趙艷賓，王任寧，胡培培

（1. 北京國(guó)電高科科技有限公司，北京 100094；2. 保定市退役軍人事務(wù)局，河北 保定 071051；3. 63861部隊(duì)，吉林 白城 137000；4. 北京建企動(dòng)力科技工程有限公司，北京 101100）

0 引言

地球靜止軌道（geostationary earth orbit，GEO）衛(wèi)星軌道位置資源緊張已久，隨著5G、6G以及物聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)的發(fā)展和衛(wèi)星制造、發(fā)射技術(shù)的進(jìn)步，衛(wèi)星通信迎來(lái)了一股新的發(fā)展浪潮，以“星鏈（Starlink）”“OneWeb”為代表的多個(gè)超級(jí)低軌衛(wèi)星星座計(jì)劃為全球用戶提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入，商業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)與大國(guó)博弈交織，低軌軌道資源變得空前緊張[1-2]。目前高軌、中軌、低軌3種星座組網(wǎng)方式中，GEO星座單星覆蓋面廣、組網(wǎng)需要的衛(wèi)星數(shù)少、覆蓋范圍固定、天線跟蹤相對(duì)容易，但通信距離大、傳輸時(shí)延長(zhǎng)、對(duì)衛(wèi)星和用戶終端的有效全向輻射功率（equivalent isotropically radiated power，EIRP）要求高，而且存在覆蓋盲區(qū)，典型星座有INMARSAT系統(tǒng)[3]、Thuraya系統(tǒng)[4]、ACeS系統(tǒng)[5]。低地球軌道（low earth orbit，LEO）星座相對(duì)時(shí)延小，最接近地面網(wǎng)絡(luò)時(shí)延要求，能夠?qū)崿F(xiàn)全球覆蓋，隨著近年商業(yè)小衛(wèi)星制造技術(shù)和發(fā)射技術(shù)的成熟，成為全球熱點(diǎn)新興產(chǎn)業(yè)，但LEO星座又存在組網(wǎng)需要衛(wèi)星數(shù)目多、切換頻繁、管理復(fù)雜等問(wèn)題，典型星座有Iridium系統(tǒng)[6]、Globalstar系統(tǒng)[7]、Starlink系統(tǒng)[8]、Telesat系統(tǒng)[9]、OneWeb系統(tǒng)[10]等。中地球軌道（medium earth orbit，MEO）星座是高軌星座和低軌星座的折中，相對(duì)于GEO系統(tǒng)，MEO系統(tǒng)傳輸損耗小，降低了對(duì)手持機(jī)和星載天線的要求，研制手持機(jī)的難度與LEO系統(tǒng)大致相當(dāng)，傳輸時(shí)延約為GEO系統(tǒng)的1/4，使得通過(guò)MEO衛(wèi)星的雙跳通信易被用戶接受，而且可以實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫覆蓋；相對(duì)于LEO系統(tǒng)，MEO衛(wèi)星移動(dòng)速度慢，帶來(lái)的衛(wèi)星切換不是很頻繁，且衛(wèi)星覆蓋范圍大，星座需要的衛(wèi)星較少，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和管理較簡(jiǎn)單。所以從某種程度來(lái)看，MEO系統(tǒng)克服了GEO系統(tǒng)和LEO系統(tǒng)的缺點(diǎn)，其業(yè)務(wù)性能、服務(wù)壽命、傳輸時(shí)延、技術(shù)和實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)、系統(tǒng)復(fù)雜性及系統(tǒng)費(fèi)用都在可以實(shí)現(xiàn)和接受的范圍內(nèi)，適合提供全球通信服務(wù)[11]，典型星座有中圓軌道（intermediate circular orbit，ICO）系統(tǒng)[12]、O3b（other 3 billion）系統(tǒng)[13]等。ICO系統(tǒng)在提出過(guò)程中，曾對(duì)同步軌道、中軌道和低軌道進(jìn)行反復(fù)論證，最后確定選擇MEO方案，采用兩個(gè)高度為10 350 km、傾角為45°的圓軌道，共有10個(gè)衛(wèi)星，另外備份2個(gè)衛(wèi)星。O3b星座系統(tǒng)是目前全球唯一一個(gè)成功投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的MEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)，系統(tǒng)整個(gè)星座并未對(duì)衛(wèi)星數(shù)量進(jìn)行限制，一般采取8顆星一組的模式，可以按需增加衛(wèi)星數(shù)量，實(shí)現(xiàn)在軌容量擴(kuò)展。按照美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（Federal Communications Commission，F(xiàn)CC）批準(zhǔn)條件，O3b系統(tǒng)能夠運(yùn)營(yíng)共計(jì)42顆中軌衛(wèi)星，兼用傾斜和赤道軌道，成為一個(gè)全球性通信系統(tǒng)。O3b第一代衛(wèi)星均運(yùn)行在高度為8 062 km、傾角為0.03°的赤道上空MEO軌道，軌道周期為287.92 min，能夠覆蓋南、北緯45°之間所有地方，在南緯、北緯45°～62°范圍內(nèi)也能提供一定的服務(wù)。雖然部分衛(wèi)星系統(tǒng)項(xiàng)目停止或者公司破產(chǎn)重組，但都只是商業(yè)上的失敗，作為星座設(shè)計(jì)技術(shù)上的經(jīng)典案例，對(duì)本文星座設(shè)計(jì)仍具有重要參考意義。3種系統(tǒng)各有長(zhǎng)短，我國(guó)對(duì)GEO、LEO星座系統(tǒng)都已有所布局，還需要對(duì)MEO星座系統(tǒng)進(jìn)行布局，搶占MEO軌道位置資源和技術(shù)市場(chǎng)先機(jī)，本文價(jià)值在于為我國(guó)MEO星座系統(tǒng)如何組網(wǎng)規(guī)劃提供參考。

衛(wèi)星星座組網(wǎng)有兩種途徑：一是通過(guò)星際鏈路實(shí)現(xiàn)，如Iridium系統(tǒng)、Starlink系統(tǒng)、Telesat系統(tǒng)；二是通過(guò)地面信關(guān)站中繼實(shí)現(xiàn)，如ICO系統(tǒng)、O3b系統(tǒng)、Globalstar系統(tǒng)、OneWeb系統(tǒng)。在全球范圍內(nèi)布局地面信關(guān)站需要考量地形地貌、地緣政治等多重因素，OneWeb系統(tǒng)計(jì)劃部署70余個(gè)信關(guān)站，但依然難以實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫服務(wù)?；谛情g鏈路及星上交換技術(shù)的組網(wǎng)方式可擺脫信關(guān)站部署障礙，對(duì)于實(shí)現(xiàn)全球服務(wù)能力、優(yōu)化信關(guān)站部署規(guī)模存在重要意義。目前，我國(guó)在境外建立地面站受限，適宜采用星際鏈路組網(wǎng)，同時(shí)當(dāng)衛(wèi)星處于境內(nèi)上空時(shí)又可以實(shí)現(xiàn)地面站中繼組網(wǎng)，將兩種組網(wǎng)方案的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行混合組網(wǎng)，可以建立以我國(guó)區(qū)域覆蓋為主，同時(shí)兼顧全球的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。本文參考世界各MEO星座和我國(guó)國(guó)情，提出了一種（6+4）MEO星座方案，并使用STK[14]對(duì)星座覆蓋性能、星際鏈路特性和信關(guān)站選址及覆蓋性能進(jìn)行了仿真分析[15]，論證了該方案的可行性。

1 星座組成及覆蓋性能分析

星座設(shè)計(jì)需要根據(jù)任務(wù)需求進(jìn)行，基于當(dāng)前我國(guó)國(guó)家利益在全球的拓展，星座應(yīng)實(shí)現(xiàn)全球覆蓋、提供基本接入，同時(shí)，我國(guó)是系統(tǒng)用戶和業(yè)務(wù)最多的地區(qū)，是重點(diǎn)服務(wù)區(qū)，在系統(tǒng)容量上應(yīng)提供更多接入點(diǎn)。基于以上需求，本文提出一種MEO星座，星座包含10顆MEO衛(wèi)星，其中6顆均勻分布在赤道軌道平面內(nèi)，相位角為60°、軌道傾角為0°；4顆均勻分布在極地軌道平面內(nèi)，相位角為90°、軌道傾角為90°。所有衛(wèi)星軌道高度為10 352 km，回歸周期為1天，1天內(nèi)運(yùn)行4圈。重點(diǎn)服務(wù)區(qū)域中心位置在110°E，應(yīng)該使極地軌道衛(wèi)星地面軌跡關(guān)于此中心位置左右對(duì)稱，以取得對(duì)重點(diǎn)服務(wù)區(qū)域比較均勻的覆蓋，計(jì)算可得極軌道的升交點(diǎn)赤經(jīng)應(yīng)為89.6°，4顆衛(wèi)星的真近點(diǎn)角分別為0°、90°、180°、270°。當(dāng)極軌道衛(wèi)星運(yùn)行至赤道上空時(shí)，與相鄰兩顆赤道衛(wèi)星的間隔分別為15°和45°，使整個(gè)星座取得比較均勻的覆蓋效果。這里選用赤道軌道衛(wèi)星升交點(diǎn)赤經(jīng)為74.6°，真近點(diǎn)角分別為0°、60°、120°、180°、240°、300°。（6＋4）MEO星座的3D效果如圖1所示。

圖1 （6＋4）MEO星座的3D效果

星座的軌道要素確定后，使用STK對(duì)其10°最小仰角下的覆蓋性能進(jìn)行仿真，赤道軌道和極地軌道的覆蓋特性（最低仰角10°）見(jiàn)表1，該星座可實(shí)現(xiàn)全球服務(wù)區(qū)全時(shí)100%覆蓋。星座的覆蓋性能是在緯度方向帶狀分布的，即相同緯度帶的覆蓋性能相同。

表1 赤道軌道和極地軌道的覆蓋特性（最低仰角為10°）

2 組網(wǎng)方案分析

衛(wèi)星之間是通過(guò)星際鏈路組網(wǎng)還是通過(guò)地面站組網(wǎng)需要綜合考慮多種因素。一方面，我國(guó)要實(shí)現(xiàn)全球通信，信關(guān)站只能建立在我國(guó)境內(nèi)，必須使用星際鏈路實(shí)現(xiàn)全球通信；另一方面，星際鏈路技術(shù)對(duì)衛(wèi)星復(fù)雜度要求較高，技術(shù)難度比較大，且受功率、容量等限制，星上處理能力有限，在能使用地面站的地方應(yīng)避免使用星際鏈路。下面對(duì)星際鏈路特性、信關(guān)站覆蓋性能進(jìn)行分析。

2.1 星際鏈路組網(wǎng)

使用星際鏈路組網(wǎng)有很多優(yōu)點(diǎn)：傳輸條件好，星際鏈路信號(hào)不需要穿過(guò)大氣層，沒(méi)有大氣吸收、雨衰、遮擋、多徑效應(yīng)等損耗，可以采用頻率更高的波段或激光通信，實(shí)現(xiàn)大容量通信；傳輸效率高，星際鏈路中繼比地面站雙跳中繼傳播時(shí)延短，提高了傳輸效率，更容易滿足實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）要求；組網(wǎng)方便，地面信關(guān)站的建設(shè)會(huì)受政治、經(jīng)濟(jì)、地理等方面的限制，而星際鏈路沒(méi)有這些限制，系統(tǒng)路由選擇和網(wǎng)絡(luò)管理更加靈活方便；抗毀性強(qiáng)，所有衛(wèi)星通過(guò)星際鏈路互聯(lián)后，通信信號(hào)能不依賴于地面通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，極大地提高了系統(tǒng)抗干擾和抗摧毀能力；地面段壓力小。采用星際鏈路減少了對(duì)地面信關(guān)站的數(shù)量需求，從而可大大降低地面段的復(fù)雜度和投資。但是采用星際鏈路也帶來(lái)一些代價(jià)和難度：由于星際鏈路主要用作中繼網(wǎng)絡(luò)，對(duì)信噪比、帶寬要求都比信關(guān)站鏈路高，給收發(fā)天線、射頻設(shè)備、調(diào)制解調(diào)設(shè)備和基帶處理設(shè)備提出了更高的要求，而且衛(wèi)星必須具有星上處理和交換功能，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的星上選路和交換，衛(wèi)星研制難度較大；作為中繼鏈路，星際鏈路適合采用較高的工作頻段或采用激光星際鏈路，但天線指向捕獲困難，指向誤差會(huì)降低天線增益；星際鏈路距離和指向特性變化幅度較大、較快時(shí)，需要精準(zhǔn)靈敏的星際鏈路天線指向控制和功率控制技術(shù)。

本星座同軌道相鄰衛(wèi)星之間的相對(duì)位置比較固定，星際鏈路特性幾乎不變，因此實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，通過(guò)計(jì)算得知，10°最小仰角下的星地距離為10 352～14 500 km，傳輸時(shí)延為35～48 ms，軌道內(nèi)相鄰星間距離為10 352+6 370=16 722（km），傳輸時(shí)延為55.74 ms，隔一顆星的星際鏈路距離為16 722×1.732=28 962（km），傳輸時(shí)延為96 ms?？梢?jiàn)，隔一顆星建立星際鏈路代價(jià)較大，且沒(méi)有明顯的優(yōu)勢(shì)，故軌道內(nèi)只是在相鄰星之間建立鏈路。

赤軌道面和極軌道面相互垂直，若按照距離最近的原則建立軌際鏈路，則某半個(gè)軌道周期（3 h）內(nèi)兩個(gè)軌道交點(diǎn)附近的鏈路建立情況見(jiàn)表2，半個(gè)周期內(nèi)要進(jìn)行4次星際鏈路切換，鏈路持續(xù)時(shí)間分別為30 min、30 min、1 h、1 h。其他時(shí)刻以及另一個(gè)交點(diǎn)附近的鏈路情況與此類(lèi)似。軌際鏈路JidiSat12-ChidaoSat13的方位角、仰角及距離變化特性如圖2所示，4:44—5:44鏈路建立期間星際距離范圍為3 102～15 013 km，方位角范圍為40°～0°(360°)～246°，仰角范圍為?27°～?5.3°，距離變化速率范圍為?6.06～6.06 km/s，角度變化速率范圍為0.005～0.128(°)/s?？梢?jiàn)，軌際鏈路的距離和指向變化范圍很大，實(shí)現(xiàn)難度較大，應(yīng)考慮通過(guò)地面站實(shí)現(xiàn)軌際通信。

圖2 軌際鏈路JidiSat12-ChidaoSat13的方位角、仰角及距離變化特性

表2 某半個(gè)軌道周期（3 h）內(nèi)兩個(gè)軌道交點(diǎn)附近的鏈路建立情況

2.2 地面信關(guān)站組網(wǎng)

信關(guān)站數(shù)目與位置直接關(guān)系到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率、所能提供服務(wù)的性能及系統(tǒng)可靠性等多個(gè)方面內(nèi)容，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要課題。信關(guān)站的選擇不僅要求節(jié)約投資、減少系統(tǒng)復(fù)雜度，還希望能夠保證系統(tǒng)安全性和提高系統(tǒng)的穩(wěn)健性等。信關(guān)站選擇原則和要求如下[1]：在滿足系統(tǒng)性能（容量）要求的前提下，信關(guān)站的數(shù)目要盡可能少，信關(guān)站過(guò)多不僅增大系統(tǒng)投資，且會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜度；赤軌道信關(guān)站和極軌道信關(guān)站之間要求始終保持有連接，因?yàn)樵谠撓到y(tǒng)中，異軌道衛(wèi)星之間星際鏈路實(shí)現(xiàn)難度較大，位于不同軌道衛(wèi)星覆蓋區(qū)下的用戶之間通過(guò)衛(wèi)星和信關(guān)站進(jìn)行實(shí)時(shí)通信時(shí)，需要信關(guān)站之間的協(xié)同工作；信關(guān)站站址要求在我國(guó)自主控制的范圍內(nèi)，并且希望能夠通過(guò)信關(guān)站與其他地面網(wǎng)（固定網(wǎng)與無(wú)線網(wǎng)）相連；在星座給定的條件下，要求信關(guān)站站址合理，使得實(shí)時(shí)覆蓋區(qū)的面積盡可能大，所以一部分信關(guān)站要求盡量靠近邊境；盡可能滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性、穩(wěn)健性要求，需要冗余一定的備份信關(guān)站，在某些信關(guān)站失效時(shí)，系統(tǒng)能夠降級(jí)運(yùn)行，但性能受到的影響相對(duì)較小。

表1指出，當(dāng)?shù)孛嬲咀畹脱鼋菫?0°時(shí)，赤道軌道可以全時(shí)覆蓋到緯度為52.89°內(nèi)的區(qū)域，對(duì)52.89°～57.7°的地區(qū)是間斷覆蓋，其他高緯度覆蓋不到，極地軌道對(duì)48°以上的高緯度地區(qū)是全時(shí)覆蓋，對(duì)緯度48.2°內(nèi)的區(qū)域是間斷覆蓋，故可以在緯度為48.2°～52.89°的區(qū)域，如呼倫貝爾，建立軌道間中繼信關(guān)站，實(shí)現(xiàn)任何時(shí)候國(guó)外用戶之間的通信。而且，通過(guò)圖3所示的星座各個(gè)衛(wèi)星對(duì)中國(guó)國(guó)土的覆蓋情況也可以看出，任何時(shí)候，中國(guó)國(guó)土都可以同時(shí)連接到極地軌道星座和赤道星座，只要適當(dāng)布局信關(guān)站，使得其中一些信關(guān)站與極地軌道通信，另外一些信關(guān)站與赤道軌道通信，即可通過(guò)兩個(gè)或多個(gè)地面站中繼來(lái)實(shí)現(xiàn)軌道間的通信。

圖3 星座各個(gè)衛(wèi)星對(duì)中國(guó)國(guó)土的覆蓋情況

參考ICO系統(tǒng)，假設(shè)每個(gè)信關(guān)站的容量為5 000路，每顆衛(wèi)星容量為4 500路[2]，國(guó)土大部分時(shí)間是被3+1或3+2顆星覆蓋，考慮到國(guó)土遼闊以及系統(tǒng)冗余量，對(duì)所有的可見(jiàn)星都要進(jìn)行接入，5星容量為4 500×5路，地面至少需要5個(gè)接入信關(guān)站和1個(gè)中央信關(guān)站（網(wǎng)管中心所在站）。中央信關(guān)站可以建在北京。接入信關(guān)站要盡量靠近邊境，使信關(guān)站覆蓋范圍盡量寬廣，又能相互合作實(shí)現(xiàn)軌道間中繼通信，如呼倫貝爾、烏魯木齊、拉薩、?？?、南京。呼倫貝爾單獨(dú)可實(shí)現(xiàn)24 h軌道間中繼通信，烏魯木齊或拉薩與?？诨蚰暇┐钆湟部蓪?shí)現(xiàn)24 h軌道間中繼通信?？梢?jiàn)，軌道間通過(guò)地面站中繼組網(wǎng)的抗毀性很強(qiáng)，而且，我國(guó)國(guó)土及周邊的重點(diǎn)服務(wù)區(qū)用戶都可以直接接入信關(guān)站進(jìn)行通信，不用經(jīng)過(guò)星際鏈路中繼，服務(wù)質(zhì)量更有保障。

2.3 方案性能對(duì)比

第2.1節(jié)分析指出軌際鏈路的距離和指向變化范圍很大，軌際鏈路組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)難度較大，第2.2節(jié)指出通過(guò)合理配置地面信關(guān)站可實(shí)現(xiàn)軌際通信，下面再分析一下兩種軌際通信方案的時(shí)延特性，最終確定組網(wǎng)方案。赤道軌道覆蓋不到57.7°以上的區(qū)域，極地軌道全時(shí)覆蓋不到48.2°以下的區(qū)域，因此異軌道用戶地面站中繼時(shí)延最長(zhǎng)的情況是極地軌道盲區(qū)用戶在我國(guó)國(guó)土的地球另一側(cè)，而赤道軌道盲區(qū)用戶在南極附近，地面站中繼時(shí)延（約400 ms）比軌際鏈路中繼時(shí)延（約200 ms）要長(zhǎng)很多；地面站中繼時(shí)延最短的情況是極地軌道盲區(qū)用戶在中國(guó)國(guó)土的這一側(cè)，而赤道軌道盲區(qū)用戶在北極附近，地面站中繼時(shí)延（約200 ms）比軌際鏈路中繼時(shí)延（約250 ms）要稍短一點(diǎn)。其他地區(qū)用戶傳輸時(shí)延介于二者之間，大部分時(shí)間和地點(diǎn)都是軌際鏈路中繼時(shí)延優(yōu)于地面站中繼。

軌際鏈路中繼雖然具有時(shí)延短的優(yōu)勢(shì)，但其時(shí)延也在200 ms以上，來(lái)回將達(dá)到400 ms以上，已經(jīng)不能滿足實(shí)時(shí)性要求，而且還存在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、鏈路特性變化較大、對(duì)星上天線性能要求很高、鏈路管理麻煩等問(wèn)題，加之我國(guó)的境內(nèi)通信業(yè)務(wù)量占整個(gè)業(yè)務(wù)量比重較大，更適合通過(guò)地面站中繼實(shí)現(xiàn)軌際通信。

基于以上分析，本MEO星座組網(wǎng)方案選擇混合組網(wǎng)：同一個(gè)軌道內(nèi)的相鄰衛(wèi)星間通過(guò)星際鏈路互連組網(wǎng)，不同軌道間的衛(wèi)星通過(guò)地面信關(guān)站實(shí)現(xiàn)互連組網(wǎng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)LEO星座研究較多，對(duì)MEO星座研究較少，本文提出一種（6+4）MEO星座，用STK工具深入仿真分析了星座覆蓋性能、星際鏈路特性、地面信關(guān)站配置及覆蓋性能，分析論證了符合我國(guó)國(guó)情的混合組網(wǎng)方案，本方案通過(guò)地面站中繼實(shí)現(xiàn)軌道間通信，有效規(guī)避了利用星際鏈路實(shí)現(xiàn)軌際通信時(shí)存在的各種問(wèn)題，系統(tǒng)組網(wǎng)簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)，在全球低軌衛(wèi)星軌道資源緊張的形勢(shì)下具有很強(qiáng)的戰(zhàn)略意義。當(dāng)然，MEO星座系統(tǒng)作為GEO系統(tǒng)和LEO系統(tǒng)的折中，缺點(diǎn)也是相對(duì)的，MEO系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓谥芷谛宰兓?、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和管理相較GEO系統(tǒng)更復(fù)雜，實(shí)時(shí)性沒(méi)有LEO系統(tǒng)更接近地面網(wǎng)絡(luò)，在后續(xù)與5G、6G等地面網(wǎng)絡(luò)的融合中，應(yīng)用場(chǎng)景將受到影響，但是，從戰(zhàn)略角度考慮，我國(guó)仍應(yīng)該在MEO領(lǐng)域提前布局謀劃，搶占MEO頻率軌道資源，搶占技術(shù)和市場(chǎng)先機(jī)。