CN109560862A - 一种基于编队卫星的星间通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于编队卫星的星间通信系统及方法，该系统包括专用于全向信号收发的通信天线组阵，专用于多通道搜索/捕获/跟踪的星间链路终端，专用于星间数据收发、筛选工作的处理器，射频通道，星间链路管理单元和星间基带。星间基带、射频通道、星间天线组成的星间链路实现星间数据的异源同步收发，每颗卫星的星间链路同时对它星的两路异源信号进行捕获、跟踪及选择，自主地根据当前星间距离、星间通信是否正常进行速率调整，星间链路的工作模式配置和控制由星间链路管理单元统一进行同步管理。

Description

一种基于编队卫星的星间通信系统及方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于编队卫星的星间通信系统及方法。

背景技术

目前卫星测控主要采用单站单星测控方法。即每颗卫星经过地面测控站上空时根据星上计算机指令直接与地面测控站单独建立星地测控链路。上述单主占单星测控特点是每个地面测控站同时仅服务于一颗卫星，多个卫星分时与全球多个测控站之间实现数据传输。

随着卫星网络的发展，卫星的小型化成为趋势，重量小于100kg的微纳卫星以低成本、灵活性在科学探测、遥感成像等领域占据了主流地位。例如，采用三轴稳定微纳卫星与自旋稳定微纳卫星混合编队的进行多点探测是空间探测的一个重要发展方向，即利用多个体积、重量、功率较小的三轴稳定卫星/自旋稳定卫星以几公里到几十公里的方式编队完成分散点的数据采集，利用自旋稳定卫星的旋转特性完成圆周各点的数据采集，并将采集的数据作为载荷遥测信息与平台遥测信息一同传输到地面。

随着先进的微电子、数据处理与存储、遥感和智能计算等技术的发展，现代小卫星有了飞跃式的发展。现代小卫星不仅具有体积小、重量轻、技术含量高和研制周期短等一系列优点，还具有可以采用标准化星体及模块化设计技术，能够在流水线上批量生产并储存、便于机动发射等优点，且可以用分布式的星座，或者引入人工智能等新技术成果，用智能星群完成复杂的任务，甚至完成大卫星不能完成的任务。现代小卫星广泛应用于商业通信、航天遥感、空间科研、行星探测、国防军事等领域。

近年来，新一代空间无线通信任务对卫星编队系统的吞吐量、实时性和鲁棒性提出了更高的要求。基于Walkerδ星座设计理论的卫星系统是目前应用最广的全球覆盖卫星系统，并应用于美国Globalstar、俄罗斯GLONASS、欧洲Galileo等卫星导航系统设计。虽然此类系统凭借良好的普适性和商用价值仍是目前卫星系统商品化的主流，但在区域(尤其是中高纬度地区)覆盖性能及具有单颗虚拟大卫星功能的卫星网络构建方面，却存在着很大的局限性。首先，分散的卫星分布无法最优化区域覆盖特性，同时也限制了星间链路(ISL)的配置及优化；其次，Walker星座本身对卫星失效较为敏感，系统的抗毁性难以保证；第三，在目前己投入使用的卫星系统中，ISL还未得到充分地应用，无法从网络级别对系统进行设计。因此，需要提供具有ISL及紧凑拓扑结构的无线通信卫星编队系统。

Flower卫星星座理论自2003年提出以来，在全球导航系统的优化及区域导航卫星星座设计方面备受关注。其优势特性在于：星座中所有卫星均具有周期重复的共地面轨迹，采用小偏心率的椭圆轨道，结合灵活的轨道倾角设定可以在远地点附近的低速驻留区内实现大容量的星地数据传输，区域覆盖性能优于传统的Walker星座。国内学者对Flower星座的应用可行性也进行了一系列相关研究。《宇航学报》2007年第3期中的文章"Flower卫星星座设计方法研究"设计了一个能够不依赖地面测控站为GEO卫星提供导航运位服务的Flower卫星星座系统，该系统包含两个Flower星座，且卫星在星座中均匀分布，通过仿真验证了其对中高轨道宇航飞行器提供导航运维服务的可行性。但是这种由多个Flower星座构成的系统由于卫星空间分布均匀且不紧凑，不适合用于地面区域覆盖，且设计中也没有考虑ISL的构建，因此该系统不具备良好的稳定性和星间组网功能。

MIMO技术，最早是由Marconi于1908年提出的，旨在利用多天线来抑制信道衰落。直到上个世纪九十年代中期，美国的AT&T Bell实验室发表了一系列文章，提出了以引入空域处理技术的多进多出(MIMO:Multiple Input Multiple Output)技术为代表的多天线通信系统，并就其编码技术方案以及信号处理技术进行了全面的阐述，引起了各国学者的极大关注，对MIMO技术的研究产生了巨大的推动作用。多入多出(MIMO)是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破，该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，是新一代移动通信系统必须采用的关键技术。

卫星编队指具有特殊几何构型，且卫星间的相对位置要求保持在一定精度范围内的卫星系统。现实中多采用小卫星编队飞行，小卫星之间相互合作，共同执行空间任务。把过去由单颗卫星完成的任务分散给编队中的每颗卫星，构成一颗"虚拟卫星"完成单颗大卫星的任务，大大提高了卫星系统的抗干扰和抗摧毁能力。卫星编队飞行技术具有高度的灵活性，可以根据需要改变其系统的构型及指向，灵活改善或增减系统功能。它们协同工作，共同承担信号处理、通信和有效载荷等任务，可以实现单一大卫星无法完成的科学和技术使命，将开辟许多新的空间应用领域。更为重要的是，编队飞行技术具有低风险、高生存能力的特性。与大卫星相比，卫星编队中即使单个卫星失效，其损失也较小，构成虚拟平台的卫星数量在一定范围内可增减。

卫星编队的应用，将产生大量的数据需要快速传输至地面。考虑到卫星编队的空间特性，多颗卫星可以组成一个空间天线阵列进行信息传输，如果能在星地之间建立MIMO通信系统，能大大提高星地通信系统的传输能力。

另一方面，目前关于卫星编队星地MIMO的研究多侧重于MIMO分集方面，对MIMO空分复用研究较少。非专利文献(R.T.Schwarz et al.Optimum-Capacity MIMO SatelliteLink for Fixed and Mobile Services.Proc.WSA2008,pp.209-216)提出在同步轨道卫星编队于地面站之间构建MIMO通信系统得到复用增益，并在理论上推导了同步轨道下星地MIMO系统的地面阵最优参数选择。

在低轨卫星与地面天线阵建立MIMO系统的难度较大，因为低轨卫星与地面站之间相对移动速度较快，很难满足长时间的、稳定的通信链路，星地通信链路处于视距状态，不同收发天线对的链路之间相关性较大，难以充分使用卫星编队的空域信息来进行空分复用从而使传输速率成倍提升。同时还需综合考虑卫星对地面的同时覆盖和卫星编队间同步传输等问题。

低轨卫星运行特点是境内测控弧段受限，境外运行时间长，以某太阳同步轨道卫星为例，卫星轨道周期约为96分钟，每天绕地球运行约14圈，境内地面测控站一般跟踪卫星4圈，每圈跟踪卫星时间约10分钟，境外通常是通过中继卫星系统控制卫星状态。

低轨卫星运行中地面测控站、中继卫星的指令数据同时进入遥控数据处理设备，多通道的遥控信号如何选择是卫星测控系统设计需要重点考虑的因素。

为了满足用于多星集群编队的星间多路由通信需要，针对队列式通信、多星通信的需求，开展了与之相关的星间通信链路多路由通信技术设计。国内外可供参考的星间通信链路设计方案较多，但这些星间链路适用于少量卫星星间通信或其多星间星间链路指向不变，或只能对视场可见星进行通信，或多星星间转发时延较大，又或者多星间星间链路间隙工作，均不满足当前多星队列式通信需要。且这些星间链路都是基于跟飞、伴飞编队的定向、间歇、单工通信链路，无法满足绕飞编队下，全向、全时、双工的星间通信需要。而传统的测控方案，由于其为准全向特性，即天线阵干涉区的存在会导致绕飞期间出现频繁的通信中断，影响星间链路的稳定性、连续性，因此，也不适用于绕飞编队里间通信。为解决上述问题，要求设计出具有以下特点的星间链路的卫星通信系统，这些星间链路具备多星接入、队列式多路由通信且同时具备全向、全时、双工的技术特点。

传统星间链路设计中，同一轨道面内前后飞行的两颗卫星的星间链路系统分别配备一套星间发射设备和一套星间接收设备。当两星距离较近时，球面轨道在两星之间近似为直线，近距离星间通信时，两星之间视场不受影响。但随着两颗星之间星间通信距离增大，通信链路信号逐渐减弱甚至不能正常接收调解信号，通信两路视场受到球面轨道的影响导致星间通信链路视场变窄甚至中断，即星间发射天线波束不能覆盖星间接收天线波束。因此星间通信距离的增大，不仅影响了星间链路通信信号强弱，还影响了两星之间星间发射、接收天线的通信共视视场。传统的星间链路系统设计不能满足远距离星间通信的需求。

公开号为CN102201854A的中国专利公开了一种卫星编队组网的网络链路建立方法，所述卫星编队组网包括第一卫星和至少一个第二卫星，所述方法包括：检测所述第一卫星和至少一个第二卫星是否处于正常运行状态；若判断的结果为是，则第一卫星以及第一预设条件与地面测控系统之间建立星地测控链路，或者依据第二预设条件将处于正常运行状态的至少一个第二卫星与第一卫星之间建立星间链路；所述至少一个第二卫星与第一卫星之间通过星间链路双向传输各自相对应的测控信息，以及所述第一卫星与地面测控系统之间双向传输各自相对应的测控信息。然而，该方法仅适用于通信卫星间一对一的链路建立，未考虑一对多或多对多的星间链路建立问题。

公开号为CN104537202A的中国专利公开了一种基于卫星编队协作的空间天线阵列合成方法，利用相对运动Hill方程建立了通过编队GEO卫星进行信号协作接收的模型，以双星绕飞圆编队为基础，进行了轨道设计，并给出了两条链路的时延差及频率差的表达式，并对其进行了补偿。在此基础上，对SIMPLE相关算法进行了研究，加入了残留时差及频差这两个影响因子，分析其对相位估计性能和信号合成性能的影响，并为补偿数据长度的选取提供了参考。但是，该方法无法解决多星星间转发时延较大或多星星间链路间隙工作的问题，不能满足当前多星队列式通信需要。

公开号为CN105138010A的中国专利公开了一种编队卫星分布式有限时间跟踪控制方法，通过以下步骤进行：建立双星相对运动动力学模型，建立编队卫星相对参考点的相对运动动力学模型，设计分布式有限时间跟踪控制率。但是，该方法应用于多星星间转发时延较大，不能满足当前多星队列式通信需要。

公开号为CN105207703A的中国专利公开了一种低轨卫星编队星地MIMO的通信阵列参数优化方法，考虑星地链路为视距链路，通过调整地面阵参数来满足卫星编队视距星地MIMO系统子信道正交，能使系统信道容量维持在最优状态，避免了因为低轨卫星编队运动使收发天线位置关系变化使子信道相关性增大，导致信道容量急剧下降的情况。然而，该方法中星间链路的稳定性和连续性较差。

公开号为CN107328421A的中国专利公开了一种基于阵列天线的微小卫星编队自主相对导航方法，包括以下步骤：在主航天器上安装作为接收端的阵列天线，并在从各航天器上安装作为发射端的单个天线，然后建立主航天器的轨道坐标系及本体坐标系，并构建各从航天器的发射信号；构建扩展卡尔曼滤波器的系统方程；确定各从航天器与主航天器之间通信链路直达径波达角及相对距离；构造扩展卡尔曼滤波器的测量方程；扩展卡尔曼滤波器的系统方程及扩展卡尔曼滤波器的测量方程对各从航天器的相对位置及相对速度进行滤波，然后根据滤波后各从航天器的相对位置及相对速度进行导航。但是，该方法中的星间链路不具备多星接入、队列式多路由通信，也不具备全向、全时、双工的技术特点。

综上所述，需要设计出星间链路具备多星接入、队列式多路由通信且同时具备全向、全时、双工的技术特点的且能够满足远距离星间通信的需求的基于编队卫星的星间通信系统。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供一种基于编队卫星的星间通信系统，该系统包括专用于全向信号收发的通信天线组阵，专用于多通道搜索/捕获/跟踪的星间链路终端，专用于星间数据收发、筛选工作的处理器，射频通道，星间链路管理单元和星间基带，其中，所述通信天线组阵中的天线采用反向布局，两幅相反指向的天线方向图组成全向覆盖的天线阵方向图，所述星间链路管理单元控制至少两路星间基带对一组星间射频通道的数据进行收发处理，所述星间链路管理单元采用多通道并行捕获技术同时对空域中的同一集群卫星信号进行搜索，通过队列式多路由通信技术，直接或间接地对集群中所有卫星的星间信息进行交换，采用转发时延动态优化技术，处理器根据当前数据的优先级确定发送时机，将重要数据的转发时延降到最低，采用多路信息优选技术，处理器根据时标特性对多通道输出的数据进行筛选，所述两路星间基带、射频通道、通信天线组阵组成的星间链路实现星间数据的异源同步收发，每颗卫星的星间链路同时对它星的至少两路异源信号进行捕获、跟踪及选择，自主地根据当前星间距离、星间通信情况进行速率调整，星间链路的工作模式配置和控制由星间链路管理单元统一进行同步管理。

根据一种优选实施方式，在远距离星间通信的情况下，将与卫星+X轴和-X轴平行的星间发射、接收天线按照预先计算的指向调整角度调整星间发射、接收天线的方位，从而使星间发射天线、接收天线波束电轴法向分别相对于卫星的+X轴和-X轴方向偏置固定角度，重新构建星间通信链路，使星间通信视场恢复；星间发射天线、接收天线采用具有波束窄、增益高的天线以补偿远距离通信时信号能量的衰减；采用卷积编码作为信道编码方式，在星间发射设备上对信息进行卷积编码，在星间接收设备上对信息进行维特比译码，降低接收设备的解调门限和接收解调误码率，提高信道的链路余量。

根据一种优选实施方式，各个通道各自对集群中的其它卫星发出的星间信号进行并行搜获，当某个通道对应的对方卫星星间天线视场可见时，其信噪升高到足以保证完成捕获，捕获后该通道即转入连续跟踪模式，所述队列式多路由通信技术的通信协议设计为：星间信息采用分帧分块的方式占用星间物理信道，每秒一帧、每帧数据分为三块，其中，首块用于发送本星坐标数据，次块用于发送主星坐标数据，第三块用于发送集群平台数据，第三块内部采用分页传输方式，通过该信息帧的广播和交换，集群中的任意卫星能够直接或间接获取其他卫星的信息。

根据一种优选实施方式，组成编队的低轨道微小卫星在轨道周期的初始时刻构成带有几何中心点的圆形拓扑结构，位于几何中心点的卫星为编队的中心卫星，其他卫星在圆周上均匀分布，轨道周期初始时刻设为中心卫星经过赤道平面的时刻；配置的星间链路采用均匀分布原则，避免链路重叠造成编队内部通信干扰，将各圆周卫星沿拓扑边界两两相连构成闭合环形；中心卫星对地为正视状态，圆周上各卫星对地为侧视状态且沿着空间拓扑半径向外发散。

根据一种优选实施方式，该系统还包括测控前端设备和遥控终端，所述测控前端设备包括两个S扩频应答机和中继S频段设备，所述遥控终端包括两个遥控机，所述两个S扩频应答机通讯连接至地面测控站，所述中继S频段设备通讯连接至中继卫星，所述遥控终端的两个遥控机连接至所述两个S扩频应答机和中继S频段设备，所述遥控终端接收用户指令，根据指令计算优先连接所述两个S扩频应答机之一或中继S频段设备。

根据一种优选实施方式，所述中继S频段设备通过Ks/S反射面天线与中继卫星进行通信，所述两个S扩频应答机同频异码，对外接口相同，所述两个扩频应答机通过测控中心连接至地面测控站。

根据一种优选实施方式，该系统采用升余弦滤波器、BPSK调制方式和令牌多址方式，采用变码速率传输数据，在近距离时采用较高码速率，来完成传输图像或联合执行任务等需要大量交换信息的任务，在远距离时采用较低码速率，交换简单的星间参数；在正式传送数据前，先用最低的码速率传输，交换卫星间的距离，从而选定星间传输数据的速率，码速率确定后设置发送滤波器和匹配滤波器的采样频率，以及匹配滤波器的比例系数；在发送的信息中包含令牌和目标卫星地址，只有目标卫星才接收信息，其他卫星监听，只有拥有令牌的星才能够发送信息，发送后将令牌交给下一颗卫星。

根据一种优选实施方式，卫星发射的星间信号为异源特性；采用星间数据多路复接与转发技术，不同的星间数据组成不同的虚拟信息帧后，轮流占用星间通信物理信道。

本发明还公开一种基于编队卫星的星间通信方法，其中，通信天线组阵中的天线采用反向布局，两幅相反指向的天线方向图组成全向覆盖的天线阵方向图，星间链路管理单元控制至少两路星间基带对一组星间射频通道的数据进行收发处理，所述星间链路管理单元采用多通道并行捕获技术同时对空域中的同一集群卫星信号进行搜索，通过队列式多路由通信技术，直接或间接地对集群中所有卫星的星间信息进行交换，采用转发时延动态优化技术，处理器根据当前数据的优先级确定发送时机，将重要数据的转发时延降到最低，采用多路信息优选技术，处理器根据时标特性对多通道输出的数据进行筛选，两路星间基带、射频通道、通信天线组阵组成的星间链路实现星间数据的异源同步收发，每颗卫星的星间链路同时对它星的至少两路异源信号进行捕获、跟踪及选择，自主地根据当前星间距离、星间通信情况进行速率调整，星间链路的工作模式配置和控制由星间链路管理单元统一进行同步管理。

根据一种优选实施方式，在远距离星间通信的情况下，将与卫星+X轴和-X轴平行的星间发射、接收天线按照预先计算的指向调整角度调整星间发射、接收天线的方位，从而使星间发射天线、接收天线波束电轴法向分别相对于卫星的+X轴和-X轴方向偏置固定角度，重新构建星间通信链路，使星间通信视场恢复；星间发射天线、接收天线采用具有波束窄、增益高的天线以补偿远距离通信时信号能量的衰减；采用卷积编码作为信道编码方式，在星间发射设备上对信息进行卷积编码，在星间接收设备上对信息进行维特比译码，降低接收设备的解调门限和接收解调误码率，提高信道的链路余量。

本发明的有益技术效果包括以下一项或多项：

1)采用了多通道并行捕获技术，可以确保在多星接入集群编队时，每颗卫星均可以同时对集群中所有可见卫星同时进行捕获和跟踪，采用队列式多路由通信技术，可使集群卫星在队列式工作模式下，避免因不可见而导致的信息交换中断，同时兼容可见星直接通信和不可见星间接通信，确保每颗星正常获取集群其它卫星的状态，采用转发时延动态优化技术，可针对卫星不同工作模式下，对不同星间通信数据的转发时延进行差异化动态调整，尽可能减小高优先级数据的转发时延，采用多路信息优选技术，可在多路由通信模式下，对经由不同路由到达的同一终端卫星的星间交换数据进行判断、选择，选择最新数据后更新本地星间数据池，确保数据的时效性和连续性，以供本星使用和向集群广播；

2)采用了全向星间通信天线组阵技术，确保编队卫星在绕飞任意时刻均互相可见、可通信，采用双通道异源收发技术，可有效消除组阵后的星间通信天线阵干涉区，并使星间链路具备双工通信能力，采用双通道捕获、跟踪、选择技术后，卫星可稳定、连续的获取星间通信数据，保证了编队运行安全和业务任务的全天候执行，采用星间通信速率自适应调整技术，可使编队里间距离异常变化或星间链路运行异常时，自主根据当前的状态，选择合适的星间通信速率，尽快恢复星间通信链路，采用星间链路一体化管理技术，可对星间链路的射频通道、基带处理通道自主进行实时、同步配置和管理，采用星间数据多路复接与转发技术，可最大化的利用星间物理信道传输不同类别的星间数据，并对星间通信数据的通信时效性进行合理优化，确保不同数据的转发时延，采用通用化设计方案，星间链路的天线、射频通道、基带通道及通信体制、通信协议等均采用通用化设计，确保在系列后续卫星上也可继承使用；

3)卫星编队拓扑结构具有良好的对称性和紧凑性，便于星间链路的灵活配置和优化，有利于各编队卫星协作实现虚拟大卫星功能，进而从网络层面上增强地面动态局域网通信在卫星编队中的适用性，且该编队系统可进一步扩展应用于多层轨道卫星网络的构建；

4)通过境外中继遥控与境内测控的互补，实现全天候全实时卫星状态控制，提高编队卫星运行的可靠性，通过变码速率星间通信方案，解决了编队卫星星间通信的功率和数据传输速率之间的矛盾；

5)远距离星间通信时，采用按照预先计算的指向调整角度调整星间发射、接收天线的安装方位，采用窄波束、高增益星间发射、接收天线以及采用卷积编码作为信道编码方式的设计，可以解决远距离星间链路通信时，两星之间的通信视场及链路余量问题。

附图说明

图1是本发明的星间通信系统的一种优选实施方式的系统组成示意图。

附图标记列表

1：第一对天天线 2：第二对天天线

3：第一对地天线 4：第二对地天线

5：第一对天射频通道 6：第二对天射频通道

7：第一对地射频通道 8：第二对地射频通道

9：第一基带处理 10：第二基带处理

11：第三基带处理 12：第四基带处理

13：星间链路管理单元 14：星间数据用户

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，为了便于理解，在可能的情况下，使用相同附图标记来表示各附图中共同的相似元件。

如在整篇本申请中所使用的那样，词语“可以”系容许含义(即，意味着有可能的)而不是强制性含义(即，意味着必须的)。类似地，词语“包括”意味着包括但不限于。

短语“至少一个”、“一个或多个”以及“和/或”系开放式表达，它们涵盖操作中的关联与分离两者。例如，表述“A、B和C中的至少一个”、“A、B或C中的至少一个”、“A、B和C中的一个或更多个”、“A、B或C”和“A、B和/或C”中的每个分别指单独A、单独B、单独C、A和B一起、A和C一起、B和C一起或A、B和C一起。

术语“一种”或“一个”实体指的是该实体中的一个或多个。这样，术语“一”(或“一”)、“一个或多个”以及“至少一个”在本文中可以交换地使用。还应该注意，术语“包括”、“包含”和“具有”可以交换地使用。

实施例1

本实施例公开了一种基于编队卫星的星间通信系统，包括全向星间通信天线组阵、射频通道、星间链路管理单元和星间基带。天线采用180°反向布局，每幅天线均为180°的视场。两幅相反指向的天线方向图组成全向覆盖的天线阵方向图。对天天线和对地天线交叉组成一组全向星间通信天线阵。第二对天天线和第一对地天线交叉组成另一组备份的全向星间通信天线阵。该冗余设计加强了该系统的可靠性。星间链路管理单元控制两路星间基带对一组星间射频通道的数据进行收发处理。所述两路星间基带、射频通道、通信天线组阵组成的星间链路实现星间数据的异源同步收发，有效避免了星间天线组阵后的干涉区效应，并实现了双工工作的功能。

优选的，如图1所示，该系统至少包括由第一对天天线1、第一对地天线3、第一对天射频通道5、第一对地射频通道7、第一基带处理9和第二基带处理10组成的第一收发子系统，由第二对天天线2、第二对地天线4、第二对天射频通道6、第二对地射频通道8、第二基带处理11和第二基带处理12组成的第二收发子系统。第一收发子系统和第二收发子系统分别与星间链路管理单元13连接并双向通信。第一收发子系统和第二收发子系统与星间数据用户14双向通信。

第三基带处理11对它星的第一基带处理9输出的信号进行捕获处理，第四基带处理12对它星的第二基带处理10输出的信号进行捕获处理。由于卫星为全向星间通信，因此，对地或对天必然有一路天线对准本星通信。无论它星用对地天线对本星通信或是对天天线对本星通信，采用双路捕获、跟踪、选择技术后，本星的第三和第四基带处理可保证至少输出一路来自它星的数据。

当星间传输距离变化时，空间衰减的变化对星间链路的建立、维持及稳定性有直接影响。采用星间速率自适应调整技术后，若星间距离较近，则星间链路管理单元13自主控制星间基带切换成高速通信模式。反之，或星间距离较远时，则星间链路管理单元自主控制星间基带切换成低速通信模式，确保满足不同距离下，不同业务的星间通信需要。

采用星间链路一体化管理技术后，星间链路管理单元13对两路基带的通信速率进行统一配置和控制，并在一路基带故障情况下，自主控制单路基带的对地、对天射频通道分时工作，保证了本星星间链路的全向性和信号异源性。

采用星间数据多路复接与转发技术后，不同的星间数据组成不同的虚拟信息帧后，轮流占用星间通信物理信号，在满足信息交换的同时，保证了各自数据的转发时延。

第一和第二对天天线、第一和第二对地天线、第一和第二对天射频通道、第一和第二对地射频通道、基带处理均采取了通用化设计，需要时，通过配置多路模块，即可让更多卫星接入星间通信链路。

优选的，该系统适用于集群编队的多路由星间通信链路，由专用于全向信号收发的通信天线、专用于多通道搜索/捕获/跟踪的星间链路终端、专用于星间数据收发、筛选等预处理工作的处理器组成。所述多路由星间通信链路采用多通道并行捕获技术同时对空域中的同一集群卫星信号进行搜索。具体的，以卫星A星间链路工作为例，A星的星间链路终端按照CDMA技术，各个通道各自对集群中的其它卫星B、C、D发出的星间信号进行并行搜获。当某个通道对应的对方卫星星间天线视场可见时，其信噪比较高，足以保证完成捕获，相应该通道即转入连续跟踪模式。

由于集群编队为队列式编队，且编队尺寸较小，编队中远端的卫星可能受近端卫星遮挡影响，其实际的有效增益不足以保证与被遮挡星建立直接通信的星间链路。为获取被遮挡星数据，需要经过近端卫星路由转发。在星间链路增益较好的情况下，两端卫星可直接建立直通链路，快速获取互相数据。所述多路由星间通信链路采用队列式多路由通信技术，直接或间接地对集群中所有卫星的星间信息进行交换。其中，多路由通信技术的核心是通信协议，具体设计为：星间信息采用分帧分块的方式占用星间物理信号，每秒一帧、每帧数据分为三块。其中首块用于发送本星坐标数据，例如GNSS数据(频度例如为1s)、次块用于发送主星坐标数据，例如GNSS数据(频度例如为1s)、第三块用于发送集群平台数据(含各星星历、测控维护信息等)。第三块内部采用分页传输方式，即需要多少秒才能完成全部信息的完整播发。通过该信息帧的广播和交换，集群中的任意卫星均可直接或间接获取到其它卫星的信息。

每颗卫星经由星间链路传输的信息来源较多，每一类数据的重要性各不相同。相应地，其对转发时效性，即时延要求也不同。本实施例采用转发时延动态优化技术，处理器应对当前各类数据接收情况进行检测，查找到高优先级数据更新后，立即组帧并发送，消除高优先级数据的等待时延，以达到降低总转发时延的目的。

所述多路由星间通信链路采用多路信息优选技术，在互相视场可见情况下，星间链路为直接链路，两端卫星将直接进行数据交换。在互相视场不可见情况下，则通过可见卫星的星间帧间接获取其转发的其它卫星的数据。由于每路通道捕获的卫星不同，其输出的数据各自的时效性也不同。因此，不论对于本星后端使用或星间组帧需要，都须对各通道输出的数据按时间顺序优选，将最新的数据更新本地信息池，确保数据输出连续、顺序。

优选的，在远距离星间通信的情况下，将与卫星+X轴和-X轴平行的星间发射、接收天线按照预先计算的指向调整角度调整星间发射、接收天线的方位，从而使星间发射天线、接收天线波束电轴法向分别相对于卫星的+X轴和-X轴方向偏置固定角度，重新构建星间通信链路，使星间通信视场恢复；星间发射天线、接收天线采用具有波束窄、增益高的天线以补偿远距离通信时信号能量的衰减；采用卷积编码作为信道编码方式，在星间发射设备上对信息进行卷积编码，在星间接收设备上对信息进行维特比译码，降低接收设备的解调门限和接收解调误码率，提高信道的链路余量。通过该方法，远距离星间通信时，采用按照预先计算的指向调整角度调整星间发射、接收天线的安装方位，采用窄波束、高增益星间发射、接收天线以及采用卷积编码作为信道编码方式的设计，可以解决远距离星间链路通信时，两星之间的通信视场及链路余量问题。

优选的，卫星的遥控通道由测控前端设备和遥控终端组成，测控前端设备主要是S频段应答机，接收来自地面测控站和中继卫星前向链路的射频信号，遥控终端接收来自多个应答机的信号进行处理从而提取遥控信息。本发明中，测控前端设备包含第一S扩频应答机、第二S扩频应答机，中继S频段设备。两台S扩频应答机接收地面测控站的上行遥控信号，一台中继S频段设备接收中继星前向链路遥控信号。

优选的，遥控终端为遥控A机和B机模块热备份，遥控终端接收来自两台扩频应答机遥控扩频码信号(PCMLPCM2)和遥控扩频码锁定信号(LOCK1、LOCK2)以及来自中继星的遥控码信号(PCM3)和遥控锁定信号(LOCK3)。遥控终端A、B机判别各自LOCK信号的优先级选择一路PCM信号进行处理。遥控终端的输出内容包含指令和注入数据，指令输出电路为双机冗余输出，数据输出为A、B机选择输出。

优选的，第一S扩频应答机和第二S扩频应答机同频异码，选用不同厂家的产品，但在对外接口上一致，互为备份，紧急情况下通过更改码组实现互换。同一厂家的产品可出现批次性故障，重复性故障，选用不同厂家的产品通过增加产品的独立性回避了上述问题，提高系统的可靠度。

经过分析和调研应答机产品研制过程和在轨飞行的数据，第一扩频应答机的功能性能和可靠度优于第二扩频应答机。因此，第一扩频应答机的优先级高于第二扩频应答机。卫星境内飞行时，主要是地面测控站进行上行遥控，第一扩频应答机的优先级高于中继S设备，境外只能通过中继星前向链路进行上行遥控，中继S设备的优先级高于第二扩频应答机。遥控终端A机为主份，默认数据输出选择A机数据。

优选的，综合考虑产品性能和境内外测控因素，最终设计出遥控终端的优先级具体为：遥控A机：第二扩频应答机优于第一扩频应答机优于中继S设备；遥控B机：中继S设备优于扩频应答机优于第二扩频应答机。S扩频应答机及中继S设备三台单机以OC门接口向遥控终端输入遥控PCM信号、遥控锁定指示LOCK信号，三台单机输入信号一致，且遥控A、B机接口一致。LOCK信号：非锁定为3.5～5V，锁定为0～0.5V。遥控终端判断LOCK信号为低电平时为逻辑"1"，即锁定状态，表明此单机准备传输遥控PCM信号。第一扩频应答机遥控码和LOCK信号为：PCM1，LOCK1；第二扩频应答机遥控码和LOCK信号为：PCM2，LOCK2；中继S设备遥控码和LOCK信号为：PCM3，LOCK3；根据设计的信号选择优先级顺序转换为LOCK信号控制为：遥控A机：LOCK2>LOCK1>LOCK3；遥控B机：LOCK3>LOCK1>LOCK2。

优选的，通过设定遥控终端的通道选择优先级设计，结合遥控输出的逻辑设计，实现了上行遥控多通道的有效控制，提高全天时测控的可靠性。

优选的，组成编队的低轨道微小卫星在轨道周期的初始时刻构成带有几何中心点的圆形拓扑结构。位于几何中心点的卫星为编队的中心卫星。其他卫星在圆周上均匀分布。轨道周期初始时刻设为中心卫星经过赤道平面的时刻。配置的星间链路采用均匀分布原则，避免链路重叠造成编队内部通信干扰。将各圆周卫星沿拓扑边界两两相连构成闭合环形。中心卫星对地为正视状态。圆周上各卫星对地为侧视状态且沿着空间拓扑半径向外发散。

根据一种优选实施方式，采用17颗低轨道微小卫星组成编队，在轨道周期的初始时刻构成带有几何中心点、空间半径约1000千米的圆形拓扑结构。位于几何中心点的卫星为编队的中心卫星。其他16颗卫星在圆周上均匀分布，轨道周期初始时刻设为中心卫星经过赤道平面的时刻。配置32条星间链路采用均匀分布原则，避免链路重叠造成的编队内部通信干扰。其中16条星间链路设置在中心卫星与各圆周卫星之间，另外16条设置在各圆周卫星之间，将各圆周卫星沿拓扑边界两两相连构成闭合环形。星载探测设备均为30°基本圆锥形。中心卫星对地为正视状态。圆周上各卫星对地为侧视状态且沿着空间拓扑半径向外发散，侧视角为5°。中心卫星及圆周上四颗卫星的星载设备处于工作状态，其余各卫星起备用或补偿作用。正视状态是视场方向正对地心。中心卫星及圆周上的处于工作状态的四颗卫星两两间隔且间隔相等。上述卫星编队拓扑结构具有良好的对称性和紧凑性，便于星间链路的灵活配置和优化。有利于各编队卫星协作实现虚拟大卫星功能，进而从网络层面上增强了地面动态局域网通信在卫星编队中的适用性，且该编队系统可进一步扩展应用于多层轨道卫星网络的构建。

优选的，中继S频段设备通过Ks/S反射面天线与中继卫星进行通信。两个S扩频应答机同频异码，对外接口相同。两个扩频应答机通过测控中心连接至地面测控站。

优选的，该系统采用升余弦滤波器、BPSK调制方式和令牌多址方式，采用变码速率传输数据，在近距离时采用较高码速率，来完成传输图像或联合执行任务等需要大量交换信息的任务，在远距离时采用较低码速率，交换简单的星间参数。在正式传送数据前，先用最低的码速率传输，交换卫星间的距离，从而选定星间传输数据的速率，码速率确定后设置发送滤波器和匹配滤波器的采样频率，以及匹配滤波器的比例系数。在发送的信息中包含令牌和目标卫星地址，只有目标卫星才接收信息，其他卫星监听，只有拥有令牌的星才能够发送信息，发送后将令牌交给下一颗卫星。

优选的，卫星发射的星间信号为异源特性。采用星间数据多路复接与转发技术，不同的星间数据组成不同的虚拟信息帧后，轮流占用星间通信物理信道。

实施例2

本实施例公开了一种基于编队卫星的星间通信方法，其中，通信天线组阵中的天线采用反向布局，两幅相反指向的天线方向图组成全向覆盖的天线阵方向图。星间链路管理单元控制至少两路星间基带对一组星间射频通道的数据进行收发处理，所述星间链路管理单元采用多通道并行捕获技术同时对空域中的同一集群卫星信号进行搜索。通过队列式多路由通信技术，直接或间接地对集群中所有卫星的星间信息进行交换，采用转发时延动态优化技术，处理器根据当前数据的优先级确定发送时机，将重要数据的转发时延降到最低，采用多路信息优选技术，处理器根据时标特性对多通道输出的数据进行筛选。两路星间基带、射频通道、通信天线组阵组成的星间链路实现星间数据的异源同步收发，每颗卫星的星间链路同时对它星的至少两路异源信号进行捕获、跟踪及选择，自主地根据当前星间距离、星间通信情况进行速率调整，星间链路的工作模式配置和控制由星间链路管理单元统一进行同步管理。

优选的，在远距离星间通信的情况下，将与卫星+X轴和-X轴平行的星间发射、接收天线按照预先计算的指向调整角度调整星间发射、接收天线的方位，从而使星间发射天线、接收天线波束电轴法向分别相对于卫星的+X轴和-X轴方向偏置固定角度，重新构建星间通信链路，使星间通信视场恢复。星间发射天线、接收天线采用具有波束窄、增益高的天线以补偿远距离通信时信号能量的衰减。采用卷积编码作为信道编码方式，在星间发射设备上对信息进行卷积编码，在星间接收设备上对信息进行维特比译码，降低接收设备的解调门限和接收解调误码率，提高信道的链路余量。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

虽然已经详细描述了本发明，但是在本发明的精神和范围内的修改对于本领域技术人员将是显而易见的。这样的修改也被认为是本公开的一部分。鉴于前面的讨论、本领域的相关知识以及上面结合背景讨论的参考或信息(均通过引用并入本文)，进一步的描述被认为是不必要的。此外，应该理解，本发明的各个方面和各个实施例的各部分均可以整体或部分地组合或互换。而且，本领域的普通技术人员将会理解，前面的描述仅仅是作为示例，并不意图限制本发明。

已经出于示例和描述的目的给出了本公开的前述讨论。这并不意图将本公开限制于本文公开的形式。在前述的具体实施方式中，例如，为了简化本公开的目的，本公开的各种特征在一个或多个实施例、配置或方面中被组合在一起。实施例、配置或方面的特征可以以除上面讨论的那些之外的替代实施例、配置或方面组合。本公开的该方法不应被解释为反映本公开需要比每个权利要求中明确记载的更多特征的意图。相反，如以下权利要求所反映的，创造性方面在于少于单个前述公开的实施例、配置或方面的所有特征。因此，以下权利要求由此被并入本具体实施方式中，其中每个权利要求其自身作为本公开的单独实施例。

而且，虽然本公开的描述已经包括对一个或多个实施例、配置或方面以及某些变型和修改的描述，但是其他变型、组合和修改也在本公开的范围内，例如在本领域技术人员的技能和知识范围内，在理解了本公开之后。旨在获得在允许的程度上包括替代实施例、配置或方面的权利，所述权利包括那些要求保护的替代的、可互换的和/或等效的结构、功能、范围或步骤的权利，无论这种替代的、可互换的和/或等效的结构、功能、范围或步骤是否在本文中公开，并且无意公开奉献任何可专利的主题。

Claims (10)

1.一种基于编队卫星的星间通信系统，其特征在于，该系统包括全向信号收发的通信天线组阵，多通道搜索/捕获/跟踪的星间链路终端，用于星间数据收发和筛选的处理器，射频通道，星间链路管理单元和星间基带，其中，

所述通信天线组阵中的天线采用反向布局，两幅相反指向的天线方向图组成全向覆盖的天线阵方向图，

所述星间链路管理单元控制至少两路星间基带对一组星间射频通道的数据进行收发处理，所述星间链路管理单元采用多通道并行捕获技术同时对空域中的同一集群卫星信号进行搜索，

通过队列式多路由通信技术，直接或间接地对集群中所有卫星的星间信息进行交换，采用转发时延动态优化技术，处理器根据当前数据的优先级确定发送时机，将重要数据的转发时延降到最低，采用多路信息优选技术，处理器根据时标特性对多通道输出的数据进行筛选，

所述两路星间基带、射频通道、通信天线组阵组成的星间链路实现星间数据的异源同步收发，每颗卫星的星间链路同时对它星的至少两路异源信号进行捕获、跟踪及选择，自主地根据当前星间距离、星间通信情况进行速率调整，星间链路的工作模式配置和控制由星间链路管理单元统一进行同步管理。

2.如权利要求1所述的星间通信系统，其特征在于，在远距离星间通信的情况下，

将与卫星+X轴和-X轴平行的星间发射、接收天线按照预先计算的指向调整角度调整星间发射、接收天线的方位，从而使星间发射天线、接收天线波束电轴法向分别相对于卫星的+X轴和-X轴方向偏置固定角度，重新构建星间通信链路，使星间通信视场恢复；

星间发射天线、接收天线采用具有波束窄、增益高的天线以补偿远距离通信时信号能量的衰减；

采用卷积编码作为信道编码方式，在星间发射设备上对信息进行卷积编码，在星间接收设备上对信息进行维特比译码，降低接收设备的解调门限和接收解调误码率，提高信道的链路余量。

3.如权利要求1或2所述的星间通信系统，其特征在于，各个通道各自对集群中的其它卫星发出的星间信号进行并行搜获，当某个通道对应的对方卫星星间天线视场可见时，其信噪比升高到足以保证完成捕获，捕获后该通道即转入连续跟踪模式，

所述队列式多路由通信技术的通信协议设计为：星间信息采用分帧分块的方式占用星间物理信道，每秒一帧，每帧数据分为三块，其中，首块发送本星坐标数据，次块发送主星坐标数据，第三块发送集群平台数据，第三块内部采用分页传输方式，通过该信息帧的广播和交换，集群中的任意卫星能够直接或间接获取其他卫星的信息。

4.如前述权利要求之一所述的星间通信系统，其特征在于，

组成编队的低轨道微小卫星在轨道周期的初始时刻构成带有几何中心点的圆形拓扑结构，位于几何中心点的卫星为编队的中心卫星，其他卫星在圆周上均匀分布，轨道周期初始时刻设为中心卫星经过赤道平面的时刻；

配置的星间链路采用均匀分布原则，避免链路重叠造成编队内部通信干扰，将各圆周卫星沿拓扑边界两两相连构成闭合环形；

中心卫星对地为正视状态，圆周上各卫星对地为侧视状态且沿着空间拓扑半径向外发散。

5.如前述权利要求之一所述的星间通信系统，其特征在于，该系统还包括测控前端设备和遥控终端，所述测控前端设备包括两个S扩频应答机和中继S频段设备，所述遥控终端包括两个遥控机，所述两个S扩频应答机通讯连接至地面测控站，所述中继S频段设备通讯连接至中继卫星，所述遥控终端的两个遥控机连接至所述两个S扩频应答机和中继S频段设备，所述遥控终端接收用户指令，根据指令计算优先连接所述两个S扩频应答机之一或中继S频段设备。

6.如前述权利要求之一所述的星间通信系统，其特征在于，

所述中继S频段设备通过Ks/S反射面天线与中继卫星进行通信，

所述两个S扩频应答机同频异码，对外接口相同，

所述两个扩频应答机通过测控中心连接至地面测控站。

7.如前述权利要求之一所述的星间通信系统，其特征在于，该系统采用升余弦滤波器、BPSK调制方式和令牌多址方式，采用变码速率传输数据，在近距离时采用较高码速率来完成传输图像或联合执行任务等需要大量交换信息的任务，在远距离时采用较低码速率交换简单的星间参数；

在正式传送数据前，先用最低的码速率传输，交换卫星间的距离，从而选定星间传输数据的速率，码速率确定后设置发送滤波器和匹配滤波器的采样频率，以及匹配滤波器的比例系数；

在发送的信息中包含令牌和目标卫星地址，只有目标卫星才接收信息，其他卫星监听，只有拥有令牌的星才能够发送信息，发送后将令牌交给下一颗卫星。

8.如前述权利要求之一所述的星间通信系统，其特征在于，

卫星发射的星间信号为异源特性；

采用星间数据多路复接与转发技术，不同的星间数据组成不同的虚拟信息帧后，轮流占用星间通信物理信道。

9.一种基于编队卫星的星间通信方法，其特征在于，

通信天线组阵中的天线采用反向布局，两幅相反指向的天线方向图组成全向覆盖的天线阵方向图，

星间链路管理单元控制至少两路星间基带对一组星间射频通道的数据进行收发处理，所述星间链路管理单元采用多通道并行捕获技术同时对空域中的同一集群卫星信号进行搜索，

通过队列式多路由通信技术，直接或间接地对集群中所有卫星的星间信息进行交换，采用转发时延动态优化技术，处理器根据当前数据的优先级确定发送时机，将重要数据的转发时延降到最低，采用多路信息优选技术，处理器根据时标特性对多通道输出的数据进行筛选，

两路星间基带、射频通道、通信天线组阵组成的星间链路实现星间数据的异源同步收发，每颗卫星的星间链路同时对它星的至少两路异源信号进行捕获、跟踪及选择，自主地根据当前星间距离、星间通信情况进行速率调整，星间链路的工作模式配置和控制由星间链路管理单元统一进行同步管理。

10.如前述权利要求之一所述的星间通信系统，其特征在于，在远距离星间通信的情况下，

将与卫星+X轴和-X轴平行的星间发射、接收天线按照预先计算的指向调整角度调整星间发射、接收天线的方位，从而使星间发射天线、接收天线波束电轴法向分别相对于卫星的+X轴和-X轴方向偏置固定角度，重新构建星间通信链路，使星间通信视场恢复；

星间发射天线、接收天线采用具有波束窄、增益高的天线以补偿远距离通信时信号能量的衰减；

采用卷积编码作为信道编码方式，在星间发射设备上对信息进行卷积编码，在星间接收设备上对信息进行维特比译码，降低接收设备的解调门限和接收解调误码率，提高信道的链路余量。