基于STK的LEO通信系统星座仿真分析技术

基于STK的LEO通信系统星座仿真分析技术摘要低轨道卫星通信系统的星座结构决定了卫星星座对指定区域的覆盖质量，是保障低轨道卫星通信效果的前提和保障，要对某种特定组织结构的卫星星座覆盖特性进行分析。本文首先建立了典型低轨卫星通信系统星座仿真模型，然后通过星座仿真模型对其覆盖特性进行了分析，并给出了分析结果。关键字低轨卫星通信系统星座仿真覆盖特性SimulationanalysistechnologyoncharacterisricofLEOcommunicationsystem’ConstellationbasedSTKFUHai-peng,CHAIKe-jun,JIANGFangAbstract:ThecoveringcharacteroftheappointeddistrictisdecidedbythestructureofLEO’sconstellation,whichisthepremiseandguaranteeofLEO’scorrespondenceresult,sothecoveringcharactetofrepresentativestructureshouldbeanalysed.ThistextbuiltupsimulationonLEO’sconstellation,thenanalysethecoveringcharactetofitandgiveananalyticalresult.Keywords:LEO;constellation;simualtion;simulationsystem;thecoveringcharactet1引言利用低轨道（LEO）卫星实现手持机个人通信的优点在于：一方面卫星的轨道高度低，使得传输延时短。路径损耗小，多个卫星组成的星座可以实现真正的全球覆盖，频率复用更有效；另一方面蜂窝通信、多址、点波束、频率复用等技术也为低轨道卫星移动通信提供了技术保障。因此，LEO系统被认为是最新最有前途的卫星移动通信系统，美国的铱（Iridium）系统、全球星（Globalstar）系统等最为典型。卫星移动通信网络是以卫星星座为基本物理架构，多颗卫星按一定形状分布，通过星际的通信链路形成覆盖全球的天基通信网络，具有一定的覆盖性能。星座系统具有较强的抗毁性、抗干扰性和冗余能力，在个别卫星部分功能失效或个别卫星被破坏的情况下仍能降级使用。星座覆盖性能是卫星通信系统的重要特征，通过对星座覆盖特性的分析将帮助我们了解系统网络组成，链路传播特性，抗干扰性能等。STK卫星是美国AnalyticalGraphics公司开发工具包软件，是航天工业领先的商品化分析软件。STK可以快速方便地分析复杂的陆、海、空、天任务，并提供易于理解的图表和文本形式的分析结果，确定最佳解决方案。它支持航天任务周期的全过程，包括政策、概念、需求、设计、制造、测试、发射、运行和应用。本文将采用STK卫星仿真软件工具，通过对铱星系统星座和全球星系统星座轨道设计理论参数进行分析讨论，以标准轨道根数建立典型低轨卫星通信系统星座仿真模型，进而讨论分析典型星座覆盖特性。2典型低轨卫星通信系统卫星星座的轨道根数2.1经典轨道参数卫星轨道参数是用来描述在太空中卫星运行的位置、形状和取向的各种参数。在惯性坐标系中描述卫星运动的几个经典根数是：a半轴长，e偏心率，i轨道倾角，Ω升交点赤径，ω近地点幅角，t卫星在轨道上的飞行时间（可用平近点角M代替）。图1为卫星运动轨道六个经典轨道参数的示意图。卫星运动轨道及星下点坐标计算方程可在相关参考书中找到，这里不再敷述，由卫星运动方程以及六个经典轨道参数就可以确定卫星在空间的位置。图1描述卫星运动的经典轨道参数在实际应用中我们常用的是两行星历，在两行星历数据中就包含了卫星最重要的六个轨道参数数，STK卫星仿真工具包也支持两行星历，而且STK还提供了多种对卫星运行轨道影响的因素如地球偏率等，为研究分析卫星运动轨道的性能提供了方便。2.2铱星通信系统、全球星通信系统星座特点（1）铱星星座特点铱星系统星座设计为66颗低轨卫星在距地面约780km高空的6个近极点（倾角为86°）轨道环绕地球运行。每个轨道平面上有1l颗卫星，同向旋转面相隔31.6°，反向旋转面相隔22°【1】。（2）全球星星座特点全球星系统星座空间段共有56颗卫星，包括48颗工作星和8颗在空中备用的卫星，这些卫星平均分布在8个倾角为52°的圆形轨道平面上，每个轨道平面内有6颗工作卫星和一颗备用卫星，工作卫星轨道高度为1414km，备用卫星的轨道高度为900km【1】。2.2铱星通信系统、全球星通信系统卫星标准星座的轨道根数铱星系统标准星座设计采用圆形极轨道星座，全球星系统标准星座采用网状覆盖星座（Walker星座）【2】。两者的区别在于网状覆盖星座不适合于覆盖南北极的地区，一般选在南北纬72°地区；圆形极轨道有利于覆盖南北两极。这与铱星、全球星系统的特点相符。根据铱星、全球星系统的相关资料分析，可知铱星通信系统和全球星通信系统卫星标准星座半轴长分别为7185km、7767km，偏心率均为0，轨道倾角分别为86°、52°，近地点幅角均为0°，升交点赤径升交点赤径均按照轨道数量在空间内均匀分布，平均近点角均按照同一轨道面卫星数量在轨道面内均匀分布。根据上述轨道参数计算铱星和全球星轨道仿真的其他参数，其中每个轨道面的升交点赤径取值见表1，初始平均近点角取值见表2。表1铱星、全球星星座轨道面的升交点赤径值铱星星座全球星座轨道面数升交点赤径Ω轨道面数升交点赤径Ω131.6°1022×31.6°21×45°33×31.6°32×45°44×31.6°43×45°55×31.6°54×45°66×31.6°65×45°--76×45°--87×45°备注铱星星座为6个轨道面，全球星座为8个轨道面。表2铱星、全球星星座每个轨道面各卫星的初始平近点角值铱星星座全球星星座卫星奇数轨道面卫星初始平近点角M偶数轨道面卫星初始平近点角M轨道面数第1颗卫星初始平近点角M同一轨道面内相邻卫星间隔10°0.5×360/11°10°60°2360/11°1.5×360/11°27.5°60°32×360/11°2.5×360/11°32×7.5°60°43×360/11°3.5×360/11°43×7.5°60°54×360/11°4.5×360/11°54×7.5°60°65×360/11°5.5×360/11°65×7.5°60°76×360/11°6.5×360/11°76×7.5°60°87×360/11°7.5×360/11°87×7.5°60°98×360/11°8.5×360/11°---109×360/11°9.5×360/11°---1110×360/11°10.5×360/11°---备注铱星星座每个轨道面11颗卫星，全球星座每个轨道面8颗卫星。3铱星通信系统、全球星通信系统标准星座仿真模型建立STK提供了多种卫星轨道预测模型，其中J4模型和HPOP模型仅考虑了地球偏率的影响，而SGP4模型则考虑了多种因素的影响，最主要的是SGP4模型才是真正与TLE星历配合使用的卫星轨道预测模型。这里使用J4模型产生理想的卫星星座，然后由STK自动将J4模型的卫星星座转换为SGP4模型的星座，这样减少了人为误差，也提高了建模效率。本文利用MATLAB和STK混合编程实现铱星通信系统、全球星通信系统标准星座仿真建模。首先，根据前面分析的铱星通信系统、全球星通信系统标准星座的轨道根数，在MATLAB中编写相应的控制程序，通过STK连接模块控制STK生成J4模型（或HPOP模型）的标准轨道模型。然后，通过MATLAB控制程序，操作STK将生成的J4模型星座转换城SGP4模型星座。采用STK工具包建立的铱星通信系统星座仿真模型见图1，全球星通信系统星座仿真模型见图2。图1STK生成的SGP4模型的标准铱星通信系统星座图2STK生成的SGP4模型的标准全球星通信系统星座至此，完成了铱星通信系统、全球星通信系统标准星座仿真模型的建立。由于篇幅限制，这里不再介绍MATLAB控制程序的设计技术。4铱星通信系统、全球星通信系统标准星座覆盖性能分析4.1卫星通信系统覆盖性能分析的概念覆盖性能是星座通信系统在需要的时间和地点动态集中所需卫星容量的能力，具有时间和地点两个方面的属性。评价一个星座系统对某区域的覆盖特性通常有星座覆盖统计性能、单星覆盖率、多星覆盖率等指标。这些覆盖性能均可以通过STK建立的卫星轨道模型仿真得到，本文中仿真条件均为理想条件，地面接收点均为某一指定点位。星座覆盖统计性能表征了卫星星座对某一指定区域的覆盖水平。它包括两方面的含义，一个方面是某一时刻卫星星座对指定地区的覆盖程度；另一个方面是卫星星座在任一运行周期内，从任一星座覆盖图记起，到卫星星座重新运行到该星座覆盖图的一段时间内，卫星星座的对该区域的覆盖情况【2】。单星覆盖率是指在目标区域内和星座运行周期各采样站点至少有1颗卫星覆盖的概率。多星覆盖率是指在目标区域和星座运行周期内各采样站点至少有2颗或3颗以上卫星覆盖的概率。4.2铱星通信系统、全球星通信系统标准星座覆盖特性分析STK仿真工具包为我们提供了十分方便的星座仿真分析模块，在STK中可以得到直观的铱星通信系统星座覆盖图（地面最小仰角8.2°）见图3，全球星通信系统星座覆盖图（地面最小仰角10°）见图4，当然也可以将有关数据导出，用于覆盖特性的对比分析。图3铱星通信系统星座覆盖图图4全球星通信系统星座覆盖图从两个典型低轨卫星通信系统星座覆盖图可以看出，铱星通信系统可以覆盖全球范围，包括南北极地区，而全球星通信系统的覆盖范围在南北纬72°地区，但不能覆盖南北极地区。（1）典型低轨卫星通信系统星座覆盖统计特性计算卫星星座的覆盖特性时，需要在地球的表面取有限个采样点，通过这些采样点的统计结果来表示卫星星座的覆盖特性。关于采样点的取法有多种，这里采取比较简单的一种栅格法取采样点，即将地球的表面分成与经度和纬度线平行的栅格，栅格间的角距相等。星座的覆盖特性正是建立在这些采样点的统计特性之上的。由于低轨卫星绕地球高速运动，所以每一时刻卫星的覆盖特性都不相同。因此这里计算星座的平均覆盖率进行低轨卫星通信系统星座覆盖性能分析。铱星的运行周期是100min，地面最小仰角8.2°，栅格间角距为6°【1】，【2】，通过STK仿真得到铱星通信系统星座在一个运行周期内瞬时覆盖率与时间的变化曲线如图5所示。图5铱星通信系统星座覆盖率随时间变化曲线全球星的运行周期是114min，地面最小仰角10°，栅格间角距为6°，通过STK仿真得到全球星通信系统星座在一个运行周期内瞬时覆盖率与时间的变化曲线如图6所示。图6全球星通信系统星座覆盖率随时间变化曲线通过计算可以得到铱星通信系统星座在一个运行周期内的平均覆盖率是100％，全球星通信系统星座在一个周期内的平均覆盖率是95.5％。可见铱星系统的覆盖统计特性优于全球星系统。（2）典型低轨卫星通信系统星座单星覆盖率和多星覆盖率对于地面某一点而言，可能是多星覆盖，也可能是单星覆盖。通过STK仿真得到铱星通信系统和全球星通信系统星座的单星单星覆盖情况和多星覆盖情况，见图7和图8。06001200180024003000360042004600500056006000时间（s）06001200180024003000360042004600500056006000时间（s）图7铱星通信系统单星覆盖和多星覆盖情况图8全球星通信系统单星覆盖和多星覆盖情况从图7和图8可以看出，铱星通信系统星座单星覆盖率在赤道附近最高达到70％以上，而随着纬度的增加，其单星覆盖率不断减小，当纬度达到60°左右时，单星覆盖率几乎为0。全球星通信系统星座单星覆盖率在25°～50°之间时为0，当纬度增大到68°左右时单星覆盖率最大达到80％以上，对于两极附近的区域，全球星覆盖不到。铱星通信系统星座在低纬度地区的双星覆盖率在30％以上，而看到3颗以上铱星的概率较小平均只有约10