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宽带LEO星座卫星通信系统业务量仿真分析
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更新于2023-05-24
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由于小卫星技术的快速发展,以及低轨卫星(LEO)相比传统的地球同步轨道卫星(GEO)具有低时延、低传播损耗等优点,宽带LEO星座卫星通信系统逐渐成为当前卫星通信领域的发展热点之一。目前,世界许多国家和卫星通信公司都在制定宽带LEO星座卫星通信系统方案。针对中国的现实条件,为建造一个合理的宽带LEO星座卫星通信系统,研究一个高效的组网方案,需要分析系统的业务量需求。对此构建了系统的位置业务模型与一日变化模型,提出了业务量仿真的方法,利用STK和MATLAB仿真软件,模拟了宽带LEO星座卫星通信系统单颗卫星与单个轨道面内的相对业务量,相关成果对建设我国自主的宽带LEO星座卫星通信系统具有一定的参考与指导意义。
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宽带宽带LEO星座卫星通信系统业务量仿真分析星座卫星通信系统业务量仿真分析
由于小卫星技术的快速发展,以及低轨卫星(LEO)相比传统的地球同步轨道卫星(GEO)具有低时延、低传播
损耗等优点,宽带LEO星座卫星通信系统逐渐成为当前卫星通信领域的发展热点之一。目前,世界许多国家和
卫星通信公司都在制定宽带LEO星座卫星通信系统方案。针对中国的现实条件,为建造一个合理的宽带LEO星
座卫星通信系统,研究一个高效的组网方案,需要分析系统的业务量需求。对此构建了系统的位置业务模型与
一日变化模型,提出了业务量仿真的方法,利用STK和MATLAB仿真软件,模拟了宽带LEO星座卫星通信系统
单颗卫星与单个轨道面内的相对业务量,相关成果对建设我国自主的宽带LEO星座卫星通信系统具有一定的参
考与指导意义。
0 引言引言
宽带LEO星座卫星通信系统是当前卫星通信领域重要的发展热点之一,由于传统的GEO卫星网络具有传播时延大、传播损
耗高、星上处理能力弱、网络吞吐量小、通信费用昂贵等特点,主要作为地面通信网的延伸和补充。利用GEO卫星建立一个
面向全球的、具有经济竞争力的宽带卫星通信系统,在当前技术条件下显然非常困难
[1]
。世界许多国家和卫星通信公司都在制
定自己的宽带卫星通信系统方案。OneWeb公司已经启动了世界上最大的卫星互联网计划,将发射648颗卫星建立一个覆盖全
球的低轨道卫星高速通信网络。SpaceX计划打造由4 000多颗小卫星组成的互联网星座STEAM,在全球范围内提供互联网接
入服务。LeoSat计划建造一个由140颗卫星构成的星座,为全球提供宽带数据接入服务。
为适应不断扩大的对外交流,提前占据空间的轨道和频率资源,中国有必要建立一个自己的宽带LEO星座卫星通信系统。
目前我国尚未建立面向全球通信的LEO星座卫星通信系统,但已经提出了建造LEO星座卫星通信系统的计划,比如“鸿雁”与“虹
云”系统
[2-3]
。然而基于我国的外交政策,在国外建立大量的信关站是几乎不可能的,需要在国内建站的强约束条件下实现通
信,必须要有一个合理的组网方案。
国外的OneWeb系统采用的是全球建立信关站的方式实现全球通信,卫星采用透明转发的工作方式,技术简单,成本较
低。但是这种组网方案明显不适合中国使用,中国在国外建立大量信关站是难以实现的
[4-5]
。而如果卫星采用全处理转发的工
作方式,能够实现全球通信,然而系统容量会很低,星间链路与馈电链路的传输瓶颈会很大程度地限制系统的传输容量,而且
技术复杂,成本较高
[6]
。卫星可以同时采用透明转发与处理转发两种工作方式,在国内,国外业务较多的部分区域等建立信关
站,在业务量较小国外区域采用处理转发的工作方式,依靠星间链路实现全球通信。这种组网方式能够在成本与技术复杂度之
间取得折衷,这与业务量的分布有很大的关系,因此需要研究系统的业务量特点,结合系统的实际业务量需求研究一个高效组
网方案。为此需要对系统在全球的业务量进行分析。
1 卫星业务量分析卫星业务量分析
1.1 影响因素影响因素
在宽带LEO星座卫星通信系统里,LEO卫星轨道高度低,运动速度快,星下点位置相对地面高速移动,文献[1]通过链路计
算分析了宽带LEO星座卫星系统要采用高仰角的星座方案,并仿真了高仰角卫星通信系统OneWeb的传输性能。本文也将继续
以OneWeb系统进行仿真分析,星座由648颗卫星依照Walker星座进行构建,卫星分布在18个轨道面上,每个轨道面上部署36
颗卫星,卫星轨道高度为1 200 km,轨道倾角为87.9°,在OneWeb系统采用的星座里,星下点每秒钟可改变约1公里的位置,
卫星在地面的波束覆盖区在不断变化,导致每颗卫星的业务源也随之变化,加之地面与卫星进行通信时通信仰角较高,最低通
信仰角50°
[1]
,单颗星的波束覆盖角度较窄,导致卫星在高速移动时每颗卫星的业务源变化更明显。
当卫星经过人口聚集的陆地区域时,由于不同地区人口数量不同,各大洲的经济发展程度不同,对业务的需求也不同,卫
星的业务源也是不断变化的;当卫星经过国内区域时,由于国内用户对业务的需求量更大,卫星的业务量会在短时间内达到一
个峰值;当卫星经过海洋地区、沙漠地区、山脉地区或两极地区时,由于这些地区几乎没有用户,导致卫星的业务源几乎为
零。在卫星绕地球旋转一周的过程中,卫星的星下点要在海洋与陆地之间数次转换,导致卫星业务量的变化具有很强的突发
性:当经过人口稠密地区和国内区域是时,业务量在短时间内达到很高的峰值;当经过海洋和极区时,业务量又可能长时间处
于极低的状态
[7-8]
。
在不同的时间段内,用户进行通信的使用频度也是不同的,这取决于卫星覆盖区内的当地时间,用户在正常活动的白天与
夜间的业务需求会大于休息时凌晨的业务需求。因此,在计算卫星的业务量时,还需考虑星下点的当地时间。
1.2 业务量仿真思路业务量仿真思路
影响低轨卫星移动通信系统用户业务量的主要因素有两个:
(1)地形地物因素。地球上的陆地、海洋、山脉和沙漠等分布错落有致;在陆地区域,各大洲的经济发展程度不同,对业务
的需求也不相同;在国内区域与国外区域,业务量会有明显的差距。这样当卫星绕地球作周期性旋转的时候,卫星就会经过不
同的地区,随着时间的推移,卫星波束扫过不同地区时,其业务源就会有很大的变化,从而导致用户业务量具有脉冲式的变化
规律。
(2)时区因素。各地区在24小时内的业务量变化不均,并且只取决于当地时间。
为此,需要针对宽带LEO星座卫星通信系统的特点,建立相应的仿真模型才能获得其业务量仿真结果。为完成这样的仿
真,需要确定下列基本信息:

















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