天地一体化信息网络低轨移动及宽带通信星座发展设想

随着全球互联网和物联网服务的延伸,可以实现包括南北两极在内全球无缝覆盖的低轨通信星座又一次进入了发展机遇期。通过分析国外典型星座的特点,结合我国“科技创新2030—重大项目”：天地一体化信息网络重大工程的发展背景,提出了一种创新的低轨移动及宽带通信星座方案构想,并给出了发展建议,希望能够为相关系统研制提供参考。     

利用低轨卫星星座的移动通信系统

本文介绍两种利用低轨地理卫星星座进行移动通信的系统。一种是英法联合研究提出的利用24颗低轨卫星组成的移动通信；另一种是美国研究提出的利用192颗低轨卫星组成的移动通信系统。最后将低轨卫星移动通信系统与同步卫星移动通信系统及高轨卫星移动通信系统进行了比较。     

面向低轨通信星座的导航定位方法比对研究

当前基于低轨卫星的导航定位方法研究成为国内外热点,其中基于低轨通信卫星的导航定位技术更是当前研究的重点方向。然而低轨通信星座较低的时空基准精度给导航定位带来了较大的挑战,针对弱时空基准约束的低轨卫星导航定位体制设计还处在研究的初级阶段。本文针对低轨通信星座的导航定位服务需求,基于LEO通信卫星的伪码测距信号与多普勒测频信号,开展精度因子（Dilution of Precision,DOP）及定位精度均方根误差（Root Mean Square Error,RMSE）分析,并对两类测量体制下的低轨通信星座导航定位服务性能进行分析论证。理论分析与仿真结果表明,在设定低轨通信卫星10 m～30 m弱时空基准误差的约束下,多普勒测频体制具有更优的导航定位精度,其周期平滑后的三维RMSE值为1.28 m,相比伪码测距体制下的三维RMSE值优化了86.8%;二维RMSE值为0.99 m,相比于伪码测距体制提升了52.9%。本文提出了一种较为可靠的低轨通信星座多普勒定位方案,为未来低轨通信卫星用于导航定位服务提供了有益参考。     

采用遗传算法的低轨区域通信星座优化设计

给出一种利用改进遗传算法实现低轨区域通信星座优化设计的方法,有效克服了上述困难。首先建立通用的区域覆盖星座模型,确定优化控制参数,并结合低轨星座应用背景对其进行约束。然后给出一种基于网格点统计的星座性能评价准则。为了提高遗传算法对局部最优解的搜索能力,文章提出一种混合遗传算法,该方法在基本遗传算法中加入复形调优算法,并根据优秀个体的分布对参数区间进行调整。将该算法应用于星座模型,建立一套完整的星座优化设计方案。最后对具体实例进行优化仿真,结果表明该方法取得良好的优化结果。     

低轨通信星座星间链路特点研究

随着全球宽带通信需求的增长,世界各国提出并建设了多种低轨通信星座,我国的卫星互联网系统也在紧张建设中,星间链路将是通信星座系统的重要组成部分。为研究星间链路特点和建链需求,以极轨通信星座为例,从几何角度给出了星间链路指向角和距离的数值计算公式,分析了顺行轨道星间链路的变化规律,并进一步研究了异轨星间反向缝建链的特点。研究结果表明,选取合适的星座参数,可以实现卫星跨反向缝的接续建链,从而保证反向缝两侧卫星之间始终存在可用的通信链路。     

低轨高通量星座系统波束设计方案研究

基于中国联通“空天地一体化”网络演进计划,低轨高通量星座系统及空地一体技术将是未来移动通信的重要研究方向。面向低轨高通量星座系统建设,首先对低轨高通量星座用户需求、波束特点、波束种类进行了分析,然后针对业务点波束进行设计,主要包括用户接入方案设计、频率选择、带宽选择,并通过链路预算验证了波束设计的可行性。     

基于低轨通信星座的全球导航增强系统

针对我国难以全球建站实现全球连续监测,以及当前全球卫星导航系统(GNSS)精密定位收敛速度慢的难题,提出一种基于低轨全球通信星座的全球导航增强系统。该系统不需独立建设,可与低轨通信星座融合发展。低轨卫星既可作为“天基监测站”,又可作为“导航信息源”。结合正在发展的低轨鸿雁全球通信系统进行仿真分析,作为“天基监测站”时,通过配置高精确度GNSS接收机,采用“地面区域监测网+天基全球监测网”的观测体制,实现中高轨导航卫星与低轨通信卫星的联合精密定轨与钟差确定;作为“导航信息源”时,可降低几何精确度因子(GDOP)值和缩短精密单点定位首次收敛时间,相比只利用北斗单系统,在收敛时间方面具有显著优势,收敛时间从30 min缩短到5 min以内。     

基于随机几何的低轨星座下行通信链路仿真与分析

低轨卫星网络具有低成本、大容量、广覆盖的特性,是未来空天地海一体化网络中的重要支柱和6G网络的关键组成部分,开展链路分析对于低轨星座链路设计与优化具有重要意义。由于低轨卫星移动性强、星地电磁环境复杂、链路较长等特点,星地信息传输与传统地面移动通信有着显著差异。根据低轨星座的特性构建星座网络的随机几何BPP模型,并针对低轨星座空间分布及移动特征,分析了单星及多星场景下的损耗、干扰等对星地通信链路的影响。通过给出星座系统干扰期望计算方法,并基于所构建BPP网络对星地通信链路特性进行仿真。仿真结果表明,构建随机几何的基于BPP分布的星座模型可以很好地模拟卫星网络的状态,采用随机几何对低轨星座下行通信链路进行仿真分析,能够得到更具泛化的星座构型下低轨星座对地面站的干扰情况,为巨型低轨星座网络分析及星地链路设计提供了参考。     

面向低轨巨型星座的多目标卫星接入优化

低轨巨型星座可以提供全球无缝覆盖的卫星通信服务,但也会导致用户被卫星多重覆盖,如何选择最优的卫星进行接入,成为低轨巨型星座接入技术的关键问题。对此,提出一种基于粒子群的多目标卫星接入优化算法。综合考虑星地距离、卫星剩余可服务时间和卫星剩余负载等目标函数,根据不同业务类型的QoS需求,对参数赋予相应的权值;针对可视卫星数量多且动态变化的特点,通过粒子群算法进行低复杂度求解。仿真表明,相较于对比算法,所提算法对星地距离和卫星剩余可服务时间进行了优化折中,保障了服务时间和通信质量,提高了接入成功率,能够灵活满足用户的不同业务类型需求,适应用户业务不同时空分布以及业务离散化的场景。     

低轨卫星通信系统下行链路设计

针对低轨卫星通信系统特点,结合当前世界上应用最广泛的数字卫星电视广播( Digital Video Broadcasting,DVB)协议,对卫星通信下行链路进行设计与验证.介绍了协议整体架构的设计和链路模型的搭建,重点描述了同步模块中的预频偏估计过程的设计.频偏预估计实现了在进行精细的频偏估计和补偿之前对大频偏的估计...     

Packet routing algorithm for LEO satellite constellation network

A novel distributed packet routing algorithm for Low Earth Orbit (LEO) satellite networks based on spiderweb topology is presented. The algorithm gives the shortest path with very low computational complexity and without on-board routing tables, which is suitable and practical for on-board processing. Simulation results show its practicability and feasibility.     

低轨卫星星座动态波束关闭算法

针对低轨多波束卫星星座网络中空间段卫星对地覆盖不均匀导致某些区域相对密集,造成严重的波束间干扰与不必要的波束资源开销等问题,提出了在满足覆盖等要求下的波束关闭算法。以多波束低轨星座网络为研究对象,分析并建立了低轨星座网络波束关闭的最优化问题,进而分析并论证了该问题的NP完全属性,给出了探索式求解方法。以共计3 168个波束的铱星星座网络为仿真场景,仿真分析了所提出的探索式波束关闭算法。仿真结果表明,所提算法仅需要1 913个波束即可实现对全球区域的连续覆盖,降低了39.61%的波束资源开销。     

Q-GERT survivability assessment of LEO satellite constellation

Wireless Networks - Due to the complexity of space environment and the difficulty of satellite maintenance in outer space, survivability has become one of the most important problems of LEO...     

低轨星座的跳波束资源调度策略

跳波束技术作为一种高通量卫星资源分配方法,能够根据地面业务需求灵活配置星上资源,提高星上资源利用率。本文将跳波束技术应用到低轨星座场景中,针对用户业务先验未知和先验已知两种情况,考虑波束间的共信道干扰,基于迭代算法和凸优化制定了适用于低轨星座的两种跳波束资源调度策略。与传统策略对比,能达到更高的系统吞吐量,同时具有较好的时延性能,且适应用户业务的不均分布。     

一种间隔重访的低轨星座设计方法

在低轨电子侦察、遥感卫星领域,针对非连续覆盖条件下的星座优化设计问题,提出了一种间隔重访的低轨星座设计方法。通过改进极轨覆盖带设计方法,将对地覆盖区域等效为矩形;以对地目标的平均重访间隔时间为输入,从同轨卫星间和相邻轨道面间两方面分析,得到近似最优的星座参数。通过STK仿真验证,设计的星座可满足重访间隔时间要求。     

低轨卫星星座快速响应链路损毁路由算法

设计高效弹性的卫星路由算法是未来低轨(Low Earth Orbit, LEO)卫星通信技术的一个重要发展方向。为解决低轨卫星星座网络中星间链路发生故障后存在的传输中断和数据安全问题,提出了一种低轨卫星星座快速响应链路损毁路由算法(Quick-response Link Destruction Routing Algorithm for LEO Satellite Constellation, QRLDRA)。QRLDRA以星座可预测拓扑作为星间路由计算基础,增加星地回传路由设计,快速将星间链路异常回传至地面计算中心处理;引入多优先级动态队列,根据节点链路状态调整星间链路不同数据传输的优先级;综合路由计算、路由上注、链路检测等功能,完成对拓扑变化的及时响应。通过仿真实验与传统算法的比较发现,所提算法有效提高了数据端到端传输的成功率,为用户业务服务质量(Quality of Service, QoS)提供了可靠保障。     

电力应急通信中短波通信的应用探索

近些年来,短波通信在电力应急通信方面发展的如火如荼,为人民的正常生活提供了必要条件。电力应急方式的选择要适应当地的客观实际条件,同时也要适应当地科学技术的世纪发展水平。日常的生活中,无线电波测传播与应用随处可见,无线电广播、手机通话、信号呼救等问题都普遍应用了短波通信技术。本论文首先简述了有关短波通信的原理和内涵,同时介绍了几种常见的短波通信在电力应急通信中的应急探索方案,希望能推动电力应急通信中短波通信的应用与完善。