《衛(wèi)星通信與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)》課件-第13章

第13章衛(wèi)星星座設(shè)計13.1輻射影響13.2衛(wèi)星軌道13.3衛(wèi)星覆蓋和通信仰角13.4星下點(diǎn)軌跡13.5掃描角和波束13.6區(qū)域性覆蓋星座設(shè)計13.7全球覆蓋星座設(shè)計13.8多層衛(wèi)星星座設(shè)計13.9本章小結(jié)

早期發(fā)射的衛(wèi)星由于火箭推力的限制,往往將單顆衛(wèi)星送入較低高度(幾百千米至幾千千米)的衛(wèi)星軌道,在這些軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星與地球之間存在快速的相對運(yùn)動關(guān)系,如蘇聯(lián)的第一顆人造衛(wèi)星Sputnik(見圖13-1)的軌道高度為567km,其衛(wèi)星軌道參數(shù)和特性參見第1、2章的內(nèi)容。

圖13-1蘇聯(lián)人造衛(wèi)星Sputnik外觀圖

13.1輻射影響空間電子輻射影響主要分為兩種:總放射能計量和單數(shù)值翻轉(zhuǎn)?？偡派淠苡嬃渴强臻g電子在其整個壽命的累積輻射效應(yīng),這些電子主要來源于范·艾倫輻射帶捕獲的電子和質(zhì)子。累積效應(yīng)最終將導(dǎo)致晶體管節(jié)點(diǎn)或晶體管芯片的功能退化,從而得不到正確的響應(yīng)。這對控制衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)及有效載荷的計算機(jī)元件尤其有害。單數(shù)值翻轉(zhuǎn)是由太陽噴射的重離子(通常是質(zhì)子)引起的,它們是積累了足夠的電量,引起“位跳變”,從而影響電路的關(guān)鍵部分,即將開路變成閉路,將邏輯0變成邏輯1等。若位跳變被固定了,即電路的某個指定的部分被鎖定了,則不能發(fā)生改變。

地球的液體核和固體核外部硬殼之間的相對運(yùn)動產(chǎn)生了地磁場。圖13-2給出了磁場線繞地球伸展的情況。圖13-2地球磁場與地極

一般在距離地球很近的地方磁場線呈對稱均勻分布,而在距離地球較遠(yuǎn)的地方,由于從太陽流向地球的能量流與地磁場之間互感的影響,地磁線變形了。在很遠(yuǎn)的地方,太陽與地磁相遇的地方稱為弓形沖波,很像集中于飛機(jī)翅膀下的壓力波。另一方面,地球的磁極和地極不一致,因此磁赤道(磁緯度)和地理赤道(地理緯度)是不一樣的。地磁緯度的計算式為

其中,α為地理緯度,β為地理經(jīng)度。

太陽黑子的周期變化會導(dǎo)致空間輻射環(huán)境的大幅度波動。雖然緯度、高度、軌道傾角都會引起輻射環(huán)境的很大變化,但是在實際中通常只考慮輻射效應(yīng)更為集中的兩個范·艾倫輻射帶。被捕獲的電子和質(zhì)子沿著圖13-3所示的磁力線向北或向南運(yùn)動。磁力線在磁極附近被反射;統(tǒng)計上,它們在赤道附近停留的時間比在磁極處停留的時間要長。因而,范·艾倫輻射帶圍繞在地磁赤道附近,衛(wèi)星的位置離輻射帶中心越近,在空間停留的時間越長,總輻射就越強(qiáng)。

圖13-3兩個范·艾倫輻射帶

選擇一條輻射強(qiáng)度衰減的軌道,能降低輻射的潛在危害。在這一條件不具備的軌道上,衛(wèi)星就要選用防輻射器件,或者采用適當(dāng)?shù)钠帘?。這兩種選擇的成本都很高,前者是因為制造成本很高,后者是因為輻射屏蔽很重。隨著電子器件的發(fā)展,電子器件可以承受的輻射總劑量增大了。但是,對于許多衛(wèi)星組成的星群來說,要使所有器件達(dá)到較高的防輻射能力,就要開發(fā)新的技術(shù)。目前一些新的、成本相對較低的生產(chǎn)工藝已經(jīng)問世,這些生產(chǎn)工藝能使總劑量降低,且在防“單數(shù)值翻轉(zhuǎn)”方面也可以加以利用。

13.2衛(wèi)星軌道

13.2.1近赤道軌道近赤道軌道位于地球的地理赤道平面內(nèi),軌道路徑時刻位于赤道上空。地球以0.45km/s的速度向東自轉(zhuǎn),因此大多數(shù)衛(wèi)星向東發(fā)射(可以在衛(wèi)星發(fā)射時利用地球的自轉(zhuǎn),節(jié)省部分發(fā)射燃料,增加有效載荷),進(jìn)入與地球“同旋”的軌道,而向西的軌道稱為“回歸”軌道。

位于同旋近赤道軌道內(nèi)的衛(wèi)星有兩個周期:一個是參照慣性空間(銀河背景)的真實軌道周期,另一個是以地球上的靜止物體為參照物的直觀軌道周期。真實軌道周期由式(22)給出,而對于地球上靜止的觀測者來說,直觀軌道周期P為

一個精確的恒星日為23.9344h,精確計算時可以用它來代替式(13-2)中的數(shù)值24。表13-1給出了不同的軌道高度與仰角對應(yīng)的不同P和T。表13-1還給出了衛(wèi)星相對于觀測者的可見時間,此處沒有考慮大氣折射效應(yīng),并假定通信仰角可以達(dá)到0°。軌道高度與可見范圍見圖13-4。

圖13-4軌道高度與可見范圍

13.2.2對地靜止軌道

如表13-1所示,當(dāng)近赤道軌道衛(wèi)星的軌道高度為35786km時,其軌道周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同,地面觀測者與衛(wèi)星的相對運(yùn)動速度為零,因此稱該類衛(wèi)星軌道為對地靜止軌道(GEO)。世界早期的通信衛(wèi)星均采用對地靜止軌道,后續(xù)建立的跟蹤與中繼衛(wèi)星系統(tǒng)、DBS衛(wèi)星系統(tǒng)、VSAT衛(wèi)星系統(tǒng)等也采用GEO軌道。單顆GEO衛(wèi)星的最大覆蓋范圍參見示意圖13-5。

圖13-5單顆GEO衛(wèi)星的最大覆蓋范圍(側(cè)視圖,通信仰角達(dá)0°)

13.2.3傾斜圓軌道

LEO和MEO衛(wèi)星星座常常采用傾斜圓軌道(簡稱傾斜軌道)。傾斜軌道的傾角越大,衛(wèi)星在飛行中掃過的地球表面積就越大,如圖13-6所示。

圖13-6傾斜軌道衛(wèi)星

例如,若LEO衛(wèi)星位于相對于赤道30°傾角的軌道上,則衛(wèi)星會在某個時刻掃過南北緯約30°之間的某個區(qū)域,傾斜軌道LEO衛(wèi)星的覆蓋范圍就是距離赤道約±30°的地表帶,

其大小由軌道高度和衛(wèi)星天線波束寬度決定。傾斜軌道上的LEO衛(wèi)星圍繞地球一周的時間為90~100min,當(dāng)衛(wèi)星下一次旋轉(zhuǎn)到地球的同一側(cè)時,地球上的地面站已經(jīng)不在原來的位置了。因此往往采用同一軌道面內(nèi)多顆衛(wèi)星的空間構(gòu)型,這些衛(wèi)星相距一定角度。如圖13-7所示,星座包含4顆LEO衛(wèi)星,軌道面內(nèi)的相鄰衛(wèi)星之間間隔90°。

圖13-7傾斜軌道多衛(wèi)星系統(tǒng)

傾斜軌道衛(wèi)星和地面站之間傳輸數(shù)據(jù)時,最簡單、成本最低的方法是當(dāng)衛(wèi)星處于地面站視線外的軌道上空時,衛(wèi)星先將所需要的數(shù)據(jù)存儲起來,當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入地面站的視線范圍

內(nèi)時,衛(wèi)星將數(shù)據(jù)迅速傳遞給地面站,這種方法稱為前向存儲,一些LEO系統(tǒng)(如Orbcomm衛(wèi)星系統(tǒng))就具備此項功能。也就是說,當(dāng)?shù)孛嬗脩舨荒芙?jīng)由Orbcomm衛(wèi)星建

立起與地面站之間的聯(lián)系時,將信息存儲直至地面站進(jìn)入衛(wèi)星的視野后再發(fā)送。衛(wèi)星通信的下行鏈路傳輸速率很快,這樣才能保證LEO衛(wèi)星中存儲的信息在進(jìn)入地面站視線范圍

內(nèi)時快速傳送給地面站。

位于同一軌道面內(nèi)的相鄰的兩個衛(wèi)星之間可以建立星間鏈路(ISL,InterSatelliteLink),使LEO衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過ISL在LEO衛(wèi)星之間中繼傳輸。也可以在不同軌道衛(wèi)星之間建立ISL,如圖13-8所示,還可以在一顆或多顆LEO、GEO衛(wèi)星之間建立ISL。若GEO覆蓋范圍內(nèi)存在地面站,則可以直接將LEO數(shù)據(jù)中繼傳送給地面站,或者通過另一顆GEO來轉(zhuǎn)發(fā)傳送。

圖13-8通過中繼衛(wèi)星實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸

橢圓軌道具有非零的偏心率。當(dāng)偏心率為零時,就對應(yīng)圓軌道。實際中由于各種因素的影響,正圓的軌道是不存在的。實際中的軌道偏心率等于或小于10-3時就可以認(rèn)為是圓形軌道了。偏心率描述了軌道半徑改變的尺度,若Rav表示軌道距離地心的平均半徑,則變量ΔR為

13.2.4橢圓軌道

俄羅斯的國土面積廣闊,跨越11個時區(qū),且部分國土面積位于高緯度地區(qū),西伯利亞廣闊的國土面積位于北極圈以內(nèi)。如果采用GEO衛(wèi)星,則在保證仰角低于5°的情況下,來自同一GEO衛(wèi)星的信號可以到達(dá)北極圈,但單顆GEO衛(wèi)星卻不能同時跨越11個時區(qū),參見示意圖13-5。

遠(yuǎn)地點(diǎn)、近地點(diǎn)和軌道傾角決定了Molniya軌道的地面軌跡每隔一個軌道周期重復(fù)一次。因而兩顆衛(wèi)星位于軌道平面成180°的兩條Molniya軌道上,這樣就能在一天中實現(xiàn)對

整個俄羅斯的覆蓋,如圖13-9所示。

圖13-9Molniya軌道覆蓋北半球高緯度地區(qū)

HEO適宜作為特定區(qū)域(如北極圈地區(qū))偵察衛(wèi)星的軌道,采用HEO的偵查衛(wèi)星一般不構(gòu)成具有星間鏈路的星座結(jié)構(gòu)。例如,美國的SDS偵察衛(wèi)星就是為了彌補(bǔ)

FLTSATCOM系統(tǒng)在北極地區(qū)(北緯70°N,俄羅斯和加拿大之間)覆蓋性能的缺陷。Loopus和MHEO系統(tǒng)也是橢圓軌道的實例。

13.2.5太陽同步軌道

太陽同步軌道是低地球軌道的一種特殊形式,它的軌道平面與太陽的方向保持恒定的方向角。某些衛(wèi)星的任務(wù)要求衛(wèi)星處于與太陽光方向有恒定關(guān)系的特殊軌道上,如地球資源衛(wèi)星,它需要大量的直射太陽光照亮衛(wèi)星以下的某些區(qū)域,以便拍攝照片。這種軌道位于如圖13-10所示的軌道2(虛線)上;另一種需要這種軌道的例子是氣象衛(wèi)星,由它得到的衛(wèi)星云圖及其運(yùn)動方向?qū)τ诎l(fā)展態(tài)勢的預(yù)測很重要。

圖13-10兩條太陽同步軌道

圖13-11說明了太陽同步軌道是怎樣達(dá)到的。圖13-11地球繞太陽旋轉(zhuǎn)而引起的衛(wèi)星軌道平面排列的變化

太陽同步軌道的一個例子是MarsExplorer宇宙飛船,它于1998年發(fā)射到圍繞火星的太陽同步軌道上,用來測量上午和下午2:00時的溫度,相同的當(dāng)?shù)貢r間對應(yīng)于相同的區(qū)域,能精確追蹤到當(dāng)?shù)氐睦?、暖效果?/p>

13.3衛(wèi)星覆蓋和通信仰角

一顆衛(wèi)星對地面覆蓋的最大范圍可參考圖13-5,圖中陰影范圍劃定了該衛(wèi)星的最大覆蓋范圍。衛(wèi)星到覆蓋范圍內(nèi)任何一點(diǎn)的最遠(yuǎn)距離是兩條切線的長度,即

其中,hs為衛(wèi)星到地面的垂直距離,rE為地球半徑,hs+rE為衛(wèi)星軌道半徑(圓軌道),β為衛(wèi)星對覆蓋區(qū)域的半視角,有α+β=90°,α為覆蓋范圍對應(yīng)地心角的一半,即

則地面覆蓋區(qū)域球冠的底圓半徑為

球冠面積為

衛(wèi)星與地面用戶之間的鏈路要通過地球大氣層,大氣層中稠密的大氣對無線電波有多種衰減作用,因此希望“星地”鏈路盡量少通過大氣層,顯然衛(wèi)星到地面的垂直方向(衛(wèi)星與地心連線)鏈路經(jīng)過大氣層距離最短(僅為大氣層高度),而切線代表的鏈路經(jīng)過大氣層距離最長,產(chǎn)生的衰減最大。為了保證衛(wèi)星通信的可靠性,往往設(shè)定一個最小的通信仰角,這個通信仰角進(jìn)一步限定了覆蓋范圍(即保證通信質(zhì)量的覆蓋區(qū)域大小),見圖13-12。

圖13-12考慮通信仰角的覆蓋范圍(側(cè)視圖)

圖13-12中,θ為覆蓋范圍內(nèi)的最小通信仰角,β'為半視角,d'為覆蓋范圍內(nèi)的最長路徑,α'+β'+θ=90°。由正弦定理有

其中:

衛(wèi)星通信的某些頻段在雨天會受到很大衰減,雨水會在傾斜的“星地”路徑上帶來嚴(yán)重的信號衰減,尤其是在較高頻段,如Ka頻段(30/20GHz),即使少量的降雨也會引起可察覺的信號衰減。少量降雨經(jīng)常是成層分布的,所以仰角越高,在給定的降雨率的條件下雨水帶來的衰減越小,如圖13-13所示。降雨量較少的層狀云塊中,融化層高度漸漸形成后,雨水就在廣闊的區(qū)域無規(guī)則地降落。由于雨是不規(guī)則的,電波在成層狀的雨中每傳播一米的損耗在任何地方將是一個常數(shù),所以電波在傳播路徑中的總損耗由信號在雨中的傳播路徑長度決定。圖13-13中,仰角較高的路徑A比仰角較低的路徑B損耗小。凍雨(冰雹、冰晶、干雪)往往不對無線電波產(chǎn)生可察覺的衰減

圖13-13-衛(wèi)星仰角與雨層中傾斜路徑的關(guān)系

13.4星下點(diǎn)軌跡

星下點(diǎn)用來直觀地描述衛(wèi)星運(yùn)動規(guī)律。衛(wèi)星和地球之間往往存在相對運(yùn)動關(guān)系,衛(wèi)星運(yùn)行一個周期之后,其星下點(diǎn)一般不會重復(fù)前一個周期的軌跡。圖13-14中衛(wèi)星瞬時覆蓋區(qū)域沿著星下點(diǎn)的軌跡運(yùn)動形成了覆蓋帶,非回歸軌道每一個周期的覆蓋帶構(gòu)成了整個可覆蓋范圍。

圖13-14瞬時覆蓋范圍

一般而言,假設(shè)零點(diǎn)時刻,衛(wèi)星經(jīng)過其右旋升交點(diǎn),則衛(wèi)星在任意時刻的星下點(diǎn)為

其中,λs(t)和φs(t)為t時刻衛(wèi)星星下點(diǎn)的經(jīng)度和緯度,Ω0為右旋升交點(diǎn)赤經(jīng),i為軌道傾角,φ為t時刻衛(wèi)星真近點(diǎn)角,ωe為地球自轉(zhuǎn)角速度,“+”和“-”分別對應(yīng)順行和逆行軌道。由此方程可知,地球自轉(zhuǎn)僅對衛(wèi)星星下點(diǎn)的經(jīng)度產(chǎn)生影響;衛(wèi)星的傾角決定了星下點(diǎn)的緯度變化范圍,星下點(diǎn)的最高緯度為i(i≤90°時)或180°-i(i>90°時)。

13.5掃描角和波束

點(diǎn)對點(diǎn)無線通信系統(tǒng)的設(shè)計要求是收發(fā)雙方的天線要正對另一方以獲得最大的天線增益,見圖13-15,這是陸地微波通信所采用的方法。若發(fā)射天線需要與多個接收天線進(jìn)行通信,這些天線又位于不同的方向,則在發(fā)射天線增益與不同的接收天線之間應(yīng)該有一個協(xié)議。通常情況下,多數(shù)接收天線都不在發(fā)射天線的主軸(主波束軸)上,有時所有的接收天線都會這樣,如圖13-16所示。

圖13-15點(diǎn)對點(diǎn)視線陸地通信鏈路

圖13-16點(diǎn)對多點(diǎn)視線陸地通信鏈路

實際上,衛(wèi)星系統(tǒng)的設(shè)計者利用圖13-16所描述的協(xié)議來使單顆衛(wèi)星實現(xiàn)很大的瞬時覆蓋面積。衛(wèi)星通信是單點(diǎn)對多點(diǎn)系統(tǒng)的例子。衛(wèi)星通信有兩個重要的基本幾何參數(shù):軌道高度和單顆衛(wèi)星所要求達(dá)到的瞬時覆蓋范圍。圖13-17給出了LEO、MEO和GEO衛(wèi)星總掃描角示意圖,表13-2列出了不同高度衛(wèi)星的掃描角和對應(yīng)覆蓋區(qū)域的經(jīng)度范圍。

圖13-17LEO、MEO和GEO衛(wèi)星總掃描角示意圖

衛(wèi)星相控陣天線的覆蓋范圍的影響因素很多。雖然在輻射元件內(nèi)部信號的相位可以控制波束的方向,但是實際應(yīng)用時通常將波束主軸對著衛(wèi)星正下方(這在天線陣列面板的表面尤其常見)。這種做法也將導(dǎo)致在覆蓋區(qū)域邊緣的用戶比處于正下方的用戶損耗要大,其原因是:

第一,邊緣地區(qū)的用戶離衛(wèi)星更遠(yuǎn),星地鏈路更長,因此自由空間路徑損耗比正下方要大。

第二,當(dāng)天線朝著偏離波束主軸的方向給邊緣用戶發(fā)射能量時,天線將產(chǎn)生掃描損耗。相控陣天線掃描損耗通常滿足以下關(guān)系:

式中:?是偏離主軸的掃描角,k是介于1.2~1.5之間的經(jīng)驗值。例如,k=1.3,掃描角偏離主軸57.2°的LEO的掃描損耗為(cos57.2°)1.3=0.4507,即3.5dB。圖13-18說明了式(13-13)的幾何關(guān)系。結(jié)合上述的7.0dB路徑損耗差,邊緣地區(qū)的信號比星下點(diǎn)處的信號低10.5dB。

圖13-18瞬時覆蓋區(qū)域內(nèi)單個波束的掃描角示意圖

圖13-14給出了衛(wèi)星瞬時覆蓋范圍。在掃描天線的概念下,主要波束沿覆蓋區(qū)域周圍移動來提高通信量,全覆蓋面積也是由這樣的方式得到的,即全瞬時覆蓋面積由掃描波束得到。因為頻譜資源的稀缺,還有隨之而來的大范圍頻率再用的需求,衛(wèi)星的瞬時覆蓋面積不總由衛(wèi)星的一個波束得到。同陸地蜂窩系統(tǒng)一樣,將覆蓋區(qū)域分成一個個蜂格,由獨(dú)立的波束來覆蓋,目的是給指定的蜂窩結(jié)構(gòu)提供足夠的容量。每個蜂格指的是來自衛(wèi)星天線的獨(dú)立波束,擁有分配的頻譜的一部分。最簡單的頻譜再用模式是3蜂窩結(jié)構(gòu),整個頻譜資源被分成3部分,見圖13-19。

圖13-193蜂窩再用模式

表13-3給出了三個主要的MSS系統(tǒng)(Iridium、Globalstar和NewICO)的用戶鏈路主要參數(shù),這三個主要的MSS系統(tǒng)通常被稱為大型LEO系統(tǒng)。

相位陣列天線通常有一個非機(jī)械控制的輻射體陣列,輻射器件可選取無源器件(如雙極子或饋電喇叭)或者有源器件(如帶放大器的金屬補(bǔ)片元件)。對波束的控制是由每一個

輻射元件的信號相位(和全旁瓣控制的幅度)的變化來實現(xiàn)的。對于無源器件來說,相位控制是由反饋矩陣和輻射天線元件來完成的,反饋矩陣放置在高功率放大器之間。對于有源

器件來說,每一個元件每一個波束都有相位搬移。在很多情況下,可以認(rèn)為放大器是有源相位陣列輻射元件的一部分,這種特殊的相位陣列的概念稱為直接輻射相控陣列。

13.6區(qū)域性覆蓋星座設(shè)計

13.6.1δ星座

δ星座中的各條軌道對參考平面有相同的傾角,同軌道內(nèi)各個衛(wèi)星按等間隔均勻分布。δ星座可簡單描述為:設(shè)δ星座有p個軌道面,它們對參考平面(通常為赤道平面)的傾角為δ。

13.6.2σ星座

所有衛(wèi)星沿一條類似于正弦曲線按等間隔分布的星座稱為σ星座。σ星座是δ星座的子星座,σ星座通常用兩個整數(shù)T和M作參數(shù),對應(yīng)于δ星座的T/p/F結(jié)構(gòu)參數(shù)。這里p和F滿足以下關(guān)系:

其中,H[M,T]表示取M和T的最大公因子,F是從0到p-1范圍內(nèi)的整數(shù),系數(shù)K即可唯一確定。定義D為兩衛(wèi)星之間的角距,取Dmin為一個星座中衛(wèi)星間的最小角距,則σ星座是各種星座中能提供最大Dmin的星座。

13.6.3Ω星座

在星座工作期間,為了提高整個星座的可靠性,有時需要增加一些軌道備用星,這些備用星在必要時可用來取代失效的衛(wèi)星。另外,有時由于工程實踐的限制,整個星座不能一次建成,需要分期分批建立,即先部署一個較小的星座,以后逐步擴(kuò)大成完整的星座,在這些情況下,選用Ω星座較合適。

衛(wèi)星天線的總掃描角γ與軌道高度hs和最小通信仰角θ有如下關(guān)系:

已知單顆衛(wèi)星的最大覆蓋角(總掃描角),依據(jù)有效利用衛(wèi)星軌道面中所有衛(wèi)星的總覆蓋面積的原則,得衛(wèi)星軌道面的覆蓋面積SH與衛(wèi)星覆蓋總面積SZ的比率R:

其中:

13.6.4地帶性覆蓋星座

在星座設(shè)計中,傾斜圓軌道星座設(shè)計是比較優(yōu)化的地帶性覆蓋衛(wèi)星星座設(shè)計方法,但對于特殊情況如極冠地區(qū)(即某一緯度至極區(qū)覆蓋),Adams星座是最佳的,對于赤道地帶的覆蓋要求,赤道軌道星座是最優(yōu)的。

利用地帶性覆蓋思想設(shè)計的衛(wèi)星星座也一定能夠保證對區(qū)域的持續(xù)覆蓋。根據(jù)此設(shè)計思想,對中國的覆蓋問題實質(zhì)是對北緯3°和54°區(qū)間地帶進(jìn)行覆蓋。具體設(shè)計時采用覆蓋帶方法,要求每條軌道平面至少擁有3顆衛(wèi)星以滿足產(chǎn)生持續(xù)的覆蓋通道。為了使衛(wèi)星數(shù)量較少,只能選取2個軌道平面,每個軌道平面擁有3顆或3顆以上衛(wèi)星。利用該優(yōu)化設(shè)計方法,求解其限制方程,計算結(jié)果見表13-4。表中N為衛(wèi)星總數(shù),p為軌道平面數(shù),i為軌道傾角,s為每軌道平面衛(wèi)星數(shù),γ=2α為單顆衛(wèi)星覆蓋角(即總掃描角),hs為衛(wèi)星軌道高度,θ為用戶的最小通信仰角。

13.7全球覆蓋星座設(shè)計

13.7.1星間鏈路

ISL是將衛(wèi)星星座連接構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的重要部分,如果將衛(wèi)星抽象為一個節(jié)點(diǎn),而ISL作為節(jié)點(diǎn)間連接的話,衛(wèi)星星座就構(gòu)成了一個衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)之間存在可以互聯(lián)互通的路徑,能夠在星座覆蓋區(qū)域內(nèi)的信源和信宿之間傳遞信息。進(jìn)一步將空間三維坐標(biāo)圖映射到二維平面(南、北極點(diǎn)拓展成線)上,就得到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)二維視圖,見圖13-20和圖13-21。

圖13-20GPS星座三維視圖

圖13-21某MEO星座的二維視圖(傾斜圓軌道)

采用極圓軌道的Adams星座中,逆向軌道間的ISL設(shè)計和基地上空的軌道交叉,都給ISL的建立和保持帶來了困難。如果要滿足逆向軌道間的ISL,則會增加跟瞄系統(tǒng)的難度和復(fù)雜度,其性能也難以保證,見圖13-22。

圖13-22極圓軌道的Adams星座覆蓋縫隙和極地上空軌道交叉

13.7.2路由與切換

在通信網(wǎng)絡(luò)中路由被定義為一個決策過程,一個給定的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選擇一條或幾條向外的鏈路,使得數(shù)據(jù)包能夠向前傳送,直到到達(dá)目的地。路由是網(wǎng)絡(luò)層即開放系統(tǒng)互聯(lián)

(OSI)參考模型的第三層的主要功能。一條路徑由信源、信宿、通道和一些限制條件(如服務(wù)質(zhì)量等)組成。路由算法設(shè)計的主要目的是設(shè)計一個決策過程,該過程能夠以最小的代

價完成路由的功能。代價可以用一些參數(shù)衡量,如計算開銷、端到端的時延、信息吞吐量和可靠性等。

一般來說,對路由算法的要求有以下幾個方面:

(1)算法正確。路由算法必須能夠完成路由任務(wù)。

(2)計算簡單。簡化算法以便不過分增加數(shù)據(jù)傳輸時延,而且算法應(yīng)當(dāng)最少地占用星間鏈路帶寬,因為帶寬同鏈路代價直接相關(guān)。

(3)魯棒性。網(wǎng)絡(luò)通信量和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時變化,路由算法應(yīng)當(dāng)能夠保證穩(wěn)定性,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或鏈路損毀時,能夠自適應(yīng)地找到替換路徑。

(4)服務(wù)的公平性或差異性。根據(jù)應(yīng)用背景的不同,對所有用戶,路由應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)公平性的服務(wù)或者根據(jù)優(yōu)先級不同提供差異性服務(wù)。

(5)最優(yōu)性。路由算法應(yīng)當(dāng)選擇最優(yōu)的路徑以減小時延或增加吞吐量。但另一些網(wǎng)絡(luò)更關(guān)心可靠性,而非時延和吞吐量。

對于未來的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)而言,公平的帶寬共享和有保障的QoS是十分重要的特性。為了獲得高效的帶寬利用率和有保證的QoS,對于切換和新建的連接而言,相關(guān)的資源管理和呼叫接納控制技術(shù)也是至關(guān)重要的。因此,近年來,大量的研究工作將切換過程與接納控制、資源(帶寬或信道)分配、資源預(yù)留等策略進(jìn)行綜合考慮,以獲取很好的系資源利用率,提高QoS保證。

13.7.3赤道軌道星座設(shè)計

赤道軌道星座可能是最簡單的一種星座形式。星座中所有衛(wèi)星均勻地分布于特定高度的單個赤道軌道平面上。由于衛(wèi)星的零緯度特性,星座能夠為全球低/中緯度區(qū)域提供帶

狀的連續(xù)覆蓋。對于軌道高度為hs的軌道衛(wèi)星,在最小用戶仰角為θ的情況下,其覆蓋的半地心角ξ見公式(13-18),赤道軌道星座由s顆軌道高度均為hs的衛(wèi)星組成,可以依照公式(13-19)計算星座能夠連續(xù)覆蓋的最高緯度ζ。

13.7.4極軌道和近極軌道星座設(shè)計

全球覆蓋衛(wèi)星星座的設(shè)計方法很多,設(shè)計方法始終是衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座設(shè)計研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。當(dāng)衛(wèi)星軌道平面相對于赤道平面的傾角為90°時,軌道穿越地球南北極上空,

這種類型的軌道稱為極軌道。利用多個衛(wèi)星數(shù)量相同的、具有特定空間相位關(guān)系的極軌道平面,可以構(gòu)成覆蓋全球或球冠地區(qū)的極軌道星座系統(tǒng)。

這樣的衛(wèi)星分布特性帶來如下兩個問題:

(1)星座在低緯度地區(qū)的覆蓋性能差,而高緯度地區(qū)的覆蓋性能好。

(2)對于衛(wèi)星數(shù)量較多的極軌道星座,系統(tǒng)在極點(diǎn)附近需要關(guān)閉一些衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器以避免相互間的干擾,但轉(zhuǎn)發(fā)器的頻繁開啟和關(guān)閉又會引起如星座拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的頻繁變化等問題。

極軌道星座設(shè)計思想基于衛(wèi)星覆蓋帶的概念。覆蓋帶是基于同一軌道平面內(nèi)多顆衛(wèi)星的相鄰重疊覆蓋特性,在地面上形成的一個連續(xù)覆蓋區(qū)域,見圖13-23。

圖13-23衛(wèi)星覆蓋帶示意圖

根據(jù)圖13-23中的幾何關(guān)系,可以推出單顆衛(wèi)星覆蓋的半地心角α與同一軌道平面內(nèi)覆蓋帶半地心角寬度ζ之間的關(guān)系,這個關(guān)系滿足式(13-19),s為每軌道平面衛(wèi)星數(shù),π/s為同軌道衛(wèi)星之間的半地心角寬度。在極軌道星座中,相鄰軌道平面間的衛(wèi)星存在著兩種相對運(yùn)動關(guān)系,即順行和逆行。例如,圖13-22中,軌道1和軌道2之間是順行軌道,軌道1和軌道i之間屬于逆行軌道。順行軌道平面的衛(wèi)星之間保持相對固定的空間相位關(guān)系,而逆行軌道平面的衛(wèi)星之間的空間相位關(guān)系則是快速變化的。在不同的軌道相對運(yùn)動關(guān)系下,星座軌道平面間的經(jīng)度差是不同的。

由于極軌道衛(wèi)星星座90°傾角的特殊軌道結(jié)構(gòu),星座中的衛(wèi)星在天球上的分布是不均勻的:衛(wèi)星在赤道平面上最稀疏,相互間的間隔距離最大;在兩極處最密集,相互間的間隔距離最小。因此,在考慮極軌道星座對全球的覆蓋時,只需要考慮對赤道實現(xiàn)連續(xù)覆蓋。近極軌道全球覆蓋星座的設(shè)計與上述極軌道全球覆蓋星座類似。

圖13-24極圓軌道全球覆蓋星座相鄰軌道幾何關(guān)系

由圖13-24可知,星座中的軌道數(shù)量為

13.7.5傾斜圓軌道星座設(shè)計

除了利用極/近極軌道設(shè)計全球覆蓋(可以看作區(qū)域性覆蓋的特例)衛(wèi)星星座,學(xué)者們研究更多的是采用傾斜圓軌道進(jìn)行設(shè)計,如Walker的δ星座、Ballard的Rosette星座和Ω星座,這些設(shè)計方法被廣泛采用,并成為非靜止軌道全球性星座的經(jīng)典設(shè)計方法,Globalstar、NewICO、Celestri、GIPSE、Spaceway和NGSO等系統(tǒng)都采用了Walker的δ

星座結(jié)構(gòu)。Ballard在其研究結(jié)果中指出,其研究結(jié)果與alker的結(jié)果是等價的,只是在星座的標(biāo)識方法上存在差異。

如上所述,Walker采用T/p/F來描述δ星座,在確定上述參數(shù)后,可以按照下式確定相鄰軌道相鄰衛(wèi)星的初始相位差Δωf:

在衛(wèi)星軌道高度相同、覆蓋性能接近的條件下,δ星座和Rosette星座比極/近極軌道星座所需的衛(wèi)星數(shù)少,這是因為δ星座中的衛(wèi)星在空域上的分布更加均勻。因此,δ星座和Rosette星座更加適合于設(shè)計全球連續(xù)覆蓋的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。但需要指出的是,基于軌道高度較低的LEO衛(wèi)星的δ星座對于極地地區(qū)的覆蓋性能有不足之處,見圖13-6(b)。一些NGSO衛(wèi)星星座參數(shù)見表13-5。

13.8多層衛(wèi)星星座設(shè)計

13.8.1單層衛(wèi)星星座存在的問題單層衛(wèi)星構(gòu)成的衛(wèi)星星座存在如下幾方面缺點(diǎn):第一,單層衛(wèi)星星座,特別是LEO衛(wèi)星星座的時延指標(biāo)過高。第二,在單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中,為實現(xiàn)全球無縫覆蓋,通常使用極軌道和近極軌道類型的星座。第三,單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)抗毀性較差。第四,單層LEO衛(wèi)星星座的星載跟瞄系統(tǒng)設(shè)計困難。

基于上述原因,LEO和MEO星座均采用Walkerδ2π型傾斜圓軌道星座。該傾斜圓軌道不存在覆蓋縫和ISL關(guān)閉問題,因為衛(wèi)星之間相位關(guān)系穩(wěn)定且ISL均為永久性鏈路。但是因為采用傾斜圓軌道,使得LEO星座對兩極地區(qū)的覆蓋不足(由于軌道高度較高,因此MEO仍能覆蓋極地地區(qū)),這可以采用以下三種途徑加以解決。

第一種方法是增大衛(wèi)星的軌道傾角。

第二種方法是增加極軌道或近極軌道,構(gòu)成混合“極軌道+傾斜圓軌道”或“近極軌道+傾斜圓軌道”星座。

第三種方法是引入多層衛(wèi)星星座,應(yīng)用MEO星座在覆蓋性能上的優(yōu)勢解決LEO星座兩極覆蓋不足的問題,其缺點(diǎn)是MEO衛(wèi)星軌道較高,對于地面手持機(jī)等小功率終端用戶支持不夠,但是實際上高緯度的兩極地區(qū)地面?zhèn)€人用戶較少,可以接入地面網(wǎng)絡(luò),再通過信關(guān)站上星,網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)不會過重。

由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)(特別是軌道較高的衛(wèi)星星座)的傳輸時延較大,因此在各項QoS指標(biāo)中通信時延是最為重要的指標(biāo)之一,它包括路徑上的傳輸時延與星上處理和交換的時延(當(dāng)然建立一條路徑也需要時間,但不是在通信的過程中),因此備選路徑就是時延較小的路徑之一。但是通信路徑長度的時刻變化和切換的發(fā)生使得時延不固定,因此時延抖動也是QoS的重要指標(biāo)之一。

更為嚴(yán)重的是,路由的選擇不可能時時刻刻都在計算,而是將整個軌道周期劃分為若干小的時間區(qū)間進(jìn)行離散計算,同時保證一定的精度要求,這樣由于衛(wèi)星和用戶的相對運(yùn)

動,路由可能在下一時間區(qū)間未到來時失效,造成通信的中斷,這對于用戶來說是較其他QoS更不能忍受的