CN112423352A - 面向多通道和速率自主切换的星间链路管控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低轨双星编队构形下多通道通信链路和多速率模式的自主切换控制方法，依据卫星编队的相对位置关系，实现星间链路和星间传输速率的自主切换，包括步骤1：卫星编队构形确定双星相对位置关系；步骤2：编队构形下计算视场角；步骤3：星间通道动态切换；步骤4：星间通信速率切换；步骤5：依据优先级动态调度星间数据传输。本发明具有工程仿真验证简单，应用灵活，单通道链路失效情况下不影响星间通信的质量，为未来编队卫星或者通信卫星的星间通信链路设计提供指导。

Description

面向多通道和速率自主切换的星间链路管控方法
技术领域
本发明涉及双星编队卫星数据通信链路领域，具体地，涉及一种面向多通道和速率自主切换的星间链路管控方法。
背景技术
随着卫星领域的不断发展，载荷系统越来越复杂，卫星通信也由单星对地通信，发展到双星或者多星间通信，以及星座集群通信技术。双星编队绕飞系统是由两个航天器组成，按照一定构形进行编队飞行，共同协调完成某些空间飞行任务，从而使飞行任务获得更大的价值。当单个卫星受任务需求、运载能力的约束，无法满足要求时，就需要采用编队卫星、卫星星座、星群的工作方式，建立星间通信的链路，星间通信实现卫星之间的信息交互。
根据卫星工作的特性和需求，可以采用直接双星通信方案，也可以通过中继星转发通信，或者多种方式协调切换方案。针对于载荷任务的工作特性，提出了高精度时间同步、高精度测距、星间数据无缝传输、星间高效数据融合、星地协同控制等等功能，这些功能都建立在稳定、可靠、安全的星间通信链路基础上。
星间通信链路的多通道和速率切换与卫星的相对位置、运动关系、通信指标等有直接的关系。当采用编队飞行方式控制时，星间通信的链路可以依据编队构形方式进行设计，编队飞行需要测量本星及它星的定位、定轨信息、姿态信息、测量信息等等，根据采集的信息进行编队保持或者自主精确控制，通过星间通信链路完成卫星间的信息交互，实现卫星编队构形。
在卫星星间通信领域，根据已检索的专利，该领域研究人员针对卫星星间通信链路设计已提出多种方法。
专利文献为CN200710063381.8的发明专利公开了一种卫星星间链路的切换保护方法，基于高速移动卫星网络通信方案，实现卫星通信网络的链路切换。未涉及低轨绕飞编队卫星多通道、多速率的星间链路的自主切换管理，不能解决本发明提出的一种面向多通道自主切换和多速率自主切换的星间链路管理问题。
专利文献为CN 201110023578.5的发明专利公开了一种卫星星间链路的链路重构方法，应用于卫星之间链路的重新构建。对于单颗卫星连接失效，进行星间链路系统重构。未涉及多速率的星间链路的自主切换控制，及故障情况下双星间的链路配合，不能解决本发明提出的基于低轨绕飞编队卫星多速率的星间链路的自主切换管理，及故障情况下星间链路的切换控制问题。
因此，目前尚无低轨绕飞编队卫星多通道、多速率的星间链路的自主切换管理的设计方法。针对这一情况，亟需开展低轨绕飞编队卫星星间链路的设计研究。
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面向多通道和速率自主切换的星间链路管控方法。
根据本发明提供的一种面向多通道和速率自主切换的星间链路管控方法，包括如下步骤：
步骤1：依据当前卫星编队构形，依据双星的相对运动方程，确定双星的相对位置关系；
步骤2：根据绕飞编队双星的轨道位置和卫星姿态角，计算双星测控天线相对视场角α；
步骤3：当前星间通道均正常情况下，依据步骤2的星间当前视场角的计算结果选择相应的通道进行数据传输；
步骤4：根据双星的绝对位置关系及相对位置关系，实时计算双星间距离，依据星间距离的计算结果，确定星间通信速率；
步骤5：根据当前的星间通信速率，选择相应的遥测数据进行组帧并转发到它星，或者接收它星数据；
步骤6：循环执行步骤2～5，进行动态多通道星间链路和速率切换控制。
优选地，所述步骤2包括：
步骤201：根据当前的轨道信息、姿态信息、天线安装信息、时间信息判断相对位置关系，计算双星测控天线相对视场，得出星间天线轴向矢量与双星星间天线相位中心连线矢量构成的夹角α，并预估相对可视时间，选择相应的链路进行数据通信；
步骤202：根据步骤201计算视场角是否在允许范围，若正向视场角在允许范围时计算背向安装的天线的视场角，若正向视场角不在允许范围时，根据上一周期天线视场的计算结果进行星间通道切换；
步骤203：计算背向安装的反向天线的视场角；
步骤204：根据步骤203反向视场角计算结果，若反向视场角在允许范围时计算背向安装的天线的视场角，若不在允许范围时，根据上一周期天线视场的计算结果进行星间通道切换；
优选地，视场角α减小至切换阈值β时或者增大至切换阈值γ时，使用与该天线对应的第一星间天线进行通信；
视场角α在切换阈值β和切换阈值γ之间时，则使用第二星间天线进行数据通信。
优选地，星间天线在重叠区域均进行接收/发送数据，星间通道切换完成后，进行单通道接收/发送数据，同时剔除重复数据。
优选地，星间天线使用安装在星体相对方向安装面上的双天线。
优选地，所述步骤3包括：进行星间通道的健康状态监视，故障情况下，自主剔除故障星间通道，依据步骤2星间当前视场角的计算结果选择相应的通道进行数据传输。
优选地，所述步骤4包括：
步骤401：通过星间测距信息、定位信息、及双星编队构形综合评估星间实际距离；
步骤402：判断星间距离是否超出阈值：通过控制管理部分的默认或者上注的阈值信息，判断星间距离是否超出当前阈值，若超出进行步骤403操作，如果没有超出，不进行操作；
步骤403：控制管理部分根据双星的绝对位置关系及相对位置关系，动态计算双星间距离，依据星间距离的计算结果，确定星间的通信速率。
优选地，星间距离近时通信速率高，星间距离远时通信速率相对低，依据星间距离、发射功率、能源、信息量确定星间通信速率。
优选地，星间通信链路在固定时间内，没有建立星间传输链路，恢复固定低速通信传输速率。
优选地，星间链路的通信速率不同，传输的信息会依据重要程度进行选择传输。通过对传输数据格式中优先级的判断，优先传输优先级高的数据。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明依据卫星编队的相对运动关系，实现星间通道链路的自主切换；
2、本发明通过双星的相对距离实现星间速率的自主切换，在单通道异常情况下进行星间链路的自主切换，保证星间通信的自主通信，具有工程仿真验证简单，应用灵活，链路可靠的优点；
3、本发明保证了星间通信的实时性，准确性，同时对于重要数据可靠传输；
4、本发明工程仿真验证简单，应用灵活，单通道链路失效情况下不影响星间通信的质量，为未来编队卫星或者通信卫星的星间通信链路设计提供指导。
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为本发明星间链路管理流程示意图。
图2为本发明星间链路系统组成示意图。
图3为本发明星间链路管理方法具体实施步骤示意图。
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。
参见图2，根据本发明一种基于星间链路管理的星间通信系统包括硬件和软件部分，其中硬件部分由天线、微波网络、射频通道、中频处理、基带部分、控制管理等组成。参见图3，其为本发明一种面向多通道自主切换和多速率自主切换的星间链路管理的流程图，包括步骤如下步骤。
步骤1双星相对位置确认：依据当前卫星编队构形，依据双星的相对运动方程，确定双星的相对位置关系；
步骤2视场角的计算：根据绕飞编队双星的轨道位置和卫星姿态角，控制管理部分计算双星测控天线相对视场，计算星间天线轴向矢量与双星星间天线相位中心连线矢量构成的夹角α；
步骤21正向天线视场角计算：控制管理部分根据当前的轨道信息、姿态信息、天线安装信息、时间信息综合判断相对位置关系，计算双星测控天线相对视场，得出星间天线轴向矢量与双星星间天线相位中心连线矢量构成的夹角α，并预估相对可视时间，选择相应的链路进行数据通信。
步骤22计算正向天线视场角是否在允许范围：根据步骤21计算视场角是否在允许范围，若正向视场角在允许范围时计算背向安装的天线的视场角，若不在允许范围时，根据上一周期天线视场的计算结果进行星间通道切换。
步骤23反向天线视场角的计算：根据步骤22的计算结果，当正向视场角在允许范围时计算背向安装的反向天线的视场角，若反向视场角在允许范围时计算正向安装的天线的视场角，若不在允许范围时，根据上一周期天线视场的计算结果进行星间通道切换。
步骤24计算反向天线视场角是否在允许范围：根据步骤21计算视场角是否在允许范围，若正向视场角在允许范围时计算背向安装的天线的视场角，若不在允许范围时，根据上一周期天线视场的计算结果进行星间通道切换。
步骤31星间通道切换：当前星间通道均正常情况下，依据步骤21-24星间当前视场角的计算结果选择相应的通道进行数据传输；
视场角α减小至切换阈值β时或者增大至切换阈值γ时，使用与该天线对应的星间天线1进行通信，若视场角α在切换阈值β和切换阈值γ之间时，则使用星间天线3进行数据通信，本发明不考虑星体遮挡，仅以理论角度计算结果确定切换选择，实际可以根据遮挡情况设定阈值。
为了保证星间数据的完整可靠，星间天线在重叠区域均进行接收/发送数据，星间通道切换完成后，进行单通道接收/发送数据，同时剔除重复数据。
使用安装在星体相对方向安装面上的双天线，实现360度全覆盖的通信链路。
步骤32星间单通道故障情况下，首先确定当前故障的星间通道，自主进行星间射频通道或者星间天线的切换，依据步骤21-24星间当前视场角的计算结果选择相应的通道进行数据传输，自主规避故障通道。
故障通道的判断依据星间链路有效状态标志，星间传输数据的时间标志，星间通道的锁定情况，以及星间距离参数，通过对上述信息进行综合判断，确认星间通道故障状态，并设置相应的状态标志，在进行通信链路规划是自主屏蔽故障链路。也可以通过地面上注故障链路信息，均可以作为通信链路规划的输入依据。
步骤41星间距离计算：通过星间测距信息、定位信息、及双星编队构形综合评估星间实际距离。
步骤42判断星间距离是否超出阈值：通过控制管理部分的默认或者上注的阈值信息，判断星间距离是否超出当前阈值，若超出进行步骤43操作，如果没有超出，不进行操作。
步骤43星间通信速率切换：控制管理部分根据双星的绝对位置关系及相对位置关系，动态计算双星间距离，依据星间距离的计算结果，确定星间的通信速率。
原则星间距离近时通信速率高，星间距离远时通信速率相对低，依据星间距离、发射功率、能源、信息量等确定星间通信速率。
为了保证星间通信速率的同步切换，通过星间数据同步协议，实现双星间通信速率的同步切换，在一段设定时间内，如果没有星间同步数据，控制管理部分设置恢复默认通信传输速率。
星间链路的通信速率不同，传输的信息会依据重要程度进行选择传输，对于优先级高的信息可以进行优先传输，优先级低的不保证完全传输。
步骤5星间数据传输：根据当前的星间通信速率，选择相应的遥测数据进行组帧并转发到它星，或者接收它星数据。
循环执行步骤21～5，进行动态多通道星间链路和速率切换控制，确保星间链路的无缝连接，数据可靠传输。
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。
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 (10)

1.一种面向多通道和速率自主切换的星间链路管控方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：依据当前卫星编队构形，依据双星的相对运动方程，确定双星的相对位置关系；
步骤2：根据绕飞编队双星的轨道位置和卫星姿态角，计算双星测控天线相对视场角α；
步骤3：当前星间通道均正常情况下，依据步骤2的星间当前视场角的计算结果选择相应的通道进行数据传输；
步骤4：根据双星的绝对位置关系及相对位置关系，实时计算双星间距离，依据星间距离的计算结果，确定星间通信速率；
步骤5：根据当前的星间通信速率，选择相应的遥测数据进行组帧并转发到它星，或者接收它星数据；
步骤6：循环执行步骤2～5，进行动态多通道星间链路和速率切换控制。
2.根据权利要求1所述的面向多通道和速率自主切换的星间链路管控方法，其特征在于，所述步骤2包括：
步骤201：根据当前的轨道信息、姿态信息、天线安装信息、时间信息判断相对位置关系，计算双星测控天线相对视场，得出星间天线轴向矢量与双星星间天线相位中心连线矢量构成的夹角α，并预估相对可视时间，选择相应的链路进行数据通信；
步骤202：根据步骤201计算视场角是否在允许范围，若正向视场角在允许范围时计算背向安装的天线的视场角，若正向视场角不在允许范围时，根据上一周期天线视场的计算结果进行星间通道切换；
步骤203：计算背向安装的反向天线的视场角；
步骤204：根据步骤203反向视场角计算结果，若反向视场角在允许范围时计算背向安装的天线的视场角，若不在允许范围时，根据上一周期天线视场的计算结果进行星间通道切换。
3.根据权利要求2所述的面向多通道和速率自主切换的星间链路管控方法，其特征在于，视场角α减小至切换阈值β时或者增大至切换阈值γ时，使用与该天线对应的第一星间天线进行通信；
视场角α在切换阈值β和切换阈值γ之间时，则使用第二星间天线进行数据通信。
4.根据权利要求3所述的面向多通道和速率自主切换的星间链路管控方法，其特征在于，星间天线在重叠区域均进行接收/发送数据，星间通道切换完成后，进行单通道接收/发送数据，同时剔除重复数据。
5.根据权利要求4所述的面向多通道和速率自主切换的星间链路管控方法，其特征在于，星间天线使用安装在星体相对方向安装面上的双天线。
6.根据权利要求1所述的面向多通道和速率自主切换的星间链路管控方法，其特征在于，所述步骤3包括：进行星间通道的健康状态监视，故障情况下，自主剔除故障星间通道，依据步骤2星间当前视场角的计算结果选择相应的通道进行数据传输。
7.根据权利要求1所述的面向多通道和速率自主切换的星间链路管控方法，其特征在于，所述步骤4包括：
步骤401：通过星间测距信息、定位信息、及双星编队构形综合评估星间实际距离；
步骤402：判断星间距离是否超出阈值：通过控制管理部分的默认或者上注的阈值信息，判断星间距离是否超出当前阈值，若超出进行步骤403操作，如果没有超出，不进行操作；
步骤403：控制管理部分根据双星的绝对位置关系及相对位置关系，动态计算双星间距离，依据星间距离的计算结果，确定星间的通信速率。
8.根据权利要求7所述的面向多通道和速率自主切换的星间链路管控方法，其特征在于，星间距离近时通信速率高，星间距离远时通信速率相对低，依据星间距离、发射功率、能源、信息量确定星间通信速率。
9.根据权利要求7所述的面向多通道和速率自主切换的星间链路管控方法，其特征在于，星间通信链路在固定时间内，没有建立星间传输链路，恢复固定低速通信传输速率。
10.根据权利要求7所述的面向多通道和速率自主切换的星间链路管控方法，其特征在于，星间链路的通信速率不同，传输的信息会依据重要程度进行选择传输。通过对传输数据格式中优先级的判断，优先传输优先级高的数据。
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