[科普中国]-航空卫星网络

简介

航空卫星网络的早期模式是通过高轨道卫星作为中继转发，随着技术的发展，星间链路宽带直接通信逐步得到应用。美国国防部建立的全球信息栅格（GIG）中的一个重要组成就是卫网络。航空卫星通信网络包括三大部分：卫星星座网络、卫星与飞机通信网络和卫星与地面通信网络。

卫星星座网络卫星星座网络的基础是卫星的星座设计，在此基础上，可以实现星际网络。

卫星星座设计卫星星座设计可以追溯到1945年AahurC Clarker提出的3颗同步轨道卫星准全球通信，并在后来得到了发展和应用(INMARSAT系统)。同步轨道卫星覆盖区域广，但由于距离较远不能支持实时性强的业务，而其不能覆盖极地区域，因此，发展中低轨道卫星的区域覆盖、间断覆盖、极地覆盖和宽带实时通信是卫星星座设计的重点。2

当前应用的主要卫星星座的设计是单层星座设计，设计和应用系统：

（1）Walker倾斜轨道星座设计，应用于Globalstar系统、ICO系统、LEO ONE系统、Celestri系统、GIPSE系统等；

（2）极轨道星座，应用于“铱”星系统、Teledesic系统等；

（3）椭圆轨道星座，应用于高纬度地区，应用系统有Ellipso系统。

单层星座设计虽然得到了广泛应用，但也存在一些问题，主要有：

（1）卫星数量增加，导致了传输试验指标的增加，部分地区会出现通信阻塞，甚至是通信终端；

（2）单层星座的抗毁性较差。

多层星座设计的提出是为了满足多业务、可靠地骨干传输和全球覆盖综合网络需求。主要设计：

（1）基于MEO/LEO组成的双层卫星网络(DLSC)；

（2）卫星叠加卫星网络(SOS)；

（3）具有星际链路的LEO&MEO双层卫星网络；

（4）多层星座结构(MLSN)。

主要应用系统有：

（1）波音公司提出的SpaceWay系统，包含16颗GEO卫星和20颗MEO卫星组成的网络；

（2）Motorola公司提出的Rosetelesat，包含13颗LEO卫星和6颗GEO卫星组成的网络；

（3）GESN、GNSS和WEST系统也是由MEO卫星和GEO卫星组成的网络。

分布式卫星设计，即编队飞行卫星群设计，是为了单个卫星的信息处理负担，增强卫星通信的抗毁能力和抗干扰能力。分布式卫星设计需要建立在卫星自主定位、定规和运行技术和编队管理技术之上。分布式卫星设计当前还处于验证阶段。2

星际链路组网星际链路(ISL)是当前卫星骨干通信的重要模式，其组网的层次模型是由OSI标准模型的三个子层组成，如右图所示。星际链路组网主用用于多层星座设计和分布式卫星设计，星际链路的建立可以使航空卫星通信不需要依赖于地面网络传输，且可以建立逐步脱离地面网络的独立卫星网络。

星际链路组网的结构主要有星形、伞形和环形，如右下图所示。星间链路需要宽频带、低延时通信，主要使用微波、毫米波或激光通信。星际链路组网的路由协议分为两类，一是轨道内星际链路路由，这类链路连接比较固定，一般覆盖轨道内的2颗~4颗卫星，路由协议可以仿效Ad Hoc路由协议OSPF(最短路径优化协议)和RIP(路由信息协议)进行设计；二是轨道间的星际链路，这类链路连接动态变化性较强，卫星间的相对位置存在变化性，因此链路连接会出现很多次的切换，路由协议的设计需要根据卫星运行的预期、周期和规则进行，可以仿效Internet中的距离向量协议设计，但需要降低协议流量信息。

总结星际链路设计的方法：①自适应路由设计，主要根据卫星动态链路来设计；②固定路由设计，针对固定卫星链路连接设计；③ATM路由，针对点到点星际通信设计；④卫星群域内IP路由，主要针对卫星链路覆盖设计；⑤DAMA路由，针对军用卫星的动态性和大容量设计；⑥基于状态机的路由设计，将星际网络按照层次化划分设计，主要针对大型多层卫星星座设计。2

卫星与飞机通信网络卫星与飞机间的通信一般采用L频段、Ku频段和Ka频段，此类通信网络可视为空基移动网络。

卫星与飞机通信网络路由模式与Ad Hoc类似，不同之处在于卫星平台是飞机接人的核心节点，在飞机和卫星相对位置不断发生变化时，会发生飞机接入卫星的切换，可能是卫星的主动切换，也可能是飞机的主动切换，路由切换算法有覆盖域切换重新路由协议(FHRP)。飞机切换接入节点的模式与蜂窝网中用户的基站切换是类似的，涉及到地面站因素，则产生4种切换模式：同一基站卫星内不同波束切换，同一基站同一卫星波束间切换，不同基站不同卫星波束间切换。

如右图所示。图a为同基站同卫星波束间切换；图b为同基站不同卫星波束间切换；图c为不同基站同卫星波束间切换；同d为不同基站不同卫星波束间切换。

空基移动网络的特点是高速动态变化、资源费对称、网络结构不完整。

高速动态变化是指飞机处于高速运行状态，导致飞机接入卫星节点也处于一种跳变模式，非常明显的例子就是在中低轨道卫星的通信中，即便是在同步轨道卫星通信中，在8个时区跨度内至少会出现一次卫星节点切换。因此，此时的网络是一种高速动态跳变网络。

卫星与飞机通信网络的资源非对称性是指两个平台间的可用通信资源、发射功率和存储容量以及处理能力非对称，因此在链路设计时必须考虑性能较低一方的通信可承载性。

网络结构的不完整性是指网络的节点分布可能是稀疏的、非全连接模式。因此，无论是卫星节点还是飞机节点的变化都会影响整个网络的连接，有时还必须采用中继传输模式完成网络的对接。2

卫星与地面通信网络卫星与地面通信网络有三种部署模式：一是卫星一对多地面站组网；二是地面站一对多卫星组网；三是卫星与地面站多对多组网。此外的通信组网路由模式与广播卫星通信是一致的。2