卫星反向缝的概念
卫星气象学课件5-liyan
带或缝：这种或黑或浅灰的长形区域宽度有限，在其两侧各有一 条边界。“带”这个词既可以用于表示亮，又可以表示暗的特征 ；而“缝”这个词只用于表示暗区。
边缘：当灰度差出现在一较长距离内或形状不规则时，我们有时 用“边缘”一词来表示不清晰的界面。
水汽图中最常见和最重要的类型被归纳为七种基本类型：
湿空气在某一地区上升，而周围环境状况无重大变化； 湿空气在被高空干空气侵占的区域下沉，即在无变化的湿
环境附近，形成新的高空干空气环境； 水汽边界可能是前面两种过程共同作用的结果，上升的湿
空气区域邻近的湿空气可以下沉； 在相同尺度上没有明显垂直运动的水平变形过程可使最初
渐变的或反差小的水汽梯度变得清晰且反差大。
5.2.1 天气尺度系统的“头边界”
“头阻塞”可发生于各种尺度上，所以我们亦将“头边界”这个 概念用于天气尺度的系统。
边界的图象特征
头边界由一个相当清晰的界面组成，它的一侧是高云和冷的高 空湿区，另一侧是各种各样的干环境。云和水汽趋向于在高层积 累并从垂直上升运动区向外扩散。清晰的头边界形成于正在扩散 的高层湿区的上游，水汽向周围扩散或阻塞周围的高空风。
在水汽图上，“斜压叶”表示高空槽前出现的一种特殊边界。 与“斜压叶”云系有关的水汽边界一般与叶状云型的冷高云的头边 界重合很好，但会延伸到云边界外面。 叶状边界常形成一个振幅很小的“S” 形，而且在转折点另一侧会有不同的 特征。凸出的部分与头边界相似。盾 状卷云常常出现在表示“湿”的浅灰 色一侧。沿着边界另一侧往往非常清 晰，湿侧有一个非常狭窄的暗带。有 时，边界两侧反差不大，边界可能并 不清晰。
层次中。水汽在普通的浓度下对辐射是半透
明的，因此卫星测得的亮温是若干水汽层的
低轨通信星座星间链路特点研究
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３－３１０６．２０２３．０９．０２７引用格式：王立民，安绍毅，覃智祥．低轨通信星座星间链路特点研究［Ｊ］．无线电工程，２０２３，５３（９）：２１９６－２２０２．［ＷＡＮＧＬｉｍｉｎ，ＡＮＳｈａｏｙｉ，ＱＩＮＺｈｉｘｉａｎｇ．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＩｎｔｅｒＳａｔｅｌｌｉｔｅＬｉｎｋｓｉｎＬＥＯＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＣｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＲａｄｉｏＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０２３，５３（９）：２１９６－２２０２．］低轨通信星座星间链路特点研究王立民１，安绍毅１，覃智祥２（１．中国电科网络通信研究院，河北石家庄０５００８１；２．中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西桂林５４１００４）摘 要：随着全球宽带通信需求的增长，世界各国提出并建设了多种低轨通信星座，我国的卫星互联网系统也在紧张建设中，星间链路将是通信星座系统的重要组成部分。
为研究星间链路特点和建链需求，以极轨通信星座为例，从几何角度给出了星间链路指向角和距离的数值计算公式，分析了顺行轨道星间链路的变化规律，并进一步研究了异轨星间反向缝建链的特点。
研究结果表明，选取合适的星座参数，可以实现卫星跨反向缝的接续建链，从而保证反向缝两侧卫星之间始终存在可用的通信链路。
关键词：低轨通信星座；星间链路；反向缝；星座参数优化中图分类号：ＴＮ９２７．２文献标志码：Ａ开放科学（资源服务）标识码（ＯＳＩＤ）：文章编号：１００３－３１０６（２０２３）０９－２１９６－０７ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＩｎｔｅｒＳａｔｅｌｌｉｔｅＬｉｎｋｓｉｎＬＥＯＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＣｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎｓＷＡＮＧＬｉｍｉｎ１，ＡＮＳｈａｏｙｉ１，ＱＩＮＺｈｉｘｉａｎｇ２（１．ＡｃａｄｅｍｙｆｏｒＮｅｔｗｏｒｋ＆ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＣＥＴＣ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ０５００８１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｔｈｅ３４ｔｈＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣＥＴＣ，Ｇｕｉｌｉｎ５４１００４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｇｒｏｗｔｈｄｅｍａｎｄｆｏｒｇｌｏｂａｌｂｒｏａｄｂａｎｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｖａｒｉｏｕｓＬＥＯｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎｓｈａｖｅｂｅｅｎｐｒｏｐｏｓｅｄａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｂｙｃｏｕｎｔｒｉｅｓａｒｏｕｎｄｔｈｅｗｏｒｌｄ．Ｃｈｉｎａ ｓＳａｔｅｌｌｉｔｅＩｎｔｅｒｎｅｔＳｙｓｔｅｍｉｓａｌｓｏｕｎｄｅｒｗａｙ，ａｎｄｉｎｔｅｒｓａｔｅｌｌｉｔｅｌｉｎｋｓｗｉｌｌｂｅａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒｔｏｆｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｉｎｔｅｒｓａｔｅｌｌｉｔｅｌｉｎｋｓａｎｄｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｂｕｉｌｄｉｎｇｃｈａｉｎｓ，ｔａｋｉｎｇｔｈｅｐｏｌａｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｍｕｌａｓｆｏｒｔｈｅｐｏｉｎｔｉｎｇａｎｇｌｅａｎｄｄｉｓｔａｎｃｅｏｆｉｎｔｅｒｓａｔｅｌｌｉｔｅｌｉｎｋｓａｒｅｐｒｏｖｉｄｅｄｆｒｏｍａｇｅｏｍｅｔｒｉｃｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ．Ｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｌａｗｏｆｆｏｒｗａｒｄｏｒｂｉｔｉｎｔｅｒ ｓａｔｅｌｌｉｔｅｌｉｎｋｓｉｓａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｃｒｏｓｓｓｅａｍｃｈａｉｎｂｕｉｌｄｉｎｇａｒｅｆｕｒｔｈｅｒｓｔｕｄｉｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓ，ｉｔｉｓｐｏｓｓｉｂｌｅｔｏａｃｈｉｅｖｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃｈａｉｎｂｕｉｌｄｉｎｇａｃｒｏｓｓｔｈｅｃｒｏｓｓｓｅａｍｂｙｓｅｌｅｃｔｉｎｇａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｅｒｅｂｙｅｎｓｕｒｉｎｇｔｈａｔｔｈｅｒｅｉｓａｌｗａｙｓａｕｓａｂｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｌｉｎｋｂｅｔｗｅｅｎｓａｔｅｌｌｉｔｅｓｏｎｂｏｔｈｓｉｄｅｓｏｆｔｈｅｃｒｏｓｓｓｅａｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＬＥＯｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ；ｉｎｔｅｒｓａｔｅｌｌｉｔｅｌｉｎｋ；ｃｒｏｓｓｓｅａｍ；ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ收稿日期：２０２３－０４－１５基金项目：青年科学基金项目（６２２０１５３３）ＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＩｔｅｍ：ＰｒｏｊｅｃｔｏｆＮａｔｉｏｎａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｕｎｄｆｏｒＹｏｕｎｇＳｃｈｏｌａｒｓｏｆＣｈｉｎａ（６２２０１５３３）０ 引言空间中的卫星总是沿着固定轨道绕中心天体做周期性运动，一颗卫星通常难以满足对较大范围空间或者全球范围的可见任务需求。
(天线技术)第8章缝隙天线和微带天线
将切割好的导电材料与绝缘材料组装在一起，使用适当的粘合剂 或机械固定方式进行固定。
测试与调整
完成制作后，对缝隙天线进行测试和调整，确保其性能符合设计 要求。
05
微带天线的设计与实现
微带天线的设计方法
确定工作频率
根据应用需求，确定微带天线的工作频率。
设计贴片形状和尺寸
根据理论公式和仿真软件，设计出合适的贴 片形状和尺寸。
性能特点的比较
缝隙天线
结构简单、易于加工、成本低，但带 宽较窄，增益较低。
微带天线
体积小、重量轻、易于集成，具有宽 频带和多频段特性，但效率较低、功 率容量有限。
应用场景的比较
缝隙天线
广泛应用于通信、雷达、导航等领域，尤其适用于低成本、小型化要求较高的 场合。
微带天线
广泛应用于卫星通信、移动通信、电子战等领域，尤其适用于需要集成度高、 体积小的场合。
天线技术的未来展望
多样化应用场景
随着5G/6G通信、物联网、 智能终端等应用的普及， 天线技术的应用场景将更 加多样化。
创新性技术突破
未来天线技术将不断涌现 出新的理论和技术，推动 天线性能的不断提升和应 用领域的拓展。
绿色环保理念
随着社会对环保的重视， 天线技术将更加注重绿色 环保理念，推动可持续发 展。
缝隙天线的历史与发展
缝隙天线最早可以追溯到19世 纪末期，当时主要用于无线电
报通信。
随着技术的发展，缝隙天线 在20世纪得到了广泛的应用， 特别是在雷达、卫星通信无线通信技术的 快速发展，缝隙天线在移动通 信、WiFi通信等领域的应用也
越来越广泛。
02
微带天线概述
微带天线的定义
06
【最新】移动卫星通信系统上卫星星座设计
23
64.1
111.8
16540
2 5 48.1
98.7
5508.3
3 5 39.9
68.4
3373.5
3 6 35.8
66.0
2631.5
3 7 33.3
64.5
2252.6
4 7 28.9
49.6
1692.9
4 8 26.8
48.5
1466.2
4 9 26.3
360º/(9/3) = 120º 相邻轨道面相邻卫星间的相位差为
360º/9×1=40º
轨道倾角 轨道高度
2021/2/2
26
6.2 卫星星座设计 续21
例子6.1 续
卫星的初始参数如下表
轨道序号 卫星序号
升交点经度(º)
SAT1-1
0
1
SAT1-2
0
SAT1-3
0
SAT2-1
120
2
SAT2-2
▪ 倾斜圆轨道星座
➢ 倾斜圆轨道星座的命名
RAAN
N
N
Walker Delta Constellation 2021/2/2
Ballard Rosette Constellation 23
6.2 卫星星座设计 续18
▪ Walker Delta星座
➢ 相邻轨道面相邻卫星的相位差概念
Satellite flying direction
2021/2/2
9
6.2 卫星星座设计 续4
▪ 极轨道星座
➢ 卫星覆盖带(Street of Coverage) ➢ 半覆盖宽度
sub-satellite point
c arccos[ cos ] cos( / S)
卫星天线的方位、仰角、极化角
卫星天线的方位、仰角、极化角要进行卫星接收，关键点是卫星接收天线的定位，它包括：天线的方位角、仰角和馈源的极化角这三大参数。
1、方位角从地球的北极到南极的等分线称为经线（0－180度），把地球分为东方西方，偏东的经线称为东经，偏西方的经线称为西经。
从地球的东到西的等分线称纬线（0－90度），把地球分为南北半球，以赤道为界（赤道的纬度为0），北半球的纬线称北纬，南半球的纬线称南纬。
我国处于北半球的东方，约在东经75－135度，北纬18－55度之间。
所有的广播电视卫星都分布在地球赤道上空35786.6公里的高空同步轨道的不同经度上，平时我们惯称多少度的卫星，这个度指的是地球的经线。
卫星在地球上的投影称为星下点，它是位于赤道上，经度与卫星经度相同的地方。
如亚太6号卫星的星下点是位于赤道上的东经134度的位置。
我们在寻星时，如果你所在的地方（北半球）的经度大于星下点的经度，那么天线的方位角必定时正南（以正南为基准）偏西，反过来，如果你所在的位置的经度小于星下点的经度，那么天线的方位角是正南偏东。
卫星天线的方位角计算公式是：A＝arctg｛tg(ψs－ψg)/sinθ｝----------(1)公式（1）中的ψg是接收站经度，ψs为卫星的经度，θ为接收站的纬度。
图1是卫星的方位角示意图。
方位角的调整方法很简单，首先用指南针找到正南方，天线方向正对正南方，如果计算的角度A是负值，则天线向正南偏西转动A度，如果A是正值，则天线向正南偏东方向转动A度。
即可完成方位角的调整。
2、仰角仰角是接收站所在地的地平面水平线于天线中心线所形成的角度，如图2所示。
仰角的计算公式是：. -----------------⑵仰角的调整最好是用量角器加上一个垂针作成的仰角调整专用工具进行调整。
方位角和仰角的调整顺序是，先调整好仰角，在调整方位角。
3、极化角国内或区域卫星一般都是线极化，线极化分为水平极化（以E‖表示）和垂直极化（以E⊥ 表示）。
《卫星通信基础》PPT模板课件
2 卫星通信的电波传播和工作频段
3、卫星提供的业务。 1）卫星固定业务（FSS）。 2）卫星广播业务（BSS）。 3）卫星移动业务（MSS）。 4）卫星导航业务。 5）卫星气象业务。 6）卫星间业务。
4、卫星通信目前使用的频段 1）VHF(0.1-0.3GHz) 2）UHF(0.3-1GHz) 3）L波段(1.0-2.0GHz) 4）S波段(2.0-4.0GHz) 5）C波段(4.0-8.0GHz,4/6GHz) 7)X波段(8.0-12GHz) 8)Ku波段(12-18GHz,11/14GHz,12/14GHz) 9)K波段(18-27GHz)
2、预分配方式（PA） 1）固定预分配（FPA）。 2）按时预分配（TPA）。
3、按申请分配方式（DA） 1）收端固定—发端可变（FR-VT） 2）发端固定—收端可变（FT-VR） 3）全可变（VT-VR）
4、动态/随机分配方式 5、FDMA需要考虑的问题
1）邻道干扰 2）保护频带 3）互调 4）回退的影响
4、多址接入与多路复用是两个不同的概念
5 多址接入
卫星
固定 站
固定 站
…
固定 站
固定 站
…
f1 f2 f3 f4
fn
频分多址
卫星
固定 站
固定 站
…
固定 站
固定 站
…
T1
T2 T3
T4
Tn
时分多址
卫星
…
固定 站
固定 站
固定 站
固定 站
…
1
2
3
4
5
码分多址
地址码
5 多址接入
5、2多址分配制度
1、基本概念 为了充分利用卫星转发器的功率和频率资源而进行的卫星通道的分 配方式。这里的通信对应着FDMA的频带、TDMA的时隙、CDMA的码型 SDMA的窄波束。
LEO卫星网络海量遥感数据下行的负载均衡多径路由算法
LEO卫星网络海量遥感数据下行的负载均衡多径路由算法刘沛龙;陈宏宇;魏松杰;程浩;李帅;汪骏勇【摘要】LEO 卫星网络能够为各类用户提供全球无缝实时数据通信,近年来得到了快速发展.与此同时,空间数据源如遥感卫星的海量载荷数据下行体制依旧采用传统的存储转发方式,如果将此类卫星接入配有星间链路的LEO 卫星网络,可以有效提高空间任务数据的实时性.但是需要为这种应用需求设计专门的卫星网络负载均衡路由算法.针对视频卫星实时直播的应用场景,设计了一套并行链路不相交多径路由算法SPEMR.OPNET仿真结果表明SPEMR实现的多径方案的性能劣化指数为0.32,仅为TLR路由协议的32%,传统DSP方案的21%,具有相对更强的实时传输海量数据的能力.%LEO satellite networks can provide seamless real-time data communication for all kinds of users, which de-veloped rapidly in recent years. At the mean time, the massive payload data down-link system of space data sources, such as remote sensing satellites, still make use of traditional storage and forward mode. The real-time performance of space mission data will be improved effectively, if such satellites are connected to LEO satellite networks equipped with inter satellite links. However, it is necessary to design a specialized satellite network load balancing routing algorithm. Satellite parallel edge-disjoint multipath routing protocol (SPEMR) was designed for remote sensing satellite real-time down-link applications. OPNET simulation results indicate that the performance degradation index(DI) of the multipath scheme im-plemented by SPEMR is 0.32, which is only 32% of the TLR and 21% of the traditional DSP scheme.It is demonstrated that SPEMR has the better capability of transmitting massive data in real time.【期刊名称】《通信学报》【年(卷),期】2017(038)0z1【总页数】8页(P135-142)【关键词】LEO;卫星网络;多径;遥感;路由【作者】刘沛龙;陈宏宇;魏松杰;程浩;李帅;汪骏勇【作者单位】中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海 200050;上海微小卫星工程中心,上海 201203;中国科学院大学,北京 101407;上海微小卫星工程中心,上海 201203;南京理工大学计算机与工程学院,江苏南京 210094;南京理工大学计算机与工程学院,江苏南京 210094;南京理工大学计算机与工程学院,江苏南京210094;中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海 200050;上海微小卫星工程中心,上海 201203;中国科学院大学,北京 101407【正文语种】中文【中图分类】TN927众所周知，LEO（low earth orbit）卫星网络凭借其全球覆盖性、部署灵活性等诸多独特优势，在全球通信系统中一直是地面网络的有效补充[1]。
低轨通信卫星星座的建设与构想
低轨通信卫星星座的建设与构想作者：张有志来源：《计算机与网络》2020年第17期摘要：随着航天产业的发展，基于低轨星座的通信、导航、遥感等方面的应用规划方案日益增多，尤其是通信卫星星座的建设炙手可热，而我国由于受限于特殊国情和国际政治环境等因素，在低轨通信卫星星座方面发展缓慢。
鉴于此，在对比和总结国外各类低轨通信卫星星座的构成和发展演进情况基础上，提出了低轨通信卫星星座系统的建设和发展方向建议，并对星座建设过程中可能存在的一些问题进行了简要论述。
关键词：低轨通信星座；星座建设；多功能融合；天地一体化中图分类号：TN927文献标志码：A文章编号：1008-1739（2020）17-70-40引言相较于地球同步轨道上的通信卫星，研发和部署位于低地球轨道上的通信卫星有着诸多优势，例如轨道高度降低带来的低通信时延，以及卫星体积和重量降低带来的低研发成本和低发射部署成本等优点。
目前，国内外低轨卫星星座系统的建设工作在如火如荼地开展，且多集中在通信系统领域。
早期的低轨通信卫星星座系统充分利用卫星覆盖不受地理和距离限制的特点，主要用于满足地面移动通信网络不发达地区，以及空域和海域作业时的个人移动通信需求服务等。
近年来，随着互联网的发展和地面通信网络的建设，低轨卫星在宽带接入、导航增强和卫星物联网等领域的应用也在不断探索和发展。
我国低轨卫星通信由于受到国内发达地面移动通信系统的挑战，以及国际关系和地缘政治等因素的影响而发展缓慢。
面对如今宽带通信的快速发展，从满足人民日益增长的美好生活需要和国家战略安全考虑，亟需加快我国低轨通信卫星星座的建设和发展。
1低轨通信卫星星座发展现状1.1典型通信卫星星座的发展上世纪末和本世纪初，国外涌现了一批低轨通信卫星星座系统，典型的包括铱星（Iridium）、轨道通信（ORBCOMM）及全球星（GlobalStar）等。
以铱星为例，1987年在汽车电子和通信电子领域处于绝对领先地位的摩托罗拉公司，正式提出了在太空建立铱星系统进行全球网络覆盖的概念，于1998年完成建设并开始运营。
基于OPNET的低轨卫星星座通信系统仿真研究
基于OPNET的低轨卫星星座通信系统仿真研究胡宸华;黄圣春;王玲;孟祥龙【摘要】基于OPNET搭建了一个低轨道卫星星座移动通信系统仿真平台,介绍了网络拓扑、节点模型、进程模型和无线链路模型的相关设计过程,并结合STK软件生成的极地圆轨道模型,对自主设计的一套低轨星座移动通信协议进行了验证.仿真结果表明,该平台能够正确模拟LEO星座通信系统中寻呼、建链等通信过程,以及长时延、频繁切换等卫星通信的特性,为低轨星座移动通信协议研究提供了有力支撑,可为卫星通信仿真工作提供借鉴和指导.【期刊名称】《通信技术》【年(卷),期】2018(051)010【总页数】7页(P2382-2388)【关键词】低轨卫星网络;通信协议;OPNET建模;无线链路【作者】胡宸华;黄圣春;王玲;孟祥龙【作者单位】湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙420082;国防科技大学电子科学学院,湖南长沙410073;湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙420082;海军潜艇学院,山东青岛266199【正文语种】中文【中图分类】TN927+.230 引言低轨道（Low Earth Orbit，LEO）卫星星座移动通信系统在军用和民用上都具有重大意义，是“一带一路”等国家战略中不可或缺的一环。
相比国外低轨卫星移动通信的高速发展，国内的LEO通信系统建设刚刚起步[1]。
通过软件仿真进行验证测试，对LEO星座移动通信系统建设具有重要的指导意义。
OPNET是一款主流的通信仿真软件，拥有丰富的无线网络和有线网络仿真模型，但在卫星仿真上却缺少相关功能模块[2-3]。
当前，基于OPNET的LEO网络仿真大多基于固定的卫星节点，甚至用有线节点来模拟低轨卫星通信，没有根据LEO卫星高速运动的特点来真实反映卫星通信链路和服务卫星的切换过程[4-5]。
本文旨在对OPNET环境下的LEO通信系统搭建过程进行分析，为低轨卫星移动通信协议设计的仿真验证工作提供支撑。
卫星通信波束的知识点总结
卫星通信波束的知识点总结卫星通信技术是指利用卫星作为中继器传输通信信号，实现全球范围内的通信服务。
而卫星通信波束是指卫星天线所发射或接收的信号束。
通过卫星通信波束，可以实现更高效的信号覆盖和传输。
本文将详细介绍卫星通信波束的概念、分类、特点以及在卫星通信系统中的应用。
一、概念卫星通信波束是指从卫星天线发射或接收的一束具有特定方向性和功率特性的电磁波。
卫星通信波束通常会根据通信需求和天线性能在空间中形成一个狭窄的波束，从而实现信号的精确覆盖和传输。
卫星通信波束可以分为宽波束和窄波束两种。
宽波束指的是覆盖范围广，传播距离远的通信波束；窄波束指的是覆盖范围窄，传播距离近的通信波束。
不同类型的卫星通信波束具有不同的应用场景和特点。
二、分类根据卫星通信波束的覆盖区域和应用范围，可以将其分为全球波束和区域波束两种。
1. 全球波束全球波束是指具有全球通信覆盖能力的通信波束。
通过全球波束，可以实现全球范围内的通信服务，满足全球化通信需求。
全球波束通常会采用宽波束的设计，以实现对较大范围的地面通信站进行信号覆盖和传输。
2. 区域波束区域波束是指具有特定区域通信覆盖能力的通信波束。
通过区域波束，可以实现对特定地区范围内的通信服务，满足区域化通信需求。
区域波束通常会采用窄波束的设计，以实现对特定区域内的地面通信站进行精确的信号覆盖和传输。
三、特点卫星通信波束具有以下特点：1. 方向性卫星通信波束具有明确的传输方向和覆盖范围，可以根据通信需求进行精确定向传输，提高信号传输效率和质量。
2. 高效性卫星通信波束可以实现精确的信号覆盖和传输，提高了通信系统的资源利用效率和传输速率，适应了各种复杂通信环境下的需求。
3. 灵活性卫星通信波束可以根据不同通信需求进行调整和变换，满足全球范围内的通信服务和区域范围内的通信需求。
4. 可控性卫星通信波束可以根据卫星天线的控制系统进行精确控制和调整，实现对信号传输的动态管理和优化。
四、应用卫星通信波束在卫星通信系统中具有广泛的应用。
卫星通信的基础知识
卫星通信的基础知识1.卫星通信的基本概念与特点定义：卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站，转发或反射无线电波，在两个或多个地球东站之间展开的通信。
卫星通信又就是宇宙无线电通信形式之一，而宇宙（1）宇宙站与地球站之间的通信；（直接通信）（2（3）通过宇宙站留言或散射而展开的地球站间的通信。
（间接通信）第三种通信方式通常称作卫星通信，当卫星为恒定卫星时称作恒定卫星通信。
大多数通信卫星就是地球同步卫星（恒定卫星：轨道在一定高度时卫星与地球相对恒定）。
恒定卫星就是指卫星的运转轨道在赤道平面内。
轨道距地面高度约为35800km（为直观确保安全，经常表示36000km）。
静止卫星通信的特点（1a通信距离远，且费用与通信距离毫无关系（只要在卫星波束范围内两站之间的传输与距离毫无关系）b覆盖面积大（三颗卫星即可覆盖所有地方），可进行多址通信（一发多收）c通信频带宽（带宽为500md信号传输质量低，通信线路平衡可信e建立通信电路灵活、机动性好（只要卫星覆盖到，均可建立地面站进行通信）f可自发自收进行监测（2a恒定卫星的升空与控制技术比较复杂（所以国内搞卫星升空的很少）。
b地球的两极地区为通信盲区（轨道与赤道平行，切线方向下来无法到达两c存有星蚀（卫星在地球和太阳之间）和日凌（地球在太阳和卫星之间）中断——（现今可通过处理缩短这种现象）d存有很大的信号传输时延（升空和拒绝接受时间）和脉冲阻碍。
2.卫星通信系统的共同组成（1通常卫星通信系统是由地球站、通信卫星（前两个为主要组成，负责卫星收发）、跟踪遥测及指令系统和监控管理系统（后两个提供辅助功能，监测卫星、姿态调整等）4大部分组成的，如图所示。
两个地球东站通过通信卫星展开通信的卫星通信线路的共同组成如图所示，就是由发端地球站，上、下行无线传输路径和收端地球站组成的。
3.卫星通信地球东站设备一般来说，对地球站应有以下几方面的要求。
①传送的信号应当就是宽频拎、平衡、大功率的信号，能够发送由卫星留言器转发来的微弱信号（可通过放大解调处理）。
卫星 侧摆角 英语术语 -回复
卫星侧摆角英语术语-回复卫星侧摆角是指卫星在地球轨道上运动时与轨道平面之间的夹角。
它是一个重要的导航参数，对于卫星的姿态控制和任务执行至关重要。
下面将逐步解释卫星侧摆角的英语术语相关知识。
首先，我们需要了解卫星轨道的基本知识。
地球轨道通常分为地球同步轨道和低地球轨道两种类型。
地球同步轨道是指卫星的轨道平面与地球的赤道平行，卫星以与地球自转相同的速度绕地球旋转。
低地球轨道则是卫星靠近地球表面，绕地球进行快速旋转。
对于地球同步轨道的卫星而言，侧摆角是非常重要的参数。
根据卫星的任务需求，需要将卫星定位在特定的纬度上。
这就需要控制卫星侧摆角，使其与地面的纬度相匹配。
在英文中，卫星侧摆角通常被称为"Inclination Angle"。
此外，还有一些与卫星侧摆角相关的术语需要了解。
其中之一是"Orbit Plane"，它指的是卫星的轨道平面。
在地球同步轨道中，卫星的轨道平面与地球的赤道平行。
而在低地球轨道中，卫星的轨道平面可能倾斜于赤道。
除了侧摆角之外，卫星的轨道还有一个重要参数叫做"Right Ascension of Ascending Node"（RAAN）。
RAAN是指卫星轨道平面与地球的黄道平面交点相对于春分点的角度。
RAAN决定了卫星轨道在地面上的起点位置。
此外，卫星的轨道也可能有一个参数叫做"Argument of Perigee"（AOP）或简称"Perigee Angle"。
AOP是指卫星轨道平面与卫星的轨道椭圆形状之间的夹角。
卫星的轨道椭圆形状由轨道离心率和轨道长半径决定。
最后，为了控制卫星的侧摆角，需要使用一些技术手段。
其中之一是推进系统，通过调整卫星的速度和加速度来改变其轨道。
另一个是姿态控制系统，通过调整卫星的姿态来改变其轨道。
总结起来，卫星侧摆角是卫星在地球轨道上运动时与轨道平面之间的夹角。
第5章缝隙天线与微带天线
其E面无方向性。
半波缝半隙波天缝线隙的天H面H线面方的方向 向图 图
z
y
x＜ 0
x＞ 0
缝隙的场矢量线分布图
(a)电力线；(b)磁力线
理想缝隙天线 辐射电阻
以缝隙波腹处电压值Um=Emw为计算辐射电阻的参考电压， 则
缝隙的辐射功率
Pr,m
1 2
um 2 Rr,m
缝隙辐射电阻
若理想缝隙天线与其互补的电对称振子的辐射功率相等，
)
b
a
r
2g
g
(a)
(b)
(c)
宽边横向半波谐振缝隙
a
x1
a
x1
b
r
g
g
其(a归) 一化电阻为
(b)
(c)
r 0.523( g )3 2 cos2 ( ) cos2( x1 )
b ab 4a
a
窄边斜半波谐振缝隙
a
x1
b
r g
(b)
(c)
其归一化电导为
g
0.131
缝隙天线 辐射特性
对于开在矩形波导上的缝隙，E面（垂直于缝隙轴向和波导
壁面的平面）方向图与理想缝隙天线相比有一定的畸变。 宽边上的纵缝，由于沿E面的电尺寸对标准波导来说只有 0.72λ，所以其E面方向图的差别较大；
波 导缝 隙 理 想缝 隙
宽边上纵缝的E面方向图
宽边上的横缝，随着波导的纵向尺寸变长，其E面方向图 逐渐趋向于理想的半圆形。
x1
g/2
图示的波导宽壁上的匹配偏斜缝隙天线阵，适当地调整缝隙 对中线的偏移x1和斜角δ，可使得缝隙所等效的归一化输入 电导为1，其电纳部分由缝隙中心附近的电抗振子补偿，各 缝隙可以得到同相，最大辐射方向与宽壁垂直。
卫星星座设计
设计基本出发点
以最少数量的卫星实现对指定区域的覆盖
6
6.2 卫星星座设计
卫星星座选择
续1
仰角要尽可能高 传输延时尽可能小 星上设备的电能消耗尽可能少 如果系统采用星际链路，则面内和面间的星际链路 干扰必须限制在可以接收的范围内 对不同国家、不同类型的服务，轨位的分配需要遵 循相应的规章制度 多重覆盖问题以支持特定业务(GPS定位)或提供有 QoS保证的业务
多标准，难以全球通用
蜂窝小区小，频率利用率高
全球通用
频率利用率低
提供足够的链路余量以补偿信号 遮蔽效应使得通信链路恶化 衰落 适合于人口密度高，业务量密集 适合于低人口密度、业务量 的城市环境 有限的农村环境
5
6.2 卫星星座设计
卫星星座的定义
具有相似的类型和功能的多颗卫星，分布在相似的 或互补的轨道上，在共享控制下协同完成一定的任 务
续4
sub-satellite point
c
/s
coverage edge of satellite
式中S是每轨道面的卫星数量
Street of coverage Nhomakorabea10
6.2 卫星星座设计
极轨道星座
顺行/逆行轨道面和‘缝隙(seam)’ π星座 由于存在逆向飞行现象， 星座第一个和最后一个 轨道面间的间隔小于其 它相邻轨道面间的间隔
续15
倾角85º 的单重全球覆盖近极轨道星座参数
) 1 (º 103.8252 97.3951 93.9877 66.2803 64.4511 63.3170 48.3551 47.6005 47.0729 38.0816 37.7000 37.4139 31.4151
土星卫星
土卫三
土卫三的主要成分是纯水冰。它的直径1060公里，在离土星公里处环绕土星运行。土卫三有两个值得注意的 特征：一是有一条长达整个星球周长四分之三，占了整个表面5%到10%的大裂缝。
据推测，大裂缝是卫星内部的水的冻结膨胀造成的；一是有一个直径400公里的环形山及内部巨大的中央峰。 土卫四的直径为1120公里，在平均距离为公里的近圆轨道上绕土星顺行。它66小时左右公转一周，正好是土卫二 公转周期的2倍，估计是由于土卫二的潮汐热能所致。
土卫八的固态表面受近距的其他大行星的引力作用也出现潮汐。其结果是土卫八的一面在其轨道运动中总是 朝前，而另一面总是后随。朝前的半球只反射出照射其上的日光的一小部分而显得特别黑暗，而后随的半球却是 一个比朝前的半球亮10倍的良好反射体。在太阳系所有天体中，它是亮度变化幅度最大的一个。“旅行者”号探 测器在朝前的半球上发现有陨击的环形坑，但在后随的半球上没有。明亮的后随半球的表面物质中，可以肯定的 是有水冰，不太肯定的是甲烷和其他的冰的混合物。
由于潮汐摩擦，土卫四的自转与公转同步，也总是以同一面对着土星。
土卫四
土卫四的表面亮度差别颇大，面朝轨道运行方向的前半面通常比后半面亮。但平均起来说，土卫四的反照率 是很高的。
据此猜测，它的表面由大量的冰构成。卫星密度是水的1.4倍，估计它由约40%的岩石与60%的冰构成。在这 颗卫星上显然曾发生过大量冰溶化和地壳表面再造活动，因而同其他土星卫星相比，表面上环形山较少。
土卫九
土卫九直径约220公里，距离土星平均距离约为公里。是已知土星卫星中距土星最远的一个。轨道偏心率很 大，同土星环面的倾角也很大。它是一颗规则卫星，但为逆行。在土卫一至土卫十这10颗土星卫星中，土卫九是 唯一的逆行卫星，它绕土星的转动方向和土星绕太阳的转动方向相反。因此，土卫九可能是一颗被俘获的像小行 星那样的天体，而不是土星原来固有的卫星。
基于SDN架构的NFV技术在低轨卫星网络中的应用
中国空间科学技术J u n ２５㊀２０２１㊀V o l ４１㊀N o ３㊀８９Ｇ９６C h i n e s eS p a c eS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yI S S N １０００Ｇ７５８X ㊀C N １１Ｇ１８５９/V h t t p :ʊz g k jc a s t c n D O I :１０ １６７０８/jc n k i １０００Ｇ７５８X ２０２１ ００４２基于S D N 架构的N F V 技术在低轨卫星网络中的应用侯筠仪１,赵黎晔２,∗,申景诗１,冯飞２,王韶波２１ 山东航天电子技术研究所,烟台２６４６７０２ 航天东方红卫星有限公司,北京１０００９４摘㊀要:针对当前卫星网络通信业务需求复杂㊁星上设备对多业务兼容性差的问题,提出了一种面向低轨卫星网络的软件定义网络(S D N )架构.该架构设计了以星间链路为基础的虚拟化数据平面和多控制器的分布式控制平面,具有高度灵活和可编程的特性.通过网络功能虚拟化(N F V )技术实现了数据平面虚拟化和集群化控制器的功能分割,给出了架构实现的关键技术方案,使其能够实现数据传递的高效动态分配.最后仿真验证了在快速路由重构方面,该S D N 卫星网络架构相较于传统卫星网络,在反向缝场景下全网平均网络查询时延更为稳定,且平均时延缩短了８２ ４％,进一步验证了其控制器数量选择的科学性,体现了该S D N 卫星网络架构的先进性.关键词:低轨卫星网络;卫星通信;软件定义网络;网络功能虚拟化;控制器集群中图分类号:V １９㊀㊀㊀㊀文献标识码:A收稿日期:２０２０Ｇ０９Ｇ０５;修回日期:２０２０Ｇ１１Ｇ２７;录用日期:２０２０Ｇ１２Ｇ１４;网络出版时间:２０２０Ｇ１２Ｇ２１㊀１０:３９基金项目:高分辨率对地观测系统重大项目基金(G F Z X ０４０６１２０２０３)∗通信作者．E Ｇm a i l :m i e t y＠s o h u ．c o m 引用格式:侯筠仪,赵黎晔,申景诗,等．基于S D N 架构的N F V 技术在低轨卫星网络中的应用[J ]．中国空间科学技术,２０２１,４１(３):８９Ｇ９６．HO UJY ,Z H A OLY ,S H E NJS ,e ta l ．T h ea p pl i c a t i o no fN F V b a s e do nS D Na r c h i t e c t u r e i nL E Os a t e l l i t en e t w o r k [J ]．C h i n e s eS p a c eS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,２０２１,４１(３):８９Ｇ９６(i nC h i n e s e )．T h e a p pl i c a t i o no fN F Vb a s e d o nS D Na r c h i t e c t u r e i nL E O s a t e l l i t e n e t w o r kH O UJ u n y i １,Z H A OL i y e ２,∗,S H E NJ i n gs h i １,F E N GF e i ２,W A N GS h a o b o ２１ S h a n d o n g I n s t i t u t e o f S p a c eE l e c t r o n i cT e c h n o l o g y ,Y a n t a i ２６４６７０,C h i n a ２ D F H S a t e l l i t eC o ．,L t d ．,B e i j i n g １０００９４,C h i n a A b s t r a c t :I nt h ec o n t e x to fs a t e l l i t en e t w o r kc o mm u n i c a t i o ns e r v i c e s w i t hc o m p l e xr e q u i r e m e n t sa n d p o o rs e r v i c e c o m p a t i b i l i t y o fo n Ｇb o a r de q u i p m e n t ,as o f t w a r e Ｇd e f i n e dn e t w o r k (S D N )a r c h i t e c t u r e f o r l o w Ｇo r b i t s a t e l l i t en e t w o r k w a s p r o p o s e d ．A v i r t u a l i z e dd a t a p l a n eb a s e do ni n t e r Ｇs a t e l l i t el i n k sa n dad i s t r i b u t e dc o n t r o l p l a n e w i t h m u l t i pl e c o n t r o l l e r sw e r ed e s i g n e di nt h i sa r c h i t e c t u r e ,w h i c h w a sh i g h l y f l e x i b l ea n d p r o g r a mm a b l e ．T h r o u ght h en e t w o r k f u n c t i o nv i r t u a l i z a t i o n (N F V )t e c h n o l o g y ,t h ed a t a p l a n ev i r t u a l i z a t i o na n dt h ef u n c t i o n a ld i v i s i o no ft h ec l u s t e r e d c o n t r o l l e rw e r e r e a l i z e d ,a n d t h ek e y t e c h n i c a l s o l u t i o n s f o r t h e r e a l i z a t i o no f t h e a r c h i t e c t u r ew e r e g i v e n t oe n a b l e t h e e f f i c i e n ta n d d yn a m i c a l l o c a t i o n o f d a t a t r a n s m i s s i o n ．T h e s i m u l a t i o n v e r i f i e s t h a tt h e S D N s a t e l l i t e n e t w o r k a r c h i t e c t u r e i sm o r es t a b l et h a nt h et r a d i t i o n a l s a t e l l i t en e t w o r ki nt h er e v e r s es e a m s c e n a r i oi nt e r m so f f a s tr o u t er e c o n f i g u r a t i o n ．I n t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s ,t h ea v e r a g e r e c o n s t r u c t i o nd e l a y i ss h o r t e n e db y ８２．４％,a n dt h es c i e n t i f i c c h o i c eo f t h en u m b e r o f c o n t r o l l e r s i sv e r i f i e d ．T h e s i m u l a t i o nr e s u l t s r e f l e c t t h e a d v a n c e dn a t u r eo f t h eS D Ns a t e l l i t e n e t w o r ka r c h i t e c t u r e ．K e yw o r d s :L E O ;s a t e l l i t e c o mm u n i c a t i o n ;S D N ;N F V ;c o n t r o l l e r i n t e g r a t i o n９０㊀中国空间科学技术J u n ２５㊀２０２１㊀V o l ４１㊀N o ３在５G生态系统的大背景下,地面用户数量和服务类型呈现爆发增长的趋势,星地网络的集成一体化被视为增强网络功能㊁完善网络部署的一种解决方案.目前,全球已有超过２０个卫星通信系统在轨运行,以新一代的O n e w e b系统㊁S p a c e X系统等为代表的巨型星座网络[１]作为通信网络广域建设的一种补充,有效克服了地面网络基站的布设限制,旨在缓解全球剩余２/３人口的宽带上网问题.在卫星网络领域,传统卫星通常将控制和数据转发功能集中于同一网络设备,卫星节点在进行数据传递前需先完成链路维持㊁状态监控㊁路由计算等多种网络控制功能,占用了大量星上载荷资源.面对未来网络不断增长的用户需求和异构化的应用程序,学术界提出了引入 软件定义网络 的概念进行卫星网络应用方案的研究.软件定义网络(s o f t w a r e d e f i n e d n e t w o r k, S D N)是网络虚拟化的一种实现方式,其核心是分离网络设备的数据平面与控制平面以实现网络流量的灵活控制.F e r rús等[２]在５G背景下在卫星地面段中引入S D N/N F V技术,实现星地间网络资源管理能力和业务敏捷性的提升. T a n g等[３]将路由计算和网络配置任务放在地面站,设计了一种基于O p e n F l o w的软件定义卫星网络架构.X u等[４]设计了S o f t S p a c e架构并讨论了S D N的故障发现机制和移动性管理能力. K a k等[５]研究了低小卫星在S D N网络体系下配置不同载波频率和轨道参数对时延和吞吐量的影响.X u等[６]设计了一种３层分层控制器架构,并进一步提出了一种从控制器选择策略以促进成本降低和稳定性增强.传统S D N方案的共同点是利用全局统一的S D N控制平面实现路由计算,控制策略需要在全网进行刷新.然而卫星自身拓扑动态异构的特征会导致控制器的计算及同步负担很大.可见,低轨卫星空间段的软件定义网络架构设计依然有较大的研究潜力和应用价值.针对上述问题,本文主要关注将S D N设计思想在卫星网络架构中进行扩展,简化卫星节点的工作负担㊁实现大量流量的高效传输,并融合网络功能虚拟化(N F V)技术以使该架构能够面对未来空间信息网络发展中可能遇到的挑战性问题.本文首先从低轨星座设计入手,从物理层面进行优化,使其通信水平的性价比最大化.基于该低轨卫星星座,进一步提出了软件定义卫星网络架构设计方案,设计了以星间链路为基础的虚拟化数据平面和多控制器的分布式控制平面,并给出了架构实现的关键技术方案,使其能够实现数据传递的高效动态分配.１㊀低轨卫星星座设计低轨星座设计是构建卫星通信系统的基础,星座构型的合理优化有助于低轨星座功能的最大化实现.卫星星座设计优化过程首先应根据目标场景选取基础星座构型.本文的设计背景为设计一种有效补充地面网络局限性㊁实现广域补充覆盖且能够搭建S D N架构的卫星星座.极轨道星座属于对称星座,轨道面分布均匀,每个轨道面上卫星数目相同,轨道面经过两极且与赤道面垂直,能够实现对全球的覆盖.极轨道星座中的卫星在运动过程中保持相对静止,可以通过固定的星间链路实现卫星间的切换与通信,且星间链路建设简单,易于维护,能够为S D N架构提供合理的物理基础.因而,本文采用极轨道作为星座基础构型.铱星系统是一种典型的极轨道通信卫星星座.但考虑未来通信系统所面临的高速率传输下,文献[７]基于轨道高度与边缘通信仰角的约束关系指出,低通信仰角的铱星系统无法满足宽带L E O星座卫星通信系统要求,需要通过提高轨道高度来解决这一问题.然而,在地面用户边缘通信相同的情况下,卫星的轨道高度越高则会导致单星所需要的点波束数量越多.考虑到软件定义卫星星座未来发展定位于卫星通信㊁导航㊁遥感等多方面星上功能的实现,本文参考由法国国家空间研究院和美国宇航局合作的第一个全球定位和数据采集系统A r g o s系统的星座设计理念,将星座轨道高度提升至８５０k m,以贴合多功能的星上实现需求.卫星通信仰角的设计需保证星座实现对全球的覆盖,但单颗卫星不应覆盖面积过大而造成功率指标的浪费,故本星座单颗卫星的边缘通信仰角设计为３０ʎ.根据全球覆盖星座原理[８],在已知轨道高度和边远通侯筠仪,等:基于S D N 架构的N F V 技术在低轨卫星网络中的应用９１㊀信仰角的前提下能够计算出最优的卫星总数㊁轨道面数及每个轨道上的卫星数量,最终构建卫星星座.该星座共有９个轨道平面,每个轨道面上分布１１颗低轨卫星,轨道高度８５０k m ,轨道倾角为８６ ４ʎ.通过S T K 软件对星座的对地覆盖性能进行仿真,结果证明该星座对地覆盖率在全时段达到１００％,满足任务所需的通信要求.极轨道卫星星座网络的联通依赖于星间链路的构建.参考铱星星间链路的设计模式,该星座中的每一颗卫星都与其同一轨道的相邻卫星建立２条星间链路,并与相邻轨道上实时临近的卫星建立２条星间链路.第１轨道和第９轨道之间的反向旋转关系是一种例外情况,这两条轨道间的卫星不存在相邻轨道的星间链路.拓扑结构如图１所示.图１㊀数据平面拓扑结构示意F i g １㊀S c h e m a t i c i l l u s t r a t i o no f d a t a p l a n e t o p o l o g y卫星通信网络地面段网络拓扑采用 多点落地 的设计思想.仅依靠单一地面站接收全网卫星的下传数据这一模式在面对海量数据时易发生网络拥塞,而将多地面站引入卫星网络的路由规划能够充分利用地面网路资源.地面设备具有可维护㊁鲁棒性高的特点,通过光纤传输数据更为高效,分担了卫星网络的传输压力,体现了卫星网络与地面网络的互补性,实现了星地传输负载均衡.如图２所示,本文选取三亚㊁佳木斯㊁喀什３处地面站为示例,图中标注了３处地面站的地理位置及当前时刻向对应地面站下传数据的卫星(圆标注).图２给出了一条路由示例:当前时刻喀什地面站上空西侧的卫星(三角标注)作为源点进行数据传输,数据流在喀什地面站上空完成数据下传,经地面光纤网络传递至目的地三亚地面站.这样的传输路径有效减少了数据流在星间的传递跳数,降低了传输延迟与传输损耗.此外,多点落地 结构能够有效解决极轨道星座反向缝两侧卫星无法建立星间链路导致路径规划复杂的问题.图２中佳木斯地面站上空,存在两个间隔反向缝的数据下传卫星(矩形标注).虽然两颗卫星间无法完成东西向数据传输,但是能够通过将数据下传至佳木斯地面站,最终借由地面网络完成服务,避免了星上传输路径过长的问题.图２㊀ 多点落地 结构示例F i g ２㊀ M u l t i p o i n t l a n d i n g s t r u c t u r e e x a m pl e ２㊀基于低轨星座的软件定义网络架构设计与实现S D N 的核心在于控制平面和数据平面的分离,其基本架构如图３所示.图３㊀S D N 基本架构F i g３㊀S D Na r c h i t e c t u r e９２㊀中国空间科学技术J u n ２５㊀２０２１㊀V o l ４１㊀N o ３２ １㊀数据平面在低轨卫星网络中,卫星作为S D N交换机的载体可被视为数据平面的节点.低轨星座中所有卫星以节点形式构成完整的数据平面,依靠星间链路实现数据流的交换传输.数据平面的主要功能是通过一系列的链路操作对到来的数据分组进行处理,这些操作通常包括数据分组的收集和完整性检查.卫星网络这一场景的特点是底层物理资源有限,发射入轨后很难对交换机进行硬件设备的二次更新或功能变更维护,因而缺乏应对多种服务需求的灵活性.本文提出引入N F V技术,在数据平面上搭建虚拟的 环境抽象层 ,用以解决数据平面的灵活性问题,并进一步阐明虚拟化转发功能的实现方式.环境抽象层将设备的物理功能分割为更轻量级的网络虚拟功能,通过映射机制将用户需求的虚拟资源与物理资源相对应,能够有效地节省底层的物理资源,实现卫星平台的长期可用性.如图４所示,I n t e l公司开发的一种数据平面开发套件(d a t a p l a n ed e v e l o p m e n tk i t,D P D K)能够很好地实现网络功能的虚拟化.该套件提供了数据平面库和轮询模式的L i n u x用户空间网卡驱动,通过间接的A P I提供队列管理㊁缓存管理和流量分组功能,使得上层应用和控制平面可以直接调用这些环境抽象层的功能来完成相关计算和转发.通过虚拟化交换机(即环境抽象层),端口在传递流表时不再需要硬件设计提前预留专用的缓存队列存储空间,其缓存空间由C P U管理的内存动态化临时分配.在数据转发图４㊀数据平面I/O结构F i g ４㊀D a t a p l a n e I/Oa r c h i t e c t u r e 过程中,仅通过表头的地址匹配字段送入C P U 进行地址匹配,待完成匹配后才会在需要转发时将完整数据包输出网络端口.卫星网络数据平面的虚拟化计算类功能的实现方式与普通星载计算机运行应用程序的方式完全相同,而虚拟化的转发类功能则有比较大的变化.在S D N网络设备中,网络层功能虚拟化的本质是通过流表抽象数据平面,通过流表可以精确地匹配和识别业务类型,完成对流的操作.数据转发形成的流表由多个基础流表构成,基础流表包含了地址匹配字段㊁计数字段㊁操作字段３项功能,如图５所示.考虑到卫星网络是一种无线网络,其转发和资源分配均基于终端,传统的S D N可能造成１个卫星终端的不同流会使用相同的信道和窗口.本方案在传统S D N协议基础上扩展性地引入I E E E８０２ １１e协议,该协议通过对流量的窗口和帧间间隔区别对待,能够赋予流不同的优先级.图５㊀S D N流表项F i g ５㊀S D Nf l o wt a b l e随着星载载荷处理能力的提高,在支持基础数据包的转发之外,数据平面还需支持流量优先级的分类功能,以便针对不同类型数据实现S L A(服务级别协议).通过采用D P I(深度包检测)[９],应用能够确定转发决策的优先级,进而满足Q o S(服务质量)要求.数据平面的虚拟化处理缓解了C P U的压力,使得这些服务有了实现的可能.２ ２㊀控制平面卫星网络的控制功能由S D N控制器实现,侯筠仪,等:基于S D N 架构的N F V 技术在低轨卫星网络中的应用９３㊀其任务是更新数据平面设备(即星上S D N 交换机)的转发规则.目前,大量的研究成果集中于将控制器放置于地面站或静止轨道卫星上,且数量较少.然而,随着网络流量需求的提升和数据平面的扩大,控制器数量不足将难以满足星地无线网络高动态㊁大跨度的路径配置计算需求,进而使得配置转发规则所需的流建立时间增长,用于改善网络延迟的相关规则下发失效,因而需要增加控制器布设数量来减少流建立时间[１０].此外,控制器放置于地面站或静止轨道卫星上意味着控制平面与数据平面之前存在巨大的数据传输损耗,并需要建立更为庞大的拓扑分析库来处理网络拓扑的动态化问题[１１].基于上述背景问题,本文提出将多控制器直接部署于低轨卫星上构成分布式控制平面.这样的控制器部署方式,一方面保证了控制器数量能够满足功能实现的需求,另一方面控制平面与数据平面的拓扑一致化减少了控制平面的数据处理压力.根据改进的N S G A ＧⅡ的多控制器初始化部署算法[１２]可知,控制器与卫星节点数量比例为０ ３~０ ４时,网络端到端时延将至最低.因此本文的控制器静态放置方案将控制器数量选取为３６,每条轨道可有４个控制器,分别位于该轨道的１号㊁４号㊁７号㊁１０号卫星.如图６所示,被放置S D N 控制器的卫星同时具备数据交换和网络控制的功能,控制器与控制器之间由东西向接口相互连通,形成一个物理上分散㊁逻辑上集中的控制平面.每个控制域内约有２~３颗卫星.这样的部署方式不仅减少了星地间的数据传输损耗,还降低了控制器与交换机之间的数据传播时延.此外,集群式控制器通过虚拟化设计能进一步实现多功能平台的分割,提升卫星平台图６㊀控制平面组网示例F i g ６㊀C o n t r o l p l a n en e t w o r k i n g对载荷的支撑能力,更好地把握全网资源视图,改善通信资源的交付质量.多控制器的部署意味着同时还需解决控制器动态放置问题[１３].控制器动态放置问题即控制域界定问题,该问题可被公式化为I L P 算法,其优化目标是使得配置转发规则所需的平均流建立时间最小化,并通过G u r o b i 优化器进行求解.与控制器放置问题相关的约束表述如下.约束１:用于确保要放置在网络中的控制器总数为K .ðc ɪCyc＝K(１)式中:C 为控制器集合(该集合中元素c 为控制器集合中各控制器的编号);K 为控制器放置数量;y c 为一个二进制变量,指示是否将控制器放置在c ɪC 上,yc 为１表示控制器在控制器集合C 中,yc 为０表示控制器不在控制器集合C 中.约束２:用于确保只有c 号控制器处于活动状态时,s 号卫星才会被c 号控制器控制.x s ,c ɤy c ,∀s ɪS ,∀c ɪC (２)式中:S 为卫星集合(该集合中元素s 为卫星集合中各卫星的编号);x s ,c 为一个二进制变量,指示是否将卫星节点s 分配给c ɪC 上,x s ,c 为１表示将卫星节点s 分配给c ɪC ,x s ,c 为０表示不将节点s 分配给c ɪC .约束３:用于确保每个卫星s 被有且只有一个控制器c 控制.ðc ɪCxs ,c＝１,∀s ɪS (３)约束４:如果两个卫星属于不同的控制器集群,则需要给他们分配给不同的控制器.约束４给出一种辅助的二进制变量z c ,s ,k 用于量化这种情况,将卫星划分为不同的控制域.z c ,s ,k ＝x s ,c x k ,c ,∀s ɪS ,∀k ɪS ,∀c ɪC (４)约束５:为使该约束能被线性优化器运算解决,由约束５的３个公式进行替代.z c ,s ,k ɤx s ,c ,∀s ɪS ,∀k ɪS ,∀c ɪC z c ,s ,k ɤx k ,c ,∀s ɪS ,∀k ɪS ,∀c ɪC z c ,s ,k ＝x s ,c ＋x k ,c －１,∀s ɪS ,∀k ɪS ,∀c ɪC üþýïïïï(５)本文所设计的由多控制器共同构成的控制９４㊀中国空间科学技术J u n ２５㊀２０２１㊀V o l ４１㊀N o ３平面经东西向接口相互连通形成,物理上分离但逻辑上集中.在此基础上,结合N F V 技术进一步提出了对控制平面的软件层面功能切割.经虚拟化处理,控制平面基于卫星通信需求设计为３个平台和２个数据库:请求指令平台㊁负载均衡平台㊁控制器系统平台㊁全网视图库㊁路由算法库.其中,全网视图库包含了拓扑分析库㊁链路分析库㊁网络状态库.为适应卫星拓扑的动态性,引入拓扑快照的方法,每分钟检查一次网络状态变化并形成快照集,每小时计算一次由于卫星移动而产生的所有网络拓扑.通过南向接口,控制平面必须处理３类流量控制信息:流量配置信息㊁流量重新配置信息和迁移信息.如图７所示,数据平面收到新业务请求后向控制平面发送流量配置信息,控制平面的请求指令平台接收该信息,并将任务分发至相关的全部控制器.流量配置信息仅提供源地址及目的地址信息,不包含业务的转发相关内容.当网络中某卫星节点或多卫星节点因数据传输任图７㊀控制平面实现流程F i g ７㊀C o n t r o l p l a n e i m pl e m e n t a t i o n p r o c e s s 务过量而出现拥塞状态时,发生拥塞的卫星节点向控制平面发送流量重新配置信息,请求指令平台收到此类信息后将其转发至负载均衡平台,触发卫星路由重构.该过程中,控制平面将更新全网视图库,负载均衡算法库调用更新后的链路状态和数据平面上传的数据传输任务需求重新计算路由,新的路由规则由控制器下发至数据平面.此外,每一次流量传输过程完成后,起点交换机和目的交换机分别向所属控制器发送第一流量配置信息时间和传输结束时间,由起止时间的差值除以路由传输跳数计算出平均流建立时间.若平均流建立时间超过系统规定阈值,同样视为发生网络拥塞,由目的交换器向控制平面发出流量重新配置信息,降低该路由途径的分配权重.考虑到控制器系统平台内包含数量较多的控制器,本文采用Z o o k e e pe r 系统框架[１４]实现该平台内部的管理.每台搭载控制器的卫星对应于不同的控制域(多颗交换机卫星),同时在多颗控制器的卫星中选举出一个L e a d e r (图中为控制器１,实际通过选举规则设定为地面站过顶卫星所搭载的控制器,以实现更好的星地交互),负责与收集全网的信息并发送给全网视图库进行更新,确保流量传输资源不被复用.其余搭载控制器的卫星作为M e m b e r 负责控制其所属控制域内卫星上的交换机进行数据传递,并通过迁移信息将各控制域内的网络状态信息发送给L e a d e r.由于卫星拓扑的动态性,各控制器卫星所属控制域内所需控制的卫星节点动态变化,需采用一种基于度的均衡控制节点部署算法[１５]实现对控制卫星控制域的自适应动态划分.该算法调用全网视图库,生成星座交换机节点链表并设置链表的遍历方向参数,最终获得每个控制器对应控制域的卫星交换机节点集合.卫星控制器系统平台上的控制器通过调用全网视图库和路由算法库进行路由规划,并负责向其控制域内的交换机下发路由表.２ ３㊀初步验证该验证基于本文第２节设计的低轨星座,对所设计的多控制器架构与传统地面站控制架构,在反向缝区域发生路由重构情况的路由重构查侯筠仪,等:基于S D N 架构的N F V 技术在低轨卫星网络中的应用９５㊀询时延进行仿真验证对比.本文随机选取某时刻卫星拓扑快照对卫星节点查询时延进行计算.假设反向缝位于北京地面站上空,因而地面站选取为北京地面站.在该时刻下,传统地面站控制架构所对应的地面站过顶卫星为第９轨道３号卫星(卫星编号９１,卫星Ｇ地面站跳数记为０).通过S T K 软件仿真可以获得该时刻下卫星网络中各节点位置及其间距,并假设每颗卫星节点数据转发处理时间为１m s .而本文所设计的多控制器架构在该场景下,每颗卫星发送路由重构查询请求仅需１跳或０跳即可将请求发送至控制器.假设数据传输速度为光速,计算得到各节点重构路由所需的查询时延,并以卫星Ｇ过顶卫星间隔跳数作为分组依据计算均值进行对比.如图８所示,传统意义上地面控制器的部署架构受反向缝影响大,间隔跳数越大的卫星所需的路由重构查询时延越大,而低轨部署多控制器的S D N 架构则具有较低且稳定的路由重构查询时延.在传统地面站控制架构,该时刻全网卫星节点通过地面站控制器实现路由重构的查询时延均值为８２ ９７m s .而在本文设计的低轨道多控制器部署架构下,路由重构的单跳查询时延稳定在１４ ５８m s .该仿真结果说明该架构可以较好实现路由的动态调整,快速实现路由收敛重构.图８㊀各节点不同架构下所需路由重构查询时延F i g ８㊀R o u t i n g r e c o n f i g u r a t i o n q u e r y d e l a y fo r d i f f e r e n t a r c h i t e c u t r e s本文进一步对控制器数量对网络端到端时延的影响做出仿真.网络端到端时延为星上交换机Ｇ控制器平均时延及控制器Ｇ控制器平均时延的总和.交换机Ｇ控制器平均时延为所有交换机与其控制器间最短星间链路数据传输时延的平均值.控制器Ｇ控制器平均时延为所有控制器与控制器之间最短控制链路传输时延的平均值.最短路径通过S T K 软件仿真可以得到.如图９所示,可以看出随着控制器数量的增加,网络端到端时延不断降低,在控制器数量为４时达到最低值,继续部署控制器会导致时延呈现上升趋势.这主要是因为当控制器数量较少时,星上交换机与控制器之间所需的最短传输路径较长,导致路由重构请求发送时延较长.随着控制器数量的增加,星上交换机与控制器间所需最短路径减少,网络端到端时延不断下降直至达到最佳的控制器部署比例.随着控制器数量的继续增加,网络端到端时延出现上升趋势的原因是控制器部署数量冗余,此时交换机Ｇ控制器间已达到最短路径,过多的控制器反而增加了网络负担,网络端到端时延主要由控制器间控制链路的传输时延组成.图９㊀控制器数量对网络端到端时延的影响F i g ９㊀I n f l u e n c e o f c o n t r o l l e r n u m b e r o n e n d Ｇt o Ｇe n dd e l a y３㊀结束语从体系结构的角度出发,可以预见S D N 作为一种解决方案能够为未来卫星网络带来可编程的灵活性和控制部署的自适应功能.本文提出了一种基于低轨卫星网络的S D N 架构设计.在低轨卫星网络合理优化设计的背景下,该架构充分结合N F V 技术,实现了在控制平面与数据平面相分离的基础上对各平面功能的二次切分.数据平面基于N F V 技术构建环境抽象层,将计算和转发功能虚拟化,实现了缓存的实时分配,有效提高数据传输效率.控制平面由多控制器共同构成集群,物理上分离但逻辑上集中,经虚拟化处理设计为３个平台和两个数据库用以高效生成流量配置规则并下发,同时进一步实现了控制器系统平台内的自适应动态重构.该S D N 架构设计对未来软件定义卫星网络架构建设具有重要的参考意义.在后续研究中,作者团队将。
低轨卫星激光载荷配置及快速建链方法的研究
低轨卫星激光载荷配置及快速建链方法的研究
张世层;张冬;王平;安绍毅;高鹏;孙艳红
【期刊名称】《激光技术》
【年(卷),期】2024(48)2
【摘要】为了适应未来低轨卫星轻量化和低成本的发展趋势,满足星间激光快速建链的使用需求,对星间激光配置原则进行了分析,采用转台式激光载荷和固定式激光
载荷相结合的载荷配置方式,分别用于异轨道面间和同轨道面内的星间建链,设计了
基于在轨恒星标校、信标光辅助建链和光轴一致性的激光载荷快速星间建链方案,
并介绍了全流程。
结果表明,星间激光载荷建链时间小于30 s,可实现长时间的星间激光稳定跟踪通信。
该研究结果有助于推动星间激光通信的发展和大规模在轨应用。
【总页数】6页(P249-254)
【作者】张世层;张冬;王平;安绍毅;高鹏;孙艳红
【作者单位】西安电子科技大学通信工程学院;中国电子科技集团公司第五十四研
究所
【正文语种】中文
【中图分类】TN927.2
【相关文献】
1.星载GNSS低轨卫星精密定轨快速解算方法
2.低轨卫星空间操控中的一种载荷
休眠方法3.基于异轨动态建链的低轨星座拓扑控制技术研究与仿真4.一种高效的
低轨卫星网络反向缝建链策略5.基于低轨全覆盖卫星星座的反向缝建链策略
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
卫星通信系统2fjx.pdf
INTELSAT-6代卫星有效载荷原理框图
通信分系统 – 再生型转发器
再生型转发器的基本部件，除对信号进 行放大和频率变换外，还提供解调、基 带信号处理与交换、和重新调制的功 能。
再生型转发器的原理框图
姿态和轨道控制分系统
姿态和轨道控制分系统的主要功能，是 保持准确的卫星位置和通信天线指向； 在转移轨道和静止轨道运行时，控制卫 星的飞行动作，保持轨道运动的稳定 性。
目N为：N = [Ae Ah ] = [π (3β − π )]
利用球冠的表面积 A = 2πRe 2 (1 − cosθ max )，并 考虑21%面积的重叠，可以导出另一个 近似结果N为：
N ≈ 2.42 (1 − cosθ max )
不同轨道高度和最小仰角情况下， 一次到二次全球覆盖时要求的卫星数目
2.1.2 开普勒定律--轨道周期定律
2.1.3 卫星的定位
中心异常角和平均异常角
卫星定位具体步骤
地心赤道系统中的定位ຫໍສະໝຸດ 地心赤道系统中的定位确定t时刻卫星的绝对坐标需要6个已知参量： 偏心率、半长轴、近地时刻、上升极点的右上升角、倾角、近地点变量
例-低地球轨道
例-椭圆轨道
例-椭圆轨道
圆形、接近同步轨道的轨道； 静止轨道/同步：卫星与地表相对 位置同步的轨道；
2.2.3轨道摄动
轨道摄动-经度变化
平面内变化
轨道摄动-倾角变化
平面间变化
2.2.4 轨道对通信系统的影响—开普勒频移
2.2.4 轨道对通信系统的影响--星蚀
一年中星蚀时间分布图
2.2.4 轨道对通信系统的影响--日凌中断
2.3 卫星星座和系统概念
一颗卫星只能够提供有限面积的业务。 为了扩展覆盖，一个卫星系统可能要使 用多颗卫星。在这样的系统中，所有卫 星的组合称之为星座。在一个星座中， 通常卫星具有相同的轨道类型，但是也 有某些系统，它是由不同轨道类型的混 合组成的。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
卫星反向缝的概念
卫星反向缝是一种用于遥感中主动微波成像的技术，其原理是通过在卫星上搭载的合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）系统，利用平台运动和组合信号处理技术，将连续的微波波束照射地面目标，接收返回的散射波信号，然后通过数字信号处理技术进行组合和合成，实现高分辨率的地表图像生成。
在传统遥感中，一般是由卫星搭载的传感器在瞬间获取一张影像，并将其传回地面进行处理。
然而，由于遥感传感器与地面之间的距离较大，其分辨率受限于波长的尺度，即无法获取细节丰富的影像。
卫星反向缝技术通过采用合成孔径雷达技术，不仅能够克服地面与卫星之间的距离问题，还可以通过组合信号处理，实现很高的分辨率。
具体而言，卫星反向缝技术的过程大致分为以下几个步骤：
1. 发射雷达信号：卫星反向缝系统通过向地面发射微波雷达信号，开始获取地面的反射波。
2. 接收反射波信号：当雷达信号照射到地面时，会产生与地面目标相互作用的散射波，这些散射波会被卫星上的接收器接收到。
3. 时域信号采样：接收到的散射波信号会通过接收器转换为数字信号，并按时间进行采样，得到一系列时序信号。
4. 信号处理：通过对采样到的时域信号进行组合和合成，利用雷达平台的运动轨迹和信号处理算法，将不同位置的散射信号进行相干叠加，从而提高分辨率和细节信息。
5. 影像生成：经过信号处理后，可以得到高分辨率的合成孔径雷达影像，其中包含了地面目标的细节信息和特征。
卫星反向缝技术的优势在于它可以克服一些传统遥感技术的限制。
首先，卫星反向缝技术能够实现高分辨率影像的获取，这对于地貌细节、人工设施、农作物生长状态等细小特征的识别非常有帮助。
其次，由于卫星反向缝技术采用微波波段，相对于可见光遥感，具有天气云雾透明度高的优点，即使在阴雨天气条件下，也能够获得准确的地表信息。
此外，卫星反向缝技术还能够实现全天候和全地域的观测，提高了数据获取的全球时效性。
卫星反向缝技术在许多领域有着广泛应用。
对于地质勘探方面，卫星反向缝技术可以在没有物质样本的情况下，通过对地表的微波散射信息进行分析，获取地质信息，识别矿产资源、矿山结构等。
在土地利用规划中，卫星反向缝技术可以提供地表的高分辨率信息，帮助决策者进行城市扩张、农田整理和生态环境保护等方面的规划。
此外，卫星反向缝技术还广泛应用于环境监测、灾害预警、冰雪覆盖监测、海洋监测等方面。
总之，卫星反向缝技术通过合成孔径雷达系统和数字信号处理技术的应用，能够获取高分辨率、全天候、全地域的地表图像，为人们提供了一种重要的遥感数据获取手段，具有广阔的应用前景。