本站小編為你精心準備了中高軌通信衛(wèi)星支持數(shù)據(jù)中繼的運用參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

隨著低軌衛(wèi)星（LEO）星座系統(tǒng)在衛(wèi)星互聯(lián)網、衛(wèi)星物聯(lián)網、遙感觀測等行業(yè)的應用逐步擴大，解決其高效、便捷的數(shù)據(jù)中繼傳輸?shù)膯栴}將變得突出。采用中高軌衛(wèi)星的天基中繼服務方式是對地基數(shù)據(jù)中繼服務的一種有效補充方式，本文介紹了現(xiàn)有天基數(shù)據(jù)中繼服務的若干手段和發(fā)展方向，提出了利用中高軌通信衛(wèi)星來解決低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)中繼的若干設想和需要解決的關鍵問題。

一、概述

LEO衛(wèi)星系統(tǒng)在衛(wèi)星互聯(lián)網、衛(wèi)星物聯(lián)網、遙感觀測信息采集等商業(yè)應用中具有廣闊的發(fā)展前景。然而，由于低軌衛(wèi)星的軌道較低、覆蓋區(qū)較小的特征，也會帶來諸多的問題。例如，對于低軌通信衛(wèi)星，會帶來全球信關站布站困難、星間鏈路規(guī)劃復雜、路徑規(guī)劃時延較長、網絡阻塞率增加和系統(tǒng)抗毀能力變弱等問題。對于遙感、測繪、氣象等方面應用的低軌衛(wèi)星，也需要在有地面饋電鏈路連接的時段，才能將數(shù)據(jù)回傳地面，對海量的數(shù)據(jù)采集需求和更高的實時性需求，也逐漸力不從心。為了解決上述問題，可以使用天基數(shù)據(jù)中繼平臺，為LEO衛(wèi)星提供遠程數(shù)據(jù)通道，減少星上存儲壓力。目前天基數(shù)傳業(yè)務主要采用專用中繼衛(wèi)星完成，一般采用較簡單的通信協(xié)議，使用任務規(guī)劃或簡單輪詢等方式來實現(xiàn)航天器與中繼衛(wèi)星的鏈路對接。上述方式難以為未來海量的低軌星座系統(tǒng)提供便捷的衛(wèi)星接入服務。隨著高通量衛(wèi)星等大容量通信衛(wèi)星系統(tǒng)的建立，衛(wèi)星通信能力得到了成百倍的提升，利用中高軌通信衛(wèi)星作為低軌衛(wèi)星的數(shù)據(jù)中繼支撐成為可能。但為了支持低軌衛(wèi)星的數(shù)據(jù)接入，還需要開展諸如小型化終端、衛(wèi)星網絡管控等問題開展研究。

二、數(shù)據(jù)中繼業(yè)務現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

現(xiàn)有的國外天基數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)，仍然以跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRSS）為主力軍。包括美國的以S、Ku\KA頻段鏈路為主用鏈路的TDRS系統(tǒng)，以及具備光通信鏈路的后續(xù)發(fā)展型；歐洲的以Ka頻段和激光通信鏈路為主用鏈路的ESA中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。上述系統(tǒng)都使用專用天基數(shù)據(jù)中繼頻段，采用專用數(shù)傳中繼鏈路實現(xiàn)低軌航天器的數(shù)據(jù)中繼。早在上世紀90年代，美軍就曾研究嘗試利用國防衛(wèi)星通信系統(tǒng)DSCSIII型衛(wèi)星的SHF鏈路作為其TDRSS中繼能力的補充。從2015年開始，有商業(yè)公司開始嘗試使用中高軌通信衛(wèi)星，為低軌衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼服務。2017年，AddValueTechnologies公司與Inmarsat聯(lián)合，為LEO衛(wèi)星和運載系統(tǒng)提供名為IDRS的數(shù)據(jù)中繼服務，LEO衛(wèi)星可搭載其提供的數(shù)據(jù)中繼服務終端，利用Inmarsat的L頻段信道作為星間中繼鏈路，再利用Inmarsat的饋電鏈路完成數(shù)據(jù)中繼任務。2018年，Audacy公司提出要用三顆MEO衛(wèi)星，為LEO衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼服務，并且拿到了FCC的頻率許可；2020年，澳大利亞光電系統(tǒng)公司（EOS）收購Audacy，并在美國組建了一家名為SpaceLink的全資子公司，繼續(xù)開展LEO衛(wèi)星的數(shù)據(jù)中繼服務。我國的天基數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)主要是以移動點波束為主用模式的天鏈一代和具備蜂窩全向上行波束的天鏈二代衛(wèi)星系統(tǒng)為代表，基本采用了基于CCSDS協(xié)議體系，實現(xiàn)對我國航天器的數(shù)據(jù)中繼服務。在“天地一體化信息網絡”相關的課題和工程中，也開展了針對多種軌道衛(wèi)星融合設計的研究。在其組網規(guī)劃中，由高軌衛(wèi)星簇組成的“天基骨干網”中部署了數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星（或中繼載荷模塊），具備為其系統(tǒng)內的低軌衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼服務的能力。從整體架構上看，其高軌衛(wèi)星提供的數(shù)傳服務，仍然采用的是按規(guī)劃建鏈的方式，由系統(tǒng)天基接入管控中心配合其他管控中心完成相關的規(guī)劃和執(zhí)行控制。因此，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中繼方案仍然與傳統(tǒng)方式一種，并沒有規(guī)劃LEO衛(wèi)星按需隨域接入的靈活數(shù)據(jù)中繼應用場景。在商業(yè)數(shù)據(jù)中繼領域，目前國內只有航星光網LaserFleet，從2018年開始，該系統(tǒng)計劃通過建立低軌星座，以激光鏈路為關鍵技術，實現(xiàn)對為平流層飛行器、系留氣球、亞軌道飛船、空間站和微小衛(wèi)星等提供接入服務。從目前我國的數(shù)據(jù)中繼體系現(xiàn)狀分析，一方面，中繼衛(wèi)星系統(tǒng)并不具備靈活受理不同應用和管理背景的低軌衛(wèi)星的中繼接入的能力，另一方面，我國的商業(yè)天基測控數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)落后于服務全球的LEO衛(wèi)星系統(tǒng)的建設。從國內外發(fā)展方向分析，利用現(xiàn)有中高軌的寬帶通信衛(wèi)星，以通信業(yè)務的方式實現(xiàn)低軌衛(wèi)星的數(shù)據(jù)接入，是一種能夠廉價且高效的手段。

三、利用中高軌通信衛(wèi)星實現(xiàn)LEO衛(wèi)星數(shù)據(jù)中繼服務的技術優(yōu)勢

中高軌通信衛(wèi)星具備了以下能力特征，能夠為LEO衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼服務。

（一）帶寬服務能力提升

目前，中高軌衛(wèi)星的高通量發(fā)展趨勢明顯，隨著高通量衛(wèi)星不斷擴容，在短期已經產生了供給過剩的情況，數(shù)據(jù)服務價格處于下降通道，因此能夠有足夠的帶寬服務于低軌衛(wèi)星的數(shù)據(jù)中繼業(yè)務。

（二）創(chuàng)新技術能力增強

新一代的中高軌通信衛(wèi)星，特別是高通量衛(wèi)星，普遍采用了多點波束、頻率復用、增益集中等技術，最新的系統(tǒng)還使用了如相控陣波束成形，星上數(shù)據(jù)處理等技術，使通信系統(tǒng)根據(jù)用戶終端需求的來調配資源的靈活度大大增加，能夠在通信系統(tǒng)中統(tǒng)一規(guī)劃兼容更多的用戶應用，使低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)中繼服務能夠平滑的加入到通信系統(tǒng)中來。

（三）頻率資源豐富

針對未來海量的商業(yè)低軌衛(wèi)星的數(shù)據(jù)中繼業(yè)務，若仍采用在天基數(shù)據(jù)中繼頻段（25.5~27GHz），其頻率協(xié)調難度將大大增加。對于希望提供天基數(shù)據(jù)中繼服務的商業(yè)公司，除了采用復雜度較高的激光通信等方式，微波通信的頻率協(xié)調工作幾乎是不可能完成的。如果采用已完成國際電聯(lián)申報并通過審核的中高軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的通信頻段，則能夠完全不受頻率資源的限制。只要低軌衛(wèi)星搭載的通信終端也滿足衛(wèi)星通信系統(tǒng)申報的終端頻段、功率譜密度、天線輻射方向性的要求，即可使用。

四、利用中高軌通信衛(wèi)星實現(xiàn)LEO衛(wèi)星數(shù)據(jù)中繼服務的實現(xiàn)方式和關鍵技術

（一）通信體制和終端設計

中高軌寬帶通信衛(wèi)星的EIRP和G/T值較高，其系統(tǒng)內標準小型終端（如0.4m等效口徑，5W功放）的上行業(yè)務帶寬支撐能力能最高夠達到十幾兆水平。對于在低軌衛(wèi)星上搭載的星載用戶終端，體積和重量相對受限，因此需要根據(jù)實際的系統(tǒng)指標和終端要求，設計通信終端的功放和天線尺寸指標。LEO衛(wèi)星的運行速度比一般終端的運動速度高，可達20多馬赫，因此與中高軌衛(wèi)星的相對速度（加速度相對不高）最高可造成幾百KHz的多普勒頻偏。因此，需要對其使用的中高軌衛(wèi)星的通信體制開展分析，通過鏈路計算分析，使其終端能夠傳輸滿足耐受最大的多普勒頻譜頻偏的業(yè)務速率的數(shù)據(jù)信息。此外，還可以設計專用業(yè)務波形在專用載波中支撐低軌衛(wèi)星的數(shù)傳應用。LEO衛(wèi)星搭載的通信終端的天線波束指向應能夠連續(xù)掃描，從而滿足低軌衛(wèi)星姿態(tài)的變化導致對中高軌衛(wèi)星指向的改變。從目前的發(fā)展趨勢來看，采用相控陣天線波束合成技術是未來的發(fā)展方向，但其波束指向范圍較傳統(tǒng)伺服機構的天線仍有較大差距，因此需要根據(jù)中高軌衛(wèi)星的覆蓋情況綜合判斷終端的天線的種類和指標要求。對于天線跟蹤問題。由于LEO衛(wèi)星運行環(huán)境相對地面終端平穩(wěn)，因此其加速度調整要求不高，通信終端采用開環(huán)跟蹤的方式，即利用本星姿態(tài)和軌道位置以及中高軌衛(wèi)星的精確星歷信息，就可以基本滿足信號跟蹤要求。

（二）LEO衛(wèi)星終端的移動性管理

LEO衛(wèi)星作為終端用戶，需要解決其移動性管理問題，該問題與中高軌衛(wèi)星系統(tǒng)支持機載終端的移動性管理問題類似，但由于其高速特性，還需要在切換控制等方面做進一步優(yōu)化。對于按波束區(qū)劃分信關站的高通量衛(wèi)星來說，主要需要考慮其在跨越波束交疊區(qū)時的切換時延和成功率，以及在切換不同信關站管理的波束時，其業(yè)務的對于地面網絡的IP承載的移動管理問題。對于LEO衛(wèi)星終端，其特征是軌道的確定性，因此，在跨波束切換問題上，可采取一定的預規(guī)劃方式來輔助切換。提供中繼業(yè)務服務的中高軌系統(tǒng)應可以根據(jù)其搭載終端的屬性信息，得到其所在LEO衛(wèi)星的星歷和實際軌道信息，再根據(jù)本系統(tǒng)波束覆蓋區(qū)信息，確定該衛(wèi)星的下個切換時刻，在規(guī)定的時刻直接向其發(fā)送切換指令，完成切換控制過程。由于LEO衛(wèi)星運行路徑長，在其跨越不同信關站管理的波束時，可能會出現(xiàn)轉發(fā)該衛(wèi)星的數(shù)據(jù)的地面信關站發(fā)生切換，導致網關IP地址需要的切換的問題。該問題可以采用地面移動通信系統(tǒng)常用的IP數(shù)據(jù)隧道或移動IPv6等技術解決，或采用信關站間的地面專用數(shù)據(jù)通道完成數(shù)據(jù)轉發(fā)的方式完成不間斷的數(shù)據(jù)交互。

（三）衛(wèi)星資源管理和QoS保障

系統(tǒng)為LEO衛(wèi)星終端的數(shù)據(jù)中繼業(yè)務分配無線資源時，需要考慮其應用的特殊性，應可以靈活選擇多種資源分LEO配的方式，滿足不同QoS需求的數(shù)據(jù)中繼業(yè)務傳輸。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中繼業(yè)務是典型的電路域分配方式，即使采用多種復用方式，其無線資源基本是不可調整的；而較新的基于移動通信體制或寬帶多媒體衛(wèi)星通信體制（BMS）的系統(tǒng)，則以分組域為主要資源管理方式。對于LEO衛(wèi)星終端的數(shù)據(jù)中繼業(yè)務，既有突發(fā)的信令信息，也有大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)回傳業(yè)務。為了滿足不同等級中繼數(shù)據(jù)的傳輸需求，可在多個資源層面上采取措施，實現(xiàn)不同的QoS保障需求。1.波束層面獨享對于最高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)中繼業(yè)務，一些具備移動點波束的中高軌系統(tǒng)，可調配點波束資源，由該低軌衛(wèi)星獨占，完成全程的波束跟蹤服務，提供無線專線服務質量。2.資源塊層面獨享可以采用固定分配資源塊的方式，如FMDA信息，分配固定頻段；TDMA系統(tǒng)，分配時隙，MF-TDMA系統(tǒng)分配固定時頻塊，該無線資源由其獨占，即提供虛擬電路域的服務質量。3.分組數(shù)據(jù)共享根據(jù)終端用戶的前返向數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)緩存，動態(tài)向系統(tǒng)申請無線資源根據(jù)其數(shù)據(jù)業(yè)務的優(yōu)先等級，由系統(tǒng)無線資源管理單元完成對其業(yè)務的動態(tài)無線資源塊的分配管理。因此，系統(tǒng)應具備多級的QoS保障和資源分配的管理策略，滿足不同數(shù)據(jù)中繼業(yè)務的傳輸需求。

五、結語

從天基數(shù)據(jù)中繼的發(fā)展方向上來看，對于日益增長的LEO衛(wèi)星的數(shù)據(jù)中繼需求，采用高通量等中高軌通信衛(wèi)星實現(xiàn)數(shù)據(jù)中繼，是對現(xiàn)有數(shù)傳業(yè)務服務非常有益的補充，且非常適合中繼業(yè)務的商業(yè)推廣。為了實現(xiàn)中高軌通信衛(wèi)星為低軌衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼服務，還需要在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的波形體制、終端設計、系統(tǒng)管控方式等多方面做多種優(yōu)化改進。本文分析了主要的關鍵問題和技術，為后續(xù)研究和開發(fā)工作打下了基礎。下一步工作，將對低軌衛(wèi)星的快速接入、便捷切換等算法做深入研究和仿真，在切換時延、成功率等指標上進行各種方法的比較和驗證。

作者：李靖 單位：天津七一二通信廣播股份有限公司北京研發(fā)中心