竇宏浩 章雷 徐良 貝超 李常亮 楊彪 張世杰 劉麗

(航天科工空間工程發(fā)展有限公司,北京 100854)

低軌通信衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)作為空間信息傳輸骨干網(wǎng),具備廣域覆蓋、可靠傳輸?shù)忍攸c(diǎn),是重要的戰(zhàn)略基礎(chǔ)設(shè)施,低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是低軌通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分[1]。在低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)中,衛(wèi)星與用戶終端的通信鏈路構(gòu)成用戶接入網(wǎng),與分布在不同區(qū)域的地面信關(guān)站的通信鏈路構(gòu)成饋電承載網(wǎng)。其中,饋電鏈路作為衛(wèi)星與地面信關(guān)站之間高速傳輸通道,擔(dān)負(fù)著星上用戶數(shù)據(jù)、星間數(shù)據(jù)、隨路測(cè)控?cái)?shù)據(jù)等業(yè)務(wù)與地面網(wǎng)絡(luò)交互的責(zé)任,饋電鏈路連續(xù)、穩(wěn)定地通信[2],是星上各種業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)、高速地接入地面互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的重要保障。

低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星沿著固定軌道高速飛行過程中,衛(wèi)星與信關(guān)站之間的相對(duì)位置不斷變化,通過調(diào)整饋電天線波束指向,保證在飛行過程中饋電波束持續(xù)指向地面信關(guān)站,從而實(shí)現(xiàn)饋電鏈路持續(xù)通信。衛(wèi)星與信關(guān)站的可通信時(shí)長(zhǎng)與軌道高度、饋電波束可調(diào)整范圍,以及信關(guān)站最小通信仰角有關(guān),軌道高度為500～1200km的低軌衛(wèi)星與一個(gè)信關(guān)站的饋電通信時(shí)長(zhǎng)一般為6～13min。為了增加饋電鏈路通信時(shí)長(zhǎng),通常會(huì)在地面建立多個(gè)信關(guān)站,形成一個(gè)由多個(gè)衛(wèi)星和信關(guān)站構(gòu)成的饋電鏈路承載網(wǎng),衛(wèi)星在軌飛行過程中通過饋電鏈路在不同信關(guān)站之間切換實(shí)現(xiàn)饋電業(yè)務(wù)持續(xù)傳輸。

目前饋電天線有相控陣天線、反射面天線、喇叭天線等多種形式,綜合考慮饋電天線的研制成本、指向精度、天線增益、質(zhì)量、功耗等多重因素,反射面天線具有明顯優(yōu)勢(shì),國(guó)內(nèi)外大多數(shù)在軌衛(wèi)星都采用反射面天線作為饋電天線,如OneWeb衛(wèi)星、Starlink衛(wèi)星等[3-4]。

星地饋電鏈路的波束調(diào)整需要通過控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)反射面天線來實(shí)現(xiàn),該過程存在機(jī)械運(yùn)動(dòng),需要一定轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間[5]。當(dāng)衛(wèi)星需進(jìn)行饋電鏈路切換時(shí),饋電天線需要旋轉(zhuǎn)較大角度范圍指向幾百至數(shù)千千米外的下一個(gè)信關(guān)站,天線旋轉(zhuǎn)時(shí)間較長(zhǎng),無法保證饋電鏈路不中斷。為了解決該問題,傳統(tǒng)方法采用星上配置兩副饋電天線,通過雙饋電天線進(jìn)行接力切換。

雙饋電天線同一時(shí)刻僅使用其中一副,使用率只有50%,且我國(guó)地面信關(guān)站基本均部署于國(guó)境內(nèi),衛(wèi)星大多數(shù)飛行弧段無信關(guān)站可通信,饋電天線處于停止工作狀態(tài),實(shí)際使用率遠(yuǎn)不足50%,使用率低。衛(wèi)星配置雙饋電天線后,將會(huì)增大饋電載荷電磁兼容性、散熱、控制等設(shè)計(jì)難度以及質(zhì)量、功耗代價(jià),同時(shí)也會(huì)增加衛(wèi)星研制成本和整星復(fù)雜度。為了降低衛(wèi)星成本,減重是一個(gè)主要途徑,通過載荷平臺(tái)融合設(shè)計(jì)、星地聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)等多種方法都可實(shí)現(xiàn)減重降成本?！般炐恰毙l(wèi)星通信系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)采用了當(dāng)時(shí)成本較高的星間鏈路組網(wǎng)方案,每顆衛(wèi)星均配有星間鏈路載荷,這就導(dǎo)致了“銥星”較高的衛(wèi)星成本。而后來的“全球星”衛(wèi)星通信系統(tǒng)就充分識(shí)別了“銥星”的這一成本問題,取消了星間鏈路載荷。通過星地聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì),“全球星”系統(tǒng)在地面部署了大量關(guān)口站,每個(gè)關(guān)口站同時(shí)可與3顆衛(wèi)星建立通信,保證衛(wèi)星在沒有星間鏈路的情況下也能時(shí)刻與地面關(guān)口站連接通信,進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸,同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了對(duì)衛(wèi)星的減重降成本[6]。

綜上所述,對(duì)于透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星和無星間鏈路衛(wèi)星,如OneWeb衛(wèi)星、Starlink(v1.0/v1.5)衛(wèi)星等,傳統(tǒng)雙饋電天線接力切換是保證饋電連續(xù)通信的有效手段。對(duì)于當(dāng)前正在快速發(fā)展與建設(shè)的具有星上處理和星間鏈路的低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星,本文通過分析傳統(tǒng)雙饋電天線接力切換所帶來的弊端,并結(jié)合星上高速路由交換轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)與星座網(wǎng)絡(luò)特性,設(shè)計(jì)了一種適用于低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星的基于星上路由策略的單饋電天線切換方法,該方法在保證饋電鏈路切換過程中業(yè)務(wù)傳輸不中斷的同時(shí),將星座中所有衛(wèi)星饋電鏈路組成的饋電承載網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)籌使用,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化,有效降低饋電載荷設(shè)計(jì)和衛(wèi)星設(shè)計(jì)難度、成本及代價(jià)[7-9]。

1 典型場(chǎng)景分析

低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)全球無縫覆蓋,滿足用戶隨時(shí)隨地接入需求,星座一般由多個(gè)軌道面及每個(gè)軌道面內(nèi)的多顆衛(wèi)星組成。同一軌道面內(nèi)的前后兩顆相鄰衛(wèi)星以及相鄰軌道面間的衛(wèi)星通過星間鏈路組網(wǎng),組成一個(gè)網(wǎng)格狀網(wǎng)絡(luò)。在任一時(shí)刻,星座中均會(huì)有多顆衛(wèi)星與不同地面信關(guān)站建立饋電鏈路。典型低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座參數(shù)配置如表1所示,后續(xù)場(chǎng)景討論與仿真均以此場(chǎng)景為基礎(chǔ)展開分析。

表1 仿真參數(shù)配置表Teble 1 Simulation parameters

當(dāng)衛(wèi)星即將飛出當(dāng)前信關(guān)站覆蓋范圍,達(dá)到饋電通信最小仰角限值時(shí),需要斷開與當(dāng)前信關(guān)站鏈路,并切換至規(guī)劃的下一個(gè)信關(guān)站,典型饋電切換場(chǎng)景如圖1所示。

圖1中示例的切換衛(wèi)星由西向東飛行,當(dāng)前已與喀什信關(guān)站建立饋電鏈路,在飛到切換弧段后斷開與喀什信關(guān)站的鏈路(如圖中灰色鏈路),并建立與西安信關(guān)站的饋電鏈路(如圖中桔色鏈路),完成一次饋電鏈路切換。

圖1 低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星饋電鏈路切換場(chǎng)景Fig.1 Handover scene of LEO internet satellite feeder link

2 基于路由策略的單饋電天線切換

一個(gè)饋電天線在不同地面信關(guān)站之間進(jìn)行饋電鏈路切換時(shí),需要通過伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)饋電天線波束指向角度,不能立即與下一個(gè)信關(guān)站建立饋電鏈路,所以在單個(gè)饋電天線旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生饋電鏈路中斷。為了避免饋電天線旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)饋電業(yè)務(wù)傳輸產(chǎn)生影響,饋電業(yè)務(wù)傳輸需要與星上路由策略相結(jié)合,在饋電天線旋轉(zhuǎn)時(shí)長(zhǎng)內(nèi)通過星間鏈路將業(yè)務(wù)發(fā)送至已建立饋電鏈路的相鄰衛(wèi)星,再由相鄰衛(wèi)星的饋電鏈路提供服務(wù),繼而保證饋電業(yè)務(wù)傳輸不中斷,實(shí)現(xiàn)無縫切換。饋電天線旋轉(zhuǎn)角度切換如圖2所示。

圖2 饋電天線旋轉(zhuǎn)示意圖Fig.2 One feeder antenna revolved diagram

2.1 饋電天線旋轉(zhuǎn)時(shí)長(zhǎng)分析

饋電天線的波束指向從原信關(guān)站調(diào)整到需要切換的下一個(gè)信關(guān)站過程中,饋電天線不斷旋轉(zhuǎn),所需旋轉(zhuǎn)時(shí)間由饋電天線伺服電機(jī)的角加速度、角速度和旋轉(zhuǎn)角度三者共同決定。以饋電天線方位角旋轉(zhuǎn)為例,伺服電機(jī)的角速度為ωAZ,角加速度為αAZ,方位向旋轉(zhuǎn)角度為θAZ。

1)方位向初始加速旋轉(zhuǎn)時(shí)間

(1)

2)方位向勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)間

(2)

式中:ΔθAZ為相對(duì)于開始旋轉(zhuǎn)時(shí)刻θAZ的變化量,由于旋轉(zhuǎn)過程中衛(wèi)星一直飛行導(dǎo)致的方位向旋轉(zhuǎn)角度產(chǎn)生變化。

3)方位角旋轉(zhuǎn)需要的總時(shí)間

(3)

俯仰角伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)需要的總時(shí)間為

(4)

式中:tEL,1為俯仰向初始加速旋轉(zhuǎn)時(shí)間;tEL,2為俯仰向勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)間;ωEL為俯仰角伺服電機(jī)的角速度;αEL為角加速度;θEL為俯仰向旋轉(zhuǎn)角度;ΔθEL為相對(duì)于開始旋轉(zhuǎn)時(shí)刻θEL的變化量。

由于方位向和俯仰向伺服電機(jī)為同時(shí)旋轉(zhuǎn),所以饋電天線旋轉(zhuǎn)總時(shí)長(zhǎng)為伺服電機(jī)在方位和俯仰兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)長(zhǎng)的最大值,即

Tinter=max{TAZ,TEL}

(5)

2.2 天線切換過程

為實(shí)現(xiàn)單饋電天線在時(shí)長(zhǎng)為Tinter的天線旋轉(zhuǎn)期內(nèi)饋電業(yè)務(wù)傳輸不中斷,星上路由交換策略設(shè)計(jì)需與饋電天線切換的任務(wù)規(guī)劃相結(jié)合,通過兩者配合完成一次切換過程。

衛(wèi)星與當(dāng)前已建立饋電鏈路的信關(guān)站何時(shí)斷開連接,并與下一個(gè)信關(guān)站建立饋電鏈路是通過規(guī)劃提前已知的。根據(jù)該已知信息,星上路由器可提前調(diào)整轉(zhuǎn)發(fā)路徑,將饋電業(yè)務(wù)路由轉(zhuǎn)發(fā)至其它已建立饋電鏈路的相鄰衛(wèi)星并通過信關(guān)站落地,在饋電切換完成后再次調(diào)整業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑,使饋電業(yè)務(wù)再從本星落地信關(guān)站。

假設(shè)衛(wèi)星已建立饋電鏈路的信關(guān)站設(shè)為A,目標(biāo)切換信關(guān)站設(shè)為B,兩站同時(shí)處于饋電天線覆蓋范圍內(nèi)的任意時(shí)刻,饋電鏈路都可進(jìn)行切換。根據(jù)任務(wù)規(guī)劃,饋電鏈路的切換時(shí)刻為TAB,則衛(wèi)星在TAB時(shí)刻與信關(guān)站A斷開連接,在TAB+Tinter時(shí)刻與信關(guān)站B可建立鏈路,Tinter為根據(jù)式(5)計(jì)算得到的饋電天線旋轉(zhuǎn)時(shí)長(zhǎng)。

單饋電天線切換過程中,在TAB-Δt時(shí)刻,由星上路由停止向饋電端口發(fā)送數(shù)據(jù),并根據(jù)星上路由協(xié)議提前計(jì)算的轉(zhuǎn)發(fā)路徑將饋電業(yè)務(wù)通過星間鏈路發(fā)送至當(dāng)前已建立饋電鏈路的其他衛(wèi)星落定信關(guān)站。其中Δt為切換時(shí)刻的提前量,主要用于在Δt時(shí)間內(nèi)發(fā)送完畢已在路由交換隊(duì)列中排隊(duì)的饋電業(yè)務(wù)分組,以及在饋電基帶處理中緩存的業(yè)務(wù)分組,保證在天線切換時(shí)已無數(shù)據(jù)分組需要由當(dāng)前饋電鏈路發(fā)送,實(shí)現(xiàn)切換過程數(shù)據(jù)丟包率為零。提前量Δt的時(shí)間長(zhǎng)短與路由交換隊(duì)列長(zhǎng)度、饋電基帶處理緩存大小、饋電傳輸速率有關(guān),一般提前數(shù)毫秒即可,需滿足

Rf×Δt≥(Qr+Bf)

(6)

式中:為Rf饋電傳輸速率;Δt為切換提前量;Qr為路由交換隊(duì)列長(zhǎng)度;Bf為饋電基帶緩存容量。

2.3 路由轉(zhuǎn)發(fā)策略

星上路由協(xié)議一般分為靜態(tài)路由協(xié)議和動(dòng)態(tài)路由協(xié)議兩種。靜態(tài)路由協(xié)議由地面運(yùn)控中心根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淝衅?、?jié)點(diǎn)類型組成、業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量(QoS)需求、鏈路擁塞狀態(tài)等多要素計(jì)算靜態(tài)路由表,并通過饋電鏈路或測(cè)控鏈路上注至星上路由器[10]。動(dòng)態(tài)路由協(xié)議由星上路由器自主計(jì)算,通過星間鏈路與相鄰衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)及全網(wǎng)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)交互狀態(tài)信息、端口信息、鏈路信息等協(xié)議信令內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)、退網(wǎng)自主檢測(cè),動(dòng)態(tài)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?根據(jù)實(shí)時(shí)交互信息計(jì)算全網(wǎng)路由表。

若星上采用靜態(tài)路由協(xié)議,則需地面運(yùn)控中心提前規(guī)劃好切換期間的饋電業(yè)務(wù)路由轉(zhuǎn)發(fā)策略并上注至星上路由器。該策略的基本思想是在饋電切換期間,選擇相鄰最近的、且有饋電鏈路的衛(wèi)星進(jìn)行本星饋電業(yè)務(wù)落地[11]。按照饋電切換規(guī)劃,星上路由器在TAB-Δt時(shí)刻停止向饋電端口發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),同時(shí)在路由表中選擇切換期間的饋電業(yè)務(wù)路由轉(zhuǎn)發(fā)條目,并按此條目通過星間鏈路發(fā)送饋電業(yè)務(wù)。

若星上采用動(dòng)態(tài)路由協(xié)議,則根據(jù)動(dòng)態(tài)路由算法,星上路由協(xié)議在TAB-Δt之前自主計(jì)算完畢切換期間通過星間鏈路轉(zhuǎn)發(fā)的饋電業(yè)務(wù)路由條目,并保存在路由表中。計(jì)算路由條目的基本思想與靜態(tài)路由協(xié)議一致,且在此基礎(chǔ)上可綜合考慮星間鏈路負(fù)載、相鄰衛(wèi)星饋電鏈路負(fù)載等因素,動(dòng)態(tài)計(jì)算最優(yōu)路徑。在TAB-Δt時(shí)刻自動(dòng)選擇該路由條目轉(zhuǎn)發(fā)饋電業(yè)務(wù)。

地面信關(guān)站需要經(jīng)饋電鏈路上行的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)也需選擇與星上一致的相鄰衛(wèi)星饋電鏈路發(fā)送,再通過星間鏈路轉(zhuǎn)發(fā)至該衛(wèi)星,地面信關(guān)站的切換時(shí)刻需要與衛(wèi)星保持一致。

在TAB+Tinter時(shí)刻,饋電天線波束指向已對(duì)準(zhǔn)下一個(gè)信關(guān)站,并建立饋電鏈路后,星上路由器再次調(diào)整饋電業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)路由。若為靜態(tài)路由協(xié)議,則按照切換后的路由條目轉(zhuǎn)發(fā);若為動(dòng)態(tài)路由協(xié)議,則在檢測(cè)到饋電鏈路可用后,根據(jù)協(xié)議算法重新自主計(jì)算饋電業(yè)務(wù)路由條目并調(diào)整轉(zhuǎn)發(fā)端口發(fā)送饋電業(yè)務(wù)。至此,一次基于星上路由策略的單饋電天線切換過程完成,切換流程如圖3所示。

圖3 單饋電天線切換流程Fig.3 Single-feeder link antenna handover process

單饋電天線切換方法對(duì)于星上路由協(xié)議設(shè)計(jì)的復(fù)雜度略有增加,僅需要根據(jù)上述切換流程,在TAB-Δt和TAB+Tinter時(shí)刻增加調(diào)整饋電業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)路由的處理流程即可,其余路由協(xié)議的算法和處理流程均無需改變,所以該路由策略可以融入多種路由協(xié)議中,有較強(qiáng)適用性。

在低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)中,全網(wǎng)同時(shí)會(huì)有多顆衛(wèi)星與地面信關(guān)站建立連接。在如圖4所示星座中,衛(wèi)星1、衛(wèi)星2與信關(guān)站A之間存在饋電鏈路,衛(wèi)星4與信關(guān)站B之間存在饋電鏈路。衛(wèi)星3處于從信關(guān)站A向信關(guān)站B切換過程中,雖然本星饋電鏈路中斷,但饋電業(yè)務(wù)可經(jīng)星間鏈路從衛(wèi)星4(或衛(wèi)星2)的饋電鏈路傳輸,保證業(yè)務(wù)傳輸不中斷。

圖4 饋電鏈路網(wǎng)絡(luò)連通示意圖Fig.4 Feeder link network diagram

3 效能分析

3.1 仿真場(chǎng)景

使用仿真工具軟件STK構(gòu)建低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座,配置Walker星座構(gòu)型、饋電天線覆蓋范圍、地面信關(guān)站部署位置、最小通信仰角、饋電天線伺服轉(zhuǎn)動(dòng)性能等關(guān)鍵參數(shù),仿真場(chǎng)景如圖5所示。

圖5 仿真場(chǎng)景示意圖Fig.5 Simulation scene

圖5中黃、紅、藍(lán)、青4種顏色分別代表喀什、楚雄、西安、北京4個(gè)信關(guān)站的覆蓋區(qū)域和衛(wèi)星過境可建立饋電鏈路的飛行弧段。

通過建模仿真饋電鏈路切換時(shí)長(zhǎng)、業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延、衛(wèi)星與信關(guān)站的“雙連通”時(shí)長(zhǎng)、天線使用率等關(guān)鍵指標(biāo),分析基于路由策略的單饋電天線切換方案使用效能。

3.2 切換時(shí)長(zhǎng)分析

饋電鏈路在兩個(gè)信關(guān)站之間切換時(shí),需要衛(wèi)星同時(shí)對(duì)兩個(gè)信關(guān)站可見,滿足“雙連通”條件。以饋電鏈路從喀什站向西安站切換為例進(jìn)行分析,在仿真的60軌中,每軌與兩站“雙連通”時(shí)長(zhǎng)約為1.75～5.57min,如圖6所示。

隨著衛(wèi)星在軌高速飛行,在“雙連通”期間的不同時(shí)刻進(jìn)行饋電鏈路切換,饋電天線所需要旋轉(zhuǎn)的角度不同。以圖6中的典型圈次14～18進(jìn)行分析,這5個(gè)圈次饋電天線在不同時(shí)刻方位和俯仰兩個(gè)方向需要調(diào)整的角度如圖7所示。

根據(jù)式(5)可知,饋電天線旋轉(zhuǎn)所需的時(shí)長(zhǎng)取決于在俯仰向和方位向旋轉(zhuǎn)的最長(zhǎng)時(shí)。通過對(duì)30天400軌進(jìn)行仿真分析,俯仰向旋轉(zhuǎn)角度范圍為87.16°～108.76°,方位向旋轉(zhuǎn)角度為0.06°～91.85°,且俯仰向旋轉(zhuǎn)角度總是大于方位向旋轉(zhuǎn)角度。按照俯仰角伺服電機(jī)和方位角伺服電機(jī)的角速度和角加速度相同,取角速度ω=±1(°)/s,角加速度為α=±0.6(°)/s計(jì)算,代入式(5)可得,饋電天線旋轉(zhuǎn)需要的時(shí)長(zhǎng)為84.99～112.58s,即單饋電天線鏈路切換最長(zhǎng)需要112.58s,在此期間饋電業(yè)務(wù)需要星上路由交換到相鄰衛(wèi)星的饋電落地信關(guān)站。

3.3 業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延影響

饋電業(yè)務(wù)傳輸總時(shí)延主要與業(yè)務(wù)傳播時(shí)延及業(yè)務(wù)傳輸處理時(shí)延有關(guān),在沒有業(yè)務(wù)擁塞的情況下,處理時(shí)延一般為微秒級(jí),相對(duì)于空間傳播時(shí)延可以忽略。

單饋電天線切換相比于雙饋電天線切換,增加了星間鏈路傳輸,業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延也相應(yīng)增大。通過仿真分析,當(dāng)一顆衛(wèi)星進(jìn)行切換時(shí),其相鄰的4顆衛(wèi)星中至少有一顆衛(wèi)星存在饋電鏈路,所以采用單饋電天線切換金會(huì)增加一跳星間鏈路傳輸時(shí)延。仿真構(gòu)建的星座中,同軌星間距離為3068km,異軌星間距離為97.2～2457.6km,增加的最大傳輸時(shí)延為0.4～10.2ms。采用單饋電天線和雙饋電天線傳輸,業(yè)務(wù)從喀什信關(guān)站切換至西安信關(guān)站的總傳輸時(shí)延仿真對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

圖8中藍(lán)色曲線是單饋電天線傳輸時(shí)延仿真結(jié)果,紅色曲線是雙饋電天線傳輸時(shí)延仿仿真結(jié)果。衛(wèi)星在T0時(shí)刻與喀什信關(guān)站建立饋電鏈路開始傳輸業(yè)務(wù),隨著通信仰角逐漸變大,傳輸距離縮短,時(shí)延變小,過頂后仰角又逐漸變小,傳輸距離增加,時(shí)延變大。在T0至TAB-Δt時(shí)間段,饋電鏈路始終保持與喀什信關(guān)站通信,單、雙饋電天線傳輸時(shí)延一致,紅、藍(lán)曲線重合。

在TAB-Δt時(shí)刻饋電開始從喀信關(guān)站向西安信關(guān)站切換,單饋電天線的饋電業(yè)務(wù)切換至相鄰衛(wèi)星落地,增加星間傳輸,業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延跳躍增大;雙饋電天線由于提前已經(jīng)將另一副天線指向西安信關(guān)站,所以實(shí)現(xiàn)“瞬時(shí)”切換,但由于相比于喀什信關(guān)站,衛(wèi)星此時(shí)距離西安信關(guān)站較遠(yuǎn),所以業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延同樣跳躍增大,但因沒有星間傳輸,時(shí)延無單饋電天線長(zhǎng)。

圖8 饋電業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延Fig.8 Delay time of feeder link transmission

在TAB+ΔT時(shí)刻,單饋電天線已旋轉(zhuǎn)到位,指向西安信關(guān)站,并建立鏈路,此時(shí)饋電業(yè)務(wù)可從本星饋電鏈路落地,傳輸時(shí)延跳躍減小與雙饋電天線一致,時(shí)延曲線再次重合。

3.4 饋電鏈路連通時(shí)長(zhǎng)

當(dāng)?shù)孛嫘抨P(guān)站最小通信仰角≥15°,且衛(wèi)星饋電天線指向≤±58°時(shí),即認(rèn)為衛(wèi)星與信關(guān)站可建立饋電鏈路進(jìn)行通信。通過對(duì)構(gòu)建的Walker星座進(jìn)行1個(gè)月仿真分析,在統(tǒng)計(jì)的400軌中,有235軌衛(wèi)星與信關(guān)站可連通,165軌不可連通。在一個(gè)軌道圈次中,衛(wèi)星與信關(guān)站連通最長(zhǎng)時(shí)間為21.85min,平均時(shí)間為17.61min?？紤]所有圈次(包含不可連通圈次)的每軌平均連通時(shí)長(zhǎng)為10.35min,其中60軌的仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 衛(wèi)星與信關(guān)站連通時(shí)長(zhǎng)Fig.9 Communication time between satellite and gateway

衛(wèi)星軌道高度為1100km的軌道周期為107.26min,按平均每軌與信關(guān)站連通10.35min計(jì)算,單饋電天線切換方法饋電天線的平均使用率為為9.65%,而雙饋電天線切換方法每副天線的平均使用率僅為4.82%,使用率降低一半。

4 效能對(duì)比

低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星采用傳統(tǒng)雙饋電天線進(jìn)行信關(guān)站接力切換時(shí),需額外配置一個(gè)反射面天線、兩個(gè)負(fù)責(zé)方位角和俯仰角轉(zhuǎn)向的伺服電機(jī)、天線連桿、配套波導(dǎo)及線纜等,在載荷質(zhì)量、功耗、成本以及衛(wèi)星設(shè)計(jì)復(fù)雜度等方面都付出較大代價(jià)。一個(gè)軌道高度為1100km的互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星,額外增加的質(zhì)量約8.4kg,以300顆衛(wèi)星的星座規(guī)模計(jì)算,總質(zhì)量增加2520kg,衛(wèi)星研制成本及火箭發(fā)射成本都因此會(huì)同步增加。

采用單饋電天線對(duì)切換方法進(jìn)行優(yōu)化后,由于只有一副饋電天線,可直接節(jié)省以上代價(jià)。同時(shí)對(duì)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)布局約束要求降低,更有利于衛(wèi)星整體優(yōu)化設(shè)計(jì)。從衛(wèi)星可靠性角度分析,相比于雙饋電天線,采用單饋電天線的衛(wèi)星可靠性會(huì)略有降低。如果饋電天線發(fā)生故障,則饋電業(yè)務(wù)將無法從該衛(wèi)星直接落地。但低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)星座系統(tǒng),一般具有4條星間鏈路,在饋電天線發(fā)生故障后,饋電業(yè)務(wù)可通過星間鏈路由相鄰衛(wèi)星的饋電鏈路落地,星間鏈路起到了對(duì)饋電鏈路的多重備份功能。所以,從星座網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的角度分析,采用單饋電天線的設(shè)計(jì)不會(huì)影響整個(gè)星座系統(tǒng)的可靠性。兩種切換方案主要優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表2所示。

表2 兩種切換方案對(duì)比表Teble 2 Comparison of two switching methods

5 結(jié)束語

為適應(yīng)低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)快速建設(shè)、快速組網(wǎng)、快速使用的需求,本文提出了一種基于路由策略的低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星饋電鏈路切換優(yōu)化方法,通過一副饋電天線實(shí)現(xiàn)與地面信關(guān)站進(jìn)行鏈路切換時(shí)饋電業(yè)務(wù)傳輸不中斷。同時(shí),與傳統(tǒng)雙饋電天線接力切換相比,具有饋電載荷質(zhì)量輕、天線運(yùn)動(dòng)包絡(luò)小、使用率高、功耗低、設(shè)計(jì)難度小、對(duì)衛(wèi)星布局要求低等優(yōu)點(diǎn),達(dá)到了饋電載荷設(shè)計(jì)、衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)、星座網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)三個(gè)層面聯(lián)合優(yōu)化,為解決低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星輕量化、低成本設(shè)計(jì)問題提供了一條行之有效的路徑,對(duì)于我國(guó)大規(guī)模低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座建設(shè)具有借鑒意義。