Starlink星座通信建模仿真分析

摘要：星鏈計(jì)劃是當(dāng)前唯一正在快速部署的低地球軌道巨型星座,本文分析了低軌衛(wèi)星通信的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn),并對(duì)星鏈計(jì)劃建設(shè)情況、系統(tǒng)架構(gòu)等內(nèi)容進(jìn)行了概述。利用衛(wèi)星工具包(STK)對(duì)第一階段“殼層1”的1 584顆衛(wèi)星進(jìn)行建模仿真,基于星鏈衛(wèi)星配備激光通信載荷之后的組網(wǎng)模式,以Dijkstra最短路徑算法求解任意兩顆星鏈衛(wèi)星之間的最短星間通信鏈路距離,從而得出理論上最短的通信時(shí)延。最后根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)星鏈計(jì)劃的軍事應(yīng)用進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

近些年來(lái),全球航天的發(fā)展焦點(diǎn)逐漸從高軌空間向低軌空間轉(zhuǎn)移,在技術(shù)發(fā)展和一些國(guó)家太空戰(zhàn)略調(diào)整的背景下,人類在低軌空間領(lǐng)域發(fā)展迅速,在最近20年中,低地球軌道(Low Earth Orbit, LEO)年發(fā)射航天器數(shù)量比例從57%提高至97%,年平均部署衛(wèi)星數(shù)量提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)。由于低軌衛(wèi)星通信相比于高軌衛(wèi)星通信的優(yōu)勢(shì)明顯,在LEO衛(wèi)星中,通信衛(wèi)星的數(shù)量近些年呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng),相比2001至2005年,2016至2020年LEO通信衛(wèi)星數(shù)量激增了近40倍,2001年至2020年全球通信衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

在LEO通信衛(wèi)星中,SpaceX公司提出的“星鏈計(jì)劃”脫穎而出,人類從蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星至“星鏈計(jì)劃”提出前,共發(fā)射了4 000多顆衛(wèi)星,而“星鏈計(jì)劃”準(zhǔn)備向近地軌道發(fā)射約4.2萬(wàn)顆衛(wèi)星,是過(guò)去人類發(fā)射衛(wèi)星總和的10倍。截至2022年7月7日,SpaceX公司已經(jīng)發(fā)射2 759顆星鏈衛(wèi)星,已經(jīng)超過(guò)人類之前發(fā)射衛(wèi)星總和的50%,是目前唯一正在快速部署的巨型低軌星座。

本文分析了低軌通信衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn),利用衛(wèi)星工具包(Satellite Tool Kit,STK)對(duì)“星鏈計(jì)劃”第一階段部署的1 584顆星鏈衛(wèi)星建模,基于Dijkstra算法計(jì)算當(dāng)星鏈衛(wèi)星全部配備激光通信載荷完成衛(wèi)星組網(wǎng)后,任意兩顆星鏈衛(wèi)星之間的最短通信距離和最小理論通信時(shí)延,從而評(píng)估對(duì)比“星鏈計(jì)劃”衛(wèi)星通信優(yōu)勢(shì),進(jìn)而預(yù)測(cè)其軍事應(yīng)用的可能。

1 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信

在光纜和移動(dòng)基站大面積覆蓋前,移動(dòng)通信的實(shí)現(xiàn)主要依靠通信衛(wèi)星,人類可以僅通過(guò)向地球靜止軌道或中高軌道發(fā)射一顆衛(wèi)星,就能夠?yàn)榈厍虮砻孑^大區(qū)域提供互聯(lián)網(wǎng)通信的服務(wù),較少數(shù)量的衛(wèi)星就能夠基本實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。我國(guó)建設(shè)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)首先也從地球靜止軌道開(kāi)始,在2017年4月12日我國(guó)發(fā)射首顆高軌道高通量通信衛(wèi)星,首次應(yīng)用了Ka頻段多波束寬帶通信系統(tǒng),大大提高了信息傳送能力。地球靜止軌道衛(wèi)星相對(duì)于地球是靜止的,這就可以保證地面接收天線固定對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星,既可以接收信號(hào),又能節(jié)約地面設(shè)施的建設(shè)成本。但不能忽視的是,地球靜止軌道距地面距離約在35 786 km,信號(hào)傳輸?shù)木嚯x較長(zhǎng),上行下行一個(gè)來(lái)回用時(shí)要超過(guò)100 ms,而且一顆地球靜止軌道通信衛(wèi)星的成本非常高昂,因此,在地面基站以及光纜大面積覆蓋后,高軌通信衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)不再巨大。

通過(guò)地下、水下鋪設(shè)的光纜以及地面上建立的通信基站,人類能夠享受更加便利的通信服務(wù),但通信基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)成本非常高昂。數(shù)據(jù)顯示,一座4G網(wǎng)絡(luò)基站的建設(shè)成本約為20~25萬(wàn)元,而一座5G基站則高達(dá)36萬(wàn)元,海底光纜的建設(shè)成本更高達(dá)18萬(wàn)美元每千米,因此,在人群聚集地建設(shè)這些設(shè)施的收益相對(duì)較高,但世界上有很多偏遠(yuǎn)地區(qū)地廣人稀,建設(shè)密集的通信基礎(chǔ)設(shè)施收益較低。而衛(wèi)星通信能夠突破地理位置限制,為偏遠(yuǎn)地區(qū)的人類提供通信服務(wù),如果可以解決衛(wèi)星通信信號(hào)弱及通信時(shí)延高的問(wèn)題,那么衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將可以彌補(bǔ)地面5G網(wǎng)絡(luò)通信的短板,能夠在極地、沙漠、偏遠(yuǎn)地區(qū)、海洋、航空等場(chǎng)景下提供互聯(lián)網(wǎng)通信服務(wù),因此,隨著技術(shù)的發(fā)展,低地球軌道逐漸成為發(fā)展的焦點(diǎn)。

低地球軌道高度一般在2 000 km以下,其具備以下優(yōu)勢(shì):一是將衛(wèi)星發(fā)射送入低軌道所需的能量較少,且由于軌道高度低,地面終端信號(hào)上行和衛(wèi)星信號(hào)下行的功耗也更低,能夠節(jié)約成本;二是由于軌道高度低通信時(shí)延也較低,以550 km軌道高度為例,上行下行一個(gè)來(lái)回,用時(shí)僅7~8 ms,遠(yuǎn)低于地球靜止軌道衛(wèi)星的通信時(shí)延;三是小衛(wèi)星在低地球軌道上部署更具優(yōu)勢(shì),小衛(wèi)星生產(chǎn)速度快,發(fā)射容易,組網(wǎng)能力強(qiáng),不僅其通信容量大,且彈性能力更強(qiáng)。

但低軌道衛(wèi)星也存在劣勢(shì),由于低軌道衛(wèi)星運(yùn)行速度快,瞬時(shí)視場(chǎng)小,單顆衛(wèi)星每一時(shí)刻覆蓋的區(qū)域小,需要建設(shè)一個(gè)“星座”才能實(shí)現(xiàn)連續(xù)、全球覆蓋,其技術(shù)難度較大;而且為實(shí)現(xiàn)信號(hào)更佳,當(dāng)衛(wèi)星數(shù)量較少時(shí),地面天線需要更加頻繁轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星,當(dāng)衛(wèi)星數(shù)量增加后,地面終端又面臨不斷切換衛(wèi)星接收信號(hào)的問(wèn)題。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)隨著低軌道星座的建設(shè)而迅速發(fā)展,低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)憑借其軌道低的優(yōu)勢(shì)能夠?qū)崿F(xiàn)通信時(shí)延低、損耗小,隨著衛(wèi)星數(shù)量進(jìn)一步增加,星座組網(wǎng)后能夠具備覆蓋范圍更廣、通信容量更大的特點(diǎn),因此,低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將有可能彌補(bǔ)地面移動(dòng)通信的短板,突破地理阻隔,讓更多人享受互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。隨著科技的發(fā)展,低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)能夠在時(shí)延要求高的領(lǐng)域發(fā)揮重要作用,例如金融、AR、遠(yuǎn)程醫(yī)療以及無(wú)人駕駛等,為實(shí)現(xiàn)“萬(wàn)物互聯(lián)”的美好愿景奠定基礎(chǔ)。

2?“星鏈計(jì)劃”

2.1?“星鏈計(jì)劃”介紹

美國(guó)太空探索計(jì)劃公司(SpaceX)于2015年提出的“星鏈計(jì)劃”,計(jì)劃向太空近地軌道發(fā)射1.2萬(wàn)顆通信衛(wèi)星,從而組成星鏈網(wǎng)絡(luò)提供高質(zhì)量衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。2019年,SpaceX公司又提交申請(qǐng),準(zhǔn)備追加3萬(wàn)顆星鏈衛(wèi)星,衛(wèi)星數(shù)量總計(jì)將達(dá)到4.2萬(wàn)顆?！靶擎湣笔悄壳拔ㄒ徽诳焖俨渴鸬牡蛙壘扌托亲?截止2022年7月,已成功發(fā)射2 957顆衛(wèi)星,2 668顆在軌,已在美國(guó)、加拿大、墨西哥、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、烏克蘭等36個(gè)國(guó)家和地區(qū)提供服務(wù),計(jì)劃明年將服務(wù)擴(kuò)展至亞洲、非洲和中東的大部分地區(qū)。

星鏈計(jì)劃預(yù)計(jì)共發(fā)射約4.2萬(wàn)顆衛(wèi)星,部署總體計(jì)劃分為三個(gè)階段:第一階段,至2024年,完成4 408顆衛(wèi)星部署;第二階段,至2027年,完成7 518顆衛(wèi)星部署,第三階段,預(yù)備軌道占位部署約3萬(wàn)顆衛(wèi)星。

當(dāng)前,星鏈計(jì)劃正處于部署第一階段,將4 408顆星鏈衛(wèi)星部署于5個(gè)軌道“殼層”,“殼層1”軌道高度550 km、傾角53°,計(jì)劃部署1 584顆衛(wèi)星;“殼層4”與“殼層1”相近,軌道高度540 km、傾角53.2°,同樣準(zhǔn)備部署1 584顆衛(wèi)星;“殼層2”,軌道高度570 km、傾角70°,計(jì)劃部署720顆衛(wèi)星;“殼層3”和“殼層5”軌道高度均為560 km、傾角97.6°,計(jì)劃分別部署348顆和172顆衛(wèi)星。

第二階段計(jì)劃將7 518顆星鏈衛(wèi)星部署于“殼層6”、“殼層7”和“殼層8”三個(gè)軌道“殼層”,第三階段計(jì)劃將約3萬(wàn)顆星鏈衛(wèi)星部署于高度在340~614 km之間的9條傾斜軌道上,具體部署計(jì)劃見(jiàn)表2。

2.2?“星鏈計(jì)劃”系統(tǒng)架構(gòu)

2.2.1?空間段

“星鏈計(jì)劃”主要由空間段和地面段兩部分組成,空間段星鏈衛(wèi)星采用高度集成的箱板式結(jié)構(gòu),每顆衛(wèi)星搭載4面相控陣天線,太陽(yáng)能帆板采用單側(cè)大展弦比柔性設(shè)計(jì),并在全球首次采用氪離子推進(jìn)[5]。1臺(tái)恒星跟蹤器用于測(cè)量衛(wèi)星姿態(tài),確保寬帶通信精度。“星鏈”自動(dòng)防撞系統(tǒng)使用美國(guó)國(guó)防部的碎片庫(kù)信息,避免和其他航天器產(chǎn)生碰撞。目前,每顆“星鏈”衛(wèi)星都配有2個(gè)Ka波段天線,與各地部署的地面站網(wǎng)關(guān)連接,再通過(guò)光纖與地面骨干網(wǎng)互通。

“星鏈”第1批次發(fā)射的衛(wèi)星為0.9版本,質(zhì)量227 kg,僅支持Ku頻段通信,且無(wú)星間激光鏈路載荷。第2—17和19—30批次衛(wèi)星為1.0版本,每顆衛(wèi)星重260 kg,增加了Ka頻段天線,但仍然沒(méi)有配置星間激光鏈路載荷。第18和31批次為極地軌道衛(wèi)星,傾角97.5度的太陽(yáng)同步軌道,2021年1月發(fā)射的第18批次的10顆衛(wèi)星首次配備激光鏈路載荷,以驗(yàn)證星間激光鏈路的在軌性能,第32批次以后發(fā)射的星鏈衛(wèi)星正式增加了星間激光鏈路載荷,單星重量增至307 kg,還安裝了2個(gè)拋物面天線,如圖1。

據(jù)相關(guān)人士稱,目前已經(jīng)研制出一顆2.0版本星鏈衛(wèi)星,其能力預(yù)計(jì)是1.0版星鏈衛(wèi)星的10倍,重量約為1.25 t,長(zhǎng)約7 m。

2.2?地面段

地面段主要由信關(guān)站、用戶套件組成?！靶擎湣币言谌虿渴鸺s150個(gè)信關(guān)站,主要分布在南北美洲、澳洲及歐洲,圖2中紅色點(diǎn)為星鏈地面站分布位置,白色點(diǎn)為星鏈衛(wèi)星。

每個(gè)信關(guān)站包括8個(gè)天線是美國(guó)威斯康星州梅里蘭地面站。在開(kāi)啟星間鏈路服務(wù)前,“星鏈”網(wǎng)絡(luò)可服務(wù)范圍以信關(guān)站附近區(qū)域?yàn)橹?。目?“星鏈”信關(guān)站的天線口徑約為1.47 m,上行信號(hào)頻段為27.5~29.1 GHz和29.5~30 GHz,發(fā)射功率約15 W,EIRP為60.50 dBW。

“星鏈”用戶套件包括1個(gè)戶外天線、1個(gè)三腳架、電源和1個(gè)Wi-Fi路由器。

2020年11月,首批終端開(kāi)始交付北美用戶,使用一體化設(shè)計(jì)的平面相控陣天線在戶外接收/傳輸衛(wèi)星信號(hào),多面幾何體路由器用于提供和傳輸終端用戶接入“星鏈”網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)。終端接收機(jī)帶有電動(dòng)機(jī),可全自動(dòng)調(diào)節(jié)接收角度,為用戶提供最佳信號(hào)。

為滿足頻繁切換的要求,“星鏈”采用先進(jìn)的相控陣技術(shù),衛(wèi)星和用戶套件均由數(shù)百個(gè)相控陣單元組成,這些陣元由SpaceX可動(dòng)態(tài)切換設(shè)計(jì)的專有數(shù)字波束成形相控陣芯片控制,控制芯片可實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的精確切換控制。相控陣技術(shù)通過(guò)允許衛(wèi)星天線和用戶天線同時(shí)調(diào)整各天線單元的幅度和相位,具備電掃描能力,從而完全調(diào)整天線,使其轉(zhuǎn)向保持跟蹤射頻波束。該技術(shù)解決了低軌星座連續(xù)移動(dòng)的難點(diǎn),促成了“星鏈”星座網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),提升了其星座的可靠性。

3?星鏈星座通信建模仿真

已有一些學(xué)者利用建模仿真的手段對(duì)星鏈進(jìn)行了研究。駱盛等人[7]對(duì)截至2020年4月底的星鏈衛(wèi)星進(jìn)行了建模,仿真計(jì)算對(duì)熱點(diǎn)地區(qū)的覆蓋情況,從覆蓋資源和覆蓋品質(zhì)因數(shù)分析對(duì)T區(qū)的覆蓋情況,仿真結(jié)果顯示在軌的417顆衛(wèi)星對(duì)T區(qū)的覆蓋情況較差,存在很多無(wú)法覆蓋的時(shí)刻和地點(diǎn)。劉旭光等人[8]對(duì)2021年8月5日前1 661顆星鏈衛(wèi)星進(jìn)行了覆蓋分析,結(jié)果顯示,星鏈星座能夠?qū)Φ厍蛐纬?6.61%至100%的連續(xù)覆蓋,瞬時(shí)平均覆蓋率可達(dá)98%。薛文等人[9]對(duì)第一階段星鏈星座部署情況進(jìn)行分析,對(duì)第2至13批總計(jì)700顆衛(wèi)星以及第1階段1 584顆衛(wèi)星進(jìn)行建模,仿真計(jì)算對(duì)北美和全球的覆蓋性能,結(jié)果顯示北美地區(qū)最小可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)為11顆,最大可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)為21顆;南北緯65度附近區(qū)域最小可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)為8顆,最大可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)為23顆,南北緯47度左右達(dá)到最大可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù),緯度高于60度的區(qū)域衛(wèi)星不可見(jiàn)。第1階段部署完成后的衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)相較于第2至13批次部署的衛(wèi)星,在北美地區(qū)最小可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)多2顆,最大可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)多1顆,全球最小可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)多1顆,最大可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)多2顆。
劉帥軍等人[10]對(duì)在軌星鏈420顆星鏈衛(wèi)星及第一階段1 584顆星鏈衛(wèi)星進(jìn)行了覆蓋分析,結(jié)果顯示在南北緯30至55度之間的區(qū)域里,在軌420顆星鏈衛(wèi)星覆蓋情況較好,緯度高于60度的區(qū)域和中低緯度地區(qū)覆蓋情況差,無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)地連續(xù)覆蓋。而第一階段1 584顆衛(wèi)星能夠形成較好的覆蓋情況,在南北緯60度以內(nèi)的區(qū)域能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)多重覆蓋,在南北緯30至55度之間,覆蓋重?cái)?shù)大于9。劉帥軍等人[11]以星鏈第一階段部署情況為研究對(duì)象,分析其與高軌GSO系統(tǒng)的干擾情況,結(jié)果顯示星鏈星座的端星接入策略是干擾GSO系統(tǒng)至關(guān)重要的因素,因此必須對(duì)GSO系統(tǒng)的干擾進(jìn)行規(guī)避,可采用星載跳波束技術(shù)規(guī)避對(duì)GSO系統(tǒng)的干擾。朱鋒等人[12]利用廣度優(yōu)先搜索的思想,綜合考慮網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)負(fù)載、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延等因素,針對(duì)動(dòng)態(tài)程度高的星間鏈路網(wǎng)絡(luò),提出一種路由規(guī)劃算法。張雨露等人[13]分析了星鏈星座構(gòu)型變化的規(guī)律和提供獨(dú)立PNT服務(wù)時(shí)能達(dá)到的定位性能,仿真結(jié)果顯示GDOP在分布上呈現(xiàn)緯度相關(guān)性,衛(wèi)星數(shù)量為1 584顆,南北緯35°到55°之間GDOP值約為0.7,衛(wèi)星數(shù)量為4 408顆,GDOP降低至0.5以下,衛(wèi)星數(shù)量再增加時(shí),GDOP趨于平穩(wěn);當(dāng)衛(wèi)星數(shù)量為4 408顆時(shí),SPP全球RMS均值在N、E、U三個(gè)方向上分別為0.37、0.36、4.75 m;PPP平均收斂時(shí)間小于2 min,較單GPS/BDS優(yōu)勢(shì)明顯。

為研究星鏈星座通信能力,本文以星鏈計(jì)劃第一階段1 584顆衛(wèi)星為分析對(duì)象,預(yù)測(cè)當(dāng)1 584顆星鏈衛(wèi)星增加星間激光鏈路載荷,完成組網(wǎng)后,星鏈星座所具備的通信能力。當(dāng)前星鏈僅第一階段“殼層1”1 584顆衛(wèi)星完整部署了,考慮星鏈星間通信組網(wǎng)方式,將研究對(duì)象限定為“殼層1”1 584顆衛(wèi)星。通過(guò)星鏈星座的衛(wèi)星通信主要分為兩個(gè)部分:第一部分是衛(wèi)星和地面站之間上下行,第二部分是星鏈衛(wèi)星之間激光通信鏈路。本文首先基于STK分析星鏈星座對(duì)地面站的覆蓋情況,之后基于Dijkstra算法,求解任意兩顆星鏈衛(wèi)星之間的最小通信距離,計(jì)算通過(guò)星鏈星座通信的最小通信時(shí)延。研究?jī)H從理論上分析任意兩地面目標(biāo)通過(guò)星鏈星座通信的最短距離,從而去考慮最小通信時(shí)延,不考慮用戶端及星鏈衛(wèi)星接收、發(fā)送信號(hào)時(shí)的處理時(shí)間,設(shè)定上行、下行及星鏈衛(wèi)星之間激光通信速度均為光速(299 792 458 m/s)。

3.1?星鏈星座通信模型

“星鏈計(jì)劃”第一階段1 584顆衛(wèi)星部署于22個(gè)軌道面上,每個(gè)軌道面上有72顆衛(wèi)星,屬于典型的Walker星座,利用衛(wèi)星工具包(Satellite Tool Kit, STK)衛(wèi)星仿真軟件,根據(jù)SpaceX公布衛(wèi)星軌道根數(shù),設(shè)置種子衛(wèi)星,本文以2022年04月25日根數(shù)分析結(jié)果,設(shè)定種子衛(wèi)星歷元為25 Apr 2022 0400.000 UTC,軌道根數(shù)為半長(zhǎng)軸6 928.137(高度550 km)、升交點(diǎn)赤經(jīng)160°、軌道傾角53°、偏心率0°、其他軌道參數(shù)為0?；诜N子衛(wèi)星生成由1 584顆星鏈衛(wèi)星組成的Walker星座。

將星座內(nèi)的衛(wèi)星命名為Starlink-aabb,其中aa表示軌道面數(shù)序號(hào),bb表示某軌道面上衛(wèi)星序號(hào),例如Starlink-0805表示第8個(gè)軌道面上第5顆星鏈衛(wèi)星。

根據(jù)官方給出的星鏈衛(wèi)星Ku波段天線覆蓋角度,部署初期僅有25°,但最終將會(huì)提高到40°半錐角,考慮仿真分析的前瞻性和預(yù)測(cè)性,故在仿真中將所有星鏈衛(wèi)星天線覆蓋角度均設(shè)置為40°。

根據(jù)官方給出的星鏈星座組網(wǎng)模式,每顆衛(wèi)星連接四條激光通信鏈路,同軌道面前后相連,異軌道面左右相連,同軌道面星間相對(duì)位置保持不變,異軌道面星間相對(duì)位置會(huì)隨時(shí)間變化,但每顆衛(wèi)星星間鏈路穩(wěn)定,不需要切換衛(wèi)星,這能節(jié)約重新搜索鏈接衛(wèi)星和重新建立連接的時(shí)間。如圖7,Starlink-0472激光通信鏈路分別與Starlink-0471、Starlink-0401、Starlink-0303、Starlink-0569相連,其中與Starlink-0471、Starlink-0401屬于同一軌道面,與Starlink-0303、Starlink-0569屬于相鄰軌道面。

3.2?迪杰斯特拉算法(Dijkstra)

3.3?仿真結(jié)果分析

分析倫敦(51.312,-0.117)至紐約(40.524,-74.006)通過(guò)星鏈衛(wèi)星通信的時(shí)延。因星鏈衛(wèi)星軌道較低,同一衛(wèi)星對(duì)同一地面站覆蓋時(shí)間較短,按照每分鐘劃分,即一天24小時(shí)劃分為1 440個(gè)時(shí)間點(diǎn),分析各個(gè)時(shí)間點(diǎn)時(shí),倫敦地面站-星鏈衛(wèi)星-……-星鏈衛(wèi)星-紐約地面站這一通信鏈路的通信時(shí)延。圖8、9為星鏈星座覆蓋時(shí)刻表。

根據(jù)STK仿真模型,給出1 440個(gè)時(shí)間點(diǎn)時(shí),1 584顆星鏈衛(wèi)星的J2000坐標(biāo),根據(jù)星鏈坐標(biāo)結(jié)合Dijkstra算法,求解每個(gè)時(shí)間點(diǎn)分別覆蓋倫敦和紐約的兩顆星鏈衛(wèi)星之間的最短通信距離和最短通信時(shí)延。根據(jù)算法,一天1 440個(gè)時(shí)間點(diǎn)上通信距離如圖10所示,平均通信距離為12 252.180 21 km;通信時(shí)延如圖11所示,平均通信時(shí)延為40.868 874 07 ms。

相比于地球同步軌道衛(wèi)星,地球靜止軌道距地面距離約在35 786 km,上行下行一個(gè)來(lái)回用時(shí)要超過(guò)100 ms,星鏈衛(wèi)星通信時(shí)延明顯。相比于AC-2海底電纜,倫敦至紐約來(lái)回通信距離約為12 800 km,光纜中光傳播速度約為203 940 448 m/s,不考慮設(shè)備轉(zhuǎn)換信號(hào)所需時(shí)間,通信時(shí)延約62.7 ms,略優(yōu)于第一階段星鏈衛(wèi)星部署情況下的衛(wèi)星通信時(shí)延。 從仿真結(jié)果來(lái)看,僅就第一階段星鏈衛(wèi)星組網(wǎng)完成后的星鏈星座衛(wèi)星通信具備以下優(yōu)點(diǎn):一是通信時(shí)延小,通信容量大?；诓渴鹩诮剀壍赖臄?shù)量龐大的星鏈衛(wèi)星,星鏈衛(wèi)星通信具備通信時(shí)延小、用戶容量大的特點(diǎn);二是衛(wèi)星通信彈性大。星鏈衛(wèi)星數(shù)量龐大,僅一兩顆衛(wèi)星出現(xiàn)問(wèn)題不會(huì)影響整個(gè)星鏈星座通信,且其發(fā)射成本低,因此整個(gè)星鏈星座抗打擊能力強(qiáng),彈性大;三是衛(wèi)星覆蓋范圍廣,有能力覆蓋極地等偏遠(yuǎn)地區(qū)。在極地地區(qū)布設(shè)光纜難度大,且地球靜止軌道也無(wú)法覆蓋極地地區(qū),因此,星鏈衛(wèi)星通信在極地等偏遠(yuǎn)地區(qū)優(yōu)勢(shì)明顯。 但從仿真結(jié)果來(lái)看,星鏈星座也存在問(wèn)題。一是衛(wèi)星運(yùn)行速度快,衛(wèi)星切換頻繁。單顆衛(wèi)星對(duì)地面站覆蓋時(shí)間短,地面站面臨頻繁切換衛(wèi)星的問(wèn)題,通信質(zhì)量保障難度大。二是衛(wèi)星通信可能會(huì)面臨干擾等問(wèn)題。相比于光纜等有線通信,星鏈衛(wèi)星通信始終面臨穩(wěn)定性差和易受干擾的問(wèn)題。

4?“星鏈計(jì)劃”衛(wèi)星通信軍事應(yīng)用預(yù)測(cè)

4.1?美軍衛(wèi)星通信系統(tǒng)概述

美軍的衛(wèi)星通信體系建設(shè)起步早,在關(guān)鍵技術(shù)方面也處于世界領(lǐng)先地位,目前美軍的衛(wèi)星通信由寬帶、窄帶、受保護(hù)和中繼四類衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成,不僅在通信頻率上覆蓋了特高頻、超高頻和極高頻等各個(gè)頻段,而且在應(yīng)用上滿足了戰(zhàn)略、戰(zhàn)役和戰(zhàn)術(shù)等各個(gè)層級(jí)。

1)寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)

從20世紀(jì)60年代開(kāi)始,美軍先后建設(shè)了國(guó)防衛(wèi)星通信系統(tǒng)(DSCS)、寬帶全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)(WGS)。作為最早的軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng),DSCS在發(fā)展了三代之后逐漸被WGS取代。2007年起美空軍正式開(kāi)始部署WGS,該系統(tǒng)是美軍功率最大、容量最大的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng),是美軍第一個(gè)實(shí)現(xiàn)通信衛(wèi)星從戰(zhàn)略通信向戰(zhàn)術(shù)通信轉(zhuǎn)變的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

寬帶全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)成功發(fā)射12顆衛(wèi)星,均運(yùn)行在地球靜止軌道上,發(fā)射重量約5.9 t,設(shè)計(jì)壽命約14年。根據(jù)衛(wèi)星部署情況來(lái)看,除高緯度的極地地區(qū)之外,目前WGS已經(jīng)基本擁有全球通信覆蓋的能力,并且可對(duì)部分熱點(diǎn)地區(qū)實(shí)現(xiàn)多重覆蓋。據(jù)資料顯示,WGS衛(wèi)星具備X頻段、Ka頻段雙向通信能力,能夠提供全球廣播系統(tǒng)服務(wù),2020年通信容量達(dá)到10 Mbit/s以上。

2)窄帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)

從20世紀(jì)70年代開(kāi)始,美軍先后建設(shè)了租賃星(Leasat)系統(tǒng)、艦隊(duì)衛(wèi)星通信(FLTSATCOM)系統(tǒng)、特高頻后繼星通信(UFO)系統(tǒng)和移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)(MUOS)。隨著技術(shù)發(fā)展和通信容量需求增加,Leasat和FLTSATCOM系統(tǒng)逐步被淘汰,UFO系統(tǒng)目前也逐漸被MUOS取代。

移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)由5顆衛(wèi)星和位于全球的4個(gè)地面站所組成,衛(wèi)星均運(yùn)行于地球靜止軌道, 質(zhì)量約6.7 t,設(shè)計(jì)壽命約15年。該系統(tǒng)能夠?yàn)槊儡姾?、陸、空的移?dòng)平臺(tái)提供UHF頻段的動(dòng)中通服務(wù)。根據(jù)衛(wèi)星部署情況來(lái)看,除高緯度的極地地區(qū)之外,目前MUOS已經(jīng)基本擁有全球通信覆蓋的能力,并且可對(duì)部分熱點(diǎn)地區(qū)實(shí)現(xiàn)多重覆蓋。據(jù)資料顯示,MUOS衛(wèi)星數(shù)字聲音傳輸速度可達(dá)348 kBit/s,新一代移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)能夠極大增強(qiáng)動(dòng)中通的能力,MUOS衛(wèi)星就像部署于太空的“地面基站”,戰(zhàn)時(shí)車輛、艦船和飛機(jī)等移動(dòng)目標(biāo)即使沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星,也能夠通信。

3)受保護(hù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)

受保護(hù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要應(yīng)用于特殊條件下的通信,需要具備較好的抗干擾能力、隱蔽性和抗核生存能力,是美軍最核心的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始,美軍先后建設(shè)了軍事星衛(wèi)星(Milstar)系統(tǒng)和先進(jìn)極高頻衛(wèi)星(AEHF)系統(tǒng),Milstar系統(tǒng)在發(fā)展兩代之后逐漸被AEHF系統(tǒng)取代。

先進(jìn)極高頻衛(wèi)星系統(tǒng)由6顆衛(wèi)星組成,均部署于地球靜止軌道,衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量約6.6 t,設(shè)計(jì)壽命約15年,根據(jù)衛(wèi)星部署情況來(lái)看,除高緯度的極地地區(qū)之外,目前AEHF系統(tǒng)已經(jīng)基本擁有全球通信覆蓋的能力。據(jù)資料顯示,該系統(tǒng)能夠服務(wù)4 000多個(gè)網(wǎng)絡(luò)、6 000多個(gè)用戶終端,通信能力比二代軍事星提高了10倍,終端的帶寬也提高了5倍,具備擴(kuò)頻跳頻、星間鏈路和星上數(shù)字處理等功能的同時(shí),還增加了相控陣天線、波束成形網(wǎng)絡(luò)等技術(shù),具備較強(qiáng)抗干擾、反偵察的通信能力。

4)中繼衛(wèi)星通信系統(tǒng)

中繼衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要為其他衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù),目前美軍主要使用的軍用中繼衛(wèi)星通信系統(tǒng)是衛(wèi)星數(shù)據(jù)系統(tǒng)(SDS),該系統(tǒng)從20世紀(jì)70年代首發(fā)開(kāi)始,目前已經(jīng)發(fā)展到第四代,目前在軌SDS衛(wèi)星主要有5顆第三代衛(wèi)星和2顆第四代衛(wèi)星,運(yùn)行在大橢圓軌道和地球靜止軌道上。根據(jù)衛(wèi)星部署情況來(lái)看,SDS已基本實(shí)現(xiàn)全球覆蓋,彌補(bǔ)了地球靜止軌道無(wú)法覆蓋兩極的缺點(diǎn)。

4.2?星鏈軍事應(yīng)用預(yù)測(cè)

美軍軍事通信衛(wèi)星體系在實(shí)戰(zhàn)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中,美軍通過(guò)寬帶和窄帶通信衛(wèi)星將戰(zhàn)場(chǎng)情況發(fā)送至美國(guó)本土指揮機(jī)構(gòu),指揮機(jī)構(gòu)再將命令下達(dá)至駐扎在沙特阿拉伯的多國(guó)聯(lián)合部隊(duì),用時(shí)僅需9 s;伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中,美軍通過(guò)受保護(hù)通信衛(wèi)星控制攻擊型無(wú)人機(jī)打擊時(shí)敏目標(biāo),用時(shí)不足15 min;在擊斃本·拉登行動(dòng)中,現(xiàn)場(chǎng)音頻、圖像信息通過(guò)軍事通信衛(wèi)星實(shí)時(shí)傳輸,白宮在觀看直播的同時(shí)通過(guò)軍事通信衛(wèi)星實(shí)時(shí)指揮行動(dòng),可以說(shuō)軍事通信衛(wèi)星是保障美軍指揮控制鏈路暢通的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

隨著反衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展,部署于地球靜止軌道的30余顆大體積、大重量、高度集成的軍事通信衛(wèi)星面臨的威脅與日俱增,美軍為減少太空資產(chǎn)面臨的威脅,保持太空領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì),構(gòu)建的“下一代太空體系架構(gòu)”更加注重提高彈性。相比于美軍傳統(tǒng)通信衛(wèi)星,星鏈以小型通信衛(wèi)星組網(wǎng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)大型通信衛(wèi)星,具有軌道高度低、傳輸速度快、衛(wèi)星小、成本低、可批量化生產(chǎn)、發(fā)射補(bǔ)充速度快、抗打擊彈性能力強(qiáng)、衛(wèi)星數(shù)量多、組網(wǎng)后用戶容量大等特點(diǎn),符合當(dāng)前美軍太空向分散式、擴(kuò)散式部署方向發(fā)展的戰(zhàn)略。結(jié)合美軍全球作戰(zhàn)的特點(diǎn),不難預(yù)見(jiàn),下一代美軍軍事通信衛(wèi)星不僅要具備大通信容量,更要具備全球覆蓋能力,并且能夠在熱點(diǎn)地區(qū)形成多重覆蓋,并且隨著無(wú)人裝備的應(yīng)用,對(duì)通信時(shí)延也會(huì)提出更高的要求。美軍始終秉持寄軍于商,因此星鏈衛(wèi)星始終具備著從商業(yè)過(guò)渡到軍用的可能,倘若星鏈衛(wèi)星用于美軍通信,那么美軍衛(wèi)星通信彈性能力將會(huì)大幅提升,在反衛(wèi)星技術(shù)日益成熟的背景下,有利于減少美軍太空資產(chǎn)受到的威脅,最終美軍的軍事通信衛(wèi)星體系會(huì)向著高通量、高彈性、全覆蓋、低時(shí)延的方向發(fā)展。

利用本文建模仿真方法,分析從華盛頓(五角大樓(38.683,-77.05))至夏威夷印太司令部(史密斯兵營(yíng)(21.257,-157.907))之間通過(guò)星鏈星座衛(wèi)星通信的時(shí)延、夏威夷印太司令部(史密斯兵營(yíng)(21.257,-157.907))至美駐韓基地總部(京畿道平澤基地的新總部大樓(36.807,127.113))之間通過(guò)星鏈星座衛(wèi)星通信的時(shí)延、夏威夷印太司令部(史密斯兵營(yíng)(21.257,-157.907))至美駐日基地司令部(橫田空軍基地(35.566,139.348))之間通過(guò)星鏈星座衛(wèi)星通信的時(shí)延,仿真結(jié)果顯示通過(guò)星鏈星座衛(wèi)星通信的平均通信時(shí)延分別為51.733 424 55 ms、41.912 626 58 ms、42.700 749 2 ms,如圖12—圖14,其中,通信時(shí)延為0時(shí)刻是指在當(dāng)前時(shí)刻,由于星鏈衛(wèi)星沒(méi)有覆蓋對(duì)應(yīng)的地面站而導(dǎo)致無(wú)法直接通信。

僅從星鏈計(jì)劃第一階段部署情況建模分析,1 584顆星鏈衛(wèi)星已經(jīng)能夠在一天中的絕大多數(shù)時(shí)刻實(shí)現(xiàn)對(duì)以上地點(diǎn)的覆蓋,但還存在部分時(shí)刻未覆蓋,隨著“星鏈計(jì)劃”的快速部署,衛(wèi)星數(shù)量提升之后,完全有可能實(shí)現(xiàn)對(duì)以上地點(diǎn)的24小時(shí)全覆蓋,因此也有能力保障美軍在以上地區(qū)的作戰(zhàn)通信。不僅如此,第二階段、第三階段的星鏈衛(wèi)星將逐步覆蓋兩極地區(qū),最終實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的目標(biāo),為各種地區(qū)、地域提供高速互聯(lián)網(wǎng)通信服務(wù)。

5?結(jié)束語(yǔ)

衛(wèi)星通信的概念提出已久,其覆蓋面積大、不受地理位置影響的特點(diǎn)使其獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。隨著技術(shù)發(fā)展,低軌衛(wèi)星通信的優(yōu)勢(shì)相較高軌通信衛(wèi)星愈發(fā)明顯,其中以SpaceX公司為代表的“星鏈計(jì)劃”加速了人類利用低地球軌道的步伐。星鏈星座的快速部署建設(shè),不僅讓我們看到新一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)在商業(yè)領(lǐng)域的巨大應(yīng)用,其背后蘊(yùn)含的軍事應(yīng)用潛力更加不容忽視。就仿真結(jié)果來(lái)看,星鏈星座衛(wèi)星通信的時(shí)延比高軌傳統(tǒng)通信衛(wèi)星小,與光纜通信的通信時(shí)延基本接近,并且隨著通信距離的增加,“星鏈計(jì)劃”成本低、時(shí)延低的特點(diǎn)將會(huì)更加明顯。由于“星鏈計(jì)劃”衛(wèi)星數(shù)量龐大,發(fā)射成本低、速度快,具備彈性高、抗打擊能力強(qiáng)的特點(diǎn),符合美軍下一代太空發(fā)展戰(zhàn)略,其軍事應(yīng)用可能性不言而喻。

| 作? ?者：李元龍, 李志強(qiáng) 審核編輯：黃飛

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