【航天甲子年50讲】 21 LEO星座网络



文:晟宇(视频讲解)

本文图片来源于网络

转载请联系作者


https://www.zhihu.com/video/957010092298571776


前言


上一次的分享里我们讨论了一下卫星自组织的网络,卫星的自组织网络有一个最为主要的特点就是具备随时随地利用现有条件进行组网。这种网络的特点是高度灵活动态,当然网络的质量也是“动态”的。


那么这一次我们想要聊的LEO星座网络就非常的不一样了。这些网络并不是随时随地组建的,而是经过精心策划,严格设计,按照需求开展研制最后还需要持续运行维护的系统。


本次的分享我们就以铱星等LEO星座网络作为范本来讨论一下LEO星座网络的一些主要特点和重要的技术。



稳定是服务的核心


LEO星座网络最近炒得火热,像Starlink和OneWeb等项目都抓足了人们的眼球。但是无论是哪一个系统,无论他们瞄准的是怎样的市场。他们的需求都有着非常相近的地方那就是:这些LEO星座网络需要提供的是持续稳定的服务


我们以铱星为例,无论是铱星所提供的语音或数据服务都提出了持续稳定这样有质量的要求。


试想作为这样一个系统的用户,电话不能想打就打,通话过程中还经常中断,或者话音质量很差,数据方面一直龟速还断断续续。这些情况的发生都会使得用户不断的流失。因为服务质量就是这些LEO星座网络的生命。






事实上以铱星为代表的星座网络也是这么做的,铱星的话音和数据服务覆盖全球,为海上、空中、设备、人员提供了任何时候的稳定连接。美军的指挥官都表达了对铱星系统的肯定和依赖。而这些业务正常运行的背后是一个稳定系统的有力支撑。



越简单越可靠


越简单越可靠可不是说铱星这些系统是简单的,而是这些系统在明确了目标之后都将所有无关的因素排除,来保证一切设计都围绕着系统的稳定来开展。


这种设计理念体现在星座设计与卫星设计的紧密结合上。将系统的难度按照技术的约束分摊在两个不同的设计层面。


首先铱星采用了高度稳定和规律的星座设计结构,在这样的一个结构中,卫星数量是固定的,在现实中利用备份星随时等待替换掉失效的节点。


利用每个卫星48个波束进行全球的多重覆盖和动态情况下的持续覆盖。高度的周期性使得覆盖的动态变化是可预期的,星间构成的拓扑关系是稳定的。







由此就可以将每颗卫星抽象到一个区域分管的表格中去,降低了整个星座运行维护的复杂程度。


明确的单星能力


高度的规律性与周期性设计,使得每颗卫星的能力和所需的功能变得非常明确。首先作为用户接入来说,每颗卫星都设计成为可以尽量多地接入用户,并尽量充分的使用频率资源。


我们知道铱星采用的是L波段来提供用户接入的,每个卫星采用了48个波束从而通过合理的分隔最大限度的提高了对频率的复用。并采用了时分和频分的方式来提供多用户的接入。





简化了的星间链路


铱星作为一个天星天网的LEO星座网络,高度规律化的星座设计使得卫星的星间链路设计也得到了很大程度上的简化。这个简化的最大原因就是动态的切换是可预期的。







我们知道铱星的每颗卫星都拥有4条星间链路,相同轨道面内的星间链路是稳定连接的在地面投射的关系图上就是南北方向的链接。而不同轨道面间的星间链路却是动态切换的,有的链路连接时间只有2,3分钟,有的10多分钟,虽然相邻轨道面的星间链路是动态变化的,但是我们可以看出来这些链路的切换非常有规律。


作为星间链路来说,无论是微波还是激光在物理层上都是一个捕获、锁定、跟踪的过程。一个可预期的动态变化性就大大简化了星上不断重复实现这一过程的难度,降低每次切换的系统开销,维持系统的稳定。



高度规律化的星座设计降低了路由的难度


高度规律化的设计首先降低的是整个网络拓扑图的复杂性,同时提升了周期性的拓扑变化可以让拓扑的映射关系变得更加简单。


作为需要提供稳定服务的卫星星座网络,周期性规律性的星座设计使得路由可以在提供QoS服务上面更易实现。无论时处理路径的选择,并发业务的处理,还是解决时延抖动,一个稳定的底层物理结构都会大大降低星上的处理难度。




星上处理能力


像铱星这样的系统是在星上完成交换和路由的,这样就降低了对地面站的需求,但是对星上的处理能力提出了很高的要求。





由于要进行星上的路由,所以铱星要对接收到的信息进行完全的处理,要将基带信号解出再进行路由等操作。这种不断发展的星上处理能力,也为未来在LEO星座系统中采用网络编码等基础提供了越来越强的能力支撑。


讨论过了通信的星座网络,下一次我们来聊聊一种非常特殊的卫星网络就是导航卫星,我们先从导航卫星的发展历史来看看,这项技术是如何完全重塑人类的世界观和时空概念的。


weixin.qq.com/r/f0jfx7z (二维码自动识别)


参考文献:


  1. Lt. Gen. John Campbell, USAF (Ret.) Iridium Satellite Update USAF CNS/ATM Conference 2009
  2. Paul Anderson Communication Satellite Systems Trends and Network Aspects
  3. STEPHEN R. PRATT, RICHARD A. RAINES, CARL E. FOSSA JR., AND MICHAEL A. TEMPLE .AN OPERATIONAL AND PERFORMANCE OVERVIEW OF THE IRIDIUM Low EARTH ORBIT SATELLITE SYSTEM



[航天甲子年五十讲] 往期回顾

张晟宇:【航天甲子年50讲】 01 飞天zhuanlan.zhihu.com图标张晟宇:【航天甲子年50讲】 02 轨道力学zhuanlan.zhihu.com图标张晟宇:【航天甲子年50讲】 03 轨道摄动zhuanlan.zhihu.com图标张晟宇:【航天甲子年50讲】 04 奔月:从地球到月球zhuanlan.zhihu.com图标张晟宇:【航天甲子年50讲】 05 空间任务几何zhuanlan.zhihu.com图标张晟宇:【航天甲子年50讲】 06 空间环境zhuanlan.zhihu.com图标张晟宇:【航天甲子年50讲】 07 卫星设计流程zhuanlan.zhihu.com图标张晟宇:【航天甲子年50讲】 08 载人航天zhuanlan.zhihu.com图标张晟宇:【航天甲子年50讲】 09 空间机器人zhuanlan.zhihu.com图标张晟宇:【航天甲子年50讲】 10 空间望远镜zhuanlan.zhihu.com图标张晟宇:【航天甲子年50讲】 11 微小卫星zhuanlan.zhihu.com图标张晟宇:【航天甲子年50讲】 12 空间分布式系统zhuanlan.zhihu.com图标张晟宇:【航天甲子年50讲】 13 深空探测史zhuanlan.zhihu.com图标张晟宇:【航天甲子年50讲】 14 深空探测器zhuanlan.zhihu.com图标张晟宇:【航天甲子年50讲】 15 星际”WiFi“深空网zhuanlan.zhihu.com图标张晟宇:【航天甲子年50讲】 16 通信卫星zhuanlan.zhihu.com图标张晟宇:【航天甲子年50讲】 17 同步轨道通信卫星zhuanlan.zhihu.com图标张晟宇:【航天甲子年50讲】 18 NGSO 通信卫星zhuanlan.zhihu.com图标张晟宇:【航天甲子年50讲】 19 空间组网技术zhuanlan.zhihu.com图标张晟宇:【航天甲子年50讲】 20 卫星自组织网络zhuanlan.zhihu.com图标

如果想和晟宇在商业航天领域深入交流,从【在行】里相约吧~

张晟宇- 中科院微小卫星创新研究院高级主管 | 到「在行」来约见我www.zaih.com图标