非静止轨道卫星星座设计和星际链路研究

论文摘要

近年来,地面无线通信和Internet技术飞速发展,网络规模和用户数都呈爆炸式的增长。卫星通信作为重要的现代通信手段之一,也取得了极大的进步。由于不断增长的对宽带多媒体业务的移动性和服务质量（QoS）的需求,结合了TCP/IP技术和ATM技术的卫星通信系统,逐渐成为构建下一代全球移动网络的基础结构之一。在这种情况下,和地面有线网和3G移动网的相互融合一样,卫星通信网络和地面网络的差别也将逐渐消失而共存于一个全球覆盖的通用移动通信系统（UMTS）。该系统的根本目标是实现无所不在的、自由的信息交换,对移动性、QoS和全球无缝覆盖的良好支持是其最重要的特征。卫星通信以其固有的优势,必将在UMTS中扮演一个重要角色。然而,传统的静止轨道（GEO）卫星通信系统由于固有的缺点,已经很难满足现代多媒体实时应用需求。于是,研究焦点转向了非静止轨道卫星通信系统。根据非静止轨道卫星通信系统的特性和发展趋势,本文对非静止轨道卫星星座设计方法和星际链路特性进行了深入研究,内容涉及全球性星座设计、区域性星座设计、非静止轨道跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）的星座方案研究以及LEO/MEO双层卫星网络中层间星际链路建立策略研究。第一章为绪论。简单阐述了卫星通信的发展概况、现状和前景,卫星通信系统的一些关键技术,以及本文的创新点和内容安排。第二章是卫星星座设计概述。给出了卫星星座设计相关的基本知识和星座设计时的基本考虑,简介了极轨道星座和倾斜圆轨道星座这两类经典的非静止轨道全球性星座设计方法。第三章讨论了全球性正交圆轨道星座设计方法。推导了极轨道星座实现球冠覆盖时星座参数的精确计算公式,分析了精确计算公式与Beste的近似计算公式之间的关系,明确了近似计算公式的应用条件。提出了采用极轨道星座结合赤道轨道星座构建全球性正交圆轨道星座的思想,推导了正交圆轨道星座的参数计算公式,给出了一些星座方案,并与全球覆盖极轨道星座进行了覆盖性能的分析和比较,说明了正交圆轨道星座设计方法的有效性。第四章研究共地面轨迹区域性星座设计。深入分析了共地面轨迹星座的特性,提出了一种简约的描述共地面轨迹星座的编码标识方法,讨论了共地面轨迹星座与δ星座的等价条件。给出了该类型星座实现区域覆盖卫星通信系统时的通用优化设计方法和具体实现步骤,得到了一些适用于我国的优化星座方案。基于业务分布密度的时变特性对星座方案的参数进行了进一步的优化调整,使得星座的覆盖特性与业务分布密度特性更加一致,从而提升了星座系统的覆盖性能。采用遗传算法进行了共地面轨迹星座的优化设计,在计算时间大幅度减少的情况下,获得了精确度更高的优化星座参数,说明在区域性星座设计这样的课题中,引入遗传算法进行优化设计可以获得非常高的效率和非常好的效果。第五章研究适合于中轨跟踪与数据中继卫星系统采用的星座形式。系统地分析了静止轨道中继卫星系统存在的局限性,提出了采用中轨卫星星座构建跟踪与数据中继卫星系统的思想,给出了系统的网络结构并分析说明中轨中继卫星网络的业务流量特性,指出需要从对空覆盖性能、对地覆盖性能以及星际链路的实现难度3个方面来分析比较MEO-TDRSS的性能,并给出了多个实用的性能指标。以我国为例,仿真比较了采用不同类型星座实现的中轨中继卫星系统的性能差异,确定了适合中轨跟踪与数据中继卫星系统采用的星座类型。第六章主要研究了LEO/MEO双层卫星网络中层间星际链路（ILISL）建立策略。通过对已有的层间星际链路建立策略的研究,指出了已有建立策略导致网络拓扑结构稳定性降低的原因。从尽量降低层间星际链路重建所导致的网络拓扑重构次数,改善网络拓扑稳定性的角度出发,提出了3种基于集中重建思想的层间星际链路建立策略。数值仿真结果说明,新策略能够以可以接受的代价,大幅度降低LEO/MEO双层卫星网络的拓扑重构频率,增强网络拓扑结构的稳定性。第七章是全文总结。归纳了本文工作的主要贡献和创新性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 卫星通信和卫星移动通信的发展概述
• 1.2 卫星通信发展前景
• 1.3 我国卫星通信的历史、现状与前景
• 1.4 非静止轨道卫星通信系统关键技术
• 1.4.1 星座设计
• 1.4.2 星际链路
• 1.4.3 星上处理
• 1.4.4 切换技术
• 1.4.5 卫星TCP/IP
• 1.5 本文的创新点
• 1.6 全文结构安排
• 第二章 卫星星座设计概述
• 2.1 引言
• 2.2 卫星轨道空间几何关系
• 2.2.1 地心坐标系与卫星轨道参数
• 2.2.2 卫星星下点轨迹
• 2.2.3 卫星覆盖特性计算
• 2.3 卫星的轨道类型和高度选择
• 2.4 星座设计时的基本考虑
• 2.5 经典星座设计方法
• 2.5.1 极轨道星座设计方法
• 2.5.2 倾斜圆轨道星座设计方法
• 2.6 结束语
• 第三章 正交圆轨道星座设计
• 3.1 引言
• 3.2 极轨道星座覆盖特性
• 3.2.1 极轨道星座的轨道特性
• 3.2.2 极轨道星座的球冠覆盖
• 3.3 赤道轨道星座的覆盖特性
• 3.4 正交圆轨道星座
• 3.4.1 正交圆轨道星座设计方法
• 3.4.2 正交圆轨道星座覆盖性能分析
• 3.4.2.1 性能指标和仿真参数设置
• 3.4.2.2 星座参数
• 3.4.2.3 人口分布加权全球平均仰角
• 3.4.2.4 纬度平均仰角特性
• 3.4.2.5 平均仰角的分布特性
• 3.4.2.6 性能分析结论
• 3.5 本章小结
• 第四章 共地面轨迹区域性星座设计
• 4.1 引言
• 4.2 区域性星座的轨道高度选择
• 4.3 区域性星座系统的共地面轨迹星座实现
• 4.3.1 共地面轨迹星座的特性
• 4.3.1.1 轨道参数的约束条件
• 4.3.1.2 共地面轨迹星座的编码标识方法
• 4.3.1.3 共地面轨迹星座与δ星座的等价关系
• 4.3.2 区域性共地面轨迹星座设计方法
• 4.3.2.1 轨道参数的选择
• 4.3.2.2 星座参数优化准则和方法
• 4.3.3 我国的优化共地面轨迹星座
• 4.3.3.1 覆盖区域和仿真参数设置
• 4.3.3.2 优化共地面轨迹星座
• 4.3.3.3 优化共地面轨迹星座的覆盖性能
• 4.4 基于业务分布密度的区域性共地面轨迹星座参数优化
• 4.4.1 业务分布密度
• 4.4.2 基于业务分布密度的星座参数调整
• 4.5 基于遗传算法的区域性共地面轨迹星座的优化设计
• 4.5.1 遗传算法工具箱GATOOL
• 4.5.2 共地面轨迹星座的GATOOL优化方法
• 4.6 本章小结
• 第五章 非静止轨道TDRSS星座方案研究
• 5.1 引言
• 5.2 TDRSS概况
• 5.3 GEO-TDRSS的覆盖性能
• 5.3.1 GEO中继卫星对低空空域的覆盖性能
• 5.3.2 GEO-TDRSS的局限性
• 5.4 非静止轨道TDRSS方案
• 5.4.1 非静止轨道TDRSS的轨道高度选择
• 5.4.2 MEO-TDRSS的网络体系结构
• 5.4.3 MEO-TDRSS的业务流特性
• 5.4.4 MEO-TDRSS的性能评价指标
• 5.5 MEO-TDRSS星座方案研究
• 5.5.1 MEO-TDRSS星座方案实例
• 5.5.2 仿真参数设置
• 5.5.3 星座方案对低空空域的覆盖性能
• 5.5.3.1 对不同低空空域面的统计覆盖性能
• 5.5.3.2 对300公里空域面的纬度平均接入距离
• 5.5.3.3 对300公里空域面的平均接入距离
• 5.5.3.4 对300公里空域面的全球平均接入距离
• 5.5.3.5 本节结论
• 5.5.4 星座方案对地表区域的覆盖性能
• 5.5.4.1 对我国地面的覆盖性能
• 5.5.4.2 对我国境内选定信关站的覆盖性能
• 5.5.4.3 本节结论
• 5.5.5 星座方案的星际链路特性
• 5.5.5.1 星座方案的星际链路拓扑结构
• 5.5.5.2 星际链路的动态性能比较
• 5.5.6 性能综合比较
• 5.6 本章小结
• 第六章 LEO/MEO双层卫星网络ILISL建立策略研究
• 6.1 引言
• 6.2 LEO/MEO双层卫星网络模型
• 6.2.1 LEO/MEO双层卫星网络拓扑结构
• 6.2.2 LEO卫星与MEO卫星的空间几何关系
• 6.3 已有的ILISL建立策略及存在的问题
• 6.3.1 已有的ILISL建立策略
• 6.3.2 已有的ILISL建立策略存在的问题
• 6.4 新的ILISL建立策略
• 6.4.1 基于集中重建的ILISL建立策略
• 6.4.2 基于集中重建的ILISL建立策略的伪码描述
• 6.5 数值仿真和性能分析
• 6.5.1 仿真参数设置
• 6.5.2 性能指标
• 6.5.3 数值结果及分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻博期间取得的研究成果