一種面向全球信息分發(fā)的geo和leo雙層衛(wèi)星網絡的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種面向全球信息分發(fā)的GEO和LEO雙層衛(wèi)星網絡，包括由三顆GEO衛(wèi)星組成的外層骨干網絡和至少一顆LEO衛(wèi)星組成的內層增強網絡，所述3顆GEO衛(wèi)星位于地球赤道上空，定點經度相差120°，GEO衛(wèi)星之間通過固定星間鏈路互聯(lián)，所述LEO衛(wèi)星軌道高度為1450km，軌道傾角為84.5°，所述外層骨干網絡與內層增強網之間通過廣播方式進行信息分發(fā)，外層骨干網絡與內層增強網之間以及雙層衛(wèi)星網絡與地面之間廣播時采用無速率編碼方式。本發(fā)明的雙層衛(wèi)星網絡，能夠僅靠少量衛(wèi)星，對中低緯度地區(qū)實現(xiàn)無縫和增強覆蓋，同時兼顧南北極區(qū)的覆蓋，實現(xiàn)信息在全球范圍內的容中斷分發(fā)。
【專利說明】—種面向全球信息分發(fā)的GEO和LEO雙層衛(wèi)星網絡
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于衛(wèi)星通信【技術領域】，特別是一種實現(xiàn)信息在全球范圍內容中斷分發(fā)的雙層衛(wèi)星網絡。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著商業(yè)和軍事等領域對衛(wèi)星通信的需求不斷提高，衛(wèi)星通信開始由單層衛(wèi)星網絡向多層衛(wèi)星網絡方向發(fā)展。單層衛(wèi)星星座主要分為GEO(Geostationary EarthOrbit,地球同步軌道衛(wèi)星)星座、MEO (Medium Earth Orbit,中軌道衛(wèi)星)星座和LEO (LowEarth Orbit，低軌道衛(wèi)星)星座。GEO星座通常僅需要3顆GEO衛(wèi)星基本就能連續(xù)地覆蓋全球的中低緯地區(qū)，覆蓋切換少，搭建經濟成本低，但系統(tǒng)無法覆蓋全球，兩極附近有通信盲區(qū)，北半球存在由于高山造成的“南山效應”，對中高緯度區(qū)平均通信仰角較低，受遮擋概率高、衰落余量大，而且GEO衛(wèi)星軌道位置受限，電磁兼容和軌道協(xié)調困難，易受干擾，抗摧毀能力較弱。MEO星座傳播延遲較小，信號衰減較低，易于實現(xiàn)移動終端通信系統(tǒng)，但若要實現(xiàn)全球范圍內的通信，則需要遠遠多于GEO的3顆衛(wèi)星，衛(wèi)星造價較高。LEO星座衛(wèi)星軌道最低，信號傳播時延小，易于為地面站或移動終端提供服務，但每顆衛(wèi)星覆蓋范圍較小，若要實現(xiàn)全球范圍內的通信則需要很多顆衛(wèi)星，衛(wèi)星間鏈路切換也較為頻繁，對于衛(wèi)星的星上處理能力要求較高。
[0003]對此，日本的Kimmura、韓國的Lee、美國的Akyildiz以及我國的胡劍浩等學者都提出過多層衛(wèi)星網絡。在這些網絡中，由于GEO和MEO衛(wèi)星的軌道較高，其傳輸時延和鏈路損耗都比較大，因此通常作為空間信息交換的骨干網；而LEO衛(wèi)星則可以為地面的移動終端用戶提供服務，因此LEO作為地面用戶的接入節(jié)點。但這些多層衛(wèi)星網絡為實現(xiàn)全球范圍內的信息傳輸，都采用了很多的LEO衛(wèi)星或MEO衛(wèi)星，如Kimmura的設計采用588顆LEO衛(wèi)星，Lee和Akyildiz采用72顆LEO衛(wèi)星，胡劍浩采用了 63顆LEO衛(wèi)星，而且多數(shù)衛(wèi)星之間建立星間鏈路，鏈路切換較為頻繁，對衛(wèi)星的設計要求較高，整個衛(wèi)星網絡造價成本較聞。
[0004]同時，衛(wèi)星通信中，由于大氣衰減、電磁輻射等惡劣條件的干擾使得信道誤碼率可能急劇惡化，數(shù)據(jù)的單次發(fā)送成功率較低，而衛(wèi)星鏈路傳播時延大，反饋重傳的策略會造成更大時延，以卷積碼、Turbo碼、LDPC碼等為代表的前向糾錯編碼一般僅用于檢測和校正較小塊數(shù)據(jù)，此外，衛(wèi)星通信中星間鏈路具有易中斷以及LEO衛(wèi)星與地面切換頻繁的特點。
[0005]綜上所述，由于LE0、ME0和GEO的單層衛(wèi)星網絡在通信過程中各有優(yōu)缺點，難以適應現(xiàn)在日漸增長的綜合業(yè)務需求，而前人提出的多層衛(wèi)星網絡為實現(xiàn)全球范圍內的信息分發(fā)需要很多的LEO衛(wèi)星或MEO衛(wèi)星，且不同層間衛(wèi)星多通過星間鏈路實現(xiàn)互聯(lián)，對于LEO衛(wèi)星的星上處理能力要求較高，整個衛(wèi)星網絡造價成本太高。
[0006]因此，現(xiàn)有技術存在的問題是:如何能夠僅靠較少的衛(wèi)星數(shù)量和較為簡單的衛(wèi)星網絡拓撲結構，實現(xiàn)全球范圍內快速、可靠的信息分發(fā)。
【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種面向全球信息分發(fā)的GEO和LEO雙層衛(wèi)星網絡，能夠僅靠少量衛(wèi)星，達到對中低緯度地區(qū)的無縫覆蓋，同時兼顧南北極區(qū)，實現(xiàn)信息在全球范圍內的容中斷分發(fā)。
[0008]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為:一種面向全球信息分發(fā)的GEO和LEO雙層衛(wèi)星網絡，其特征在于:包括由3顆GEO衛(wèi)星組成的外層骨干網絡和至少I顆LEO衛(wèi)星組成的內層增強網絡，所述3顆GEO衛(wèi)星位于地球赤道上空，定點經度相差120°，GE0衛(wèi)星之間通過固定星間鏈路互聯(lián)，所述LEO衛(wèi)星軌道高度為1450km，軌道傾角為84.5°，所述外層骨干網絡與內層增強網之間以及雙層衛(wèi)星網絡通過廣播方式進行信息分發(fā)。
[0009]優(yōu)選地，所述信息分發(fā)采用無速率編碼方式進行。
[0010]優(yōu)選地,所述LEO衛(wèi)星數(shù)量為6顆或24顆。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點:
[0012]1、網絡搭建所需要的衛(wèi)星數(shù)量少:整個衛(wèi)星網絡只需要幾顆至二三十顆衛(wèi)星便可搭建，遠遠低于一般雙層網絡的近百顆甚至數(shù)百顆衛(wèi)星。譬如，僅需3顆GEO衛(wèi)星組成的骨干網絡即可覆蓋地球的中低緯度區(qū)域，若采用24顆極軌LEO衛(wèi)星組成的增強網絡，即可實現(xiàn)全球無縫覆蓋，若采用6顆極軌LEO衛(wèi)星組成的增強網絡，平均每個時刻可對全球的98.13%以上區(qū)域提供覆蓋，即便采用I顆LEO衛(wèi)星構成的增強網絡，也可以實現(xiàn)信息在全球范圍內的分發(fā)，因此，整個衛(wèi)星網絡的造價大大降低。
[0013]2、覆蓋范圍大，實現(xiàn)信息全球范圍分發(fā):能夠對中低緯度地區(qū)實現(xiàn)無縫覆蓋，在南北極區(qū)實現(xiàn)周期覆蓋。GEO骨干網絡可以對中低緯度地區(qū)實現(xiàn)無縫覆蓋，通過GEO骨干網絡向LEO增強網絡進行廣播，LEO衛(wèi)星采用無速率編碼的方式對南北極區(qū)進行廣播，可以解決在極區(qū)信息分發(fā)過程中出現(xiàn)的覆蓋中斷問題，實現(xiàn)信息在全球范圍內的分發(fā)。采用內層網絡能夠提高系統(tǒng)的可用度，緩解中高緯度地區(qū)、城市、峽谷、山區(qū)衛(wèi)星信號易被遮擋的問題，還可以增強系統(tǒng)的魯棒性，解決因GEO衛(wèi)星受干擾造成系統(tǒng)不能正常工作的難題。
[0014]3、衛(wèi)星網絡拓撲結構簡單易搭建:外層骨干網絡GEO衛(wèi)星之間建立固定星間鏈路，這些永久性星間鏈路，鏈路長度、方位角和俯仰角幾乎不變，易于星間鏈路的建立和保持。GEO骨干網絡與LEO增強網絡之間通過廣播的方式進行信息的分發(fā)，GEO衛(wèi)星作為外層骨干網絡節(jié)點，既承擔地面用戶終端的業(yè)務傳輸，也為LEO衛(wèi)星和地面信關站提供連接和信息交換；內層增強網絡LEO衛(wèi)星對極區(qū)提供周期服務，并為中低緯度地區(qū)用戶終端提供增強業(yè)務傳輸。雙層衛(wèi)星網絡拓撲結構簡單，星間鏈路的建立難度很低，整個網絡易于搭建。
[0015]4、LE0衛(wèi)星的成本要求較低:內層網絡所有LEO衛(wèi)星都在骨干網的覆蓋范圍內，可以通過廣播的方式與GEO衛(wèi)星進行信息分發(fā)。衛(wèi)星上不用搭載建立星間鏈路的設備，同時，對于衛(wèi)星的星上處理能力要求較低，LEO衛(wèi)星的造價成本較低。而且，可以隨時增加LEO衛(wèi)星的數(shù)目來控制整個衛(wèi)星網絡對南北極區(qū)的覆蓋周期。
[0016]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細描述。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明面向全球信息分發(fā)的GEO和LEO雙層衛(wèi)星網絡三維結構示意圖。[0018]圖2是本發(fā)明面向全球信息分發(fā)的GEO和LEO雙層衛(wèi)星網絡內層網絡采用24顆衛(wèi)星時的多星覆蓋圖。
[0019]圖3是本發(fā)明面向全球信息分發(fā)的GEO和LEO雙層衛(wèi)星網絡內層網絡采用24顆衛(wèi)星時的單星覆蓋時間圖。
[0020]圖4是本發(fā)明面向全球信息分發(fā)的GEO和LEO雙層衛(wèi)星網絡內層網絡采用24顆衛(wèi)星時為全球提供的平均通信仰角變化情況。
[0021]圖5是本發(fā)明面向全球信息分發(fā)的GEO和LEO雙層衛(wèi)星網絡內層網絡采用6顆衛(wèi)
星時的多星覆蓋圖。
[0022]圖6是本發(fā)明面向全球信息分發(fā)的GEO和LEO雙層衛(wèi)星網絡內層網絡采用6顆衛(wèi)
星時的單星覆蓋時間圖。
[0023]圖7是本發(fā)明面向全球信息分發(fā)的GEO和LEO雙層衛(wèi)星網絡一顆LEO衛(wèi)星與外層骨干網絡GEO星座的可見時間情況。
[0024]圖8是3GE0和ILEO仿真起始時刻的星歷表。
【具體實施方式】
[0025]如圖1所示，本發(fā)明面向全球信息分發(fā)的GEO和LEO雙層衛(wèi)星網絡，其特征在于:包括由3顆GEO衛(wèi)星組成的外層骨干網絡和至少I顆LEO衛(wèi)星組成的內層增強網絡，所述3顆GEO衛(wèi)星位于地球赤道上空，定點經度相差120°，GEO衛(wèi)星之間通過固定星間鏈路互聯(lián)，所述LEO衛(wèi)星軌道高度為1450km，軌道傾角為84.5°，所述外層骨干網絡與內層增強網之間通過廣播方式進行信息分發(fā)。
[0026]所述外層骨干網絡與內層增強網之間以及整個雙層衛(wèi)星網絡與地面之間通過廣播方式進行信息分發(fā)時采用無速率編碼方式。
[0027]所述LEO衛(wèi)星數(shù)量為6顆。
[0028]所述LEO衛(wèi)星數(shù)量為24顆。
[0029]整個衛(wèi)星網絡只需要幾顆至二三十顆衛(wèi)星便可搭建，遠遠低于一般雙層網絡的近百顆甚至數(shù)百顆衛(wèi)星。譬如，僅需3顆GEO衛(wèi)星組成的骨干網絡即可覆蓋地球的中低緯度區(qū)域，若采用24顆極軌LEO衛(wèi)星組成的增強網絡，即可實現(xiàn)全球無縫覆蓋，若采用6顆極軌LEO衛(wèi)星組成的增強網絡，平均每個時刻可對全球的98.13%以上區(qū)域提供覆蓋，即便采用I顆LEO衛(wèi)星構成的增強網絡，也可以實現(xiàn)信息在全球范圍內的分發(fā)，因此，整個衛(wèi)星網絡的造價大大降低。
[0030]GEO骨干網絡可以對中低緯度地區(qū)實現(xiàn)無縫覆蓋，通過GEO骨干網絡向LEO增強網絡進行廣播，LEO衛(wèi)星采用無速率編碼的方式對南北極區(qū)進行廣播，可以解決在極區(qū)信息分發(fā)過程中出現(xiàn)的覆蓋中斷問題，實現(xiàn)信息在全球范圍內的分發(fā)。采用內層網絡能夠提高系統(tǒng)的可用度，緩解中高緯度地區(qū)、城市、峽谷、山區(qū)衛(wèi)星信號易被遮擋的問題，還可以增強系統(tǒng)的魯棒性，解決因GEO衛(wèi)星受干擾造成系統(tǒng)不能正常工作的難題。
[0031 ] 內層網絡所有LEO衛(wèi)星都在骨干網的覆蓋范圍內，通過廣播的方式與GEO衛(wèi)星進行信息分發(fā)。
[0032]所述衛(wèi)星進行廣播時采用無速率編碼的方式，以解決信息分發(fā)過程中可能出現(xiàn)的覆蓋中斷問題。[0033]面向全球信息分發(fā)的GEO和LEO雙層衛(wèi)星網絡廣播時采用的無速率碼分析如下:
[0034]無速率碼的特點是編碼端能夠源源不斷產生足夠數(shù)量的碼字，接收端只要收到稍多于原始數(shù)據(jù)的編碼數(shù)據(jù)，就能夠恢復出原始信息，而不管具體接收的是哪些編碼數(shù)據(jù)。無速率碼能夠動態(tài)適應信道環(huán)境的變化。當信道環(huán)境惡化時，發(fā)送端發(fā)送更多的碼字，而當信道環(huán)境較好時，發(fā)送端可以減少發(fā)送碼字的數(shù)目，目的就是使接收端能夠收到一定量的編碼分組從而保證正確譯碼。
[0035]因此，雙層衛(wèi)星網絡采用無速率編碼方式進行廣播，可以實現(xiàn)以下幾點:
[0036]I)可靠性:數(shù)據(jù)能夠完整地分發(fā)到所有的廣播終端；
[0037]2)快速性:降低了確認重傳的次數(shù)，傳輸時延得到有效的減少，信息發(fā)送更為快速；
[0038]3)高效率:每個接收端正確恢復出原始數(shù)據(jù)所需接收的編碼分組數(shù)目較少,接收時間較短；
[0039]4)可中斷:數(shù)據(jù)分發(fā)期間，接受用戶能夠在任意時刻接入信息源并進行數(shù)據(jù)的下載，并且隨時可以中斷下載，稍后可以再次接入繼續(xù)下載；
[0040]5)兼容性:能夠克服網絡異構性，兼容大量分組丟失概率與信道速率不同的用戶。
[0041]本發(fā)明的面向全球信息分發(fā)的GEO和LEO雙層衛(wèi)星網絡，基于無速率編碼實現(xiàn)全球容中斷信息分發(fā)，采用無速率編碼的方式進行廣播，降低了確認重傳的次數(shù)，有效的減少了傳輸時延，信息發(fā)送更為快速。同時，由于無速率碼具有可中斷續(xù)傳的特性，在內層網絡對地面進行廣播時，由于某一顆LEO衛(wèi)星離開極區(qū)造成的信息分發(fā)中斷的問題，可以通過采用下一顆LEO衛(wèi)星在通過該區(qū)域時續(xù)傳中斷信息的方式予以解決。
[0042]例如，內層網絡是由24顆極軌LEO衛(wèi)星組成的Walker星座，LEO衛(wèi)星的軌道高度為1450km，軌道傾角為84.5°，按照24/6/3的星座參數(shù)建立Walker星座。外層3顆GEO衛(wèi)星軌道傾角均為0°，定點經度依次為110° EUO0 W和130° W，GE0衛(wèi)星間建立固定星間鏈路。各衛(wèi)星波束邊緣仰角均為10°。
[0043]采用STK (Satellite Tool Kit)軟件產生3顆GEO衛(wèi)星和I顆LEO衛(wèi)星仿真起始時刻的星歷參數(shù)如圖8中表I所示。再在LEO衛(wèi)星基礎上根據(jù)24/6/3的星座參數(shù)建立Walker星座，各衛(wèi)星波束邊緣仰角均為10°。
[0044]根據(jù)上述條件，當內層網絡采用24顆衛(wèi)星時雙層衛(wèi)星網絡的覆蓋性能分析如下:
[0045]圖2是當內層網絡采用24顆衛(wèi)星時雙層衛(wèi)星網絡的多星覆蓋圖，白色為單星100%覆蓋區(qū)域，灰色為雙星100%覆蓋區(qū)域，黑色為三星100%覆蓋的區(qū)域。
[0046]圖3是當內層網絡采用24顆衛(wèi)星時雙層衛(wèi)星網絡的單星覆蓋時間圖，灰色為單星100%時間覆蓋區(qū)域。
[0047]由圖2和圖3可以看出，當內層網絡采用24顆衛(wèi)星時本發(fā)明能夠實現(xiàn)全球無縫覆蓋，且能夠對高緯度區(qū)域實現(xiàn)雙星或三星覆蓋。由圖4可以看出，雙層衛(wèi)星網絡能夠對全球區(qū)域提供良好的平均通信仰角，特別是在低緯度和高緯度地區(qū)，平均通信仰角更高。
[0048]再例如，內層網絡是由6顆極軌LEO衛(wèi)星組成的Walker星座時，采用STK(Satellite Tool Kit)軟件產生3顆GEO衛(wèi)星和I顆LEO衛(wèi)星仿真起始時刻的星歷參數(shù)如表I所示。再在LEO衛(wèi)星基礎上根據(jù)6/6/1的星座參數(shù)建立Walker星座，各衛(wèi)星波束邊緣仰角均為10°。[0049]根據(jù)上述條件，當內層網絡采用6顆衛(wèi)星時雙層衛(wèi)星網絡的覆蓋性能分析如下:
[0050]圖5是當內層網絡采用6顆衛(wèi)星時雙層衛(wèi)星網絡的多星覆蓋圖，灰色為單星100%覆蓋區(qū)域，黑色為雙星100%覆蓋區(qū)域，白色為未達到單星100%覆蓋的區(qū)域。
[0051]圖6是當內層網絡采用6顆衛(wèi)星時雙層衛(wèi)星網絡的單星覆蓋時間圖，黑色為單星100%時間覆蓋區(qū)域，灰色為單星80%以上時間覆蓋區(qū)域，白色為單星80%以下時間覆蓋區(qū)域。
[0052]由圖5和圖6可以看出，當內層網絡采用6顆衛(wèi)星時本發(fā)明能夠對中低緯度地區(qū)實現(xiàn)100%時間覆蓋，能夠對全球的91.75%區(qū)域提供100%時間覆蓋，對全球的96.29%區(qū)域提供80%以上時間覆蓋，平均每個時刻可對全球的98.13%以上區(qū)域提供覆蓋。由圖6可以看出，在兩極區(qū)域雖然沒有實現(xiàn)100%時間覆蓋，但也能實現(xiàn)周期覆蓋，而且覆蓋中斷時間較短?？梢酝ㄟ^增減LEO衛(wèi)星的數(shù)目來控制整個衛(wèi)星網絡對兩極區(qū)域的覆蓋周期。即使只采用I顆LEO衛(wèi)星構成的增強網絡，也可以實現(xiàn)信息在全球范圍內的分發(fā)。
[0053]圖7是一顆LEO衛(wèi)星與外層骨干網絡GEO星座的可見時間情況。從圖中可以看出，LEO衛(wèi)星在任意時刻至少可以與一顆GEO衛(wèi)星可見，根據(jù)雙層衛(wèi)星網絡空間結構的對稱性，內層網絡所有LEO衛(wèi)星都在骨干網的覆蓋范圍內，可以隨時實現(xiàn)GEO衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星之間的廣播。
[0054]本發(fā)明的面向全球信息分發(fā)的GEO和LEO雙層衛(wèi)星網絡，僅靠較少的衛(wèi)星數(shù)量，實現(xiàn)了全球范圍內高效、可靠的信息分發(fā)。GEO骨干網絡對地球南北緯約50°范圍內實現(xiàn)無縫覆蓋。LEO增強網絡實現(xiàn)對南北極區(qū)的周期覆蓋，提高系統(tǒng)的可用度，增強系統(tǒng)的魯棒性；整個雙層衛(wèi)星網絡根據(jù)衛(wèi)星軌道的可預測特點，采用無速率編碼的方式解決信息分發(fā)過程中可能出現(xiàn)的覆蓋中斷問題，實現(xiàn)信息在全球范圍內的容中斷分發(fā)。
【權利要求】
1.一種面向全球信息分發(fā)的GEO和LEO雙層衛(wèi)星網絡，其特征在于:包括由3顆GEO衛(wèi)星組成的外層骨干網絡和至少I顆LEO衛(wèi)星組成的內層增強網絡，所述3顆GEO衛(wèi)星位于地球赤道上空，定點經度相差120°，GE0衛(wèi)星之間通過固定星間鏈路互聯(lián)，所述LEO衛(wèi)星軌道高度為1450km，軌道傾角為84.5°，所述外層骨干網絡與內層增強網之間以及雙層衛(wèi)星網絡與地面之間通過廣播方式進行信息分發(fā)。
2.根據(jù)權利要求1所述的面向全球信息分發(fā)的GEO和LEO雙層衛(wèi)星網絡，其特征在于:所述信息分發(fā)采用無速率編碼方式進行。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的面向全球信息分發(fā)的GEO和LEO雙層衛(wèi)星網絡，其特征在于:所述LEO衛(wèi)星數(shù)量為6顆。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的面向全球信息分發(fā)的GEO和LEO雙層衛(wèi)星網絡，其特征在于:所述LEO衛(wèi)星數(shù)量為24顆。
【文檔編號】H04B7/185GK103957045SQ201410165182
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月23日 優(yōu)先權日:2014年4月23日
【發(fā)明者】張更新, 王闖, 張威, 謝智東, 邊東明, 孔博, 胡婧 申請人:中國人民解放軍理工大學