巨星座移动性管理架构与方法研究(笔记)

admin

139240
文章

114
评论

2024年10月6日22:56:46评论29 views字数 3028阅读10分5秒阅读模式

推荐阅读

1、基于数字卫星的Starlink星座仿真技术假想

2、低轨卫星系统频谱干扰及其规避仿真与分析

3、构建低轨卫星靶场研究军事卫星体系化对抗

4、卫星总线漏洞及其攻击者路径和卫星固件安全威胁分析模型（续）

随着卫星模块化技术、批量部署技术和第五代移动通信 (5G) 等技术的发展，利用大量低成本微小卫星组建的巨型星座 (Mega Constellation) 系统来为地面提供互联网等各类服务，成为未来航天和通信领域的重要发展方向。

尽管低轨巨型星座系统具有众多优势，但其庞大的卫星数量为星座性能分析带来诸多挑战。随着卫星数量的增加，星地和星间的空间位置关系趋于复杂，这将极大地增加对地覆盖性能分析的计算量。

传统基于星间三角关系或地面网格划分的数值分析方法需要计算每颗卫星与所有其它卫星或地面网格点的距离关系。为了保证计算精度，这类方法的计算量将随卫星数量的增加和单星覆盖范围的减小呈几何级数增长[3]。

星座覆盖性能的分析结果是星座构型设计、卫星载荷选择和部署方案确定的重要依据，因此对于包含数万颗卫星的巨型星座系统，仍需要寻找更有效的覆盖性能分析方法，从而能够在保证计算精度的同时快速获得星座性能分析结果。

星座中卫星的空间分布直接决定了星座的性能，因此合理的构型设计是星座实现功能的前提。

为了保证环境摄动力作用下星座构型的稳定性，低轨巨型星座系统主要采用卫星轨道高度和倾角均相同的同构圆轨道进行设计。在同构圆轨道星座中，Walker 星座和极/近极轨道星座(后文统称为Polar星座)是当前最广泛采用的圆轨道星座构型。这两类星座中每个轨道面分布的卫星数量均相同，且卫星相位沿轨道面均匀分布。不同之处在于，Walker星座轨道面的升交点沿赤道均匀分布；Polar星座轨道面的升交点等间隔分布，并且限制轨道倾角必须接近90度。

由于Polar星座轨道倾角相对固定，因此可以使用覆盖带方法根据覆盖需求解析地求解星座构型，而Walker星座设计仍依赖于构型枚举，难以满足不同覆盖区域和不同覆盖重数的多样化需求，因此有必要对Walker星座的通用构型设计方法展开进一步的研究。

一、覆盖情况

1、骆盛等人[7]对截至2020年4月底的星链卫星进行了建模，仿真计算对热点地区的覆盖情况，从覆盖资源和覆盖品质因数分析对T区的覆盖情况，仿真结果显示在轨的417颗卫星对T区的覆盖情况较差，存在很多无法覆盖的时刻和地点。

2、刘旭光等人[8]对2021年8月5日前1661颗星链卫星进行了覆盖分析，结果显示，星链星座能够对地球形成9661％至100％的连续覆盖，瞬时平均覆盖率可达98％。

3、薛文等人[9]对第一阶段星链星座部署情况进行分析，对第2至13批总计700颗卫星以及第1阶段1584颗卫星进行建模，仿真计算对北美和全球的覆盖性能，结果显示北美地区最小可见卫星数为11颗，最大可见卫星数为21颗；南北纬65度附近区域最小可见卫星数为8颗，最大可见卫星数为23颗，南北纬47度左右达到最大可见卫星数，纬度高于60度的区域卫星不可见。

第1阶段部署完成后的卫星可见数相较于第2至13批次部署的卫星，在北美地区最小可见卫星数多2颗，最大可见卫星数多1颗，全球最小可见卫星数多1颗，最大可见卫星数多2颗。

4、刘帅军等人[10]对在轨星链420颗星链卫星及第一阶段1584颗星链卫星进行了覆盖分析，结果显示在南北纬30至55度之间的区域里，在轨420颗星链卫星覆盖情况较好，纬度高于60度的区域和中低纬度地区覆盖情况差，无法实现对地连续覆盖。而第一阶段1584颗卫星能够形成较好的覆盖情况，在南北纬60度以内的区域能够实现连续多重覆盖，在南北纬30至55度之间，覆盖重数大于9。

二、干扰情况

1、刘帅军等人[11]以星链第一阶段部署情况为研究对象，分析其与高轨GSO系统的干扰情况，结果显示星链星座的端星接入策略是干扰GSO系统至关重要的因素，因此必须对GSO系统的干扰进行规避，可采用星载跳波束技术规避对GSO系统的干扰。

ITU部分关于卫星通信链路干扰分析与规避的文案、无线电规则和建议

三、路由规划算法

1、朱锋等人[12]利用广度优先搜索的思想，综合考虑网络节点负载、数据传输时延等因素，针对动态程度高的星间链路网络，提出一种路由规划算法。

张雨露等人[13]分析了星链星座构型变化的规律和提供独立PＮT服务时能达到的定位性能，仿真结果显示GDOP在分布上呈现纬度相关性，卫星数量为1584颗，南北纬35°到55°之间GDOP值约为07，卫星数量为4408颗，GDOP降低至05以下，卫星数量再增加时，GDOP趋于平稳；当卫星数量为4408颗时，SPP全球RＭS均值在Ｎ、Ｅ、Ｕ三个方向上分别为037、036、475ｍ；PPP平均收敛时间小于2ｍiｎ，较单GPS/BDS优势明显。

为研究星链星座通信能力，本文以星链计划第一阶段1584颗卫星为分析对象，预测当1584颗星链卫星增加星间激光链路载荷，完成组网后，星链星座所具备的通信能力。

当前星链仅第一阶段“壳层1”1584颗卫星完整部署了，考虑星链星间通信组网方式，将研究对象限定为“壳层1”1584颗卫星。

通过星链星座的卫星通信主要分为两个部分：

第一部分是卫星和地面站之间上下行。

第二部分是星链卫星之间激光通信链路。

本文首先基于STK分析星链星座对地面站的覆盖情况，之后基于DijKSTra算法，求解任意两颗星链卫星之间的最小通信距离，计算通过星链星座通信的最小通信时延。

研究仅从理论上分析任意两地面目标通过星链星座通信的最短距离，从而去考虑最小通信时延，不考虑用户端及星链卫星接收、发送信号时的处理时间，设定上行、下行及星链卫星之间激光通信速度均为光速（299792458ｍ/S）。