基于STK的双层卫星星座设计及仿真

     近年来，世界上各个通信大国都在积极发展本国的卫星通信网络，卫星通信网络具有自身独特的性能和优势，如通信距离远、覆盖范围广、不受地理环境限制、机动灵活、通信线路稳定可靠以及传输质量高等。覆盖能力使得卫星通信系统适用于航空、海运以及缺乏基础通信设施的偏远山区。同时,由于自然灾害的因素( 地震、洪水等) ，卫星通信系统可以作为地面网络失效后保持通信的重要后备方案。这些特点使卫星网络在通信网中具有极其重要的地位。

　　轨道与星座的设计是整个卫星通信网络设计的基础，合理的轨道设计与星座配置方案对卫星资源既可以进行充分利用，降低系统复杂度，又能满足系统的指标要求，提高系统整体性能优势。

　　1   系统总体构想

　　1.1   GEO、LEO 卫星特点

　　GEO 卫星位于地球赤道上空35 786 km，相对于地球表面的任一点，其位置保持固定不变，其轨道称为对地静止轨道。GEO 卫星覆盖范围较广，单颗卫星可覆盖地球表面积的1/ 3，3 颗卫星即可完成低纬地区的覆盖( 70℃ 纬度之间) 。卫星体积较大,有较强的运算处理能力。但由于其高度较高，导致与地面终端之间的时延较大，约为270 ms，必须采用较大功率进行信号传输以抵消链路损耗。

　　LEO 卫星距离地面700~ 2 000 km，较低的高度使其与地面终端之间的时延仅为25 ms 左右，链路损耗也很小，方便地面用户接入，宜于对实时性要求较高的信号进行传输。但由于LEO 卫星体积都比较小，导致星上有效载荷较小，所以其运算处理能力较差。

　　1.2   GEO/ LEO 双层网络结构

　　目前国内提出的多数GEO/ LEO 双层卫星网络方案，都是考虑以LEO 卫星对地球进行大部分覆盖，而采用GEO 卫星进行补网，进而完成覆盖。

　　但这种方法存在的问题是: 当某些用户处于由GEO卫星进行补网而完成覆盖的区域时，若用户进行通信，只能通过GEO 卫星进行，而对一些实时性要求较高的信息传输是不能够满足的。所以，设计具有覆盖性能的LEO 星座十分重要。该文设计的GEO/LEO 双层卫星星座，利用GEO 层卫星计算处理能力强、存储容量大的优点，仅以GEO 卫星完成网络路由表计算和低纬地区大容量非实时信息传输。而完成覆盖，实现用户的全天时实时接入,则主要由近极轨道LEO 卫星实现。

　　2   卫星星座设计

　　2.1   GEO层卫星星座设计

　　在GEO 层，GEO 卫星数目是4 颗( 有一颗是备用星) ，3 颗星均匀分布在赤道上空的同步地球轨道上，经度分别为0℃ 、- 120℃ 和+ 120℃ ，备用星则在轨伺服，经度+ 110℃ 。这些GEO 卫星组成覆盖低纬度区域( - 70℃ ~ 70℃ ) 的GEO 星座。

　　2. 2   LEO层卫星星座设计

　　当卫星轨道平面相对于赤道平面的倾角为90℃时，轨道穿越地球南北极上空，这种类型的轨道称为极轨道。在极轨道星座中，相邻轨道面间的卫星存在2 种相对运动关系: 顺行和逆行。顺行轨道面的卫星之间保持固定的空间相位关系，而逆行轨道面的卫星之间的空间相位关系则是变化的，其星座极点观察投影图如图1 所示。

图1   极轨道星座极点观察投影图

　　极轨道设计思想基于图2 所示的卫星覆盖带(STreet of Coverage) 的概念。覆盖带是基于同一轨道面内多颗卫星的相邻重叠覆盖特性，在地面上形成的一个连续覆盖区域。图2 中单颗卫星覆盖的半地心角 与同一轨道面内卫星组合而成的覆盖带半宽度a之间满足：

　　式中，S 为每个轨道面内的卫星数量，R e 为地球半径6 379. 5 km，h 为卫星高度，E 为观察点的仰角。

图2  卫星覆盖带

　　若极轨道实现覆盖，则星座参数应满足：

　　式中，P 为星座总的轨道面数量，△γ为相邻轨道面相邻卫星之间的相位差。

　　轨道高度的选择应考虑2 方面因素：

　　1）.远离范?艾伦带并避免大气阻力的影响范?艾伦带是2 条围绕地球的高能粒子辐射带,范围在1 500~ 5 000 km 和13 000~ 20 000 km 之间,其对电子电路具有很强的破坏性，因此选择卫星高度时应避免这2 个区域; 另外，在轨道高度低于700 km时，大气阻力会严重影响卫星的飞行，缩短卫星寿命，在轨道高度高于1 000 km 时，大气阻力的影响可以忽略。所以，低轨道卫星高度应选择在1 000~ 1 500 km。

　　2）.便于在卫星运行中定位控制。

　　为便于卫星在运行过程中进行定位控制，轨道应选择准回归轨道，即卫星每隔一天或数天在同一时刻通过同一地点上空。则卫星周期T s 应满足：

　　根据开普勒定理，卫星高度与卫星周期之间应满足：

　　式中，k 、n 为整数，Te 为恒星日，Te= 86 164 s; G 为万有引力常数,；M 为地球质量,。

　　选取k / n= 1/ 13，则由式( 8) 得h= 1 246. 8 km,满足700 km< h< 1 500 km。

　　在地面仰角E= 10℃ 时，将h 代入式( 2) 得出覆盖半地心角 = 24. 5℃ 。轨道面内卫星数量S =360℃ /2a= 7. 347，所以取每轨道面内卫星数S = 8。

　　则由式( 3) 、式( 4) 、式( 5) 和式( 6) 得卫星轨道面数P= 5. 646，取P = 6，△γ = 22. 5℃ ，1 = 32. 016℃ ，2 =19. 92℃ 。即在满足覆盖的条件下，整个星座共有48 颗卫星分布于6 个轨道面上，每轨道面内8 颗卫星，轨道高度1 246. 8 km，顺行轨道面升交点经度差为32. 016℃ ，逆行轨道面升交点经度差为19. 92℃ ,相邻轨道面同号卫星相位差为22. 5℃ 。

　　极轨道星座虽然能够通过简单的解析方法确定轨道参数，但由于相隔1 个轨道的2 个轨道面上的卫星具有相同的相位，因此，在轨道面多于2 的情况下，卫星有在极点碰撞的危险，为避免这种情况发生，同时保持解析方法所得参数的可用性，人们通常选用与赤道夹角在80℃~ 100℃( 除90℃) 的近极轨道来代替极轨道。在给定轨道面数、单轨道卫星数情况下，所需修正参数如下：

　　式中，i 为轨道倾角。则在地面仰角为10℃，i 为85℃情况下，修正后数据为: 单颗卫星地心角24. 5℃,整个星座仍由48 颗卫星分配与6 个轨道面上，每轨道面内8 颗卫星，轨道高度1 246. 8 km，顺行轨道面升交点经度差为32℃，逆行轨道面经度差为20℃，相邻轨道面同号卫星相位差为19. 4℃。

　　3   星座仿真

　　3.1   利用GEO 卫星补网完成覆盖的星座

　　星座补网前LEO 层参数为: 地面仰角10℃，24 颗卫星分布于4 个轨道上，每轨道面内6 颗卫星，轨道高度1 246. 8 km，顺行轨道面升交点经度差为45℃,逆行轨道面经度差为45℃，相邻轨道面同号卫星相位差为30℃，其STK( Satellite Tool Kit) 仿真结果为: 仅依靠LEO 层卫星不能完成覆盖，在一天中( 1 Jul2007 12: 00: 00 至2 Jul 2007 12: 00: 00) ，覆盖率为99. 63%，出现在? 2 Jul 2007 7: 34: 45. 014( 时刻,全天的平均覆盖率为99. 94%。

　　经3+ 1 颗GEO 卫星补网后双层卫星星座仿真结果为: 在仿真时间选定为1 天( 1 Jul 2007 12: 00: 00至2 Jul 2007 12: 00: 00) 的情况下，对地球覆盖率可达到100% ，即经GEO 进行补网后，星座可完成全天时覆盖。

　　3 2   LEO覆盖下卫星星座仿真结果

　　运用第2 节中数据使用STK 进行计算机仿真得出LEO 卫星的覆盖特性为: 对地球的覆盖性能在系统时间选定为1 天( 1 Jul 2007 12: 00: 00 至2 Jul 200712: 00: 00) 的情况下，可以对地球进行100% 的覆盖,即所设计的近极轨道卫星可以完成对地球的全天时覆盖。

　　对比2. 2 节与3. 1 节中所设计星座可以得出2种星座均能完成覆盖，但3. 1 节中星座依靠LEO 层卫星完不成全天时覆盖，而只有经过GEO 补网后才能完成全天时覆盖。2. 2 节中星座仅依靠LEO 层卫星即可完成全天时覆盖，增加GEO 层卫星后将形成对低纬地区由双层卫星同时覆盖。

　　4   结束语

　　卫星星座的设计是一个复杂的过程，其结果会随不同的设计目标而有所差异。该文设计的星座,以LEO 卫星进行覆盖，实现用户的全天时接入，而GEO 层卫星仅实现后续工作中网络路由表的计算和低纬地区大容量非实时信息的传输，有较强的针对性。通过计算机仿真，并通过与利用GEO补网而完成覆盖的星座之间的对比，验证了所设计的星座能够满足对覆盖率方面的要求，对传输实时业务有着较大意义

  

参考文献:

[1]. Te  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/Te+_2043000.html.