基于小衛(wèi)星中繼的遠(yuǎn)程通信方案?

吳昊，陳樹新，張衡陽

（空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院，西安710077）

基于小衛(wèi)星中繼的遠(yuǎn)程通信方案?

吳昊，陳樹新，張衡陽

（空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院，西安710077）

為滿足遠(yuǎn)程局部戰(zhàn)場的通信需求，提出了一種以小衛(wèi)星為中繼的遠(yuǎn)程通信方案。在分析遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)組成和工作原理的基礎(chǔ)上，綜合考慮環(huán)境因素推算了小衛(wèi)星軌道參數(shù)，構(gòu)建了具備通信中繼功能的中橢圓回歸軌道小衛(wèi)星星座，實(shí)現(xiàn)了戰(zhàn)機(jī)-作戰(zhàn)指揮中心通信功能，通過STK軟件建立了基于小衛(wèi)星中繼的遠(yuǎn)程通信覆蓋模型。仿真結(jié)果表明，該方案對指定戰(zhàn)區(qū)的平均覆蓋率為99.69%，作戰(zhàn)指揮中心與戰(zhàn)機(jī)的可連接時間達(dá)到98.26%。

遠(yuǎn)程通信；小衛(wèi)星；中繼；區(qū)域覆蓋；橢圓軌道

1 引言

打贏信息化條件下的遠(yuǎn)程局部戰(zhàn)爭離不開遠(yuǎn)程通信的保障。伊拉克戰(zhàn)爭中，幾乎所有的美軍戰(zhàn)機(jī)、坦克都可以通過美軍的全球通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與美國本土信息的傳遞。強(qiáng)大的軍事信息網(wǎng)絡(luò)在為美軍獲得絕對信息優(yōu)勢，迅速贏得戰(zhàn)爭勝利發(fā)揮了無可替代的作用［1］。

目前，軍事遠(yuǎn)程通信主要采用短波通信、超短波通信、高軌衛(wèi)星中繼通信等。短波通信帶寬有限且信道質(zhì)量差，通信質(zhì)量難以達(dá)到作戰(zhàn)需求；受地球曲率影響，超短波通信的通信半徑有限，若戰(zhàn)區(qū)在視距范圍之外，則會造成戰(zhàn)區(qū)部隊(duì)與本土作戰(zhàn)指揮中心的通信困難；高軌衛(wèi)星中繼通信傳輸時延大，對用戶天線的發(fā)射功率要求高，在如今快節(jié)奏、高技術(shù)戰(zhàn)爭中難以保證通信的實(shí)時性和有效性。為此，需要設(shè)計(jì)一種不受距離限制且通信質(zhì)量高的遠(yuǎn)程通信方案，在還未建立起全球軍事通信保障系統(tǒng)的情況下，確保對任意戰(zhàn)區(qū)內(nèi)部隊(duì)尤其是戰(zhàn)機(jī)的遠(yuǎn)程通信保障。

小衛(wèi)星通常是指質(zhì)量在1 000 kg以下的一種人造衛(wèi)星。近年來，因具有功能密度高、研制周期短等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，成為取得現(xiàn)代信息戰(zhàn)爭主導(dǎo)權(quán)的主要手段之一［2-3］。因此，本文提出一種以小衛(wèi)星為中繼平臺的遠(yuǎn)程通信方案，通過衛(wèi)星對戰(zhàn)區(qū)的全天候連續(xù)覆蓋，實(shí)現(xiàn)對戰(zhàn)區(qū)部隊(duì)尤其是戰(zhàn)機(jī)的通信支援。

2 小衛(wèi)星遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)的工作原理

小衛(wèi)星遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)實(shí)質(zhì)是以多顆衛(wèi)星組成的中繼平臺實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)指揮中心和局部戰(zhàn)場戰(zhàn)機(jī)的通信，主要包括空間段、用戶段和地面段［4］?？臻g段包括由多顆小衛(wèi)星組成的中繼平臺以及具有控制功能的地球同步中繼衛(wèi)星；用戶段由各種用戶終端組成，可以是手持機(jī)、便攜站、機(jī)（車）載站等設(shè)備；地面段主要包括信關(guān)站、衛(wèi)星控制中心、網(wǎng)絡(luò)控制中心等。為簡化分析，假定作戰(zhàn)指揮中心具備信關(guān)站、控制段的功能，且小衛(wèi)星間不存在星間鏈路。系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，作戰(zhàn)指揮中心位于戰(zhàn)區(qū)之外。

圖1 小衛(wèi)星中繼遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of small satellite relay remote communication system

下面以對戰(zhàn)機(jī)的遠(yuǎn)程通信支援為例來說明該系統(tǒng)的工作原理。首先保證小衛(wèi)星對戰(zhàn)區(qū)的連續(xù)覆蓋。若作戰(zhàn)指揮中心與戰(zhàn)區(qū)都在小衛(wèi)星的覆蓋范圍內(nèi)，直接通過小衛(wèi)星建立作戰(zhàn)指揮中心和戰(zhàn)機(jī)的通信鏈路；若作戰(zhàn)指揮中心不在小衛(wèi)星的覆蓋范圍內(nèi)，建立小衛(wèi)星與地球同步衛(wèi)星的星間鏈路，再以地球同步衛(wèi)星進(jìn)行二次中繼，實(shí)現(xiàn)信息的發(fā)送與回傳。

3 小衛(wèi)星中繼平臺軌道參數(shù)推算

實(shí)現(xiàn)小衛(wèi)星對戰(zhàn)區(qū)的全天連續(xù)覆蓋是保證戰(zhàn)區(qū)部隊(duì)與作戰(zhàn)指揮中心通信暢通的前提，即在任意時間段至少有一顆衛(wèi)星完全覆蓋作戰(zhàn)區(qū)域。為此，需要推算小衛(wèi)星中繼平臺的軌道參數(shù)以達(dá)到這一要求。

設(shè)定目標(biāo)區(qū)域?yàn)橐裕?5.83°N，123.75°E）為中心、直徑為400 km的圓形區(qū)域A。為了定量描述小衛(wèi)星在空間的位置，建立地心慣性坐標(biāo)系oxyz，衛(wèi)星沿著軌道的運(yùn)動可以用軌道傾角、升交點(diǎn)赤經(jīng)、近地點(diǎn)幅角、軌道半長軸、軌道偏心率和衛(wèi)星的初始相位6個參數(shù)來描述。

橢圓軌道具有遠(yuǎn)地點(diǎn)運(yùn)動速度慢、相對滯留時間長的特點(diǎn)，不會造成鏈路的浪費(fèi)，特別適合對特定區(qū)域的覆蓋。軌道高度越高，單顆衛(wèi)星對地面的覆蓋區(qū)域越大，所需衛(wèi)星數(shù)也就越少，但自由空間損耗、傳輸時延也就越大。此外，希望每天任意時刻衛(wèi)星相對于地球的位置是固定的，這樣就能根據(jù)衛(wèi)星的運(yùn)動規(guī)律安排工作時段和信號發(fā)射功率的大小。考慮到以上因素的折衷，中繼小衛(wèi)星采用中橢圓回歸軌道。

當(dāng)考慮地球非球形一階攝動時，衛(wèi)星軌道在慣性空間有旋轉(zhuǎn)［5］，為了克服橢圓軌道的遠(yuǎn)地點(diǎn)漂移，軌道傾角只能選擇63.4°或116.6°。

設(shè)小衛(wèi)星回歸周期為T，選定后可根據(jù)式（1）計(jì)算出橢圓軌道半長軸a。

式中，μ為開普勒常數(shù)。

確定橢圓軌道半長軸后，軌道高度就由偏心率e決定。考慮到范·艾倫帶對星載電子設(shè)備的損害極大，在設(shè)計(jì)軌道高度時應(yīng)該避開范·艾倫帶的中心區(qū)域［6］，所以遠(yuǎn)地點(diǎn)軌道高度應(yīng)位于8 000～15 000 km范圍內(nèi)。由式（2）～（3）以及以上討論可得出偏心率的取值范圍。

式中，Re為地球半徑，hp和ha分別是橢圓軌道的近地點(diǎn)高度和遠(yuǎn)地點(diǎn)高度。

選擇合適的近地點(diǎn)幅角可以使軌道的遠(yuǎn)地點(diǎn)過目標(biāo)區(qū)域上空，以提高小衛(wèi)星的區(qū)域覆蓋性能。為確保目標(biāo)區(qū)域的中心點(diǎn)位于軌道平面內(nèi)，還需對升交點(diǎn)赤經(jīng)和真近點(diǎn)角進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，這可以在地心慣性坐標(biāo)系下通過幾何方法以及衛(wèi)星的軌道運(yùn)動特性算出［7］。在軍事通信中，軌道的選擇往往還受到其他因素如抗毀性能的影響。

由于地球自轉(zhuǎn)和中橢圓軌道的限制，只用一顆小衛(wèi)星顯然無法實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域的連續(xù)覆蓋，因此，要用多顆小衛(wèi)星組網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域的連續(xù)覆蓋。通過計(jì)算和仿真發(fā)現(xiàn)，對上述區(qū)域來說，至少需要4顆小衛(wèi)星才能實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域99%以上的覆蓋。根據(jù)以上討論，得出小衛(wèi)星的軌道參數(shù)如表1所示。

表1 小衛(wèi)星軌道參數(shù)Table 1 Orbit parameters of small satellites

4 覆蓋性能和鏈路連接性能建模仿真

遠(yuǎn)程通信方案是否可行，還需對方案的性能進(jìn)行研究。下面利用STK軟件［8］建立具體的仿真模型，從遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)對戰(zhàn)區(qū)的覆蓋率、具體通信鏈路的可連接情況兩個方面對該方案的性能進(jìn)行建模仿真分析。

4.1 仿真模型建立

戰(zhàn)區(qū)設(shè)定為第3節(jié)討論的圓形區(qū)域A，作戰(zhàn)指揮中心位于區(qū)域A以外的某點(diǎn)B。戰(zhàn)機(jī)于12：00從作戰(zhàn)指揮中心出發(fā)到戰(zhàn)區(qū)執(zhí)行任務(wù)，次日11：22回到作戰(zhàn)指揮中心。累計(jì)時間為23 h 22min。仿真時間步長設(shè)為1min。小衛(wèi)星遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)需保證戰(zhàn)機(jī)在執(zhí)行任務(wù)期間與作戰(zhàn)指揮中心的實(shí)時信息互通。

因小衛(wèi)星覆蓋范圍大且在該場景中戰(zhàn)區(qū)與作戰(zhàn)指揮中心較近，直接通過小衛(wèi)星星座建立作戰(zhàn)指揮中心與戰(zhàn)區(qū)的通信鏈路，若在某時刻一顆或一顆以上小衛(wèi)星能同時覆蓋戰(zhàn)機(jī)和作戰(zhàn)指揮中心，就認(rèn)為它們之間可以建立通信鏈路。

實(shí)際中，4顆小衛(wèi)星工作時段不同，還需要考慮如何切換工作時段。如圖1所示，可以通過地球同步衛(wèi)星對小衛(wèi)星進(jìn)行控制，當(dāng)小衛(wèi)星進(jìn)入或離開指定工作空間時，地球同步衛(wèi)星分別下達(dá)工作、停機(jī)命令，確保通信系統(tǒng)的順利運(yùn)行。

4.2 小衛(wèi)星中繼平臺對戰(zhàn)區(qū)的覆蓋情況仿真

以表1所示的小衛(wèi)星星座作為中繼平臺，以戰(zhàn)區(qū)為目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行覆蓋分析。由于采用回歸軌道，衛(wèi)星每天具有相同的地面軌跡，因此僅需分析一天內(nèi)小衛(wèi)星星座對戰(zhàn)區(qū)的累計(jì)覆蓋情況，如圖2所示。圖中橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為小衛(wèi)星星座對戰(zhàn)區(qū)的平均覆蓋率。

圖2 一天內(nèi)小衛(wèi)星星座對戰(zhàn)區(qū)的覆蓋情況Fig.2 Coverage condition of small satellite constellation towar area in a day

從STK覆蓋分析工具得到系統(tǒng)對戰(zhàn)區(qū)的平均覆蓋率99.69%。其中，未完全覆蓋的時間段為13∶14～13∶22和18∶15～18∶18，累計(jì)時間為13min，基本實(shí)現(xiàn)了對戰(zhàn)區(qū)的連續(xù)覆蓋。

4.3 通信鏈路建立仿真

利用STK仿真，得到戰(zhàn)機(jī)從出發(fā)到返航時間段內(nèi)與作戰(zhàn)指揮中心的通信鏈路的建立情況，如圖3所示。圖中橫軸是時間，縱軸分別為以4顆小衛(wèi)星為中繼，戰(zhàn)機(jī)與作戰(zhàn)指揮中心的連接情況。

圖3 戰(zhàn)機(jī)和作戰(zhàn)指揮中心的鏈路建立情況Fig.3 Link establishments of fighter and combat command center

通過STK鏈路連接工具，得到作戰(zhàn)指揮中心與戰(zhàn)機(jī)未建立鏈路的時間段為13：14～13：27和18：14～18：24，累計(jì)時間為25min。即可以進(jìn)行連接的時間占98.26%。在系統(tǒng)發(fā)射、接收功率設(shè)置合理的情況下，該方案基本可以滿足戰(zhàn)術(shù)通信需求。

需要說明的是，橢圓軌道對不同經(jīng)緯度地區(qū)的覆蓋性能有所不同，因此局部戰(zhàn)場的位置和大小不同，需要的小衛(wèi)星數(shù)目可能會不同，但可用同樣的方法推算出小衛(wèi)星星座的軌道參數(shù)，得出其覆蓋性能。

5 結(jié)束語

通信暢通是贏得現(xiàn)代戰(zhàn)爭的必要條件，本文以局部戰(zhàn)爭為背景，提出了一種小衛(wèi)星遠(yuǎn)程區(qū)域通信支援方案。該方案同超短波通信、高軌衛(wèi)星中繼通信等已有遠(yuǎn)程通信方式相比，具有區(qū)域覆蓋效果好、傳輸時延小、組網(wǎng)靈活、成本低等優(yōu)點(diǎn)。在尚未建立全球軍事信息保障系統(tǒng)的前提下，提供了一種可行的、成本較低的軍事遠(yuǎn)程區(qū)域通信保障系統(tǒng)的建設(shè)思路。

當(dāng)然，本文僅僅在理想條件下對小衛(wèi)星的覆蓋特性和通信鏈路的可連接性進(jìn)行了仿真分析，要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信支援的有效性，還應(yīng)在此基礎(chǔ)上考慮衛(wèi)星信道的傳輸特性，衛(wèi)星、通信終端、地面站發(fā)射接收參數(shù)的設(shè)計(jì)，傳輸誤碼率性能以及通信容量等問題。

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WU Hao was born in Hanzhong，Shaanxi Province，in 1988. He received the B.S.degree from Air Force Engineering University in 2010.He isnow a graduate student.His research concerns airspace information and network transmission.

Email：wuhao123＠qq.com

陳樹新（1965—），男，陜西商洛人，2002年于西北工業(yè)大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)為教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ畔到y(tǒng)仿真；

CHEN Shu-xin was born in Shangluo，Shaanxi Province，in 1965.He received the Ph.D.degree from Northwestern Polytechnical University in 2002.He is now a professor and also the instructor of graduate students.His research direction is communication system simulation.

張衡陽（1978—），男，湖南祁東人，2007年于國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)為講師，主要研究方向?yàn)檐娛潞娇胀ㄐ?、Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。

ZHANGHeng-yangwasborn in Qidong，Hunan Province，in 1978.He received the Ph.D.degree from National University of Defense Technology in 2007.He is now a lecturer.His research concernsmilitary aeronautics communication and Ad Hoc network.

A Remote Communication Scheme Based on Small Satellite Relay

WU Hao，CHEN Shu-xin，ZHANGHeng-yang
（Telecommunications Engineering Institute，Air Force Engineering University，Xi′an 710077，China）

To satisfy the communication demands of remote localwar，a small satellite relay-based remote communication scheme is proposed.The composition and working principle of remote communication system are analysed，orbitparameters of small satellite are calculated according to environment factors.Small satellites communication relay constellation ofmedium elliptic recursive orbit is structured，and communication between fighter and combat command center is realized.The coveragemodel of small satellite relay-based remote communication is built by STK software，and simulation results show that the average coverage rate of target area is 99.69%，available connection time rate of combat command center and fighter is 98.26%.

remote communication；small satellite；relay；area coverage；elliptic orbit

Aeronautics Science Foundation（No.20095596016）；The Natural Science Foundation of Shaanxi Province（2010JQ8010）；The Scientific Research Innovation Fund of Telecommunications Engineering Institute of Air Force Engineering University（DYCX1108）

TN927

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.04.006

吳昊（1988—），男，陜西漢中人，2010年于空軍工程大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向?yàn)榭仗煨畔⑴c網(wǎng)絡(luò)傳輸；

1001-893X（2012）04-0452-04

2011-11-15；

2012-03-02

航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目（20095596016）；陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2010JQ8010）；空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院科研創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（DYCX1108）