概念說明
低軌道衛星軌道通信衛星在距地球表面不同高度、但低於地球同步衛星軌道的空間中運行． 由於衛星繞地球運轉快於地球自轉, 地面站又只能在短距離範圍內才能和衛星通信, 因此 在衛星繞地球一周內通信的時間很短, 衛星的覆蓋地區在地球表面上很快移動, 當衛星離開地面站的接收範圍時就無法進行通信, 而克服低軌道衛星通信這一缺點的方法是增加在軌衛星數量．目前, 世界各國已經啟用或正在研製的低軌道衛星通信系統已有多種, 其中有一種是由美國摩托羅拉公司正在研製的取名為＂銥＂的全球衛星通信系統．這項宏偉的工程之所以取名為＂銥＂, 是因為在該系統中計畫採用由低軌道上運行的７７ 顆小型通信衛星組成一個＂星系＂, 恰如化學元素周期表中第７７ 號元素＂銥＂（Iridium—Ir）原子有７７ 顆電子繞核鏇轉一樣, 由它們提供連續覆蓋全球的衛星通信系統．這７７ 顆小型衛星被分為 ７ 組, 每組１１ 顆, 分布在７ 條環形極軌道上, 組成環繞地球等間隔的７ 個面．衛星環繞地球一周大約１００ 分鐘, 所有衛星都朝同一個方向運轉, 越過地球北極飛向南極上空, 從而使整個地球表面都覆蓋在內．因此, 無論在地球的任何地點, 任何時間內, 總有一顆衛星是在短距離範圍之內, 聯合構成空間數字通信網, 可以處理語音與數據等多種信息．遍布天空的＂銥＂系統通信衛星與陸地＂蜂窩＂無線移動通信網相互協調配合, 使用戶通過所持的攜帶型無線電話機將信號直接發向最近的衛星, 再經衛星之間的轉發, 最後把信號傳送到地面電話網中的接收用戶, 從而完成在全球範圍內的個人通信． ＂銥＂系統中每顆通信衛星的體積小, 直徑約１ 米, 寬２ 米左右, 重量輕, 在軌重量為３２０ 千克左右．由於衛星運行的軌道低, 距離地球表面只有７６５ 公里左右, 比地球同步衛星的距離近的多, 因此只用小型火箭便可以發射升空, 其造價和發射費用都比同步衛星低的多．
工作原理
低軌道衛星移動通信系統的工作原理與前面介紹的＂蜂窩＂式移動通信的原理相似．儘管每顆衛星所能覆蓋的地域
低軌道衛星＂銥＂系統衛星通信計畫的實施, 實現了人們在地球上的任何地方, 無論陸地、空中和海洋, 只要撥通一個電話號碼便可與遠隔千山萬水的親人通話的目的．
低軌道衛星移動通信系統星座配置的最佳化
低軌道衛星衛星通信是一種已經使用並且發展很快的通信方式.衛星通信具有通信距離遠、覆蓋面積大、不受地理條件限制、通信頻頻寬、傳輸容量大、通信質量穩定可靠,且費用與通信距離無關,既可以為固定終端,又可為車載、船載和機載移動體以及個人終端提供各種通信業務等特點,是實現未來全球個人通信的重要組成部分.
90年代初小衛星技術(VSAT)的興起和發展,出現了中、低軌道衛星移動通信的新思路.對於高軌道衛星(如靜止軌道衛星(GEO)),由於衛星軌道高,路徑損耗大,延遲時間長,要求地面站用戶終端設備具有高增益、大口徑的天線裝置和大功率發射設備,顯然不能滿足全球個人移動通信終端設備體積小、重量輕、易於攜帶的要求.而低軌道(LEO)衛星系統,由於軌道高度低,路徑損耗小,能夠達到系統所要求的EIRP和G/T值,衛星終端可以做到手機化,是實現全球個人移動通信的有效手段之一.特別是將陸地蜂窩移動通信系統和低軌道移動衛星通信系統相結合作為相互補充可覆蓋全球.使最終真正實現全球個人通信成為可能.
然而,衛星軌道降低勢必造成要覆蓋全球衛星鏈的數目顯著增加,空間段成本費用高和通信越區切換技術複雜,通信線路的基本參數和設計將發生變化,而星座結構是首先要考慮的問題.軌道太高,傳輸損耗加大和功率要求高,硬體設備技術和工藝難;太低,衛星數目增加,成本提高,技術複雜,維護難.
目前世界上許多衛星公司提出了不同的星座組網方案,如Iridium系統的66顆6軌道系統;Globalstar的8軌道48顆衛星系統等.大部分系統尚處於研究開發階段.常規的衛星通信系統星座軌道的選取依據頻譜利用率、系統容量、傳播損耗、成本估算和技術難度等因素設計.對於某些最佳性能準則問題,如頻譜利用率最高、共信道干擾最小等採用傳統的規劃方法,這些方法的不足之處是工作量大,考慮不夠全面,各項因素之間影響不能實現最佳組合.
隨著最最佳化理論的日趨成熟,研究與套用領域也越來越廣泛,已經出現了許多計算量小、速度快、高效率的算法.運用最最佳化方法能全面、綜合地考慮各種因素,特別適合於處理某些性能最佳準則問題.本文試圖研究在低軌道衛星移動通信中套用最最佳化方法來設計星座配置.考慮在套用動態信道分配和碰撞型衛星移動蜂窩通信中,新呼叫嘗試的阻塞機率和由於切換失敗而引起的呼叫失敗機率與系統星座配置中軌道高度和衛星數量及系統其它參數之間的關係,運用最最佳化方法,找出最佳的軌道高度和衛星數量,使得系統的阻塞機率最小.
衛星軌道參數的計算
對於LEO圓軌道,衛星在軌道上任意位置的瞬時速度和運轉周期分別由下式給出:
低軌道衛星低軌道衛星採用近極軌道星狀星座,實現全球覆蓋示意如圖1所示.
低軌道衛星在極化軌道星座配置中,若採用每軌道面內衛星等距排列,每軌道面也等距排列,則最優完全覆蓋地球表面所需每軌道衛星數,軌道面數分別為:
低軌道衛星從以上分析可以得出,衛星軌道越低,則覆蓋包括極區在內的全球所需的衛星數目越多.同時,h變小使單星覆蓋區域小,衛星速度增加,越區切換頻繁和多卜勒頻移加劇,也相對減少了傳播延時.軌道高度增加,單星覆蓋區增大,覆蓋全球所需衛星數目減少,然而傳播延時增加,衛星地面終端功率要求高,手持機硬體技術複雜.在多種因素影響下,只能選擇折中方案.
星座配置的最最佳化設計及其結果
衛星移動通信系統要求衛星採用多波束天線.多波束可以是固定的,也可以是在不同地理區域上跳躍的波束.在跳躍波束系統中,M個獨立波束能連續跳躍到N個不同區域,形成M×N個理想波束.點波束構成連續的六角形圖形,它在地面形成若干個蜂窩狀小區的網路結構,如圖2所示.
低軌道衛星每個六邊形服務小區用戶總能被至少一顆衛星所覆蓋,用戶可隨時接入系統.頻率是一種有限資源.為了不同空間的網路同時使用相同的信道,定義信道再用距離D,即在網路中心間距小於D的網路中不能同時使用同樣的信道.根據計算,D一般取為D=21L.L為六邊形網路邊長.考慮到LEO衛星軌道高度低,衛星速度vs很高,移動用戶(MS)從一個網路來到相鄰的格線時,要發生切換過程.在新格線中,為避免通信中斷,必須重新分配信道.由於MS的速度和地球自載速度(vE=1670km/h)或忽略不計,於是得到MS相對衛星的恆定速度約為22600km/h.由於MS的相對速度較高,對於LEO,正在進行的通話將發生幾次切換.
下面考慮衛星移動蜂窩網路層採用動態信道、分配技術 (DCA),即當有新呼叫嘗試出現在衛星天線點波束覆蓋區 (格線 )中時 ,地區合適的衛星就執行動態信道分配算法 ,衛星通過窮盡搜尋法尋找最小价值的信道 ,並根據逐個呼叫的次序來決定分配信道 .對於 LEO衛星星座 ,必須使用星間鏈路 (ISL),即一顆衛星能與相鄰衛星通話.假設在 DCA技術中 ,1 )可用信道的最大數為 Cm;2 )通話時長是隨機的 ,並按指數分布 ,期望值等於 Tm;3)能清除阻塞呼叫 ;4)在所有格線中都具有相同的到達率時 ,每個格線提供的通話業務量為泊松分布。
低軌道衛星為了得到最小 Pb1 ,根據系統可用信道最大數目設定每個通話企圖平均切換次數 nh 的最小值 ,選擇合適的衛星軌道高度 (通過式 (1 ),式 (8),式 (9),式 (1 0 )計算 ),使 Pb1 達到最小 .衛星星座配置方案則由式 (3),式 (4),式 (7)計算 .套用最最佳化方法來解決這個問題 .本文屬在約束條件下多變數非線性函式的最最佳化問題 ,用式子表示為 :
低軌道衛星對於約束最佳化問題 ,有直接解法的複合形法 ,可行方向法 ,也有間接解法的乘子法 ,懲罰函式法等 .本文採用外點懲罰函式法.
在外點懲罰函式方法中 ,引入一個懲罰函式(X,γ(k))且定義於約束可行域的外面 ,而變數應滿足定義域 .該方法是通過一系列懲罰因子{γ(k)(k=0 ,1 ,2 ,… )}求函式 (X,γ(k))的無約束極值來逼近約束問題最優解的一種方法 .這一系列極值點 X*(γ(k))將從約束可行域外向約束外界運動 .隨著懲罰因子的增加 ,在由求一個函式進入求另一個函式極小化中 ,迫使懲罰項值逐漸減小 ,從而使無約束極值點 X*(γ(k))沿某一運動軌跡逐漸接近起作用約束的約束面上的最優點 X*.這就是用外點懲罰函式法處理不等式約束化問題的實現 .
本文最佳化流程可用圖 3所示框圖表示
低軌道衛星星座配置最優設計計算方框圖
表 1為當 vs=2 2 6 0 0 km/ h,L=2 6 0 0 km,並設定nh=2 ,θ=1 0°,Pb2 =0時 ,對應不同軌道高度時Ns,Np,NT,Pb1 的計算結果 . (Ns,NP,NT 均取正整數 )。
低軌道衛星結論
通過上述討論研究可以看出 ,低軌道衛星移動通信系統的許多設計問題可以用最最佳化方法來解決 .特別是在多種因素需同時考慮只能選擇一種折中方案的情況下 ,套用最最佳化方法來解決這類問題 ,可實現各種因素的最佳組合 .本文所提出的方法可推廣至移動衛星通信系統的其它參數設計與套用中 .
參考文獻
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寬頻中、低軌道衛星通信系統
寬頻中、低軌道衛星通信系統<1>
低軌道衛星摘 要
face="仿宋_GB2312">本文首先討論對未來信息高速公路建設無縫隙覆蓋高質量寬頻多媒體業
務傳輸起重要使用的寬頻中、低軌道衛星通信系統，包括典型系統結構和特徵參數。進而，論述窄
帶和寬頻中、低軌道衛星通信系統在此網路中的地位與作用。
正在研製開發的LEO／MEO／GEO窄帶衛星通信系統多半為低速率全球／區域衛星移動通信
系統。如上一講所指出，即使藉助未來MPEG-4技術的進展，亦難以直接支持寬頻高質量多媒體業
務的傳輸，但是，瞄準這一目標的一些寬頻衛星系統已初露頭角，下面介紹一些典型的MEO／LEO
系統。
face="宋體">1994年初約需90億美元投資、由840顆小衛星連線全球的Teledesic
LEO系統的令人震驚的構想問世立即在華爾街日報等新聞界掀起了軒然大波，有些人甚至視其為
天方夜譚工的奇談怪論；爾後，人們逐步開始對Teledesic系統的真實意圖與可行性有所理解。其
實，Teledesic系統的基本目標即期望利用衛星通信的介質優越性，在未來信息高速公路中扮演一
個重要的角色。
face="宋體">Teledesic公司誕生於1990年6月，總部在美國華盛頓州西雅圖（Seattle
Washington），創始人為世界上最大的計算機軟體公司美國微軟公司（Microsoft
Corp.）總裁蓋茨及世界上最大的無線通信公司美國麥考蜂窩通信公司（McCaw
Cellular Communications Inc.）總裁麥考。其主要業務目標即瞄準與地面寬頻光纖網路無
縫隙兼容，使之以靜止衛星系統無法比擬的小的時延，適應寬頻業務的套用需要與數據通信協定規
程要求，並作為地面無線網路的補充手段，對窄帶低速蜂窩系統進行寬頻帶覆蓋，構成蜂窩區間互
聯及長途電信連線的寬頻骨幹實施，以充分滿足話音與高速實時數據寬頻帶綜合傳輸進必需的低時
延要求。
face="宋體">該全球電信網路系統由840個高度為700km的LEO衛星星座構成，共有21個近極軌
式圓形軌道，每一軌道平面上有40個衛星，加上10％在軌備份，共有924顆衛星在軌，以實現快速
故障修復及高備份度的優良全球覆蓋。它具有低達40ms～120ms（平均80ms）的小時延性能，衛星
星座及衛星天線鏇轉波束的覆蓋銜接設計，使所覆蓋的地面蜂窩區相對衛星而言成為靜止而非移
動，從而可視為一種固定衛星業務，因此亦消除了移動通信麻煩的越區轉接要求。衛星發射質量約
795kg；衛星初期功率為11.595kW其壽命末期功率亦可為6.626kW，壽命約10年。
face="宋體">Teledesic系統的業務類型為全數字雙向交換業務，可傳輸語音、數據、視像、
互動式多媒體及廣域網絡信息等各種寬頻綜合業務。標準終端的連線速率為16kbit／s～
2Mbit／s，1Gbit／s線路的高容量樞紐終端連線速率高達155Mbit／s～1.2Gbit／s。其網路拓撲
為全網狀分散式控制結構，每個衛星為一個交換節點，星間鏈路使每一衛星連線鄰近8個節點，每
一節點執行與快速分組交換ATM類似的運行模式，實施自適應網路拓撲及擁塞路由定址，從而以低
時延及機動靈活方式構成一個自愈型網路拓撲。每一波束形成9個小區，共有64個掃描波束使每一
衛星形成576個小區，每一小區面積為53km×53km，可攜載1440個16kbit／s激活話音信道，從而
576個小區即可構成每一衛星巨大的容量能力，即576×1440=829440個話路。
face="宋體">標準終端及高速率樞紐終端利用Ka頻段（20／30GHz），星際鏈路利用60GHz頻
段，如上所述標稱終端運行速率為16kbit／s～2Mbit／s，導致每一小區可支持23Mbit／s容量需
求。樞紐終端速率高達155Mbit／s～1.2Gbit／s，即STM-1至STM-8，每一衛星可連線16個樞紐終
端站，星際鏈路傳輸速率為1.2Gbit／s，每一衛星連線8條星際鏈路。由於利用了Ka頻段，按國際
固定衛星業務頻率分配可獲得高達7GHz的有效頻寬，從而可較好地解決低微波頻段的頻譜擁塞問
題，並使天線及終端設備小型化，相應引發的技術問題是Ka頻段的大的雨衰及地面遮擋，這可由多
星座、高仰角及低軌道、低通路長度（700km～1020km）、自適應速率可變及自適應功率控制等技
術加以解決。系統多址連線擬採用FDMA／TDMA組合方式，調製方式為QPSK，鏈路誤碼率性能設計
為10-10，可用性指標期望達到99.9％。
face="宋體">據Teledesic提供的資料預測，其單位容量成本很低，即1bit／s
0.06美元，約為Iridium系統成本的1／111，約為Globalstar系統成本的1／46，約為GEO型
Spaceway系統成本的1／2.6。即使對高質量16kbit／s語音，其成本亦僅為每路0.96美元。
face="宋體">雖然Teledesic系統不能說技術風險很小，而且如此龐大的星座格局導致的系統
可靠性與衛星發射處理問題還需進一步驗證，實際投資需高達90億 color="#000000">～99.9億美元，並且服務對象主要為農村及邊緣地區，多長時間回收其巨額
投資等也存在疑問：但是，由上述簡要的系統描述已可理解其充當未來信息高速公路寬頻多媒體業
務的無縫隙覆蓋角色的技術可行性。
太空飛行器分類導航
人造衛星導航
| 衛星，是指在宇宙中所有圍繞行星軌道上運行的天體，環繞哪一顆行星運轉，就把它叫做那一顆行星的衛星。 |
