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一种新型多层卫星星座组网设计

作者：李连强游寒旭朱杰杨宇涛胡珍

来源：《上海师范大学学报·自然科学版》2016年第02期

摘要：随着空间技术需求的不断增多，传统的单层卫星星座组网模式，由于其结构简

单，在未来空间技术的发展中受到限制.近年来，采用多层卫星进行星座组网受到业界的普遍

关注.鉴于多层卫星星座模型的优点，设计了一种新的基于GEO/MEO/LEO的三层卫星星座模

型.本模型充分结合高、中、低轨道各自的优势，以尽量少的卫星数量实现了对地球的全面覆

盖，较之传统单层模型更为立体化.最后，通过STK和MATLAB对所提出的多层卫星星座组

网模型进行了数字化仿真，从星间链路的长度、链路通信俯仰角以及方位角等方面进行了对比

和分析，验证了本模型的合理性和有效性.

关键词：多层卫星星座；链路长度；通信俯仰角；方位角

中图分类号：TN927文献标志码：A文章编号：1000-5137（2016）02-0248-05

引0言

地面的因特网已经取得了巨大的成功，人们希望将因特网的模式复制到太空，实现天地一

体化网络[1-2].其中，卫星星座组网的设计是关键和基础，它直接决定和影响着天地一体化网

络的拓扑结构和路由方案[3].现阶段的卫星星座组网大多是单层模式，虽然不同轨道高度的卫

星星座具有不同的优点，但也伴随着相应的局限性[4].随着人们对卫星网络服务质量要求的提

高以及空间技术的不断发展和进步，多层卫星星座组网设计已然成为卫星星座设计的主流方向

[5].图1分别给出了传统单层卫星星座组网、多层卫星星座组网的简单示意图.

卫星星座组网的关1键技术

卫星覆盖范1.1围

卫星星座组网的设计首先要满足一定的覆盖特性[6].随着卫星通信网络用户数量的增大和

服务种类的增加，从长远考虑，卫星星座对地球的覆盖应是全球覆盖.理论计算的卫星对地覆

盖范围由卫星对地面的切线所限定.实际应用中，假定卫星视角范围内有一地面基站，通常要

求它与卫星的通信需要保证一个最小的通信仰角E，以避免仰角过小时信号的巨大衰减，影响

接受质量，如图2所示.

星间1.2链路

由于地球的遮挡作用，处于视距之外的两颗卫星无法直接建立通信联系，同时考率到地面

基站地理位置的局限性，要实现彼此间的通信必须在中间建立星间链路.星间链路可分为轨内

链路、轨间链路和层间链路.

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不同类型的星间链路具有相同的评价指标，如链路的长度、链路通信俯仰角以及方位角等

[7].星间链路长度决定了传播时延以及方位角和俯仰角的大小，而方位角、俯仰角的大小又影

响着星载天线的设计复杂程度和通信质量.可以说这些指标共同决定了卫星通信网络的稳定性

和可靠性，在多层卫星星座组网设计中要重点考虑.

卫星星座组网的设计2

综上所述，卫星星座组网的设计不仅要考虑卫星对地面的覆盖范围，还受制于高轨卫星对

低轨卫星的覆盖性，以及卫星之间通信链路的稳定性和可靠性.

Walker星座是目前所知性能最优的全球覆盖星座模式[8]，可用4个参数组合：i，T/P/F表

示，其中i为轨道倾角，T为卫星数量，P为轨道数，F为相位因子，且0≤F≤-1P，F定义了相

邻卫星间的相对位置[9].

本文作者在低地球轨道（LEO）和中地球轨道（MEO）层面均采用WalkerDelta2星π

座，在覆盖全球的基础上使得同一层间的卫星彼此可以建立相对稳定的链路关系，这样即使在

极地区上空，链路也不会关闭[10].而同步地球轨道（GEO）层面设置等间隔分布的3颗卫星，

具体参数指标如表1所示.

利用式（1）、（2）、（3）可求出在设定的通信仰角下，LEO实现了对南北纬77.1°地区

的覆盖，MEO实现了全球覆盖，而GEO实现了对南北纬61.8°区域的覆盖，并且低轨卫星总

是在高轨卫星的辐射下，符合未来天地一体化网络发展趋势的要求.

实验仿真与分析3

在多层卫星星座组网设计中，为LEO层的每个卫星设计了6条同层链路，其中2条轨内

链路，4条轨间链路.图3所示是