低轨星座通导一体化：现状、机遇和挑战

随着毫米波、高通量卫星通信等技术日渐成熟，及其对全球宽带通信服务的迫切需求，低轨巨型通信星座建设受到极大关注，高达数千颗卫星的低轨通信星座被部署，大量部署的低轨通信卫星实现了高频射频信号对地面的多重覆盖，同时地面通信资源为信号接收提供了硬件平台，为通信导航一体化的发展创造了条件。讨论了低轨通导一体化星座的现状、机遇和挑战，重点阐述了低轨通导一体化星座与全球卫星导航系统所需资源的差异，按照空间段、地面段和用户段分别进行了阐述，最后给出了结论和对未来研究的展望。     

基于随机几何的低轨星座下行通信链路仿真与分析

低轨卫星网络具有低成本、大容量、广覆盖的特性,是未来空天地海一体化网络中的重要支柱和6G网络的关键组成部分,开展链路分析对于低轨星座链路设计与优化具有重要意义。由于低轨卫星移动性强、星地电磁环境复杂、链路较长等特点,星地信息传输与传统地面移动通信有着显著差异。根据低轨星座的特性构建星座网络的随机几何BPP模型,并针对低轨星座空间分布及移动特征,分析了单星及多星场景下的损耗、干扰等对星地通信链路的影响。通过给出星座系统干扰期望计算方法,并基于所构建BPP网络对星地通信链路特性进行仿真。仿真结果表明,构建随机几何的基于BPP分布的星座模型可以很好地模拟卫星网络的状态,采用随机几何对低轨星座下行通信链路进行仿真分析,能够得到更具泛化的星座构型下低轨星座对地面站的干扰情况,为巨型低轨星座网络分析及星地链路设计提供了参考。     

基于分布式星群的双层星座设计

当前,陆地通信系统已无法满足日益复杂的信息需求,利用空间信息网络实现全球范围内的无缝覆盖和高效容量传输成为研究热点。现有卫星通信系统以单层星座为主,缺少高低轨卫星之间的协同。提出了一种基于分布式星群的双层星座设计,以基于分布式星群的低轨卫星作为网络架构的基础,采用星间链路实现低轨卫星之间的通信,通过高轨卫星实现中低纬度地区覆盖性能加强。仿真结果表明,所提方法在仅依靠在国内部署卫星地面站的前提下可实现全球多重覆盖。     

双层卫星网络QoS路由算法研究

具有星际链路的双层通信星座网络可为全球提供宽带实时多媒体通信服务,路由算法设计是其中关键技术之一。本文详细介绍了由低轨卫星与中轨卫星构成的空间信息通信网双层星座系统体系结构,提出了一种新的具有QoS保证的双层卫星网络路由算法。仿真结果表明提出的路由算法可以满足系统的QoS业务要求的延迟、丢包率与抖动等指标。     

中国低轨卫星星座组网设计与规划

针对全球性低轨卫星星座系统成本高、技术难度大、实现周期长等问题,提出了适 用于我国低轨卫星星座的分步实施方案。在分析星座设计主要问题的基础上,利用24颗卫星 设计了能够实现对中低纬度连续覆盖的低轨卫星星座,以此低轨星座构型为基础,结合我国 当前实际,在假定任务背景下,研究了第一阶段4颗卫星的优化部署方案,并利用STK对不同 设计方案的覆盖性能进行了仿真和对比分析,验证了连续覆盖型星座的优势,为我国低轨卫 星通信系统的组建提供了参考。     

星座通信卫星

文中介绍了国内外典型的星座通信系统,特别是研究Orbcomm系统的组成、特点、应用以及成功运营的经验,中低轨星座通信系统中涉及到的关键技术,最后展望了星座通信系统在全球及在我国的发展前景。     

基于低轨通信星座的全球导航增强系统

针对我国难以全球建站实现全球连续监测,以及当前全球卫星导航系统(GNSS)精密定位收敛速度慢的难题,提出一种基于低轨全球通信星座的全球导航增强系统。该系统不需独立建设,可与低轨通信星座融合发展。低轨卫星既可作为“天基监测站”,又可作为“导航信息源”。结合正在发展的低轨鸿雁全球通信系统进行仿真分析,作为“天基监测站”时,通过配置高精确度GNSS接收机,采用“地面区域监测网+天基全球监测网”的观测体制,实现中高轨导航卫星与低轨通信卫星的联合精密定轨与钟差确定;作为“导航信息源”时,可降低几何精确度因子(GDOP)值和缩短精密单点定位首次收敛时间,相比只利用北斗单系统,在收敛时间方面具有显著优势,收敛时间从30 min缩短到5 min以内。     

采用遗传算法的低轨区域通信星座优化设计

给出一种利用改进遗传算法实现低轨区域通信星座优化设计的方法,有效克服了上述困难。首先建立通用的区域覆盖星座模型,确定优化控制参数,并结合低轨星座应用背景对其进行约束。然后给出一种基于网格点统计的星座性能评价准则。为了提高遗传算法对局部最优解的搜索能力,文章提出一种混合遗传算法,该方法在基本遗传算法中加入复形调优算法,并根据优秀个体的分布对参数区间进行调整。将该算法应用于星座模型,建立一套完整的星座优化设计方案。最后对具体实例进行优化仿真,结果表明该方法取得良好的优化结果。     

低轨通信星座星间链路特点研究

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。     

通过改进的仿真器对LEO系统进行延时性能研究

卫星技术的进步使得配置一个由低轨卫星组成的卫星星座来实现通信成为现实。介绍了一种仿真工具的扩展，并通过这种工具对LEO卫星系统瑞到端的传播延时性能进行了研究。     

基于STK的双层卫星星座设计及仿真

轨道与星座的设计是整个卫星通信系统设计的基础,合理的轨道设计与星座配置方案可以显著提高系统的整体性能。结合GEO卫星处理能力强,LEO卫星星地时延小的特点,以提供全球实时接入为目标,提出了一种由LEO卫星提供全球覆盖的GEO/LEO双层卫星网络星座设计方案。运用卫星覆盖带分析方法,确定由48颗LEO卫星完成全球覆盖。通过在STK仿真环境下进行计算机仿真验证,得到所设计的卫星星座可完成全天时全球覆盖。     

LEO卫星移动通信系统空间网络技术分析

在分析LEO卫星星座移动通信系统空间段网络功能和特点的基础上,进行了星座网络路由和交换技术体制的分析和论证,提出了以支持话音业务为主的LEO卫星移动通信系统星座网络路由和交换技术方案。星座网络采用定长信元格式交换体制,采用动态拓扑离散化的拓扑快照静态路由策略。这种静态路由离线计算方式和定长信元交换相结合,提高了网络交换的效率和转发速率。     

低轨大规模卫星星座系统建模与干扰分析

针对低轨(LEO)大规模卫星星座系统存在电磁空间复杂且难于观测的问题,对低轨卫星星座链路特征进行研究。以Starlink和OneWeb星座为研究对象,根据低轨卫星的星座参数,获取等效全向辐射功(EIRP)值并进行可视化处理;对获取到的低轨电磁卫星数据进行分析,获取数据的衰减特性和时间、频率等的数据关系,计算星间的链路干扰以及时间上的分布特征;获取相对干扰时间的特征值以及星间数据的衰减与时频的多维特性,并分析不同场景下的干扰时间特征,从多个维度分析低轨大规模卫星星座系统间星间链路的干扰情况并进行仿真验证。实验证明了低轨大规模卫星星座系统之间的星间链路存在干扰情况,且频率越高,干扰现象越明显。     

全球覆盖稳定拓扑LEO/MEO双层卫星激光网络设计

利用覆盖带法,设计了全球连续覆盖低轨道(LEO,lowearth orbit)/中轨道(MEO,mediumearth orbit)双层卫星光网络结构。LEO层是一个零相位因子walkerdelta星座,系统具准静态的Mesh逻辑结构。MEO层由赤道和极地轨道两个轨道组成,补充了LEO层对赤道地区覆盖的不足。覆盖性能结果表明,该网络上升轨道卫星对全球提供99.9%的平均覆盖,对我国提供100%的覆盖。链路性能仿真表明,双层卫星网络结构网络拓扑稳定,相邻节点仰角变化范围小,非常适合激光链路,与国外同类型星座相比所需卫星数少。     

Dynamic beam shut-off algorithm for LEO satellite constellation

Aiming at the problems of the relatively dense coverage of the satellites in the space segment of the low earth orbit (LEO) multibeam satellite constellation network,which resulted in relatively dense areas in some regions,causing severe inter-beam interference and unnecessary beam resource overhead,a beam shut-off algorithm was proposed with global coverage requirements.The dynamic beam shut-off (DBSO) optimization problem was formulated in LEO multibeam satellite constellation network.Then,the problem was proved to be NP-complete and a heuristic DBSO algorithm was proposed.Simulation scenario considers the Iridium constellation network scenario with total 3 168 beams,and it shows that the number of required activated beams is only 1 913 with 39.61% beam resource reduction.     

最大访问间隔时间与成像侦察卫星星座

以区域成像侦察为背景,基于遗传算法提出了一个成像侦察卫星星座设计方法。研究了通过遗传算法模型优化设计侦察卫星轨道高度、轨道倾角、右升交点角及平近点角等轨道参数的方法。并对有3颗低轨道卫星的侦察卫星星座进行了优化仿真。结果表明,优化后的星座不仅在指定目标区域具有优异的最大访问间隔时间性能,而且具有一定的全球侦察能力。     

侦察卫星星座的轨道高度分析

以区域侦察为背景,基于遗传算法提出了一个侦察卫星星座设计方法。研究了通过遗传算法模型优化设计侦察卫星轨道倾角、右升交点角以及平近点角等轨道参数的方法。分析了轨道高度与最大访问间隔时间之间的关系。基于7种不同轨道高度对有3颗低轨道卫星的侦察卫星星座进行了优化仿真。结果表明,优化后的星座不仅在指定目标区域具有优异的最大访问间隔时间性能,而且具有一定的全球侦察能力。