CN108390715A - 一种激光通信卫星的终端布局结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光通信卫星的终端布局结构，涉及激光通信技术领域，主要目的在于实现较低成本下同一时刻一颗卫星为多个激光通信终端提供服务。主要技术方案的一种激光通信卫星的终端布局结构，包括多个间隔设置的激光通信终端，所述激光通信终端能够绕轴向扫描一定范围，并且多个激光通信终端安装于卫星上，所述多个激光通信终端按照预定的通信阵列排列在安装面上，所述安装面为一球形凸面或者球形凹面，所述安装面具有一球心，所述多个激光通信终端中相邻的终端之间相对于球心的间隔角度相同。本发明主要用于飞行器的激光通信。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光通信技术领域，特别是涉及一种激光通信卫星的星载系统。
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，空间激光通信具有明显优势，例如高数据传输速率，大容量，和高保密性。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，无法实现一颗卫星同时为多个激光通信终端服务，要实现同一时刻为多个激光通信终端服务，目前只能通过发射多颗卫星的方式实现，该种方式成本太高，使得实现的可能性较小。
发明内容
本发明提供一种激光通信卫星的星载系统中的激光通信终端的布局结构，主要目的在于实现较低成本下同一时刻一颗卫星为多个激光通信终端提供服务。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种激光通信卫星的终端布局结构，
包括多个间隔设置的激光通信终端，所述激光通信终端能够绕轴向扫描一定范围，并且多个激光通信终端安装于卫星上，其特征在于：
所述多个激光通信终端按照预定的通信阵列排列在安装面上，所述安装面为一球形凸面或者球形凹面，所述安装面具有一球心，所述多个激光通信终端中相邻的终端之间相对于球心的间隔角度相同。
进一步的，为了便于安装和配置，所述激光通信终端的扫描范围的轴向为其安装位置处的径向。
进一步的，所述多个激光通信终端的扫描范围大小相同或者不同。
进一步的，作为本发明的一个可选实施例，相邻的激光通信终端之间的扫描范围相互重叠。
进一步的，所述多个激光通信终端的扫描范围为锥角B，相邻的激光通信终端之间的扫描范围重叠的角度为B/2。
进一步的，作为本发明的另一可选实施例，相邻的激光通信终端之间的扫描范围相互拼接。
进一步的，为了减轻激光通信终端的重量，所述多个激光通信终端的扫描范围的大小为锥角B，所述多个激光通信终端所安装的卫星的对地张角为A，B<A。
进一步的，所述预定的通信阵列为矩阵排列。
进一步的，所述多个激光通信终端共同构成一扫描范围，该扫描范围覆盖多个激光通信终端所安装的卫星对地面的张角。
进一步的，所述安装面位于卫星对地的一侧，并且所述多个激光通信终端能够与卫星下方的飞行器以及地面进行双向激光通信。
与现有技术相比，本发明用于激光通信卫星的激光通信终端的布局结构，可以实现在卫星、飞行器以及地面站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。而且该星载系统设置了多个星地激光通信终端，所述多个星地激光通信终端共同形成的扫描范围覆盖其所在卫星的对地张角，该多个星地激光通信终端可同时与对应数量的与地面站、飞行器进行双向激光通信的星地激光通信终端，使得一颗卫星同一时刻能够为多个激光通信终端进行服务，大大降低了激光通信终端的服务成本。
附图说明
图1为本发明实施例的激光通信系统卫星的星载系统的示意图；。
图2为本发明实施例的卫星对地张角的示意图；
图3为本发明实施例的多个星地激光通信终端预定的通信阵列排列示意图；
图4为本发明实施例的另一种多个星地激光通信终端排列示意图；
图5为图4的多个星地激光通信终端排列另一角度的示意图；
图6为本发明实施例的另一种多个星地激光通信终端排列示意图。
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，激光通信卫星的星载系统包括电控箱10和激光通信终端20。电控箱10用于给激光通信终端供电、提供测控指令及信息流。激光通信终端20该激光通信终端包括两种，一种为星间激光通信终端201，另一种为星地激光通信终端202。
其中，所述星间激光通信终端201至少两个，用于与其他卫星上的星间激光通信终端进行通信，以便实现卫星间的激光通信。例如，可以将位于同一轨道面上的卫星通过星间激光通信终端依次连接形成一个卫星通信网络，或者也可以是不同轨道面上的卫星通过星间激光通信终端相互连接形成一网状的卫星通信网络。
星地激光通信终端202为多个，用于同时与卫星覆盖范围内的对应数量的飞行器、地面站系统上的激光通信终端进行通信。每个所述星地激光通信终端的扫描范围小于卫星的对地张角，所述多个星地激光通信终端共同形成的扫描范围覆盖其所在卫星的对地张角。
因此，基于上述描述，上述同一个轨道面上的卫星通过星间激光通信终端依次连接形成一个卫星通信网络后，只要其中一个卫星上的星地激光通信终端与地面站系统上的激光通信终端相互通信，即可实现整个轨道面上的卫星与地面站的双向通信。并且该轨道面上的所有卫星都可以通过星地激光通信终端与飞行器内的激光通信终端进行通信，用于给安装有飞行器的飞行器提供网络服务，以及用于将飞行器的自身大量数据通过网络下传到地面站。
本发明实施例中，用于激光通信卫星的星载系统，可以实现在卫星、飞行器以及地面站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。而且该星载系统设置了多个星地激光通信终端，所述多个星地激光通信终端共同形成的扫描范围覆盖其所在卫星的对地张角，该多个星地激光通信终端可同时与对应数量的与地面站、飞行器进行双向激光通信的星地激光通信终端，使得一颗卫星同一时刻能够为多个激光通信终端进行服务，大大降低了激光通信终端的服务成本。
地球外的卫星轨道内的卫星个数为m个，该m个卫星围成围绕地球的一圈，并且覆盖该地球这一圈的范围。如图2所示，该地球外的卫星轨道面所在的半径为r，并且卫星距离地球的距离为h，h可以为1000km-5000km，卫星的个数为m个，每个卫星对地张角大小为锥角A，该卫星对地张角即为以卫星与地球中心为轴心的一个对称的锥角。为了使每个轨道面上设置的卫星个数最小，即每个卫星的对地张角最大，卫星对地张角的最外侧与地球表面相切，即该A＝2arccos(r/r+h)。例如当该卫星的轨道距离地球的距离为1000km，则该卫星的对地面站的张角大小为锥角120度。
由于每一个卫星上星地激光通信终端都具有多个，星地激光通信终端能够扫描的范围越大，意味着该星地激光通信终端的扫描角度越大，则实现角度扫描的支架的体积和重量也都越大。由于卫星发射的成本随着卫星重量的增加成指数级增加，故每个星地通信终端的重量的增加，也就造成了卫星发射成本的增加。因此，可以是多个星地激光通信终端能够扫描的范围都小于卫星的对地张角，然后相邻的星地激光通信终端的扫描范围能够相互拼接形成一个整体的扫描范围，该扫描范围需要大于等于该卫星的对地张角，即包含该卫星的对地张角。而为了能够在卫星的对地张角内同时能够通信多个激光通信终端，则一定的覆盖范围内设置有多个激光通信终端进行扫描即可。
因此，为了减低成本并且同时保证卫星通信服务的载有激光通信终端的飞行器等移动用户的个数，本发明实施例提供了一种多个星地激光通信终端的排列方式，如图3所示，所述多个星地激光通信终端呈预定的通信阵列排列，并且相邻的星地激光通信终端的之间扫描范围相互重叠。其中，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，并且该多个星地激光通信终端设置于安装面上，该安装面为一平面。并且每个星地激光通信终端之间间隔设置，每个星地激光通信终端的扫描范围大小为锥角B，该锥角B即为以该卫星与地球中心的连线为轴的一个锥角，B<A，并且相邻星地激光通信终端的扫描范围相互重叠，所述多个星地激光通信终端之间重叠的扫描范围大小相同或者不同，具体的本发明实施例对此不进行限制。并且本领域技术人员也可以了解到，该预定的通信阵列，也可以是其他排列方式，多个星地激光通信终端之间的间隔可以相同也可以不同，可以是呈菱形、圆形、方形或者其他阵列排列。
例如，如图3所示，相邻等间距之间的每个星地激光通信终端之间重叠B/2角度，例如图中位于每一中间的星地激光通信终端，其周围有四个等间距的其他星地激光通信终端的扫描范围与其扫描范围重叠一半，而另外四个较远的激光通信终端与中间的星地激光通信终端之间的扫描范围有所重叠，但是并不一定是重叠1/2。即在每B个角度的范围内，共有9个星地激光通信终端可以覆盖到该范围，即在B角度内，该卫星可以同时用于服务9个终端。如星地激光通信终端的阵列为n×n，n为自然数7，则该卫星上所有的星地激光通信终端所共同覆盖的范围的角度应该是B×(1+n)/2，该角度应当等于A，或者大于A。当然在所有星地激光通信终端所共同覆盖的范围与该卫星的对地面站的张角相同时，才形成资源的最佳合理利用。
当然本领域技术人员通过上述原理也可以了解到，也可以设置相邻的星地激光通信终端之间的扫描范围重叠的大小不一定为一半，即重叠的范围的角度不一定等于B/2，这样即在每B角度的范围内，卫星能够同时通信的激光通信终端个数的变多或者变小。或者相邻的星地激光头通信终端之间的重叠范围可以都相同，也可以部分相同，也可以完全不同，只要该所有星地激光通信终端能够扫描的角度总和为该卫星所覆盖的对地锥角即可。
作为本发明的一个实施例，如图3所示，卫星所覆盖的预定范围的锥角为120度，该卫星上的星地激光通信终端矩阵为7×7，而每个星地激光通信终端能够扫描的范围锥角为30度，并且重叠范围的角度为15度，因此，该多个星地激光通信终端所能扫描的整体范围为120度。因此，在每个30度的范围内，共有9个星地激光通信终端可以扫描到该范围，即在该卫星覆盖范围内的30度角度的范围内，该卫星可以同时与9个载有激光通信终端的飞行器等移动用户进行激光通信。并且本领域技术人员从上述的原理中也可以理解，该每个星地激光通信终端的扫描角度也可以大于30度，或者小于30度。
例如，卫星所覆盖的预定范围的锥角为120度，每个星地激光通信终端的扫描角度为40度，并且相邻激光通信终端的扫描范围的重叠为20度，则只需要布置5×5个星地激光通信终端即可实现卫星的预定范围120度的扫描。而在40度大小的范围内，可以实现9个激光通信终端的同时通信。
为了使星地激光通信终端矩阵形成一整体的扫描角度，如图4、5所示，为该星地激光通信终端的另一预定通信阵列排列方式，该星地激光通信终端矩阵设于一安装面3上，该安装面3为一球形凸面，该球形凸面具有一球心，相邻的星地激光通信终端之间相对于球心的间隔的角度相同。并且每个星地激光通信终端的扫描角度的轴向为其在安装面上的安装位置处的径向，这样保证相邻的星地激光通信终端之间扫描的范围也有重叠并且重叠的范围相同。本领域技术人员也可以了解到，该安装面也可以为以球形凹面。
并且，本领域技术人员也可以了解到，相邻的星地激光通信终端之间的扫描范围也可以不重叠，只要在同一范围内有多个星地激光通信终端对准进行扫描也可以实现在该范围内的多个终端同时通信，星地激光通信终端的扫描范围的锥角B<A，只要该星地激光通信终端的扫描范围共同拼接形成该卫星的预定扫描范围即可。该多个星地激光通信终端的扫描范围可以相同也可以不同。
这样的设置，使得卫星能够在其覆盖的范围内提供最多并且最有效的激光通信服务，而且卫星上设置的星地激光通信终端也不会过多进而造成卫星重量的增加和发射成本的增加，能够有效控制成本和提高服务效率和要求。
为了减低成本并且同时保证卫星通信服务的载有激光通信终端的飞行器等移动用户的个数，本发明实施例提供了一种多个星地激光通信终端的排列方式，如图6所示，所述多个星地激光通信终端呈预定的通信阵列排列，并且相邻的星地激光通信终端的扫描范围相互拼接。预定数量的星地激光通信终端相互拼接的扫描范围覆盖其所在卫星的对地张角。关于相互拼接的描述，可以参考重叠实施例的描述，不同的是每个星地激光通信终端之间的布置间隔变大，使得相邻的两个星地激光通信终端的扫描角度不重叠。具体的，本发明实施例此处将不再赘述。
另外，相互拼接的所述多个星地激光通信终端也可以设置在设于卫星的球形凸面上，所述安装面上相邻的星地激光通信终端之间间隔的角度相同，并且每个星地激光通信终端的扫描范围的锥角的轴向为其在安装面上的安装位置处的径向。
本发明实施例可以实现在卫星、飞行器以及地面站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。而且该星载系统设置了多个星地激光通信终端，所述多个星地激光通信终端共同形成的扫描范围覆盖其所在卫星的对地张角，该多个星地激光通信终端可同时与对应数量的与地面站、飞行器进行双向激光通信的星地激光通信终端，使得一颗卫星同一时刻能够为多个激光通信终端进行服务，大大降低了激光通信终端的服务成本。
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)
1.一种激光通信卫星的终端布局结构，
包括多个间隔设置的激光通信终端，所述激光通信终端能够绕轴向扫描一定范围，并且多个激光通信终端安装于卫星上，其特征在于：
所述多个激光通信终端按照预定的通信阵列排列在安装面上，所述安装面为球形凸面或者球形凹面，所述安装面具有一球心，所述多个激光通信终端中相邻的终端之间相对于球心的间隔角度相同。
2.如权利要求1所述的激光通信卫星的终端布局结构，其特征在于：所述激光通信终端的扫描范围的轴向为其安装位置处的径向。
3.如权利要求2所述的激光通信卫星的终端布局结构，其特征在于：所述多个激光通信终端的扫描范围大小相同或者不同。
4.如权利要求3所述的激光通信卫星的终端布局结构，其特征在于：相邻的激光通信终端之间的扫描范围相互重叠。
5.如权利要求4所述的激光通信卫星的终端布局结构，其特征在于：所述多个激光通信终端的扫描范围为锥角B，相邻的激光通信终端之间的扫描范围重叠的角度为B/2。
6.如权利要求3所述的激光通信卫星的终端布局结构，其特征在于：相邻的激光通信终端之间的扫描范围相互拼接。
7.如权利要求1-6中任一项所述的激光通信卫星的终端布局结构，其特征在于：所述多个激光通信终端的扫描范围的大小为锥角B，所述多个激光通信终端所安装的卫星的对地张角为A，B<A。
8.如权利要求1-6中任一项所述的激光通信卫星的终端布局结构，其特征在于：所述预定的通信阵列为矩阵排列。
9.如权利要求1-6中任一项所述的激光通信卫星的终端布局结构，其特征在于：所述多个激光通信终端共同构成一扫描范围，该扫描范围覆盖多个激光通信终端所安装的卫星对地面的张角。
10.如权利要求1-6中任一项所述的激光通信卫星的终端布局结构，其特征在于：所述安装面位于卫星对地的一侧，并且所述多个激光通信终端能够与卫星下方的飞行器以及地面进行双向激光通信。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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