基于STK的LEO通信系統(tǒng)星座仿真分析技術(shù)

基于STK的LEO通信系統(tǒng)星座仿真分析技術(shù)摘要低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)的星座結(jié)構(gòu)決定了衛(wèi)星星座對(duì)指定區(qū)域的覆蓋質(zhì)量，是保障低軌道衛(wèi)星通信效果的前提和保障，要對(duì)某種特定組織結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星星座覆蓋特性進(jìn)行分析。本文首先建立了典型低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座仿真模型，然后通過星座仿真模型對(duì)其覆蓋特性進(jìn)行了分析，并給出了分析結(jié)果。關(guān)鍵字低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座仿真覆蓋特性SimulationanalysistechnologyoncharacterisricofLEOcommunicationsystem’ConstellationbasedSTKFUHai-peng,CHAIKe-jun,JIANGFangAbstract:ThecoveringcharacteroftheappointeddistrictisdecidedbythestructureofLEO’sconstellation,whichisthepremiseandguaranteeofLEO’scorrespondenceresult,sothecoveringcharactetofrepresentativestructureshouldbeanalysed.ThistextbuiltupsimulationonLEO’sconstellation,thenanalysethecoveringcharactetofitandgiveananalyticalresult.Keywords:LEO;constellation;simualtion;simulationsystem;thecoveringcharactet1引言利用低軌道〔LEO〕衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)手持機(jī)個(gè)人通信的優(yōu)點(diǎn)在于：一方面衛(wèi)星的軌道高度低，使得傳輸延時(shí)短。路徑損耗小，多個(gè)衛(wèi)星組成的星座可以實(shí)現(xiàn)真正的全球覆蓋，頻率復(fù)用更有效；另一方面蜂窩通信、多址、點(diǎn)波束、頻率復(fù)用等技術(shù)也為低軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信提供了技術(shù)保障。因此，LEO系統(tǒng)被認(rèn)為是最新最有前途的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，美國(guó)的銥〔Iridium〕系統(tǒng)、全球星〔Globalstar〕系統(tǒng)等最為典型。衛(wèi)星移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是以衛(wèi)星星座為根本物理架構(gòu)，多顆衛(wèi)星按一定形狀分布，通過星際的通信鏈路形成覆蓋全球的天基通信網(wǎng)絡(luò)，具有一定的覆蓋性能。星座系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗毀性、抗干擾性和冗余能力，在個(gè)別衛(wèi)星局部功能失效或個(gè)別衛(wèi)星被破壞的情況下仍能降級(jí)使用。星座覆蓋性能是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要特征，通過對(duì)星座覆蓋特性的分析將幫助我們了解系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成，鏈路傳播特性，抗干擾性能等。STK衛(wèi)星是美國(guó)AnalyticalGraphics公司開發(fā)工具包軟件，是航天工業(yè)領(lǐng)先的商品化分析軟件。STK可以快速方便地分析復(fù)雜的陸、海、空、天任務(wù)，并提供易于理解的圖表和文本形式的分析結(jié)果，確定最正確解決方案。它支持航天任務(wù)周期的全過程，包括政策、概念、需求、設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試、發(fā)射、運(yùn)行和應(yīng)用。本文將采用STK衛(wèi)星仿真軟件工具，通過對(duì)銥星系統(tǒng)星座和全球星系統(tǒng)星座軌道設(shè)計(jì)理論參數(shù)進(jìn)行分析討論，以標(biāo)準(zhǔn)軌道根數(shù)建立典型低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座仿真模型，進(jìn)而討論分析典型星座覆蓋特性。2典型低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星星座的軌道根數(shù)衛(wèi)星軌道參數(shù)是用來描述在太空中衛(wèi)星運(yùn)行的位置、形狀和取向的各種參數(shù)。在慣性坐標(biāo)系中描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)經(jīng)典根數(shù)是：a半軸長(zhǎng)，e偏心率，i軌道傾角，Ω升交點(diǎn)赤徑，ω近地點(diǎn)幅角，t衛(wèi)星在軌道上的飛行時(shí)間〔可用平近點(diǎn)角M代替〕。圖1為衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道六個(gè)經(jīng)典軌道參數(shù)的示意圖。衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道及星下點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算方程可在相關(guān)參考書中找到，這里不再敷述，由衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方程以及六個(gè)經(jīng)典軌道參數(shù)就可以確定衛(wèi)星在空間的位置。圖1描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的經(jīng)典軌道參數(shù)在實(shí)際應(yīng)用中我們常用的是兩行星歷，在兩行星歷數(shù)據(jù)中就包含了衛(wèi)星最重要的六個(gè)軌道參數(shù)數(shù)，STK衛(wèi)星仿真工具包也支持兩行星歷，而且STK還提供了多種對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行軌道影響的因素如地球偏率等，為研究分析衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道的性能提供了方便。2.2銥星通信系統(tǒng)、全球星通信系統(tǒng)星座特點(diǎn)〔1〕銥星星座特點(diǎn)銥星系統(tǒng)星座設(shè)計(jì)為66顆低軌衛(wèi)星在距地面約780km高空的6個(gè)近極點(diǎn)〔傾角為86°〕軌道環(huán)繞地球運(yùn)行。每個(gè)軌道平面上有1l顆衛(wèi)星，同向旋轉(zhuǎn)面相隔31.6°，反向旋轉(zhuǎn)面相隔22°【1】?！?〕全球星星座特點(diǎn)全球星系統(tǒng)星座空間段共有56顆衛(wèi)星，包括48顆工作星和8顆在空中備用的衛(wèi)星，這些衛(wèi)星平均分布在8個(gè)傾角為52°的圓形軌道平面上，每個(gè)軌道平面內(nèi)有6顆工作衛(wèi)星和一顆備用衛(wèi)星，工作衛(wèi)星軌道高度為1414km，備用衛(wèi)星的軌道高度為900km【1】。2.2銥星通信系統(tǒng)、全球星通信系統(tǒng)衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)星座的軌道根數(shù)銥星系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)星座設(shè)計(jì)采用圓形極軌道星座，全球星系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)星座采用網(wǎng)狀覆蓋星座〔Walker星座〕【2】。兩者的區(qū)別在于網(wǎng)狀覆蓋星座不適合于覆蓋南北極的地區(qū)，一般選在南北緯72°地區(qū)；圓形極軌道有利于覆蓋南北兩極。這與銥星、全球星系統(tǒng)的特點(diǎn)相符。根據(jù)銥星、全球星系統(tǒng)的相關(guān)資料分析，可知銥星通信系統(tǒng)和全球星通信系統(tǒng)衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)星座半軸長(zhǎng)分別為7185km、7767km，偏心率均為0，軌道傾角分別為86°、52°，近地點(diǎn)幅角均為0°，升交點(diǎn)赤徑升交點(diǎn)赤徑均按照軌道數(shù)量在空間內(nèi)均勻分布，平均近點(diǎn)角均按照同一軌道面衛(wèi)星數(shù)量在軌道面內(nèi)均勻分布。根據(jù)上述軌道參數(shù)計(jì)算銥星和全球星軌道仿真的其他參數(shù)，其中每個(gè)軌道面的升交點(diǎn)赤徑取值見表1，初始平均近點(diǎn)角取值見表2。表1銥星、全球星星座軌道面的升交點(diǎn)赤徑值銥星星座全球星座軌道面數(shù)升交點(diǎn)赤徑Ω軌道面數(shù)升交點(diǎn)赤徑Ω131.6°1022×31.6°21×45°33×31.6°32×45°44×31.6°43×45°55×31.6°54×45°66×31.6°65×45°--76×45°--87×45°備注銥星星座為6個(gè)軌道面，全球星座為8個(gè)軌道面。表2銥星、全球星星座每個(gè)軌道面各衛(wèi)星的初始平近點(diǎn)角值銥星星座全球星星座衛(wèi)星奇數(shù)軌道面衛(wèi)星初始平近點(diǎn)角M偶數(shù)軌道面衛(wèi)星初始平近點(diǎn)角M軌道面數(shù)第1顆衛(wèi)星初始平近點(diǎn)角M同一軌道面內(nèi)相鄰衛(wèi)星間隔10°0.5×360/11°10°60°2360/11°1.5×360/11°27.5°60°32×360/11°2.5×360/11°32×7.5°60°43×360/11°3.5×360/11°43×7.5°60°54×360/11°4.5×360/11°54×7.5°60°65×360/11°5.5×360/11°65×7.5°60°76×360/11°6.5×360/11°76×7.5°60°87×360/11°7.5×360/11°87×7.5°60°98×360/11°8.5×360/11°---109×360/11°9.5×360/11°---1110×360/11°10.5×360/11°---備注銥星星座每個(gè)軌道面11顆衛(wèi)星，全球星座每個(gè)軌道面8顆衛(wèi)星。3銥星通信系統(tǒng)、全球星通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)星座仿真模型建立STK提供了多種衛(wèi)星軌道預(yù)測(cè)模型，其中J4模型和HPOP模型僅考慮了地球偏率的影響，而SGP4模型那么考慮了多種因素的影響，最主要的是SGP4模型才是真正與TLE星歷配合使用的衛(wèi)星軌道預(yù)測(cè)模型。這里使用J4模型產(chǎn)生理想的衛(wèi)星星座，然后由STK自動(dòng)將J4模型的衛(wèi)星星座轉(zhuǎn)換為SGP4模型的星座，這樣減少了人為誤差，也提高了建模效率。本文利用MATLAB和STK混合編程實(shí)現(xiàn)銥星通信系統(tǒng)、全球星通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)星座仿真建模。首先，根據(jù)前面分析的銥星通信系統(tǒng)、全球星通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)星座的軌道根數(shù)，在MATLAB中編寫相應(yīng)的控制程序，通過STK連接模塊控制STK生成J4模型〔或HPOP模型〕的標(biāo)準(zhǔn)軌道模型。然后，通過MATLAB控制程序，操作STK將生成的J4模型星座轉(zhuǎn)換城SGP4模型星座。采用STK工具包建立的銥星通信系統(tǒng)星座仿真模型見圖1，全球星通信系統(tǒng)星座仿真模型見圖2。圖1STK生成的SGP4模型的標(biāo)準(zhǔn)銥星通信系統(tǒng)星座圖2STK生成的SGP4模型的標(biāo)準(zhǔn)全球星通信系統(tǒng)星座至此，完成了銥星通信系統(tǒng)、全球星通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)星座仿真模型的建立。由于篇幅限制，這里不再介紹MATLAB控制程序的設(shè)計(jì)技術(shù)。4銥星通信系統(tǒng)、全球星通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)星座覆蓋性能分析衛(wèi)星通信系統(tǒng)覆蓋性能分析的概念覆蓋性能是星座通信系統(tǒng)在需要的時(shí)間和地點(diǎn)動(dòng)態(tài)集中所需衛(wèi)星容量的能力，具有時(shí)間和地點(diǎn)兩個(gè)方面的屬性。評(píng)價(jià)一個(gè)星座系統(tǒng)對(duì)某區(qū)域的覆蓋特性通常有星座覆蓋統(tǒng)計(jì)性能、單星覆蓋率、多星覆蓋率等指標(biāo)。這些覆蓋性能均可以通過STK建立的衛(wèi)星軌道模型仿真得到，本文中仿真條件均為理想條件，地面接收點(diǎn)均為某一指定點(diǎn)位。星座覆蓋統(tǒng)計(jì)性能表征了衛(wèi)星星座對(duì)某一指定區(qū)域的覆蓋水平。它包括兩方面的含義，一個(gè)方面是某一時(shí)刻衛(wèi)星星座對(duì)指定地區(qū)的覆蓋程度；另一個(gè)方面是衛(wèi)星星座在任一運(yùn)行周期內(nèi)，從任一星座覆蓋圖記起，到衛(wèi)星星座重新運(yùn)行到該星座覆蓋圖的一段時(shí)間內(nèi)，衛(wèi)星星座的對(duì)該區(qū)域的覆蓋情況【2】。單星覆蓋率是指在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)和星座運(yùn)行周期各采樣站點(diǎn)至少有1顆衛(wèi)星覆蓋的概率。多星覆蓋率是指在目標(biāo)區(qū)域和星座運(yùn)行周期內(nèi)各采樣站點(diǎn)至少有2顆或3顆以上衛(wèi)星覆蓋的概率。銥星通信系統(tǒng)、全球星通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)星座覆蓋特性分析STK仿真工具包為我們提供了十分方便的星座仿真分析模塊，在STK中可以得到直觀的銥星通信系統(tǒng)星座覆蓋圖〔地面最小仰角8.2°〕見圖3，全球星通信系統(tǒng)星座覆蓋圖〔地面最小仰角10°〕見圖4，當(dāng)然也可以將有關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，用于覆蓋特性的比照分析。圖3銥星通信系統(tǒng)星座覆蓋圖圖4全球星通信系統(tǒng)星座覆蓋圖從兩個(gè)典型低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座覆蓋圖可以看出，銥星通信系統(tǒng)可以覆蓋全球范圍，包括南北極地區(qū)，而全球星通信系統(tǒng)的覆蓋范圍在南北緯72°地區(qū)，但不能覆蓋南北極地區(qū)?！?〕典型低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座覆蓋統(tǒng)計(jì)特性計(jì)算衛(wèi)星星座的覆蓋特性時(shí)，需要在地球的外表取有限個(gè)采樣點(diǎn)，通過這些采樣點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來表示衛(wèi)星星座的覆蓋特性。關(guān)于采樣點(diǎn)的取法有多種，這里采取比擬簡(jiǎn)單的一種柵格法取采樣點(diǎn)，即將地球的外表分成與經(jīng)度和緯度線平行的柵格，柵格間的角距相等。星座的覆蓋特性正是建立在這些采樣點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)特性之上的。由于低軌衛(wèi)星繞地球高速運(yùn)動(dòng)，所以每一時(shí)刻衛(wèi)星的覆蓋特性都不相同。因此這里計(jì)算星座的平均覆蓋率進(jìn)行低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座覆蓋性能分析。銥星的運(yùn)行周期是100min，地面最小仰角8.2°，柵格間角距為6°【1】，【2】，通過STK仿真得到銥星通信系統(tǒng)星座在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)瞬時(shí)覆蓋率與時(shí)間的變化曲線如圖5所示。006001200180024003000360042004600500056006000時(shí)間〔s〕圖5銥星通信系統(tǒng)星座覆蓋率隨時(shí)間變化曲線全球星的運(yùn)行周期是114min，地面最小仰角10°，柵格間角距為6°，通過STK仿真得到全球星通信系統(tǒng)星座在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)瞬時(shí)覆蓋率與時(shí)間的變化曲線如圖6所示。006001200180024003000360042004600500056006000時(shí)間〔s〕圖6全球星通信系統(tǒng)星座覆蓋率隨時(shí)間變化曲線通過計(jì)算可以得到銥星通信系統(tǒng)星座在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)的平均覆蓋率是100％，全球星通信系統(tǒng)星座在一個(gè)周期內(nèi)的平均覆蓋率是95.5％?？梢娿炐窍到y(tǒng)的覆蓋統(tǒng)計(jì)特性優(yōu)于全球星系統(tǒng)?！?〕典型低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座單星覆蓋率和多星覆蓋率對(duì)于地面某一點(diǎn)而言，可能是多星覆蓋，也可能是單星覆蓋。通過STK仿真得到銥星通信系統(tǒng)和全球星通信系統(tǒng)星座的單星單星覆蓋情況和多星覆蓋情況，見圖7和圖8?？吹?顆衛(wèi)星看到1顆衛(wèi)星看到2顆衛(wèi)星至少看到3顆衛(wèi)星圖7銥星通信系統(tǒng)單星覆蓋和多星覆蓋情況看到1顆衛(wèi)星看到1顆衛(wèi)星看到2顆衛(wèi)星至少看到3顆衛(wèi)星圖8全球星通信系統(tǒng)單星覆蓋和多星覆蓋情況從圖7和圖8可以看出，銥星通信系統(tǒng)星座單星覆蓋率在赤道附近最高到達(dá)70％以上，而隨著緯度的增加，其單星覆蓋率不斷減小，當(dāng)緯度到達(dá)60°左右時(shí)，單星覆蓋率幾乎為0。全球星通信系統(tǒng)星座單星覆蓋率在25°～50°之間時(shí)為0，當(dāng)緯度增大到68°左右時(shí)單星覆蓋率最大到達(dá)80％以上，對(duì)于兩極附近的區(qū)域，全球星覆蓋不到。銥星通信系統(tǒng)星座在低緯度地區(qū)的雙星覆蓋率在30％以上，而看到3顆以上銥星的概率較小平均只有約10％，在高緯度地區(qū)和兩極附近銥系統(tǒng)星座的3顆星以上的覆蓋率到達(dá)100％。全球星通信系統(tǒng)星座在低緯度地區(qū)雙星覆蓋率較高可到達(dá)80％，同時(shí)看到3顆以上全球星的概率較低平均只有約30％，在中緯度地區(qū)雙星覆蓋率較低平均約20％，平均覆蓋率只有約10％，但是中緯度地區(qū)的3星以上覆蓋率較高可達(dá)90％以上。在高緯度地區(qū)多星覆蓋率明顯下降，到達(dá)兩極地區(qū)附近就覆蓋不到了。5結(jié)束語低