CN111917456A - 适用于复杂星簇构型的全域星间微波通信链路系统 - Google Patents

适用于复杂星簇构型的全域星间微波通信链路系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种适用于复杂星簇构型的全域星间微波通信链路系统，包括：小型化多面阵设计：选用Ka相控阵天线组成多面阵，复用波控、电源及变频组件，形成空间全域覆盖；时分多址架构设计：采用时分多址方式通信，收发采用同频分时工作。对星簇内成员星的通信时序进行划分，使得成员星间可以有序高效的交互信息；搜索跟踪接力设计：微波链路断链后依据外推GNSS信息，建链双星采用自主互搜索捕获策略完成链路重建。本发明可实现多星在轨快速、稳定建链，具有系统规模小，自适应能力强等优势；无需地面卫星指控系统介入，自主重新建链，可适应任意星簇立体构型。

Description

适用于复杂星簇构型的全域星间微波通信链路系统
技术领域
本发明涉及宇航飞行器领域，具体地，涉及一种适用于复杂星簇构型的全域星间微波通信链路系统。
背景技术
为了满足用于复杂构型的多星星簇编队的星间通信需要，针对降低星上资源开销、多星常态化建链、自适应跟踪及重新建链需求，开展了与之相关的复杂构型下全域星间微波通信。目前国内外可供参考的星间通信链路设计方案较多，但是这些星间通信链路适用于少量卫星平面绕飞构型、多星串联构型或者较为固定指向的星簇构型，上述方案或采用低频段全向信号收发的通信天线，兼容卫星数量较少；或采用多组低频段宽波束天线形成全域覆盖，系统规模大；或采用固定指向天线在特定区域内完成信息交互，地面介入需求大，均不满足在复杂构型下的多星星簇自主星间链路通信。为解决上述问题，需要设计出的星间微波链路支持多星在轨快速、稳定建链，具有系统规模小，自适应能力强等优势，无需地面卫星指控系统介入，自主重新建链，可适应任意星簇立体构型。
专利文献CN201810622150.4公开了一种适用于集群编队的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，存在星上系统规模较大，自适应能力不强，对地面介入需求高等问题，无法用于复杂立体星簇构型常态化建链。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于复杂星簇构型的全域星间微波通信链路系统。
根据本发明提供的一种适用于复杂星簇构型的全域星间微波通信链路系统，包括：
小型化多面阵设计：选用Ka相控阵天线组成多面阵，复用波控、电源及变频组件，与星间通信机交互收发信息，形成空间全域覆盖。
时分多址架构设计：采用时分多址方式通信，收发采用同频分时工作。对星簇内成员星的通信时序进行划分，使得成员星间可以有序高效的交互信息。
搜索跟踪接力设计：微波链路断链后依据外推GNSS信息，建链双星采用自主互搜索捕获策略完成链路重建；采用GNSS导航信息驱动波束预指向，实现波束连续跟踪指向；通过设置阵面重叠视场区域，实现星间链路跨阵无损交接。
采用GNSS导航信息驱动波束预指向指：处内容特指卫星A从卫星B的第一个阵面视场飞入第二个阵面视场，对于AB卫星由于始终拥有对方当前位置，因此可以通过GNSS信息预计卫星A未来会跑进哪个阵面视场，提前开启该阵面。
优选地，所述小型化多面阵设计：
6个Ka相控阵天线组成3个2面阵部署于平台3个位置或组成2个3面阵部署于平台对向位置，每个多面阵单个阵面采用单波束扫描，最终波束覆盖全球域空间。
优选地，所述星间通信机包含通信机主、通信机备和微波网络；
通信机主、通信机备由S频段上下变频模块、电源及基带处理模块组成，完成星间信息的组帧、编码、调制、解帧、译码、解调及上下变频功能；
微波网络主要由功分网络和接收选择开关组成，完成通信机与天线阵面之间的信号分发和选择。
优选地，所述多面阵配置的Ka相控阵天线，共用波控、电源及Ka到S的变频组件，每个阵面128个通道，含天线阵列、TR组件及馈电网络，阵面口径69.6mm×69.6mm，天线方位向、俯仰向波束扫描范围±65°。
优选地，所述2面阵包括2个俯仰倾斜45°放置的阵面，阵面间的轴向的夹角为90°，通过2个阵面的波束扫描覆盖1/3球域空间。
优选地，所述3面阵包括3个俯仰倾斜45°放置的阵面，阵面间的轴向在方位面的夹角位120°，通过3个阵面的波束扫描覆盖半球空域。
优选地，所述时分多址架构设计，星簇内成员星，均采用时分多址方式通信，收发采用同频分时工作，任意时刻，星簇内仅有两颗星进行通信，确保星簇有序高效的交互信息，星间通信信息包含成员星GNSS信息。
优选地，所述搜索跟踪接力设计：跟踪接力状态下星簇内成员星如果超过两个时间片未与另一成员星建立通信链路，则该通信时间片内双星进入搜索状态，依据在当前波束指向附近6个波束顺序搜索，依据卫星入网顺序，先入网星每个波束指向停留6个时间片，后入网星每个波束指向停留1个时间片；捕获建链后，转入稳定的程序跟踪状态；
所述时间片指时分多址方式通信中，留给两颗成员星通信的时隙；
所述波束指30°圆锥扫描范围。
优选地，所述搜索跟踪接力设计：跟踪接力状态是指星间Ka相控阵天线按照星上轨道计算给出的目标轨迹程序捕获对方卫星；
任务开始时，星上计算机将计算出的天线指向角度信息送给星间通信机，星间通信机将指向角度转换成相控阵天线的波位控制信息送给天线的波控器，完成天线从当前位置指向对方卫星，并根据星上计算机计算结果，天线持续指向对方卫星，当波束指向接近天线阵视场边界时，基于轨迹预判完成指向接力。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1)系统小型化程度高，可适用于小卫星星簇；
2)信息交互效率高，系统复杂度低，可适用于星簇构型维持，多源信息交互，实时星间指令控制；
3)自适应能力强，系统鲁棒性好，仅需入网时提供先验相对位置信息，即可自主搜索、弹性化组网、跟踪保持。因此，本发明尤其适用于复杂星簇构型下的全域星间微波通信链路。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为微波通信链路系统的原理框图；
图2为Ka相控阵天线结构图；
图3为2面阵结构图；
图4为3面阵结构图；
图5为实施例中空间覆盖图；
图6为实施例中时序图；
图7为实施例中自主互搜索捕获策略图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。具体实施例以四星系统为例。
根据本发明提供的一种适用于复杂星簇构型的全域星间微波通信链路系统，包括：
小型化多面阵设计：选用Ka相控阵天线组成多面阵，复用波控、电源及变频组件，与星间通信机交互收发信息，形成空间全域覆盖。
时分多址架构设计：采用时分多址方式通信，收发采用同频分时工作。对星簇内成员星的通信时序进行划分，使得成员星间可以有序高效的交互信息。
搜索跟踪接力设计：微波链路断链后依据外推GNSS信息，建链双星采用自主互搜索捕获策略完成链路重建；采用GNSS导航信息驱动波束预指向，实现波束连续跟踪指向；通过设置阵面重叠视场区域，实现星间链路跨阵无损交接。
采用GNSS导航信息驱动波束预指向指：处内容特指卫星A从卫星B的第一个阵面视场飞入第二个阵面视场，对于AB卫星由于始终拥有对方当前位置，因此可以通过GNSS信息预计卫星A未来会跑进哪个阵面视场，提前开启该阵面。
具体地，所述小型化多面阵设计：
6个Ka相控阵天线组成3个2面阵部署于平台3个位置或组成2个3面阵部署于平台对向位置，每个多面阵单个阵面采用单波束扫描，最终波束覆盖全球域空间。
具体地，所述星间通信机包含通信机主、通信机备和微波网络；
通信机主、通信机备由S频段上下变频模块、电源及基带处理模块组成，完成星间信息的组帧、编码、调制、解帧、译码、解调及上下变频功能；
微波网络主要由功分网络和接收选择开关组成，完成通信机与天线阵面之间的信号分发和选择。
具体地，所述多面阵配置的Ka相控阵天线，共用波控、电源及Ka到S的变频组件，每个阵面128个通道，含天线阵列、TR组件及馈电网络，阵面口径69.6mm×69.6mm，天线方位向、俯仰向波束扫描范围±65°。
具体地，所述2面阵包括2个俯仰倾斜45°放置的阵面，阵面间的轴向的夹角为90°，通过2个阵面的波束扫描覆盖1/3球域空间。
具体地，所述3面阵包括3个俯仰倾斜45°放置的阵面，阵面间的轴向在方位面的夹角位120°，通过3个阵面的波束扫描覆盖半球空域。
具体地，所述时分多址架构设计，星簇内成员星，均采用时分多址方式通信，收发采用同频分时工作，任意时刻，星簇内仅有两颗星进行通信，确保星簇有序高效的交互信息，星间通信信息包含成员星GNSS信息。
具体地，所述搜索跟踪接力设计：跟踪接力状态下星簇内成员星如果超过两个时间片未与另一成员星建立通信链路，则该通信时间片内双星进入搜索状态，依据在当前波束指向附近6个波束顺序搜索，依据卫星入网顺序，先入网星每个波束指向停留6个时间片，后入网星每个波束指向停留1个时间片；捕获建链后，转入稳定的程序跟踪状态；
所述时间片指时分多址方式通信中，留给两颗成员星通信的时隙；
所述波束指30°圆锥扫描范围。
具体地，所述搜索跟踪接力设计：跟踪接力状态是指星间Ka相控阵天线按照星上轨道计算给出的目标轨迹程序捕获对方卫星；
任务开始时，星上计算机将计算出的天线指向角度信息送给星间通信机，星间通信机将指向角度转换成相控阵天线的波位控制信息送给天线的波控器，完成天线从当前位置指向对方卫星，并根据星上计算机计算结果，天线持续指向对方卫星，当波束指向接近天线阵视场边界时，基于轨迹预判完成指向接力。
下面通过优选例，对本发明进行更为具体地说明。
优选例1：
一种适用于复杂星簇构型的全域星间微波通信链路系统，包括：
小型化多面阵设计：选用Ka相控阵天线组成多面阵，复用波控、电源及变频组件，与星间通信机交互收发信息，形成空间全域覆盖。
时分多址架构设计：采用时分多址方式通信，收发采用同频分时工作。对星簇内成员星的通信时序进行划分，使得成员星间可以有序高效的交互信息。
搜索跟踪接力设计：微波链路断链后依据外推GNSS信息，建链双星采用“自主互搜索捕获策略”完成链路重建；采用GNSS导航信息驱动波束预指向，实现波束连续跟踪指向；通过设置阵面重叠视场区域，实现星间链路跨阵无损交接。
优选地，采用6个Ka频段相控阵面组成3个2面阵部署于平台3个位置或组成2个3面阵部署于平台对向位置，每个多面阵单个阵面采用单波束扫描，最终波束覆盖全空域。
优选地，采用时分多址架构设计，以四星星簇为例，星簇内成员星，均采用时分多址方式通信，收发采用同频分时工作，任意时刻，星簇内仅有两颗星进行通信，确保星簇有序高效的交互信息，星间通信信息包含成员星GNSS信息。
优选地，所述自主互搜索捕获策略：采用搜索跟踪接力设计，星簇内成员星如果超过两个时间片未与另一成员星建立通信链路，则该通信时间片内双星进入搜索状态，依据在当前波束指向附近6个波束(30°圆锥扫描范围)顺序搜索，依据卫星入网顺序，先入网星每个波束指向停留6个时间片，后入网星每个波束指向停留1个时间片；捕获建链后，转入稳定的程序跟踪状态。程序跟踪接力模式是指星间Ka相控阵天线按照星上轨道计算给出的目标轨迹程序捕获对方卫星。任务开始时，星上计算机将计算出的天线指向角度信息送给星间通信机，星间通信机将指向角度转换成相控阵天线的波位控制信息送给天线的波控器，完成天线从当前位置指向对方卫星，并根据程控计算持续指向对方卫星，当波束指向接近天线阵视场边界时，基于轨迹预判完成指向接力。
根据本发明提供的一种适用于复杂星簇构型的全域星间微波通信链路系统，包括：
Ka相控阵天线多面阵：Ka相控阵天线，共用波控、电源及Ka到S的变频组件，每个阵面128个通道，含天线阵列、TR组件及馈电网络，阵面口径69.6mm×69.6mm。天线方位向、俯仰向波束扫描范围±65°；
星间通信机：包含通信机主、通信机备和微波网络。通信机主/备由S频段上下变频模块、电源及基带处理模块组成，完成星间信息的组帧、编码、调制、解帧、译码、解调及上下变频功能。微波网络主要由功分网络和接收选择开关组成，完成通信机与天线阵面之间的信号分发和选择。
优选地，Ka相控阵天线多面阵配置为2面阵时，包括2个俯仰倾斜45°放置的阵面，阵面间的轴向的夹角为90°，通过2个阵面的波束扫描覆盖1/3球域空间；配置为3面阵时，包括3个俯仰倾斜45°放置的阵面，阵面间的轴向在方位面的夹角位120°，通过3个阵面的波束扫描覆盖半球空域。
优选例2：
如图1中所示，本发明实施例提供了一种适用于复杂星簇构型的全域星间微波通信链路系统。采用小型化多面阵设计，选用Ka相控阵天线组成多面阵，复用波控、电源及变频组件，与星间通信机交互收发信息，形成空间全域覆盖。采用时分多址架构设计，收发采用同频分时工作。对星簇内成员星的通信时序进行划分，使得成员星间可以有序高效的交互信息。采用搜索跟踪接力设计，微波链路断链后依据外推GNSS信息，建链双星采用“自主互搜索捕获策略”完成链路重建；采用GNSS导航信息驱动波束预指向，实现波束连续跟踪指向；通过设置阵面重叠视场区域为5°，实现星间链路跨阵无损交接。
具体的，以成员星A与成员星B星间微波通信链路工作为例，选用的Ka相控阵天线结构如图2所示，成员星A结合安装视场等因素，星上采用3个2面阵配置，2面阵结构如图3所示，通过2个阵面的波束扫描覆盖1/3球域空间。成员星B结合安装视场等因素，星上采用2个3面阵配置，3面阵结构如图4所示，通过3个阵面的波束扫描覆盖1/2球域空间，形成的全域覆盖图如图5所示。
具体的，系统采用时分多址方式通信，依据图6中时序对星簇内成员星的通信时序进行划分，使得成员星间可以有序高效的交互信息。数据传输速率设计为200Kbps，信道编码采用RS(255,223)和卷积(2,1,7)级联编码，每子帧中信息比特数2Kbits，成员星间单次通信时间片内传7个子帧数据流，共70ms，第一个子帧为相对导航GNSS数据，用以星间编队构型控制，波束跟踪接力判断。除了有效信息之外，在传输帧前封装2Kbits引导序列(10ms)，传输子帧后预留解码收敛时间1ms，传输时延1ms，信号处理时间1ms，因此成员星A和成员星B单程通信时间需83ms，其中有效信息时长70ms，每个时序的第一个时间片用以成员星A发送信息至成员星B，第二个时间片用以成员星B发送信息至成员星A。因此，成员星A与成员星B、C、D通信轮询间隔为83ms*6＝498ms。
具体的，系统采用搜索跟踪接力设计，成员星B与成员星A如果超过4秒未建立通信链路，则时序中第一个时间片和第二个时间片双星进入搜索状态，依据在当前波束指向附近6个波束(30°圆锥扫描范围)顺序搜索，搜索策略如图7所示，依据卫星入网顺序，成员星A每个波束指向停留6个时间片，成员星B每个波束指向停留1个时间片；捕获建链后，转入稳定的程序跟踪状态。程序跟踪接力模式是指星间Ka相控阵天线按照星上轨道计算给出的目标轨迹程序捕获对方卫星。任务开始时，成员星A星上计算机将计算出的天线指向角度信息送给星间通信机，星间通信机计算出成员星B在成员星A的阵面1视场中，星间通信机将指向角度转换成相控阵天线的波位控制信息送给阵面1的波控器，完成天线从当前位置指向成员星B，并根据程控计算持续跟踪成员星B，当波束指向接近阵面1视场边界5°时，基于轨迹预判，成员星A的星间通信机打开阵面4，将指向角度转换成相控阵天线的波位控制信息送给阵面4的波控器，完成指向接力。因此任意时刻内，单颗成员星上6个阵面有且仅有1个在波束扫描状态，任意时刻内，有且仅有两颗成员星进行星间链路通信，上述设计确保了系统的稳定性与适应性。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种适用于复杂星簇构型的全域星间微波通信链路系统，其特征在于，包括：
小型化多面阵设计：选用Ka相控阵天线组成多面阵，复用波控、电源及变频组件，与星间通信机交互收发信息，形成空间全域覆盖。
时分多址架构设计：采用时分多址方式通信，收发采用同频分时工作。对星簇内成员星的通信时序进行划分，使得成员星间可以有序高效的交互信息。
搜索跟踪接力设计：微波链路断链后依据外推GNSS信息，建链双星采用自主互搜索捕获策略完成链路重建；采用GNSS导航信息驱动波束预指向，实现波束连续跟踪指向；通过设置阵面重叠视场区域，实现星间链路跨阵无损交接。
2.根据权利要求1所述的适用于复杂星簇构型的全域星间微波通信链路系统，其特征在于，所述小型化多面阵设计：
6个Ka相控阵天线组成3个2面阵部署于平台3个位置或组成2个3面阵部署于平台对向位置，每个多面阵单个阵面采用单波束扫描，最终波束覆盖全球域空间。
3.根据权利要求1所述的适用于复杂星簇构型的全域星间微波通信链路系统，其特征在于，所述星间通信机包含通信机主、通信机备和微波网络；
通信机主、通信机备由S频段上下变频模块、电源及基带处理模块组成，完成星间信息的组帧、编码、调制、解帧、译码、解调及上下变频功能；
微波网络主要由功分网络和接收选择开关组成，完成通信机与天线阵面之间的信号分发和选择。
4.根据权利要求1所述的适用于复杂星簇构型的全域星间微波通信链路系统，其特征在于，所述多面阵配置的Ka相控阵天线，共用波控、电源及Ka到S的变频组件，每个阵面128个通道，含天线阵列、TR组件及馈电网络，阵面口径69.6mm×69.6mm，天线方位向、俯仰向波束扫描范围±65°。
5.根据权利要求2所述适用于复杂星簇构型的全域星间微波通信链路系统，其特征在于，所述2面阵包括2个俯仰倾斜45°放置的阵面，阵面间的轴向的夹角为90°，通过2个阵面的波束扫描覆盖1/3球域空间。
6.根据权利要求2所述的适用于复杂星簇构型的全域星间微波通信链路系统，其特征在于，所述3面阵包括3个俯仰倾斜45°放置的阵面，阵面间的轴向在方位面的夹角位120°，通过3个阵面的波束扫描覆盖半球空域。
7.根据权利要求1所述的适用于复杂星簇构型的全域星间微波通信链路系统，其特征在于，所述时分多址架构设计，星簇内成员星，均采用时分多址方式通信，收发采用同频分时工作，任意时刻，星簇内仅有两颗星进行通信，确保星簇有序高效的交互信息，星间通信信息包含成员星GNSS信息。
8.根据权利要求1所述的适用于复杂星簇构型的全域星间微波通信链路系统，其特征在于，所述搜索跟踪接力设计：跟踪接力状态下星簇内成员星如果超过两个时间片未与另一成员星建立通信链路，则该通信时间片内双星进入搜索状态，依据在当前波束指向附近6个波束顺序搜索，依据卫星入网顺序，先入网星每个波束指向停留6个时间片，后入网星每个波束指向停留1个时间片；捕获建链后，转入稳定的程序跟踪状态；
所述时间片指时分多址方式通信中，留给两颗成员星通信的时隙；
所述波束指30°圆锥扫描范围。
9.根据权利要求8所述的适用于复杂星簇构型的全域星间微波通信链路系统，其特征在于，所述搜索跟踪接力设计：跟踪接力状态是指星间Ka相控阵天线按照星上轨道计算给出的目标轨迹程序捕获对方卫星；
任务开始时，星上计算机将计算出的天线指向角度信息送给星间通信机，星间通信机将指向角度转换成相控阵天线的波位控制信息送给天线的波控器，完成天线从当前位置指向对方卫星，并根据星上计算机计算结果，天线持续指向对方卫星，当波束指向接近天线阵视场边界时，基于轨迹预判完成指向接力。
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