基于天地一体化网络的卫星遥感系统效能仿真

王俊蕊，彭会湘

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

卫星遥感系统通常由遥感卫星和地面的测运控系统和数据处理系统组成，测运控系统利用地面站对卫星测控[1]，控制卫星执行遥感任务，之后再利用地面站将卫星遥感数据接收下来，发送至数据处理系统进行处理[2]。卫星测控和数据接收只有在卫星过顶地面站时才能进行，低轨遥感卫星每天绕地球运行约15圈，最多只有4次机会过顶一个地面站，每次过顶时间不超过10 min。随着卫星制造技术的成熟，在轨卫星数量急剧增加，且大部分可见光遥感卫星运行于太阳同步轨道，过站时间段集中，导致测控和数据接收资源冲突严重[3]。受多种因素制约，我国地面站的建设远滞后于卫星发展，越来越难以满足大量卫星测控和数据接收的需求，致使卫星能力不能充分发挥，遥感需求不能充分满足。

随着航天技术、通信技术和互联网技术的发展成熟，建立覆盖全球的天地一体化宽带网络已成为通信网络技术的发展趋势[4]，成为国际互联网巨头争夺的焦点[5]，卫星互联网公司OneWeb计划发射680颗小型卫星，SpaceX则计划采用数量更加庞大的低轨卫星构建空间互联网基础设施，我国也提出了相应的发展计划。未来的天地一体化宽带网络将利用互联网技术实现互联网、移动通信网和卫星通信网的互联互通[6]，将3种网络业务承载方式打通，形成可承载实现各类信息覆盖的网络系统通用平台[7]。

天地一体化宽带网络使得处于全球任意位置的遥感卫星能与测运控系统、数据处理系统及时通信，将彻底改变只有在卫星过顶地面站时才能测控和接收数据的限制，卫星能力将得到充分发挥，用户需求将得到充分响应。本文重点介绍了天地一体化网络的策划设计和效能分析，然后对比分析卫星遥感系统分别在天地一体化网络和地面站网支持情况下的效能。

1 天地一体化网络设计与仿真分析

1.1 天基网络规划

天地一体化网络由天基骨干网、天基接入网、地基节点网、地面互联网和移动通信网等多种异构网络互联融合而成，对实现国家安全战略目标具有重要意义[8]。其中天基网络是天地一体化网络的核心，是促进信息共享和资源综合利用、充分发挥航天信息化建设应用效益的重要手段[9]。

天基骨干网由具有固定连接关系的通信卫星星座构成，固定关系是指2颗节点通信卫星相对位置基本固定，永远不会被地球遮挡，始终能够具备通信条件[10]。拟采用均匀分布的星座构建天基网络，该星座由处于同一高度的多个轨道面构成，同一轨道面上前后2颗卫星始终可见，相邻轨道面前后位置2颗卫星始终可见，如图1所示，星座中相邻卫星采用高速激光链路连接，这样整个星座就形成了一张具有固定连接关系的覆盖全球的天基骨干网络。

图1 天基网络想定Fig.1 Vision of the space network

通信星座中每颗卫星上部署微波链路，用于遥感卫星和地面站点的接入，构成天基接入网，通过合理设计的星座构型和规模，就可以实现对全球地表和一定高度空域的无缝覆盖，这样处于该高度之下任意位置的遥感卫星和地面站都可以随时接入天基网络，实现遥感卫星之间、遥感卫星与地面站之间的实时通信，从而实现对处于全球任意位置的遥感卫星进行实时测控与数据传输。

1.2 天基网络设计

综合考虑地球曲率对卫星可见性的影响、星座对全球覆盖要求、被服务的遥感卫星轨道特点和天基网络节点成本等因素，提出了天基网络通信星座的参数，如表1所示。通信载荷为全向天线，地球不遮挡即可通信。

表1 通信星座参数

基于STK对该星座进行可视化仿真，如图2所示。

图2 天基网络仿真Fig.2 Simulation of the space network

该星座构型稳定，同一轨道面上每个通信节点都能与其前后2个节点始终可见，相邻轨道面相位角最近的2个通信节点也始终可见，基于此星座结构构建天基网络，每个通信节点部署5个通信载荷，其中4个分别与其前后左右的4个节点始终连接，构成稳定天基网络，第5个通信载荷指向下方，用于连接地面或低轨遥感卫星。地面站之间用固定有线网络连接，本身就是一个稳定的网络，不同站点之间始终处于连接状态，任意站点连接天基网络就相当于所有地面站连接了天基网络，这就代表整个地面站网与整个天基网络连接在一起。这样，只要遥感卫星接入任意一个通信节点，就相当于接入了整个天基网络，能够与同时接入天基网络的其他遥感卫星或地面站进行通信。

1.3 地面站接入能力分析

根据我国遥感卫星地面站的大致分布，模拟8个地面站，具体参数如表2所示。

利用STK软件逐一计算天基网络每个通信卫星与每个地面站的可见时段，每个可见时段内，地面站网均可与天基网络进行连接通信[11]，统计地面站与天基网络的可连接情况，如表3所示，以STA1，STA2和STA4为例，每个站在24 h内可有效连接天基网络(连接时长大于5 min)的次数为300次以上，连接的最大时长为16 min，平均时长超过13 min，每个站均存在多次的连接缝隙，每次缝隙的最大时长不超过5 min，而多站联合则不存在连接缝隙，也就是说，如果用一个站连接天基网络，24 h内最长需要等待5 min，但是用多个站连接天基网络，则随时可连接。因此可以认为，天地一体化网络时刻都可以通信，每次通信时间长度最大不超过16 min。

表3 地面站接入天基网络能力分析

1.4 遥感卫星接入能力分析

根据当前遥感卫星的轨道特点，模拟3组遥感卫星星座，参数如表4所示。

表4 模拟遥感星座参数

成像卫星星座名称为IMG1，卫星数量12颗，轨道高度500 km，轨道倾角98°，遥感载荷为CCD线阵，视场半角45°[12]，卫星代号分别为：IMG100，IMG101，IMG102，IMG103，IMG110，IMG111，IMG112，IMG113，IMG120，IMG121，IMG122和IMG123。

电磁信号探测卫星星座名称为ELEC2，卫星数量9颗，轨道高度900 km，轨道倾角45°，载荷圆锥半角60°[13]，卫星代号分别为：ELEC200，ELEC210，ELEC220，ELEC230，ELEC240，ELEC250，ELEC260，ELEC270和ELEC280。

分别统计极地轨道和倾斜轨道的2颗卫星与天基网络的连接情况，如表5所示。由表5可以看出，2种轨道的卫星在24 h内可有效连接天基网络(连接时长大于5 min)的次数均在1 000次左右，连接最大时长超过200 min，并且均不存在连接缝隙。

表5 遥感卫星接入天基网络能力分析

综上所述，任意遥感卫星都可以随时接入天地一体化网络，与其他遥感卫星或地面站网进行通信，地面系统可以通过天地一体化网络随时向处于任意空间位置的遥感卫星发送控制指令、接收遥感数据，而不再是通过专用测控站在特定时刻向卫星注入指令，通过专用接收站在特定时刻接收卫星遥感数据，测控窗口和接收窗口的概念将不复存在，实现全球实时测控、全球实时数传。

2 基于天地一体化网络的遥感卫星典型业务分析

2.1 远海点目标应急观测仿真试验

应急任务通常指，提出观测要求后卫星当圈能够完成观测和数据下传[14]。应急任务处理流程为：根据任务观测位置要求，开展卫星目标访问计算，筛选出当前圈次能够过顶目标的卫星，根据卫星对目标访问的时间，查询该卫星相应的测控资源和数传资源[15]，然后进行应急任务规划，生成卫星控制指令和地面站接收计划，在卫星过顶目标之前将指令上注卫星，将数据接收计划发送至地面站[16]。考虑到地面分析计算时间，一般应急测控时间在卫星过顶目标之前0.5 h之内，观测数据也要在卫星观测之后0.5 h之内下传。

以对远离海岸的某地点应急观测为例进行分析。在20210501T08:00:00/20210502T08:00:00，共有10颗次卫星过顶目标，如表6所示。

表6 遥感卫星观测时间列表

假如都是在卫星过顶目标之前1 h内提出对该地点进行应急观测，则需要在每次观测之前0.5 h之内将指令上注卫星，在观测之后0.5 h之内将观测数据下传，只考虑传统地面测控数传情况，查询相应的测控资源和数传资源，结果如表7所示。这10次应急观测任务中，要么没有测控资源，要么没有数传资源，均不能按要求完成。其原因是地球自转方向为自西向东，卫星都是从东向西逐圈递进，而我国的地面站都分布在目标西侧，因此地面站的资源严重不足。

表7 地面测控/数传资源情况

如果使用天地一体化化网络，则相应的测控资源和数传资源如表8所示。这10次应急观测的测控资源和数传资源非常丰富，有很大的选择余地，可以有效地完成应急测控和数据的下传。

表8 天基测控/数传资源情况

2.2 远海区域快速覆盖仿真试验

区域快速覆盖的要求是尽快完成对区域的覆盖观测，并最快将观测数据下传，其处理流程为：首先，将区域沿卫星飞行方向划分为若干条带，条带的宽度不超过卫星的观测幅宽；然后，计算所有卫星对所有条带的访问时间，形成“卫星—条带—访问时间”集合；按访问时间排序，之后按时间顺序依次从集合中挑选出每个条带的最早访问时间，形成若干条带观测任务；再为每个条带观测任务选择测控资源和数传资源[17]。

因为所有条带观测任务是统一确定的，所以每个条带任务的测控时间段为任务规划完成之后到观测开始执行之前，观测时间靠后的任务对应的测控资源相对较多，为了尽快获取观测数据，每个条带观测开始之后要在0.5 h之内将观测数据下传。

2021年5月1日上午9:00对100 km×100 km大小的某区域进行应急覆盖观测，根据卫星运行方向和卫星观测幅宽，将其从东到西拆分为10个条带，编号QYMB1～QYMB10，然后通过目标访问计算，得到每个条带的观测卫星及访问时间，如表9所示。

按照访问时间顺序，挑选出每个条带的最早访问时间，形成每个条带的观测任务，如表10所示。

表9 遥感卫星对区域条带观测时间列表

表10 区域目标覆盖观测任务

在第一个观测任务开始前0.5 h到每个观测任务开始时刻之间查询每个观测任务的测控资源，在每个观测任务开始之后0.5 h之内查询该任务的数传资源，只考虑传统地面测控数传情况，查询相应的测控资源和数传资源，结果如表11所示。

表11 地面站对区域覆盖任务支持情况

YQMB10和YQMB9因没有测控资源，所以不能及时观测，只能选择后续最早观测时间，如表12所示，在2021-05-01T10:03:33两个条带均有一次观测机会，但仍然查询不到测控资源，在2021-05-01T13:52:39两个条带均有一次观测机会，均有测控资源，但因观测资源相同，只能观测一个，另一个则被安排在2021-05-01T17:41:47观测，时间分别滞后4 h和8 h。

表12 地面资源不足对观测任务的影响分析

如果使用天地一体化化网络，则相应的测控资源和数传资源如表13所示，10个条带观测任务的测控资源和数传资源非常丰富，有很大的选择余地，可以有效完成应急任务指令的上注和数据的下传。

表13 天基资源对区域观测任务支持情况

2.3 海上移动目标搜索跟踪仿真试验

2.3.1 任务处理流程

海洋移动目标搜索与跟踪的主要任务是：事先得知海洋目标的大致活动范围，然后利用电磁信号探测卫星对目标活动范围进行搜索，当发现目标后，利用通信链路向其他卫星发送目标位置及相关信息，其他卫星收到目标信息后，自主进行任务规划并执行[18]；其他卫星观测到目标后，继续通过通信链路广播目标的最新信息，驱动更多卫星自主规划观测目标，如此反复迭代，完成对海洋动目标的持续跟踪，如图3所示，具体处理流程如下：

① 地面预先计算通信链路信息(日常业务，与某次具体任务无关)：通信卫星星间链路、通信卫星星地链路、遥感卫星星地链路和遥感卫星与通信卫星的星间链路。

② 得到消息，2个船队分别在2个海域活动，要进一步获取船队详细信息，并持续关注2个船队的动态。

③ 划定2个大区域：分别包括2个船队的活动海域。

④ 地面计算电子探测卫星对2个海域的访问时间，制定电子探测卫星目标搜索方案：电磁信号探测卫星只要进入2个海域，电子载荷开机，对目标进行搜索，发现目标后通过通信链路将目标信息发送到其他遥感卫星和地面。

⑤ 制定卫星自主协同计划：成像遥感卫星收到目标信息后，进行自主任务规划，确定载荷开机时机，电磁信号探测卫星接收目标信息后，结束相应区域的目标搜索状态，重新进行自主任务规划，确定载荷开机时机；其他遥感卫星执行自主任务规划结果，发现目标后，智能解译目标信息，并更新目标信息，继续通过通信链路向地面和其他遥感卫星发送，直到任务结束。

⑥ 地面系统将通信链路信息、电磁信号探测卫星目标搜索工作计划、卫星自主协同计划等信息通过星地、星间链路上注卫星。

⑦ 星群根据目标搜索计划、自主协同工作计划开展工作，直至任务结束。

⑧ 电磁信号探测卫星执行目标搜索任务，发现目标后，获取目标位置信息，智能解译目标电磁辐射信息，根据预先加载的通信链路信息，将目标信息发送至地面和其他遥感卫星。

图3 海洋移动目标搜索与跟踪处理流程Fig.3 Processing flow of search and tracking of marine moving target

2.3.2 数据准备

仿真时间段：2021-05-01T08:26:00/2021-05-02T08:26:00；

预知目标信息：2个海上活动目标SHIP1和SHIP2，分别在2个海域活动；

天基网络通信星座参数如表1所示，地面站参数如表2所示，电磁信号探测卫星星座ELEC2和成像遥感卫星星座IMG1，具体参数如表4所示。

2.3.3 基于天地一体化网络分发协同信息的仿真结果

基于天地一体化网络的仿真结果如表14所示，24 h内对2个目标共探测107次，每次发现目标后都能通过天基网络实时将目标信息发送给其他卫星。其中对SHIP1探测54次，相邻2次间隔最大值为81 min，平均18 min，对SHIP2探测53次，相邻2次间隔最大值为67 min，平均16.7 min。

表14 基于天地一体化网络的协同信息分发仿真

2.3.4 基于地面站分发协同信息的仿真结果

基于地面站分发协同信息，24 h内对2个目标共探测104次，每次卫星发现目标后需要通过地面站将目标信息发送给其他卫星，由于卫星发现目标时不一定处于与地面站的可视范围之内，所以向地面站下传信息可能延迟，地面站网收到目标信息后，其他卫星不一定及时过顶，地面站将目标信息上传到其他卫星会进一步延迟。

其中，对SHIP1探测52次，相邻2次间隔最大值为92.7 min，平均26.1 min，引导探测40次，其中31次在收到引导信息后100 min以上进行探测，发现目标后通过地面站转发目标信息，其中有16次因卫星不能及时过顶地面站90 min之后才将目标信息发送至地面站；地面站收到目标信息后，通过地面站网向其他卫星转发引导观测任务，其中19次因卫星不能及时过顶地面站90 min之后才收到引导任务，仿真数据如表15所示。

表15 基于地面站对SHIP1协同观测信息分发仿真

其中，对SHIP2探测53次，相邻2次间隔最大值为68.6 min，平均23.6 min，引导观测35次，其中17次在收到引导信息后1 h以上进行探测，发现目标后通过地面站转发目标信息，其中有35次因卫星不能及时过顶地面站90 min之后才将目标信息发送至地面站；地面站收到目标信息后，通过地面站网向其他卫星转发引导观测任务，其中19次因卫星不能及时过顶地面站1 h之后才收到引导任务，仿真数据如表16所示。

表16 基于地面站对SHIP2协同观测信息分发仿真

3 结束语

天地一体化网络目前尚处于论证阶段，本文根据当前认知，构想并设计了天基网络星座构型，然后对其能力进行了仿真计算和分析，将天基网络和地面站网联合起来形成天地一体化网络，然后对遥感卫星的典型业务在有无天地一体化网络支持的情况下做了分析比对，可以看出卫星遥感系统在天地一体化网络的支持下，其效能将得到大幅的提升，希望本文的仿真结论能够为未来新型卫星遥感系统的论证提供参考。