低轨星座优化(低轨通信星座星间链路概况、问题与建议)--星座生肖百科网

低轨通讯星座星间链路摘要、成绩与发起

《测绘学报》

构建与学术的桥梁拉近与威望的距离

概述

星间链路是指卫星之间创建的通讯链路，也称为星际链路或交织链路。经过星间链路完成卫星之间的信息传输和互换，多颗卫星可以互联在一同，成为一个以卫星作为互换节点的空间通讯网络，低落卫星通讯体系对地表网络的依托。依靠星间链路的上风，通讯体系可以变小地表信关站的设置数目、扩展掩盖地区、完成举世测控等，并且信号在星间链路传输时可好效制止大气和降雨招致的衰减，构成相对独立的通讯星座体系或数据中继体系。

比年来，在具有宽带、大容量、低延长和举世掩盖等特征的低轨通讯星座的推进下，星间链路成为研讨抢手。如今，Starlink、LeoSat、Telesat、Iridium NEXT、O3b、OneWeb和Globalstar等中低轨道星座项目标提高势头正盛，依据猜测到2020年高通量卫星的通讯容量将到达近5Tbps，随着宽带大容量通讯星座的建成，通讯才能将增长到40Tbps以上。在这些星座中，美国的Starlink星座将接纳激光星间链路完成空间组网，到达网络优化办理以及办事一连性的目标；LeoSat星座也将接纳激光星间链路创建一个空间激光主干网；加拿大的Telesat星座亦方案设置激光星间链路；而美国的Iridium NEXT星座则设置了Ka频段星间链路。依照现在公布的材料来看，O3b、OneWeb和Globalstar星座未设置星间链路。

2018年1月12日，加拿大卫星运营商电信卫星（Telesat）公司的一颗实验通讯卫星（LEO Vantage 1）搭乘印度的“极轨卫星运载器”经过一箭31星办法告捷发射，现在正展开干系在轨测试，将为Telesat星座建立提供武艺验证。2018年2月22日，SpaceX公司接纳猎鹰-9重型火箭告捷发射了Starlink星座的2颗实验通讯卫星（Tintin A/B，图1），将为Starlink星座建立提供前一阶段在轨武艺验证。2018上半年，Iridium NEXT星座分2组发射了15颗卫星（即41-50编组和51-55编组），每颗卫星具有4条微波星间链路。

图1 Starlink星座两颗实验卫星Tintin A/B发射前设置情况

星间链路分类

星间链路依照卫星地点轨道可分为同典范轨道（如GEO-GEO、LEO-LEO等）卫星间的星间链路和不同典范轨道（LEO-GEO等）卫星间的星间链路。从卫星地点轨道面还可分为同轨道面星间链路以及异轨道星间链路。以Iridium星座为例，每颗卫星有4条LEO-LEO星间链路，此中2条是与同轨道面的相邻卫星创建相对安稳的星间链路（如图2中1号卫星与2、3号卫星），尚有2条是与临近异轨道面的2颗卫星创建的可动波束星间链路（如图2中1号卫星与4、5号卫星）。由于卫星星间链路设置的限定，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，从而低落星间链路计划的繁复度。

图2 Iridium体系星间链路表现图

值得一提的是，由于同轨道面卫星之间的地点干系是安稳的，因此这类星际链路比力容易坚持。但异轨道面卫星之间的相对地点干系（如链路距离、链路方位角和链路俯仰角等）是时变的，不仅天线必要有一定的跟踪才能，并且星间链路也很难维持，以铱星体系为例，约每250秒就必要切换一次。

星间链路除依照轨道划分外，还可以依照事情频率分为微波链路（Ka频段）、毫米波链路（局部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。星间链路可接纳的频率方案如表1所示；从通讯速率方面可分为窄带低速链路和宽带大容量链路等。

表1 星间链路频率方案

品种	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	待方案
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/毫米波链路具有武艺相对成熟，可靠性较高，波束相对较宽，跟瞄捕捉容易等上风。星间激光链路的上风在于频带较宽，可以增长链路通讯容量；装备功耗、质量、体积较小；波束发散角较小，具有精良的抗干扰和抗截获功能，体系宁静性高。但星间激光链路相应的主要缺陷是因波束窄而招致对准、捕捉、跟踪（PAT）体系繁复，因此PAT武艺是激光星间链路的紧张武艺之一。

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讯和激光通讯的上风。干系于毫米波通讯而言，星间太赫兹链路通讯容量更大，可达10Gbps以上的传输速率；波束比毫米波更窄，朝向性更好；太赫兹波可被大气层吸取，具有更好的保密性；装备质量和体积等比毫米波装备更小。与激光链路比拟，太赫兹波通讯比光通讯的能量听从更高；太赫兹波比激光具有更好的穿透沙尘烟雾的才能，在恶劣天气下比激光通讯具有一定上风。

星间链路约莫存在的成绩

现在正在建立和计划的低轨通讯星座，对对否设置星间链路接纳了不同的方案，O3b和OneWeb星座不设置星间链路，而Starlink、LeoSat和Telesat等星座选择接纳激光星间链路，Iridium星座则接纳Ka频段星间链路。但是设置星间链路会使星座的计划难度增大，卫星的武艺繁复水平提高，星上路由选择等武艺成绩也相应产生。底下针对星间链路使用中约莫存在的成绩举行梳理：

（1）频率资源稀缺受限。星间链路可用的微波频率资源安稳且仅限，难以同时满意多个大范围星座的宽带星间链路使用；毫米波频段的频率资源较为丰厚，但是现在该频段的星载装备研制较为困难，产物的成熟度较低；而激光链路固然带宽较宽，但其受空间光照等要素影响较大，使激光链路的可用度低落。通讯频率和卫星轨位资源是星座计划的条件条件，是必需优先处理的成绩。

（2）路由选择成绩。关于范围较大的星座，星间链路的路由选择注定将是一个极度繁复的成绩，加之低轨卫星的相对地点时候在厘革，因此必要及时更新路由表。若由星上完成该事情则将大幅增长卫星的繁复水平和研制难度，同时低落了卫星对武艺晋级更新的顺应性；若由地表完成路由分派再上传至卫星，则增大了星座对地表体系的依托。另一方面，假如路由选择不是最佳方案的话，则数据在星座中被多次传输，使得信号延时分明增长，低落了低轨星座在延时方面的上风。因此作者以为路由选择是现在低轨星座星间链路计划中最中心的成绩之一。

（3）数据羁系成绩。既然经过星间链路可以在大气层外体例一张通讯网络，那么通讯数据的来龙去脉该怎样羁系，怎样确保数据精准抵达目标地而不被“盗取”，怎样准确把握业务信息的传输办法，亦是一个必要高度器重的成绩。

（4）星间链路计划繁复度及链路干扰成绩。同轨道面内的卫星创建星间链路相对安稳，但是异轨道面的卫星乃至不同典范轨道卫星之间创建起星间链路较为繁复，必要处理链路设置数目、综合掩盖范围、建链朝向角度、链路距离以及链路切换频度等成绩。星间链路事情时还必要制止与其他星间链路或星地链路产生互干系扰，以免招致各方的通讯链路均受影响。

（5）星间链路天线的限定。星间链路的天线或激光终端必要繁复的捕捉、跟踪、对准伺服机构和控制器，从而完成星间链路的及时创建和切换。但在低轨的较小卫星平台上较难以同着安装多副星间链路天线或终端，这就限定了单颗卫星星间链路的设置。固然可以选择相控阵天线，但成绩在于这类天线的昂贵用度和使用寿命等要素，限定了大范围构建星座的实践使用代价。

（6）背景噪声控制成绩。星间链路天线的指向范围厘革较大，这就招致星间天线/终端的背景噪声温度动态厘革，且厘革幅度较大，进而影响星间链路的正常通讯，若天线指向控制不妥大概门限设置不妥，要么招致通讯阻断，要么惹起链路自激。

星间链路建立和使用发起

星间链路固然存在上述约莫显现的成绩，但由于合适于不便利举世安插地表信关站的中低轨星座；并且星间链路的抗毁性强，可以不依托地表独立组网通讯，经过星座能扩展通讯体系的掩盖范围，还能在一定水平上处理地表蜂窝网的周游成绩。因此，星间链路仍遭到器重及使用。且依靠其通讯和测控等方面的武艺上风，经过公道计划和使用，可以富裕发扬其潜力。

为更好发扬星间链路的作用，对星间链路的建立和使用提出如下发起：

（1）积极开发新的事情频段，研制新频段相应的星载装备，包含天线、转发器以及星上处理器等。Q/V频段（40/60GHz）和激光载荷装备近期内将成熟并可投入使用，有助于改良现在严峻依托Ka频段而形成的频率资源告急和链路干扰成绩。

（2）富裕使用现有频率资源，深度举行星间链路“波束-时间-空间”统筹方案，各星座星间链路的波束指向依照时间和空间举行备案统筹办理，使相反频率可以被尽约莫多的星间链路按“时分空分”办法综合复用，尽力制止同频同指向的干扰成绩。

（3）由于低轨星座的路由计划不同于GEO轨道卫星网络，也不同于地表通讯网络，发起重点优化星座网络拓扑布局，加强路由选择计划和数据羁系研讨，克制网络大标准、动态拓扑、节点干系繁复、业务品种丰厚等成绩，完成实用于低轨卫星星座的路由与互换方案。

（4）发起限定使用星间链路，制止卫星间随意创建星间链路，而只与临近的卫星创建星间链路，使用转动受限的可动波束，乃至使用安稳波束来创建星间链路，经过限定使用星间链路完成整个星座的最优计划，低落卫星星间链路天线APT机构的繁复度，并可制止背景噪声的大幅动摇。

（5）发起接纳LEO/GEO中继型星间链路办法，由LEO卫星经过星间链路与GEO卫星创建中继干系，再经过GEO卫星向中低纬度地区举行数据掩盖传输，完成LEO卫星在地表站视场外的通佩办事，而LEO卫星侧重卖力高纬度地区的通讯事情。

作者 | 中国空间武艺研讨院通讯卫星遗址部韩慧鹏

本文刊登于《卫星与网络》杂志2018年8月刊

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