互联网星座通信支援仿真技术的简要分析

2024-06-06 08:41:48 651

随着科技日新月异和人类对宇宙探索的持续推进，航天任务不断呈现出复杂化和多元化的特点。在这个过程中，通信技术的革新尤为关键。近年来，互联网星座通信作为一种前沿技术，为航天任务提供了强大的通信支持，极大地提升了航天器与地面之间的数据传输效率、指挥控制*度和协同工作能力。

互联网星座技术基本原理

卫星互联网星座指一组运行在特定轨道的通信卫星，通过无线电、激光等手段通信互联形成的全球卫星通信网络，通过星间链路和地面终端实现全球范围内的互联网接入和数据传输。这些卫星由众多小型卫星组成，具有覆盖范围广、通信容量大、延时低等特点，可以实现全球无缝覆盖。

通信星座系统主要分为空间段、地面段、用户段三部分构成。

▲ 通信星座空间段、地面段及用户段构成示意图

空间段主要指由多颗通信卫星组成的通信星座，负责提供数据传输、信号中继和路由选择等功能，为实现广域高速的数据传输能力，互联网星座通常采用高轨与低轨卫星结合的方式，高轨卫星支持较远距离和较高覆盖范围通信，但传输速度较慢，低轨星座传输速度快、延迟低但覆盖范围小，通过对互联网星座构型设计实现两种卫星的能力互补，形成高效、稳定的全球通信网络。

▲ 洞察者空间信息分析基础平台—通信星座空间段仿真分析

地面段主要由运控中心和信关站组成，运控中心负责整个卫星星座的管理和调度，包括卫星轨道控制、星间链路管理、数据传输监控等，以及对信关站的管理调度；信关站负责将地面段信号与空间段卫星进行转换及传输，实现地面与卫星间的通信以及对目标卫星的有效控制，互联网星座通常会在全球范围内建立多个信关站，形成地面通信网络，确保全球范围内的高质量通信覆盖。

▲ 航天仿真系统项目—通信星座地面段仿真

用户段主要指互联网星座的各种终端设备，通过接收和发送信号，实现与空间段和地面段的通信连接，为用户提供高速、稳定的互联网接入服务。在航天任务中，卫星互联网终端主要指星载微波通信终端、星载激光通信终端等设备，可以为航天器提供实时数据传输和监控服务。

互联网星座通信

支援航天任务中的应用方式

互联网星座作为一种新兴的通信方式，以其全球覆盖、高速传输和灵活配置的特点，为航天任务提供强有力的通信保障。为满足通信保障需求，各类航天器上需要搭载卫星通信、遥控指令接收、应急通信等星座终端，此类终端具备小型化、轻量化、高可靠和兼容性等特点。在具体通信方式选择上，如StarLink星座在通信方式上采用天星天网形式，空间段以激光星间链路及星上路由实现通信通路的快速构建，直接连接服务和用户，对于地面段关口站和用户终端主要采用微波形式，如Ku/Ka等频段可实现较好的对地覆盖性，V频段可实现信号增强和针对性服务；对于航天任务中的航天器、卫星等用户，也可采用激光通信手段发挥互联网星座的实时通信保障能力。

实时数据传输与监控

航天任务中需要大量的实时数据传输和监控，包括航天器的状态数据、科学实验数据等。互联网星座可以为航天任务提供高速、稳定的数据传输通道，实现实时数据传输和监控。例如火星探测器在火星表面开展科学实验时，可以利用互联网星座提供的高速、稳定的数据传输服务，将大量实验数据通过互联网星座实时传输回地面控制中心，为科研人员提供宝贵的实验数据和研究成果。

指挥控制与协同工作

航天任务需要多个航天器协同工作，完成复杂的任务目标。互联网星座可以为航天器提供高效的指挥控制与协同工作平台。通过星间链路和地面终端，地面控制中心可以对航天器进行精确的指挥控制，实现多个航天器之间的协同工作。例如空间站建设任务中，地面人员能够通过互联网星座同时向多个航天器发送指令，对航天器进行精确控制及操作，并实时接收航天器发送的状态数据，实现多个航天器的协同作业，完成空间站的组装和部署。

相比于传统通信卫星的保障能力，互联网星座通信在低延迟、高覆盖和可扩展方面均有明显优势，例如目前中国空间站与地面的通话延时缩短到了1秒以内，星链公布的网络延迟测试数据约为20~40ms，可以预见，随着后续互联网星座通信保障技术引入空间站建设任务中，空间站控制指令的传输时延将被进一步缩短，大大提高通信效率。

应急通信支援

在航天任务中，应急通信支援是非常重要的一环。互联网星座可以为航天任务提供快速、可靠的应急通信支援。在突发事件或紧急情况下，地面通信设施可能受到破坏或影响，此时互联网星座可以作为备份通信手段，为航天任务提供及时的通信支援。例如在卫星发射任务中，当地面通信设施发生故障时，可以通过互联网星座实现与航天器的应急通信，保障任务的顺利进行。

在轨维护与升级

目前航天器的研制正在向星上自主、智能方向发展，在其在轨运行期间，可能会遇到各种星上算法模块升级迭代的情况，互联网星座可以为航天器的星上算法模块升级及在轨维护提供支持，利用互联网星座全球覆盖、全天时全天候通信保持的特点，地面人员可以通过互联网星座向航天器发送升级包及维护指令，大大提高航天任务的效率及可靠性。

星图测控互联网星座通信支援

仿真技术服务

星图测控经过多年的行业积累，在轨道动力学、姿态动力学、遥测数据融合、目标特性分析等多个专业学科掌握了自主创新的核心技术，与大数据、人工智能等新一代信息技术相融合，完成数字太空系列软硬件产品的研发，形成了以洞察者Space Insighter产品为核心，以航天业务方向为牵引的天路Space Link、天控Space OS、天感Space SDA、天仿Space Sim、天视Space XR系列产品。

地月空间轨道任务仿真系统以公司核心产品洞察者为基础，以高精度算法库、海量目标库等一系列计算工具、场景数据为支撑，构建互联网星座通信支援仿真系统，快速搭建星座部署及构型保持、星间链路运行管理、天基资源协同分发等仿真场景，综合考虑星座碰撞预警及构型保持、星地星间通信中断等情况，突破星座变轨控制及相位捕获策略、星间网络拓扑路由时隙算法、星地星间多链路协同分发等关键技术，完成对大规模互联网星座及信关站星地星间通信传输的高精度仿真，并在项目中实现了互联网星座通信支援仿真技术的工程化应用验证，能够针对不同用户需求提供一系列定制化开发服务。