CN101604996A - 低轨道/中轨道双层卫星光网络结构系统及设计计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了低轨道/中轨道双层卫星光网络结构系统。基于覆盖带法设计的全球覆盖低轨卫星星座，再加入中轨卫星星座组成双层卫星光网络结构系统，系统至少连接有76颗卫星，其中低轨道卫星层至少设有7个轨道，每一个轨道至少连接有10个卫星；中轨道卫星层由外轨道和内轨道组成，其中外轨道分别连接有卫星，内轨道分别连接有卫星。计算方法：计算单个卫星覆盖圆半径θ，计算覆盖带半角ψ，计算δ_B，计算α′，计算sinα，计算P个轨道面在赤道分布。该结构拓扑结构稳定，星间链路俯仰角、方位角变化都比非零相位星座小，减少卫星切换，节省星载资源，有效加强对低轨卫星层实施管理；中轨道卫星星座受空间辐射影响最小，系统生存周期变长。

Description

低轨道/中轨道双层卫星光网络结构系统及设计计算方法

技术领域

本发明涉及一种卫星网络结构，具体涉及一种全球覆盖低轨道/中轨道双层卫星光网络结构系统及设计计算方法。

背景技术

已有的微波链路全性卫星星座系统“Skybridge”、“Globalstar”和“Ellipiso”面临带宽不足和无星间链路两大问题。相对于微波卫星通信，卫星光通信具有宽带宽、大容量、低功耗、终端体积小、高保密性和抗干扰性好等优点。

近年来，美国、欧洲和日本都相继开展了卫星激光链路组网的研究，其中麻省理工学院信息与决策系统实验室一直致力于卫星光网络的研究，在没有考虑拓扑结构的情况下，对卫星光网络的接入、节点结构、数据链路层、网络层和传输层作了初步的理论研究。由120颗低轨卫星组成的日本下一代低轨卫星通信系统规划采用容量为2.5Gbit/s的激光星间链路，是第一个计划采用波分复用技术的全球性卫星星座网络。下一代低轨卫星通信系统于20世纪末提出，系统结构逐年优化，一系列的实验研究表明，与微波链路星座不同，卫星光通信光束发散角在微弧度量级，实现星间激光链路的捕获、瞄准和跟踪非常困难，基于星间激光链路的卫星星座系统对网络拓扑稳定性有着很高的要求，卫星间保持相对位置稳定非常重要。另外欧空局的研究者报道了基于波分复用的卫星激光链路组网技术，提出卫星激光网络设计必须解决有限的功耗和星载设备的可靠性两个关键问题。

以上都属于单层卫星光网络系统。相对于低轨道单层结构，低轨道/中轨道双层结构卫星网络可利用中轨道卫星进行网络管理，提高网络资源利用率，增强网络鲁棒性，实现大容量下行链路。因此由低轨道卫星和中轨道卫星组成的非静止轨道卫星通信系统得到广泛的关注。我国低轨道/中轨道双层卫星网络的研究集中于算法设计，算法验证大都基于国外已有的双层结构。其中胡剑浩等提出了由63颗低轨道卫星和16颗中轨道卫星组成的基于微波链路的双层卫星网络结构，其中低轨道层设计和Celestri星座一致。该系统相没有考虑星间激光链路特征，中轨道层主要负责数据中继，网络时延较大。我国卫星光通信集中于星间激光链路基础技术及基本元器件的研究，迫切需要设计自己的光学星间链路全球性卫星星座系统以适应未来深空探测和国防领域的需求。

本文针对以上问题，创新性地采用了微波链路卫星星座系统中很少采用的零相位因子设计参数，利用覆盖带法提出了一种低轨道/中轨道双层卫星光网络结构。低轨道层是walker-δ卫星星座，共有70个卫星，7个轨道，每轨道10个卫星。为了有效的覆盖低轨道层，中轨道层由赤道和极地轨道两个轨道组成，每个轨道3个卫星，共6个卫星。与传统的微波链路低轨道/中轨道卫星星座不同，该结构低轨道层负责数据传输和用户接入，中轨道层负责网络管理，只有在低轨道层满载的情况下才利用中轨道卫星中继业务。设计的新型低轨道/中轨道双层卫星光网络能较好地满足我国的覆盖要求，可为构建未来我国全球性卫星光网络提供有价值的参考。

发明内容

本发明的目的是设计一种具有稳定拓扑结构、适合新型卫星激光链路的零相位因子的低轨道/中轨道双层卫星光网络结构系统。

本发明的另一目的是提供该系统设计计算方法。

为了克服已有微波链路卫星网络的不足，本发明所解决的技术方案是：一种全球覆盖低轨道/中轨道双层卫星光网络结构系统，特殊之处在于该系统由一个基于覆盖带法设计的全球覆盖低轨卫星星座，再加入一个中轨卫星星座组成双层卫星光网络结构系统，系统至少连接有76颗卫星，其中低轨道卫星层至少设有7个轨道，每一个轨道至少连接有10个卫星；中轨道卫星层由外轨道和内轨道组成，其中外轨道分别连接有卫星，内轨道分别连接有卫星。

一种低轨道/中轨道双层卫星光网络结构系统的设计计算方法，按下述步骤进行：

1)、低轨卫星星座设计计算：

①、计算单个卫星覆盖圆半径θ

θ＝arccos[Rcosε/(R+H)]-ε    (1)

式中符号表示：H为卫星高度，R为地球半径，ε为地面站对卫星的仰角；

②、计算覆盖带半角Ψ

Ψ＝arcos[cosθ/cos(π/S)]    (2)

式中符号表示：π/S为轨道面内两卫星间距离；

③、计算轨道B上卫星的位置δ_B

式中δ_B是轨道B上卫星的位置

δ_A是轨道A上卫星的位置

是两卫星相位差

k是整数

int代表取整

满足连续覆盖的限制条件为：

④、计算赤经差α′

α′≤Ψ+arccos[cosθ/cos(δ_B)]    (4)

利用球面直角三角形定理知道，实际赤经差：

⑤、计算sinα

sinα＝sinα′/sini    (5)

实际相邻两个卫星相位差与虚拟相位差的关系：

⑥、计算实际相邻两个卫星相位差与虚拟相位差

由于P个轨道面在赤道均匀分布，赤经差满足条件：

⑦、P·α＝2π    (7)

上述的walker-δ星座由高度相同和倾角相等的圆轨道组成，轨道面沿赤道均匀分布，每个轨道面上卫星均匀分布，相邻轨道相邻两个卫星间保持相位关系，用四个参数组合i：T/P/F表示，其中i为轨道倾角，T为星座卫星数，P为轨道数，则S＝T/P为每个轨道卫星数，F为相位因子且0≤F≤P-1，规定了任意相邻两个轨道面上相邻卫星间的相对位置；

以“赤道”为基准，设两卫星相位差为

赤经差为α′，对应的实际相邻卫星相位差和赤经差分别为

和α，轨道A和轨道B卫星位置分别为δ_A和δ_B，此时轨道A一颗卫星必然位于δ_A＝π/S，距离该卫星最近的轨道B(领先于卫星A)的卫星必然位于：

在满足条件(5)和(7)的情况下，就可以求得满足连续覆盖的最佳星座设计参数——P、S、i和

令f＝Ψ+arccos[cosθ/cos(δ_B)]-α′，则满足(4)的限制条件转化f≥0，取F＝0，则

由(3)、(4)、(5)、(6)可以求得满足连续覆盖的星座参数，四种覆盖要求设计方案为：

方案1：i＝50°，H＝1400km，ε_min＝10°；

方案2：i＝50°，H＝1300km，ε_min＝10°；

方案3：i＝50°，H＝1400km，ε_min＝15°；

方案4：i＝50°，H＝1300km，ε_min＝5°；

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、采用了零相位因子的低轨卫星星座设计方法，网络拓扑结构稳定，星间激光链路俯仰角和方位角变化比非零相位因子小。星间激光链路的这些特性非常适合卫星激光通信，能降低星间光通信的捕获、瞄准和追踪要求，简化网络路由。

2、采用了赤道轨道/极地轨道的中轨卫星设计方法，空间辐射环境综合效应小，系统生存周期变长。

3、低轨卫星/中轨卫星双层结构组成的非静止轨道卫星光网络能满足全球覆盖的要求，特别是能完全实现对我国及周边地区的覆盖要求，可作为未来构建我国全球性卫星激光链路星座系统的参考。

基于覆盖带法设计了全球覆盖低轨卫星星座，加入了一个中轨卫星星座以组成双层的卫星光网络结构。利用激光空间通信技术整合现有卫星资源、发展星上信息处理技术、构建以卫星为主的空间信息网络已成为我国加快航天科技三大领域发展和融合的重要发展战略。将静止轨道、中轨道、低轨道卫星以及飞船、航天飞机、空间站、深空和近空间探测器连接在一起，形成基于星间激光链路的天基信息网络，这就正如地面信息高速公路一样形成名副其实的空间信息高速公路，在未来宽带卫星数据通信实现全球范围内的无缝覆盖和移动终端随机接入以及军事侦查、民用导航、定位、深空探测和遥感遥测等方面发挥巨大作用。

该发明突出的特点在于，在激光链路低轨卫星星座设计中首次采用了零相位因子设计思路，所组成的低轨卫星星座具有准静态的网格逻辑结构，拓扑结构稳定，星间链路的俯仰角、方位角变化都比非零相位的星座小，大大减少卫星的切换，节省宝贵的星载资源，非常适合星间激光链路；赤道和极地轨道上的两个互相垂直轨道的中轨卫星弥补了零相位低轨卫星星座的覆盖不足，能有效加强对低轨卫星层实施管理；中轨道卫星星座受空间辐射影响最小，使得系统生存周期变长。

首次设计了由76颗卫星组成的全球连续覆盖低轨卫星/中轨卫星双层卫星光网络结构。仿真结果表明，设计的新型低轨道/中轨道双层卫星光网络能较好地满足我国的覆盖要求，可为构建未来我国全球性卫星光网络提供有价值的参考。

附图说明

图1为本发明低轨道卫星逻辑拓扑结构示意图；

图2为本发明空间辐射剂量随轨道倾角变化示意图；

图3为本发明中轨道卫星逻辑拓扑结构示意图；

图4为本发明低轨道/中轨道双层卫星光网络场景示意图；

图5为本发明低轨卫星层间激光链路俯仰角示意图；

图6为本发明低轨卫星层间激光链路方位角示意图；

图7为本发明最小仰角示意图；

图8为本发明所涉及的两卫星覆盖带法示意图；

图9为本发明所涉及的三卫星覆盖带法示意图。

具体实施方式

附图为本发明的实施例。

下面结合附图对发明的内容作进步说明：

参照图1、图2所示，一种全球覆盖低轨道/中轨道双层卫星光网络结构系统，该系统由一个基于覆盖带法设计的全球覆盖低轨卫星星座，再加入一个中轨卫星星座组成双层卫星光网络结构系统，系统至少连接有76颗卫星，其中低轨道卫星层至少设有7个轨道，每一个轨道至少连接有10个卫星；中轨道卫星层由外轨道和内轨道组成，其中外轨道分别连接有卫星11、12、13，内轨道分别连接有卫星21、22、23。

所述低轨层星座为一个walker-δ星座。

所述walker-δ星座由高度相同和倾角相等的圆轨道组成。

所述低轨道倾角为45°～55°，轨道高度1100～1500公里，轨道离心率为0。

所述中轨道高度为10354km时是一个回归轨道，中轨卫星星座两个轨道倾角分别为0°和90°。

一种全球覆盖低轨道/中轨道双层卫星光网络结构系统的设计计算方法，按下述步骤进行：

1)、低轨卫星星座设计计算方法：

①、计算单个卫星覆盖圆半径θ

θ＝arccos[Rcosε/(R+H)]-ε    (1)

式中符号表示：H为卫星高度，R为地球半径，ε为地面站对卫星的仰角；

②、计算覆盖带半角Ψ

Ψ＝arcos[cosθ/cos(π/S]    (2)

式中符号表示：π/S为轨道面内两卫星间距离；

③、

满足连续覆盖的限制条件为：

④、α≤Ψ+arccos[cosθ/cos(δ_B)]    (4)

利用球面直角三角形定理知道，实际赤经差：

⑤、sinα＝sinα′/sini    (5)

实际相邻两个卫星相位差与虚拟相位差的关系：

⑥、

由于P个轨道面在赤道均匀分布，赤经差满足条件：

⑦、P·α＝2π    (7)

上述的walker-δ星座由高度相同和倾角相等的圆轨道组成，轨道面沿赤道均匀分布，每个轨道面上卫星均匀分布，相邻轨道相邻两个卫星间保持相位关系，用四个参数组合i：T/P/F表示，其中i为轨道倾角，T为星座卫星数，P为轨道数，则S＝T/P为每个轨道卫星数，F为相位因子且0≤F≤P-1，规定了任意相邻两个轨道面上相邻卫星间的相对位置；

以“赤道”为基准，设两卫星相位差为赤经差为α′，对应的实际相邻卫星相位差和赤经差分别为

和α，轨道A和轨道B卫星位置分别为δ_A和δ_B，此时轨道A一颗卫星必然位于δ_A＝π/S，距离该卫星最近的轨道B(领先于卫星A)的卫星必然位于：

在满足条件(5)和(7)的情况下，就可以求得满足连续覆盖的最佳星座设计参数——P、S、i和

令f＝Ψ+arccos[cosθ/cos(δ_B)]-α′，则满足(4)的限制条件转化f≥0，取F＝0，则

由(3)、(4)、(5)、(6)可以求得满足连续覆盖的星座参数，四种覆盖要求设计方案为：

方案1：i＝50°，H＝1400km，ε_min＝10°；

方案2：i＝50°，H＝1300km，ε_min＝10°；

方案3：i＝50°，H＝1400km，ε_min＝15°；

方案4：i＝50°，H＝1300km，ε_min＝5°；(方案中i＝50°，h＝1400，ε_min＝10°是否应该为i＝50°，h＝1400km，ε_min＝10°？)

激光链路低轨卫星星座为零相位因子。

2)、中轨卫星星座设计计算方法

其中方案1和方案2要求最小仰角10°，轨道倾角均为50°，轨道高度分别为1400km和1300km，单向时延分别为4.7ms和4.3ms，连续覆盖需要的最少卫星配置分别为7×9和7×10；而Celestri星座采用的正是方案1，轨道倾角48°，7个轨道，每个轨道9个卫星；方案3和方案1的不同之处要求最小仰角15°，连续覆盖需要的最少卫星配置分别为7×11；方案4和方案2的不同之处要求最小仰角5°，则只要7个轨道，每个轨道7个卫星即可满足连续覆盖的要求。

无论卫星光网络低轨星座对地面终端的接入主要采用射频链路还是激光链路，终端小型化和低功耗是必然发展趋势，因此10°的最小仰角可以满足实际需求。

表1低轨卫星星座设计结果

为了减少所需卫星数，又具有可接受的时延，我们取低轨卫星高度分别为1400km和1300km进行比较。为了满足对我国的覆盖，轨道倾角选取50°，第一轨道的右升节点经度为20°。传统微波链路卫星通信中，相位因子F的取值在0到P-1之间来取得全球覆盖。

我们取相位因子F＝0，则所有轨道相对应的卫星可以组成一个在两极之间移动的环，相邻轨道相邻卫星空间位置关系保持相对稳定。由于在轨道环内卫星位置相对固定，整个低轨卫星星座逻辑拓扑就构成一个网格型网络。零相位因子星座具有准静态的网格型网络结构，极大地降低了星载激光通信终端捕获、瞄准和追踪要求，简化了路由和交换功能，由此带来的益处从工程角度来讲可以抵消覆盖不均匀的弊处。

综上所述，为了构建我国自己的全球覆盖卫星星座，最终配置为：H＝1300km，50°：10/7/0。低轨道卫星网络网格型逻辑拓扑如图1所示。

表2双层卫星光网络参数

最终设计的低轨卫星星座参数如表2，低轨卫星层由70颗卫星组成，7个轨道面，每个轨道面10个卫星，轨道倾角为50°，轨道高度1300km，轨道离心率为0，轨道内有两条激光链路，轨道间有两条链路，可为全球提供的最小仰角为10°。系统可为我国提供单星可见21°的最小仰角，双星可见16°的最小仰角。

2)中轨卫星星座设计

虽然低轨星座可以满足对全球的连续覆盖，但单层网络存在故障恢复能力差，大容量下行链路以及在峰值业务条件下容量限制等问题。

中轨卫星是低轨卫星和静止轨道卫星的折中，兼有两者的优点，又在一定程度上克服了他们的不足，单颗卫星覆盖范围广，对地可视时间达2～3小时，星座一般由十几颗卫星组成。相对于低轨卫星，中轨星座切换概率降低，多普勒效应减小，空间控制系统和天线跟瞄系统简化，一般能达到20°～30°通信仰角。当进行远距离通信时，信息通过中轨星际链路子网的传输时延将比低轨卫星系统低。

考虑零相位因子低轨卫星星座覆盖性能差的不足和范艾伦带辐射环境，中轨卫星星座的设计主要由轨道高度和轨道倾角两个因素确定。选取回归轨道中轨卫星易于实现大容量激光下行链路，回归轨道可供选择的轨道高度有8042km、10354km和13892km，其对应的周期分别为4.8小时、6小时和8小时。

图2所示为辐射剂量随轨道倾角变化曲线，8042km高度卫星年辐射剂量在10⁴量级，随轨道倾角变化很小；10354km高度卫星和New ICO中轨卫星星座配置10255km轨道高度辐射剂量非常接近，在0°和90°时取得最小值，30°时取得最大值；13892km高度卫星年辐射剂量随轨道倾角增大而减小，但在60°以内辐射剂量都在10⁵量级以上，0°倾角附近年累计辐射剂量达到10⁶量级。

图3所示为中轨卫星星座逻辑拓扑，中轨卫星星座轨道高度为10354km，共有两个轨道，倾角分别为0°和90°，每个轨道3个卫星，共计6个卫星，其逻辑拓扑，在中轨卫星层中，第2个轨道面上第2个卫星可表示为M22。

图4所示为本发明的低轨道/中轨道双层卫星光网络场景示意图，低轨卫星用二维的数组L(n，m)来表示，其中n表示卫星所在的轨道面编号，m表示卫星在轨道面内编号，中轨卫星用M(n，m)来表示，其中n表示卫星所在的轨道面编号，m表示卫星在轨道面内编号。例如在低轨卫星层中，第一轨道面上分别连接有L101～L110十个卫星，依次类推，笫七轨道面上分别连接有L701～L710十个卫星，或者第6个轨道面上第9个卫星可表示为L69，。

图5所示为三种相位因子情况下俯仰角变化曲线，不同轨道同相位卫星组成横向环链路L23-L33间俯仰角随时间正弦变化。相位因子为1时波谷和波峰处的俯仰角分别为-27.4°和-18.4°，相位因子为3时波谷和波峰处的俯仰角分别为-31.2°和-23.4°，而0相位因子时波谷和波峰处的俯仰角分别为-25.7°和-16.2°，显然0相位因子情况下星际链路俯仰角性能优于其它两种情况，从最小到最大平均变化速率为0.34°/min。0相位因子时L23-L32间波谷和波峰处俯仰角分别-19.4°和-0.76°，从最小到最大平均变化速率为0.66°/min。

图6所示为三种相位因子情况下方位角随时间变化曲线，L23-L33间方位角随时间周期性跃变，当两个卫星间发生从左到右位置的交替时出现从0°到360°的跃变。但相位因子取0时，方位角接近连续变化，其变化趋势是从89°～102°～148°，这是由于所有轨道上编号相同的卫星连线组成一个平行于赤道面的圆环，随着卫星的运行这个圆环在两极之间平行移动，在两极地区时两个卫星运行方向转变在不同时刻出现，因此方位角连续变化。当方位角发生2π变化时，对星间激光终端跟踪要非常高求，而0相位因子时由于方位角连续变化，非常易于实现两者的跟踪。

图7所示为本发明单星和双星可见最小仰角，系统可以为南北纬60°地区提供单星可见不小于13°的最小仰角，实际上除了北纬10°～17°地区外，这个值在15°以上；为此地区提供双星可见不小于7°的最小仰角，除了北纬10°～17°地区外，这个值在10°以上，特别是可以为我国提供单星可见不小于21°，双星可见不小于16°的最小仰角

相对于单层低轨卫星结构，低轨道/中轨道双层结构卫星光网络优势非常突出：(1)中轨卫星可以连接地面网关，实现大容量的下行链路；(2)实现网络管理和网络业务传输分离，极大提高网络资源利用率，增强网络鲁棒性；(3)中轨卫星可以为低轨卫星层逻辑距离很近，物理距离很远的两个卫星节点提供中继。双层结构卫星网络可利用中轨卫星进行网络管理，提高网络资源利用率，增强网络鲁棒性，实现大容量下行链路。由低轨卫星和中轨卫星组成的非静止轨道卫星通信系统得到广泛的关注。

我国低轨道/中轨道双层卫星网络的研究集中于算法设计，算法验证大都基于国外已有的双层结构。其中胡剑浩等提出了由63颗低轨道卫星和16颗中轨道卫星组成的基于微波链路的双层卫星网络结构，其中低轨道卫星层设计和Celestri星座一致。该系统相位因子为1，没有考虑星间激光链路特征，中轨道卫星层主要负责数据中继，网络时延较大。

综上知道，8042km高度虽然空间辐射小，但由于轨道高度较低，要能覆盖低轨星座所需中轨卫星数多。10354km高度，倾角分别为0°和90°的中轨卫星星座是可以兼顾覆盖和空间辐射，因此我们选择此配置。中轨卫星星座两个轨道倾角分别为0°和90°，每个轨道3个卫星，共6个卫星。

实施例1

令H是卫星高度，R是地球半径，ε是地面站对卫星的仰角。在图8所示的覆盖带示意图中，两个卫星组成覆盖带，θ是单个卫星覆盖圆半径，其值为：

①、θ＝arccos[Rcosε/(R+H)]-ε

Ψ为覆盖带半角，2π/S为轨道面内两卫星间距离，由球面直角三角形定理知道：

②、Ψ＝arccos[cosθ/cos(π/S)]

距离参考卫星最近的轨道B(领先于卫星A)的卫星位置为：

③、

满足连续覆盖的限制条件为：

④、α′≤Ψ+arccos[cosθ/cosδ_B]

利用球面直角三角形定理知道，实际赤经差：

⑤、sinα＝sinα′/sini

实际相邻两个卫星相位差与虚拟相位差的关系：

⑥、

由于P个轨道面在赤道均匀分布，赤经差满足条件：

⑦、P·α＝2π

令f＝Ψ+arccos[cosθ/cosδ_B]-α′，则满足④的限制条件转化f≥0，令F＝0，

H＝1300km，ε＝10°，则联合④、⑤、⑥、⑦式，可以求得满足连续覆盖的最佳星座参数，f计算结果如表3，此时，最优配置为：H＝1400km，50°：10/7/0，即轨道倾角50°，轨道高度1300km，7个轨道面，每个轨道面10个卫星，共70颗卫星，相位因子为0。因此，低轨道卫星星座70颗卫星，中轨道卫星6颗，组成了低轨道/中轨道双层卫星光网络结构。

表3

实施例2

令H是卫星高度，R是地球半径，ε是地面站对卫星的仰角。在图8所示的覆盖带示意图中，两个卫星组成覆盖带，θ是单个卫星覆盖圆半径，其值为：

①、θ＝arccos[Rcosε/(R+H)]-ε

Ψ为覆盖带半角，2π/S为轨道面内两卫星间距离，由球面直角三角形定理知道：

②、Ψ＝arccos[cosθ/cos(π/S)]

距离参考卫星最近的轨道B(领先于卫星A)的卫星位置为：

③、

满足连续覆盖的限制条件为：

④、α′≤Ψ+arccos[cosθ/cosδ_B]

利用球面直角三角形定理知道，实际赤经差：

⑤、sinα＝sinα′/sini

实际相邻两个卫星相位差与虚拟相位差的关系：

⑥、

由于P个轨道面在赤道均匀分布，赤经差满足条件：

⑦、P·α＝2π

令f＝Ψ+arccos[cosθ/cosδ_B]-α′，则满足④的限制条件转化f≥0，令F＝0，

H＝1400km，ε＝10°，则联合④、⑤、⑥、⑦式，可以求得满足连续覆盖的最佳星座参数，f计算结果如表4，此时，最优配置为：H＝1400km，50°：9/7/0，即轨道倾角50°，轨道高度1400km，7个轨道面，每个轨道面9个卫星，共63颗卫星，相位因子为0。因此，低轨道卫星星座63颗卫星，中轨道卫星6颗，组成了低轨道/中轨道双层卫星光网络结构。

表4

Claims (7)

1、一种全球覆盖低轨道/中轨道双层卫星光网络结构系统，其特征在于该系统由一个基于覆盖带法设计的全球覆盖低轨卫星星座，再加入一个中轨卫星星座组成双层卫星光网络结构系统，系统至少连接有76颗卫星，其中低轨道卫星层至少设有7个轨道，每一个轨道至少连接有10个卫星；中轨道卫星层由外轨道和内轨道组成，其中外轨道分别连接有卫星(11、12、13)，内轨道分别连接有卫星(21、22、23)。

2、根据权利要求1所述的全球覆盖低轨道/中轨道双层卫星光网络结构系统，其特征在于所述低轨层星座为一个walker-δ星座。

3、根据权利要求2所述的全球覆盖低轨道/中轨道双层卫星光网络结构系统，其特征在于所述walker-δ星座由高度相同和倾角相等的圆轨道组成。

4、根据权利要求1所述的全球覆盖低轨道/中轨道双层卫星光网络结构系统，其特征在于所述低轨道倾角为45°～55°，轨道高度1100～1500公里，轨道离心率为0。

5、根据权利要求1所述的全球覆盖低轨道/中轨道双层卫星光网络结构系统，其特征在于所述中轨道高度为10354km时是一个回归轨道，中轨卫星星座两个轨道倾角分别为0°和90°。

6、一种权利要求1所述的全球覆盖低轨道/中轨道双层卫星光网络结构系统的设计计算方法，按下述步骤进行：

1)、低轨卫星星座设计计算：

①、计算单个卫星覆盖圆半径θ

θ＝arccos[Rcosε/(R+H)]-ε    (1)

式中符号表示：H为卫星高度，R为地球半径，ε为地面站对卫星的仰角；

②、计算覆盖带半角Ψ

Ψ＝arcos[cosθ/cos(π/S)]    (2)

式中符号表示：π/S为轨道面内两卫星间距离；

满足连续覆盖的限制条件为：

④、α′≤Ψ+arccos[cosθ/cos(δ_B)]    (4)

利用球面直角三角形定理知道，实际赤经差：

⑤、sinα＝sinα′/sini    (5)

计算实际相邻两个卫星相位差与虚拟相位差：

由于P个轨道面在赤道均匀分布，赤经差满足条件：

⑦、P·α＝2π    (7)

上述的walker-δ星座由高度相同和倾角相等的圆轨道组成，轨道面沿赤道均匀分布，每个轨道面上卫星均匀分布，相邻轨道相邻两个卫星间保持相位关系，用四个参数组合i：T/P/F表示，其中i为轨道倾角，T为星座卫星数，P为轨道数，则S＝T/P为每个轨道卫星数，F为相位因子且0≤F≤P-1，规定了任意相邻两个轨道面上相邻卫星间的相对位置；

以“赤道”为基准，设两卫星相位差为

赤经差为α′，对应的实际相邻卫星相位差和赤经差分别为

和α，轨道A和轨道B卫星位置分别为δ_A和δ_B，此时轨道A一颗卫星必然位于δ_A＝π/S，距离该卫星最近的轨道B领先于卫星A的卫星必然位于：

在满足条件(5)和(7)的情况下，就可以求得满足连续覆盖的最佳星座设计参数——P、S、i和

令f＝Ψ+arccos[cosθ/cos(δ_B)]-α′，则满足(4)的限制条件转化f≥0，取F＝0，则

由(3)、(4)、(5)、(6)可以求得满足连续覆盖的星座参数，四种覆盖要求设计方案为：

方案1：i＝50°，H＝1400km，ε_min＝10°；

方案2：i＝50°，H＝1300km，ε_min＝10°；

方案3：i＝50°，H＝1400km，ε_min＝15°；

方案4：i＝50°，H＝1300km，ε_min＝5°。

7、根据权利要求6所述的全球覆盖低轨道/中轨道双层卫星光网络结构系统的设计计算方法，其特征在于激光链路低轨卫星星座为零相位因子。

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