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。     

面向通导共生的低轨卫星机会信号定位管理

通导共生是指通信和导航信号共存于卫星生态环境中。针对定位或通信的单一功能低轨卫星星座,在定位或通信信号不可用时难以快速进行定位管理的难题,提出了应用扩展卡尔曼滤波器算法,对低轨卫星通导共生星座的机会信号进行定位解算,突破定位管理对单一导航系统的依赖。首先,介绍了卡尔曼滤波的基本原理,结合低轨卫星多星座定位管理算法,提出了一种基于机会信号的卡尔曼滤波定位管理算法;其次,分析了所提算法的优点,包括提高定位精度、提高定位效率、提高定位稳定性等;最后,进行了实验,验证了所提算法的有效性。结果表明,所提算法能够有效地提高定位精度、定位效率、定位稳定性,为低轨卫星通导共生星座定位管理提供了一种有效的解决方案。     

中国低轨卫星星座组网设计与规划

针对全球性低轨卫星星座系统成本高、技术难度大、实现周期长等问题,提出了适 用于我国低轨卫星星座的分步实施方案。在分析星座设计主要问题的基础上,利用24颗卫星 设计了能够实现对中低纬度连续覆盖的低轨卫星星座,以此低轨星座构型为基础,结合我国 当前实际,在假定任务背景下,研究了第一阶段4颗卫星的优化部署方案,并利用STK对不同 设计方案的覆盖性能进行了仿真和对比分析,验证了连续覆盖型星座的优势,为我国低轨卫 星通信系统的组建提供了参考。     

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。     

5G地面移动通信技术在低轨星座的适应性分析

5G移动通信旨在适应更多的应用场景,与2G/3G/4G网络相比,用更多维度的指标去描述,全新的生态系统,成为通信领域的研究热点,随着国家天地一体化信息网络重大项目的推进,低轨移动通信星座备受关注。主要从体系架构融合和地面5G技术适应性等方面进行分析,提出了低轨移动通信星座系统的网络架构、协议设计以及空口传输体制,对我国未来要建设的天地一体化信息网络具有一定的参考意义。     

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。     

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。     

一种MEO星座的覆盖性能及组网方案分析

地球静止轨道(geostationary earth orbit,GEO)卫星轨道位置资源稀缺已久,巨型低轨卫星星座的发展浪潮使得低轨轨道资源也变得空前紧张,中地球轨道(medium earth orbit,MEO)星座作为GEO和低地球轨道(low earth orbit,LEO)星座的折中,必将成为各国博弈的角逐场,参考世界各MEO星座和我国国情,提出了一种(6+4)MEO星座方案,并使用STK(Satellite Tool Kit)软件对星座覆盖性能、星际链路特性和信关站选址及覆盖性能进行了仿真分析,该方案通过地面站中继实现轨道间通信,有效规避了利用星际链路实现轨际通信时存在的各种问题,使系统得到简化、可靠性得到提高,在全球低轨卫星轨道资源紧张的形势下具有很强的战略价值。     

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。     

对低轨卫星星座天基测控服务模式的设计与应用

随着大规模低轨卫星星座的全面部署,对天基测控服务模式提出了新的挑战。分析了低轨卫星星座在常态运行、应急使用以及智能化应用中的测控需求;构建了新型天基测控服务系统,设计了前返向实时跟踪波束和全域静态波束组合应用的天基测控资源保障模式。提出了基于地面运管中心统一调度的天基测控服务模式,给出了即时计划驱动和“返向全时分发+前向业务驱动”两种典型模式下的系统工作流程,归纳总结了所述服务模式产生的效益。详细梳理了与所述服务模式相适配的卫星终端设计要求,明确了不同模式下的卫星终端工作状态。可用于指导后续对低轨卫星星座天基测控服务的工程化应用。     

基于TD-SCDMA的低轨星座卫星通信系统接入技术

本文对低轨星座卫星通信系统采用TD-SCDMA多址接入技术的可行性进行了初步论证,通过对低轨星座卫星通信特点的分析,提出在现有TD-SCDMA系统基础上进行适应性改造,满足卫星通信的要求,使得低轨星座卫星通信系统最大限度的重用已有的成熟技术,作为地面移动通信的延伸和补充,这将大大提高低轨星座卫星通信系统的经济性、可运营性、易维护性和可持续发展能力。     

基于分布式星群的双层星座设计

当前,陆地通信系统已无法满足日益复杂的信息需求,利用空间信息网络实现全球范围内的无缝覆盖和高效容量传输成为研究热点。现有卫星通信系统以单层星座为主,缺少高低轨卫星之间的协同。提出了一种基于分布式星群的双层星座设计,以基于分布式星群的低轨卫星作为网络架构的基础,采用星间链路实现低轨卫星之间的通信,通过高轨卫星实现中低纬度地区覆盖性能加强。仿真结果表明,所提方法在仅依靠在国内部署卫星地面站的前提下可实现全球多重覆盖。     

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。     

星座卫星通信系统中用户终端单星定位探讨

一、引言 地面移动通信网目前在移动通信中居于主流地位,但在边远地区、沙漠、海洋上仍然无法覆盖。灾害发生时,地面通信设施被破坏,卫星通信的独特地位和价值就凸显出来了。正是星座通信系统具有的种种优势,从上世纪80年代起各国竞相发展低轨卫星移动通信系统。随着我国经济实力的增长及相关技术领域的进步,我国发展星座通信系统的时机已经具备。     

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。     

“星链”的系统架构与应用场景

“星链（Starlink）”是美国太空探索技术公司（SpaceX）正在构建的新型低轨巨型星座,旨在提供全球宽带互联网服务,其系统架构包括卫星星座、地面终端、数据传输链路、星链地面站等。文中分析了星链技术体制中的关键技术,如卫星制造与发射技术、天地通信技术、终端设备与数据处理技术、任务调度与控制技术等。     

通信导航一体化波形关键技术及研究进展

蜂窝移动通信有望进一步整合低轨卫星实现星地融合网络(Integrated Satellite-Terrestrial Networks,ISTNs),可以极大地扩展卫星和通信的覆盖范围,减少对地面基础设施的依赖以及重复建设,从而满足海上、空中、偏远地区等通信场景需求并完善密集建筑、室内、隧道等区域的定位功能。通信导航一体化(Integrated Communication and Navigation,ICAN)是星地融合的核心技术,从通信导航互相补充覆盖的角度将通导一体化分为通信覆盖增强和导航覆盖增强两个层面,基于此总结了一体化波形的研究进展,包括通导一体化波形设计、通导一体化信号处理技术以及通导一体化性能度量指标等。重点阐述了基于毫米波频段的研究,提出了通信覆盖增强的毫米波通导一体化系统,并展望了通导一体化未来发展和面临的挑战。     

非静止轨道宽带通信星座频率轨道资源全球态势综述(上)

频率轨道资源一直是非静止轨道(NGSO)宽带通信星座系统发展的关键要素。本文从现有星座的频轨解决情况、国际电信联盟(ITU)卫星网络资料申报现状、相关无线电规则的演进趋势等三个方面对NGSO宽带通信星座系统频率轨道资源的全球态势进行了综述和分析,并在此基础上提出了相关发展建议。     

大型低轨星座覆盖能力评估研究

针对大型低轨星座覆盖能力评估问题,构建了星座覆盖能力评估指标体系,提出了星座覆盖能力指数算法。基于该评估指标和能力指数算法,利用层次分析法和STK仿真软件对当前部署的“星链”星座、OneWeb星座、“吉林一号”星座进行覆盖能力仿真评估,对比分析了3个星座的覆盖能力,结果表明“星链”星座对0°～50°N纬度地区覆盖能力最强,OneWeb星座对60°～90°N纬度地区覆盖能力最强,同时也表明了该评估指标体系和能力指数算法具有一定的实用性,能够为大型低轨星座的覆盖能力评估工作提供参考。     

国外新兴商业低轨卫星通信星座发展述评

近年来,在商业投资的推动下低轨卫星通信星座网络快速发展,不断有新的商业低轨卫星通信星座计划涌现。实际上20世纪90年代也曾掀起过低轨通信卫星星座浪潮,但结果却未能达到最初的设想。总结了20世纪90年代提出的低轨通信卫星计划的经验教训,概述了目前典型的新兴低轨商业卫星通信星座特性及发展现状,根据之前星座的经验教训提出了对当前商业低轨卫星通信星座发展的思考。