面向印度洋至第二岛链的区域混合星座设想

文 | 曲公博 张原 瞿梦婷 袁学光 张阳安

我国尽管拥有黄海、东海和南海等300多万平方千米的海洋国土及18000余公里的海岸线，然而却被西太平洋上一系列岛屿封锁住了进出太平洋的门户，使沿海诸地处于一种半封闭状态。

同时考虑到印度洋上的迪戈加西亚军事基地不仅可以停靠航空母舰、核潜艇和作战物资预置船队，而且常驻32架战略轰炸机与KC135加油机。因此迪戈加西亚军事基地也是勾连中东、东南亚、南海、台海与关岛的重要支撑点。

与之对应我国需要在上述区域建立高效率的信息网络基础设施。目前我国高通量通信卫星在Ka频段的覆盖范围大致如图一所示。

图一：我国Ka频段高通量通信卫星覆盖示意图

我国拥有的Ku频段通信卫星在印度洋及东南亚覆盖范围如图二所示。

图二：我国Ku频段通信卫星印太区域覆盖示意图

表一：我国高通量卫星主要参数

由表一可见，在主要对抗区域我国基于GEO星座的天基通信网络能够满足预定义的杀伤链，部分达到杀伤网所需的入门门槛，距离颗粒化（马赛克形态）的灵活杀伤网还有很大的差距。在可预见的长跨度时期、多线、持续时间短、高烈度的大国对抗中我军可随时应用的信息战决策链条处于不利态势，不能充分发挥火力输出密度高的优势，大量重装兵器在自有决策关键节点失效后，极易成为负军事资产。

因此在横跨印度洋至关岛的广大区域内实现可以快速部署的通信指挥强化星座与已有GEO卫星配合提高目标区域的数据吞吐容量，同时支持更多的时间敏感型装备接入有着非常现实的必要性。

在一带一路、南海、第一第二岛链构成的重点区域，本文提出如图三所示的倾斜椭圆轨道星座的粗略设想，远地点星下点分别对应波斯湾（阿拉伯海）、安达曼海（马六甲）、太平岛（菲律宾群岛）、马里亚纳群岛（塞班）上空7600-7800公里，近地点在对趾点上空520公里左右。每个倾斜轨道周期约3小时，每个轨道面部署5-8颗卫星。

图三：目标区域的倾斜椭圆轨道星座

每条轨道周期约3.09小时，低点速度不低于8km/sec，高点速度不高于4.9km/sec。类极地倾斜椭圆轨道间距最大不超过6800公里，类赤道倾斜椭圆轨道间距最大不超过1800公里。设想星座可与已有GEO星座通过星际链路组网，基于现有GEO通信频段，可以选择Ka频段。设想星座的临近轨道间距也能够支持E/V频段或者光通信的星间链路。

设想星座卫星数量远小于满足全球服务的LEO星座，对比LEO星座，倾斜椭圆轨道星座在目标区域满足单星下视范围大、星地切换频率较低，多普勒频移适中的要求。轨道数量3-4个为宜，如图四所示基本满足目标区域不间断覆盖的要求。

图四：印度洋上空覆盖时长

空间光通信具备带宽大、安全性高、抗干扰能力强，且无需无线频带协调的优点，下面简要介绍设想星座与GEO基于蚁群思想的自适应QoS约束的波长与路由选择优化算法的仿真结果。

自适应改进的多约束QoS蚁群优化（Adaptive Improved Multi-Constraints QoS Ant Colony Optimization，AIMQ-ACO）波长路由算法，将路由信息和波长信息建立在单个节点上，将网络中寻找路由的过程抽象成蚂蚁携带路由信息与波长信息在节点之间

觅食的过程，对空间光网络进行路由规划与波长分配，并实现较好的QoS性能与收敛性能。（参考资料1）

图五：蚁群优化思路

图六：算法流程图

图七：业务时延随业务强度变化仿真结果

图八：阻塞率随业务强度变化对比

综上所述，由于混合星座网络拓扑的时变性与链路的高动态性，星际/星间光网络路由问题更加复杂。为了适应目标区域未来对高速率大容量低时延的通信需求，能够提升整体天基网络的QoS性能与业务数据吞吐量具有一定的意义。同时设想星座也存在很多不足，例如将星上供电能力、星地通信载荷的波束调节、复用与控制设置的相当理想化，需要进一步的深入研究与仿真验证可行性。

回顾历史，我们的人民军队拥有长期颗粒化作战的经验，在解放战争和抗美援朝战争期间，人民军队将指挥前移、兵力灵活组织多变、战场感知手段多样的特性发挥到了极致，从战争艺术角度来看达到了人类轻步兵的巅峰，这些特质传承必将与现代天基信息技术充分融合，在新世纪新阶段为维护民族利益提供坚强的安全保证。

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作者：曲公博 北京斯佩德康科技有限公司