中高轨通信卫星支持数据中继的运用范文

随着低轨卫星（LEO）星座系统在卫星互联网、卫星物联网、遥感观测等行业的应用逐步扩大，解决其高效、便捷的数据中继传输的问题将变得突出。采用中高轨卫星的天基中继服务方式是对地基数据中继服务的一种有效补充方式，本文介绍了现有天基数据中继服务的若干手段和发展方向，提出了利用中高轨通信卫星来解决低轨卫星数据中继的若干设想和需要解决的关键问题。

一、概述

LEO卫星系统在卫星互联网、卫星物联网、遥感观测信息采集等商业应用中具有广阔的发展前景。然而，由于低轨卫星的轨道较低、覆盖区较小的特征，也会带来诸多的问题。例如，对于低轨通信卫星，会带来全球信关站布站困难、星间链路规划复杂、路径规划时延较长、网络阻塞率增加和系统抗毁能力变弱等问题。对于遥感、测绘、气象等方面应用的低轨卫星，也需要在有地面馈电链路连接的时段，才能将数据回传地面，对海量的数据采集需求和更高的实时性需求，也逐渐力不从心。为了解决上述问题，可以使用天基数据中继平台，为LEO卫星提供远程数据通道，减少星上存储压力。目前天基数传业务主要采用专用中继卫星完成，一般采用较简单的通信协议，使用任务规划或简单轮询等方式来实现航天器与中继卫星的链路对接。上述方式难以为未来海量的低轨星座系统提供便捷的卫星接入服务。随着高通量卫星等大容量通信卫星系统的建立，卫星通信能力得到了成百倍的提升，利用中高轨通信卫星作为低轨卫星的数据中继支撑成为可能。但为了支持低轨卫星的数据接入，还需要开展诸如小型化终端、卫星网络管控等问题开展研究。

二、数据中继业务现状和发展趋势

现有的国外天基数据中继系统，仍然以跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）为主力军。包括美国的以S、Ku\KA频段链路为主用链路的TDRS系统，以及具备光通信链路的后续发展型；欧洲的以Ka频段和激光通信链路为主用链路的ESA中继卫星系统。上述系统都使用专用天基数据中继频段，采用专用数传中继链路实现低轨航天器的数据中继。早在上世纪90年代，美军就曾研究尝试利用国防卫星通信系统DSCSIII型卫星的SHF链路作为其TDRSS中继能力的补充。从2015年开始，有商业公司开始尝试使用中高轨通信卫星，为低轨卫星提供数据中继服务。2017年，AddValueTechnologies公司与Inmarsat联合，为LEO卫星和运载系统提供名为IDRS的数据中继服务，LEO卫星可搭载其提供的数据中继服务终端，利用Inmarsat的L频段信道作为星间中继链路，再利用Inmarsat的馈电链路完成数据中继任务。2018年，Audacy公司提出要用三颗MEO卫星，为LEO卫星提供数据中继服务，并且拿到了FCC的频率许可；2020年，澳大利亚光电系统公司（EOS）收购Audacy，并在美国组建了一家名为SpaceLink的全资子公司，继续开展LEO卫星的数据中继服务。我国的天基数据中继系统主要是以移动点波束为主用模式的天链一代和具备蜂窝全向上行波束的天链二代卫星系统为代表，基本采用了基于CCSDS协议体系，实现对我国航天器的数据中继服务。在“天地一体化信息网络”相关的课题和工程中，也开展了针对多种轨道卫星融合设计的研究。在其组网规划中，由高轨卫星簇组成的“天基骨干网”中部署了数据中继卫星（或中继载荷模块），具备为其系统内的低轨卫星提供数据中继服务的能力。从整体架构上看，其高轨卫星提供的数传服务，仍然采用的是按规划建链的方式，由系统天基接入管控中心配合其他管控中心完成相关的规划和执行控制。因此，该系统的数据中继方案仍然与传统方式一种，并没有规划LEO卫星按需随域接入的灵活数据中继应用场景。在商业数据中继领域，目前国内只有航星光网LaserFleet，从2018年开始，该系统计划通过建立低轨星座，以激光链路为关键技术，实现对为平流层飞行器、系留气球、亚轨道飞船、空间站和微小卫星等提供接入服务。从目前我国的数据中继体系现状分析，一方面，中继卫星系统并不具备灵活受理不同应用和管理背景的低轨卫星的中继接入的能力，另一方面，我国的商业天基测控数据中继系统落后于服务全球的LEO卫星系统的建设。从国内外发展方向分析，利用现有中高轨的宽带通信卫星，以通信业务的方式实现低轨卫星的数据接入，是一种能够廉价且高效的手段。

三、利用中高轨通信卫星实现LEO卫星数据中继服务的技术优势

中高轨通信卫星具备了以下能力特征，能够为LEO卫星提供数据中继服务。

（一）带宽服务能力提升

目前，中高轨卫星的高通量发展趋势明显，随着高通量卫星不断扩容，在短期已经产生了供给过剩的情况，数据服务价格处于下降通道，因此能够有足够的带宽服务于低轨卫星的数据中继业务。

（二）创新技术能力增强

新一代的中高轨通信卫星，特别是高通量卫星，普遍采用了多点波束、频率复用、增益集中等技术，最新的系统还使用了如相控阵波束成形，星上数据处理等技术，使通信系统根据用户终端需求的来调配资源的灵活度大大增加，能够在通信系统中统一规划兼容更多的用户应用，使低轨卫星数据中继服务能够平滑的加入到通信系统中来。

（三）频率资源丰富

针对未来海量的商业低轨卫星的数据中继业务，若仍采用在天基数据中继频段（25.5~27GHz），其频率协调难度将大大增加。对于希望提供天基数据中继服务的商业公司，除了采用复杂度较高的激光通信等方式，微波通信的频率协调工作几乎是不可能完成的。如果采用已完成国际电联申报并通过审核的中高轨卫星通信系统的通信频段，则能够完全不受频率资源的限制。只要低轨卫星搭载的通信终端也满足卫星通信系统申报的终端频段、功率谱密度、天线辐射方向性的要求，即可使用。

四、利用中高轨通信卫星实现LEO卫星数据中继服务的实现方式和关键技术

（一）通信体制和终端设计

中高轨宽带通信卫星的EIRP和G/T值较高，其系统内标准小型终端（如0.4m等效口径，5W功放）的上行业务带宽支撑能力能最高够达到十几兆水平。对于在低轨卫星上搭载的星载用户终端，体积和重量相对受限，因此需要根据实际的系统指标和终端要求，设计通信终端的功放和天线尺寸指标。LEO卫星的运行速度比一般终端的运动速度高，可达20多马赫，因此与中高轨卫星的相对速度（加速度相对不高）最高可造成几百KHz的多普勒频偏。因此，需要对其使用的中高轨卫星的通信体制开展分析，通过链路计算分析，使其终端能够传输满足耐受最大的多普勒频谱频偏的业务速率的数据信息。此外，还可以设计专用业务波形在专用载波中支撑低轨卫星的数传应用。LEO卫星搭载的通信终端的天线波束指向应能够连续扫描，从而满足低轨卫星姿态的变化导致对中高轨卫星指向的改变。从目前的发展趋势来看，采用相控阵天线波束合成技术是未来的发展方向，但其波束指向范围较传统伺服机构的天线仍有较大差距，因此需要根据中高轨卫星的覆盖情况综合判断终端的天线的种类和指标要求。对于天线跟踪问题。由于LEO卫星运行环境相对地面终端平稳，因此其加速度调整要求不高，通信终端采用开环跟踪的方式，即利用本星姿态和轨道位置以及中高轨卫星的精确星历信息，就可以基本满足信号跟踪要求。

（二）LEO卫星终端的移动性管理

LEO卫星作为终端用户，需要解决其移动性管理问题，该问题与中高轨卫星系统支持机载终端的移动性管理问题类似，但由于其高速特性，还需要在切换控制等方面做进一步优化。对于按波束区划分信关站的高通量卫星来说，主要需要考虑其在跨越波束交叠区时的切换时延和成功率，以及在切换不同信关站管理的波束时，其业务的对于地面网络的IP承载的移动管理问题。对于LEO卫星终端，其特征是轨道的确定性，因此，在跨波束切换问题上，可采取一定的预规划方式来辅助切换。提供中继业务服务的中高轨系统应可以根据其搭载终端的属性信息，得到其所在LEO卫星的星历和实际轨道信息，再根据本系统波束覆盖区信息，确定该卫星的下个切换时刻，在规定的时刻直接向其发送切换指令，完成切换控制过程。由于LEO卫星运行路径长，在其跨越不同信关站管理的波束时，可能会出现转发该卫星的数据的地面信关站发生切换，导致网关IP地址需要的切换的问题。该问题可以采用地面移动通信系统常用的IP数据隧道或移动IPv6等技术解决，或采用信关站间的地面专用数据通道完成数据转发的方式完成不间断的数据交互。

（三）卫星资源管理和QoS保障

系统为LEO卫星终端的数据中继业务分配无线资源时，需要考虑其应用的特殊性，应可以灵活选择多种资源分LEO配的方式，满足不同QoS需求的数据中继业务传输。传统数据中继业务是典型的电路域分配方式，即使采用多种复用方式，其无线资源基本是不可调整的；而较新的基于移动通信体制或宽带多媒体卫星通信体制（BMS）的系统，则以分组域为主要资源管理方式。对于LEO卫星终端的数据中继业务，既有突发的信令信息，也有大数据量的数据回传业务。为了满足不同等级中继数据的传输需求，可在多个资源层面上采取措施，实现不同的QoS保障需求。1.波束层面独享对于最高优先级的数据中继业务，一些具备移动点波束的中高轨系统，可调配点波束资源，由该低轨卫星独占，完成全程的波束跟踪服务，提供无线专线服务质量。2.资源块层面独享可以采用固定分配资源块的方式，如FMDA信息，分配固定频段；TDMA系统，分配时隙，MF-TDMA系统分配固定时频块，该无线资源由其独占，即提供虚拟电路域的服务质量。3.分组数据共享根据终端用户的前返向数据缓冲区的数据缓存，动态向系统申请无线资源根据其数据业务的优先等级，由系统无线资源管理单元完成对其业务的动态无线资源块的分配管理。因此，系统应具备多级的QoS保障和资源分配的管理策略，满足不同数据中继业务的传输需求。

五、结语

从天基数据中继的发展方向上来看，对于日益增长的LEO卫星的数据中继需求，采用高通量等中高轨通信卫星实现数据中继，是对现有数传业务服务非常有益的补充，且非常适合中继业务的商业推广。为了实现中高轨通信卫星为低轨卫星提供数据中继服务，还需要在卫星通信系统的波形体制、终端设计、系统管控方式等多方面做多种优化改进。本文分析了主要的关键问题和技术，为后续研究和开发工作打下了基础。下一步工作，将对低轨卫星的快速接入、便捷切换等算法做深入研究和仿真，在切换时延、成功率等指标上进行各种方法的比较和验证。

作者：李靖 单位：天津七一二通信广播股份有限公司北京研发中心