CN106656330A - 一种空间光通信方法及空间光通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空间光通信方法和空间光通信系统，该方法包括步骤：低轨卫星星载通信机利用星载导航接收机周期性地更新卫星星历信息，并将其上报给过顶的数据中继卫星；中继卫星将整合后的所有低轨卫星星历信息进行组帧，并周期性广播；低轨卫星接收广播信息，并根据广播信息计算出其他卫星各个时刻的空间位置坐标；星上天线跟踪瞄准系统(ATP系统)根据所述空间位置坐标进行数据分析进而快速调整波束进行跟踪指向并调整发射功率。本发明提供了一种快速、高效和可靠的星间组网机制。

Description

一种空间光通信方法及空间光通信系统

技术领域

本发明属于空间信息网络建设领域，具体涉及一种空间光通信方法及空间光通信系统。

背景技术

低轨卫星组网的发展现状：

低轨卫星具有轨道高度低、卫星与地面节点之间的传输时延低、用户终端实现简单且功耗低、频率能够高效复用等优点。

当前，全球正在掀起了卫星互联网低轨星座发展的新高潮，美国一网公司(oneweb)签订了为建造大型低轨通信卫星星座研制与发射900颗卫星的合同，这标志着低轨大规模宽带互联网卫星星座计划迈出了实质性的一步。近两年，美国硅谷的互联网企业敏锐地捕获到卫星通信产业巨大商机，多家非传统航天企业宣布打造低轨通信卫星星座。虽然新兴卫星互联网星座还处于初期探索阶段，但是将卫星通信服务融入“互联网+天基信息系统”，蕴含了巨大的商机，是卫星通信产业未来发展方向之一。中国航天科工集团公司提出了“福星”系统计划，该计划用156颗卫星在距地球1000公里高度的轨道上构建一个星座，发射的网络信号可覆盖全球。福星系列一期将采用天星地网模式，二期采用天地融合组网。清华大学与信威通信公司形成联合研究中心将建设低轨道卫星移动通信星座和发展空天信息技术作为战略目标。卫星星座第一步技术验证完成，第二步的工程星设计实施阶段将通过增加星际链路及在总体方案设计阶段扩充平台能力。卫星第三步是全系统建设，逐步扩大实时通信范围，直到实现全球无缝覆盖。

低轨卫星组网的发展趋势：

低轨卫星光通信是目前各个国家大力发展的新型卫星通信方式，具有带宽高、功耗小、保密性强等诸多优点，在民用和国防应用中都有着广阔的应用前景。

激光通信与微波通信相比，具有以下独特的优点：

1)与微波相比，光波频率高3～5个数量级，频率资源丰富得多，可以获得高得多的数据传输速率，能满足大容量传输的要求，并为实现空间多功能任务提供了时间保障。

2)激光波束比微波波束的发散角小3～5个数量级，这将大大增加接收端的电磁波能量密度，有利于终端减轻重量、减少体积，降低功耗。

3)保密和抗干扰性能极好，这对军事应用十分有利。

低轨卫星组网通信面临的问题：

在卫星光通信过程中，星间链路要实现空间组网通信的前提是收发光源天线精确对准，但低轨光通信卫星网络因具有移动速度快、网络拓扑持续高度动态变化和光束束散角小等特点，使得卫星光通信过程的捕获、瞄准、跟踪(ATP)问题变得十分突出。

发明内容

技术问题是为低轨卫星系统星间组网提供一种快速、高效和可靠的星间组网机制。

有鉴于此，本发明实施例提供一种空间光通信方法和空间光通信系统用以解决上述的技术问题。

问题的解决方案：

本发明提供了一种快速高效的空间光通信方法，包括步骤：

低轨卫星星载通信机利用星载导航机周期性地更新其卫星星历信息，并将其上报给过顶的数据中继卫星；

中继卫星将整合后的所有低轨卫星星历信息进行组帧，并周期性广播；

低轨卫星接收广播信息，并根据广播信息计算出其他卫星各个时刻的空间位置坐标；

星上天线跟踪瞄准系统(ATP系统)根据所述空间位置坐标进行数据分析进而快速调整波束进行跟踪指向并调整发射功率。

进一步的，所述低轨卫星接收广播信息，并根据广播信息计算出其他卫星各个时刻的空间位置坐标的步骤之后还包括步骤：

根据所述空间位置信息计算出星座中任意两颗卫星相对位置关系及动态变化率。空间信息网络结构复杂，拓扑动态变化大，空间尺度大等特点给空间光通信的效率和质量带来了很大的影响，而本方案由于可以计算和得到任意两颗卫星相对位置关系及动态变化率，故而，空间中的任一节点能够精确计算出其余网络中其他节点的空间位置关系和变化率，为实现星座中两颗卫星，特别是低轨卫星天线指向准确对准给出了保证，这是星间链路快速发现、建立和保持的基础。

进一步的，所述相对位置关系包括星间链路距离、星间链路方位角、星间链路仰角。星间链路指向和距离的本身具备一定的周期性规律变化的特点，这为星间通信链路的搜索简历以及星间通信设备的设计、制造提供了理论依据和搜索方向，但是，卫星在轨道上始终受到空间各种摄动力的作用，在摄动力的作用下，卫星轨道不再遵循二体轨道，其中周期、偏心率、升交点赤经和倾角不断地变化着，这对需要高精度空间节点位置服务支持的激光通信链路来说影响不小；而本方案中，则很好的计算得出了星间链路距离、星间链路方位角、星间链路仰角等星间相对位置数据，这让各空间节点能够掌控包括自己在内的各个节点在任一时刻的高精度位置全局视图，这些数据将对星间链路的收发光源天线的对准等给予指导，进而对保证空间光通信的稳定和质量带来了很好的帮助。

进一步的，所述动态变化率包括星间链路时间变化率、星间链路指向方位角时间变化率、星间链路指向仰角时间变化率。星间链路指向和距离的本身具备一定的周期性规律变化的特点，这为星间通信链路的搜索简历以及星间通信设备的设计制造提供了理论依据和搜索方向，但是，卫星在轨道上始终受到空间各种摄动力的作用，在摄动力的作用下，卫星轨道不再遵循二体轨道，其中周期、偏心率、升交点赤经和倾角不断地变化着，这对需要高精度空间节点位置服务支持的激光通信链路来说影响不小；而本方案中，则很好的计算得出了星间链路时间变化率、星间链路指向方位角时间变化率、星间链路指向仰角时间变化率等星间动态变化率，这让各个空间节点能够掌握包括自己在内的网络拓扑的全局变化，这些数据对星间激光链路天线的设计和应用提供指导，并能够自动跳转星载天线的跟踪准确度和跟踪速度，使得星载天线始终处于良好的接收状态；并给出了功率调节所需要的功率调整范围和调整速度等基本指标参数，而这将进一步的为保证空间光通信的稳定和质量带来了很好的帮助。

进一步的，所述低轨卫星星载通信机周期性的更新星历信息，并将其上报给过顶的数据中继卫星的步骤中：

所述星载通信机是根据接收到的GNSS信号和导航电文进行空间位置的解算，然后将位置信息转换为星历信息的。

进一步的，所述GNSS信息和导航电文是借助三颗数据中继卫星和GNSS导航系统实现并发送给低轨卫星的。

进一步的，所述数据中继卫星至少有三颗。一颗数据中继卫星可以覆盖空间中的部分低轨卫星，三颗甚至更多颗卫星则能够实现全球覆盖,并最终覆盖所有的低轨卫星，从而实现任意两颗低轨卫星之间的高质量光通信。

进一步的，所述数据中继卫星将整合后的所有低轨卫星星历信息进行组帧，并周期性广播的步骤之后还包括步骤：

预定数量的数据中继卫星各自整合所有收到的低轨卫星星历信息，然后相互分发。星历信息在数据中继卫星之间互通有无，如此，其中某颗数据中继卫星即使无法覆盖所有的低轨卫星，但新鲜的互通将使得该数据中继卫星能够接收到未覆盖低轨卫星的信息，为实现范围内所有低轨卫星中任意两颗之间的空间光通信提供了重要保障。

进一步的，星历信息的更新、上报、组帧和广播均是借助三颗数据中继卫星和GNSS导航系统实现的。星载通信机，将同三颗数据中继卫星和GNSS导航系统完成低轨卫星和数据中继卫星之间的各种数据通信工作，而无须借助地面基站，同时，无须全球布站，仅国内的指挥站，便能够掌控空间中各个位置的低轨卫星和数据中继卫星，并进行相互通信。

本发明还提供了一种空间光通信系统，使用了如本发明任一公开的一种空间光通信方法。

采用上述技术方案，本发明/发明至少可取得下述技术效果：

本发明中，随着我国北斗卫星导航系统面向全球服务战略的快速推进，需要致力于空间基础设施的建设，其中成本投入高的全球布站方案是难以实现的，而本发明中，基于星载通信机进行的空间光通信技术则较好的解决了这一问题；而空间光通信技术对于捕获、跟踪和瞄准技术的要求较高，本发明中，低轨卫星周期性的更新自身的星历信息，并将其上报给过顶的数据中继卫星，而数据中继卫星则将接收到的所有低轨卫星(至少两颗)进行整合组帧并进行广播；低轨卫星则可以根据广播信息解算出星座中其他卫星的空间位置坐标，这样低轨卫星星座中的任意两颗之间的相对空间信息等便可以轻松的计算出来，从而给予预设范围内任意两颗低轨卫星之间的光通信提供了较高精度的空间节点位置服务，这便较好的解决了捕获、跟踪和瞄准技术的要求问题；而由于较高精度的空间节点位置服务，相对于现有技术来说，本发明可以根据空间位置坐标较好的卫星的轨道、位置及姿态信息，进而能够大大缩短通信终端的捕获时间，并在进行光通信时将其考虑进去，从而大大的减弱了光通信受到的空间各种摄动力的干扰作用，提高了空间光通信的效率、精度和质量；该空间光通信组网机制融通信、导航和广播为一体，涉及到中、低、高轨卫星协同服务，为星间通信节点的快速发现、对准和分发起了很大的作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种空间光通信方法的流程图；

图2是本发明优选实施例的一种空间光通信方法的流程图。

贯穿附图，应该注意的是，相似的标号用于描绘相同或相似的元件、特征和结构。

具体实施方式

提供以下参照附图的描述来帮助全面理解由权利要求及其等同物限定的本公开的各种实施例。以下描述包括帮助理解的各种具体细节，但是这些细节将被视为仅是示例性的。因此，本领域普通技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围和精神的情况下，可对本文所述的各种实施例进行各种改变和修改。另外，为了清晰和简洁，公知功能和构造的描述可被省略。

以下描述和权利要求书中所使用的术语和词汇不限于文献含义，而是仅由发明人用来使本公开能够被清晰和一致地理解。因此，对于本领域技术人员而言应该明显的是，提供以下对本公开的各种实施例的描述仅是为了示例性目的，而非限制由所附权利要求及其等同物限定的本公开的目的。

应该理解，除非上下文明确另外指示，否则单数形式也包括复数指代。因此，例如，对“组件表面”的引用包括对一个或更多个这样的表面的引用。

图1是本发明一种空间光通信方法的流程图，参考图1，该快速高效的空间光通信方法，包括步骤：

S1:低轨卫星星载通信机利用星载导航机周期性地更新其卫星星历信息，并将其上报给过顶的数据中继卫星；

S2:中继卫星将整合后的所有低轨卫星星历信息进行组帧，并周期性广播；

S3:低轨卫星接收广播信息，并根据广播信息计算出其他卫星各个时刻的空间位置坐标；

S4:星上天线跟踪瞄准系统(ATP系统)根据所述空间位置坐标进行数据分析进而快速调整波束进行跟踪指向并调整发射功率。

本发明中，随着我国北斗卫星导航系统面向全球服务战略的快速推进，需要致力于空间基础设施的建设，其中成本投入高的全球布站方案是难以实现的，而本发明中，基于星载通信机进行的空间光通信技术则较好的解决了这一问题；而空间光通信技术对于捕获、跟踪和瞄准技术的要求较高，本发明中，低轨卫星周期性的更新自身的星历信息，并将其上报给过顶的数据中继卫星，而数据中继卫星则将接收到的所有低轨卫星(至少两颗)进行整合组帧并进行广播；低轨卫星则可以根据广播信息解算自己的空间位置坐标，这样就低轨卫星中的任意两颗之间的相对空间信息等便可以轻松的计算出来，从而给予预设范围内任意两颗低轨卫星之间的光通信提供了较高精度的空间节点位置服务，这便较好的解决了捕获、跟踪和瞄准技术的要求问题；而由于较高精度的空间节点位置服务，相对于现有技术来说，本发明可以根据空间位置坐标较好的卫星的轨道、位置及姿态信息，进而能够大大缩短通信终端的捕获时间，并在进行光通信时将其考虑进去，从而大大的减弱了光通信受到的空间各种摄动力的干扰作用，提高了空间光通信的效率、精度和质量。

获得卫星轨道数据常采用的方法常常是利用事先注入的方法，要求在地面精密定轨时有高精度的地面外推初值，即基于星历参数进行卫星位置预报。由于存在各种摄动力的作用，且随着时间的累积，轨道位置预报误差将逐渐增大，由于星间通信过程中激光的光斑投射大小可能小于卫星的预报误差或在一个量级上，采上述方案，将无法保证星间激光通信过程中高精度捕获跟踪对准。

而由于卫星移动通信系统的星间链路将采用激光链路，而激光光束的发散角极小，通常在微弧度量级，因此LEO卫星的瞄准系统相当复杂，如果星上天线跟踪瞄准系统不能够及时调整使得收发信机间的天线对准，使接收机不能够跟踪到发射机发出的激光波束，则会导致卫星上接收机接收不到激光信号出现链路中断或者接收到的激光信号强度迅速下降，导致通信质量下降，这便是本发明急需提高空间节点位置服务精度的原因。

图2是本发明优选实施例的一种空间光通信方法的流程图，参考图1、图2可知：本实施例优选的，低轨卫星接收广播信息，并根据广播信息计算出其他卫星各个时刻的空间位置坐标的步骤S3之后还包括步骤S3-4：

根据空间位置信息计算出星座中任意两颗卫星相对位置关系及动态变化率。空间信息网络结构复杂，拓扑动态变化大，空间尺度大等特点给空间光通信的效率和质量带来了很大的影响，而本方案由于可以计算和得到任意两颗卫星相对位置关系及动态变化率，故而，空间中的任一节点能够精确计算出网络中其他节点的空间位置关系和变化率，为实现星座中两颗卫星，特别是低轨卫星天线指向准确对准给出了保证，这是星间链路快速发现、建立和保持的基础。

本实施例优选的，相对位置关系包括星间链路距离、星间链路方位角、星间链路仰角。星间链路指向和距离的本身具备一定的周期性规律变化的特点，这位星间通信链路的搜索简历以及星间通信设备的涉及制造提供了理论依据和搜索方向，但是，卫星在轨道上始终受到空间各种摄动力的作用，在摄动力的作用下，卫星轨道不再遵循二体轨道，其中周期、偏心率、升交点赤经和倾角不断地变化着，这对需要高精度空间节点位置服务支持的激光通信链路来说影响不小；而本方案中，则很好的计算得出了星间链路距离、星间链路方位角、星间链路仰角等星间相对位置数据，这让各空间节点能够掌控包括自己在内的各个节点在任一蚀刻的高精度位置全局视图，这些数据将对星载通信机的收发光源天线的对准等给予了指导，进而对保证空间光通信的稳定和质量带来了很好的帮助。

其中，摄动力包括地球形状非球形和质量不均匀产生的附加引力，高层大气动力，太阳、月球引力，以及太阳光照射压力等。

本实施例优选的，动态变化率包括星间链路时间变化率、星间链路指向方位角时间变化率、星间链路指向仰角时间变化率。星间链路指向和距离的本身具备一定的周期性规律变化的特点，这为星间通信链路的搜索简历以及星间通信设备的设计制造提供了理论依据和搜索方向，但是，卫星在轨道上始终受到空间各种摄动力的作用，在摄动力的作用下，卫星轨道不再遵循二体轨道，其中周期、偏心率、升交点赤经和倾角不断地变化着，这对需要高精度空间节点位置服务支持的激光通信链路来说影响不小；而本方案中，则很好的计算得出了星间链路时间变化率、星间链路指向方位角时间变化率、星间链路指向仰角时间变化率等星间动态变化率，这让各个空间节点能够掌握包括自己在内的网络拓扑的全局变化，这些数据对星间激光链路天线的设计和应用提供指导，并能够自动跳转星载天线的跟踪准确度和跟踪速度，使得星载天线始终处于良好的接收状态；并给出了功率调节所需要的功率调整范围和调整速度等基本指标参数，而这将进一步的为保证空间光通信的稳定和质量带来了很好的帮助。

本实施例优选的，低轨卫星星载通信机周期性的更新星历信息，并将其上报给过顶的数据中继卫星的步骤S1中：

星载通信机是根据接收到的GNSS信号和导航电文进行空间位置的解算，然后将位置信息转换为星历信息的。

本实施例优选的，GNSS信息和导航电文是借助三颗数据中继卫星和GNSS导航系统实现并发送给低轨卫星的。

本实施例优选的，数据中继卫星至少有三颗。一颗数据中继卫星可以覆盖空间中的部分低轨卫星，三颗甚至更多颗卫星则能够实现全球覆盖,并最终覆盖所有的低轨卫星，从而实现任意两颗低轨卫星之间的高质量光通信。

本实施例优选的，数据中继卫星将整合后的所有低轨卫星星历信息进行组帧，并周期性广播的步骤S1之后还包括步骤S1-2：

预定数量的数据中继卫星各自整合所有收到的低轨卫星星历信息，然后相互分发。星历信息在数据中继卫星之间互通有无，如此，其中某颗数据中继卫星即使无法覆盖所有的低轨卫星，但新鲜的互通将使得该数据中继卫星能够接收到未覆盖低轨卫星的信息，为实现范围内所有低轨卫星中任意两颗之间的空间光通信提供了重要保障。

本实施例优选的，星历信息的更新、上报、组帧和广播均是借助三颗数据中继卫星和GNSS导航系统实现的。星载通信机，将同三颗数据中继卫星和GNSS导航系统完成低轨卫星和数据中继卫星之间的各种数据通信工作，而无须借助地面基站，同时，无须全球布站，仅国内的指挥站，便能够掌控空间中各个位置的低轨卫星和数据中继卫星，并进行相互通信。

本发明还提供了一种空间光通信系统，使用了如本发明任一公开的一种空间光通信方法。

采用上述技术方案，本发明至少可取得下述技术效果：

本发明中，随着我国北斗卫星导航系统面向全球服务战略的快速推进，需要致力于空间基础设施的建设，其中成本投入高的全球布站方案是难以实现的，而本发明中，基于星载通信机和星载导航接收机进行的空间光通信技术则较好的解决了这一问题；而空间光通信技术对于捕获、跟踪和瞄准技术的要求较高，本发明中，低轨卫星周期性的更新自身的星历信息，并将其上报给过顶的数据中继卫星，而数据中继卫星则将接收到的所有低轨卫星(至少两颗)进行整合组帧并进行广播；低轨卫星则可以根据广播信息解算星座中其他卫星的空间位置坐标，这样就低轨卫星中的任意两颗之间的相对空间信息等便可以轻松的计算出来，从而给予预设范围内任意两颗低轨卫星之间的光通信提供了较高精度的空间节点位置服务，这便较好的解决了捕获、跟踪和瞄准技术的要求问题；而由于较高精度的空间节点位置服务，相对于现有技术来说，本发明可以根据空间位置坐标较好的卫星的轨道、位置及姿态信息，进而能够大大缩短通信终端的捕获时间，并在进行光通信时将其考虑进去，从而大大的减弱了光通信受到的空间各种摄动力的干扰作用，提高了空间光通信的效率、精度和质量。

低轨卫星具有轨道高度低、卫星与地面节点之间的传输时延低、用户终端实现简单且功耗低、频率能够高效复用等优点，已成为空间信息网络重要组成部分。而本发明让低轨卫星在空间信息网络中提供了更加强大的作用。

而且，本发明的快速、高效、精准性为未来空间信息网架构设计提供了很有益的尝试和解决方案，可以实现快速路由发现、建立和分发，同时可以实现无信光标直接捕获，有助于星载激光系统的小型化设计。

应该注意的是，如上所述的本公开的各种实施例通常在一定程度上涉及输入数据的处理和输出数据的生成。此输入数据处理和输出数据生成可在硬件或者与硬件结合的软件中实现。例如，可在移动装置或者相似或相关的电路中采用特定电子组件以用于实现与如上所述本公开的各种实施例关联的功能。另选地，依据所存储的指令来操作的一个或更多个处理器可实现与如上所述本公开的各种实施例关联的功能。如果是这样，则这些指令可被存储在一个或更多个非暂时性处理器可读介质上，这是在本公开的范围内。处理器可读介质的示例包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘和光学数据存储装置。另外，用于实现本公开的功能计算机程序、指令和指令段可由本公开所属领域的程序员容易地解释。

尽管已参照本公开的各种实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (10)

1.一种快速高效的空间光通信方法，其特征在于，包括步骤：

低轨卫星星载通信机利用星载导航接收机周期性地更新其卫星星历信息，并将其上报给过顶的数据中继卫星；

中继卫星将整合后的所有低轨卫星星历信息进行组帧，并周期性广播；

低轨卫星接收广播信息，并根据广播信息计算出其他卫星各个时刻的空间位置坐标；

星上天线跟踪瞄准系统(ATP系统)根据所述空间位置坐标进行数据分析进而快速调整波束进行跟踪指向并调整发射功率。

2.如权利要求1所述的空间光通信方法，其特征在于，所述低轨卫星接收广播信息，并根据广播信息计算出其他卫星各个时刻的空间位置坐标的步骤之后还包括步骤：

根据所述空间位置信息计算出星座中任意两颗卫星相对位置关系及动态变化率。

3.如权利要求2所述的空间光通信方法，其特征在于，所述相对位置关系包括星间链路距离、星间链路方位角、星间链路仰角。

4.如权利要求2所述的空间光通信方法，其特征在于，所述动态变化率包括星间链路时间变化率、星间链路指向方位角时间变化率、星间链路指向仰角时间变化率。

5.如权利要求1所述的空间光通信方法，其特征在于，所述低轨卫星星载通信机周期性的更新星历信息，并将其上报给过顶的数据中继卫星的步骤中：

所述星载通信机是根据接收到的GNSS信号和导航电文进行空间位置的解算，然后将位置信息转换为星历信息的。

6.如权利要求5所述的空间光通信方法，其特征在于，所述GNSS信息和导航电文是借助三颗数据中继卫星和GNSS导航系统实现并发送给低轨卫星的。

7.如权利要求1所述的空间光通信方法，其特征在于，所述数据中继卫星至少有三颗。

8.如权利要求7所述的空间光通信方法，其特征在于，所述数据中继卫星将整合后的所有低轨卫星星历信息进行组帧，并周期性广播的步骤之后还包括步骤：

预定数量的数据中继卫星各自整合所有收到的低轨卫星星历信息，然后相互分发。

9.如权利要求1所述的空间光通信方法，其特征在于，星历信息的更新、上报、组帧和广播均是借助三颗数据中继卫星和GNSS导航系统实现的。

10.一种空间光通信系统，其特征在于，使用了如权利要求1-9任一所述的一种空间光通信方法。