“星间链路”是卫星通信服务全球通信关键技术

IoT 1年前 (2023) admin
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背景

近年来,在具备宽带、大容量、低延迟和全球覆盖等特色的低轨通信星座的推动下,星间链路成为研究热点。当前,Starlink、LeoSat、Telesat、Iridium NEXT、O3b、OneWeb和Globalstar等中低轨道星座项目的发展势头正盛,根据预测到2020年高通量卫星的通信容量将达到近5Tbps,随着宽带大容量通信星座的建成,通信能力将增加到40Tbps以上。在这些星座中,美国的Starlink星座将采用激光星间链路实现空间组网,达到网络优化管理以及服务连续性的目标;LeoSat星座也将采用激光星间链路建立一个空间激光骨干网;加拿大的Telesat星座亦计划设置激光星间链路;而美国的Iridium NEXT星座则设置了Ka频段星间链路。按照目前公布的资料来看,O3b、OneWeb和Globalstar星座未设置星间链路。

星间链路是指卫星之间建立的通信链路,也称为星际链路或交叉链路。通过星间链路实现卫星之间的信息传输和交换,多颗卫星可以互联在一起,成为一个以卫星作为交换节点的空间通信网络,降低卫星通信系统对地面网络的依赖。凭借星间链路的优势,通信系统可以减少地面信关站的设置数量、扩大覆盖区域、实现全球测控等,而且信号在星间链路传输时可有效避免大气和降雨导致的衰减,形成相对独立的通信星座系统或数据中继系统。
卫星通信系统中,卫星有两种通信链路。一种是空间-地球链路,另一种是空间-空间链路。在空间-空间链路上,通过光通信可实现大容量数据传输。但对于空间-地球链路来说,由于无线电波要穿过大气层,加之雨衰因素,大容量通信不易实现。通过采用比Ka更高的波段可实现通过无线电波的大容量通信。
星间链路的引入,使得低轨卫星移动通信系统能够更少地依赖于地面网络,从而使低轨卫星移动通信系统能够更为灵活方便地进行路由选择和网络管理;同时也减少了地面信关的数目,从而可大大降低地面段的复杂度和投资。为满足卫星移动通信系统大业务量,星际链路势必采用较高的工作频段或采用激光星际链路。


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对每个规划时段内的网络节点可见性计算、拓扑规划、路由规划进行设置和计算。

(1)可见性计算:根据网络节点卫星轨道参数和地面站坐标, 开展节点可见性计算, 分别得出运控、测控和星间链路地面站的卫星节点可见性以及卫星的星间可见性。

(2)拓扑规划:选用星地链路类型II的星地数据交互方式, 开展网络节点拓扑关系计算, 得出网络30个卫星节点和6 个星间链路地面站节点建链关系。

(3)路由规划:以最短时延路由规划策略开展网络节点路由关系计算, 得出进行全部节点之间的路由规划


建立星间链路的意义


在卫星通信系统中,通过建立星间链路,使得整个卫星通信系统有如下意义:

1、扩大了系统的覆盖范围;

2、减少传输时延,满足多媒体实时业务的QoS要求;

3、可以独立组网,卫星网不依赖于地面网提供通信业务,作为地面网的备份;

4、可以在一定程度上解决地面蜂窝网的漫游问题。


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星间链路的组成


星间链路包括四个子系统:接收机、发射机、捕获跟踪子系统以及天线子系统。

1、接收机:完成对接收信号的放大、变频、检测、解调和译码等,提供星间链路与卫星下行链路之间的接口。

2、发射机:负责从卫星的上行链路中选择需要在星间链路上传输的信号,完成编码、调制、变频和放大。

3、捕获跟踪子系统:负责使星间链路两端的天线互相对准(捕获),并使指向误差控制在一定的误差范围以内(跟踪)

4、天线子系统:负责在星间链路收发电磁波信号。


星间链路的种类


1、同种轨道类型的星间链路

GEO/GEO,LEO/LEO,MEO/MEO,HEO/HEO之间链路;


2、不同轨道类型的星间链路

GEO/LEO,MEO/LEO,GEO/MEO,GEO/HEO之间链路

同轨道面星间和异轨道面星间链路


3、星间链路的传输介质,微波、毫米波和激光。

星间链路使用的频段如图1所示。

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▲图1 星间链路使用的频段


星间链路的几何特性


如图2所示,描述星间链路几何特性的方位角和仰角是相对于卫星本体星间链路指向的变化情况。预先估计邻近卫星星间链路指向的变化情况,就可以设计最优化的搜索方案,减少星间链路建立的时间。

星间链路建立以后的星间距离大小与变化范围。星间距离的变化情况不但对星间通信的功率大小提出了基本要求,而且也对功率变化动态范围提出了技术指标。


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图2 星间链路的几何特性


在LEO或MEO卫星星座通信系统中,具有星间链路的两颗卫星之间,方位角、仰角和星间距离一般随时间而变化,方位角和仰角的变化要求星载天线具有自动跟踪能力,链路距离的变化要求天线的发射功率具有自动功率控制。

不同星座星间链路建立的难易程度与方位角、仰角和星间距离的动态变化范围、变化速率有关。


相同轨道高度卫星之间的星间链路

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图3 相同轨道高度卫星之间的星间链路


如图3所示,EA和EB分别为卫星A和B的仰角,是星间链路与卫星所在点的天线切面之间的夹角。


两颗卫星建立星间链路,其位置必须满足如下条件:


(Re+h)cos(alpha/2)>=Re+Hp (1)


其中h为卫星高度,Hp为余隙(星间链路与地球表面的距离),Re为地球半径。


不同轨道高度卫星之间的星间链路

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图4 不同轨道高度卫星之间的星间链路


如图4所示,hA是卫星A的轨道高度,hB是卫星B的轨道高度,且假定hA<hB;alpha是两卫星所夹地心角;EA和EB分别为卫星A和B的仰角。卫星的仰角满足关系式:EA=-EB-alpha (2)


最小余隙对应着最大星间地心角alpha(max)。当alpha<alpha(max)时,两卫星之间能够建立星间链路,反之则不能建立链路。


星间链路需要解决的问题


星间链路的指向变化:


指向变化可能导致背景噪声温度的动态变化,且变化幅度可能较大,需要研究星间链路天线指向控制技术,天线指向捕获困难,指向误差会降低天线增益。

星间链路子网络信息交换的路由选择。


星间激光链路的PAT。

星间链路频率规划星间链路除按照轨道划分外,还可以按照工作频率分为微波链路(Ka频段)、毫米波链路(部分Ka频段和Q/V频段等)、太赫兹链路(太赫兹频段)和激光链路等。星间链路可采用的频率规划如表所示;从通信速率方面可分为窄带低速链路和宽带大容量链路等。

种类

频率或波长范围

备注

微波

22.55~23.55 GHz

可用带宽1000 MHz

24.45~24.75 GHz(1区3区)

可用带宽300 MHz


25.25~27.50 GHz

可用带宽2250 MHz


毫米波

32~33 GHz

可用带宽1000 MHz

54.25~58.20 GHz

可用带宽3950 MHz


59~64 GHz

可用带宽5000 MHz


65~71 GHz

可用带宽6000 MHz


116~134 GHz

可用带宽18000 MHz


170~182 GHz

可用带宽12000 MHz


185~190 GHz

可用带宽5000 MHz


太赫兹波

0.3~30 THz

待规划

激光

10.6μm

CO2 激光器

1.06 μm

Nd:YAG 激光器


0.532μm

Nd:YAG 激光器


0.8~0.9 μm

AlGaAs 激光器


星间微波/毫米波链路具有技术相对成熟,可靠性较高,波束相对较宽,跟瞄捕获容易等优势。星间激光链路的优势在于频带较宽,可以增加链路通信容量;设备功耗、质量、体积较小;波束发散角较小,具有良好的抗干扰和抗截获性能,系统安全性高。但星间激光链路相应的主要缺点是因波束窄而导致瞄准、捕获、跟踪(PAT)系统复杂,因此PAT技术是激光星间链路的关键技术之一。

星间太赫兹链路介于毫米波和远红外波之间,因此太赫兹链路可兼具毫米波通信和激光通信的优势。相对于毫米波通信而言,星间太赫兹链路通信容量更大,可达10Gbps以上的传输速率;波束比毫米波更窄,方向性更好;太赫兹波可被大气层吸收,具有更好的保密性;设备质量和体积等比毫米波设备更小。与激光链路相比,太赫兹波通信比光通信的能量效率更高;太赫兹波比激光具有更好的穿透沙尘烟雾的能力,在恶劣天气下比激光通信具有一定优势

星间链路网络规划功能具体由星间链路管控中心计算机系统的网络配置管控单元、软件库单元协同实现星间链路网络规划功能。各个网络规划算法软件和评估软件分别作为独立开发的程序模块, 以动态链接库的形式封装, 以软件库的形式集成存在, 供上层网络配置管控单元统一调用和管理。星间链路网络规划流程如图1所示。


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图 1 星间链路网络规划相关功能模块接口流程关系


步骤一: 基于星间链路管控中心计算机系统的其他功能单元输入的用户需求、服务模式场景等信息, 网络配置管控单元生成运行场景状态信息。


步骤二: 网络配置管控单元向软件库单元提供运行场景状态信息, 选择调用运行软件库单元中的某组拓扑、路由、数据接入网络规划算法软件, 分别计算相应的网络规划参数, 并输出给网络配置管控单元。


步骤三: 网络配置管控单元选定评估方式, 参数正确性快速评估、业务服务性能评估可选择其一或者依次使用, 基于输入的运行场景状态信息和网络规划参数, 调用运行软件库单元中的网络规划评估软件, 并向网络配置管控单元输出测评结果。


步骤四: 若网络规划结果通过测评, 网络配置管控单元向中心计算机系统的其他功能单元输出规划结果; 若未通过评估, 继续调用软件库单元中的其他星间链路网络规划算法软件从步骤二起重复以上步骤直至通过测评并对外输出。


星间链路测试评估平台,系统架构如图2所示。由于测试评估平台直接作用对象为可见卫星,故图2未示意被测卫星,星间链路控制管理中心利用TT&C链路完成对可见与不可见卫星星间链路建链的规划配置,并将卫星的相应回执配置传送至测试评估平台系统监控软件;系统监控软件负责完成对星间链路测试评估系统平台的监视与控制,将相应的业务数据传送至星间链路测试评估软件,便于该软件利用相应的分析评估设备完成相应指标测量,系统监控软件还控制相应的基带设备和收发信道,完成对可见卫星信号的接收;星间链路测试评估软件完成对被测卫星接收性能、发射信号性能、测量性能等指标的测量,并结合对应的分析评估设备完成对卫星当前性能的分析评估。


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图2 星间链路测试评估系统平台框架图


星间链路可见节点卫星与被测卫星间的信号收发关系如图3所示,利用卫星星间链路双向通信和测量的特点,将被测卫星的相关接收参数以数据形式返回给可见节点卫星,并利用节点卫星发送测试信号,协助测量;被测卫星的发射参数则是利用节点卫星完成对其信号接收并处理等到相应测量结果,节点卫星对信号采样,使用相关数字信号处理手段,完成对信号的频域、时域、调制域和相关域的分析;对于卫星的测量性能则可以通过卫星双方进行双向测量,得到双方的测距值,再结合星历参数计算得到的测距理论值,得到相应的测量性能评估结果。详细的测试评估方法与工作流程将在下一节阐述。



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图3 可见卫星与被测卫星间信号收发关系


利用星间链路管控中心计算机系统中的网络规划业务服务性能评估软件, 与网络配置管控单元、网络规划算法软件协同完成网络规划业务服务性能仿真评估。业务服务性能评估软件基于网络规划算法软件生成的网络规划参数驱动以及业务发生模型产生的业务数据接入, 在由运行场景、网络架构、节点数据和网络协议模型综合形成的网络行为模型中, 进行完整周期内数据传输和处理的加速仿真, 通过计算并统计节点建链测量数量和数据包网络传输性能, 根据业务服务评估模型比对业务服务指标, 完成基于网络拓扑、路由规划业务服务性能仿真的自动化评估(图2)。


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图 2 星间链路网络规划业务服务性能评估方法

2  星间链路分类

        星间链路按照卫星所在轨道可分为同类型轨道(如GEO-GEO、LEO-LEO等)卫星间的星间链路和不同类型轨道(LEO-GEO等)卫星间的星间链路。从卫星所在轨道面还可分为同轨道面内卫星间的星间链路以及异轨道面内卫星间的星间链路。以Iridium星座为例,每颗卫星有4条LEO-LEO星间链路,其中2条是与同轨道面的相邻卫星建立相对固定的星间链路(即图2中1号卫星与2、3号卫星之间为同轨道面星际链路),另有2条是与邻近异轨道面的2颗卫星建立的可动波束星间链路(即图2中1号卫星与4、5号卫星之间为异轨道面星际链路)。由于卫星星间链路设置的限制,1号卫星与相邻异轨道面上的6号和7号卫星之间并没有星际链路,从而降低星间链路设计的复杂度。

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图2  Iridium系统星间链路示意图


        值得一提的是,由于同轨道面卫星之间的位置关系是固定的,因此这类星际链路比较容易保持。但异轨道面卫星之间的相对位置关系(如链路距离、链路方位角和链路俯仰角等)是时变的,不仅星际链路天线需要有一定的跟踪能力,而且星际链路也很难维持,以铱星系统为例,约每250秒就需要切换一次。

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        星间链路除按照轨道划分外,还可以按照工作频率分为微波链路(Ka频段)、毫米波链路(部分Ka频段和Q/V频段等)、太赫兹链路(太赫兹频段)和激光链路等,星间链路可采用的频率规划如表1所示;从通信速率方面可分为窄带低速链路和宽带大容量链路等。

        表1  星间链路频率规划

“星间链路”是卫星通信服务全球通信关键技术        星间微波/毫米波链路具有技术相对成熟,可靠性较高,波束相对较宽,跟瞄捕获容易等优势。星间激光链路的优势在于频带较宽,可以增加链路通信容量;设备功耗、质量、体积较小;波束发散角较小,具有良好的抗干扰和抗截获性能,系统安全性高。但星间激光链路相应的主要缺点是因波束窄而导致瞄准、捕获、跟踪(PAT)系统复杂,因此PAT技术是激光星间链路的关键技术之一。

        星间太赫兹链路介于毫米波和远红外波之间,因此太赫兹链路可兼具毫米波通信和激光通信的优势。相对于毫米波通信而言,星间太赫兹链路通信容量更大,可达10Gbps以上的传输速率;波束比毫米波更窄,方向性更好;太赫兹波可被大气层吸收,具有更好的保密性;设备质量和体积等比毫米波设备更小。与激光链路相比,太赫兹波通信比光通信的能量效率更高;太赫兹波比激光具有更好的穿透沙尘烟雾的能力,在恶劣天气下比激光通信具有一定优势。

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3  星间链路可能存在的问题

        目前正在建设和设计的低轨通信星座,对是否设置星间链路采取了不同的方案,O3b和OneWeb星座不设置星间链路,而Starlink、LeoSat和Telesat等星座选择采用激光星间链路,Iridium星座则采用Ka频段星间链路。但是设置星间链路会使星座的设计难度增大,卫星的技术复杂程度提高,星上路由选择等技术问题也相应产生。下面针对星间链路使用中可能存在的问题进行梳理:

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(1)频率资源稀缺受限。星间链路可用的微波频率资源固定且有限,难以同时满足多个大规模星座的宽带星间链路使用;毫米波频段的频率资源较为丰富,但是目前该频段的星载设备研制较为困难,产品的成熟度较低;而激光链路虽然带宽较宽,但其受空间光照等因素影响较大,使激光链路的可用度降低。通信频率和卫星轨位资源是星座设计的前提条件,是必须优先解决的问题。

(2)路由选择问题。对于规模较大的星座,星间链路的路由选择注定将是一个极其复杂的问题,加之低轨卫星的相对位置时刻在变化,因此需要及时更新路由表。若由星上完成该工作则极大地增大了卫星的复杂程度和研制难度,同时降低了卫星对技术升级更新的适应性;若由地面完成路由分配再上传至卫星,则增大了星座对地面系统的依赖。另一方面,如果路由选择不是最佳方案的话,则数据在星座中被传来传去,使得信号延时明显增加,降低了低轨星座在延时方面的优势。因此作者认为路由选择是目前低轨星座星间链路设计中最核心的问题之一。

(3)数据监管问题。既然通过星间链路可以在大气层外编制一张通信网络,那么通信数据的来龙去脉该如何监管,如何确保数据精准到达目的地而不被“窃取”,如何精确掌握业务信息的传输方式,亦是一个需要高度重视的问题。

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 (4)星间链路设计复杂及链路干扰问题。同轨道面内的卫星建立星间链路相对固定,但是异轨道面的卫星甚至不同类型轨道卫星之间建立起星间链路较为复杂,需要解决链路设置数目、综合覆盖范围、建链方向角度、链路距离以及链路切换频度等问题。星间链路工作时还需要避免与其他星间链路或星地链路产生相互干扰,以免导致各方的通信链路均受影响。

(5)星间链路天线的限制。星间链路的天线或激光终端需要复杂的捕捉、跟踪、瞄准伺服机构和控制器,从而实现星间链路的及时建立和切换。但在低轨的较小卫星平台上较难以同时安装多副星间链路天线或终端,这就限制了单颗卫星星间链路的设置。虽然可以选择相控阵天线,但问题在于这类天线的昂贵费用和使用寿命等因素,限制了大规模构建星座的实际使用价值。

(6)背景噪声控制问题。星间链路天线的指向范围变化较大,这就导致星间天线/终端的背景噪声温度动态变化,且变化幅度较大,进而影响星间链路的正常通信,若天线指向控制不当或者门限设置不当的话,要么导致通信阻断,要么引起链路自激。


4  星间链路使用建议

星间链路虽然存在上述可能出现的问题,但由于适合于不便全球布置地面信关站的中低轨星座;而且星间链路的抗毁性强,可以不依赖地面独立组网通信,通过星座能扩大通信系统的覆盖范围,还能在一定程度上解决地面蜂窝网的漫游问题。因此,星间链路仍受到重视及应用。且凭借其通信和测控等方面的技术优势,通过合理设计和使用,可以充分发挥其潜力。

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为更好发挥星间链路的作用,对星间链路的建设和使用提出如下建议:

(1)建议积极开拓新的工作频段,研制新频段相应的星载设备,包括天线、转发器以及星上处理器等。目前来看,Q/V频段(40/60GHz)和激光载荷设备近期内将成熟并可投入使用,有助于改善目前严重依赖Ka频段而造成的频率资源紧张和链路干扰问题。

(2)建议充分利用现有频率资源,深度进行星间链路“波束-时间-空间”统筹规划,各星座星间链路的波束指向按照时间和空间进行备案统筹管理,使相同频率可以被尽可能多的星间链路按“时分空分”方式综合复用,尽量避免同频同指向的干扰问题。

(3)因为低轨星座的路由设计不同于GEO轨道卫星网络,也不同于地面通信网络,建议重点优化星座网络拓扑结构,加强路由选择设计和数据监管研究,克服网络大尺度、动态拓扑、节点关系复杂、业务种类丰富等问题,实现适用于低轨卫星星座的路由与交换方案。

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(4)建议限定使用星间链路,避免卫星间随意建立星间链路,而只与临近的卫星建立星间链路,使用转动受限的可动波束,甚至使用固定波束来建立星间链路,通过限定使用星间链路实现整个星座的最优设计,降低卫星星间链路天线APT机构的复杂度,并可避免背景噪声的大幅波动。

(5)建议采用LEO/GEO中继型星间链路方式,由LEO卫星通过星间链路与GEO卫星建立中继关系,再通过GEO卫星向中低纬度区域进行数据覆盖传输,实现LEO卫星在地面站视场外的通信服务,而LEO卫星侧重负责高纬度地区的通信工作。


星间链路优势及面临挑战


星间链路主要的功能是解决对无关口站部署区域的通信与覆盖问题,因为能否建站需要综合考虑地形地貌、降雨量、国家区域等诸多因素。星间链路可解耦卫星的用户侧与馈电侧,优化关口站的部署。如仅在部分区域布站便可实现面向全球的服务,亦或是在雨衰等较小区域布站。



优势

01全球服务能力


以Starlink一期系统的第一阶段1584颗星为例,说明星间链路对于网络服务能力的提升。如Starlink星座通过星间链路+美国区域部署的26个Ka关口站即可提供全球(实际上仅南北纬60度内)互联网接入服务。


通过星间链路可实现面向全球区域的卫星互联网服务,前述对美国纽约到西雅图的端到端往返时延RTT进行了分析,本部分做进一步的延拓。进一步分析面向全球分布的站到端业务往返时延RTT,以前向链路为研究场景,分析站到端的往返时延RTT,如图7所示:


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图7 Starlink星座一期第一阶段1584颗星场景下站到端往返时延RTT


图7表明在Starlink星座通过星间链路可实现面向全球南北纬60度以内的接入服务,由于26个关口站部署于美国区域,相应的在美国区域附近的站到端往返时延RTT较小,基本可实现20ms以内。其他区域的站到端业务往返时延RTT较大,在20-160ms之间波动。同时可看出,Starlink星座对同一纬度线上(东西向业务流)的服务时延较小,这是由于其采用了倾斜轨道星座+星间链的缘故,仍是主要考虑到全球在北纬15-45度之间业务需求最大的因素。相比而言,在经度线上(南北方向业务流)则服务较差,需经历较多的星间路由跳数与较大的传播距离,该问题将在Starlink后续规划星座中进行解决。


优势02关口站和业务服务区解耦


此外,通过星间链路可实现跨星更大跨度的业务传输,也就使得关口站的部署更为方便,如可更合理的规避雨衰较重的区域。雨衰对于高频段链路影响非常大,对于Starlink所规划的Ka频段28.5GHz、1%雨衰可用度情况下,全球雨衰较严重区域可达17dB,全球雨衰如下图所示:


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图8 Ka频段28.5GHz载频、1%雨衰可用度下

全球的雨衰值(dB)


上图可看出,在赤道及低纬度区域降雨对卫星链路有较严重影响。值得注意的是,此处也基本上是人口较为密集的地方,潜在业务需求较大。在网络具备星间链路的情况下,则可在合适地方部署关口站实现服务区域的拓展。例如以我国为例,在东南沿海区域人口密集且经济发展程度高,潜在业务需求较大,然而在上海部署关口站则需提供至少12dB的链路余量,相比而言如果在中部或西部区域部署则可显著降低此开销。


问题01星间链路动态指向与跟踪问题


Starlink星座所规划的第一阶段1584颗星是典型的Walker倾斜轨道星座,每颗星具备四条星间链路,同轨道面前后相连+异轨道面左右相连。Starlink星座同轨道面星间链路相对位置基本不变,异轨道面星间链路相对位置则随时间变化,对同轨道和异轨道星间链路的方位角、俯仰角、距离(Azimuth,Elevation, Range, AER)进行分析,可如图9和图10所示:


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图9 Starlink星座第一阶段1584颗星场景下同轨道面星间链ISL的AER及变化率


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图10 Starlink星座第一阶段1584颗星场景下异轨道面星间链ISL的AER及变化率


可看出,同轨道面星间链路的相对空间位置固定不变,而异轨道面间星间链路相对空间位置随时间变化。对于异轨道星间链路,链路方位角最大变化率约为0.07deg/s,角度的变化还是比较小的(略低于Oneweb星座异轨道面间星间链路方位角最大变化率0.1deg/s)。然而如何在功率受限、平台抖动、相对运动等约束下,支持星间链路动态指向与跟踪以实现可靠与高速的星间传输,是当前很多星座的瓶颈所在。


问题02星间动态组网路由协议设计问题


面向星间网络组网需求,网络协议的设计与部署是关键问题。实现长距离端到端数据传输需要网络路由协议的支撑,为数据寻找高效的传输路径。针对Starlink大规模星间网络组网,需要考虑以下几个因素:

1动态路由产生较大的网络开销


动态路由协议能够迅速感知网络拓扑的变化,及时重新查找路径,对数据进行重路由,减少丢包。动态路由协议的运行会产生协议包在卫星节点间的交互,当网络规模较大、节点数较多时,协议包的数量会倍数增加,产生较大的网络开销,占用网络资源。地面传统的OSPF、AODV等路由协议具有频繁的协议包交互,运行在此类网络中会出现上述问题。不同于地面自组织网络,星间网络的星座运行具有规律性和可预测性,星间拓扑比较固定,静态路由运用在星间网络具有一定的优势,但无法有效感知网络故障。因此,静态路由与动态路由如何折中或融合,需要考虑。

2大规模网络的路由收敛时间


路由收敛时间指网络拓扑变化后全网路由重新建立的时间,在路由收敛时间内,对于无存储转发功能的卫星,数据包将会被丢弃。在动态路由协议中,通常通过链路探测与链路状态信息在全网中的洪泛获取网络拓扑,重新建立路由。路由收敛的时间则主要由链路探测的时间、全网洪泛时间以及路由算法计算时间组成。Starlink星座为网格状拓扑,网络规模较大,局部网络故障或链路中断引发的全网洪泛需要多长时间需要分析,如何减小局部动荡引发的全网动荡是需要考虑的问题。

3路由协议的集中式或分布式部署


分布式路由指卫星节点之间通过链路状态信息、拓扑消息等的扩散获知网络拓扑,每个节点存储相关信息并自行计算路由计算。集中式路由指由统一节点收集网络状态信息,根据全网拓扑计算路由,并将路由信息上注卫星节点,卫星节点只负责数据的处理和转发。分布式路由中卫星具有自主计算能力,不依赖统一的控制设备,不存在单点故障,也不存在与地面控制设备的星地瓶颈链路与安全性问题;但对卫星的存储计算能力要求高,对大规模网络,故障恢复网络开销较大且较慢,网络中的每个节点需运行统一路由协议,要求协议采用统一标准,不易更新维护,集中式路由与之相反。如何结合集中式与分布式路由的优缺点,设计优化的路由,是需要考虑的问题。


此外,路由协议的设计还应针对星座的应用需求,考虑负载均衡、QoS要求等。

总结与展望


本文对Starlink星座为研究对象,对最新的在轨分布和网络覆盖时延性能进行分析,并指明星间链路动态变化特性及动态组网路由设计问题。形成如下结论:


(1)分析当前在轨538颗Starlink卫星的在轨分布及变轨过程,整体星座运行和变轨与先前规律基本一致,也表明了卫星平台自主控制能力较成熟;覆盖和时延方面均有显著提升,以美国境内端到端业务可通信时间占比由59%提升至77.6%。


(2)分析了Starlink星座第一阶段1584颗星星间链路的变化情况,同轨和异轨面间星间链路相对变化率较慢,方位角基本在0.07deg/s内;对于全球南北纬60度区域,可提供站到端的业务往返时延RTT在20-160ms之间,通过在其他区域合理布站可显著降低此时延。


(3)分析了Starlink星座星间组网动态路由的考虑因素,并阐明了未来星间组网的动静态路由结合、集中式与分布式结合发展趋势,为大规模星间组网及动态路由提出设计思路。


(4)对SpaceTrack中公布的Starlink卫星TLE数据分析过程中发现,部分TLE条目在发射编号、运行周期等数据上有错误,而该TLE数据错误是如何发生的,留待后来关心者考察之,我们后续也将持续关注。


在上述工作基础上,我们将在如下两方面开展工作:


(1)面向更大规模星间组网和路由需求,重点研究第一期4409颗卫星的建链模式,包括混合星座之间是否建链及如何建链等问题。


(2)分析传统地面网络中的OSPF等路由协议的路由收敛时间等性能,思考其劣势及优化方法,并结合星座应用模式及全球非均衡的业务需求,考虑优化的路由协议设计。

卫星星座管理系统

支持多星座、多类型卫星的测控、运控、数传等业务,实现卫星过顶预报、任务分配、遥控、遥测、数据下行、数据上行、卫星轨道模拟、可视化面板、视频监控、地面站管理、用户管理、日志记录等多种功能。


支持星座对地波束、星间链路的动态展示,支持轨道惯性系/地固系的切换显示


支持跟踪计划、卫星状态、波束信息、数据流量、日志等信息展示功能


支持星座测控、编队、调度算法研究,支持大规模星座场景模拟和状态监测

“星间链路”是卫星通信服务全球通信关键技术

第1章 绪论 
1.1 卫星导航系统概述 
1.2 导航星间链路基本概念 
1.3 星间链路发展现状 
1.3.1 微波星间链路 
1.3.2 激光星间链路 
1.4 天基信息网络 
参考文献 

第2章 导航星间链路体系架构 
2.1 星间链路系统架构 
2.2 星间链路拓扑模型 
2.3 星间链路数据平面架构 
2.3.1 星间链路频率规划 
2.3.2 星间链路信号体制 
2.3.3 星间链路信道编码 
2.3.4 星间链路接入控制 
2.3.5 网络路由与传输控制 
参考文献 

第3章 导航星间链路测量原理 
3.1 星间链路双向测量基本原理 
3.1.1 卫星间钟差的测量 
3.1.2 卫星间距离的测量 
3.2 星间链路测量误差分析 
3.2.1 静态误差 
3.2.2 动态误差 
3.2.3 测量总体误差 
3.3 星间测距量的时标归算 
3.3.1 星间高动态测距模型 
3.3.2 测距链路中的时标修正 
3.3.3 星间测距中的时标归算 
3.4 星间链路波束指向与控制原理 
3.4.1 星间波束指向变化特性 
3.4.2 波束指向计算 
3.4.3 误差特性分析 
3.4.4 基于方位预测的波束指向算法 
3.5 星间链路频域搜索与捕获原理 
3.5.1 典型的信号捕获流程 
3.5.2 捕获搜索范围优化设计 
3.5.3 捕获搜索策略优化设计 
3.5.4 捕获判决模式优化设计 
3.6 星间链路时域搜索与捕获原理 
3.6.1 星间测距中接收信号的时间对准 
3.6.2 时间对准精度的定量计算 
3.6.3 时间对准精度的Cramer-Rao界 
3.6.4 时间对准精度约束下的功率分配 
参考文献 
…… 

第4章 导航星间链路抗干扰原理 
第5章 星间链路接入与时隙规划原理 
第6章 导航星间链路网络传输协议 
第7章 导航星间链路网络路由协议 
第8章 导航星间链路标校与测试评估 
第9章 导航星间链路测量与通信应用


原文始发于微信公众号(太空安全):“星间链路”是卫星通信服务全球通信关键技术

版权声明:admin 发表于 2023年4月29日 上午10:11。
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