CN112019258B - 一种geo、leo混合星座及其设计方法 - Google Patents

一种geo、leo混合星座及其设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112019258B
CN112019258B CN202010918283.3A CN202010918283A CN112019258B CN 112019258 B CN112019258 B CN 112019258B CN 202010918283 A CN202010918283 A CN 202010918283A CN 112019258 B CN112019258 B CN 112019258B
Authority
CN
China
Prior art keywords
geo
satellite
leo
constellation
satellites
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010918283.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112019258A (zh
Inventor
杨春雨
安绍毅
卢山
肖永伟
王立民
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CETC 54 Research Institute
Original Assignee
CETC 54 Research Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by CETC 54 Research Institute filed Critical CETC 54 Research Institute
Priority to CN202010918283.3A priority Critical patent/CN112019258B/zh
Publication of CN112019258A publication Critical patent/CN112019258A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112019258B publication Critical patent/CN112019258B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/11—Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum
    • H04B10/118—Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum specially adapted for satellite communication
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/14—Relay systems
    • H04B7/15—Active relay systems
    • H04B7/185—Space-based or airborne stations; Stations for satellite systems
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/14—Relay systems
    • H04B7/15—Active relay systems
    • H04B7/185—Space-based or airborne stations; Stations for satellite systems
    • H04B7/18521—Systems of inter linked satellites, i.e. inter satellite service

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Astronomy & Astrophysics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Radio Relay Systems (AREA)

Abstract

本发明公开了一种GEO、LEO混合星座及其设计方法，属于卫星通信技术领域。该混合星座包括LEO卫星星座和GEO卫星星座；LEO卫星星座轨道倾角大于75°，LEO卫星星座包括多个等间隔分布的轨道面，LEO卫星星座同轨道内有多个卫星等间隔分布；GEO卫星星座包括位于GEO轨道上的多个卫星，GEO卫星及部分LEO卫星配置有激光通信终端；LEO卫星星座的任意轨道面在任意时刻均至少有1颗LEO卫星能够与1颗GEO卫星建立激光通信链路，GEO卫星星座中的任意GEO卫星在任意时刻均至少能够与1颗LEO卫星建立激光通信链路。本发明能够保证GEO与LEO星座的持续激光通信，并保证最高的链路使用效率、最小的链路切换频率和最少的激光通信终端数量。

Description

一种GEO、LEO混合星座及其设计方法
技术领域
本发明涉及一种GEO、LEO混合星座及其设计方法，属于卫星通信技术领域。
背景技术
目前，国内外LEO(Low Earth orbit，低地轨道)星座主要提供全球无缝覆盖的通信服务。受到政治、安全等因素，全球布站具有一定难度。而通过位于GEO(geostationaryorbit，地球静止轨道)上的若干卫星将LEO卫星的数据回传，则能够在一定程度上缓解关口站不足的影响。通过GEO与LEO卫星建立星间链路，能够组成一个GEO、LEO混合星座。但是，LEO与GEO星座之间还面临如何提升链路传输效率，减少链路的切换和链路终端的数量等问题。这些问题影响到这种混合星座的整体效率和成本。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种GEO、LEO混合星座及其设计方法，能够实现GEO、LEO混合星座的高效不间断通信，保证最高的链路使用效率、最小的链路切换频率和最少的激光通信终端数量。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种GEO、LEO混合星座，包括LEO卫星星座和GEO卫星星座；所述LEO卫星星座轨道倾角大于75°，LEO卫星星座包括多个等间隔分布的轨道面，LEO卫星星座同轨道内有多个卫星等间隔分布；所述GEO卫星星座包括位于GEO轨道上的多个卫星，GEO卫星及部分LEO卫星配置有激光通信终端，所述激光通信终端用于在GEO卫星与LEO卫星之间建立激光通信链路；所述LEO卫星星座的任意轨道面在任意时刻均至少有1颗LEO卫星能够与1颗GEO卫星建立激光通信链路，所述GEO卫星星座中的任意GEO卫星在任意时刻均至少能够与1颗LEO卫星建立激光通信链路。
此外，本发明还提供了上述GEO、LEO混合星座的设计方法，其包括以下步骤：
步骤一，确定GEO卫星和LEO卫星所需配置的激光通信终端的数量NL-GEO及NL-LEO；
步骤二，根据GEO、LEO混合星座的初始轨道参数和激光通信终端的视场范围，计算GEO、LEO卫星之间的最长连续通信时长T；
步骤三，根据GEO卫星与LEO卫星的最长连续通信时长T，计算切换GEO卫星通信链路的频率F；
步骤四，根据切换GEO卫星通信链路的频率F，计算GEO卫星数量NGEO，并确定各GEO卫星的相位；
完成GEO、LEO混合星座的设计。
本发明相比现有技术具有如下优点：
1、本发明缓解了单纯LEO星座在关口站数量有限的情况下的数据落地问题。
2、本发明在GEO与LEO星座间，建立了长期稳定的星间激光通信链路，单颗GEO卫星与LEO星座的通信链路切换频率可降低至每天10次以下，LEO星座的每个轨道面时刻具备与GEO星座的激光通信链路。
3、采用本发明，LEO星座内的卫星无需都配置对GEO卫星的激光通信终端，每个轨道面内仅需要2颗卫星配置1套对GEO卫星的激光通信终端。
4、本发明中，每颗GEO卫星最少仅需要配置2套对LEO卫星的激光通信终端。
5、本发明中，当LEO星座的轨道面数量超过了GEO卫星数量，可通过增加GEO卫星通信终端数量或增加GEO卫星的数量实现LEO星座每个轨道面与GEO星座建链，也可挑选部分LEO星座轨道面或各轨道面轮流与GEO星座建链。
附图说明
图1是本发明实施例中GEO卫星位于LEO轨道面同侧时的链路切换过程示意图。
图2是本发明实施例中GEO卫星位于LEO轨道面异侧时的链路切换过程示意图。
图3是本发明实施例中GEO卫星的设计结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
一种GEO、LEO混合星座，包括LEO卫星星座和GEO卫星星座；所述LEO卫星星座轨道倾角大于75°，LEO卫星星座包括多个等间隔分布的轨道面，LEO卫星星座同轨道内有多个卫星等间隔分布；所述GEO卫星星座包括位于GEO轨道上的多个卫星，GEO卫星及部分LEO卫星配置有激光通信终端，所述激光通信终端用于在GEO卫星与LEO卫星之间建立激光通信链路；所述LEO卫星星座的任意轨道面在任意时刻均至少有1颗LEO卫星能够与1颗GEO卫星建立激光通信链路，所述GEO卫星星座中的任意GEO卫星在任意时刻均至少能够与1颗LEO卫星建立激光通信链路。
上述GEO、LEO混合星座的设计方法如下：
步骤一，确定GEO卫星和LEO卫星所需配置的激光通信终端的数量NL-GEO及NL-LEO；
步骤二，根据GEO、LEO混合星座的初始轨道参数和激光通信终端的视场范围，计算GEO、LEO卫星之间的最长连续通信时长T；
步骤三，根据GEO卫星与LEO卫星的最长连续通信时长T，计算切换GEO卫星通信链路的频率F；
步骤四，根据切换GEO卫星通信链路的频率F，计算GEO卫星数量NGEO，并确定各GEO卫星的相位；
完成GEO、LEO混合星座的设计。
以下为一个更具体的实施例：
对于轨道高度h＝880km、轨道倾角i＝80°的圆轨道LEO星座，设计一种GEO、LEO混合星座。具体设计过程如下：
1)根据为实现LEO单轨道面的无间隔建链，LEO星座每个轨道面至少需要配置2条激光链路，可通过1颗卫星搭载2个激光终端，也可以2颗卫星各搭载1个激光终端。为降低卫星设计的成本，选择2颗卫星各搭载1个激光终端的方案更经济、更可靠，即NL-LEO＝1。
2)为了实现同一颗GEO卫星激光链路的连续性，GEO卫星须配置2个激光终端，即NL-GEO＝2。
3)根据GEO、LEO卫星的轨道参数，可以通过轨道分析软件计算出LEO卫星与GEO卫星的最长可见时长T≈233min，此数值仅与LEO卫星的轨道高度和轨道倾角有关，与卫星的相位无关；
4)GEO、LEO星间链路的切换频率F由下式计算得出：
Figure BDA0002665810420000051
向上取整后，GEO、LEO星间链路的切换频率F＝7次/天；
5)根据切换GEO卫星通信链路的频率F，计算GEO卫星数量NGEO，并确定GEO卫星的相位P1、P2、……Pn。
在LEO轨道面内等间隔选取两颗卫星(相位差180度)各配备1台对高轨的通信终端载荷。
LEO与GEO卫星之间通过交错建链的形式实现不间断建链，假设低轨卫星1(记为LEO1)与高轨卫星1(记为GEO1)建立通信链路(记为Chain1)，当链路不可见之前低轨卫星2(记为LEO2)需与高轨卫星2(记为GEO2)建立新的通信链路(记为Chain2)，并且希望新链路与原链路在轨道面的异侧，有利于减少GEO卫星的数量。
当两颗GEO卫星(GEO1、GEO2)位于LEO轨道面的同侧，图1所示状态下LEO1与GEO1的星间链路(LEO1—GEO1)由于地球遮挡将会在下一刻断开连接，另外一条星间链路(LEO2—GEO2)已经建立连接并且后续不能受到地球遮挡的影响，因此要想实现两条高低轨星间链路在低轨轨道面同侧无缝衔接，就需要两颗高轨卫星的地心相位差应不大于2β，其中β表示星间链路受地球遮挡时的高轨星与低轨轨道面法线的夹角。
根据图1所示的几何关系，可知GEO卫星与LEO轨道面夹角为α＝arccos(R/r1)+arccos(R/r2)，其中R为地球半径，r1和r2分别是GEO卫星和LEO卫星轨道半径。代入数值计算得α＝109.81°，从而可知GEO卫星与LEO轨道面法线的夹角β＝α-90°＝19.81°。得到位于LEO轨道面同侧连续建链两颗GEO卫星的地心相位差不大于2β＝39.62°。
如图2所示，当两颗GEO卫星(GEO1、GEO2)位于LEO轨道面的异侧时，假设t1时刻，两颗卫星(LEO1、GEO1)的星下点地理经度差大于90°，星间链路(LEO1—GEO1)受地球遮挡的影响将会在下一刻断开连接，此时星间链路(LEO2—GEO2)不受地球遮挡的影响，为保证该链路的持续可见，只需保证t2时刻(t2>t1)，LEO2运行到与GEO2星下点地理经度差大于90°时，星间链路仍不受地球遮挡的影响。
将时间间隔记作Δt＝t2-t1，GEO卫星GEO2这段时间内转过的地心角为θ。根据两颗LEO卫星(LEO1和LEO2)的相位关系可知Δt为轨道半周期，根据轨道周期公式
Figure BDA0002665810420000071
可得Δt＝T/2＝3076s，在此期间内GEO卫星转动的地心角θ＝Ω·Δt，其中GEO卫星转动角速度Ω＝0.00417°/s，代入计算可得θ＝12.81°。
又由于t1时刻GEO1与LEO轨道面法线的夹角β＝19.81°，此时两颗GEO卫星的地心相位差最小，为180°-2β-θ＝127.57°。
假设第一颗GEO卫星的相位P1＝0，则第2颗GEO卫星的相位为P2＝127°，第3颗GEO卫星的相位为：P3＝254°，第4颗卫星的相位为P4＝381°(也即为381°-360°＝21°)，并且有21°＜2β＝39.62°的关系，满足LEO轨道面同侧两颗GEO卫星不间断建链的要求。
最终的设计结果如图3所示。可见，通过以上4颗GEO卫星(GEO1～GEO4)就能实现与该LEO轨道面的不间断通信。
总之，本发明提出了一种GEO、LEO混合星座星间链路拓扑结构，能够保证GEO与LEO星座的持续激光通信，并能保证最高的链路使用效率、最小的链路切换频率和最少的激光通信终端数量。

Claims (2)

1.一种GEO、LEO混合星座，包括LEO卫星星座和GEO卫星星座；其特征在于，所述LEO卫星星座轨道倾角大于75°，LEO卫星星座包括多个等间隔分布的轨道面，LEO卫星星座同轨道内有多个卫星等间隔分布；所述GEO卫星星座包括位于GEO轨道上的多个卫星，GEO卫星及部分LEO卫星配置有激光通信终端，所述激光通信终端用于在GEO卫星与LEO卫星之间建立激光通信链路；所述LEO卫星星座的任意轨道面在任意时刻均至少有1颗LEO卫星能够与1颗GEO卫星建立激光通信链路，所述GEO卫星星座中的任意GEO卫星在任意时刻均至少能够与1颗LEO卫星建立激光通信链路；
该混合星座的设计方式如下：
步骤一，确定GEO卫星和LEO卫星所需配置的激光通信终端的数量NL-GEO及NL-LEO；
步骤二，根据GEO、LEO混合星座的初始轨道参数和激光通信终端的视场范围，计算GEO、LEO卫星之间的最长连续通信时长T；
步骤三，根据GEO卫星与LEO卫星的最长连续通信时长T，计算切换GEO卫星通信链路的频率F；
步骤四，根据切换GEO卫星通信链路的频率F，计算GEO卫星数量NGEO，并确定各GEO卫星的相位。
2.如权利要求1所述GEO、LEO混合星座的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，确定GEO卫星和LEO卫星所需配置的激光通信终端的数量NL-GEO及NL-LEO；
步骤二，根据GEO、LEO混合星座的初始轨道参数和激光通信终端的视场范围，计算GEO、LEO卫星之间的最长连续通信时长T；
步骤三，根据GEO卫星与LEO卫星的最长连续通信时长T，计算切换GEO卫星通信链路的频率F；
步骤四，根据切换GEO卫星通信链路的频率F，计算GEO卫星数量NGEO，并确定各GEO卫星的相位；
完成GEO、LEO混合星座的设计。
CN202010918283.3A 2020-09-04 2020-09-04 一种geo、leo混合星座及其设计方法 Active CN112019258B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010918283.3A CN112019258B (zh) 2020-09-04 2020-09-04 一种geo、leo混合星座及其设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010918283.3A CN112019258B (zh) 2020-09-04 2020-09-04 一种geo、leo混合星座及其设计方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112019258A CN112019258A (zh) 2020-12-01
CN112019258B true CN112019258B (zh) 2022-03-22

Family

ID=73516546

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010918283.3A Active CN112019258B (zh) 2020-09-04 2020-09-04 一种geo、leo混合星座及其设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112019258B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA3125140A1 (en) 2021-07-19 2023-01-19 Alan Scott Optical data communication system
US11888519B1 (en) 2022-04-01 2024-01-30 Lockheed Martin Corporation Optical communication satellite cross-connect

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101604996A (zh) * 2009-05-08 2009-12-16 中国人民解放军空军工程大学 低轨道/中轨道双层卫星光网络结构系统及设计计算方法
CN103178895A (zh) * 2013-03-12 2013-06-26 中国空间技术研究院 卫星移动通信星座星间测控系统和方法
CN103957045A (zh) * 2014-04-23 2014-07-30 中国人民解放军理工大学 一种面向全球信息分发的geo和leo双层卫星网络
CN105228209A (zh) * 2015-08-24 2016-01-06 哈尔滨工业大学 一种基于虚拟节点的分布式geo/leo混合网络路由方法
CN106713147A (zh) * 2016-12-29 2017-05-24 南京邮电大学 面向geo/leo双层卫星网络的抗毁路由方法
CN108566240A (zh) * 2018-03-28 2018-09-21 西安电子科技大学 一种适用于双层卫星网络的星间组网认证系统及方法
CN109450521A (zh) * 2018-12-10 2019-03-08 北京邮电大学 星间接入方法及装置
CN110771065A (zh) * 2017-06-21 2020-02-07 高通股份有限公司 用于多路复用混合卫星星座的方法和装置

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5887257A (en) * 1996-12-05 1999-03-23 Motorola, Inc. Hybrid constellation satellite comunication systems and methods with efficient signaling and control
US6684056B1 (en) * 2000-04-10 2004-01-27 Motorola, Inc. System for providing optimal satellite communication via a MEO/LEO satellite constellation
US7089013B2 (en) * 2004-07-20 2006-08-08 Astro Research Corporation Business model of the co-locating scheme of low earth orbit (LEO) and geostationary (GEO) satellite systems
CN107086888A (zh) * 2017-03-02 2017-08-22 重庆邮电大学 一种双层混合卫星网络优化设计及其覆盖性能评估方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101604996A (zh) * 2009-05-08 2009-12-16 中国人民解放军空军工程大学 低轨道/中轨道双层卫星光网络结构系统及设计计算方法
CN103178895A (zh) * 2013-03-12 2013-06-26 中国空间技术研究院 卫星移动通信星座星间测控系统和方法
CN103957045A (zh) * 2014-04-23 2014-07-30 中国人民解放军理工大学 一种面向全球信息分发的geo和leo双层卫星网络
CN105228209A (zh) * 2015-08-24 2016-01-06 哈尔滨工业大学 一种基于虚拟节点的分布式geo/leo混合网络路由方法
CN106713147A (zh) * 2016-12-29 2017-05-24 南京邮电大学 面向geo/leo双层卫星网络的抗毁路由方法
CN110771065A (zh) * 2017-06-21 2020-02-07 高通股份有限公司 用于多路复用混合卫星星座的方法和装置
CN108566240A (zh) * 2018-03-28 2018-09-21 西安电子科技大学 一种适用于双层卫星网络的星间组网认证系统及方法
CN109450521A (zh) * 2018-12-10 2019-03-08 北京邮电大学 星间接入方法及装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于GEO/LEO两层星座协同卫星组网分析;杨冬梅，等;《数字通信世界》;20181201;全篇 *
基于GEO/LEO两层星座的卫星组网结构分析;何俊，等;《火力与指挥控制 》;20190315;第47-54页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112019258A (zh) 2020-12-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112019258B (zh) 一种geo、leo混合星座及其设计方法
US6327523B2 (en) Overhead system of inclined eccentric geosynchronous orbitting satellites
US6460808B2 (en) Satellite system and method of deploying same
US5999797A (en) Method and apparatus for providing private global networks in a satellite communication system
CN110266366B (zh) 一种卫星导航系统数据传输跨层交换方法
JPH0553411B2 (zh)
CN113691303A (zh) 一种光链中继通信系统
CN115173934B (zh) 波束切换方法和系统
CN114513246B (zh) 中轨中继通信组网卫星系统及通信方法
CN115243296A (zh) 卫星通信系统的优化仿真方法及装置
CN116896408B (zh) 一种利用geo业务波束进行leo中继数据回传的方法
US6491257B1 (en) Technique for satellite constellation growth
WO2022011710A1 (zh) 上行定时提前的更新方法、装置、设备及介质
Abbasi-Moghadam et al. Store and forward communication payload design for LEO satellite systems
Si et al. A survey on the development of low-orbit mega-constellation and its TT&C methods
Liu et al. Channel reservation based load aware handover for LEO satellite communications
WO2023241362A1 (zh) 一种星间链路构建方法及通信装置
CN111049564A (zh) 一种卫星通信方法
Zhu et al. High Reliability and Wide Coverage Space-based TT&C System Based on S/Ka Dual band Wide and Narrow Beam Fusion Technology
CN117856866A (zh) 一种基于天链中继卫星系统的地月空间航天器通信方法
Tuck et al. The Calling Network: a global telephone utility
CN111628812B (zh) 一种卫星星座系统
Tuck et al. The Calling^ S^ M Network: a global telephone utility
CN114978286B (zh) 一种高低轨卫星星座设计方法及卫星接入功能部署系统
Gao et al. Research on LEO Satellite Access Algorithm Based on Multifactor Weighted Synthesis

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant