CN113067621A - 一种仅靠国内站信息落地且全球无缝覆盖的混合星座 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种仅靠国内站信息落地且全球无缝覆盖的混合星座，能够利用较少卫星实现对全球的无缝覆盖，兼顾对中国周边区域的多重覆盖，并且仅依靠国内站完成星上信息落地。该混合星座包含至少4颗位于地球静止轨道上的GEO卫星和至少3颗位于地球倾斜同步轨道上的IGSO卫星；各GEO卫星相互通过星间链路连接组成环路，其中3颗GEO卫星能够始终对国内站可见，其中1颗GEO卫星定点于西经82°至西经86°之间，其对国内站不可见时利用星间链路完成信息落地到国内站；IGSO卫星之间相互通过星间链路连接组成环路，其中一颗IGSO卫星始终对国内三亚站可见；其余IGSO卫星对国内站不可见时利用星间链路完成信息落地到三亚站。

Description

一种仅靠国内站信息落地且全球无缝覆盖的混合星座
技术领域
本发明属于天基信息网络领域，特别是一种仅靠国内站信息落地且全球无缝覆盖的混合星座。
背景技术
天基信息网络中信息节点的布设可以采用星座设计的方式解决。根据调研，现有大部分空间系统均采用单轨道类型星座，譬如采用GEO卫星组成星座的Thuraya、Inmarsat等系统，采用MEO卫星组成星座的O3b、GPS、GLONASS，采用LEO卫星组成星座的Iridium、Globalstar、Orbcomm等。单一轨道类型星座具有较为成熟的设计方法，一般采用Walker星座的形式来进行星座设计。但单一轨道类型星座具有明显的不足：
1)GEO星座对中高纬度地区平均覆盖仰角较低，衰落余量大，存在“南山效应”，两极附近有通信盲区；
2)MEO、LEO需要大量卫星组成星座才能实现区域或全球无缝覆盖，运行费用高；
3)中低轨道卫星轨道高度较低，虽然便于用户终端的小型化，但其覆盖面积远小于GEO卫星，一般需要多颗卫星组成星座来实现较好的整体覆盖。
而混合星座采用不同轨道类型(GEO、IGSO、HEO等)的卫星组成星座，相互之间优势互补，具有比单轨道类型星座更好的性能。
此外，我国大部分通信、测控、数传站均建设在国土范围内，卫星上的信息能够直接落地到国内站，也是星座设计中的重要需求。
所以，如何克服现有单一轨道类型星座设计的不足，利用较少卫星实现对全球的无缝覆盖，兼顾对中国周边区域的多重覆盖，并且仅依靠国内站完成星上信息落地，是需要解决的关键技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种仅靠国内站信息落地且全球无缝覆盖的混合星座，能够利用较少卫星实现对全球的无缝覆盖，兼顾对中国周边区域的多重覆盖，并且仅依靠国内站完成星上信息落地。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种仅靠国内站信息落地且全球无缝覆盖的混合星座，包含至少4颗位于地球静止轨道上的GEO卫星和至少3颗位于地球倾斜同步轨道上的IGSO卫星；所有卫星的最低可见仰角为5°。
所述至少4颗GEO卫星之间相互通过星间链路连接组成环路，并分为两组；GEO卫星第一组至少包含3颗GEO卫星，主要覆盖我国周边区域(以我国为中心，60°E～150°E，0°N～60°N的区域)，能够始终对国内站可见；GEO卫星第二组至少包含1颗GEO卫星，称为第二GEO卫星，定点于西经82°至西经86°之间。所述第二GEO卫星在对国内站不可见时，经由GEO星间链路环路、第一组GEO卫星完成信息落地到国内站；
所述至少3颗IGSO卫星在同一轨道面内，卫星之间相互通过星间链路连接组成环路，轨道倾角均为57.9°，升交点赤经相同，平近点相差120°；所述至少3颗IGSO卫星中至少有1颗卫星轨道升交点经度为东经109.87°，称为第二IGSO卫星，始终对国内三亚站可见，其余两颗IGSO卫星对国内站不可见时利用星间链路、第二IGSO卫星完成信息落地到三亚站。
其中，所述GEO卫星第一组至少3颗卫星定点范围在东经11°至东经176°之间。优选地，所述GEO卫星第一组中至少有1颗定点经度在东经95°。
所述至少4颗GEO卫星和至少3颗IGSO卫星的轨道运行周期均为一个恒星日。
本发明主要应用为卫星通信星座，能够实现全球无缝覆盖的同时兼顾中国周边区域的重点覆盖，具体如下：
(1)能够采用较少卫星即可实现全球无缝覆盖：本发明所述星座最少可采用7颗卫星即可对全球实现100％时间覆盖，其中卫星的最低可视仰角为5°。
(2)能够在全球无缝覆盖的同时兼顾中国周边区域多星覆盖：能够对中国周边区域实现很好的多星重叠覆盖；该星座用于卫星通信，能够在重叠覆盖区域内提供很好的分集效果。
(3)该星座中大部分卫星始终对国内地面站可见：4颗GEO卫星中有3颗卫星始终对国内地面站可见；3颗IGSO卫星中有1颗卫星始终对国内地面站可见。
(4)可以仅靠中国区域内的地面站完成信息落地：由于条件限制，我国大部分地面站均位于领土范围内，该范围即地面站的受限区域。选取我国典型地点的地面站：位于最东的佳木斯站，位于最西的喀什站和位于最南的三亚站。即可保证星座中的所有卫星均可依靠国内三个地面站直接或间接(通过星间链路)完成信息落地。
(5)采用本发明的混合星座，IGSO卫星相对地面移动速度缓慢，GEO卫星相对地面几乎静止，因此自由空间传播损耗变化率低，时延与多普勒频移变化小，且变化率缓慢。同时，卫星平均通信仰角高，且具有良好的分集性能。
附图说明
图1是本发明仅靠国内站信息落地且全球无缝覆盖的混合星座三维结构示意图。
图2是本发明仅靠国内站信息落地且全球无缝覆盖的混合星座中3颗GEO卫星对国内地面站直接可见示意图。
图3是本发明仅靠国内站信息落地且全球无缝覆盖的混合星座二维多星覆盖图。
图4是中国以及全球区域的平均通信仰角示意图。
图5是典型地点佳木斯、喀什、三亚站以及夏威夷的分集角示意图。
图6是用户通信时的时延以及时延变化率曲线示意图。
图7是用户通信时多普勒频移以及多普勒频移变化率曲线示意图。
图8是用户通信时自由空间传播损耗变化以及变化率曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明提供了一种仅靠国内站信息落地且全球无缝覆盖的混合星座，包含至少4颗位于地球静止轨道上的GEO卫星和至少3颗位于地球倾斜同步轨道上的IGSO卫星。
所述至少4颗GEO卫星之间相互通过星间链路连接组成环路，分为两组；GEO卫星第一组至少包含3颗GEO卫星，主要覆盖我国周边区域，能够始终对国内站可见(最低可见仰角为5°)；所述GEO卫星第一组至少3颗卫星定点范围在东经10°至东经176°之间；所述GEO卫星第一组中至少有1颗定点经度在东经95°；所述GEO卫星第二组至少包含1颗GEO卫星，定点于西经82°至西经86°之间，称为第二GEO卫星；所述第二GEO卫星在对国内站不可见时，利用GEO星间链路环路和第一组GEO卫星完成信息落地到国内站。
所述至少3颗IGSO卫星(最低可见仰角为5°)在同一轨道面内，卫星之间相互通过星间链路连接组成环路，轨道倾角均为57.9°，升交点赤经均相同，平近点相差120°；所述至少3颗IGSO卫星中至少有1颗卫星轨道升交点经度(星下点过赤道经度)为东经109.87°，称为第二IGSO卫星，该卫星能够始终对国内三亚站可见。除第二IGSO卫星外，其余两颗IGSO卫星对国内站不可见时利用IGSO卫星星间链路环路、第二IGSO卫星完成信息落地到三亚站。
所述至少4颗GEO卫星和至少3颗IGSO卫星的轨道运行周期均为一个恒星日。
例如，重点覆盖区域选为中国及其周边区域，地面站的受限区域选为中国领土范围内，典型地面站的选址地点为：位于最东的佳木斯站(130.0°E，46.64°N)，位于最西的喀什站(75.96°E，39.47°N)和位于最南的三亚站(109.87°E，18.43°N)。
4颗GEO卫星(GEO-1、GEO-2、GEO-3和GEO-4)分为两组，其中第一组3颗GEO卫星的定点经度分别为：GEO-1(95°E)、GEO-2(175°E)、GEO-3(11°E)，在地面最低可视仰角为5°时(即波束边缘仰角为5°)，能始终对国内受限区域内的地面站可见，如图2所示。第二组1颗GEO卫星的定点经度为：GEO-4(84°W)。4颗GEO卫星通过星间链路组成环路，如图1所示。GEO-4卫星通过星间链路完成信息落地到国内地面站。
3颗IGSO卫星(IGSO-1、IGSO-2和IGSO-3)，轨道倾角均为57.9°，升交点赤经相同，其中IGSO-1卫星的升交点经度(星下点过赤道经度)为109.87°E。这里IGSO-1卫星的升交点经度与位于最南的三亚站经度相同。轨道倾角设置为57.9°使得IGSO-1卫星始终能够在波束边缘仰角为5°的约束下对三亚站可见；3颗IGSO卫星的平近点角相差120°。3颗IGSO卫星通过星间链路组成环路，如图1所示。当IGSO-2和IGSO-3对国内地面站不可见时，通过星间链路环路完成信息落地到国内站。
采用STK 11.2(System Tool Kit 11.2)软件在J2轨道预报器下产生4颗GEO卫星与3颗IGSO卫星的仿真起始历元时间(取UTC时间：17Dec 202004:00:00.000)的星历如表1所示。
表1 4GEO+3IGSO仿真起始历元的星历参数
卫星 半长轴/km 偏心率 轨道倾角/° 近地点幅角/° 升交点赤经/° 真近点角/°
GEO-1 42166.3 0 0 0 241.244 0
GEO-2 42166.3 0 0 0 321.244 0
GEO-3 42166.3 0 0 0 157.244 0
GEO-4 42166.3 0 0 0 62.244 0
IGSO-1 42166.3 0 57.9 0 256.114 0
IGSO-2 42166.3 0 57.9 0 256.114 120
IGSO-3 42166.3 0 57.9 0 256.114 240
根据上述条件，4GEO+3IGSO混合星座的覆盖性能分析如下：
图3为4GEO+3IGSO混合星座的多星覆盖图，其中，波束边缘仰角为5°，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％覆盖区域。可以看出，全球范围内至少被单星100％覆盖，也即全球无缝覆盖。
图4给出了中国区域以及全球范围平均通信仰角随纬度的变化情况，可以看出中国区域的最低覆盖仰角不低于43.5°，全球范围的平均通信仰角不低于38.7°；本星座的平均通信仰角高，可用度好。
图5给出了典型地点佳木斯(130.0°E，46.64°N)、喀什(75.96°E，39.47°N)、三亚站(109.87°E，18.43°N)以及夏威夷(21.51°N，158.02°W)的分集角，未被双星覆盖的时间分集角置为0值。
由图3可以看到，本发明在能够在波束边缘仰角为5°的约束下对全球实现无缝覆盖，并对中国周边区域实现很好的多重覆盖。由图4可以看出，混合星座能够对全球区域提供良好的平均通信仰角，对中国区域实现较高的平均通信仰角。由图5可以看出，本发明能够在多星重叠覆盖区域提供非常好的分集效果。
根据已知条件，对混合星座用于卫星通信时的传输性能分析如下：
由于IGSO卫星相对地面运动，使得星地通信链路的传输时延、多普勒频移和传输损耗均是时变的。假设星地通信时，地面用户选择星座中仰角最高的卫星作为通信卫星。这里选择北京(39.9°N，116.4°E)作为用户所处典型地点进行统计分析，并假设星地通信的载波频率为30GHz(Ka频段)。
以典型地点北京为例，图6给出了用户通信时的时延以及时延变化率曲线，从图中可以看出，用户的通信时延在119.7ms至126.3ms之间变化，在利用GEO卫星进行通信时，时延保持不变，总体变化率最快不超过1.098×10-3ms/s。
以典型地点北京为例，图7给出了用户通信时多普勒频移以及多普勒频移变化率曲线，从图中可以看出，用户通信时多普勒频移在-32.93kHz至29.12kHz之间变化，其变化率最快不超过3.026Hz/s。
以典型地点北京为例，图8给出了用户通信时自由空间传播损耗变化以及变化率曲线，从图中可以看出，用户通信时的自由空间传播损耗在213.08dB至213.55dB之间变化，其变化率最快不超过7.55×10-5dB/s。
可以看出，本发明用于卫星通信星座时，时延、多普勒频移、自由空间传播损耗变化范围小，且变化率小，利于链路的稳定建立。
本发明所提供的一种仅靠国内站信息落地且全球无缝覆盖的混合星座可以仅靠受限区域内的地面站完成信息落地。譬如，由于条件限制，我国可用地面站均位于领土范围内，该范围即地面站的受限区域。选取典型地面站佳木斯站(130.0°E，46.64°N)、喀什站(75.96°E，39.47°N)、三亚站(109.87°E，18.43°N)；4GEO+3IGSO混合星座中GEO-1、GEO-2、GEO-3以及IGSO-1始终对国内地面站可见；GEO-4、IGSO-2、IGSO-3对国内站不可见时，通过星间链路完成信息落地到国内地面站。
以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理，该描述中的部件形状，名称可以不同，不受限制。所以，本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换；而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种仅靠国内站信息落地且全球无缝覆盖的混合星座，其特征在于：
包含至少4颗位于地球静止轨道上的GEO卫星和至少3颗位于地球倾斜同步轨道上的IGSO卫星；
所述至少4颗GEO卫星之间相互通过星间链路连接组成环路，分为两组；GEO卫星第一组至少包含3颗GEO卫星，覆盖我国周边区域，GEO卫星的最低可见仰角为5°，能够始终对国内站可见；GEO卫星第二组至少包含1颗GEO卫星，称为第二GEO卫星，定点于西经82°至西经86°之间；所述第二GEO卫星在对国内站不可见时，利用GEO卫星星间链路环路和第一组GEO卫星完成信息落地到国内站；
所述至少3颗IGSO卫星在同一轨道面内，IGSO卫星的最低可见仰角为5°，IGSO卫星之间相互通过星间链路连接组成环路，轨道倾角均为57.9°，升交点赤经均相同，平近点相差120°；所述至少3颗IGSO卫星中至少有1颗卫星轨道升交点经度为东经109.87°，称为第二IGSO卫星，始终对国内三亚站可见；其余两颗IGSO卫星对国内站不可见时利用IGSO卫星星间链路环路、第二IGSO卫星完成信息落地到三亚站。
2.根据权利要求1所述的仅靠国内站信息落地且全球无缝覆盖的混合星座，其特征在于：所述GEO卫星第一组至少3颗卫星定点范围在东经11°至东经176°之间。
3.根据权利要求2所述的仅靠国内站信息落地且全球无缝覆盖的混合星座，其特征在于：所述GEO卫星第一组中至少有1颗定点经度在东经95°。
4.根据权利要求1所述的仅靠国内站信息落地且全球无缝覆盖的混合星座，其特征在于：所述至少4颗GEO卫星和至少3颗IGSO卫星的轨道运行周期均为一个恒星日。
5.根据权利要求1所述的仅靠国内站信息落地且全球无缝覆盖的混合星座，其特征在于：所述我国周边区域是以我国为中心，60°E～150°E，0°N～60°N的区域。
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