CN110048763B

CN110048763B - 一种基于共位geo卫星的天基通信系统及相应通信方法

Info

Publication number: CN110048763B
Application number: CN201910437197.8A
Authority: CN
Inventors: 李国通; 尚琳; 蒋桂忠; 张军; 沈苑; 蒋国伟
Original assignee: Shanghai Engineering Center for Microsatellites
Current assignee: Shanghai Engineering Center for Microsatellites
Priority date: 2019-05-24
Filing date: 2019-05-24
Publication date: 2021-08-24
Anticipated expiration: 2039-05-24
Also published as: CN110048763A

Abstract

本发明涉及一种基于共位GEO卫星的天基通信系统，包括：网络节点卫星，其被配置为给近地航天器提供接入服务；以及多个接入节点卫星，其与网络节点卫星处于相同的GEO轨位并且与网络节点卫星通信，其中所述接入节点卫星被配置为给用户提供接入服务。此外，本发明还涉及一中相应的通信方法。通过本发明，可以实现卫星轻量化、高功能密度、通信容量大、易于功能扩展等优点。

Description

一种基于共位GEO卫星的天基通信系统及相应通信方法

技术领域

本发明总体而言涉及卫星通信领域，具体而言涉及一种基于共位GEO卫星的天基通信系统。此外，本发明还涉及一种基于共位GEO卫星的通信方法。

背景技术

卫星移动通信系统与地面移动通信系统相比具有如下特点：覆盖范围广；能够实现对山区和高原等地区近乎无缝的覆盖；能够满足各类用户对移动通信覆盖性的需求。因此，卫星移动通信系统具有重要的军用和商用价值。近年来，全球GEO(GeostationaryEarth Orbit，地球同步轨道)通信卫星领域在经历了长足的发展以后，主要成果表现在如下方面：高吞吐量卫星、宽带移动通信卫星的发射和多种新型通信卫星有效载荷技术，而随着应用场景的要求不断提高，GEO高通量卫星的未来发展趋势是更大能力的卫星平台、更高通信容量、以及微波激光。

国外现有的高通量卫星、如Viasat、Inmarsat5等均有上百Gbps容量，国内目前尚处于追赶阶段。制约GEO卫星通信容量的主要技术难题是高通量卫星平台的能力。国外卫星平台目前先进的波音BSS-700支持18KW功率，劳拉LS-1300可达25kw功率，国内现有主要平台仅能提供10.5KW，且只有目前尚不成熟的某平台的能力可与上述国外先进卫星平台相当。

现有卫星平台难以支持更大通信容量、激光骨干通信、天基信息交换、天基信息港等功能，且更大能力的卫星平台研制短期内难以在技上取得突破。因此，如何在未来实现高通量卫星，是我国卫星通信领域的一大技术研究方向。

发明内容

本发明的任务是，提供一种基于共位GEO卫星的天基通信系统以及通信方法，通过该网络或该方法，可以实现卫星轻量化、高功能密度、通信容量大、易于功能扩展等优点。

在本发明的第一方面，该任务通过一种基于共位GEO卫星的天基通信系统来解决，该系统包括：

网络节点卫星，其被配置为给近地航天器提供接入服务；以及

多个接入节点卫星，其与网络节点卫星处于相同的GEO轨位并且与网络节点卫星通信，其中所述接入节点卫星被配置为给用户提供接入服务。

在本发明的一个扩展方案中规定，所述网络节点卫星通过微波和/或激光与近地航天器通信；和/或

其中所述接入节点卫星通过星间激光链路和/或微波链路与网络节点卫星通信；和/或

所述接入节点卫星通过微波为用户提供接入服务。

在本发明的一个优选方案中规定，所述网络节点卫星和所述接入节点卫星中的每个都保持在近地轨道±0.1°的范围，并且所述网络节点卫星和所述接入节点卫星中的两个之间的距离在50km以下。本发明人独到地发现，通过将全部节点卫星保持在近地轨道±0.1°的范围，既可以实现较高通信效率，又能节约轨道资源。

在本发明的另一优选方案中规定，所述网络节点卫星和所述接入节点卫星中的每个都配备有推进系统，所述推进系统被配置为将该卫星保持在相应轨位。在此，“相应轨位”是指原轨位及原轨位的一定波动范围内、如原轨位±0.1°的范围。

在本发明的又一优选方案中规定，所述接入节点卫星能够漂移到其它GEO轨位。通过该优选方案，可以提供接入节点的移动性以在必要时补偿处于其它GEO轨位的通信系统的通信能力，从而提高通信系统的伸缩能力。

在本发明的另一优选方案中规定，所述接入节点卫星通过星间激光链路和微波链路与网络节点卫星通信，其中网络节点卫星通过激光链路向接入节点提供馈电数据回传服务并且通过微波链路来控制接入节点。

在本发明的第二方面，前述任务通过一种基于共位GEO卫星的通信方法来解决，该方法包括下列步骤：

由网络节点卫星为近地航天器提供接入服务；以及

由多个接入节点卫星为用户提供接入服务，其中所述接入节点卫星与网络节点卫星处于相同的GEO轨位并且与网络节点卫星通信。

在本发明的一个优选方案中规定，该方法还包括下列步骤：

由多个接入节点卫星之一漂移到不同的GEO轨位；以及

由该接入节点卫星为用户提供接入服务。

本发明至少具有如下优点：(1)在本发明中，通过由网络节点卫星给近地航天器提供接入服务并且由给用户提供接入服务，可以将网络互联功能与宽带接入功能分离，由此可实现容易的节点数目和功能的扩展、以及节点升级，此外还可以采用功能更简单、因此更加轻量化的接入节点卫星；(2)通过将通信系统的全部卫星保持在基本相同的轨位，可以共用轨位资源。

附图说明

下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。

图1示出了根据本发明的基于共位GEO卫星的天基通信系统的示意图；以及

图2示出了天基通信系统的相应节点的示意图。

具体实施方式

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

针对未来高通量GEO卫星多样化的应用需求和卫星平台发展的技术难点，本方案提出一种基于共位GEO卫星的天基通信系统，其可具有多种优点，例如卫星轻量化、高功能密度、通信容量大、易于功能扩展等特点。

本发明所采用的技术方案如下：

(1)网络星与接入星功能分离

建设大容量天基骨干网，将网络互联功能与宽带接入功能分离，采用1颗网络星实现骨干信息网络互联功能，多颗接入星实现用户宽带信息接入功能，便于后期进行针对性的节点功能增强、扩展以及技术更新换代，可以实现与已有的通信系统频率、轨位兼容，利于系统分阶段实施，降低系统建设成本及技术风险。

(2)可实现轻量化卫星平台设计

单颗卫星重量小于2吨，而目前国外同等载荷规模的卫星单星发射重量在5吨左右。

表1国外典型平台比较

公司	波音	洛马	劳拉	本发明
					卫星平台	702	A2100	LS 1300	/
最大发射质量/kg	6160	6500	6910	2000
					载荷功率/kW	6～18	5.7～15	5～18	8～10
有效载荷承载/kg	1200	1200	1200	800

(3)可采用全电推入轨发射方式

GEO网络卫星和接入卫星平台采用全电推入轨，支持一箭一星、双星、多星等多种发射方式。星箭分离时，火箭将双星送入同步转移轨道(GTO轨道)，卫星依靠自身电推进系统，通过多次轨控，完成GTO轨道到GEO轨道的转移控制。

(4)采用多星共轨位设计

GEO卫星轨位资源紧张，为充分利用现有资源，本发明采用多星共位运行方式，共位卫星的轨道窗口范围为：东西±0.1°，南北±0.1°，星间距离小于50Km。GEO轨道共位主要采用轨道倾角和偏心率隔离方式，即共位卫星间的轨道倾角偏差和偏心率偏差不同时为零。

(5)可采用大容量激光通信

大规模利用激光大容量通信(星间40Gbps、星地10/40Gbps)的优点，使天基骨干节点的高吞吐量成为可能，增强了天基网络骨干节点功能，有效解决传统微波通信的容量限制。

下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。

图1示出了根据本发明的基于共位GEO卫星的天基通信系统100的示意图。

如图1所示，根据本发明的天基通信系统100具有下列各组件：

·一个网络节点卫星101(下面亦简称网络节点)，其被配置为给近地航天器、如其它卫星或航天飞船等提供接入服务，例如将近地航天器接入天基通信系统100。在此，设置仅仅一个网络节点卫星101即可满足近地航天器的接入需求。在本实施例中，网络节点卫星101对近地航天器提供微波高速接入和激光数据接入服务。在本发明的教导下，其它通信方式也是设想的。关于网络节点卫星101的结构，参见图2。如图2所示，网络节点卫星101可与多个接入节点卫星102通信。为此，网络节点卫星101分别具有相应的星间管控和激光星间模块。

·多个接入节点卫星102(下面亦简称接入节点)，其与网络节点卫星101处于相同的GEO轨位并且与网络节点卫星通信101，其中所述接入节点卫星102被配置为给用户(如天基或地面用户)提供接入服务，例如将用户接入天基通信系统100。接入节点卫星102的数目可以根据具体场景来设置。在一些实施例中，接入节点卫星102配备有致动装置以漂移到其它轨位，以便加入其它天基通信系统100来提供用户接入服务。关于网络节点卫星102的结构，参见图2。

图2示出了天基通信系统的相应节点的示意图。

星间通过激光链路实现骨干节点之间的高速互联，通过S、Ka、激光链路为陆、海、空、天等各类用户，提供全球范围内的随遇接入、宽带通信、数据中继、平台测控、信息服务等服务，构建覆盖全球的高速骨干传输网络。

网络节点卫星101的有效载荷主要包括相控阵多波束天线、激光通信终端、S频段天基管控、光电混合交换(全光/分组)、馈电链路、信标天线与星间链路天线、时间频率基准等。

接入节点卫星102的有效载荷主要包括反射面多波束天线、激光通信终端、信标天线与星间链路天线，其中反射面多波束天线以透明转发为主，同时支持任意20个以上Ka点波束、与网络星间链路、GEO星间链路等实现跨星中继。

虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。

Claims

1.一种基于共位GEO卫星的天基通信系统，包括：

网络节点卫星，其被配置为给近地航天器提供接入服务以提供网络互联功能；以及

多个接入节点卫星，其与网络节点卫星处于相同的GEO轨位并且与网络节点卫星通信，其中所述接入节点卫星被配置为给用户提供接入服务以提供宽带接入功能，其中所述网络互联功能与宽带接入功能分离。

2.根据权利要求1所述的天基通信系统，其中所述网络节点卫星通过微波和/或激光与近地航天器通信；和/或

所述接入节点卫星通过微波为用户提供接入服务。

3.根据权利要求1所述的天基通信系统，其中所述网络节点卫星和所述接入节点卫星中的每个都保持在近地轨道±0.1°的范围，并且所述网络节点卫星和所述接入节点卫星中的两个之间的距离在50km以下。

4.根据权利要求1所述的天基通信系统，其中所述网络节点卫星和所述接入节点卫星中的每个都配备有推进系统，所述推进系统被配置为将该卫星保持在相应轨位。

5.根据权利要求1所述的天基通信系统，其中所述接入节点卫星能够漂移到其它GEO轨位。

6.根据权利要求1所述的天基通信系统，其中所述接入节点卫星通过星间激光链路和微波链路与网络节点卫星通信，其中网络节点卫星通过激光链路向接入节点提供馈电数据回传服务并且通过微波链路来控制接入节点。

7.一种基于共位GEO卫星的通信方法，包括下列步骤：

由网络节点卫星为近地航天器提供接入服务以提供网络互联功能；以及

由多个接入节点卫星为用户提供接入服务以提供宽带接入功能，其中所述网络互联功能与宽带接入功能分离，其中所述接入节点卫星与网络节点卫星处于相同的GEO轨位并且与网络节点卫星通信。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括下列步骤：

由多个接入节点卫星之一漂移到不同的GEO轨位；以及

由该接入节点卫星为用户提供接入服务。