ViaSpace太空网SpaceX星座设计

发布日期：2019-06-06　　　　作者：南南

　　SpaceX在2019年5月24日发射了第一批60颗商业级低轨通信星座卫星，开启了低成本卫星商业通信服务的序幕。
　　据了解SpaceX公司计划将发射大约12000颗卫星放置在三个不同轨道高度层中：其中，最初放置1600颗卫星在550km轨道高度层，随后放置2800颗 Ku和Ka波谱卫星在1150km轨道高度层，最后放置7500颗V波段卫星在340km轨道高度层。另一家商业航天通信公司OneWeb也计划在未来几年中将648颗低成本通信卫星放置在1200km轨道高度层来提供全球高速互联网服务。
　　要实现全球卫星高带宽通信以及物联网的广泛应用，必然要驱动运营成本的降低；要减少通信的延迟，必然要求卫星轨道高度的降低。因此组网全球或区域高带宽通信卫星网络所需卫星数量一定庞大。如何最大限度的减少所需卫星数量，设计满足需求的通信卫星星座是一个非常重要的问题。
　　因此本文要借助太空网(ViaSpace)星座设计工具来阐述以下两个内容：

　　　　　　A．通信卫星有几种常见的星座轨道设计模式；
　　　　　　B．如何设计计算低轨通信星座的卫星数量。

　　自从1965年，世界上第一颗商用通信卫星发射成功，标志着卫星通信时代的开始。通信星座也是随之而来的迫切需求。常见的通信卫星星座有一下几种。

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地球静止轨道星座

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　　轨道高度35786km，运动角速度跟地球同步，三颗卫星就可以覆盖除南北极外的所有地区。

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高椭圆轨道星座

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　　高椭圆轨道也称作莫尼亚轨道(MOLNIYA Orbit)，为倾角为63.4度的轨道，其近心点幅角为-90度，轨道周期为半个恒星日。高椭圆轨道卫星在远地点附近速度较慢，因此在远地点附近停留的时间较长。通常设计其远地点位于北纬63.4度的上空，远地点高度为40000公里。卫星在远地点附近时，对高纬度地区可以实现较长时间的通信覆盖。
　　虽然地球静止卫星也可以对高纬度地球进行覆盖，但是有些通信对仰角的要求较高，所以高纬度地区Monliya轨道星座有着独特的优势。

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极轨Walker星座

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　　Walker星座的设计典型案例是铱星通信星座。第二代铱星星座有66颗通信卫星，分布在6个轨道面，每个轨道面11颗卫星。由于采用86.4度轨道倾角设计，通信传感器对地覆盖在两极地区密集，在赤道地区稀疏。为了保证全球的通信覆盖，任何卫星轨道在赤道升交点和降交点处通信传感器覆盖区域必须有重合部分。

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倾斜轨道Walker星座

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　　在极轨Walker星座的基础上，为了减少星座卫星数量和增加中纬度区域通信质量，除去南北极非必要区域的通信。Ballard切面Walker星座也是很好的选择。典型代表是美国的Globalstar通信星座。

　　基于上述星座，本文后半部分以SpaceX星链卫星轨道为例，来分析一下如何设计星座和计算星座卫星的数量。要确定星座轨道面和数量分为一下几步：

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确定轨道参数

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　　星链卫星主要服务于有人居住的地区，全球范围人类主要居住在南北纬55度范围内，其他地区人迹罕至。所以SpaceX为了增加在中低纬度的覆盖，采用了53度倾角的低轨卫星星座轨道设计。根据星上传感器性能的要求和通信延迟的要求，轨道高度定为550km。从下图的轨道可以看出，53度倾角，550km高度的轨道可以覆盖大部分人类居住的地区。

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计算单星覆盖范围

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　　根据卫星通信天线的锥角40.46度，轨道高度550km，考虑到地面曲率和仰角限制，得出覆盖最大直径938km。

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计算所需轨道面和轨道面内卫星数量

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　　一般情况下对于Walker星座，靠近两极地区覆盖越密集，靠近赤道附近覆盖越稀疏，为保证通信连续覆盖，并考虑有覆盖冗余量。按照赤道大圆进行计算。赤道周长40076km，单星覆盖直径938km，重叠系数1.2，取整后可以得出轨道平面数为24。下一步是计算轨道面内所需的卫星数量，同样在轨道面根据地球大圆长度除以单星覆盖距离，再考虑重叠系数1.4取整后为60。本文采用24*60的设计方式，在太空网(ViaSpace)平台中进行覆盖分析，可以看出相邻轨道面和相邻轨道内卫星的覆盖区域可以完全覆盖，如下图所示。因此采用SpaceX采用24*60+备份星=1600颗星的星座设计是非常合理和实用的，能够满足南北纬55度范围能的通信连续覆盖。

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相位调节优化星座卫星数量

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　　对于通信星座，卫星在同一个轨道面内是均匀分布的。但不同轨道面内的卫星之间会有相位差别，这些差别造成了地面覆盖模式的略微不同。通过相位的调节可以减少通信覆盖传感器之间的覆盖重叠，进而减少卫星数量，优化星座设计。下图可以看到由于相位不同覆盖重叠率也不同。

　　可以看出左边有50%相位差的覆盖重叠明显优于右边0%相位差的覆盖重叠率。
太空网（Via Space）提供了卫星星座设计工具，能够迅速的设计普通星座轨道以及大规模低轨通信卫星星座，并能够调节不同轨道面卫星的相位差，从而优化星座设计。太空网比较了其他星座设计工具，能够完成其他工具不能完成的海量卫星设计。例如设计SpaceX公司7500颗V波段卫星星座，ViaSpace星座设计平台可以瞬间完成。下图为ViaSpace的星座设计结果。

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