民男，（），硕士，高级工程师。安绍毅男，（），硕士，工程师。覃智祥男，（），硕士，高级工程师。主要研究方向：空间光通信。工程与应用