LEO卫星地面站设计--概念篇（1）

2023-12-13 13:53

本文翻译自《Ground Station Design and Analysis for LEO Satellites：Analytical, Experimental and Simulation Approach》。

LEO卫星概述

卫星是全球电信基础设施的重要组成部分，承载着大量的多媒体通信。自大约60年前诞生以来，通信卫星一直是全球通信基础设施和网络的主要组成部分。40多个国家拥有用于通信、商业、科学甚至人道主义目的的卫星。但只有少数国家具备建造和发射能力。

卫星通信可利用的基本资源是轨道和射频频谱。轨道是卫星在太空中的路径；频率分配受由国际机构管理和控制的国际协定的约束。

不同类型的轨道是可能的，每一种都适合于特定的应用或任务。一般来说，卫星沿椭圆轨道运行，偏心距确定放置在由空间轨道参数定义的轨道平面上。因此，空间轨道参数，即开普勒元素(通常以双线元素表示)，决定了卫星在空间中的位置。偏心率为零的轨道称为圆轨道。与椭圆轨道相比，轨道的圆度简化了分析。卫星在其圆形轨道内的运动由高度、半径、速度和轨道时间表示。

卫星的圆形轨道分为地球同步轨道(GEO)、中地球轨道(MEO)和低地球轨道(LEO)。它们之间的主要区别在于地球表面以上的高度，这进一步影响了卫星在适当轨道上的速度和轨道周期。只有圆形轨道是本书进一步关注的，更确切地说，是低轨道卫星和适当的地面站。

图1 显示了通信卫星的分类，以及不同运行轨道卫星的特点。

图1 通信卫星分类（来源：华金证券）

卫星与地面站之间的通信是在卫星合并在自己的轨道上并且从地面站可以看到时建立的。从地面站向卫星传输无线电波的链路称为上行链路，从卫星向地面站传输无线电波的链路称为下行链路。

地球表面被定义为低轨道，而这些轨道上的卫星被称为低轨道卫星。较低的高度范围受到地球大气层的限制——更准确地说，受到地球大气层以上几乎没有空气的高度的限制，因此可以避免卫星的速度降低和下降。内范艾伦辐射带限制了更高的海拔范围(范艾伦辐射带2020)。范艾伦带被称为空间辐射区，对卫星的有效载荷和平台有不良影响(电子元件和太阳能电池可能被这种辐射损坏)；因此，该带不应用于容纳低轨道卫星。

LEO卫星相对于地球上的一个固定点(地面站)以每秒7.2-7.5公里的速度移动。卫星的轨道周期在90-110分钟之间。卫星和地面站之间的通信持续时间每天6-8次，每次5 - 15分钟，所有这些都取决于轨道高度。与其他轨道相比，低轨道的特点是离地球的距离最短，因此时间延迟较小。这些特点使它们在通信和其他应用方面非常有吸引力。

图2 高中低轨卫星通信对比（来源：华金证券）

因此，除了通信之外，低轨道卫星也用于科学和研究目的，更具体地说，在没有适当的地面手段的情况下。气候变化动态、海洋遥感应用、不同天文观测、电离层离子密度记录以及与搜索和救援服务有关的非常具体的人道主义应用，都是低轨道卫星开展的一些活动，这些活动在地球上很难或不可能实施。对于卫星结构内的这些活动，为适当的应用或任务安装了仪器或设备(望远镜，照相机，探测器，传感器等)。通常，用于科学目的或遥感应用的低轨道卫星被安置在专门设计的轨道上，称为太阳同步轨道。由于不同的卫星经过，太阳同步特性可以在相似的照明条件下从卫星上观测到地面上的处理区域。

这些卫星为其他技术难以或不可能适用的调查提供了机会。因此，可以预期，这种任务将很快得到进一步发展，特别是在纯以地球为基础的类似实验无法实现的领域。必须建立地面站(接入点)与这类卫星通信，通信质量除了取决于卫星的性能外，还取决于卫星地面站的性能。

用于全球宽带服务的通信卫星-地面综合网络已经引起了全世界科学家和工业界的高度兴趣。这种使用最方便的结构是低轨道卫星，因为它们比其他轨道飞得更接近地球，因此提供了明显更低的延迟，这对于可靠和安全的通信至关重要。这些努力包括Starlink卫星星座，由美国SpaceX公司开发并部分部署。该星座计划被组织成三个空间外壳，每个空间外壳由数百颗专门设计用于提供宽带服务的小尺寸和轻型LEO卫星组成，旨在通过它们的互操作性提供全球地球覆盖，并与地面站作为星地一体化网络的一部分相结合。2020年10月24日，893颗卫星在不同倾角下位于550公里高度的轨道上，确定了第一个星链轨道壳。

Starlink的运行情况，如图3所示。

图3 Starlink（来源：Starlink官网）

这表明，在不久的将来，由卫星-地面综合通信网络提供的全球宽带服务将成为日常通信活动的一部分，其需求将迅速增加，因此运营商应仔细管理实时服务的运营和分配，以最大限度地提高与宽带需求相关的下行数据吞吐量，而不会显著影响任务成本。因此，未来的卫星有效载荷和平台必须变得更灵活、更轻、更小、更容易发射、与EIRP和覆盖范围相关的可重构，以最低的成本提供大容量，实现宽带服务和其他科学任务的全球覆盖的主要目标。

根据其全球覆盖任务，其空间网络架构可分为单层(单壳)网络和多层网络。单层网络仅在相同高度的卫星之间提供相互通信，而多层网络使不同外壳的卫星之间能够通信。多层网络更为复杂，但它在提供更可持续的全球覆盖、无缝移交和可靠通信方面的灵活性受到推崇。

上世纪末使用的LEO卫星由于重量轻、尺寸小而被称为微型卫星。后来，纳米卫星被开发为更方便发射过程的结构，因为这种卫星发射到LEO空间槽所需的能量更少。但最近，从国际空间站(ISS)发射纳米卫星已经成为可能(2020年国际空间站部署的航天器清单)。与发射过程相关，由于有三步转移过程(称为Hohmann转移)，LEO作为卫星进入地球同步(地球静止)轨道的第一个空间外壳发挥了额外的作用。

LEO卫星和适当的地面平台(接入点)现在是一个非常有用的系统，不仅用于主要的通信任务，而且用于研究科学任务。通过LEO卫星和适当的平台，地球上任何地方都可以提供数据，比如亚马逊河的水污染、新的系外行星、自然灾害、空气或海洋灾害、南非的小麦如何生长、有多少难民跨越边界、冰融化、海平面上升等等。

与最后一个项目相关的是，于2020年11月21日从加利福尼亚州范登堡发射场发射的哨兵6号迈克尔弗雷里奇卫星(Sentinel-6 Michael Freilich)，该卫星在66°倾角下被整合到高度为1336公里的近地轨道上，将在未来五年内测量全球海平面。该任务是美国宇航局和欧洲航天局之间的合作(见图4)。

最后，正如19世纪以蒸汽机为标志一样，本世纪将以LEO卫星为标志，希望能让地球上的生活更美好!这些工具不仅为通信提供了机会，也为科学目的提供了机会，包括对地球和空间的观测。充当天空“眼睛”的LEO卫星也可能对世界和平有用!