CN103957045A - 一种面向全球信息分发的geo和leo双层卫星网络 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种面向全球信息分发的GEO和LEO双层卫星网络，包括由三颗GEO卫星组成的外层骨干网络和至少一颗LEO卫星组成的内层增强网络，所述3颗GEO卫星位于地球赤道上空，定点经度相差120°，GEO卫星之间通过固定星间链路互联，所述LEO卫星轨道高度为1450km，轨道倾角为84.5°，所述外层骨干网络与内层增强网之间通过广播方式进行信息分发，外层骨干网络与内层增强网之间以及双层卫星网络与地面之间广播时采用无速率编码方式。本发明的双层卫星网络，能够仅靠少量卫星，对中低纬度地区实现无缝和增强覆盖，同时兼顾南北极区的覆盖，实现信息在全球范围内的容中断分发。

Description

一种面向全球信息分发的GEO和LEO双层卫星网络

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，特别是一种实现信息在全球范围内容中断分发的双层卫星网络。

背景技术

近年来，随着商业和军事等领域对卫星通信的需求不断提高，卫星通信开始由单层卫星网络向多层卫星网络方向发展。单层卫星星座主要分为GEO（Geostationary EarthOrbit，地球同步轨道卫星）星座、MEO（Medium Earth Orbit，中轨道卫星）星座和LEO（Low Earth Orbit，低轨道卫星）星座。GEO星座通常仅需要3颗GEO卫星基本就能连续地覆盖全球的中低纬地区，覆盖切换少，搭建经济成本低，但系统无法覆盖全球，两极附近有通信盲区，北半球存在由于高山造成的“南山效应”，对中高纬度区平均通信仰角较低，受遮挡概率高、衰落余量大，而且GEO卫星轨道位置受限，电磁兼容和轨道协调困难，易受干扰，抗摧毁能力较弱。MEO星座传播延迟较小，信号衰减较低，易于实现移动终端通信系统，但若要实现全球范围内的通信，则需要远远多于GEO的3颗卫星，卫星造价较高。LEO星座卫星轨道最低，信号传播时延小，易于为地面站或移动终端提供服务，但每颗卫星覆盖范围较小，若要实现全球范围内的通信则需要很多颗卫星，卫星间链路切换也较为频繁，对于卫星的星上处理能力要求较高。

对此，日本的Kimmura、韩国的Lee、美国的Akyildiz以及我国的胡剑浩等学者都提出过多层卫星网络。在这些网络中，由于GEO和MEO卫星的轨道较高，其传输时延和链路损耗都比较大，因此通常作为空间信息交换的骨干网；而LEO卫星则可以为地面的移动终端用户提供服务，因此LEO作为地面用户的接入节点。但这些多层卫星网络为实现全球范围内的信息传输，都采用了很多的LEO卫星或MEO卫星，如Kimmura的设计采用588颗LEO卫星，Lee和Akyildiz采用72颗LEO卫星，胡剑浩采用了63颗LEO卫星，而且多数卫星之间建立星间链路，链路切换较为频繁，对卫星的设计要求较高，整个卫星网络造价成本较高。

同时，卫星通信中，由于大气衰减、电磁辐射等恶劣条件的干扰使得信道误码率可能急剧恶化，数据的单次发送成功率较低，而卫星链路传播时延大，反馈重传的策略会造成更大时延，以卷积码、Turbo码、LDPC码等为代表的前向纠错编码一般仅用于检测和校正较小块数据，此外，卫星通信中星间链路具有易中断以及LEO卫星与地面切换频繁的特点。

综上所述，由于LEO、MEO和GEO的单层卫星网络在通信过程中各有优缺点，难以适应现在日渐增长的综合业务需求，而前人提出的多层卫星网络为实现全球范围内的信息分发需要很多的LEO卫星或MEO卫星，且不同层间卫星多通过星间链路实现互联，对于LEO卫星的星上处理能力要求较高，整个卫星网络造价成本太高。

因此，现有技术存在的问题是：如何能够仅靠较少的卫星数量和较为简单的卫星网络拓扑结构，实现全球范围内快速、可靠的信息分发。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向全球信息分发的GEO和LEO双层卫星网络，能够仅靠少量卫星，达到对中低纬度地区的无缝覆盖，同时兼顾南北极区，实现信息在全球范围内的容中断分发。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种面向全球信息分发的GEO和LEO双层卫星网络，其特征在于：包括由3颗GEO卫星组成的外层骨干网络和至少1颗LEO卫星组成的内层增强网络，所述3颗GEO卫星位于地球赤道上空，定点经度相差120°，GEO卫星之间通过固定星间链路互联，所述LEO卫星轨道高度为1450km，轨道倾角为84.5°，所述外层骨干网络与内层增强网之间以及双层卫星网络通过广播方式进行信息分发。

优选地，所述信息分发采用无速率编码方式进行。

优选地，所述LEO卫星数量为6颗或24颗。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

1、网络搭建所需要的卫星数量少：整个卫星网络只需要几颗至二三十颗卫星便可搭建，远远低于一般双层网络的近百颗甚至数百颗卫星。譬如，仅需3颗GEO卫星组成的骨干网络即可覆盖地球的中低纬度区域，若采用24颗极轨LEO卫星组成的增强网络，即可实现全球无缝覆盖，若采用6颗极轨LEO卫星组成的增强网络，平均每个时刻可对全球的98.13%以上区域提供覆盖，即便采用1颗LEO卫星构成的增强网络，也可以实现信息在全球范围内的分发，因此，整个卫星网络的造价大大降低。

2、覆盖范围大，实现信息全球范围分发：能够对中低纬度地区实现无缝覆盖，在南北极区实现周期覆盖。GEO骨干网络可以对中低纬度地区实现无缝覆盖，通过GEO骨干网络向LEO增强网络进行广播，LEO卫星采用无速率编码的方式对南北极区进行广播，可以解决在极区信息分发过程中出现的覆盖中断问题，实现信息在全球范围内的分发。采用内层网络能够提高系统的可用度，缓解中高纬度地区、城市、峡谷、山区卫星信号易被遮挡的问题，还可以增强系统的鲁棒性，解决因GEO卫星受干扰造成系统不能正常工作的难题。

3、卫星网络拓扑结构简单易搭建：外层骨干网络GEO卫星之间建立固定星间链路，这些永久性星间链路，链路长度、方位角和俯仰角几乎不变，易于星间链路的建立和保持。GEO骨干网络与LEO增强网络之间通过广播的方式进行信息的分发，GEO卫星作为外层骨干网络节点，既承担地面用户终端的业务传输，也为LEO卫星和地面信关站提供连接和信息交换；内层增强网络LEO卫星对极区提供周期服务，并为中低纬度地区用户终端提供增强业务传输。双层卫星网络拓扑结构简单，星间链路的建立难度很低，整个网络易于搭建。

4、LEO卫星的成本要求较低：内层网络所有LEO卫星都在骨干网的覆盖范围内，可以通过广播的方式与GEO卫星进行信息分发。卫星上不用搭载建立星间链路的设备，同时，对于卫星的星上处理能力要求较低，LEO卫星的造价成本较低。而且，可以随时增加LEO卫星的数目来控制整个卫星网络对南北极区的覆盖周期。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明面向全球信息分发的GEO和LEO双层卫星网络三维结构示意图。

图2是本发明面向全球信息分发的GEO和LEO双层卫星网络内层网络采用24颗卫星时的多星覆盖图。

图3是本发明面向全球信息分发的GEO和LEO双层卫星网络内层网络采用24颗卫星时的单星覆盖时间图。

图4是本发明面向全球信息分发的GEO和LEO双层卫星网络内层网络采用24颗卫星时为全球提供的平均通信仰角变化情况。

图5是本发明面向全球信息分发的GEO和LEO双层卫星网络内层网络采用6颗卫星时的多星覆盖图。

图6是本发明面向全球信息分发的GEO和LEO双层卫星网络内层网络采用6颗卫星时的单星覆盖时间图。

图7是本发明面向全球信息分发的GEO和LEO双层卫星网络一颗LEO卫星与外层骨干网络GEO星座的可见时间情况。

图8是3GEO和1LEO仿真起始时刻的星历表。

具体实施方式

如图1所示，本发明面向全球信息分发的GEO和LEO双层卫星网络，其特征在于：包括由3颗GEO卫星组成的外层骨干网络和至少1颗LEO卫星组成的内层增强网络，所述3颗GEO卫星位于地球赤道上空，定点经度相差120°，GEO卫星之间通过固定星间链路互联，所述LEO卫星轨道高度为1450km，轨道倾角为84.5°，所述外层骨干网络与内层增强网之间通过广播方式进行信息分发。

所述外层骨干网络与内层增强网之间以及整个双层卫星网络与地面之间通过广播方式进行信息分发时采用无速率编码方式。

所述LEO卫星数量为6颗。

所述LEO卫星数量为24颗。

整个卫星网络只需要几颗至二三十颗卫星便可搭建，远远低于一般双层网络的近百颗甚至数百颗卫星。譬如，仅需3颗GEO卫星组成的骨干网络即可覆盖地球的中低纬度区域，若采用24颗极轨LEO卫星组成的增强网络，即可实现全球无缝覆盖，若采用6颗极轨LEO卫星组成的增强网络，平均每个时刻可对全球的98.13%以上区域提供覆盖，即便采用1颗LEO卫星构成的增强网络，也可以实现信息在全球范围内的分发，因此，整个卫星网络的造价大大降低。

GEO骨干网络可以对中低纬度地区实现无缝覆盖，通过GEO骨干网络向LEO增强网络进行广播，LEO卫星采用无速率编码的方式对南北极区进行广播，可以解决在极区信息分发过程中出现的覆盖中断问题，实现信息在全球范围内的分发。采用内层网络能够提高系统的可用度，缓解中高纬度地区、城市、峡谷、山区卫星信号易被遮挡的问题，还可以增强系统的鲁棒性，解决因GEO卫星受干扰造成系统不能正常工作的难题。

内层网络所有LEO卫星都在骨干网的覆盖范围内，通过广播的方式与GEO卫星进行信息分发。

所述卫星进行广播时采用无速率编码的方式，以解决信息分发过程中可能出现的覆盖中断问题。

面向全球信息分发的GEO和LEO双层卫星网络广播时采用的无速率码分析如下：

无速率码的特点是编码端能够源源不断产生足够数量的码字，接收端只要收到稍多于原始数据的编码数据，就能够恢复出原始信息，而不管具体接收的是哪些编码数据。无速率码能够动态适应信道环境的变化。当信道环境恶化时，发送端发送更多的码字，而当信道环境较好时，发送端可以减少发送码字的数目，目的就是使接收端能够收到一定量的编码分组从而保证正确译码。

因此，双层卫星网络采用无速率编码方式进行广播，可以实现以下几点：

1）可靠性：数据能够完整地分发到所有的广播终端；

2）快速性：降低了确认重传的次数，传输时延得到有效的减少，信息发送更为快速；

3）高效率：每个接收端正确恢复出原始数据所需接收的编码分组数目较少，接收时间较短；

4）可中断：数据分发期间，接受用户能够在任意时刻接入信息源并进行数据的下载，并且随时可以中断下载，稍后可以再次接入继续下载；

5）兼容性：能够克服网络异构性，兼容大量分组丢失概率与信道速率不同的用户。

本发明的面向全球信息分发的GEO和LEO双层卫星网络，基于无速率编码实现全球容中断信息分发，采用无速率编码的方式进行广播，降低了确认重传的次数，有效的减少了传输时延，信息发送更为快速。同时，由于无速率码具有可中断续传的特性，在内层网络对地面进行广播时，由于某一颗LEO卫星离开极区造成的信息分发中断的问题，可以通过采用下一颗LEO卫星在通过该区域时续传中断信息的方式予以解决。

例如，内层网络是由24颗极轨LEO卫星组成的Walker星座，LEO卫星的轨道高度为1450km，轨道倾角为84.5°，按照24/6/3的星座参数建立Walker星座。外层3颗GEO卫星轨道倾角均为0°，定点经度依次为110°E、10°W和130°W，GEO卫星间建立固定星间链路。各卫星波束边缘仰角均为10°。

采用STK（Satellite Tool Kit）软件产生3颗GEO卫星和1颗LEO卫星仿真起始时刻的星历参数如图8中表1所示。再在LEO卫星基础上根据24/6/3的星座参数建立Walker星座，各卫星波束边缘仰角均为10°。

根据上述条件，当内层网络采用24颗卫星时双层卫星网络的覆盖性能分析如下：

图2是当内层网络采用24颗卫星时双层卫星网络的多星覆盖图，白色为单星100%覆盖区域，灰色为双星100%覆盖区域，黑色为三星100%覆盖的区域。

图3是当内层网络采用24颗卫星时双层卫星网络的单星覆盖时间图，灰色为单星100%时间覆盖区域。

由图2和图3可以看出，当内层网络采用24颗卫星时本发明能够实现全球无缝覆盖，且能够对高纬度区域实现双星或三星覆盖。由图4可以看出，双层卫星网络能够对全球区域提供良好的平均通信仰角，特别是在低纬度和高纬度地区，平均通信仰角更高。

再例如，内层网络是由6颗极轨LEO卫星组成的Walker星座时，采用STK（SatelliteTool Kit）软件产生3颗GEO卫星和1颗LEO卫星仿真起始时刻的星历参数如表1所示。再在LEO卫星基础上根据6/6/1的星座参数建立Walker星座，各卫星波束边缘仰角均为10°。

根据上述条件，当内层网络采用6颗卫星时双层卫星网络的覆盖性能分析如下：

图5是当内层网络采用6颗卫星时双层卫星网络的多星覆盖图，灰色为单星100%覆盖区域，黑色为双星100%覆盖区域，白色为未达到单星100%覆盖的区域。

图6是当内层网络采用6颗卫星时双层卫星网络的单星覆盖时间图，黑色为单星100%时间覆盖区域，灰色为单星80%以上时间覆盖区域，白色为单星80%以下时间覆盖区域。

由图5和图6可以看出，当内层网络采用6颗卫星时本发明能够对中低纬度地区实现100%时间覆盖，能够对全球的91.75%区域提供100%时间覆盖，对全球的96.29%区域提供80%以上时间覆盖，平均每个时刻可对全球的98.13%以上区域提供覆盖。由图6可以看出，在两极区域虽然没有实现100%时间覆盖，但也能实现周期覆盖，而且覆盖中断时间较短。可以通过增减LEO卫星的数目来控制整个卫星网络对两极区域的覆盖周期。即使只采用1颗LEO卫星构成的增强网络，也可以实现信息在全球范围内的分发。

图7是一颗LEO卫星与外层骨干网络GEO星座的可见时间情况。从图中可以看出，LEO卫星在任意时刻至少可以与一颗GEO卫星可见，根据双层卫星网络空间结构的对称性，内层网络所有LEO卫星都在骨干网的覆盖范围内，可以随时实现GEO卫星和LEO卫星之间的广播。

本发明的面向全球信息分发的GEO和LEO双层卫星网络，仅靠较少的卫星数量，实现了全球范围内高效、可靠的信息分发。GEO骨干网络对地球南北纬约50°范围内实现无缝覆盖。LEO增强网络实现对南北极区的周期覆盖，提高系统的可用度，增强系统的鲁棒性；整个双层卫星网络根据卫星轨道的可预测特点，采用无速率编码的方式解决信息分发过程中可能出现的覆盖中断问题，实现信息在全球范围内的容中断分发。

Claims (4)

1.一种面向全球信息分发的GEO和LEO双层卫星网络，其特征在于：包括由3颗GEO卫星组成的外层骨干网络和至少1颗LEO卫星组成的内层增强网络，所述3颗GEO卫星位于地球赤道上空，定点经度相差120°，GEO卫星之间通过固定星间链路互联，所述LEO卫星轨道高度为1450km，轨道倾角为84.5°，所述外层骨干网络与内层增强网之间以及双层卫星网络与地面之间通过广播方式进行信息分发。

2.根据权利要求1所述的面向全球信息分发的GEO和LEO双层卫星网络，其特征在于：所述信息分发采用无速率编码方式进行。

3.根据权利要求1或2所述的面向全球信息分发的GEO和LEO双层卫星网络，其特征在于：所述LEO卫星数量为6颗。

4.根据权利要求1或2所述的面向全球信息分发的GEO和LEO双层卫星网络，其特征在于：所述LEO卫星数量为24颗。