李靖

隨著低軌衛(wèi)星（LEO）星座系統(tǒng)在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)、遙感觀測等行業(yè)的應(yīng)用逐步擴(kuò)大，解決其高效、便捷的數(shù)據(jù)中繼傳輸?shù)膯栴}將變得突出。采用中高軌衛(wèi)星的天基中繼服務(wù)方式是對地基數(shù)據(jù)中繼服務(wù)的一種有效補(bǔ)充方式，本文介紹了現(xiàn)有天基數(shù)據(jù)中繼服務(wù)的若干手段和發(fā)展方向，提出了利用中高軌通信衛(wèi)星來解決低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)中繼的若干設(shè)想和需要解決的關(guān)鍵問題。

LEO衛(wèi)星系統(tǒng)在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)、遙感觀測信息采集等商業(yè)應(yīng)用中具有廣闊的發(fā)展前景。然而，由于低軌衛(wèi)星的軌道較低、覆蓋區(qū)較小的特征，也會帶來諸多的問題。例如，對于低軌通信衛(wèi)星，會帶來全球信關(guān)站布站困難、星間鏈路規(guī)劃復(fù)雜、路徑規(guī)劃時(shí)延較長、網(wǎng)絡(luò)阻塞率增加和系統(tǒng)抗毀能力變?nèi)醯葐栴}。對于遙感、測繪、氣象等方面應(yīng)用的低軌衛(wèi)星，也需要在有地面饋電鏈路連接的時(shí)段，才能將數(shù)據(jù)回傳地面，對海量的數(shù)據(jù)采集需求和更高的實(shí)時(shí)性需求，也逐漸力不從心。

為了解決上述問題，可以使用天基數(shù)據(jù)中繼平臺，為LEO衛(wèi)星提供遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通道，減少星上存儲壓力。目前天基數(shù)傳業(yè)務(wù)主要采用專用中繼衛(wèi)星完成，一般采用較簡單的通信協(xié)議，使用任務(wù)規(guī)劃或簡單輪詢等方式來實(shí)現(xiàn)航天器與中繼衛(wèi)星的鏈路對接。上述方式難以為未來海量的低軌星座系統(tǒng)提供便捷的衛(wèi)星接入服務(wù)。

隨著高通量衛(wèi)星等大容量通信衛(wèi)星系統(tǒng)的建立，衛(wèi)星通信能力得到了成百倍的提升，利用中高軌通信衛(wèi)星作為低軌衛(wèi)星的數(shù)據(jù)中繼支撐成為可能。但為了支持低軌衛(wèi)星的數(shù)據(jù)接入，還需要開展諸如小型化終端、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管控等問題開展研究。

現(xiàn)有的國外天基數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)，仍然以跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRSS）為主力軍。包括美國的以S、Ku＼KA頻段鏈路為主用鏈路的TDRS系統(tǒng)，以及具備光通信鏈路的后續(xù)發(fā)展型；歐洲的以Ka頻段和激光通信鏈路為主用鏈路的ESA中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。上述系統(tǒng)都使用專用天基數(shù)據(jù)中繼頻段，采用專用數(shù)傳中繼鏈路實(shí)現(xiàn)低軌航天器的數(shù)據(jù)中繼。

早在上世紀(jì)90年代，美軍就曾研究嘗試?yán)脟佬l(wèi)星通信系統(tǒng)DSCS III型衛(wèi)星的SHF鏈路作為其TDRSS中繼能力的補(bǔ)充。從2015年開始，有商業(yè)公司開始嘗試使用中高軌通信衛(wèi)星，為低軌衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。2017年，AddValue Technologies公司與Inmarsat聯(lián)合，為LEO衛(wèi)星和運(yùn)載系統(tǒng)提供名為IDRS的數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，LEO衛(wèi)星可搭載其提供的數(shù)據(jù)中繼服務(wù)終端，利用Inmarsat的L頻段信道作為星間中繼鏈路，再利用Inmarsat的饋電鏈路完成數(shù)據(jù)中繼任務(wù)。

2018年，Audacy公司提出要用三顆MEO衛(wèi)星，為LEO衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，并且拿到了FCC的頻率許可；2020年，澳大利亞光電系統(tǒng)公司（EOS）收購Audacy，并在美國組建了一家名為SpaceLink的全資子公司，繼續(xù)開展LEO衛(wèi)星的數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。

我國的天基數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)主要是以移動點(diǎn)波束為主用模式的天鏈一代和具備蜂窩全向上行波束的天鏈二代衛(wèi)星系統(tǒng)為代表，基本采用了基于CCSDS協(xié)議體系，實(shí)現(xiàn)對我國航天器的數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。

在“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)”相關(guān)的課題和工程中，也開展了針對多種軌道衛(wèi)星融合設(shè)計(jì)的研究。在其組網(wǎng)規(guī)劃中，由高軌衛(wèi)星簇組成的“天基骨干網(wǎng)”中部署了數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星（或中繼載荷模塊），具備為其系統(tǒng)內(nèi)的低軌衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)的能力。從整體架構(gòu)上看，其高軌衛(wèi)星提供的數(shù)傳服務(wù)，仍然采用的是按規(guī)劃建鏈的方式，由系統(tǒng)天基接入管控中心配合其他管控中心完成相關(guān)的規(guī)劃和執(zhí)行控制。因此，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中繼方案仍然與傳統(tǒng)方式一種，并沒有規(guī)劃LEO衛(wèi)星按需隨域接入的靈活數(shù)據(jù)中繼應(yīng)用場景。

在商業(yè)數(shù)據(jù)中繼領(lǐng)域，目前國內(nèi)只有航星光網(wǎng)Laser Fleet，從2018年開始，該系統(tǒng)計(jì)劃通過建立低軌星座，以激光鏈路為關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對為平流層飛行器、系留氣球、亞軌道飛船、空間站和微小衛(wèi)星等提供接入服務(wù)。

從目前我國的數(shù)據(jù)中繼體系現(xiàn)狀分析，一方面，中繼衛(wèi)星系統(tǒng)并不具備靈活受理不同應(yīng)用和管理背景的低軌衛(wèi)星的中繼接入的能力，另一方面，我國的商業(yè)天基測控?cái)?shù)據(jù)中繼系統(tǒng)落后于服務(wù)全球的LEO衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)。從國內(nèi)外發(fā)展方向分析，利用現(xiàn)有中高軌的寬帶通信衛(wèi)星，以通信業(yè)務(wù)的方式實(shí)現(xiàn)低軌衛(wèi)星的數(shù)據(jù)接入，是一種能夠廉價(jià)且高效的手段。

中高軌通信衛(wèi)星具備了以下能力特征，能夠?yàn)長EO衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。

（一）帶寬服務(wù)能力提升

目前，中高軌衛(wèi)星的高通量發(fā)展趨勢明顯，隨著高通量衛(wèi)星不斷擴(kuò)容，在短期已經(jīng)產(chǎn)生了供給過剩的情況，數(shù)據(jù)服務(wù)價(jià)格處于下降通道，因此能夠有足夠的帶寬服務(wù)于低軌衛(wèi)星的數(shù)據(jù)中繼業(yè)務(wù)。

（二）創(chuàng)新技術(shù)能力增強(qiáng)

新一代的中高軌通信衛(wèi)星，特別是高通量衛(wèi)星，普遍采用了多點(diǎn)波束、頻率復(fù)用、增益集中等技術(shù)，最新的系統(tǒng)還使用了如相控陣波束成形，星上數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，使通信系統(tǒng)根據(jù)用戶終端需求的來調(diào)配資源的靈活度大大增加，能夠在通信系統(tǒng)中統(tǒng)一規(guī)劃兼容更多的用戶應(yīng)用，使低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)中繼服務(wù)能夠平滑的加入到通信系統(tǒng)中來。

（三）頻率資源豐富

針對未來海量的商業(yè)低軌衛(wèi)星的數(shù)據(jù)中繼業(yè)務(wù)，若仍采用在天基數(shù)據(jù)中繼頻段（25.5～27GHz），其頻率協(xié)調(diào)難度將大大增加。對于希望提供天基數(shù)據(jù)中繼服務(wù)的商業(yè)公司，除了采用復(fù)雜度較高的激光通信等方式，微波通信的頻率協(xié)調(diào)工作幾乎是不可能完成的。

如果采用已完成國際電聯(lián)申報(bào)并通過審核的中高軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的通信頻段，則能夠完全不受頻率資源的限制。只要低軌衛(wèi)星搭載的通信終端也滿足衛(wèi)星通信系統(tǒng)申報(bào)的終端頻段、功率譜密度、天線輻射方向性的要求，即可使用。

（一）通信體制和終端設(shè)計(jì)

中高軌寬帶通信衛(wèi)星的EIRP和G/T值較高，其系統(tǒng)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)小型終端（如0.4m等效口徑，5W功放）的上行業(yè)務(wù)帶寬支撐能力能最高夠達(dá)到十幾兆水平。對于在低軌衛(wèi)星上搭載的星載用戶終端，體積和重量相對受限，因此需要根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)指標(biāo)和終端要求，設(shè)計(jì)通信終端的功放和天線尺寸指標(biāo)。

LEO衛(wèi)星的運(yùn)行速度比一般終端的運(yùn)動速度高，可達(dá)20多馬赫，因此與中高軌衛(wèi)星的相對速度（加速度相對不高）最高可造成幾百KHz的多普勒頻偏。因此，需要對其使用的中高軌衛(wèi)星的通信體制開展分析，通過鏈路計(jì)算分析，使其終端能夠傳輸滿足耐受最大的多普勒頻譜頻偏的業(yè)務(wù)速率的數(shù)據(jù)信息。此外，還可以設(shè)計(jì)專用業(yè)務(wù)波形在專用載波中支撐低軌衛(wèi)星的數(shù)傳應(yīng)用。

LEO衛(wèi)星搭載的通信終端的天線波束指向應(yīng)能夠連續(xù)掃描，從而滿足低軌衛(wèi)星姿態(tài)的變化導(dǎo)致對中高軌衛(wèi)星指向的改變。從目前的發(fā)展趨勢來看，采用相控陣天線波束合成技術(shù)是未來的發(fā)展方向，但其波束指向范圍較傳統(tǒng)伺服機(jī)構(gòu)的天線仍有較大差距，因此需要根據(jù)中高軌衛(wèi)星的覆蓋情況綜合判斷終端的天線的種類和指標(biāo)要求。對于天線跟蹤問題。由于LEO衛(wèi)星運(yùn)行環(huán)境相對地面終端平穩(wěn)，因此其加速度調(diào)整要求不高，通信終端采用開環(huán)跟蹤的方式，即利用本星姿態(tài)和軌道位置以及中高軌衛(wèi)星的精確星歷信息，就可以基本滿足信號跟蹤要求。

（二）LEO衛(wèi)星終端的移動性管理

LEO衛(wèi)星作為終端用戶，需要解決其移動性管理問題，該問題與中高軌衛(wèi)星系統(tǒng)支持機(jī)載終端的移動性管理問題類似，但由于其高速特性，還需要在切換控制等方面做進(jìn)一步優(yōu)化。

對于按波束區(qū)劃分信關(guān)站的高通量衛(wèi)星來說，主要需要考慮其在跨越波束交疊區(qū)時(shí)的切換時(shí)延和成功率，以及在切換不同信關(guān)站管理的波束時(shí)，其業(yè)務(wù)的對于地面網(wǎng)絡(luò)的IP承載的移動管理問題。

對于LEO衛(wèi)星終端，其特征是軌道的確定性，因此，在跨波束切換問題上，可采取一定的預(yù)規(guī)劃方式來輔助切換。提供中繼業(yè)務(wù)服務(wù)的中高軌系統(tǒng)應(yīng)可以根據(jù)其搭載終端的屬性信息，得到其所在LEO衛(wèi)星的星歷和實(shí)際軌道信息，再根據(jù)本系統(tǒng)波束覆蓋區(qū)信息，確定該衛(wèi)星的下個(gè)切換時(shí)刻，在規(guī)定的時(shí)刻直接向其發(fā)送切換指令，完成切換控制過程。

由于LEO衛(wèi)星運(yùn)行路徑長，在其跨越不同信關(guān)站管理的波束時(shí)，可能會出現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)該衛(wèi)星的數(shù)據(jù)的地面信關(guān)站發(fā)生切換，導(dǎo)致網(wǎng)關(guān)IP地址需要的切換的問題。該問題可以采用地面移動通信系統(tǒng)常用的IP數(shù)據(jù)隧道或移動IPv6等技術(shù)解決，或采用信關(guān)站間的地面專用數(shù)據(jù)通道完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的方式完成不間斷的數(shù)據(jù)交互。

（三）衛(wèi)星資源管理和QoS保障

系統(tǒng)為LEO衛(wèi)星終端的數(shù)據(jù)中繼業(yè)務(wù)分配無線資源時(shí)，需要考慮其應(yīng)用的特殊性，應(yīng)可以靈活選擇多種資源分LEO配的方式，滿足不同QoS需求的數(shù)據(jù)中繼業(yè)務(wù)傳輸。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中繼業(yè)務(wù)是典型的電路域分配方式，即使采用多種復(fù)用方式，其無線資源基本是不可調(diào)整的；而較新的基于移動通信體制或?qū)拵Ф嗝襟w衛(wèi)星通信體制（BMS）的系統(tǒng)，則以分組域?yàn)橹饕Y源管理方式。

對于LEO衛(wèi)星終端的數(shù)據(jù)中繼業(yè)務(wù)，既有突發(fā)的信令信息，也有大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)回傳業(yè)務(wù)。為了滿足不同等級中繼數(shù)據(jù)的傳輸需求，可在多個(gè)資源層面上采取措施，實(shí)現(xiàn)不同的QoS保障需求。

1. 波束層面獨(dú)享

對于最高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)中繼業(yè)務(wù)，一些具備移動點(diǎn)波束的中高軌系統(tǒng)，可調(diào)配點(diǎn)波束資源，由該低軌衛(wèi)星獨(dú)占，完成全程的波束跟蹤服務(wù)，提供無線專線服務(wù)質(zhì)量。

2. 資源塊層面獨(dú)享

可以采用固定分配資源塊的方式，如FMDA信息，分配固定頻段；TDMA系統(tǒng)，分配時(shí)隙，MF-TDMA系統(tǒng)分配固定時(shí)頻塊，該無線資源由其獨(dú)占，即提供虛擬電路域的服務(wù)質(zhì)量。

3. 分組數(shù)據(jù)共享

根據(jù)終端用戶的前返向數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)緩存，動態(tài)向系統(tǒng)申請無線資源根據(jù)其數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的優(yōu)先等級，由系統(tǒng)無線資源管理單元完成對其業(yè)務(wù)的動態(tài)無線資源塊的分配管理。

因此，系統(tǒng)應(yīng)具備多級的QoS保障和資源分配的管理策略，滿足不同數(shù)據(jù)中繼業(yè)務(wù)的傳輸需求。

從天基數(shù)據(jù)中繼的發(fā)展方向上來看，對于日益增長的LEO衛(wèi)星的數(shù)據(jù)中繼需求，采用高通量等中高軌通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中繼，是對現(xiàn)有數(shù)傳業(yè)務(wù)服務(wù)非常有益的補(bǔ)充，且非常適合中繼業(yè)務(wù)的商業(yè)推廣。

為了實(shí)現(xiàn)中高軌通信衛(wèi)星為低軌衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，還需要在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的波形體制、終端設(shè)計(jì)、系統(tǒng)管控方式等多方面做多種優(yōu)化改進(jìn)。本文分析了主要的關(guān)鍵問題和技術(shù)，為后續(xù)研究和開發(fā)工作打下了基礎(chǔ)。下一步工作，將對低軌衛(wèi)星的快速接入、便捷切換等算法做深入研究和仿真，在切換時(shí)延、成功率等指標(biāo)上進(jìn)行各種方法的比較和驗(yàn)證。

作者單位：天津七一二通信廣播股份有限公司 北京研發(fā)中心