李文屏 白鹤峰 赵 毅* 冯旭哲 邵富杰
①(北京跟踪与通信技术研究所 北京 100094)
②(国防科技大学智能科学学院 长沙 410003)
未来天基骨干传输网络，作为天基信息高速公路，通过建立星间、星地骨干链路，为陆、海、空基宽带用户和天基节点，提供全球骨干传输、宽带接入、全域通联等服务。未来，天基骨干传输系统将向宽带与中继融合方向发展，是卫星宽带通信和数据中继系统网络化、综合化发展的产物。传统的由单一轨道构成的单层卫星网络能够为地球表面的陆上、海上、空中用户提供全球通信服务，但无法满足航天器等太空用户的覆盖需求，而采用多层轨道的多层卫星骨干网络能够提供全域覆盖，因此面向全域用户的多层轨道卫星骨干网络架构具有重要的研究意义，已成为当前的研究热点和发展方向。
卫星按所处轨道高度可分为低轨道(Low Earth Orbit, LEO)卫星、中轨道(Medium Earth Orbit,MEO)卫星和地球同步轨道(Geostationary Earth Orbit, GEO)卫星[1–3]。多层卫星骨干网络是指在不同轨道层卫星节点通过星间链路构建的多层立体交叉卫星骨干网络[4]，例如双层或多层轨道平面内同时部署卫星实现多重覆盖。层内、层间星间链路是多层卫星骨干网络的核心组成部分，是连接不同层间卫星节点的主要手段。
目前多数多层卫星骨干网络的研究局限于地面覆盖分析，对于为空间用户服务的多层卫星骨干网络覆盖性研究甚少。文献[5–10]对GEO/LEO卫星的双层卫星组网进行研究，但仅从地面的全覆盖着手考虑，没有涉及天域覆盖。且这些研究为了实现地面的全覆盖，需要大量的LEO卫星，网络节点数目过于庞大，相应的路由算法复杂度急剧上升。文献[11]针对GEO理论上不能实现全球覆盖的问题，提出了一种倾斜地球同步轨道(Inclined GeoSynchronous Orbit, IGSO)/LEO卫星的双层卫星组网架构，该架构同样从地面的全覆盖着手考虑，没有涉及天域覆盖问题。文献[12]研究了基于全球定位系统(Global Positioning System, GPS)星座的天域覆盖几何可见性。文献[13]归纳了影响全域覆盖性能主要因素，对全域覆盖性能计算方法进行了研究。文献[14]针对GEO/MEO/LEO多层卫星网络，提出了链路中断时的高效路由策略。上述文献对多层卫星骨干网络的性能指标研究不多，在研究多层卫星网络全域覆盖性的同时，其网络性能指标，如：路径数、最少跳数、最小时延等，对用户通信质量影响大，值得定量分析研究。
本文针对多层卫星骨干网络的全域覆盖需求，提出一种中高轨卫星轨道层的多层卫星骨干网络架构(3GEO+3IGSO/24MEO)。对从地球表面到高轨层约36000 km高度的全域覆盖性进行计算分析，结果表明该多层卫星骨干网络架构能够实现全域100%的覆盖。然后进一步对路径数、最少跳数、最小时延等网络性能指标进行了分析研究，说明了中轨层与高轨层之间建立层间星间链路的必要性。
为陆、海、空、天基各类用户提供服务的卫星网络，需要在全域范围内提供全时间段覆盖，即在任何时刻都有骨干节点覆盖全域的任何区域，且是全时间段一直连通的。除了满足全域覆盖之外，还需要从通信链路稳定性、网络健壮性、用户通信时延、网络复杂度、卫星成本等方面考虑，确定卫星骨干网络架构。
对于单层卫星骨干网络，低轨卫星绕地球运动周期短，通过低轨卫星与低轨用户和地面用户进行通信时，需要不停地切换通信链路，缺乏通信链路的稳定性；
且需要大量的低轨卫星来组建低轨网络层，增加了卫星网络的复杂度和网络建设的成本。高轨卫星具有低轨卫星无法比拟的覆盖性能优势，能用较少的高轨卫星实现全域覆盖，且能实现较为稳定的通信链路。但高轨卫星与地面用户和低轨用户通信时延增加，导致需要其他轨道层卫星网络来弥补这一劣势。中轨卫星星座的特征介于低轨卫星星座和高轨卫星星座之间，规模适当的中轨卫星可形成全域覆盖能力。与高轨卫星较大的通信时延(针对低轨用户和地面用户而言)相比，中轨卫星在通信时延方面有较大的优势，正好弥补了高轨卫星网络这一劣势。
针对大量分散分布用户全域覆盖、多路径传输等需求，考虑到单层卫星骨干网络鲁棒性不足和服务能力限制，本文采用多层卫星骨干网络架构。针对用户“一点接入、全网通达”要求，多层卫星骨干网络各可视卫星之间建立星间链路实现互联互通。在卫星网络覆盖性、用户通信时延、网络复杂度等之间作出均衡选择，采用中高轨混合的多层卫星骨干网络架构。
本文提出一种中高轨混合的多层卫星骨干网络架构。为减少多层卫星骨干网络中卫星数量，本文采用如图1所示的“卫星骨干网络/全域用户接入”模型，即将多层卫星骨干网络中的卫星节点既作为卫星骨干网络的服务节点，支持全球高速骨干传输；
又作为全域用户接入的网络服务节点，支持陆海空地面用户和高中低轨天基用户接入。
图1 “卫星骨干网络/全域用户接入”模型
多层卫星骨干网络包括高轨层和中轨层星座(3GEO+3IGSO+24MEO)，如图2所示，具体为：
图2 3GEO+3IGSO+24MEO星座构型
高轨层：由3GEO+3IGSO卫星组成。3颗GEO卫星在GEO轨道面均匀分布，主要为全球中低纬度区域上空用户提供接入；
3颗IGSO卫星为65°倾角的同轨道面均匀分布卫星，主要为全球高纬度区域上空用户提供接入。3颗GEO卫星之间、3颗IGSO卫星之间、可视的GEO与IGSO之间，建立星间链路，保证在轨形成一个互联互通的高轨骨干网络。
中轨层：由24MEO中轨卫星组成。24颗MEO卫星采用Walker(24/3/1)星座，轨道高度20000 km。同轨道面8颗MEO卫星建立星间链路、异轨道面MEO卫星按可见性建立星间链路，保证在轨形成一个互联互通的中轨骨干网络。中轨层主要为低轨用户和地面用户提供接入，对于中轨用户，则根据实际情况选择网络性能更优的高轨层或中轨层星座为其提供接入。
该多层卫星骨干网络架构已在北斗系统建设上有较为成熟的应用，能满足对地多重覆盖的基础上，形成较稳定的传输路径，避免了采用低轨星座带来的系统复杂度以及频繁切换通信链路的弊端。与北斗系统星座架构相比，3颗IGSO卫星采用同轨道面部署，在兼顾两极覆盖的基础上可形成更好的全球覆盖性能，但在全域覆盖性能和通信网络性能等方面还有诸多技术细节仍有待研究。比如：该网络架构是否满足全域覆盖和网络性能的需求？不同轨道层间之间是否需要层间星间链路？接下来将进行详细分析论证。第3节将对该骨干网络架构的覆盖率、可见卫星数等全域覆盖性能进行分析，研究其全域覆盖性能和全域用户多重覆盖能力。第4节将分别对有层间星间链路和无层间星间链路两种架构的路径数、最少跳数、最小时延等网络性能进行对比分析，来说明层间星间链路的存在必要性。
针对“卫星骨干网络/全域用户接入”模型，陆、海、空、天基用户接入多层卫星骨干网络的前提是需要实现全域覆盖。下面从全域覆盖原理和覆盖性能两方面，对该多层卫星骨干网络的全域覆盖性进行研究。
3.1 全域覆盖原理
全域覆盖能力是卫星骨干网络将所需卫星通信资源动态分配到所在位置的能力，具有时间和位置的特征。与地面覆盖性分析不同，全域覆盖性分析将会增加一个维度，可以将36000 km以下天域分为无数个同心球面，当对所有高度的球面进行覆盖性分析之后，便可以得到全域覆盖性。对于卫星网络球面覆盖性分析又可以拆分为单个卫星的覆盖性分析，卫星网络覆盖性是由单个卫星的覆盖性组合而成的。卫星通过搭载的转发器接收或者发送信号，单个卫星覆盖区域是指卫星转发器的覆盖区域，即卫星搭载的转发器可以观测到的区域范围。单颗卫星转发器以一定的辐射角向地球发射信号，信号覆盖区域呈圆锥形。空间用户在收发卫星信号时，一方面要考虑卫星信号辐射角的限制，另一方面要避免地球的遮挡。
单颗卫星的覆盖区域包括卫星转发器信号辐射锥边缘与转发器在地球表面切线之间的辐射区域，和转发器在地球表面两切线之间的辐射区域，如图3所示，S为卫星，Hs为卫星轨道高度。坐标系选择为地心地固(Earth-Centered Earth-Fixed,ECEF)坐标系，设卫星S的坐标为(xs,ys,zs)，卫星S转发器在地球表面的切线SB与卫星和地球球心连线SO的夹角为β，卫星转发器的半辐射角∠DSO为γ，则与卫星信号辐射范围相切的球面高度h为
图3 单颗卫星的覆盖区域
其中，R为地球半径，卫星到地心的距离OS=R+HS，且OD=R+h。
相对于地面用户，空间用户的观测范围有所不同，随着空间用户轨道高度的增加，其能够以一定的负仰角对卫星进行观测，如图4所示，箭头范围表示空间用户U的有效观测范围。在ECEF坐标系中， (xu,yu,zu)为 空间用户U的坐标，Hu为其轨道高度，θ为用户在地球表面的切线与用户和地球球心连线的夹角，则θ可表示为
图4 空间用户的观测范围
3.2 全域覆盖性能
卫星网络的覆盖性能由多颗卫星的覆盖性组合而成，评价卫星网络的覆盖性能通常包括覆盖率、可见卫星数等指标。
覆盖率是指卫星网络对给定轨道高度球面所覆盖的面积与整个轨道球面面积的比值。若卫星网络在运行周期内，0～36000 km轨道高度球面的覆盖率均为100%，则认为该卫星网络具有全域覆盖能力。
可见卫星数是指覆盖区域内的采样点可以观测到的卫星总数。可见卫星数越多，则表示该采样点可接入的卫星越多，覆盖性能越好。
运用式(3)作为卫星可见性的判断条件，对连续空间和时间进行离散采样，计算得出卫星网络的覆盖率和可见卫星数。本文首先对多层卫星骨干网络(3GEO+3IGSO/24MEO)的覆盖率进行计算分析，各轨道星座参数设置如表1所示。
表1 各轨道星座参数
图5 空间用户相对卫星的3种位置
设置GEO和IGSO卫星转发器半辐射角γ= 60◦，MEO卫星转发器半辐射角γ= 45◦，针对高轨层(3GEO+3IGSO)和中轨层(24MEO)、多层(3GEO+3IGSO/24MEO)等3种卫星网络，对0～36000 km整个空域，以1000 km为高度采样步长划分轨道球面，以6°为经纬度采样步长划分空间用户的观测点，以0.5 h为采样步长划分观测时间，计算全天24 h各观测点的卫星可见性，所有可观测点围成的区域为覆盖区，进而求得各轨道球面的覆盖率。因数据量大，表2列举了典型高度和时间的覆盖率。
表2表明：高轨层、中轨层、多层等3种卫星网络的全域覆盖率均为100%。
表2 3种卫星网络的覆盖率(%)
用可见卫星数来衡量3种卫星网络架构的覆盖性能，以1000 km为高度采样步长划分轨道球面，以0.5 h为采样步长划分观测时间，每个球面随机确定空间用户的观测点，分析计算全天24 h不同高度下3种卫星网络可见卫星数的最大值、平均值和最小值，得到一组仿真数据如图6所示。
图6中横坐标为空间用户轨道高度Hu，纵坐标为可见卫星数，其中3条曲线分别表示不同轨道高度的用户对卫星网络可见卫星数的最大值、平均值和最小值。
由图6可知：在地球表面到一定高度之间，可见卫星数的最大值、平均值和最小值都随着空间用户轨道高度的增加而增加，这是由于随着轨道高度增加，因地球遮挡的天球锥体部分减小，使得用户可以以一定的负仰角接收卫星信号，从而使可见卫星数不断增加。当轨道高度到达一定高度时，平均可见卫星数达到最大，高轨层卫星网络在30000 km处达到最大，中轨层卫星网络在16000 km处达到最大，多层卫星骨干网络在16000 km处达到最大。随高度再次增加，可见卫星数最大值、平均值和最小值都开始减少，这是由于卫星转发器对地形成一定的辐射角，用户以正仰角接收的卫星数不断减少，从而使可见卫星数不断减少。
图6 用户轨道高度与可见卫星数的关系
由上述的分析可知，3种卫星网络都能实现全域100%覆盖，但是多层卫星骨干网络可见卫星数的最大值、平均值和最小值优于高轨层和中轨层。多层卫星骨干网络可由高轨层实现全域1层覆盖，再由中轨层实现全域2层覆盖，因此具有更多的可见卫星数，可为用户提供更多的接入路径选择，从而增强网络服务能力、避免网络拥塞，提高卫星网络的鲁棒性和可用度。
4.1 网络性能指标
下面从路径数、最少跳数、最小时延等指标对多层卫星骨干网络性能进行分析比较。
路径数是源节点到目的节点所有可选路径的总量。路径数是评价网络健壮性的指标，路径数越多，网络健壮性越好。
最少跳数是源节点到目的节点所有路径中所含链路的最小值。跳数是评价路径选择的指标，一般最优路径的跳数最少。
最小时延是源节点到目的节点传输时延的最小值。最小时延是评价网络性能的指标，时延越小，网络性能越好。
4.2 网络性能比较
星间链路是实现卫星骨干网络内部互联互通、为用户提供“1点接入、全网通达”的基础。本文将中高轨多层卫星骨干网络分为无层间星间链路网络架构(简称架构1，3GEO+3IGSO-24MEO)和有层间星间链路网络架构(简称架构2，3GEO+3IGSO+24MEO)，通过对路径数、最少跳数、最小时延的比较，从网络性能的角度分析层间星间链路的必要性。
对高轨、中轨、低轨和地面4类用户，存在10种典型应用场景，如表3所示。
表3 典型应用场景
针对每个典型应用场景指定的特定用户对，比较分析路径数和最小时延等指标。具体方法：首先根据3.1节中用户对单颗卫星的可见性判断条件公式，分别计算出各时间段的所有骨干卫星节点以及用户节点之间的可见关系，根据可见即可达的原则，遍历出各时间段内所有的源节点到目的节点的可达传输路径，即可得到各种典型场景下的传输路径数。再根据式(4)、式(5)得出每条传输路径的传输时延，取最小值即为最小时延。
由于在两跳情况下两个用户节点仅仅通过1颗骨干卫星节点连接，无需采用星间链路，故此时架构1和架构2传输路径一致。为了说明层间星间链路存在的必要性，至少需要2颗骨干卫星节点才能进行对比分析，故最少跳数为3跳和4跳的情况下，分别计算10种场景在架构1和架构2的路径数与最小时延。
由图7可知：对于10种场景，架构2的3跳和4跳路径数均多于架构1，中轨与高轨之间的层间星间链路将显著增强网络的健壮性。
图7 2种架构的路径数
由图8可知：在前4种场景中，架构2的3跳和4跳最小时延小于架构1，这是因为有层间星间链路可以减少高轨用户到高轨用户、中轨用户、低轨用户、地面用户的传输路径距离。对于其他场景，由于不含高轨用户，最小时延传输路径均在中轨层，故两种架构的最小时延相同。
图8 2种架构的3跳和4跳最小时延
从路径数、最少跳数、最小时延等分析结果，可得中轨层(24MEO)和高轨层(3GEO+3IGSO)之间建立层间星间链路的必要性，特别是高轨用户接入骨干网时，有层间星间链路的架构性能较优。但对于多层卫星骨干网络，层间星间链路也将增加系统的运行复杂度和工程实现代价。
本文针对陆、海、空、天基全域用户通信需求，提出一种中高轨混合(3GEO+3IGSO/24MEO)的多层卫星骨干网络架构。通过对多层卫星骨干网络的全域覆盖性进行研究分析，可得出本架构在从地表到约36000 km地球同步轨道高度的全域可实现100%覆盖，且能提供多重卫星覆盖；
并且进一步从路径数、最少跳数、最小时延等方面，分析了无层间星间链路和有层间星间链路两种骨干网架构的网络性能，仿真分析结果表明多层卫星骨干网络架构存在层间星间链路的必要性，层间星间链路能够提高多层卫星骨干网络的健壮性，并且能降低用户传输时延，但层间星间链路将增加卫星载荷重量和管理复杂度。