双层卫星网络的结构设计与性能分析
王延春1,2，潘成胜1,3
【摘 要】摘 要：为解决目前双层卫星网络存在的覆盖盲区、覆盖率低、层间建链时间短、骨干卫星低仰角等问题，提出IGSO/LEO双层卫星网络，对单星和卫星网络的覆盖性能、ISL性能、仰角性能进行仿真分析。研究结果表明，IGSO卫星在高纬地区的平均通信仰角为GEO卫星的4倍，在两极能够保证33°以上的平均通信仰角，单星覆盖率比GEO高0.25%；最长链路时长为GEO/LEO卫星网络的3.66倍，覆盖率为100%，有效解决了传统卫星网络覆盖率低、层间建链时间短、骨干卫星低仰角的问题。 【期刊名称】计算机工程与设计 【年(卷),期】2016(037)005 【总页数】6
【关键词】卫星网络;结构;性能;倾斜地球同步轨道;地球静止轨道
0 引 言
近年随着国内外卫星业务的发展需要，卫星网络以多样化服务、可靠化传输、全方位覆盖、灵活化组网为特征进入综合信息网络时代。单层卫星网络已难以满足航天系统网络设计需求，具有星际链路的立体化多层卫星网络已成为卫星通信领域研究热点和发展趋势，构成了天基综合信息网[1-3](以下简称天基网)的雏形。
采用某种方式实现卫星网络的互连互通，对于提高现有卫星网络高性能、强抗毁有着至关重要作用，选取何种卫星作为中继，采用何种卫星网络结构显得尤为重要。目前多层卫星网络结构主要有两类：①双层结构，如LEO(low earth
orbit)/MEO(medium earth orbit)、LEO/LEO(如Globalstar、Teledesic等)、GEO/MEO(如GESN、GNSS/Galileo系统)、GEO(geosychronons earth orbit)/LEO(如Iridium和Milstar-2卫星系统)等[4-8]；②三层结构，如LEO/MEO/GEO三层结构(如Rostelesat星座)、LEO/GEO与空中平台、LEO/HEO(highly elliptical orbit)/GEO相结合的网络结构[9-11]。相对单层网络结构，多层网络能有效实现轨道高度不同的卫星星座优势互补。实际应用表明[12,13]，采用GEO作为骨干网的多层网络结构存在如下问题，双层结构不能实现理论上的全球覆盖；三层结构存在GEO在高纬地区通信仰角小，不能覆盖极地地区，并且为确保链路联通时所需的衰落余量很大[14-17]，采用椭圆轨道卫星时(如欧洲阿基米德计划的高椭圆轨道卫星系统)存在远地点链路损耗大的缺点[18]。IGSO(inclined geosynchronous satellite orbit)能够有效弥补GEO在高纬地区低仰角问题[15,16]，但文献未对两者单星的覆盖性能、链路可通性深入分析。针对上述问题，本文构建了IGSO/LEO的双层卫星网络结构，并在单星仰角性能和覆盖性能、网络覆盖性能和链路可通性等方面与GEO单星和LEO/GEO卫星网络进行了对比。
1 双层卫星网络结构设计
1.1 网络结构设计
针对上述各卫星网络存在的问题，本文构建一种IGSO/LEO双层卫星网络结构，并在此基础上对该网络性能进行验证分析。IGSO/LEO双层卫星网络结构如图1所示。该网络结构由天基网和地基网组成，其中天基网由IGSO、LEO星座共同组成，地基网由用户、再入航天器、通信终端等地面网关所组成，地面网关可与陆基有线/无线网络联通。
(1)IGSO层：由一个IGSO星座组成骨干层，采用多波束星下天线，可以对以赤道为对称轴的南北纬区域全覆盖。
(2)LEO层：作为连接IGSO层、地基网的接入层，负责与地面各种终端数传业务的交换与传输，IGSO卫星实时对其进行跟踪、中继与管理。LEO层采用Walker-δ星座，由若干LEO星座组成。对于LEO星座不能覆盖极地地区的问题，可以利用IGSO卫星的覆盖性能解决，因而不会影响极地通信业务。 1.2 卫星覆盖性判定 依据图2，可得如下计算公式
当地面终端处于覆盖边缘时，卫星与仰角最小，设为Emin，地心角取最大值为θmax。单星覆盖面积A则可定义为在仰角大于Emin时地球表面可视该星的面积，即A=2πRE(1-cosθmax)。 覆盖率为，其中AE为地球表面面积。 1.3 卫星链路可通性判定
网络间星间链路(inter satellite links，ISL)需要考虑地球、大气层等因素对ISL的遮挡，故不一定始终连通，但无论同层或异层的卫星建立链路时，ISL长度将有极限值，即最大可视链路长度。图3为双层卫星网络可见链路长度和仰角示意图，其中Hp为IGSO卫星和LEO卫星链路的余隙高度。当层间ISL达到最大值时Dmax，则有最大可见角αmax。Dmax即为IGSO和LEO卫星最大可见链路长度，αmax、Dmax计算公式如下
其中，hA、hB为卫星到星下点的距离，RE为地球半径，Hp为链路余隙。 当hA+RE=hB+RE时，可描述为同层间ISL的星间链路几何特性；当hA+RE≠hB+RE时，则代表异层间ISL的星间链路几何特性；当hA+RE或
双层卫星网络的结构设计与性能分析
