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一种新型多层卫星星座组网设计

作者：李连强游寒旭朱杰杨宇涛胡珍

来源：《上海师范大学学报·自然科学版》2016年第02期

摘要：随着空间技术需求的不断增多，传统的单层卫星星座组网模式，由于其结构简

单，在未来空间技术的发展中受到限制.近年来，采用多层卫星进行星座组网受到业界的普遍

关注.鉴于多层卫星星座模型的优点，设计了一种新的基于GEO/MEO/LEO的三层卫星星座模

型.本模型充分结合高、中、低轨道各自的优势，以尽量少的卫星数量实现了对地球的全面覆

盖，较之传统单层模型更为立体化.最后，通过STK和MATLAB对所提出的多层卫星星座组

网模型进行了数字化仿真，从星间链路的长度、链路通信俯仰角以及方位角等方面进行了对比

和分析，验证了本模型的合理性和有效性.

关键词：多层卫星星座；链路长度；通信俯仰角；方位角

中图分类号：TN927文献标志码：A文章编号：1000-5137（2016）02-0248-05

引0言

地面的因特网已经取得了巨大的成功，人们希望将因特网的模式复制到太空，实现天地一

体化网络[1-2].其中，卫星星座组网的设计是关键和基础，它直接决定和影响着天地一体化网

络的拓扑结构和路由方案[3].现阶段的卫星星座组网大多是单层模式，虽然不同轨道高度的卫

星星座具有不同的优点，但也伴随着相应的局限性[4].随着人们对卫星网络服务质量要求的提

高以及空间技术的不断发展和进步，多层卫星星座组网设计已然成为卫星星座设计的主流方向

[5].图1分别给出了传统单层卫星星座组网、多层卫星星座组网的简单示意图.

卫星星座组网的关1键技术

卫星覆盖范1.1围

卫星星座组网的设计首先要满足一定的覆盖特性[6].随着卫星通信网络用户数量的增大和

服务种类的增加，从长远考虑，卫星星座对地球的覆盖应是全球覆盖.理论计算的卫星对地覆

盖范围由卫星对地面的切线所限定.实际应用中，假定卫星视角范围内有一地面基站，通常要

求它与卫星的通信需要保证一个最小的通信仰角E，以避免仰角过小时信号的巨大衰减，影响

接受质量，如图2所示.

星间1.2链路

由于地球的遮挡作用，处于视距之外的两颗卫星无法直接建立通信联系，同时考率到地面

基站地理位置的局限性，要实现彼此间的通信必须在中间建立星间链路.星间链路可分为轨内

链路、轨间链路和层间链路.

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不同类型的星间链路具有相同的评价指标，如链路的长度、链路通信俯仰角以及方位角等

[7].星间链路长度决定了传播时延以及方位角和俯仰角的大小，而方位角、俯仰角的大小又影

响着星载天线的设计复杂程度和通信质量.可以说这些指标共同决定了卫星通信网络的稳定性

和可靠性，在多层卫星星座组网设计中要重点考虑.

卫星星座组网的设计2

综上所述，卫星星座组网的设计不仅要考虑卫星对地面的覆盖范围，还受制于高轨卫星对

低轨卫星的覆盖性，以及卫星之间通信链路的稳定性和可靠性.

Walker星座是目前所知性能最优的全球覆盖星座模式[8]，可用4个参数组合：i，T/P/F表

示，其中i为轨道倾角，T为卫星数量，P为轨道数，F为相位因子，且0≤F≤-1P，F定义了相

邻卫星间的相对位置[9].

本文作者在低地球轨道（