基于高低轨通信卫星的联合组网研究

孙萌 张淼

航天恒星科技有限公司 北京 100086

近年来，随着我国经济的发展卫星技术的不断进步，卫星应用领域逐渐扩大。同时，随着万物互联时代的到来，卫星通信与人们的日常生活越来越密切。人们通过卫星通信可做到对地球的无缝覆盖，卫星通信已成为人们生活中不可或缺的一部分。

1 卫星通信的组成及特点

卫星通信是以空间卫星作为中继载体的一种通信方式，是在地面微波中继通信和空间电子技术的基础上发展起来的，卫星通信系统一般由空间卫星、网络控制中心站、地面关口站和移动终端站四部分组成。其中，对卫星控制最为重要的是网络控制中心站，负责监测、协调和控制网络内所有卫星的操作运行，包括对卫星姿态、燃料消耗、星上工作环境参数和设备工作状态的监测。

2 我国高低轨卫星移动通信现状

经过多年发展，中国在轨卫星数已成为世界第二，卫星产业在国家信息化建设高速发展中起到支柱的作用支。但就目前来看，卫星遥感和卫星导航领域优势较大，而在应用空间最大的卫星通信领域已经严重滞后。截至2013年年底，中国1.53万家境内投资者在境外设立2.54万家直接对外企业，分布于184个国家（地区），对外直接投资累计净额超过6，600亿美元，各类外派劳务人员超过70万人。通过对我国国民经济18个主要应用行业的调研和统计分析，预计我国未来卫星移动通信覆盖范围需求将从国土扩展至全球，潜在用户数量达到300万，公众用户产品年市场容量110亿元。为保障我国海外人员的生命财产安全、国家全球化的经济利益，建设我国自主可控、全球覆盖的卫星移动通信系统既是迫切需要，也是必然选择[1]。

目前，中国的地面移动通信网只能覆盖到15%的国土面积，尤其是落后偏远地区，地面基础通信严重缺失，如果采用传统地面通信方式来覆盖面积庞大的偏远地区，经济压力会很大。针对偏远地区地面通信系统的“短板”，在统筹规划建设自主卫星移动通信系统时，需要同时考虑以我国及周边地区作为高容量热点区域，这不仅是我国新时期国家战略的客观要求、经济社会建设协调发展的必然趋势，也是有效解决我国边远地区通信、有效应对各类自然灾害威胁和彰显负责任大国形象的需要。但是因为GEO卫星和LEO卫星在设计思想、技术手段、应用领域等方面都有着明显区别，分别代表了卫星移动通信领域内两种不同的发展方向，各有自己的优势、不足，任何一方都不可能完全代替另一方。

3 高低轨卫星组网面临的难题

高低轨卫星由于其轨道特性不同，运动状态也不同。高轨卫星位于地球同步轨道，与地面保持相对静止，而低轨卫星轨道高度较低，绕地旋转速度大于地球自转速度，因此，高轨卫星与低轨卫星之间处于相对运动状态，由此引发了高低轨卫星相互通信时，星载天线对准难、对准开销大的问题。一方面，对准难度高，对星载天线提出了很高的要求；另一方面，对准开销大，对携带有限燃料的卫星是一个挑战，严重影响了卫星的寿命[2]。此外，对于高轨卫星，其视场内有多颗低轨通信卫星。组网时需要一颗高轨卫星对多颗低轨卫星同时进行通信，但因为频率资源有限，每个低轨卫星与高轨卫星通信时不具备使用不同频率进行区隔的条件，因此，如何避免多颗低轨卫星与高轨卫星同时进行通信时的干扰，是另一个需要解决的问题。最后，当前设计卫星的主要思路和方法仍然是设计安装对应的星载硬件设备来匹配不同的卫星功能，这种设计方法带来了卫星用途僵化的问题，无法根据情况的变化改变使用场景和使用方式，同时也带来载荷设备复杂性，不仅提高了使用卫星的技术门槛，也使卫星系统的不可靠性风险大大增加。

4 星间共享信道组网方式

针对高低轨联合组网难题，本文提出兴建共享信道组网方式。高低轨卫星联合组网通信着重解决一星对多星的通信干扰问题，同时尽量降低高低轨卫星天线对准复杂度。根据这个设计要求，高低轨卫星星间通信信道应采用共享信道的设计模式，保证多颗低轨卫星有序共享信道资源，同时，星间通信天线应采用方向性要求低的天线。针对共享信道协议，有基于竞争和非竞争的信道协议模式，竞争信道是让共享用户随机竞争信道，依靠协议的概率模型设计，在统计学上保证多用户有序接入信道；非竞争信道协议则是依靠系统控制器进行调度，使多用户有序接入信道。由于非竞争信道的中心控制使高低轨卫星联合组网复杂度大大增加，因此，信道通信协议宜采用基于竞争的多用户共享信道接入模式。针对星载天线，为了降低星间相对运动时天线对准的难度和对准过程的开销，天线可使用主瓣方向角大、对方向性要求不高的天线，这将大大提高天线对准的几率，提高传输连接成功率[3]。

为降低卫星天线波束对准的复杂度，高低轨卫星间通信采用波束宽度较宽的天线，高轨卫星天线对下发射信号，低轨卫星天线对上发射信号。高低轨卫星间天线发射和接收信号的波束角度范围很宽，这样的设计可以让高低轨卫星在相对运动且天线没有精确对准的情况下也能完成通信，提高了通信成功的概率。由于收发天线波束角较宽，高轨卫星可以同时收到视场内多颗低轨卫星的信号，而无线电频谱资源有限，无法通过设置不同的频段给各卫星链路加以区分通信信号。为了避免多颗低轨卫星的信号互相干扰，方案将星间通信链路协议设计为分时隙的应答确认与退避机制。

5 结语

高低轨宽带通信卫星系统的发展，要结合各自特点，找好市场定位，提前进行布局，开拓一个新的广阔的前景。