CN108337040A - 一种地面站通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种地面站通信系统，涉及激光通信技术领域，主要目的在于实现地面与卫星之间的激光通信。本发明的一种飞行器通信系统，包括至少一个与卫星进行通信的地面站激光通信终端，所述地面站激光通信终端包括至少一个地面站‑卫星激光通信终端设备，基于所述地面站‑卫星激光通信终端设备通过激光链路与卫星进行通信；所述地面站激光通信终端还包括数据通信接口，通过所述数据接口与公共互联网网络连接。本发明能够通过地面站与卫星建立的激光链路进行通信，能够将与卫星建立激光链路连接的飞行器的数据下传到地面，以及实现飞行器与地面之间的双向通信。

Description

一种地面站通信系统
技术领域
本发明涉及一种航天航空技术领域，特别是涉及一种激光通信网络中的地面站通信系统。
背景技术
目前，航空通信主要通过微波卫星实现。在通过该微波无线电进行通信时，由于无线电频率是航空飞行器与卫星间得以正常通信的基础，是信息传输的通道，为了防止卫星间电磁干扰，需要保持通信频率的一定间隔进行频率隔离，因此无线电频谱受到国际电联(ITU)及各国政府的严格管控。此外，无线电通信存在频谱饱和以及通信带宽有限的问题，难以满足海量数据的高速传输需求，更加无法实现飞行器自身海量飞行数据(单架飞行器10GB/s量级)的实时传输。
因此，现今也出现了一些利用激光通信链路来进行卫星和地面站通信的通信系统，虽然，空间激光通信具有明显优势，例如具有高数据传输速率，大容量和高保密性等特性。但是，激光的光束发散角较窄，一般一个激光光束只能与一个其他激光通信终端进行通信；目前一颗卫星中一般设置有一台激光通信终端，要实现同一时刻，卫星为多个激光通信终端服务，只能通过发射多颗卫星的方式实现，该种方式成本极高。伴随着飞机飞行过程中允许使用智能移动终端的全面放开，如何为飞机上使用智能移动终端的用户提供快速、低价的网络服务，成为当前航空领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供一种用于激光通信网络的地面站通信系统，主要安装于地面上，用于实现地面与卫星上的激光通信终端之间进行激光通信，并且通过飞行器与卫星的联网，实现飞行器的联网以及飞行器自身状态数据的传送。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种地面站通信系统，其特征在于，包括：
至少一个与卫星进行通信的地面站激光通信终端，
所述地面站激光通信终端包括至少一个地面站-卫星激光通信终端设备，基于所述地面站-卫星激光通信终端设备通过激光链路与卫星进行通信；
所述地面站激光通信终端还包括数据通信接口，通过所述数据接口与公共互联网网络连接。
进一步的，所述地面站激光通信终端为一个，并且所述地面站激光通信终端包括一台地面站-卫星激光通信终端设备，某一时间段内，多颗卫星中的一颗卫星的卫星-地面站激光通信终端设备与所述地面站激光通信终端中的所述一台飞行器-卫星激光通信终端设备建立激光链路通信；
或者，
所述地面站激光通信终端为一个，并且所述地面站激光通信终端包括至少两台地面站-卫星激光通信终端设备，第一时间段内，多颗卫星中的第一颗卫星的卫星-地面站激光通信终端设备与所述地面站激光通信终端中的第一台飞行器-卫星激光通信终端设备建立第一激光链路通信，第二时间段内，在所述第一激光链路通信的同时，所述多颗卫星中的第二颗卫星的卫星-地面站激光通信终端设备与所述地面站激光通信终端中的第二台飞行器-卫星激光通信终端设备建立激光链路通信。
进一步的，所述地面站激光通信终端为至少两个，并且每个所述地面站激光通信终端均包括一台地面站-卫星激光通信终端设备，某一时间段内，多颗卫星中与所述地面站激光通信终端数量相同的卫星的卫星-地面站激光通信终端设备分别与对应数量的所述地面站激光通信终端中的所述一台飞行器-卫星激光通信终端设备建立激光链路通信；
或者，
所述地面站激光通信终端为至少两个，并且每个所述地面站激光通信终端均包括至少两台地面站-卫星激光通信终端设备，第一时间段内，多颗卫星中与所述地面站激光通信终端数量相同的卫星的卫星-地面站激光通信终端设备分别与对应数量的所述地面站激光通信终端中的第一台飞行器-卫星激光通信终端设备建立第一激光链路通信，第二时间段内，在所述第一激光链路通信的同时，所述多颗卫星中另外与所述地面站激光通信终端数量相同的卫星-地面站激光通信终端设备分别与对应数量的所述地面站激光通信终端中的第二台飞行器-卫星激光通信终端设备建立激光链路通信。
进一步的，当所述地面站激光通信终端包括一台地面站-卫星激光通信终端设备时，所述一台地面站-卫星激光通信终端设备的仰角为卫星对地张角；
当所述地面站激光通信终端包括至少两台地面站-卫星激光通信终端设备时，所述至少两台地面站-卫星激光通信终端设备的仰角组合为卫星对地张角。
进一步的，当所述地面站激光通信终端包括至少两台地面站-卫星激光通信终端设备时，所述至少两台地面站-卫星激光通信终端设备在地面站激光通信终端内等间隔或不等间隔分布。
进一步的，当所述地面站激光通信终端包括至少两台地面站-卫星激光通信终端设备时，所述至少两台地面站-卫星激光通信终端设备的仰角大小相同或者不同。
进一步的，当所述地面站激光通信终端包括至少两台地面站-卫星激光通信终端设备时，所述至少两台地面站-卫星激光通信终端设备的仰角范围重叠或者不重叠。
进一步的，当所述地面站激光通信终端包括至少两台地面站-卫星激光通信终端设备时，所述至少两台地面站-卫星激光通信终端设备在其所在的卫星内按照预定的通信阵列排列。
进一步的，所述预定的通信阵列为n×n的矩阵形状排列，n为大于2的自然数；
或者，所述预定的通信阵列为圆形阵列、方形阵列或菱形阵列。
进一步的，当所述地面站激光通信终端包括至少两台地面站-卫星激光通信终端设备时，所述至少两台地面站-卫星激光通信终端设备在地面站激光通信终端内任意排列。
与现有技术相比，本发明提供的激光通信网络的地面站通信系统，基于激光通信终端设备，以激光为传输介质，实现地面站激光通信终端与卫星之间的通信连接，由于激光通信速率高，信息容量大，轻易就能达到10-40Gbps，相比现有技术中的无线电通信，在很大程度上提高了飞行器数据的传输速率，使得数据传输快速，极大的提高了乘客上网的体验。
并且每颗卫星又包括卫星与地面站间通信的对地激光通信终端设备，以便卫星与地面站设备建立激光通信，从而能够将飞行器自身数据以及地面上传的网络资源数据通过建立的激光链路进行传输，使得飞行器不再是一座信息孤岛，其数据能够被采集、传输以及分析利用，及时的发现和解决飞行器飞行中的问题，很大程度的降低了飞行器的管控和维护成本。
进一步的，空间激光通信链路无需审批，不受频谱限制，空间激光通信的可扩展性好。
更进一步的，进行激光通信的激光通信终端设备，光源功耗小，转换效率高，收发天线小，在设备体积、重量、功耗上具有优势。
附图说明
图1为具有本发明实施例的地面站通信系统的激光通信系统的示意图；
图2为具有本发明另一实施例的地面站通信系统的激光通信系统的组成示意图；
图3为具有本发明另一实施例的地面站通信系统的激光通信系统的组成示意图；
图4为具有本发明另一实施例的地面站通信系统的激光通信系统的组成示意图；
图5为具有本发明另一实施例的地面站通信系统的激光通信系统的组成示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，一种激光通信系统，包括卫星通信系统1、以及地面站通信系统2。
卫星通信系统1，包括多颗卫星，每颗卫星载有卫星间通信的星间激光通信终端设备，卫星与飞行器间通信的卫星-飞行器激光通信终端设备，以及卫星与地面站间通信的卫星-地面站激光通信终端设备；所述多颗通信卫星之间基于星间激光通信终端设备通过激光链路实现通信。
其中，通过所述多颗卫星的合理布局，实现卫星通信系统在某个轨道面，或者某些区域内卫星-地面站球的全通信覆盖。
另外，所述多个卫星的数量可以根据卫星-地面站球的高度以及通信覆盖度确定。在通信全覆盖的前提下，也可以根据运营需求和运营成本设置，具体的本发明实施例对此不进行限制。
地面站通信系统2，所述地面站通信系统包括与卫星进行通信的地面站激光通信终端，所述地面站激光通信终端包括地面站-卫星激光通信终端设备，基于所述地面站-卫星激光通信终端设备通过激光链路与卫星进行通信。
其中，本发明实施例中的一个地面站激光通信终端至少包括一台地面-卫星激光通信终端设备，使得某一时间段内，基于所述地面-卫星激光通信终端设备通过激光链路与卫星通信系统进行通信，基本实现数据的传输。
另外，在实施本发明实施例时，为了降低地面站激光通信终端接收多颗卫星下传的数据的压力，可以根据运营需求以及传输的数据量设置多个地面站激光通信终端，以便实现同一时间段内，多颗卫星分别同地面站激光通信终端的多个地面站激光通信终端同时通信。该地面站激光通信终端可以设置在陆地上，可以设置在不同的地理位置，也可以在同一地理位置设置多个地面站激光通信终端，具体的本发明实施例对此不进行限定，实施时，根据需求具体布局。
本发明提供的通信系统，基于激光通信终端设备，以激光为传输介质，实现地面站与卫星之间的通信连接，进而通过卫星与卫星之间的通信连接，并且每颗卫星又包括卫星与飞行器间通信的对地激光通信终端设备，以便卫星与飞行器设备建立激光通信，从而能够将飞行器自身数据以及地面上传的网络资源数据通过建立的激光链路进行传输，使得飞行器不再是一座信息孤岛，其数据能够被采集、传输以及分析利用，及时的发现和解决飞行器飞行中的问题，很大程度的降低了飞行器的管控和维护成本。由于激光通信速率高，信息容量大，轻易就能达到10-40Gbps，相比现有技术中的无线电通信，在很大程度上提高了飞行器数据的传输速率和服务的用户数量，使得数据传输快速，极大的提高了乘客上网的体验。
进一步的，空间激光通信链路无需审批，不受频谱限制，空间激光通信的可扩展性好。
更进一步的，进行激光通信的激光通信终端设备，光源功耗小，转换效率高，收发天线小，在设备体积、重量、功耗上具有优势。
如上所述的，为了实现飞行器的数据通信，本发明在设置激光通信的地面站激光通信终端时，可以设置一个，也可以设置多个，本发明实施例以设置一个为例，具体阐述：如图2所示，所述地面站激光通信终端为一个，并且所述地面站激光通信终端包括一台地面站-卫星激光通信终端设备，某一时间段内，多颗卫星中的一颗卫星的卫星-地面站激光通信终端设备与所述地面站激光通信终端中的所述一台飞行器-卫星激光通信终端设备建立激光链路通信。
上述的方式虽然能够实现数据的传输，但是，若某一时间段内仅有一台地面-卫星激光通信终端设备与卫星进行通信，当该颗卫星过顶之后，需要再与下一颗卫星建立激光通信，之后进行相关数据的传输，这样卫星与地面之间的数据传输只能间断性的进行。
进一步的，为了保证卫星与地面站之间不间断的进行数据传输，本发明实施例提供如下的方法，如图3所示，所述地面站激光通信终端为一个，并且所述地面站激光通信终端包括至少两台地面站-卫星激光通信终端设备，第一时间段内，多颗卫星中的第一颗卫星的卫星-地面站激光通信终端设备与所述地面站激光通信终端中的第一台飞行器-卫星激光通信终端设备建立激光链路通信，第二时间段内，在所述第一颗卫星的卫星-地面站激光通信终端设备与第一台飞行器-卫星激光通信终端设备建立激光链路通信的同时，所述多颗卫星中的第二颗卫星的卫星-地面站激光通信终端设备与所述地面站激光通信终端中的第二台飞行器-卫星激光通信终端设备建立激光链路通信。
其中，该处所述的第二时间段为一颗卫星即将离开地面站激光通信终端的服务区，并保持与该地面站激光通信终端的一台地面-卫星激光通信终端设备通信的时间段。
由于该种方式，在上述的一时间段内，两个卫星同时与一个地面站激光通信终端设备连接进行激光通信，一边的一个卫星将要离开地面站激光通信终端设备的服务器，一边是另一个卫星将要进入地面站激光通信终端设备的服务器，从而实现卫星之间与地面站激光通信终端设备的交接通信，实现卫星与地面站之间不间断的数据传输。
更进一步的，当卫星系统同时为多架飞行器进行服务时，会有海量的数据需要进行传输，一个地面站激光通信终端进行传输的压力比较大。为了进一步的实现数据的快速，高效的传输，本发明实施例还可以将所述地面站激光通信终端设为至少两个，该至少两个地面站激光通信终端可以设置在陆地上，可以设置在不同的地理位置，也可以在同一地理位置设置多个地面站激光通信终端，具体的本发明实施例对此不进行限定，实施时，根据需求具体布局。
为实现上述功能，本发明实施例还提供如下的方法：如图4所示，
所述地面站激光通信终端为至少两个，并且每个所述地面站激光通信终端均包括一台地面站-卫星激光通信终端设备，某一时间段内，多颗卫星中的至少两颗卫星的卫星-地面站激光通信终端设备分别与至少两个所述地面站激光通信终端中的所述一台飞行器-卫星激光通信终端设备建立激光链路通信。
上述的方式，在同一时间段内虽然有多个地面站激光通信终端与卫星同时进行通信，相比单个地面站激光通信终端增加了数据的传输量，但是，由于某一时间段内每个地面站激光通信终端仅有一台地面-卫星激光通信终端设备与卫星进行通信，当该颗卫星过顶之后，需要再与下一颗卫星建立激光通信，之后进行相关数据的传输，这样卫星与地面之间的数据传输只能间断性的进行。
进一步的，为了保证卫星与地面站之间不间断的进行数据传输，本发明实施例提供如下的方法，如图5所示，所述地面站激光通信终端为至少两个，并且每个所述地面站激光通信终端均包括至少两台地面站-卫星激光通信终端设备，第一时间段内，多颗卫星中的至少两颗卫星的卫星-地面站激光通信终端设备分别与对应数量的所述地面站激光通信终端中的第一台飞行器-卫星激光通信终端设备建立第一激光链路通信，第二时间段内，在所述建立第一激光链路通信同时，所述多颗卫星中另外至少两颗卫星的卫星-地面站激光通信终端设备分别与对应数量的所述地面站激光通信终端中的第二台飞行器-卫星激光通信终端设备建立激光链路通信。
该处需要说明的是，为了实现地面站和卫星的捕获通信，当所述地面站激光通信终端包括一台地面站-卫星激光通信终端设备时，所述一台地面站-卫星激光通信终端设备的仰角大于等于卫星对地张角；当所述地面站激光通信终端包括至少两台地面站-卫星激光通信终端设备时，所述至少两台地面站-卫星激光通信终端设备的仰角组合为卫星对地张角。
并且，需要说明的是，当所述地面站激光通信终端包括至少两台地面站-卫星激光通信终端设备时，该至少两台地面站-卫星激光通信终端设备的仰角可以相同，也可以不同，其仰角所覆盖的范围可以重叠，也可以不重叠。该至少两台地面站-卫星激光通信设备在地面站激光通信终端内按照预定的通信阵列排列，该预定的通信阵列可以是n×n的矩阵形状排列，n为自然数，也可以是沿圆形排列、方形或菱形排列，或者其他形状的排列，该多个星地激光通信终端之间的间隔距离可以是相同也可以不同，可以按照一定规律排列，也可以无序排列。
进一步的，所述地面站激光通信终端接收到卫星下发的飞行器数据之后，需要将海量的数据进行分析，才能有使用价值，故所述地面站激光通信终端还包括数据通信接口，通过所述数据接口与公共互联网网络连接，包括飞行器服务平台中心服务器，便于将所述飞行器数据发送至飞行器服务平台中心服务器，进而实现数据的分析和利用。
本发明实施例可以实现在卫星、飞行器之间采用激光通信链路进行通信，代替了常规通过微波实现卫星与飞机之间的通信，规避了无线电频谱管制的难题。另外，由于激光通信具有传输速率快(超过1Gbps)、带宽大，信息容量大，利于解决飞行器，特别是民航客机大量数据传输的要求。
尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种地面站通信系统，其特征在于，包括：
至少一个与卫星进行通信的地面站激光通信终端，
所述地面站激光通信终端包括至少一个地面站-卫星激光通信终端设备，基于所述地面站-卫星激光通信终端设备通过激光链路与卫星进行通信；
所述地面站激光通信终端还包括数据通信接口，通过所述数据接口与公共互联网网络连接。
2.如权利要求1所述的地面站通信系统，其特征在于：所述地面站激光通信终端为一个，并且所述地面站激光通信终端包括一台地面站-卫星激光通信终端设备，某一时间段内，多颗卫星中的一颗卫星的卫星-地面站激光通信终端设备与所述地面站激光通信终端中的所述一台飞行器-卫星激光通信终端设备建立激光链路通信；
或者，
所述地面站激光通信终端为一个，并且所述地面站激光通信终端包括至少两台地面站-卫星激光通信终端设备，第一时间段内，多颗卫星中的第一颗卫星的卫星-地面站激光通信终端设备与所述地面站激光通信终端中的第一台飞行器-卫星激光通信终端设备建立第一激光链路通信，第二时间段内，在所述第一激光链路通信的同时，所述多颗卫星中的第二颗卫星的卫星-地面站激光通信终端设备与所述地面站激光通信终端中的第二台飞行器-卫星激光通信终端设备建立激光链路通信。
3.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，
所述地面站激光通信终端为至少两个，并且每个所述地面站激光通信终端均包括一台地面站-卫星激光通信终端设备，某一时间段内，多颗卫星中与所述地面站激光通信终端数量相同的卫星的卫星-地面站激光通信终端设备分别与对应数量的所述地面站激光通信终端中的所述一台飞行器-卫星激光通信终端设备建立激光链路通信；
或者，
所述地面站激光通信终端为至少两个，并且每个所述地面站激光通信终端均包括至少两台地面站-卫星激光通信终端设备，第一时间段内，多颗卫星中与所述地面站激光通信终端数量相同的卫星的卫星-地面站激光通信终端设备分别与对应数量的所述地面站激光通信终端中的第一台飞行器-卫星激光通信终端设备建立第一激光链路通信，第二时间段内，在所述第一激光链路通信的同时，所述多颗卫星中另外与所述地面站激光通信终端数量相同的卫星-地面站激光通信终端设备分别与对应数量的所述地面站激光通信终端中的第二台飞行器-卫星激光通信终端设备建立激光链路通信。
4.根据权利要求2或3所述的通信系统，其特征在于，
当所述地面站激光通信终端包括一台地面站-卫星激光通信终端设备时，所述一台地面站-卫星激光通信终端设备的仰角大于等于卫星对地张角；
当所述地面站激光通信终端包括至少两台地面站-卫星激光通信终端设备时，所述至少两台地面站-卫星激光通信终端设备的仰角组合为卫星对地张角。
5.如权利要求1所述的地面站通信系统，其特征在于：当所述地面站激光通信终端包括至少两台地面站-卫星激光通信终端设备时，所述至少两台地面站-卫星激光通信终端设备在地面站激光通信终端内等间隔或不等间隔分布。
6.如权利要求1所述的地面站通信系统，其特征在于：当所述地面站激光通信终端包括至少两台地面站-卫星激光通信终端设备时，所述至少两台地面站-卫星激光通信终端设备的仰角大小相同或者不同。
7.如权利要求1所述的地面站通信系统，其特征在于：当所述地面站激光通信终端包括至少两台地面站-卫星激光通信终端设备时，所述至少两台地面站-卫星激光通信终端设备的仰角范围重叠或者不重叠。
8.如权利要求1所述的地面站通信系统，其特征在于：当所述地面站激光通信终端包括至少两台地面站-卫星激光通信终端设备时，所述至少两台地面站-卫星激光通信终端设备在其所在的卫星内按照预定的通信阵列排列。
9.如权利要求8所述的地面站通信系统，其特征在于：所述预定的通信阵列为n×n的矩阵形状排列，n为大于2的自然数；
或者，所述预定的通信阵列为圆形阵列、方形阵列或菱形阵列。
10.如权利要求1所述的地面站通信系统，其特征在于：当所述地面站激光通信终端包括至少两台地面站-卫星激光通信终端设备时，所述至少两台地面站-卫星激光通信终端设备在地面站激光通信终端内任意排列。
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