[科普中国]-卫星组网

简介

随着数据通信业务需求的增加，单颗卫星工作模式难以满足日益旺盛的通信业务需要，因此，将多颗卫星组网为数据通信提供服务已成为未来通信发展的趋势。合理的卫星组网可以实现全球通信能力的连续覆盖，可以提高国防防御能力，实现空间通信的可视化。卫星组网技术涉及很多方面，例如卫星组网通信协议、卫星组网路由技术、卫星组网管理技术等。当前我国的卫星应用技术还处在单星模式，星座模式正在起步，因此要研究卫星组网技术，必须具备能够进行仿真验证的实验平台。1

卫星组网一般包括通信子网和资源子网，其中资源子网是卫星组网的信息资源部分，包括原始数据和融合数据两大类。通信子网是维系卫星组网的纽带，提供信息传输通道。从网络的角度来考虑，卫星组网主要包括卫星节点和星间链路。2

特点由于卫星和星间链路自身具有一定的特点，这样就使得卫星组网也具有一般地面网络所不具备的特点，主要包括以下几个方面：

(1) 资源有限：卫星组网主要包括卫星等航天器，由于技术的限制和环境的要求使得这些航天器上的各种资源(能量资源、计算资源等)非常有限。

(2) 网络拓扑结构周期性变化：大部分卫星组网网络节点都运行在各种轨道上，这就使得这些节点以及节点之间的通信链路不像地面计算机网络那样处在固定的位置上，而是随时间不断的变化。同时卫星组网与MANET(mobile ad hoc network，国内研究者也称之为自组网)的拓扑结构变化也有区别——卫星组网的拓扑结构是周期性变化的，而MANET的节点是随机移动的，其拓扑结构的变化是非周期性的。

(3) 网络传输延时较大：卫星组网的大量节点运行在不同的空间轨道上，节点之间的距离可能达到上万公里(例如轨道高度为两万公里的中轨道卫星MEO与低轨道卫星LEO之间的通信链路)，这样在网络节点之间传输数据和指令的延时比地面网络大。

(4) 空间环境恶劣：由于卫星组网节点运行在空间中而且它们之间的通信主要是以无线电波来完成的，因此空间的恶劣环境(多径衰落、电离层、大气、太阳活动等)会对节点之间的通信造成比较大的影响，例如可能导致传输期间通信链路的误码率高及通信无法完成等情况的发生。2

仿真需求仿真平台的建立要结合仿真需求，因此在建立仿真平台之前要明确仿真需求。卫星组网仿真需求包括以下几个方面：

(1) 仿真环境能够支持低、中、高轨以及静止轨道的卫星组成网络，同时能够支持不同轨道卫星的数量是可变的。

(2) 支持卫星组网的不同路由策略，为卫星组网的路由研究提供仿真基础平台。

(3) 仿真平台支持第三方的空间链路仿真需求，包括各类信道模拟器的集成。

(4) 为卫星组网的其他研究(例如网络管理、网络组织模型等研究)提供仿真验证平台。2

卫星组网的设计原则卫星组网设计时，应考虑以下原则。

(1) 轨道平面与卫星个数的选取：在构成星座的可选卫星总数一定时，应尽力将卫星分布在较少的轨道平面内，且在每个轨道平面布设一个备用卫星，以满足星座性能台阶的需求，当星座内个别卫星发生故障时，星座可降级稳定运行。

(2) 避免轨道摄动引起星座变形：为了避免轨道摄动造成星座变形，尽量选用分布在圆轨道的卫星，且卫星的轨道平面应保持相同的高度和倾角，确保星座中所有卫星的交点进动相等。

(3) 卫星轨道高度的选取：为减少大气阻力对轨道摄动的影响，选取轨道高度较高的卫星组成星座，且合理选择相邻轨道平面的相位，确保星座对地覆盖的均匀性，以便为地面用户提供较长的服务时间。

(4) 相邻轨道面内的相位：通过选择平面的相对位置，确定覆盖的均匀性。3

卫星组网设计的基本过程卫星组网的设计过程可以描述如下：

(1) 确定任务需求，特别是性能需求和指标，以及性能增长和降级台阶的目标；

(2) 在需求分析的基础上，按照设计原则和方法从总体设计、轨道设计入手，结合星座类型和功能的特点，进行初步的分析和设计；

(3) 进行星座性能的综合评估，如选择星座类型，评估覆盖性能和其他性能指标，分析性能增长与台阶以及高度台阶等问题。

(4) 形成设计文件，设计过程反复迭代至得到满足任务需求的最优或近优星座。3

卫星组网的因素及影响卫星组网的设计是复杂的，不同的设计因素对卫星组网的影响也不同。卫星组网设计因素主要包括卫星数目、轨道平面数目、轨道高度、轨道平面的相位、偏心率等，图1给出了相关因素对卫星组网设计的影响和选择准则。3

卫星组网基本构型从概念上来说，包含在一个卫星组网(星座)内的卫星可以位于任何轨道上，只要它们共同完成某一特定的任务就可以认为是一个卫星组网。但从实际应用的角度考虑，星座应具有一个稳定的构型以完成特定的任务。按照几何构形可以将常用的星座类型分为均匀对称星座、星形星座、椭圆轨道星座和混合星座。卫星编队(卫星群)也可以看作是一种特殊的星座构形,称之为编队星座。

均匀对称星座常常也称为Walker类星座，星座、星座和玫瑰星座都属于均匀对称星座。其特点是所有卫星都采用高度相同、倾角相同的圆轨道；轨道平面沿赤道均匀分布；卫星在轨道平面内均匀分布:不同轨道面之间卫星的相位存在一定关系。3