Starlink星座通信建模仿真分析

摘要：星鏈計劃是當前唯一正在快速部署的低地球軌道巨型星座,本文分析了低軌衛星通信的優勢特點,并對星鏈計劃建設情況、系統架構等內容進行了概述。利用衛星工具包(STK)對第一階段“殼層1”的1 584顆衛星進行建模仿真,基于星鏈衛星配備激光通信載荷之后的組網模式,以Dijkstra最短路徑算法求解任意兩顆星鏈衛星之間的最短星間通信鏈路距離,從而得出理論上最短的通信時延。最后根據仿真結果對星鏈計劃的軍事應用進行了預測。

近些年來,全球航天的發展焦點逐漸從高軌空間向低軌空間轉移,在技術發展和一些國家太空戰略調整的背景下,人類在低軌空間領域發展迅速,在最近20年中,低地球軌道(Low Earth Orbit, LEO)年發射航天器數量比例從57%提高至97%,年平均部署衛星數量提升兩個數量級。由于低軌衛星通信相比于高軌衛星通信的優勢明顯,在LEO衛星中,通信衛星的數量近些年呈現爆發式增長,相比2001至2005年,2016至2020年LEO通信衛星數量激增了近40倍,2001年至2020年全球通信衛星發射數量統計表如表1所示。

在LEO通信衛星中,SpaceX公司提出的“星鏈計劃”脫穎而出,人類從蘇聯發射第一顆人造衛星至“星鏈計劃”提出前,共發射了4 000多顆衛星,而“星鏈計劃”準備向近地軌道發射約4.2萬顆衛星,是過去人類發射衛星總和的10倍。截至2022年7月7日,SpaceX公司已經發射2 759顆星鏈衛星,已經超過人類之前發射衛星總和的50%,是目前唯一正在快速部署的巨型低軌星座。

本文分析了低軌通信衛星的優勢特點,利用衛星工具包(Satellite Tool Kit,STK)對“星鏈計劃”第一階段部署的1 584顆星鏈衛星建模,基于Dijkstra算法計算當星鏈衛星全部配備激光通信載荷完成衛星組網后,任意兩顆星鏈衛星之間的最短通信距離和最小理論通信時延,從而評估對比“星鏈計劃”衛星通信優勢,進而預測其軍事應用的可能。

1 衛星互聯網通信

在光纜和移動基站大面積覆蓋前,移動通信的實現主要依靠通信衛星,人類可以僅通過向地球靜止軌道或中高軌道發射一顆衛星,就能夠為地球表面較大區域提供互聯網通信的服務,較少數量的衛星就能夠基本實現全球覆蓋。我國建設衛星互聯網首先也從地球靜止軌道開始,在2017年4月12日我國發射首顆高軌道高通量通信衛星,首次應用了Ka頻段多波束寬帶通信系統,大大提高了信息傳送能力。地球靜止軌道衛星相對于地球是靜止的,這就可以保證地面接收天線固定對準衛星,既可以接收信號,又能節約地面設施的建設成本。但不能忽視的是,地球靜止軌道距地面距離約在35 786 km,信號傳輸的距離較長,上行下行一個來回用時要超過100 ms,而且一顆地球靜止軌道通信衛星的成本非常高昂,因此,在地面基站以及光纜大面積覆蓋后,高軌通信衛星的優勢不再巨大。

通過地下、水下鋪設的光纜以及地面上建立的通信基站,人類能夠享受更加便利的通信服務,但通信基礎設施的建設成本非常高昂。數據顯示,一座4G網絡基站的建設成本約為20~25萬元,而一座5G基站則高達36萬元,海底光纜的建設成本更高達18萬美元每千米,因此,在人群聚集地建設這些設施的收益相對較高,但世界上有很多偏遠地區地廣人稀,建設密集的通信基礎設施收益較低。而衛星通信能夠突破地理位置限制,為偏遠地區的人類提供通信服務,如果可以解決衛星通信信號弱及通信時延高的問題,那么衛星互聯網將可以彌補地面5G網絡通信的短板,能夠在極地、沙漠、偏遠地區、海洋、航空等場景下提供互聯網通信服務,因此,隨著技術的發展,低地球軌道逐漸成為發展的焦點。

低地球軌道高度一般在2 000 km以下,其具備以下優勢:一是將衛星發射送入低軌道所需的能量較少,且由于軌道高度低,地面終端信號上行和衛星信號下行的功耗也更低,能夠節約成本;二是由于軌道高度低通信時延也較低,以550 km軌道高度為例,上行下行一個來回,用時僅7~8 ms,遠低于地球靜止軌道衛星的通信時延;三是小衛星在低地球軌道上部署更具優勢,小衛星生產速度快,發射容易,組網能力強,不僅其通信容量大,且彈性能力更強。

但低軌道衛星也存在劣勢,由于低軌道衛星運行速度快,瞬時視場小,單顆衛星每一時刻覆蓋的區域小,需要建設一個“星座”才能實現連續、全球覆蓋,其技術難度較大;而且為實現信號更佳,當衛星數量較少時,地面天線需要更加頻繁轉動來對準衛星,當衛星數量增加后,地面終端又面臨不斷切換衛星接收信號的問題。

衛星互聯網隨著低軌道星座的建設而迅速發展,低軌衛星互聯網憑借其軌道低的優勢能夠實現通信時延低、損耗小,隨著衛星數量進一步增加,星座組網后能夠具備覆蓋范圍更廣、通信容量更大的特點,因此,低軌衛星互聯網將有可能彌補地面移動通信的短板,突破地理阻隔,讓更多人享受互聯網服務。隨著科技的發展,低軌衛星互聯網能夠在時延要求高的領域發揮重要作用,例如金融、AR、遠程醫療以及無人駕駛等,為實現“萬物互聯”的美好愿景奠定基礎。

2?“星鏈計劃”

2.1?“星鏈計劃”介紹

美國太空探索計劃公司(SpaceX)于2015年提出的“星鏈計劃”,計劃向太空近地軌道發射1.2萬顆通信衛星,從而組成星鏈網絡提供高質量衛星互聯網服務。2019年,SpaceX公司又提交申請,準備追加3萬顆星鏈衛星,衛星數量總計將達到4.2萬顆?！靶擎湣笔悄壳拔ㄒ徽诳焖俨渴鸬牡蛙壘扌托亲?截止2022年7月,已成功發射2 957顆衛星,2 668顆在軌,已在美國、加拿大、墨西哥、英國、法國、德國、烏克蘭等36個國家和地區提供服務,計劃明年將服務擴展至亞洲、非洲和中東的大部分地區。

星鏈計劃預計共發射約4.2萬顆衛星,部署總體計劃分為三個階段:第一階段,至2024年,完成4 408顆衛星部署;第二階段,至2027年,完成7 518顆衛星部署,第三階段,預備軌道占位部署約3萬顆衛星。

當前,星鏈計劃正處于部署第一階段,將4 408顆星鏈衛星部署于5個軌道“殼層”,“殼層1”軌道高度550 km、傾角53°,計劃部署1 584顆衛星;“殼層4”與“殼層1”相近,軌道高度540 km、傾角53.2°,同樣準備部署1 584顆衛星;“殼層2”,軌道高度570 km、傾角70°,計劃部署720顆衛星;“殼層3”和“殼層5”軌道高度均為560 km、傾角97.6°,計劃分別部署348顆和172顆衛星。

第二階段計劃將7 518顆星鏈衛星部署于“殼層6”、“殼層7”和“殼層8”三個軌道“殼層”,第三階段計劃將約3萬顆星鏈衛星部署于高度在340~614 km之間的9條傾斜軌道上,具體部署計劃見表2。

2.2?“星鏈計劃”系統架構

2.2.1?空間段

“星鏈計劃”主要由空間段和地面段兩部分組成,空間段星鏈衛星采用高度集成的箱板式結構,每顆衛星搭載4面相控陣天線,太陽能帆板采用單側大展弦比柔性設計,并在全球首次采用氪離子推進[5]。1臺恒星跟蹤器用于測量衛星姿態,確保寬帶通信精度?！靶擎湣弊詣臃雷蚕到y使用美國國防部的碎片庫信息,避免和其他航天器產生碰撞。目前,每顆“星鏈”衛星都配有2個Ka波段天線,與各地部署的地面站網關連接,再通過光纖與地面骨干網互通。

“星鏈”第1批次發射的衛星為0.9版本,質量227 kg,僅支持Ku頻段通信,且無星間激光鏈路載荷。第2—17和19—30批次衛星為1.0版本,每顆衛星重260 kg,增加了Ka頻段天線,但仍然沒有配置星間激光鏈路載荷。第18和31批次為極地軌道衛星,傾角97.5度的太陽同步軌道,2021年1月發射的第18批次的10顆衛星首次配備激光鏈路載荷,以驗證星間激光鏈路的在軌性能,第32批次以后發射的星鏈衛星正式增加了星間激光鏈路載荷,單星重量增至307 kg,還安裝了2個拋物面天線,如圖1。

據相關人士稱,目前已經研制出一顆2.0版本星鏈衛星,其能力預計是1.0版星鏈衛星的10倍,重量約為1.25 t,長約7 m。

2.2?地面段

地面段主要由信關站、用戶套件組成?！靶擎湣币言谌虿渴鸺s150個信關站,主要分布在南北美洲、澳洲及歐洲,圖2中紅色點為星鏈地面站分布位置,白色點為星鏈衛星。

每個信關站包括8個天線是美國威斯康星州梅里蘭地面站。在開啟星間鏈路服務前,“星鏈”網絡可服務范圍以信關站附近區域為主。目前,“星鏈”信關站的天線口徑約為1.47 m,上行信號頻段為27.5~29.1 GHz和29.5~30 GHz,發射功率約15 W,EIRP為60.50 dBW。

“星鏈”用戶套件包括1個戶外天線、1個三腳架、電源和1個Wi-Fi路由器。

2020年11月,首批終端開始交付北美用戶,使用一體化設計的平面相控陣天線在戶外接收/傳輸衛星信號,多面幾何體路由器用于提供和傳輸終端用戶接入“星鏈”網絡的信號。終端接收機帶有電動機,可全自動調節接收角度,為用戶提供最佳信號。

為滿足頻繁切換的要求,“星鏈”采用先進的相控陣技術,衛星和用戶套件均由數百個相控陣單元組成,這些陣元由SpaceX可動態切換設計的專有數字波束成形相控陣芯片控制,控制芯片可實現毫秒級的精確切換控制。相控陣技術通過允許衛星天線和用戶天線同時調整各天線單元的幅度和相位,具備電掃描能力,從而完全調整天線,使其轉向保持跟蹤射頻波束。該技術解決了低軌星座連續移動的難點,促成了“星鏈”星座網絡的獨特優勢,提升了其星座的可靠性。

3?星鏈星座通信建模仿真

已有一些學者利用建模仿真的手段對星鏈進行了研究。駱盛等人[7]對截至2020年4月底的星鏈衛星進行了建模,仿真計算對熱點地區的覆蓋情況,從覆蓋資源和覆蓋品質因數分析對T區的覆蓋情況,仿真結果顯示在軌的417顆衛星對T區的覆蓋情況較差,存在很多無法覆蓋的時刻和地點。劉旭光等人[8]對2021年8月5日前1 661顆星鏈衛星進行了覆蓋分析,結果顯示,星鏈星座能夠對地球形成96.61%至100%的連續覆蓋,瞬時平均覆蓋率可達98%。薛文等人[9]對第一階段星鏈星座部署情況進行分析,對第2至13批總計700顆衛星以及第1階段1 584顆衛星進行建模,仿真計算對北美和全球的覆蓋性能,結果顯示北美地區最小可見衛星數為11顆,最大可見衛星數為21顆;南北緯65度附近區域最小可見衛星數為8顆,最大可見衛星數為23顆,南北緯47度左右達到最大可見衛星數,緯度高于60度的區域衛星不可見。第1階段部署完成后的衛星可見數相較于第2至13批次部署的衛星,在北美地區最小可見衛星數多2顆,最大可見衛星數多1顆,全球最小可見衛星數多1顆,最大可見衛星數多2顆。
劉帥軍等人[10]對在軌星鏈420顆星鏈衛星及第一階段1 584顆星鏈衛星進行了覆蓋分析,結果顯示在南北緯30至55度之間的區域里,在軌420顆星鏈衛星覆蓋情況較好,緯度高于60度的區域和中低緯度地區覆蓋情況差,無法實現對地連續覆蓋。而第一階段1 584顆衛星能夠形成較好的覆蓋情況,在南北緯60度以內的區域能夠實現連續多重覆蓋,在南北緯30至55度之間,覆蓋重數大于9。劉帥軍等人[11]以星鏈第一階段部署情況為研究對象,分析其與高軌GSO系統的干擾情況,結果顯示星鏈星座的端星接入策略是干擾GSO系統至關重要的因素,因此必須對GSO系統的干擾進行規避,可采用星載跳波束技術規避對GSO系統的干擾。朱鋒等人[12]利用廣度優先搜索的思想,綜合考慮網絡節點負載、數據傳輸時延等因素,針對動態程度高的星間鏈路網絡,提出一種路由規劃算法。張雨露等人[13]分析了星鏈星座構型變化的規律和提供獨立PNT服務時能達到的定位性能,仿真結果顯示GDOP在分布上呈現緯度相關性,衛星數量為1 584顆,南北緯35°到55°之間GDOP值約為0.7,衛星數量為4 408顆,GDOP降低至0.5以下,衛星數量再增加時,GDOP趨于平穩;當衛星數量為4 408顆時,SPP全球RMS均值在N、E、U三個方向上分別為0.37、0.36、4.75 m;PPP平均收斂時間小于2 min,較單GPS/BDS優勢明顯。

為研究星鏈星座通信能力,本文以星鏈計劃第一階段1 584顆衛星為分析對象,預測當1 584顆星鏈衛星增加星間激光鏈路載荷,完成組網后,星鏈星座所具備的通信能力。當前星鏈僅第一階段“殼層1”1 584顆衛星完整部署了,考慮星鏈星間通信組網方式,將研究對象限定為“殼層1”1 584顆衛星。通過星鏈星座的衛星通信主要分為兩個部分:第一部分是衛星和地面站之間上下行,第二部分是星鏈衛星之間激光通信鏈路。本文首先基于STK分析星鏈星座對地面站的覆蓋情況,之后基于Dijkstra算法,求解任意兩顆星鏈衛星之間的最小通信距離,計算通過星鏈星座通信的最小通信時延。研究僅從理論上分析任意兩地面目標通過星鏈星座通信的最短距離,從而去考慮最小通信時延,不考慮用戶端及星鏈衛星接收、發送信號時的處理時間,設定上行、下行及星鏈衛星之間激光通信速度均為光速(299 792 458 m/s)。

3.1?星鏈星座通信模型

“星鏈計劃”第一階段1 584顆衛星部署于22個軌道面上,每個軌道面上有72顆衛星,屬于典型的Walker星座,利用衛星工具包(Satellite Tool Kit, STK)衛星仿真軟件,根據SpaceX公布衛星軌道根數,設置種子衛星,本文以2022年04月25日根數分析結果,設定種子衛星歷元為25 Apr 2022 0400.000 UTC,軌道根數為半長軸6 928.137(高度550 km)、升交點赤經160°、軌道傾角53°、偏心率0°、其他軌道參數為0?；诜N子衛星生成由1 584顆星鏈衛星組成的Walker星座。

將星座內的衛星命名為Starlink-aabb,其中aa表示軌道面數序號,bb表示某軌道面上衛星序號,例如Starlink-0805表示第8個軌道面上第5顆星鏈衛星。

根據官方給出的星鏈衛星Ku波段天線覆蓋角度,部署初期僅有25°,但最終將會提高到40°半錐角,考慮仿真分析的前瞻性和預測性,故在仿真中將所有星鏈衛星天線覆蓋角度均設置為40°。

根據官方給出的星鏈星座組網模式,每顆衛星連接四條激光通信鏈路,同軌道面前后相連,異軌道面左右相連,同軌道面星間相對位置保持不變,異軌道面星間相對位置會隨時間變化,但每顆衛星星間鏈路穩定,不需要切換衛星,這能節約重新搜索鏈接衛星和重新建立連接的時間。如圖7,Starlink-0472激光通信鏈路分別與Starlink-0471、Starlink-0401、Starlink-0303、Starlink-0569相連,其中與Starlink-0471、Starlink-0401屬于同一軌道面,與Starlink-0303、Starlink-0569屬于相鄰軌道面。

3.2?迪杰斯特拉算法(Dijkstra)

3.3?仿真結果分析

分析倫敦(51.312,-0.117)至紐約(40.524,-74.006)通過星鏈衛星通信的時延。因星鏈衛星軌道較低,同一衛星對同一地面站覆蓋時間較短,按照每分鐘劃分,即一天24小時劃分為1 440個時間點,分析各個時間點時,倫敦地面站-星鏈衛星-……-星鏈衛星-紐約地面站這一通信鏈路的通信時延。圖8、9為星鏈星座覆蓋時刻表。

根據STK仿真模型,給出1 440個時間點時,1 584顆星鏈衛星的J2000坐標,根據星鏈坐標結合Dijkstra算法,求解每個時間點分別覆蓋倫敦和紐約的兩顆星鏈衛星之間的最短通信距離和最短通信時延。根據算法,一天1 440個時間點上通信距離如圖10所示,平均通信距離為12 252.180 21 km;通信時延如圖11所示,平均通信時延為40.868 874 07 ms。

相比于地球同步軌道衛星,地球靜止軌道距地面距離約在35 786 km,上行下行一個來回用時要超過100 ms,星鏈衛星通信時延明顯。相比于AC-2海底電纜,倫敦至紐約來回通信距離約為12 800 km,光纜中光傳播速度約為203 940 448 m/s,不考慮設備轉換信號所需時間,通信時延約62.7 ms,略優于第一階段星鏈衛星部署情況下的衛星通信時延。 從仿真結果來看,僅就第一階段星鏈衛星組網完成后的星鏈星座衛星通信具備以下優點:一是通信時延小,通信容量大?；诓渴鹩诮剀壍赖臄盗魁嫶蟮男擎溞l星,星鏈衛星通信具備通信時延小、用戶容量大的特點;二是衛星通信彈性大。星鏈衛星數量龐大,僅一兩顆衛星出現問題不會影響整個星鏈星座通信,且其發射成本低,因此整個星鏈星座抗打擊能力強,彈性大;三是衛星覆蓋范圍廣,有能力覆蓋極地等偏遠地區。在極地地區布設光纜難度大,且地球靜止軌道也無法覆蓋極地地區,因此,星鏈衛星通信在極地等偏遠地區優勢明顯。 但從仿真結果來看,星鏈星座也存在問題。一是衛星運行速度快,衛星切換頻繁。單顆衛星對地面站覆蓋時間短,地面站面臨頻繁切換衛星的問題,通信質量保障難度大。二是衛星通信可能會面臨干擾等問題。相比于光纜等有線通信,星鏈衛星通信始終面臨穩定性差和易受干擾的問題。

4?“星鏈計劃”衛星通信軍事應用預測

4.1?美軍衛星通信系統概述

美軍的衛星通信體系建設起步早,在關鍵技術方面也處于世界領先地位,目前美軍的衛星通信由寬帶、窄帶、受保護和中繼四類衛星通信系統組成,不僅在通信頻率上覆蓋了特高頻、超高頻和極高頻等各個頻段,而且在應用上滿足了戰略、戰役和戰術等各個層級。

1)寬帶衛星通信系統

從20世紀60年代開始,美軍先后建設了國防衛星通信系統(DSCS)、寬帶全球衛星通信系統(WGS)。作為最早的軍用衛星通信系統,DSCS在發展了三代之后逐漸被WGS取代。2007年起美空軍正式開始部署WGS,該系統是美軍功率最大、容量最大的寬帶衛星通信系統,是美軍第一個實現通信衛星從戰略通信向戰術通信轉變的寬帶衛星通信系統。

寬帶全球衛星通信系統已經成功發射12顆衛星,均運行在地球靜止軌道上,發射重量約5.9 t,設計壽命約14年。根據衛星部署情況來看,除高緯度的極地地區之外,目前WGS已經基本擁有全球通信覆蓋的能力,并且可對部分熱點地區實現多重覆蓋。據資料顯示,WGS衛星具備X頻段、Ka頻段雙向通信能力,能夠提供全球廣播系統服務,2020年通信容量達到10 Mbit/s以上。

2)窄帶衛星通信系統

從20世紀70年代開始,美軍先后建設了租賃星(Leasat)系統、艦隊衛星通信(FLTSATCOM)系統、特高頻后繼星通信(UFO)系統和移動用戶目標系統(MUOS)。隨著技術發展和通信容量需求增加,Leasat和FLTSATCOM系統逐步被淘汰,UFO系統目前也逐漸被MUOS取代。

移動用戶目標系統由5顆衛星和位于全球的4個地面站所組成,衛星均運行于地球靜止軌道, 質量約6.7 t,設計壽命約15年。該系統能夠為美軍海、陸、空的移動平臺提供UHF頻段的動中通服務。根據衛星部署情況來看,除高緯度的極地地區之外,目前MUOS已經基本擁有全球通信覆蓋的能力,并且可對部分熱點地區實現多重覆蓋。據資料顯示,MUOS衛星數字聲音傳輸速度可達348 kBit/s,新一代移動用戶目標系統能夠極大增強動中通的能力,MUOS衛星就像部署于太空的“地面基站”,戰時車輛、艦船和飛機等移動目標即使沒有對準衛星,也能夠通信。

3)受保護衛星通信系統

受保護衛星通信系統主要應用于特殊條件下的通信,需要具備較好的抗干擾能力、隱蔽性和抗核生存能力,是美軍最核心的衛星通信系統。從20世紀90年代開始,美軍先后建設了軍事星衛星(Milstar)系統和先進極高頻衛星(AEHF)系統,Milstar系統在發展兩代之后逐漸被AEHF系統取代。

先進極高頻衛星系統由6顆衛星組成,均部署于地球靜止軌道,衛星發射質量約6.6 t,設計壽命約15年,根據衛星部署情況來看,除高緯度的極地地區之外,目前AEHF系統已經基本擁有全球通信覆蓋的能力。據資料顯示,該系統能夠服務4 000多個網絡、6 000多個用戶終端,通信能力比二代軍事星提高了10倍,終端的帶寬也提高了5倍,具備擴頻跳頻、星間鏈路和星上數字處理等功能的同時,還增加了相控陣天線、波束成形網絡等技術,具備較強抗干擾、反偵察的通信能力。

4)中繼衛星通信系統

中繼衛星通信系統主要為其他衛星提供數據中繼服務,目前美軍主要使用的軍用中繼衛星通信系統是衛星數據系統(SDS),該系統從20世紀70年代首發開始,目前已經發展到第四代,目前在軌SDS衛星主要有5顆第三代衛星和2顆第四代衛星,運行在大橢圓軌道和地球靜止軌道上。根據衛星部署情況來看,SDS已基本實現全球覆蓋,彌補了地球靜止軌道無法覆蓋兩極的缺點。

4.2?星鏈軍事應用預測

美軍軍事通信衛星體系在實戰中已經得到了廣泛的應用。海灣戰爭中,美軍通過寬帶和窄帶通信衛星將戰場情況發送至美國本土指揮機構,指揮機構再將命令下達至駐扎在沙特阿拉伯的多國聯合部隊,用時僅需9 s;伊拉克戰爭中,美軍通過受保護通信衛星控制攻擊型無人機打擊時敏目標,用時不足15 min;在擊斃本·拉登行動中,現場音頻、圖像信息通過軍事通信衛星實時傳輸,白宮在觀看直播的同時通過軍事通信衛星實時指揮行動,可以說軍事通信衛星是保障美軍指揮控制鏈路暢通的關鍵環節。

隨著反衛星技術的發展,部署于地球靜止軌道的30余顆大體積、大重量、高度集成的軍事通信衛星面臨的威脅與日俱增,美軍為減少太空資產面臨的威脅,保持太空領域的優勢,構建的“下一代太空體系架構”更加注重提高彈性。相比于美軍傳統通信衛星,星鏈以小型通信衛星組網代替傳統大型通信衛星,具有軌道高度低、傳輸速度快、衛星小、成本低、可批量化生產、發射補充速度快、抗打擊彈性能力強、衛星數量多、組網后用戶容量大等特點,符合當前美軍太空向分散式、擴散式部署方向發展的戰略。結合美軍全球作戰的特點,不難預見,下一代美軍軍事通信衛星不僅要具備大通信容量,更要具備全球覆蓋能力,并且能夠在熱點地區形成多重覆蓋,并且隨著無人裝備的應用,對通信時延也會提出更高的要求。美軍始終秉持寄軍于商,因此星鏈衛星始終具備著從商業過渡到軍用的可能,倘若星鏈衛星用于美軍通信,那么美軍衛星通信彈性能力將會大幅提升,在反衛星技術日益成熟的背景下,有利于減少美軍太空資產受到的威脅,最終美軍的軍事通信衛星體系會向著高通量、高彈性、全覆蓋、低時延的方向發展。

利用本文建模仿真方法,分析從華盛頓(五角大樓(38.683,-77.05))至夏威夷印太司令部(史密斯兵營(21.257,-157.907))之間通過星鏈星座衛星通信的時延、夏威夷印太司令部(史密斯兵營(21.257,-157.907))至美駐韓基地總部(京畿道平澤基地的新總部大樓(36.807,127.113))之間通過星鏈星座衛星通信的時延、夏威夷印太司令部(史密斯兵營(21.257,-157.907))至美駐日基地司令部(橫田空軍基地(35.566,139.348))之間通過星鏈星座衛星通信的時延,仿真結果顯示通過星鏈星座衛星通信的平均通信時延分別為51.733 424 55 ms、41.912 626 58 ms、42.700 749 2 ms,如圖12—圖14,其中,通信時延為0時刻是指在當前時刻,由于星鏈衛星沒有覆蓋對應的地面站而導致無法直接通信。

僅從星鏈計劃第一階段部署情況建模分析,1 584顆星鏈衛星已經能夠在一天中的絕大多數時刻實現對以上地點的覆蓋,但還存在部分時刻未覆蓋,隨著“星鏈計劃”的快速部署,衛星數量提升之后,完全有可能實現對以上地點的24小時全覆蓋,因此也有能力保障美軍在以上地區的作戰通信。不僅如此,第二階段、第三階段的星鏈衛星將逐步覆蓋兩極地區,最終實現覆蓋全球的目標,為各種地區、地域提供高速互聯網通信服務。

5?結束語

衛星通信的概念提出已久,其覆蓋面積大、不受地理位置影響的特點使其獨具優勢。隨著技術發展,低軌衛星通信的優勢相較高軌通信衛星愈發明顯,其中以SpaceX公司為代表的“星鏈計劃”加速了人類利用低地球軌道的步伐。星鏈星座的快速部署建設,不僅讓我們看到新一代衛星通信系統在商業領域的巨大應用,其背后蘊含的軍事應用潛力更加不容忽視。就仿真結果來看,星鏈星座衛星通信的時延比高軌傳統通信衛星小,與光纜通信的通信時延基本接近,并且隨著通信距離的增加,“星鏈計劃”成本低、時延低的特點將會更加明顯。由于“星鏈計劃”衛星數量龐大,發射成本低、速度快,具備彈性高、抗打擊能力強的特點,符合美軍下一代太空發展戰略,其軍事應用可能性不言而喻。

| 作? ?者：李元龍, 李志強 審核編輯：黃飛

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