CN111934743B - 全向动态微波激光复合体制星间链路建链方法 - Google Patents

全向动态微波激光复合体制星间链路建链方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种全向动态微波激光复合体制星间链路建链方法，包括如下步骤：入轨信息上注步骤：主星和副星入轨后，主星和副星的轨道参数由地面测定并进行轨道递推后分别上注到主星和副星上；微波链路建链步骤：主星和副星的相控阵天线根据轨道递推的轨道参数进行微波天线指向解算，建立主星和副星的微波链路；激光链路建立步骤：主星和副星通过微波链路交互相对GNSS导航信息，主星和副星的激光终端进行扫描，完成双向捕获，完成激光链路建立。本发明可实现星间快速建立、稳定工作、全向高速的星间链路，具有系统自适应能力强、系统规模小、自主性强等特点，尤其适用于多星复杂绕飞编队下的高速通信。

Description

全向动态微波激光复合体制星间链路建链方法
技术领域
本发明涉及宇航飞行器，具体地，涉及一种适用于复杂绕飞编队的全向动态微波激光复合体制星间链路建链方法。
背景技术
随着卫星性能、功能需求的高速发展，对星间链路的速率也提出了更高的要求。微波通信技术虽然技术相对成熟，但受限于卫星平台对微波设备的规模与重量的要求，已很难提高其数据传输速率。激光通信手段具有设备规模小、重量轻、传输速率高、抗干扰能力强等显著优势，激光通信手段在星间高速数据传输中有着不可取代的作用和应用价值。但是，由于激光信号的束散角极小(通常在微弧度至毫弧度量级)，在轨捕获难度大，每次捕获对地面控制系统介入需求多，系统使用复杂。目前国内外可供参考的星间链路方案较多，既有微波链路也有激光链路，但无微波激光复合链路相关设计。微波链路的方案无法兼顾全向视场和高速传输的需求，激光链路的方案适用于较为固定指向的编队构型，同时未考虑星上自主的入轨快速初次捕获、在轨自主重新捕获等设计，地面介入需求大，自主运行能力不强。因此上述方案均无法满足多星复杂绕飞编队系统对星间通信链路提出的“高速全向、快速建链、自主重建”的通信要求。为解决上述问题，需要提出满足要求的星间链路设计方案。
专利文献为CN103117803A的发明专利公开了一种星载微波与激光通信链路的集成系统及应用方法。集成系统由激光器、光放大器、会聚透镜、光束控制器、光学天线、光电探测器、微波/光解调器、光/微波解调器、多功器、电放大器、射频天线组成，方法为：数据信号通过激光器调制到光域；光信号通过光束耦合到光学天线发射；光学天线接收到光信号耦合到光电探测器；当光学天线接收到光信号，经光束控制器处理，耦合到光/微波解调模块，转换为微波信号，微波信号经过电放大器放大后，耦合到射频天线发送；射频天线接收微波信号经电放大输入到多工器实现微波信号合路，经微波/光调制器调制到光域；通过光束控制耦合到光学天线发射。体积小、功耗低，广泛用于军用和民用星载通信行业。但是上述方案存在无法实现微波激光全向通信，激光建链效率较低及断链重建困难，自适应能力弱，对地面介入需求高等问题。
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全向动态微波激光复合体制星间链路建链方法。
根据本发明提供的一种全向动态微波激光复合体制星间链路建链方法，包括如下步骤：
入轨信息上注步骤：主星和副星入轨后，主星和副星的轨道参数由地面测定并进行轨道递推后分别上注到主星和副星上；
微波链路建链步骤：主星和副星的相控阵天线根据轨道递推的轨道参数进行微波天线指向解算，建立主星和副星的微波链路；
激光链路建立步骤：主星和副星通过微波链路交互相对GNSS导航信息，主星和副星的激光终端进行扫描，完成双向捕获，完成激光链路建立。
优选地，主星和副星均包括激光电子学单机、微波通信机、相控阵天线以及激光终端，其中：
微波通信机、相控阵天线构成微波链路；
激光电子学单机、激光终端构成激光链路。
优选地，微波通信机完成星间数据的组帧、编码、调制、解帧、译码、解调以及天线波束指向控制；
相控阵天线负责微波信号的收发，若干相控阵天线组合形成完整的球形视场；微波通信机根据卫星GPS信息递推计算天线指向，实现自主全向通信。
优选地，激光电子学单机完成光电信号调制解调、激光收发控制、激光功率放大、激光终端驱动；
激光终端负责光信号收发、目标的搜索/捕获/跟踪，若干激光终端组合形成完整的球形视场，完成双向捕获后进入闭环双向跟踪状态，实现自主全向通信。
优选地，还包括微波链路待机步骤：
激光链路建立后，微波链路进入待机状态。
优选地，还包括激光链路重建步骤：
判断激光链路是否正常工作，若判断结果为是，则不执行操作；若判断结果为否，则控制微波链路重新开启，激光链路依据位置信息重新完成激光终端预指向，主副星终端进行扫描，完成双向捕获，实现激光链路重建。
优选地，微波通信机依据断链前相对GNSS导航信息进行外推，依据外推位置进行波束指向计算及控制，微波链路完成重建。
优选地，所述双向捕获包括：主星的激光终端在轨道跟踪的基础上进行凝视跳步搜索，副星的激光终端在轨道跟踪基础上进行螺旋扫描。
优选地，所述主星能够和多个副星建立微波链路连接和激光链路连接。
优选地，所述激光终端包括一个激光终端或者多个激光终端的集合。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过微波链路建立后引导激光链路快速收敛捕获不确定域完成建链，具备复合链路自主快速建立能力，对地面系统依赖性小；
2、本发明采用全向星间微波激光通信技术，确保编队卫星在绕飞任意时刻、位置均可相互高速通信，对不同形式编队构型适应性强；
3、本发明通过微波激光链路自主化管理，微波链路常态下待机，激光链路异常后自主开启微波链路，交互星间信息，实现激光链路快速重建。在轨自主管理，适应能力强，系统鲁棒性好。
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为本发明提供的一种适用于复杂绕飞编队的全向微波激光复合星间链路的具体系统组成示意图，具体以三星系统为例；
图2为本发明提供的一种适用于复杂绕飞编队的全向微波激光复合星间链路入轨后快速自主建链流程图；
图3为本发明提供的一种适用于复杂绕飞编队的全向微波激光复合星间链路自主管理流程图。
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。
如图1所示，本发明实施例提供了一种适用于复杂绕飞编队的全向微波激光星间复合链路，为了更好的阐述此发明，选择较为复杂的三星系统进行说明，二颗副星分别相对主星为绕飞状态。
采用复合链路快速建链设计：入轨后上注多星轨道信息，星上开环轨道递推计算波束指向，快速完成微波链路建立，微波链路交互相对GNSS导航信息，有效减小激光链路初始捕获不确定区域，提升扫描捕获效率，完成激光链路高效自主建立。
采用全向激光微波链路设计：微波链路采用多个相控阵天线进行视场拼接实现球形视场，激光链路采用多激光终端视场拼接实现球形视场，微波激光链路均采用自主接力策略，实现不同视场的无中断切换，实现自主全向高速通信。
采用微波激光链路自主化管理技术：入轨后微波链路首先完成建立，引导激光链路快速扫描建立，激光链路维持的状态下，微波链路自主进入待机状态，激光链路异常断开后，微波链路重新开启，根据外推的GNSS导航信息微波链路重新建链，维持星间高精度相对GNSS导航信息交互，保障激光链路快速重新建链，激光链路恢复后自主关闭微波链路。
具体的，本发明采用复合链路快速建链设计，以1颗主星和1颗副星的链路建立为例。如图2所示，入轨后开启主副星微波链路，地面测定主副星精确轨道上注到星上，星上根据轨道参数进行卫星位置递推，结合卫星平台姿态进行微波天线指向解算，控制相控阵天线指向跟踪目标星，完成微波链路建立，相对GNSS导航信息可通过微波链路在两星间交互。相对GNSS导航的位置精度远优于地面星上递推的位置精度，可减小激光链路捕获不确定域，激光链路依据相对位置信息计算激光终端指向，主星终端可在轨道跟踪的基础上进行凝视跳步搜索，副星终端在轨道跟踪基础上进行螺旋扫描，最终完成双向捕获后，进入闭环跟踪状态。
具体的，微波链路由微波通信机、相控阵天线组成；微波通信机完成星间数据的组帧、编码、调制、解帧、译码、解调以及天线波束指向控制；相控阵天线负责微波信号的收发，2台相控阵天线组合形成完整的球形视场，每台相控阵天线有3个阵面，每个阵面可生成多个波束分别指向不同位置，微波通信机完成对目标星位置的实时高精度递推计算，从而得到波束指向角度，动态控制各波束分别指向各自目标星，可以在主副星间形成全向微波通信链路，适应主副星间的复杂绕飞编队。
具体的，激光链路由激光电子学单机、激光终端组成；激光电子学单机完成光电信号调制解调、激光收发控制、激光功率放大、激光终端驱动；激光终端负责光信号收发、目标的搜索/捕获/跟踪，2台激光终端组合形成完整的球形视场，每颗副星配置2 台激光终端即可完成与主星的高速通信，主星为保证同时与二颗副星进行通信需配置4 台激光终端，两两组合使用，主星每两个激光终端固定与一颗副星进行通信。
具体的，为了避免主副星间终端互相干扰，激光链路信号光选择1550nm波段，信标光选择800nm-900nm波段，信标光进行波长隔离，选择2种不同的信标光波长，具体为：808nm、850nm。收发信号光采用偏振隔离与波长隔离，选择4种不同的信号光波长，具体为：1545.32nm、1546.12nm、1546.92nm、1547.72nm。收发信号采用偏振隔离 +波长隔离方式进行区分，完成双向捕获后进入闭环双向跟踪状态，同时采用激光终端接力通信策略，多个激光终端在其视场重叠区域完成通信接力，实现激光链路自主全向通信。
具体的，微波激光链路采用自主化管理技术，以1颗主星和1颗副星的链路建立为例，如图3所示，入轨后微波链路首先完成建立，交互相对GNSS导航信息用于引导激光链路快速扫描建立，激光链路闭环跟踪正常建立后，微波链路自主进入待机状态，当激光电子学单机在一定时间内未接收信号，判读激光链路异常断链，控制微波链路重新开启，微波通信机可依据断链前相对GNSS导航信息进行外推，依据外推位置进行波束指向计算及控制，微波链路完成重建，微波链路可维持星间高精度的相对GNSS导航信息交互，激光链路依据位置信息重新完成激光终端预指向，主副星终端进行扫描，完成双向捕获，实现激光链路快速重建，激光链路重建后，关闭微波链路。
进一步的，本发明可通过增加激光终端数量、相控阵天线阵面波束数量、激光电子学单机内部模块、微波通信机内部模块等方式实现更多的卫星接入通信链路。
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 (7)

1.一种全向动态微波激光复合体制星间链路建链方法，其特征在于，包括如下步骤：
入轨信息上注步骤：主星和副星入轨后，主星和副星的轨道参数由地面测定并进行轨道递推后分别上注到主星和副星上；
微波链路建链步骤：主星和副星的相控阵天线根据轨道递推的轨道参数进行微波天线指向解算，建立主星和副星的微波链路；
激光链路建立步骤：主星和副星通过微波链路交互相对GNSS导航信息，主星和副星的激光终端进行扫描，完成双向捕获，完成激光链路建立；
主星和副星均包括激光电子学单机、微波通信机、相控阵天线以及激光终端，其中：
微波通信机、相控阵天线构成微波链路；
激光电子学单机、激光终端构成激光链路；
微波通信机完成星间数据的组帧、编码、调制、解帧、译码、解调以及天线波束指向控制；
相控阵天线负责微波信号的收发，若干相控阵天线组合形成完整的球形视场；微波通信机根据卫星GPS信息递推计算天线指向，实现自主全向通信；
激光电子学单机完成光电信号调制解调、激光收发控制、激光功率放大、激光终端驱动；
激光终端负责光信号收发、目标的搜索/捕获/跟踪，若干激光终端组合形成完整的球形视场，完成双向捕获后进入闭环双向跟踪状态，实现自主全向通信。
2.根据权利要求1所述的全向动态微波激光复合体制星间链路建链方法，其特征在于，还包括微波链路待机步骤：
激光链路建立后，微波链路进入待机状态。
3.根据权利要求2所述的全向动态微波激光复合体制星间链路建链方法，其特征在于，还包括激光链路重建步骤：
判断激光链路是否正常工作，若判断结果为是，则不执行操作；若判断结果为否，则控制微波链路重新开启，激光链路依据位置信息重新完成激光终端预指向，主副星终端进行扫描，完成双向捕获，实现激光链路重建。
4.根据权利要求3所述的全向动态微波激光复合体制星间链路建链方法，其特征在于，微波通信机依据断链前相对GNSS导航信息进行外推，依据外推位置进行波束指向计算及控制，微波链路完成重建。
5.根据权利要求1或3所述的全向动态微波激光复合体制星间链路建链方法，其特征在于，所述双向捕获包括：主星的激光终端在轨道跟踪的基础上进行凝视跳步搜索，副星的激光终端在轨道跟踪基础上进行螺旋扫描。
6.根据权利要求1所述的全向动态微波激光复合体制星间链路建链方法，其特征在于，所述主星能够和多个副星建立微波链路连接和激光链路连接。
7.根据权利要求1所述的全向动态微波激光复合体制星间链路建链方法，其特征在于，所述激光终端包括一个激光终端或者多个激光终端的集合。
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