CN103178895B - 卫星移动通信星座星间测控系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种卫星移动通信星座星间测控系统，所述卫星移动通信星座由多颗LEO卫星组成，所述星间测控系统包括三颗GEO卫星和对应的三个地面测控站，所述三颗GEO卫星中包括一颗主GEO卫星和两颗从GEO卫星，均用于对视场范围内LEO卫星进行测控，所述主GEO卫星将所述对应地面测控站发送的测控指令，直接或通过所述两颗从GEO卫星发送至所述LEO卫星；将所述三颗GEO卫星获取的来自于所述LEO卫星的测控信息发送至所述对应地面测控站。采用本发明解决了仅靠地面测控台网不能对低轨卫星移动通信星座系统进行实时、有效、可靠测控的问题，能够提供更好的长期实时的链路可用度并且具有更高的链路可靠性。

Description

卫星移动通信星座星间测控系统和方法
技术领域
本发明属于卫星通信技术领域，涉及一种卫星移动通信星座星间测控系统和方法。
背景技术
全球卫星通信系统的研究始于20世纪80年代，目前国外已经在轨运营的全球卫星通信系统，按照运行轨道分为高轨卫星通信(星座)系统与低轨卫星移动通信星座系统，前者以美国的海事卫星通信系统(Inmarsat)为代表，后者以美国的铱星系统(Iridium)为代表。低轨卫星移动通信星座系统具有全球无缝覆盖，通信延时小，可靠性高等优点，是一种新型的全球卫星移动通信系统。
由于低轨星座卫星往往处于高速运动(8km/s)的状态，这使得单星测控可见弧段比较短，并且星座卫星数量通常多达数十颗，运行维护成本很高；在Iridium星座系统中，采用通过遍布全球的11个地面信关站对其进行测控的方式，但是这种方式存在一些问题，大面积全球布站往往是以共享地面移动通信信息资源的方式来实现的，因此缺乏专用的测控链路传输信道，使得测控链路的长期可用度下降；此外，不同国家和地区的多个测控地面站难以维持长期实时的链路联系，再加之地球上各种自然灾害频发且分布范围广，受此影响仅靠地面站台网进行测控则存在较大的链路中断的风险。
为了对低轨通信卫星星座实施长期、有效、实时且更加可靠的测控，需要建立并设计一种专用的可靠性高的测控链路，此链路不仅限于地面测控站台网之间传输，还要利用空间中更高轨道的卫星进行转发传输，即将几颗同步轨道卫星组成天基测控网，在同步轨道卫星与低轨星座卫星之间建立星间链路进行测控，可以有效解决低轨星座卫星测控弧段短的问题，使系统具有更好的测控覆盖率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对目前地面测控站台网对低轨卫星通信星座进行测控普遍存在的测控链路可用度不高与可靠性较低等问题，提出了一种对低轨卫星移动通信星座系统设计测控链路的方法，解决了仅靠地面测控台网不能对低轨卫星移动通信星座系统进行实时、有效、可靠测控的问题，能够提供更好的长期实时的链路可用度并且具有更高的链路可靠性，实现了仅用少数的测控资源即可实施对低轨卫星移动通信星座系统中的数十颗星座卫星测控的功能。
本发明的技术解决方案是：
一种卫星移动通信星座星间测控系统，所述卫星移动通信星座由多颗LEO卫星组成，所述星间测控系统包括三颗GEO卫星和对应的三个地面测控站，所述三颗GEO卫星中包括一颗主GEO卫星和两颗从GEO卫星，均用于对视场范围内LEO卫星进行测控，
所述主GEO卫星将所述对应地面测控站发送的测控指令，直接或通过所述两颗从GEO卫星发送至所述LEO卫星；将所述三颗GEO卫星获取的来自于所述LEO卫星的测控信息发送至所述对应地面测控站。
若所述主GEO卫星无法与所述对应地面测控站传输测控指令和/或测控信息，则利用一颗所述从GEO卫星与所述对应地面测控站传输测控指令和/或测控信息。
所述GEO卫星与所述地面测控站的星间测控频率为Ka频段；两颗所述GEO卫星的最大星间距离为73000km；所述GEO卫星的星间测控天线的可取增益≥26dBi，EIRP≥39dBW；测控接收机的可取门限电平优于-160dBW/-130dBm。
所述GEO卫星与所述LEO卫星间的星间测控频率为S频段；所述GEO卫星与所述LEO卫星的星间距离为34000km～40000km；
一种卫星移动通信星座星间测控方法，所述卫星移动通信星座由多颗LEO卫星组成，包括以下步骤：
利用三颗GEO卫星分别对各自视场范围内LEO卫星进行测控；所述三颗GEO卫星包括一颗主GEO卫星和两颗从GEO卫星；
所述GEO卫星获取上传的测控指令，并直接或通过所述两颗从GEO卫星发送到对应的LEO卫星；
所述两颗从GEO卫星和所述主GEO卫星将接收到的所述LEO卫星的测控信息通过所述主GEO卫星进行下传。
若所述主GEO卫星无法与所述对应地面测控站传输测控指令和/或测控信息，则利用一颗所述从GEO卫星与所述对应地面测控站传输测控指令和/或测控信息。
所述GEO卫星与所述地面测控站的星间测控频率为Ka频段；两颗所述GEO卫星的最大星间距离为73000km；所述GEO卫星的星间测控天线的可取增益≥26dBi，EIRP≥39dBW；测控接收机的可取门限电平优于-160dBW/-130dBm。
所述GEO卫星与所述LEO卫星间的星间测控频率为S频段；所述GEO卫星与所述LEO卫星的星间距离为34000km～40000km；
所述LEO星座卫星测控天线波束角大于140°。
所述GEO卫星采用的测控体制为：信息流传输采用CDM/CDMA体制；采用DSSS扩频；所述GEO卫星复用来自所述LEO卫星的20-30路测控信号。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明在地球同步轨道布置3颗同步轨道卫星(GEO卫星)对低轨卫星移动通信星座的数十颗卫星(LEO卫星)进行实时测控，其中单颗GEO卫星能够同时负责20-30颗LEO卫星的测控管理，极大地改进了传统地面测控台网的多目标测控管理能力。
(2)本发明方法的三颗GEO卫星组成的天基测控网在联合测控的情况下，其星间测控链路能够覆盖低轨道上南北纬约60°范围内的大部分LEO星座卫星，使测控弧段覆盖率达到60～70％，仅用少数的测控资源即实现了对数十颗低轨星座卫星的有效可靠测控。
附图说明
图1为设计方法的流程；
图2为天基测控网卫星测控链路传输关系图；
图3为卫星通信星座系统测控链路传输关系图；
具体实施方式
如图1所示，在同步轨道上布置三颗GEO轨道卫星组成天基测控网，三颗卫星编号分别为GEO-1，GEO-2，GEO-3。
首先要解决这三颗卫星自身的测控信息流传输问题，针对是否采用GEO卫星间的测控链路有两种方案：
方案1)星间链路测控：将GEO-1设为主卫星，GEO-2为邻近卫星，GEO-3为远端卫星，三星的测控信息流均首先通过GEO-1卫星与地面测控主站之间建立的测控信道传输，然后，发往/来自GEO-2和GEO-3卫星的测控信息流则通过建立与GEO-1卫星的星间链路联系来传递测控信息，分别转发至GEO-2和GEO-3卫星(遥控)或将信息传回到地面测控主站(遥测)。
方案2)星地链路测控：由于GEO卫星数量较少，可以在地球上相应的星下点区域内建立地面测控站，这样可以免去星间测控链路，降低系统设计复杂度。然而，在不同国家不同地区建立多个测控地面站也会面临测控链路可用度不高与可靠性较低等问题，影响卫星的长期在轨管理。
因此将两种方案结合起来，构成如图2所示的一种星间测控链路与星地测控链路互为主备冗余的形式。
如图1和2所示，设定GEO-1卫星为主卫星，分别建立与GEO-2和GEO-3卫星的星间链路联系，转发来自地面区域测控主站的测控与测距信息；GEO-2卫星的测控信息可以首选通过地面区域测控副站来转发传递，也可以备选通过与GEO-1的星间测控链路来转发传递，GEO-3卫星的测控信息应首选与GEO-1建立的星间测控链路来转发传递，备选通过地面远端测控站来转发传递。
在这种组合方案中存在两种测控链路，即GEO卫星之间的星间测控链路与GEO卫星与地面测控站之间的星地测控链路，鉴于星地测控链路设计现已基本完备，本发明主要针对其中的星间测控链路的传输参数和性能指标进行设计，设计过程中着重考虑以下5条要点：
1.星间测控频率：Ka频段(例如可取20～30GHz范围)；
2.星间最大距离：约73000km(例如可设定GEO-1卫星距离其它两颗星等距离)；
3.星间测控天线：空间作用距离较大，对星载发射机发射功率和天线增益均有较高要求(例如可取增益≥26dBi，EIRP≥39dBW)；
4.测控接收机灵敏度，需要较高灵敏度来有效接收较远距离的星间链路微弱信号(例如可取门限电平优于-160dBW/-130dBm)；
5.对于GEO-1主卫星，和区域主站的上下行测控链路需要采用多路复用方式，测控信息流传输采用TDM体制，复用3～4路测控信号。
据此链路设计，计算评估星间链路的传输性能，包括双向链路余量应分别大于0dBW(前向和反向)。
天基测控网完成组网后，开始设计LEO星座卫星的星间测控链路，这里参考铱星系统举例(本发明所针对的LEO星座卫星系统不仅局限于铱星系统一种模型)，利用三颗GEO卫星分别对视场区域内LEO轨道上的60多颗星座卫星进行实时测控。
如图1和3所示，第1步：地面区域测控站台网将测控信息发送给GEO-1卫星，第2步：如果目标LEO星座卫星不在GEO-1卫星的波束视场范围内，则先将该信息转发给邻近的GEO-2卫星或GEO-3卫星，第3步：GEO-2卫星或GEO-3卫星再将信息转发给对应波束视场范围内的目标LEO星座卫星；如果目标LEO星座卫星在GEO-1卫星的波束视场范围内，则(跳过第2步)将该信息直接转发给目标LEO星座卫星。
在对LEO星座卫星的星间测控链路中存在两种星间测控链路，即GEO卫星之间的星间测控链路与GEO卫星与LEO星座卫星之间的星间测控链路，GEO卫星之间的星间测控链路已经设计完毕，这里主要针对GEO卫星与LEO星座卫星之间的星间测控链路的传输参数和性能指标进行设计，设计过程中着重考虑以下7条要点：
1.LEO星座卫星与GEO卫星之间星间测控频率：S频段(例如可取2.2～2.6GHz范围)；
2.LEO星座卫星与GEO卫星星间距离：约34000～40000km(例如可设定每颗GEO卫星距离它视场区域内的LEO星座卫星距离变化均在上述范围之内)；
3.GEO卫星多址测控天线的多目标测控跟踪能力设计如下：
a)阵元数量：多址测控天线采用相控阵天线(例如可取≥20)；
b)波束数量：波束由一个或几个阵元组成(例如可取前向发射波束数量≥5用来转发遥控，反向接收波束数量≥20用来接收遥测)；
c)增益：空间作用距离较大，对星载发射机发射功率和天线增益均有较高要求(例如可取增益≥30dBi，EIRP≥40dBW)；
4.LEO星座卫星测控天线波束角应优于140°，使星间测控链路能够覆盖低轨道上南北纬约60°范围内的大部分LEO星座卫星，使测控弧段覆盖率达到约60～70％。
5.相对运动影响分析如下：
a)多普勒频率：LEO星座卫星以8km/s高速飞行，星间链路抗最大多普勒频率约为±49kHz；
b)多普勒频率变化率：基于5a)的多普勒频率分析，其变化率约为±67Hz/s；
6.测控接收机灵敏度，需要较高灵敏度来有效接收较远距离的星间链路微弱信号(例如可取门限电平优于-160dBW/-130dBm)；
7.测控体制：
a)信息流传输采用CDM/CDMA体制；
b)采用DSSS扩频(例如可选Gold扩频码)；
c)单颗GEO卫星可复用来自LEO星座卫星的20-30路测控信号，使测控系统的多目标测控管理能力得到有效提升。
据此链路设计，计算评估星间链路的传输性能，包括双向链路余量应分别大于0dBW(前向和反向)。
最后分析测控弧段覆盖率，绘制相应的测控弧段覆盖率分析示意图，完成测控链路的设计。
以Iridium星座系统为模型，分析验证了本发明的测控链路设计方法能相比传统地面台网测控显著扩大测控覆盖区。
在传统地面台网测控中，以某控制中心作为主站，在区域内选一副站作为备份站。分析表明，两站只能覆盖相应区域内LEO轨道高度上北纬20°～60°范围内的一小部分LEO星座卫星，测控覆盖率仅为6％。
采用本发明方法对测控链路改进设计后，GEO三星联合测控对LEO星座卫星的星间测控链路能够覆盖LEO轨道高度上南北纬约60°范围内的大部分LEO星座卫星，使测控弧段覆盖率达到60～70％，而传统地面台网测控如达到此水平，需要全球布置数十座地面站。
本发明方法仅用少数的测控资源就实现了对低轨卫星移动通信星座系统中数十颗星座卫星的可靠测控，有效改善了测控系统的多目标测控管理能力。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (8)

1.一种卫星移动通信星座星间测控系统，所述卫星移动通信星座由多颗LEO低地球轨道卫星组成，其特征在于，所述星间测控系统包括三颗GEO地球静止轨道卫星和对应的三个地面测控站，所述三颗GEO卫星中包括一颗主GEO卫星和两颗从GEO卫星，均用于对视场范围内LEO卫星进行测控，
所述主GEO卫星将所述对应地面测控站发送的测控指令，直接或通过所述两颗从GEO卫星发送至所述LEO卫星；将所述三颗GEO卫星获取的来自于所述LEO卫星的测控信息发送至所述对应地面测控站；
若所述主GEO卫星无法与所述对应地面测控站传输测控指令和/或测控信息，则利用一颗所述从GEO卫星与所述对应地面测控站传输测控指令和/或测控信息。
2.如权利要求1所述星间测控系统，其特征在于，所述GEO卫星与所述地面测控站的星间测控频率为Ka频段；两颗所述GEO卫星的最大星间距离为73000km；所述GEO卫星的星间测控天线的可取增益≥26dBi，EIRP≥39dBW；测控接收机的可取门限电平优于-160dBW/-130dBm。
3.如权利要求1所述星间测控系统，其特征在于，所述GEO卫星与所述LEO卫星间的星间测控频率为S频段；所述GEO卫星与所述LEO卫星的星间距离为34000km～40000km。
4.一种卫星移动通信星座星间测控方法，所述卫星移动通信星座由多颗LEO卫星组成，其特征在于，包括以下步骤：
利用三颗GEO卫星分别对各自视场范围内LEO卫星进行测控；所述三颗GEO卫星包括一颗主GEO卫星和两颗从GEO卫星；
所述GEO卫星获取上传的测控指令，并直接或通过所述两颗从GEO卫星发送到对应的LEO卫星；
所述两颗从GEO卫星和所述主GEO卫星将接收到的所述LEO卫星的测控信息通过所述主GEO卫星进行下传；
若所述主GEO卫星无法与对应地面测控站传输测控指令和/或测控信息，则利用一颗所述从GEO卫星与所述对应地面测控站传输测控指令和/或测控信息。
5.如权利要求4所述星间测控方法，其特征在于，所述GEO卫星与所述地面测控站的星间测控频率为Ka频段；两颗所述GEO卫星的最大星间距离为73000km；所述GEO卫星的星间测控天线的可取增益≥26dBi，有效各向同性辐射功率EIRP≥39dBW；测控接收机的可取门限电平优于-160dBW/-130dBm。
6.如权利要求4所述星间测控方法，其特征在于，所述GEO卫星与所述LEO卫星间的星间测控频率为S频段；所述GEO卫星与所述LEO卫星的星间距离为34000km～40000km。
7.如权利要求4所述星间测控方法，其特征在于，所述LEO星座卫星测控天线波束角大于140°。
8.如权利要求4所述星间测控方法，其特征在于，所述GEO卫星采用的测控体制为：信息流传输采用码分复用CDM/码分多址CDMA体制；采用扩展频谱DSSS扩频；所述GEO卫星复用来自所述LEO卫星的20-30路测控信号。
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