中国指挥与控制学会会刊 
近些年来,全球航天的发展焦点逐渐从高轨空间向低轨空间转移,在技术发展和一些国家太空战略调整的背景下,人类在低轨空间领域发展迅速,在最近20年中,低地球轨道(Low Earth Orbit, LEO)年发射航天器数量比例从57%提高至97%,年平均部署卫星数量提升两个数量级[1]。由于低轨卫星通信相比于高轨卫星通信的优势明显,在LEO卫星中,通信卫星的数量近些年呈现爆发式增长,相比2001至2005年,2016至2020年LEO通信卫星数量激增了近40倍,2001年至2020年全球通信卫星发射数量统计表如表1 所示。
表1 全球通信卫星发射统计(2001—2020)[1]Tab.1 Statistics of global communications satellite launches (2001—2020) |
| 年份 | 全球通信卫星 数量/颗 | GEO卫星 数量/颗 | LEO卫星 数量/颗 | LEO 卫星占比 |
|---|---|---|---|---|
| 2001-2005 | 141 | 106 | 35 | 25% |
| 2006-2010 | 169 | 122 | 47 | 28% |
| 2011-2015 | 245 | 142 | 103 | 42% |
| 2016-2020 | 1 369 | 115 | 1 254 | 92% |
在LEO通信卫星中,SpaceX公司提出的“星链计划”脱颖而出,人类从苏联发射第一颗人造卫星至“星链计划”提出前,共发射了4 000多颗卫星,而“星链计划”准备向近地轨道发射约4.2万颗卫星,是过去人类发射卫星总和的10倍。截至2022年7月7日,SpaceX公司已经发射2 759颗星链卫星,已经超过人类之前发射卫星总和的50%,是目前唯一正在快速部署的巨型低轨星座。
本文分析了低轨通信卫星的优势特点,利用卫星工具包(Satellite Tool Kit,STK)对“星链计划”第一阶段部署的1 584颗星链卫星建模,基于Dijkstra算法计算当星链卫星全部配备激光通信载荷完成卫星组网后,任意两颗星链卫星之间的最短通信距离和最小理论通信时延,从而评估对比“星链计划”卫星通信优势,进而预测其军事应用的可能。
1 卫星互联网通信
在光缆和移动基站大面积覆盖前,移动通信的实现主要依靠通信卫星,人类可以仅通过向地球静止轨道或中高轨道发射一颗卫星,就能够为地球表面较大区域提供互联网通信的服务,较少数量的卫星就能够基本实现全球覆盖。我国建设卫星互联网首先也从地球静止轨道开始,在2017年4月12日我国发射首颗高轨道高通量通信卫星,首次应用了Ka频段多波束宽带通信系统,大大提高了信息传送能力。地球静止轨道卫星相对于地球是静止的,这就可以保证地面接收天线固定对准卫星,既可以接收信号,又能节约地面设施的建设成本。但不能忽视的是,地球静止轨道距地面距离约在35 786 km,信号传输的距离较长,上行下行一个来回用时要超过100 ms,而且一颗地球静止轨道通信卫星的成本非常高昂,因此,在地面基站以及光缆大面积覆盖后,高轨通信卫星的优势不再巨大。
通过地下、水下铺设的光缆以及地面上建立的通信基站,人类能够享受更加便利的通信服务,但通信基础设施的建设成本非常高昂。数据显示,一座4G网络基站的建设成本约为20~25万元,而一座5G基站则高达36万元,海底光缆的建设成本更高达18万美元每千米[2],因此,在人群聚集地建设这些设施的收益相对较高,但世界上有很多偏远地区地广人稀,建设密集的通信基础设施收益较低。而卫星通信能够突破地理位置限制,为偏远地区的人类提供通信服务,如果可以解决卫星通信信号弱及通信时延高的问题,那么卫星互联网将可以弥补地面5G网络通信的短板,能够在极地、沙漠、偏远地区、海洋、航空等场景下提供互联网通信服务,因此,随着技术的发展,低地球轨道逐渐成为发展的焦点。
低地球轨道高度一般在2 000 km以下,其具备以下优势:一是将卫星发射送入低轨道所需的能量较少,且由于轨道高度低,地面终端信号上行和卫星信号下行的功耗也更低,能够节约成本;二是由于轨道高度低通信时延也较低,以550 km轨道高度为例,上行下行一个来回,用时仅7~8 ms,远低于地球静止轨道卫星的通信时延;三是小卫星在低地球轨道上部署更具优势,小卫星生产速度快,发射容易,组网能力强,不仅其通信容量大,且弹性能力更强。
但低轨道卫星也存在劣势,由于低轨道卫星运行速度快,瞬时视场小,单颗卫星每一时刻覆盖的区域小,需要建设一个“星座”才能实现连续、全球覆盖,其技术难度较大;而且为实现信号更佳,当卫星数量较少时,地面天线需要更加频繁转动来对准卫星,当卫星数量增加后,地面终端又面临不断切换卫星接收信号的问题。
卫星互联网随着低轨道星座的建设而迅速发展,低轨卫星互联网凭借其轨道低的优势能够实现通信时延低、损耗小,随着卫星数量进一步增加,星座组网后能够具备覆盖范围更广、通信容量更大的特点,因此,低轨卫星互联网将有可能弥补地面移动通信的短板,突破地理阻隔,让更多人享受互联网服务。随着科技的发展,低轨卫星互联网能够在时延要求高的领域发挥重要作用,例如金融、AR、远程医疗以及无人驾驶等,为实现“万物互联”的美好愿景奠定基础。
2 “星链计划”
2.1 “星链计划”介绍
美国太空探索计划公司(SpaceX)于2015年提出的“星链计划”,计划向太空近地轨道发射1.2万颗通信卫星,从而组成星链网络提供高质量卫星互联网服务。2019年,SpaceX公司又提交申请,准备追加3万颗星链卫星,卫星数量总计将达到4.2万颗[3]。“星链”是目前唯一正在快速部署的低轨巨型星座,截止2022年7月,已成功发射2 957颗卫星,2 668颗在轨,已在美国、加拿大、墨西哥、英国、法国、德国、乌克兰等36个国家和地区提供服务,计划明年将服务扩展至亚洲、非洲和中东的大部分地区。
星链计划预计共发射约4.2万颗卫星,部署总体计划分为三个阶段:第一阶段,至2024年,完成4 408颗卫星部署;第二阶段,至2027年,完成7 518颗卫星部署,第三阶段,预备轨道占位部署约3万颗卫星。
当前,星链计划正处于部署第一阶段,将4 408颗星链卫星部署于5个轨道“壳层”,“壳层1”轨道高度550 km、倾角53°,计划部署1 584颗卫星;“壳层4”与“壳层1”相近,轨道高度540 km、倾角53.2°,同样准备部署1 584颗卫星;“壳层2”,轨道高度570 km、倾角70°,计划部署720颗卫星;“壳层3”和“壳层5”轨道高度均为560 km、倾角97.6°,计划分别部署348颗和172颗卫星。
第二阶段计划将7 518颗星链卫星部署于“壳层6”、“壳层7”和“壳层8”三个轨道“壳层”,第三阶段计划将约3万颗星链卫星部署于高度在340~614 km之间的9条倾斜轨道上,具体部署计划见表2 。
表2 星链计划总体部署计划表Tab.2 Overall deployment plan of the Starlink program |
| 部署 阶段 | 轨道层 | 轨道高 度/km | 轨道倾 角/° | 计划部 署/颗 | 实际发 射/颗 |
|---|---|---|---|---|---|
| 第一 阶段 | Group1 | 550 | 53 | 1 584(72×22) | 1.0版卫星 1673颗 |
| Group2 | 570 | 70 | 720(36×20) | 1.5版卫 星51颗 | |
| Group3 | 560 | 97.6 | 348(6×58) | 1.0 1.5版卫 星197颗 | |
| Group4 | 540 | 53.2 | 1 584(72×22) | 1.5版卫 星1284 | |
| Group5 | 560 | 97.6 | 172(4×43) | 未发射 | |
| 第二 阶段 | Group6 | 335.9 | 42 | 2 493 | 未发射 |
| Group7 | 340.8 | 48 | 2 478 | 未发射 | |
| Group8 | 345.6 | 53 | 2 547 | 未发射 | |
| 第三 阶段 | - | 340 | 53 | 5 280(110×48) | 未发射 |
| - | 345 | 46 | 5 280(110×48) | 未发射 | |
| - | 350 | 38 | 5 280(110×48) | 未发射 | |
| - | 360 | 96.9 | 3 600(120×30) | 未发射 | |
| - | 525 | 53 | 3 360(120×28) | 未发射 | |
| - | 530 | 43 | 3 360(120×28) | 未发射 | |
| - | 535 | 33 | 3 360(120×28) | 未发射 | |
| - | 604 | 148 | 144(12×12) | 未发射 | |
| - | 614 | 115.7 | 324(18×18) | 未发射 |
2.2 “星链计划”系统架构
2.2.1 空间段
“星链计划”主要由空间段和地面段两部分组成,空间段星链卫星采用高度集成的箱板式结构,每颗卫星搭载4面相控阵天线,太阳能帆板采用单侧大展弦比柔性设计,并在全球首次采用氪离子推进[5]。1台恒星跟踪器用于测量卫星姿态,确保宽带通信精度。“星链”自动防撞系统使用美国国防部的碎片库信息,避免和其他航天器产生碰撞。目前,每颗“星链”卫星都配有2个Ka波段天线,与各地部署的地面站网关连接,再通过光纤与地面骨干网互通。
“星链”第1批次发射的卫星为0.9版本,质量227 kg,仅支持Ku频段通信,且无星间激光链路载荷。第2—17和19—30批次卫星为1.0版本,每颗卫星重260 kg,增加了Ka频段天线,但仍然没有配置星间激光链路载荷。第18和31批次为极地轨道卫星,倾角97.5度的太阳同步轨道,2021年1月发射的第18批次的10颗卫星首次配备激光链路载荷,以验证星间激光链路的在轨性能,第32批次以后发射的星链卫星正式增加了星间激光链路载荷,单星重量增至307 kg,还安装了2个抛物面天线,如图1 。
据相关人士称,目前已经研制出一颗2.0版本星链卫星,其能力预计是1.0版星链卫星的10倍,重量约为1.25 t,长约7 m。
2.2.2 地面段
地面段主要由信关站、用户套件组成。“星链”已在全球部署约150个信关站,主要分布在南北美洲、澳洲及欧洲,图2 中红色点为星链地面站分布位置,白色点为星链卫星。
每个信关站包括8个天线,图3 是美国威斯康星州梅里兰地面站。在开启星间链路服务前,“星链”网络可服务范围以信关站附近区域为主。目前,“星链”信关站的天线口径约为1.47 m,上行信号频段为27.5~29.1 GHz和29.5~30 GHz,发射功率约15 W,EIRP为60.50 dBW。
“星链”用户套件包括1个户外天线、1个三脚架、电源和1个Wi-Fi路由器,如图4 。
2020年11月,首批终端开始交付北美用户,使用一体化设计的平面相控阵天线在户外接收/传输卫星信号,多面几何体路由器用于提供和传输终端用户接入“星链”网络的信号。终端接收机带有电动机,可全自动调节接收角度,为用户提供最佳信号。
为满足频繁切换的要求,“星链”采用先进的相控阵技术,卫星和用户套件均由数百个相控阵单元组成,这些阵元由SpaceX可动态切换设计的专有数字波束成形相控阵芯片控制,控制芯片可实现毫秒级的精确切换控制。相控阵技术通过允许卫星天线和用户天线同时调整各天线单元的幅度和相位,具备电扫描能力,从而完全调整天线,使其转向保持跟踪射频波束。该技术解决了低轨星座连续移动的难点,促成了“星链”星座网络的独特优势,提升了其星座的可靠性。
3 星链星座通信建模仿真
已有一些学者利用建模仿真的手段对星链进行了研究。骆盛等人[7]对截至2020年4月底的星链卫星进行了建模,仿真计算对热点地区的覆盖情况,从覆盖资源和覆盖品质因数分析对T区的覆盖情况,仿真结果显示在轨的417颗卫星对T区的覆盖情况较差,存在很多无法覆盖的时刻和地点。刘旭光等人[8]对2021年8月5日前1 661颗星链卫星进行了覆盖分析,结果显示,星链星座能够对地球形成96.61%至100%的连续覆盖,瞬时平均覆盖率可达98%。薛文等人[9]对第一阶段星链星座部署情况进行分析,对第2至13批总计700颗卫星以及第1阶段1 584颗卫星进行建模,仿真计算对北美和全球的覆盖性能,结果显示北美地区最小可见卫星数为11颗,最大可见卫星数为21颗;南北纬65度附近区域最小可见卫星数为8颗,最大可见卫星数为23颗,南北纬47度左右达到最大可见卫星数,纬度高于60度的区域卫星不可见。第1阶段部署完成后的卫星可见数相较于第2至13批次部署的卫星,在北美地区最小可见卫星数多2颗,最大可见卫星数多1颗,全球最小可见卫星数多1颗,最大可见卫星数多2颗。刘帅军等人[10]对在轨星链420颗星链卫星及第一阶段1 584颗星链卫星进行了覆盖分析,结果显示在南北纬30至55度之间的区域里,在轨420颗星链卫星覆盖情况较好,纬度高于60度的区域和中低纬度地区覆盖情况差,无法实现对地连续覆盖。而第一阶段1 584颗卫星能够形成较好的覆盖情况,在南北纬60度以内的区域能够实现连续多重覆盖,在南北纬30至55度之间,覆盖重数大于9。刘帅军等人[11]以星链第一阶段部署情况为研究对象,分析其与高轨GSO系统的干扰情况,结果显示星链星座的端星接入策略是干扰GSO系统至关重要的因素,因此必须对GSO系统的干扰进行规避,可采用星载跳波束技术规避对GSO系统的干扰。朱锋等人[12]利用广度优先搜索的思想,综合考虑网络节点负载、数据传输时延等因素,针对动态程度高的星间链路网络,提出一种路由规划算法。张雨露等人[13]分析了星链星座构型变化的规律和提供独立PNT服务时能达到的定位性能,仿真结果显示GDOP在分布上呈现纬度相关性,卫星数量为1 584颗,南北纬35°到55°之间GDOP值约为0.7,卫星数量为4 408颗,GDOP降低至0.5以下,卫星数量再增加时,GDOP趋于平稳;当卫星数量为4 408颗时,SPP全球RMS均值在N、E、U三个方向上分别为0.37、0.36、4.75 m;PPP平均收敛时间小于2 min,较单GPS/BDS优势明显。
为研究星链星座通信能力,本文以星链计划第一阶段1 584颗卫星为分析对象,预测当1 584颗星链卫星增加星间激光链路载荷,完成组网后,星链星座所具备的通信能力。当前星链仅第一阶段“壳层1”1 584颗卫星完整部署了,考虑星链星间通信组网方式,将研究对象限定为“壳层1”1 584颗卫星。通过星链星座的卫星通信主要分为两个部分:第一部分是卫星和地面站之间上下行,第二部分是星链卫星之间激光通信链路。本文首先基于STK分析星链星座对地面站的覆盖情况,之后基于Dijkstra算法,求解任意两颗星链卫星之间的最小通信距离,计算通过星链星座通信的最小通信时延。研究仅从理论上分析任意两地面目标通过星链星座通信的最短距离,从而去考虑最小通信时延,不考虑用户端及星链卫星接收、发送信号时的处理时间,设定上行、下行及星链卫星之间激光通信速度均为光速(299 792 458 m/s)。
3.1 星链星座通信模型
“星链计划”第一阶段1 584颗卫星部署于22个轨道面上,每个轨道面上有72颗卫星,属于典型的Walker星座,利用卫星工具包(Satellite Tool Kit, STK)卫星仿真软件,根据SpaceX公布卫星轨道根数,设置种子卫星,本文以2022年04月25日根数分析结果,设定种子卫星历元为25 Apr 2022 04:00:00.000 UTC,轨道根数为半长轴6 928.137(高度550 km)、升交点赤经160°、轨道倾角53°、偏心率0°、其他轨道参数为0。基于种子卫星生成由1 584颗星链卫星组成的Walker星座,如图5 。
将星座内的卫星命名为Starlink-aabb,其中aa表示轨道面数序号,bb表示某轨道面上卫星序号,例如Starlink-0805表示第8个轨道面上第5颗星链卫星。
根据官方给出的星链卫星Ku波段天线覆盖角度,部署初期仅有25°,但最终将会提高到40°半锥角,考虑仿真分析的前瞻性和预测性,故在仿真中将所有星链卫星天线覆盖角度均设置为40°[6],如图6 。
根据官方给出的星链星座组网模式,每颗卫星连接四条激光通信链路,同轨道面前后相连,异轨道面左右相连,同轨道面星间相对位置保持不变,异轨道面星间相对位置会随时间变化,但每颗卫星星间链路稳定,不需要切换卫星,这能节约重新搜索链接卫星和重新建立连接的时间。如图7 ,Starlink-0472激光通信链路分别与Starlink-0471、Starlink-0401、Starlink-0303、Starlink-0569相连,其中与Starlink-0471、Starlink-0401属于同一轨道面,与Starlink-0303、Starlink-0569属于相邻轨道面。
3.2 迪杰斯特拉算法(Dijkstra)
Dijkstra算法是求解一个顶点到其余各点的最短路径算法,主要特点是以贪心算法的策略,从起点开始每次遍历距离起始点最近且未访问过的顶点的邻接节点,直到扩展到终点。算法基本思想为,设定起点为q,所有顶点的集合为S和V-S,初始集合S仅包含起点q,S集合中的顶点到起点q的最短距离已经确定,V-S集合中的顶点到起点q的最短距离还未确定,从起点经过集合S中的点到达V-S集合中的点的路径称为特殊路径,用数组Dist[]记录从起点到各顶点的最短特殊路径的长度,算法贪心的策略为选择长度最短的特殊路径,将V-S集合中的顶点更新至集合S中,并更新数组Dist[],当S包含所有顶点,数组Dist[]是起点到其他所有顶点的最短路径长度。具体算法设计如下:
1)设置地图的带权邻接矩阵为Map[][],即如果从起点q到顶点i有边,就令Map[q][i]值为q至i的权值,否则Map[q][i]=∞;采用一维数组Dist[i]来记录从源点到i顶点的最短路径长度:采用一维数组P[i]来记录最短路径上i顶点的前驱。
2)令集合S={u},对于集合V-S中的所有顶点i,初始化Dist[i]=Map[q][i],如果起点q到顶点i有边相连,初始化P[i]=q(i的前驱是u),否则p[i]=-1。
3)在集合V-S中依照贪心策略来寻找使得Dist[j]具有最小值的顶点t,即Dist[t]=min,则顶点t就是集合V-S中距离起点q最近的顶点。
4)将顶点t加入集合S,同时更新S和V-S。
5)如果集合V-S为空,算法结束,否则转6。
6)在(3)中已经找到了起点到t的最短路径,那么,对集合V-S中所有与顶点t相邻的顶点j,都可以借助t走捷径。如果Dist[j]>Dist[t]+map[t][j],则Dist[j]=Dist[t]+Map[t][j],记录顶点j的前驱为t,P[j]=t,转(3)。
3.3 仿真结果分析
分析伦敦(51.312,-0.117)至纽约(40.524,-74.006)通过星链卫星通信的时延。因星链卫星轨道较低,同一卫星对同一地面站覆盖时间较短,按照每分钟划分,即一天24小时划分为1 440个时间点,分析各个时间点时,伦敦地面站-星链卫星-……-星链卫星-纽约地面站这一通信链路的通信时延。图8 、9 为星链星座覆盖时刻表。
根据STK仿真模型,给出1 440个时间点时,1 584颗星链卫星的J2000坐标,根据星链坐标结合Dijkstra算法,求解每个时间点分别覆盖伦敦和纽约的两颗星链卫星之间的最短通信距离和最短通信时延。根据算法,一天1 440个时间点上通信距离如图10 所示,平均通信距离为12 252.180 21 km;通信时延如图11 所示,平均通信时延为40.868 874 07 ms。
相比于地球同步轨道卫星,地球静止轨道距地面距离约在35 786 km,上行下行一个来回用时要超过100 ms,星链卫星通信时延明显。相比于AC-2海底电缆,伦敦至纽约来回通信距离约为12 800 km,光缆中光传播速度约为203 940 448 m/s,不考虑设备转换信号所需时间,通信时延约62.7 ms,略优于第一阶段星链卫星部署情况下的卫星通信时延。
从仿真结果来看,仅就第一阶段星链卫星组网完成后的星链星座卫星通信具备以下优点:一是通信时延小,通信容量大。基于部署于近地轨道的数量庞大的星链卫星,星链卫星通信具备通信时延小、用户容量大的特点;二是卫星通信弹性大。星链卫星数量庞大,仅一两颗卫星出现问题不会影响整个星链星座通信,且其发射成本低,因此整个星链星座抗打击能力强,弹性大;三是卫星覆盖范围广,有能力覆盖极地等偏远地区。在极地地区布设光缆难度大,且地球静止轨道也无法覆盖极地地区,因此,星链卫星通信在极地等偏远地区优势明显。
但从仿真结果来看,星链星座也存在问题。一是卫星运行速度快,卫星切换频繁。单颗卫星对地面站覆盖时间短,地面站面临频繁切换卫星的问题,通信质量保障难度大。二是卫星通信可能会面临干扰等问题。相比于光缆等有线通信,星链卫星通信始终面临稳定性差和易受干扰的问题。
4 “星链计划”卫星通信军事应用预测
4.1 美军卫星通信系统概述
美军的卫星通信体系建设起步早,在关键技术方面也处于世界领先地位,目前美军的卫星通信由宽带、窄带、受保护和中继四类卫星通信系统组成,不仅在通信频率上覆盖了特高频、超高频和极高频等各个频段,而且在应用上满足了战略、战役和战术等各个层级。
1)宽带卫星通信系统
从20世纪60年代开始,美军先后建设了国防卫星通信系统(DSCS)、宽带全球卫星通信系统(WGS)。作为最早的军用卫星通信系统,DSCS在发展了三代之后逐渐被WGS取代。2007年起美空军正式开始部署WGS,该系统是美军功率最大、容量最大的宽带卫星通信系统,是美军第一个实现通信卫星从战略通信向战术通信转变的宽带卫星通信系统。
宽带全球卫星通信系统已经成功发射12颗卫星,均运行在地球静止轨道上,发射重量约5.9 t,设计寿命约14年。根据卫星部署情况来看,除高纬度的极地地区之外,目前WGS已经基本拥有全球通信覆盖的能力,并且可对部分热点地区实现多重覆盖。据资料显示,WGS卫星具备X频段、Ka频段双向通信能力,能够提供全球广播系统服务,2020年通信容量达到10 Mbit/s以上。
2)窄带卫星通信系统
从20世纪70年代开始,美军先后建设了租赁星(Leasat)系统、舰队卫星通信(FLTSATCOM)系统、特高频后继星通信(UFO)系统和移动用户目标系统(MUOS)。随着技术发展和通信容量需求增加,Leasat和FLTSATCOM系统逐步被淘汰,UFO系统目前也逐渐被MUOS取代。
移动用户目标系统由5颗卫星和位于全球的4个地面站所组成,卫星均运行于地球静止轨道, 质量约6.7 t,设计寿命约15年。该系统能够为美军海、陆、空的移动平台提供UHF频段的动中通服务。根据卫星部署情况来看,除高纬度的极地地区之外,目前MUOS已经基本拥有全球通信覆盖的能力,并且可对部分热点地区实现多重覆盖。据资料显示,MUOS卫星数字声音传输速度可达348 kBit/s,新一代移动用户目标系统能够极大增强动中通的能力,MUOS卫星就像部署于太空的“地面基站”,战时车辆、舰船和飞机等移动目标即使没有对准卫星,也能够通信。
3)受保护卫星通信系统
受保护卫星通信系统主要应用于特殊条件下的通信,需要具备较好的抗干扰能力、隐蔽性和抗核生存能力,是美军最核心的卫星通信系统。从20世纪90年代开始,美军先后建设了军事星卫星(Milstar)系统和先进极高频卫星(AEHF)系统,Milstar系统在发展两代之后逐渐被AEHF系统取代。
先进极高频卫星系统由6颗卫星组成,均部署于地球静止轨道,卫星发射质量约6.6 t,设计寿命约15年,根据卫星部署情况来看,除高纬度的极地地区之外,目前AEHF系统已经基本拥有全球通信覆盖的能力。据资料显示,该系统能够服务4 000多个网络、6 000多个用户终端,通信能力比二代军事星提高了10倍,终端的带宽也提高了5倍,具备扩频跳频、星间链路和星上数字处理等功能的同时,还增加了相控阵天线、波束成形网络等技术,具备较强抗干扰、反侦察的通信能力。
4)中继卫星通信系统
中继卫星通信系统主要为其他卫星提供数据中继服务,目前美军主要使用的军用中继卫星通信系统是卫星数据系统(SDS),该系统从20世纪70年代首发开始,目前已经发展到第四代,目前在轨SDS卫星主要有5颗第三代卫星和2颗第四代卫星,运行在大椭圆轨道和地球静止轨道上。根据卫星部署情况来看,SDS已基本实现全球覆盖,弥补了地球静止轨道无法覆盖两极的缺点。
4.2 星链军事应用预测
美军军事通信卫星体系在实战中已经得到了广泛的应用。海湾战争中,美军通过宽带和窄带通信卫星将战场情况发送至美国本土指挥机构,指挥机构再将命令下达至驻扎在沙特阿拉伯的多国联合部队,用时仅需9 s;伊拉克战争中,美军通过受保护通信卫星控制攻击型无人机打击时敏目标,用时不足15 min;在击毙本·拉登行动中,现场音频、图像信息通过军事通信卫星实时传输,白宫在观看直播的同时通过军事通信卫星实时指挥行动,可以说军事通信卫星是保障美军指挥控制链路畅通的关键环节。
随着反卫星技术的发展,部署于地球静止轨道的30余颗大体积、大重量、高度集成的军事通信卫星面临的威胁与日俱增,美军为减少太空资产面临的威胁,保持太空领域的优势,构建的“下一代太空体系架构”更加注重提高弹性。相比于美军传统通信卫星,星链以小型通信卫星组网代替传统大型通信卫星,具有轨道高度低、传输速度快、卫星小、成本低、可批量化生产、发射补充速度快、抗打击弹性能力强、卫星数量多、组网后用户容量大等特点,符合当前美军太空向分散式、扩散式部署方向发展的战略。结合美军全球作战的特点,不难预见,下一代美军军事通信卫星不仅要具备大通信容量,更要具备全球覆盖能力,并且能够在热点地区形成多重覆盖,并且随着无人装备的应用,对通信时延也会提出更高的要求。美军始终秉持寄军于商,因此星链卫星始终具备着从商业过渡到军用的可能,倘若星链卫星用于美军通信,那么美军卫星通信弹性能力将会大幅提升,在反卫星技术日益成熟的背景下,有利于减少美军太空资产受到的威胁,最终美军的军事通信卫星体系会向着高通量、高弹性、全覆盖、低时延的方向发展。
利用本文建模仿真方法,分析从华盛顿(五角大楼(38.683,-77.05))至夏威夷印太司令部(史密斯兵营(21.257,-157.907))之间通过星链星座卫星通信的时延、夏威夷印太司令部(史密斯兵营(21.257,-157.907))至美驻韩基地总部(京畿道平泽基地的新总部大楼(36.807,127.113))之间通过星链星座卫星通信的时延、夏威夷印太司令部(史密斯兵营(21.257,-157.907))至美驻日基地司令部(横田空军基地(35.566,139.348))之间通过星链星座卫星通信的时延,仿真结果显示通过星链星座卫星通信的平均通信时延分别为51.733 424 55 ms、41.912 626 58 ms、42.700 749 2 ms,如图12 —图14 ,其中,通信时延为0时刻是指在当前时刻,由于星链卫星没有覆盖对应的地面站而导致无法直接通信。
图12 五角大楼到夏威夷印太司令部最小通信时延Fig.12 Minimum communication delay between Pentagon and Hawaii Camp Smith |
图13 夏威夷印太司令部到京畿道平泽基地最小通信时延Fig.13 Minimum communication delay between Hawaii Camp Smith and Pyeongtaek Base |
仅从星链计划第一阶段部署情况建模分析,1 584颗星链卫星已经能够在一天中的绝大多数时刻实现对以上地点的覆盖,但还存在部分时刻未覆盖,随着“星链计划”的快速部署,卫星数量提升之后,完全有可能实现对以上地点的24小时全覆盖,因此也有能力保障美军在以上地区的作战通信。不仅如此,第二阶段、第三阶段的星链卫星将逐步覆盖两极地区,最终实现覆盖全球的目标,为各种地区、地域提供高速互联网通信服务。
5 结束语
卫星通信的概念提出已久,其覆盖面积大、不受地理位置影响的特点使其独具优势。随着技术发展,低轨卫星通信的优势相较高轨通信卫星愈发明显,其中以SpaceX公司为代表的“星链计划”加速了人类利用低地球轨道的步伐。星链星座的快速部署建设,不仅让我们看到新一代卫星通信系统在商业领域的巨大应用,其背后蕴含的军事应用潜力更加不容忽视。就仿真结果来看,星链星座卫星通信的时延比高轨传统通信卫星小,与光缆通信的通信时延基本接近,并且随着通信距离的增加,“星链计划”成本低、时延低的特点将会更加明显。由于“星链计划”卫星数量庞大,发射成本低、速度快,具备弹性高、抗打击能力强的特点,符合美军下一代太空发展战略,其军事应用可能性不言而喻。