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低軌通信星座星間鏈路概況、問題與建議

日期:2018-09-04

 

  星間鏈路是指衛星之間建立的通信鏈路,也稱為星際鏈路或交叉鏈路。通過星間鏈路實現衛星之間的信息傳輸和交換,多顆衛星可以互聯在一起,成為一個以衛星作為交換節點的空間通信網絡,降低衛星通信系統對地面網絡的依賴。憑借星間鏈路的優勢,通信系統可以減少地面信關站的設置數量、擴大覆蓋區域、實現全球測控等,而且信號在星間鏈路傳輸時可有效避免大氣和降雨導致的衰減,形成相對獨立的通信星座系統或數據中繼系統。

  近年來,在具備寬帶、大容量、低延遲和全球覆蓋等特色的低軌通信星座的推動下,星間鏈路成為研究熱點。當前,Starlink、LeoSat、Telesat、Iridium NEXT、O3b、OneWeb和Globalstar等中低軌道星座項目的發展勢頭正盛,根據預測到2020年高通量衛星的通信容量將達到近5Tbps,隨著寬帶大容量通信星座的建成,通信能力將增加到40Tbps以上。在這些星座中,美國的Starlink星座將采用激光星間鏈路實現空間組網,達到網絡優化管理以及服務連續性的目標;LeoSat星座也將采用激光星間鏈路建立一個空間激光骨干網;加拿大的Telesat星座亦計劃設置激光星間鏈路;而美國的Iridium NEXT星座則設置了Ka頻段星間鏈路。按照目前公布的資料來看,O3b、OneWeb和Globalstar星座未設置星間鏈路。

  2018年1月12日,加拿大衛星運營商電信衛星(Telesat)公司的一顆試驗通信衛星(LEO Vantage 1)搭乘印度的“極軌衛星運載器”通過一箭31星方式成功發射,目前正開展相關在軌測試,將為Telesat星座建設提供技術驗證。2018年2月22日,SpaceX公司采用獵鷹-9重型火箭成功發射了Starlink星座的2顆試驗通信衛星(Tintin A/B,圖1),將為Starlink星座建設提供前期在軌技術驗證。2018上半年,Iridium NEXT星座分2組發射了15顆衛星(即41-50編組和51-55編組),每顆衛星具有4條微波星間鏈路。

 

  星間鏈路按照衛星所在軌道可分為同類型軌道(如GEO-GEO、LEO-LEO等)衛星間的星間鏈路和不同類型軌道(LEO-GEO等)衛星間的星間鏈路。從衛星所在軌道面還可分為同軌道面星間鏈路以及異軌道星間鏈路。以Iridium星座為例,每顆衛星有4條LEO-LEO星間鏈路,其中2條是與同軌道面的相鄰衛星建立相對固定的星間鏈路(如圖2中1號衛星與2、3號衛星),另有2條是與鄰近異軌道面的2顆衛星建立的可動波束星間鏈路(如圖2中1號衛星與4、5號衛星)。由于衛星星間鏈路設置的限制,1號衛星與相鄰異軌道面上的6號和7號衛星之間并沒有星際鏈路,從而降低星間鏈路設計的復雜度。

 

  值得一提的是,由于同軌道面衛星之間的位置關系是固定的,因此這類星際鏈路比較容易保持。但異軌道面衛星之間的相對位置關系(如鏈路距離、鏈路方位角和鏈路俯仰角等)是時變的,不僅天線需要有一定的跟蹤能力,而且星間鏈路也很難維持,以銥星系統為例,約每250秒就需要切換一次。

  星間鏈路除按照軌道劃分外,還可以按照工作頻率分為微波鏈路(Ka頻段)、毫米波鏈路(部分Ka頻段和Q/V頻段等)、太赫茲鏈路(太赫茲頻段)和激光鏈路等。星間鏈路可采用的頻率規劃如表1所示;從通信速率方面可分為窄帶低速鏈路和寬帶大容量鏈路等。

  表1  星間鏈路頻率規劃

 

  星間微波/毫米波鏈路具有技術相對成熟,可靠性較高,波束相對較寬,跟瞄捕獲容易等優勢。星間激光鏈路的優勢在于頻帶較寬,可以增加鏈路通信容量;設備功耗、質量、體積較小;波束發散角較小,具有良好的抗干擾和抗截獲性能,系統安全性高。但星間激光鏈路相應的主要缺點是因波束窄而導致瞄準、捕獲、跟蹤(PAT)系統復雜,因此PAT技術是激光星間鏈路的關鍵技術之一。

  星間太赫茲鏈路介于毫米波和遠紅外波之間,因此太赫茲鏈路可兼具毫米波通信和激光通信的優勢。相對于毫米波通信而言,星間太赫茲鏈路通信容量更大,可達10Gbps以上的傳輸速率;波束比毫米波更窄,方向性更好;太赫茲波可被大氣層吸收,具有更好的保密性;設備質量和體積等比毫米波設備更小。與激光鏈路相比,太赫茲波通信比光通信的能量效率更高;太赫茲波比激光具有更好的穿透沙塵煙霧的能力,在惡劣天氣下比激光通信具有一定優勢。

  目前正在建設和設計的低軌通信星座,對是否設置星間鏈路采取了不同的方案,O3b和OneWeb星座不設置星間鏈路,而Starlink、LeoSat和Telesat等星座選擇采用激光星間鏈路,Iridium星座則采用Ka頻段星間鏈路。但是設置星間鏈路會使星座的設計難度增大,衛星的技術復雜程度提高,星上路由選擇等技術問題也相應產生。下面針對星間鏈路使用中可能存在的問題進行梳理:

  (1)頻率資源稀缺受限。星間鏈路可用的微波頻率資源固定且有限,難以同時滿足多個大規模星座的寬帶星間鏈路使用;毫米波頻段的頻率資源較為豐富,但是目前該頻段的星載設備研制較為困難,產品的成熟度較低;而激光鏈路雖然帶寬較寬,但其受空間光照等因素影響較大,使激光鏈路的可用度降低。通信頻率和衛星軌位資源是星座設計的前提條件,是必須優先解決的問題。

 

  (2)路由選擇問題。對于規模較大的星座,星間鏈路的路由選擇注定將是一個極其復雜的問題,加之低軌衛星的相對位置時刻在變化,因此需要及時更新路由表。若由星上完成該工作則將大幅增加衛星的復雜程度和研制難度,同時降低了衛星對技術升級更新的適應性;若由地面完成路由分配再上傳至衛星,則增大了星座對地面系統的依賴。另一方面,如果路由選擇不是最佳方案的話,則數據在星座中被多次傳輸,使得信號延時明顯增加,降低了低軌星座在延時方面的優勢。因此作者認為路由選擇是目前低軌星座星間鏈路設計中最核心的問題之一。

 

  (3)數據監管問題。既然通過星間鏈路可以在大氣層外編制一張通信網絡,那么通信數據的來龍去脈該如何監管,如何確保數據精準到達目的地而不被“竊取”,如何精確掌握業務信息的傳輸方式,亦是一個需要高度重視的問題。

 

  (4)星間鏈路設計復雜度及鏈路干擾問題。同軌道面內的衛星建立星間鏈路相對固定,但是異軌道面的衛星甚至不同類型軌道衛星之間建立起星間鏈路較為復雜,需要解決鏈路設置數目、綜合覆蓋范圍、建鏈方向角度、鏈路距離以及鏈路切換頻度等問題。星間鏈路工作時還需要避免與其他星間鏈路或星地鏈路產生相互干擾,以免導致各方的通信鏈路均受影響。

 

  (5)星間鏈路天線的限制。星間鏈路的天線或激光終端需要復雜的捕捉、跟蹤、瞄準伺服機構和控制器,從而實現星間鏈路的及時建立和切換。但在低軌的較小衛星平臺上較難以同時安裝多副星間鏈路天線或終端,這就限制了單顆衛星星間鏈路的設置。雖然可以選擇相控陣天線,但問題在于這類天線的昂貴費用和使用壽命等因素,限制了大規模構建星座的實際使用價值。

 

  (6)背景噪聲控制問題。星間鏈路天線的指向范圍變化較大,這就導致星間天線/終端的背景噪聲溫度動態變化,且變化幅度較大,進而影響星間鏈路的正常通信,若天線指向控制不當或者門限設置不當,要么導致通信阻斷,要么引起鏈路自激。

 

  星間鏈路雖然存在上述可能出現的問題,但由于適合于不便全球布置地面信關站的中低軌星座;而且星間鏈路的抗毀性強,可以不依賴地面獨立組網通信,通過星座能擴大通信系統的覆蓋范圍,還能在一定程度上解決地面蜂窩網的漫游問題。因此,星間鏈路仍受到重視及應用。且憑借其通信和測控等方面的技術優勢,通過合理設計和使用,可以充分發揮其潛力。

  為更好發揮星間鏈路的作用,對星間鏈路的建設和使用提出如下建議:

 

  (1)積極開拓新的工作頻段,研制新頻段相應的星載設備,包括天線、轉發器以及星上處理器等。Q/V頻段(40/60GHz)和激光載荷設備近期內將成熟并可投入使用,有助于改善目前嚴重依賴Ka頻段而造成的頻率資源緊張和鏈路干擾問題。

 

  (2)充分利用現有頻率資源,深度進行星間鏈路“波束-時間-空間”統籌規劃,各星座星間鏈路的波束指向按照時間和空間進行備案統籌管理,使相同頻率可以被盡可能多的星間鏈路按“時分空分”方式綜合復用,盡量避免同頻同指向的干擾問題。

 

  (3)因為低軌星座的路由設計不同于GEO軌道衛星網絡,也不同于地面通信網絡,建議重點優化星座網絡拓撲結構,加強路由選擇設計和數據監管研究,克服網絡大尺度、動態拓撲、節點關系復雜、業務種類豐富等問題,實現適用于低軌衛星星座的路由與交換方案。

 

  (4)建議限定使用星間鏈路,避免衛星間隨意建立星間鏈路,而只與臨近的衛星建立星間鏈路,使用轉動受限的可動波束,甚至使用固定波束來建立星間鏈路,通過限定使用星間鏈路實現整個星座的最優設計,降低衛星星間鏈路天線APT機構的復雜度,并可避免背景噪聲的大幅波動。

 

  (5)建議采用LEO/GEO中繼型星間鏈路方式,由LEO衛星通過星間鏈路與GEO衛星建立中繼關系,再通過GEO衛星向中低緯度區域進行數據覆蓋傳輸,實現LEO衛星在地面站視場外的通信服務,而LEO衛星側重負責高緯度地區的通信工作。

 

 

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