应用于物联网的卫星星座设计及分析与覆盖仿真

马晓攀，孔念平，余少波

（深圳航天科技创新研究院北斗增强卫星物联网联合研发中心，广东 深圳 440305）

0 引言

1957年10月，世界上第一个人造地球卫星由前苏联发射成功，标志着人类进入航天探索的开始。1970年4月24日，“东方红”1号在酒泉发射成功，标志着我国开启了航天探索的历程。至今，半个多世纪以来，卫星在经济、科学、军事、气象、导航等各个领域得到广泛的应用，起到了关键作用。近年来，SpaceX的Starlink计划部署4.2万颗卫星，提供全球覆盖的高速互联网服务，这项堪称疯狂的计划一经提出便得到广泛的关注，目前的陆续部署也将卫星工程再次放到聚光灯之下，一方面让人惊叹科技的进步，同时也让国人提高警惕，太空资源的争夺已到不可不重视的地位。

2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，正式提出了“物联网”的概念。时至今日，物联网技术已经广泛应用于人们的生活与工作中。物联网是在互联网基础上的延伸和扩展的网络，在城市中易于实现，但在偏远山村等网络欠缺地区，进行物联网部署遇到了很大的困难，因此，通过卫星建立通信的卫星物联网工程应运而生。

1 轨道参数

1.1 轨道高度[1]

人造地球卫星以轨道高度来分可分为三类，低轨（LEO），距地面约200-2 000 km。中轨（MEO），距地面约2 000-20 000 km。高轨（GEO），距地面20 000 km以上。中高轨卫星，能以较少卫星实现更大的覆盖（例如地球同步轨道距地35 900 km，3颗卫星便可实现全球覆盖），但轨道高度越高信号传输损耗与延时就越大，而LEO卫星由于轨道低，通信链路损耗小、传输延时小成为卫星物联网通信的首要选择。然而轨道越低，大气阻尼和扰动对卫星寿命的影响就越大，而在高度1500-2 500 km处存在一条强烈的电磁辐射带。综合考虑大气阻尼和范艾伦辐射带的影响，轨道高度在800 km左右，是卫星物联网应用中较好的选择。

1.2 轨道倾角

轨道倾角是卫星轨道要素之一，倾角的不同，卫星覆盖也不同，倾角为90°时，卫星轨道平面与地球赤道平面垂直，飞越南北两极上空，称为极地轨道，实际应用中一般使用倾角90°左右的近极轨道。在这种轨道上运行的卫星可以飞经地球上任何地区上空，多颗星座组合可实现全球覆盖。美国的铱星（Iridium）星座就是采用倾角86.4°的近极圆轨道实现全球全时段通信。

由于受地球摄动的影响，卫星轨道平面会产生变化。卫星载荷的工作需要电源的支持，当卫星在轨道上时，太阳能电池板的光照尤为重要，此时选择太阳同步轨道（SSO），卫星和太阳保持一定的同步关系，太阳能电池板始终面向太阳便能提供充足的光照，保证载荷的工作。地球围绕太阳公转一年，为使轨道平面保持固定的角度，卫星必须旋转或进动360°，即轨道平面每天旋转0.9856°，由公式（1）[2]可计算出轨道倾角为98.608°。

1.3 星座设计

当选择倾角为98.608°，轨道高度为800 km时，若要实现全球全时段覆盖，参考铱星（Iridium）星座，同样设计出6个轨道面，每个轨道面12颗星的星座，该星座一共72颗星，其中12颗为备用星，每颗卫星覆盖半径约为2 500 km。若要实现全球物联网通信业务，需在其他国家落地的大量工作，目前尚未完成，综合考虑卫星及发射成本，前期以最少的卫星数实现对中国最大的覆盖率，首先满足国内的物联网需求作为目标来进行星座设计，后期补 星可实现全球全时段通信。

1.4 升交点赤经[3]

在轨道6要素中，升交点赤经也是决定轨道位置的重要因素。在近极轨道星座中，卫星轨道之间间隔不是均匀分布的。因为第一个轨道和最后一个轨道的卫星是逆向飞行的，要实现低纬度地区全覆盖，这两个轨道的间隔要小于其他轨道的间隔。如图1所示，在卫星覆盖设计中，设轨道个数为P，每个轨道面卫星数为S，同向轨道夹角为θ同向，逆向轨道夹角为θ逆向。θ同向与θ逆向满足公式（2）、（3）；覆盖带半宽满足公式（4）。

图1

在低纬度地区满足全时段覆盖的条件需满足公式（5）：

结合公式（3）、（4）、（5），得出公式（6）：

结合式（6）与上文给出的轨道高度和倾角，设计出6个轨道平面的升交点赤经为：31.6°、63.2°、94.8°、126.4°、158°、189.6°。

2 基于STK的覆盖仿真及分析

由上文分析，当轨道高度、轨道倾角、升交点赤经、轨道数、卫星总数确定之后，同轨道卫星、相邻轨道卫星之间相位角的大小，以及卫星如何编队排列则是影响卫星覆盖率的最大因素。在以最少的卫星数实现对中国最大的覆盖率的前提下，基于STK软件以中国为Area target建立仿真模型，见图2。卫星有多种排列方式，如图3所示每个轨道卫星均匀分布，以及图4所示的多种编队方式。

图 2

图 3

图 4

卫星采用图4中第3种编队模式排列时，即相同轨道卫星连续排列，相邻轨道 卫星相接（即与相同轨道相邻卫星相位角相同）排列，间隔一个轨道的两轨道卫星呈现近对称分布（相差较小的相位角）。通过大量仿真数据与计算得出，在这种卫星排列方式（暂命名为间隔轨道对称分布）之下，星座具有最大的覆盖率。下面将呈现6个轨道每个轨道2、3、4、6颗星分别在Walker星座分布和间隔轨道对称分布的场景下的仿真数据。

2.1 星座卫星总数为12颗星，每个轨道2颗星

（1）Walker星座，12/6/1分布方式。一天中对中国完全覆盖比率为16.43%，平均覆盖率为44.14%，平均重访间隙为27 min。

图5 星座对中国地区全覆盖时间

图6 星座对中国地区全覆盖比率

（2）间隔轨道对称分布方式。一天中对中国完全覆盖比率为19.82%，平均覆盖率为42.62%，平均重访间隙为47 min。

图7 星座访问间隙周期图

图8 星座对中国地区全覆盖时间

图9 星座对中国地区全覆盖比率

图10 星座访问间隙周期图

2.2 星座卫星总数为18颗星，每个轨道3颗星

（1）Walker星座，18/6/1分布方式。一天中对中国完全覆盖比率为18.66%，平均 覆 盖率为53.43%，平均重访间隙为15 min。

图11 星座对中国地区全覆盖时间

图12 星座对中国地区全覆盖比率

图13 星座访问间隙周期图

（2）间隔轨道对称分布方式。一天中对中国完全覆盖比率为31.37%，平均覆盖率为61.13%，平均重访间隙为27.5 min。

图14 星座对中国地区全覆盖时间

图15 星座对中国地区全覆盖比率

图16 星座访问间隙周期图

2.3 星座卫星总数为24颗星，每个轨道4颗星

（1）Walker星座，24/6/1分布方式。一天中对中国完全覆盖比率为25.5%，平均覆盖率为67.76%，平均重访间隙为8.5 min。

图17 星座对中国地区全覆盖时间

图18 星座对中国地区全覆盖比率

图19 星座访问间隙周期图

（2）间隔轨道对称分布方式。一天中对中国完全覆盖比率为44.16%，平均覆盖率为80.29%，平均重访间隙为14 min。

图20 星座对中国地区全覆盖时间

图21 星座对中国地区全覆盖比率

图22 星座访问间隙周期图

2.4 星座卫星总数为36颗星，每个轨道6颗星

（1）Walker星座，36/6/1分布方式。一天中对中国完全覆盖比率为45.3%，平均覆盖率为92.24%，平均重访间隙为1.5 min。

图23 星座对中国地区全覆盖时间

图24 星座对中国地区全覆盖比率

图25 星座访问间隙周期图

（2）间隔轨道对称分布方式。一天中对中国完全覆盖比率为71.41%，平均覆盖率为96.58%，平均重访间隙为1.8 min。

图26 星座对中国地区全覆盖时间

图27 星座对中国地区全覆盖比率

图28 星座访问间隙周期图

3 结束语

应用于物联网的卫星星座设计中，前期以最少的卫星数实现对中国最大的覆盖率，首先满足国内的物联网需求作为目标来进行星座设计。采用近极圆轨道，轨道高度800 km，同时采用太阳同步轨道（倾角为98.608°），6个轨道面（升交点赤经：31.6°、63.2°、94.8°、126.4°、158°、198.6°）。基于STK仿真得出，采用Walker星座，同轨道卫星均匀分布时，星座对中国地区具有均匀的覆盖，重访间隙较小。每个轨道2、3、4、6颗星时，对中国完全覆盖率分别为：16.43%、18.66%、25.5%、45.3%，重访平均间隙分别为：27 min、15 min、8.5 min、1.5 min。采用间隔轨道对称分布星座时，星座对中国地区具有全覆盖最大的覆盖率，相比之下，覆盖重访间隙较大，每个轨道2、3、4、6颗星时，对中国完全覆盖率分别为：19.82%、31.37%、44.16%、71.41%。重访平均间隙分别为：47 min、27.5 min、14 min、1.8 min。

6个轨道面，每个轨道2颗星，卫星总数为12颗时即可实现物联网服务的运营，每天有10次以上的重访，每次重访全覆盖时间在20 min左右。实际应用中，若优先考虑星座重访均匀性和重访间隙，则可选择Walker星座分布。若优先考虑最大覆盖率，则选择间隔轨道对称分布的星座。