CN113271136B

CN113271136B - 基于高中低轨混合星座构型的星间网络拓扑结构

Info

Publication number: CN113271136B
Application number: CN202110372131.2A
Authority: CN
Inventors: 徐晓帆; 李毅; 肖飞; 潘沭铭; 王妮炜; 李玉辉; 高璎园; 黄宇; 崔越; 李果; 康海龙; 陆洲
Original assignee: China Academy of Electronic and Information Technology of CETC
Current assignee: China Academy of Electronic and Information Technology of CETC
Priority date: 2021-04-07
Filing date: 2021-04-07
Publication date: 2022-12-16
Anticipated expiration: 2041-04-07
Also published as: CN113271136A

Abstract

本发明公开了一种基于高中低轨混合星座构型的星间网络拓扑结构，包括：GEO星座，包括位于同一静地轨道且相互通信连接的多个GEO卫星；IGSO极轨星座，与GEO星座通信连接，IGSO极轨星座包括多个经过极地附近的IGSO卫星轨道，每个轨道间相互通信连接，每个IGSO卫星轨道上具有多个相互通信连接的IGSO卫星；MEO极轨星座，与IGSO极轨星座通信连接，MEO极轨星座包括多个经过极地附近的相互通信连接的MEO卫星轨道，每个MEO卫星轨道上具有多个相互通信连接的MEO卫星；LEO极轨星座，与IGSO极轨星座和MEO极轨星座均通信连接，LEO极轨星座包括多个经过极地附近的相互通信连接的LEO卫星轨道，每个LEO卫星轨道上具有多个相互通信连接的LEO卫星。本发明可形成立体化全球覆盖能力。

Description

基于高中低轨混合星座构型的星间网络拓扑结构

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种基于高中低轨混合星座构型的星间网络拓扑结构。

背景技术

由于航空、航天、航海以及各种全球化环境监测、野外搜救、野外作业等应用需求不断增加，地面无线网络受限于覆盖能力而不能满足上述各类应用需求，使得卫星无线网络的应用日益受到青睐。

目前，基于卫星的通信、导航、遥感信息传输由不同卫星网络负责，星座功能比较分散，但随着信息融合需求的不断增加，通信、导航、遥感、监测一体化的综合型卫星会逐渐成为主流，而卫星星座的混合组网也会成为主要发展趋势。

发明内容

本发明实施例提供一种基于高中低轨混合星座构型的星间网络拓扑结构，用以解决现有技术中基于卫星的通信、导航、遥感信息传输由不同卫星网络负责，星座功能比较分散的问题。

根据本发明实施例的基于高中低轨混合星座构型的星间网络拓扑结构，包括：

GEO星座，包括位于同一静地轨道轨道且相互通信连接的多个GEO卫星；

IGSO极轨星座，与所述GEO星座通信连接，所述IGSO极轨星座包括多个经过极地附近的相互通信连接的IGSO卫星轨道，每个所述IGSO卫星轨道上具有多个相互通信连接的IGSO卫星；

MEO极轨星座，与所述IGSO极轨星座通信连接，所述MEO极轨星座包括多个经过极地附近的相互通信连接的MEO卫星轨道，每个所述MEO卫星轨道上具有多个相互通信连接的MEO卫星；

LEO极轨星座，与所述IGSO极轨星座和所述MEO极轨星座均通信连接，所述LEO极轨星座包括多个经过极地附近的相互通信连接的LEO卫星轨道，每个所述LEO卫星轨道上具有多个相互通信连接的LEO卫星。

根据本发明的一些实施例，所有卫星均采用波束组对地覆盖，每个波束组占用一个上、下行频率集，所述上、下行频率集包括三个上、下行频率对。

根据本发明的一些实施例，每个轨道使用两种波束组，且同一轨道中相邻的两个卫星使用的波束组类别不同；

相邻轨道所使用的两种波束组不同，不相邻轨所使用的两组波束组相同。

根据本发明的一些实施例，在南、北极关闭部分卫星的波束组信号。

根据本发明的一些实施例，所有轨道所在平面与赤道所在平面的夹角均小于90°。

根据本发明的一些实施例，每个轨道上的卫星均沿顺时针和逆时针方向顺次通信双向连接。

根据本发明的一些实施例，任一所述IGSO卫星轨道上的N个所述IGSO卫星，与其相邻的IGSO卫星轨道上的N个所述IGSO卫星一一对应或部分对应且双向互连，并通过星间伺服机制保持星间恒互连状态；

任一所述MEO卫星轨道上的N1个所述MEO卫星，与其相邻的MEO卫星轨道上的N1个所述MEO卫星一一对应或部分对应且双向互连，并通过星间伺服机制保持星间恒互连状态；

任一所述LEO卫星轨道上的N2个所述LEO卫星，与其相邻的LEO卫星轨道上的N2个所述LEO卫星一一对应或部分对应且双向互连，并通过星间伺服机制保持星间恒互连状态。

根据本发明的一些实施例，多个所述IGSO卫星轨道中的部分轨道与MEO星座中的部分轨道存在通信互联关系；

多个所述IGSO卫星轨道中的部分轨道与LEO星座中的部分轨道存在通信互联关系；

多个所述MEO卫星轨道中的部分轨道与LEO星座中的部分轨道存在通信互联关系；

存在通信互联关系的IGSO卫星轨道和MEO卫星轨道在同一平面内形成同心圆结构；

存在通信互联关系的IGSO卫星轨道和LEO卫星轨道在同一平面内形成同心圆结构；

存在通信互联关系的MEO卫星轨道和LEO卫星轨道在同一平面内形成同心圆结构。

根据本发明的一些实施例，存在通信互联关系的IGSO卫星轨道和MEO卫星轨道上，部分IGSO卫星与部分MEO卫星阶段性互联，互联关系定期切换；

存在通信互联关系的IGSO卫星轨道和LEO卫星轨道上，部分IGSO卫星与部分LEO卫星阶段性互联，互联关系定期切换；

存在通信互联关系的MEO卫星轨道和LEO卫星轨道上，部分MEO卫星与部分LEO卫星阶段性互联，互联关系定期切换。

根据本发明的一些实施例，所述多个GEO卫星包括M对GEO卫星对，每对所述GEO卫星对包括两颗经度差为α的GEO卫星，175°≤α≤185°；

M对所述GEO卫星对与M个所述IGSO卫星轨道一一对应，每对所述GEO卫星与其对应的IGSO卫星轨道上的两个IGSO卫星互连；

所述GEO卫星运行到拟互连的所述IGSO轨道面法向附近时，选定该IGSO轨道面与GEO轨道面交线附近的IGSO卫星作为互连对象，且每对GEO卫星互连的一对IGSO卫星分布于交线两端。

采用本发明实施例，GEO星座、IGSO极轨星座、MEO极轨星座、LEO极轨星座形成不同轨道高度的卫星子网，能够对不同高度区域形成有效覆盖，并且，GEO星座与IGSO极轨星座(IGSO_Polar星座)组合，前者可对全球中低纬度区域形成常态凝视覆盖，后者可对地球上高中低纬陆地区域或其他特定区域形成常态接力覆盖。GEO星座与IGSO_Polar星座还具备极高(例如高度2000公里以上5000公里以下)区域的覆盖能力。LEO极轨星座(LEO_Polar星座)、MEO极轨星座(MEO_Polar星座)均可对两极地区形成常态接力覆盖，并对中低纬度区域形成频繁的过顶覆盖，并且，LEO_Polar星座与MEO_Polar星座组合，前者可以有效覆盖低空(例如高度50公里以下)区域，后者可以有效覆盖LEO_Polar星座无法覆盖的高空(例如高度50公里以上2000公里以下)区域。因此，GEO星座、IGSO_Polar星座、MEO_Polar星座、LEO_Polar星座组合，可形成立体化全球覆盖能力，是未来卫星网络发展的重要方向。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施例中IGSO卫星轨道与LEO卫星轨道共平面同向绕行示意图；

图2是本发明实施例中IGSO卫星轨道与MEO卫星轨道共平面同向绕行示意图；

图3是本发明实施例中MEO卫星轨道与LEO卫星轨道共平面同向绕行示意图；

图4是本发明实施例中Polar星座构型示意图；

图5是本发明实施例中IGSO_Polar星座与GEO星座在GEO轨道上的会临示意图；

图6是本发明实施例中一个波束组的地面覆盖示意图；

图7是本发明实施例中Polar星座的波束组分配示意图；

图8是本发明实施例中同轨道双向环形网络示意图；

图9是本发明实施例中相邻异轨道间相邻卫星节点双向连接示意图；

图10是本发明实施例中同平面内的IGSO卫星与LEO卫星开始建立连接示意图；

图11是本发明实施例中同平面内的IGSO卫星与LEO卫星即将终止连接示意图；

图12是本发明实施例中同平面内的IGSO卫星与MEO卫星开始建立连接示意图；

图13是本发明实施例中同平面内的IGSO卫星与MEO卫星即将终止连接示意图；

图14是本发明实施例中同平面内的MEO卫星与LEO卫星开始建立连接示意图；

图15是本发明实施例中同平面内的MEO卫星与LEO卫星即将终止连接示意图；

图16是本发明实施例中GEO星与IGSO卫星的互连关系说明图；

图17是本发明实施例中GEO卫星之间的连接关系示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

GEO卫星和IGSO卫星运转周期相同，均称为地球同步轨道卫星，轨道高度为35786公里。GEO星座中，各卫星的星下投影近似于一个点，可对中低纬固定区域进行凝视覆盖；IGSO星座中，各卫星的星下投影是一个以赤道为对称轴的南北向“8”字形轨迹，可对南北半球中高纬固定区域进行接力覆盖。由于GEO卫星或IGSO卫星的星地传输距离远，不利于地面收发终端的小型化和低功耗设计，但其滞空时间非常长，特别适合星地关口站高速率通信，另外，在一定程度上也可以支持卫星与地面小型终端间的低速率移动通信，还能支持卫星与飞行高度数千乃至上万公里的空天飞行器间的高速率移动通信。

LEO卫星的轨道高度在400～2000公里，星地传输距离短，有利于地面收发终端的小型化和低功耗设计，但滞空时间短，终端需要频繁切换接入节点，影响通信的持续性，但特别适合异步数据传输，因此，利于卫星物联网应用或卫星互联网数据传输。由于轨道高度太低，LEO卫星不利于与飞行高度在几千公里以上的空天飞行器通信。

MEO卫星的轨道高度介于LEO和GEO/IGSO之间，滞空时间较长，星地传输距离介于GEO/IGSO和LEO之间，在一定程度上利于地面收发终端的小型化和低功耗设计，也适用于飞行高度在几千公里以上的空天飞行器。

随着空、天、地、海运载技术的快速发展，人类在近地空间中的活动范围日趋立体化，为尽量减小通信距离对卫星与用户终端间通信的影响，需将近地空间划分成若干个不同高度区域，每个高度区域由相应轨道高度的卫星负责其信号覆盖并提供相对理想的传输能力。

为满足立体化覆盖需求，必须构建高中低轨混合星座，每颗星上可搭载一种或多种对地通信载荷和射频部件，以实现对不同高度区域的信号覆盖。

受限于当前星间组网的技术成熟度，国内外大规模混合星座组网尚处于预研阶段，一些星间组网试验主要围绕单一星座，针对混合星座构型及混合星座条件下的星间网络拓扑结构研究仍不成熟。

基于此，本发明实施例提出一种基于高中低轨混合星座构型的星间网络拓扑结构，包括：

GEO星座，包括位于同一静地轨道且相互通信连接的多个GEO卫星；这里的“静地轨道”可以理解为该轨道上面的卫星相对于地球是静止的。

IGSO极轨星座，与所述GEO星座通信连接，所述IGSO极轨星座包括多个经过极地附近的相互通信连接的IGSO卫星轨道，每个所述IGSO卫星轨道上具有多个相互通信连接的IGSO卫星；这里的“极地附近”可以理解为靠近极地的位置，例如，维度在75度以上的区域。

在上述实施例的基础上，进一步提出各变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在各变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。

根据本发明的一些实施例，每个轨道上的卫星均沿顺时针和逆时针方向顺次通信双向连接。可以理解的是，在顺时针方向上，每个轨道上的各个卫星依次通信连接，在逆时针方向上，每个轨道上的各个卫星也依次通信连接。

例如，多个所述IGSO卫星轨道包括第一IGSO卫星轨道和第二IGSO卫星轨道；

多个所述MEO卫星轨道包括第一MEO卫星轨道和第二MEO卫星轨道；

多个所述LEO卫星轨道包括第一LEO卫星轨道和第二LEO卫星轨道；

所述第一IGSO卫星轨道与所述第一MEO卫星轨道在同一平面内形成同心圆结构；

所述第一IGSO卫星轨道上的a个IGSO卫星与所述第一MEO卫星轨道上的a个MEO卫星一一对应且双向互连；

所述第二IGSO卫星轨道与所述第一LEO卫星轨道在同一平面内形成同心圆结构；

所述第二IGSO卫星轨道上的b个IGSO卫星与所述第一LEO卫星轨道上的b个LEO卫星一一对应且双向互连；

所述第二MEO卫星轨道与所述第二LEO卫星轨道在同一平面内形成同心圆结构；

所述第二MEO卫星轨道上的c个MEO卫星与所述第二LEO卫星轨道上的c个LEO卫星一一对应且双向互连。

例如，在不同第一预设时间段内，所述IGSO卫星与不同的MEO卫星通信连接；

在不同第二预设时间段内，所述IGSO卫星与不同的LEO卫星通信连接；

在不同第三预设时间段内，所述LEO卫星与不同的MEO卫星通信连接。

下面参照图1-图17以一个具体的实施例详细描述根据本发明实施例的基于高中低轨混合星座构型的星间网络拓扑结构。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对本发明的具体限制。凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

本发明针对高中低轨卫星的星间组网，提出了一种高中低轨混合星座构型，并基于该高中低轨混合星座构型，提出一种星间网络拓扑结构，描述了整个网络的拓扑特点。高中低轨混合星座构型，包括1个GEO星座、1个IGSO极轨星座(IGSO_Polar星座)、1个MEO极轨星座(MEO_Polar星座)、1个LEO极轨星座(LEO_Polar星座)，每个子星座形成一个子网络。其中，GEO星座与IGSO极轨星座存在局部连接关系，IGSO极轨星座与MEO极轨星座存在局部连接关系，IGSO极轨星座与LEO极轨星座存在局部连接关系，MEO极轨星座与LEO极轨星座存在局部连接关系，从而使4个子星座相互连接构成一个卫星网络整体，而每个子星座在覆盖能力、主要功能上均各有侧重。

IGSO_Polar星座的部分轨道分别与LEO_Polar星座中部分轨道在同一平面内形成同心圆结构，并且，该平面内，IGSO卫星与LEO卫星在轨绕行方向相同，如图1，黑色五角星代表IGSO卫星，黑色圆点代表LEO卫星。

IGSO_Polar星座的部分轨道分别与MEO_Polar星座中部分轨道在同一平面内形成同心圆结构，并且，该平面内，IGSO卫星与MEO卫星在轨绕行方向相同，如图2，黑色五角星代表IGSO卫星，黑色正方形代表MEO卫星。

MEO_Polar星座的部分轨道分别与LEO_Polar星座中部分轨道在同一平面内形成同心圆结构，并且，该平面内，MEO卫星与LEO卫星在轨绕行方向相同，如图3，黑色正方形代表MEO卫星，黑色圆点代表LEO卫星。

在此，需要说明的是，在图1、图2、图3中，所示卫星数仅为示意，不作为真实的数量约定。

IGSO卫星、MEO卫星、LEO卫星分别各自组成相应的Polar星座，简称IGSO_Polar星座、MEO_Polar星座、LEO_Polar星座，Polar星座构型示意图如图4所示，各轨道均为圆轨道，图中，实线圆、虚线椭圆、点划线椭圆，分别表示轨面法向不同的卫星轨道。这里，需要说明的是，图4只是一种实施方式，在实际过程中，每个Polar星座的轨道数目并不限于3个。其中，同一轨道上的卫星，用相同的图标表示，如：黑色三角形、黑色五边形、黑色六边形。

IGSO_Polar星座与GEO星座在GEO轨道上的会临示意图如图5所示。图中，黑色七角星为GEO卫星，其在轨绕行方向与地球自转方向相同；虚五角星为IGSO卫星轨道面与GEO卫星轨道的交点；虚线为IGSO卫星轨道面与GEO卫星轨道面的交线。由于IGSO卫星与GEO卫星的轨道周期相同，因此，每颗IGSO卫星与GEO卫星在GEO轨道上会临时，均会复现固定不变的相对位置关系。需要说明的是，图5中，所示GEO卫星数仅为示意，不作为真实的数量约定。

各子星座中的卫星均采用波束组对地覆盖，每个波束组占用1个上、下行频率集，该频率集由3个上、下行频率对构成。图6是一个波束组的覆盖排序示意，各圆环区域代表不同波束投影区域，“Fp₁”、“Fp₂”、“Fp₃”代表3个上、下行频率对，依次为Fp₁(f_1U，f_1D)、Fp₂(f_2U，f_2D)、Fp₃(f_3U，f_3D)，f_iU为上行频率，f_iD为下行频率，i＝1,2,3。

IGSO卫星、MEO卫星、LEO卫星各自组成的Polar星座的波束组分配模式示意图如图7，其中，实线圆、虚线椭圆、点划线椭圆分别代表3个不同轨道，实线圆代表的轨道与虚线椭圆代表的轨道为相邻关系，实线圆代表的轨道与点划线椭圆代表的轨道为相隔关系。波束组的分配特点如下：

a)同轨道内卫星节点波束组交替分布

同轨道内使用2个波束组，不同波束组卫星轨位交替分布，如图7中实线圆代表的轨道所示，采用波束组1的卫星和采用波束组2的卫星交替分布。不同波束组使用完全不同的上下、行频率集，因此，同轨道共需6个上、下行频率对。

b)异轨道间波束组集合交替分布

相邻轨道卫星使用不同波束组集合，相隔轨道卫星使用相同波束组集合。如图7，实线圆代表的轨道使用波束组1、波束组2构成的波束组集合，虚线椭圆代表的轨道使用波束组3、波束组4构成的波束组集合，这两个轨道为相邻关系；点划线椭圆代表的轨道也使用波束组1、波束组2构成的波束组集合，但该轨道与实线圆代表的轨道为相隔关系。

每个Polar星座只需4个波束组，共12个上、下行频率对。为避免不同卫星在南北极汇聚区域相同波束组信号互扰，在此区域关停部分卫星的波束组信号。采用Polar星座且轨道高度相同的卫星，为避免卫星在极地上空发生碰撞，卫星轨道面与赤道面夹角要略小于90°。

每个Polar星座中，同一轨道上，相邻卫星顺次连接，构成顺时针和逆时针双向环形网络，互连示意如图8。

每个Polar星座中，相邻轨道间的相邻卫星构成轨道间双向互连，互连示意如图9，图中，实线圆和虚线椭圆代表相邻轨道，黑色五边形代表其中一个轨道上的卫星，黑色六边形代表另一轨道上的卫星。

每个Polar星座中，相邻异轨道间相邻卫星节点双向互连后，通过星间伺服机制保持星间恒互连状态，以保证相同Polar子星座中拓扑连接关系不变。

IGSO_Polar星座的部分轨道分别与LEO_Polar星座中部分轨道在同一平面内形成同心圆结构，其互联关系如图10、图11，图中，黑色五角星代表IGSO卫星，黑色圆点代表LEO卫星。

图10是IGSO卫星与LEO卫星开始建立连接时的相对位置状态，图11是IGSO卫星与LEO卫星即将终止连接时的相对位置状态，由于IGSO卫星与LEO卫星处于同一平面内，且轨道为同心圆结构，二者绕行方向相同，因此，该互连模式下，IGSO轨道和LEO轨道间拓扑的保持时间最长。

IGSO_Polar星座的部分轨道分别与MEO_Polar星座中部分轨道在同一平面内形成同心圆结构，其互联关系如图12、图13，图中，黑色五角星代表IGSO卫星，黑色正方形代表MEO卫星。

图12是IGSO卫星与MEO卫星开始建立连接时的相对位置状态，图13是IGSO卫星与MEO卫星即将终止连接时的相对位置状态，由于IGSO卫星与MEO卫星处于同一平面内，且轨道为同心圆结构，二者绕行方向相同，因此，该互连模式下，IGSO轨道和MEO轨道间拓扑的保持时间最长。

MEO_Polar星座的部分轨道分别与LEO_Polar星座中部分轨道在同一平面内形成同心圆结构，其互联关系如图14、图15，图中，黑色正方形代表MEO卫星，黑色圆点代表LEO卫星。

图14是MEO卫星与LEO卫星开始建立连接时的相对位置状态，图15是MEO卫星与LEO卫星即将终止连接时的相对位置状态，由于MEO卫星与LEO卫星处于同一平面内，且轨道为同心圆结构，二者绕行方向相同，因此，该互连模式下，MEO轨道和LEO轨道间拓扑的保持时间最长。

GEO星与IGSO卫星的互连关系示意图如图16，图中，三条虚线依次是三个IGSO轨道面S₁、S₂、S₃与GEO轨道面的交线，因GEO星与IGSO卫星在轨运行周期相同，因此，二者互连时，选择合适的互连组合，可实现永久互连，另外，还可以使彼此连接的GEO星和IGSO卫星各自在轨运动时彼此之间空间距离变化范围尽量小些，这有利于保证星间传输速率稳定(或减轻星间传输设备的模拟AGC压力)。为此，将每两颗经度差接近180°的GEO星作为一对，将GEO轨道上的卫星分为几对，每对分别与一个IGSO轨道上的两个卫星节点互连。每对GEO星完成与IGSO轨道上卫星节点的初始互连应遵从如下原则：GEO星运行到拟互连的IGSO轨道面法向附近时，选定该IGSO轨道面与GEO轨道面交线附近的IGSO卫星作为互连对象，且每对GEO星互连的一对IGSO卫星应分布于交线两端。例如：GEO_1星、GEO_4星作为一对，其拟互连的IGSO轨道面为S₁，当GEO_1星、GEO_4星运行到图16中位置附近时，GEO_1星与“A”点附近的IGSO卫星互连，GEO_4星与“B”点附近的IGSO卫星互连。完成初始互连后，二者此后保持恒互连状态。

GEO星座中，各GEO卫星之间的连接关系示意图见图17。

各GEO卫星与LEO卫星之间均不进行直接互连。

采用本发明实施例，GEO、IGSO、MEO、LEO形成不同轨道高度的卫星子网，能够对不同高度区域形成有效覆盖，并且，GEO星座与IGSO_Polar星座组合，前者可对全球中低纬度区域形成常态凝视覆盖，后者可对地球上高中低纬陆地区域或其他特定区域形成常态接力覆盖。GEO星座与IGSO_Polar星座还具备极高(例如高度2000公里以上5000公里以下)区域的覆盖能力。

LEO_Polar星座、MEO_Polar星座均可对两极地区形成常态接力覆盖，并对中低纬度区域形成频繁的过顶覆盖，并且，LEO_Polar星座与MEO_Polar星座组合，前者可以有效覆盖低空(例如高度50公里以下)区域，后者可以有效覆盖LEO_Polar星座无法覆盖的高空(例如高度50公里以上2000公里以下)区域。

因此，GEO星座、IGSO_Polar星座、MEO_Polar星座、LEO_Polar星座组合，可形成立体化全球覆盖能力，是未来卫星网络发展的重要方向。

本卫星网络由1个IGSO_Polar星座、1个MEO_Polar星座、1个LEO_Polar星座、1个GEO星座构成，各星座内的卫星节点相互间拓扑连接关系恒定；IGSO_Polar星座、MEO_Polar星座、LEO_Polar星座中，相邻异轨道间部分节点采用本发明实施例的双向连接，由于相邻轨道上的相邻卫星运行方向相同(反向缝轨道间不进行互连)，因此，相邻轨道间的拓扑连接关系恒定；GEO星座与IGSO_Polar星座间的互连，其拓扑连接关系恒定；IGSO_Polar星座与LEO_Polar星座间的互连，其拓扑连接关系每隔较长一段时间(几十分钟)会改变一次；IGSO_Polar星座与MEO_Polar星座间的互连，其拓扑连接关系每隔较长一段时间(几小时)会改变一次；MEO_Polar星座与LEO_Polar星座间的互连，其拓扑连接关系每隔较长一段时间(几小时)会改变一次。因此，本星座结构下的星间网络拓扑稳定性好。

在网络拓扑稳定性良好的前提下，星间路由技术的实现会变得简单，信息在星间网络上的路由传输更加可靠。

由于星间通信距离遥远，信号自由空间传输损耗大，为实现星间高速数据传输，必须使用窄波束或激光通信进行能量高度集中的定向传输，需进行星间远距离跟瞄。由于卫星在轨运行时，受太阳光压、自动姿态调整等因素影响，卫星平台在轨姿态会发生一定程度的缓慢变化，对星上通信载荷的信号指向形成干扰，如果网络的拓扑连接关系频繁变化，星间远距离跟瞄设备必须频繁切换跟瞄目标，跟瞄设备的方向调整(因角动量关系)又会反过来影响卫星平台的姿态稳定性，从而增加星间连接技术复杂度，另外，受限于跟瞄机械装置的角度调整能力，如果实现对任意方向跟瞄，跟瞄装置的技术复杂度很高。

在本发明所述星座构型前提下，星间网络拓扑稳定性好，星间连接只有部分拓扑连接点每隔几十分钟到几小时变化一次，且新建拓扑连接点处于同平面内的同心圆轨道上，大大降低了星间跟瞄难度，有利于降低星间跟瞄机械装置的技术复杂度。

由于本发明所述星座构型下的星间网络拓扑稳定性好、星间连接技术复杂度低，有利于降低星间路由传输协议的复杂度，并且，借助IGSO卫星对陆地区域的接力覆盖能力和GEO卫星对陆地区域的凝视覆盖能力，可以在高、中、低纬陆地区域建立多个相互备份的星地高速关口站，通过备份传输有利于消除云、雨、雪、雾、尘等气候因素对星地高速数传的干扰。另外，同轨道卫星采用双向环形连接，即使某对连接点间因天体强光干扰而发生激光通信中断，信息也可从环形链路的另外一侧绕行连通；异轨道间由不同传输指向的多对节点连接，相互构成连接备份，即使其中某几对传输指向接近的激光通信链路因天体强光干扰而发生中断，也可从备份连接通路上实现异轨道间的正常信息交互。因此，网络的整体工作可靠性高。

卫星移动互联网无论采用何种技术，其网络传输时延性能均不可能与地面局域互联网媲美，因此，卫星互联网的性能评价，主要依据其是否可以解决主流应用问题。从目前通信业务的消费偏好来看，在线话音业务的占比逐年下降，在线和离线数据传输业务的占比逐年上升。如果考虑未来广域物联网应用不断普及这一必然趋势，未来在线和离线数据传输业务占比还有相当大的上升空间，卫星移动互联网作为地面互联网的覆盖延伸，其主流业务的发展趋势亦不例外。而在线和离线数据传输业务中，绝大多数业务对网络的时延要求并不苛刻，秒级延迟对于这些用户而言并不敏感。

卫星移动互联网的应用优势主要在于对地面互联网的覆盖延伸，因此，时敏性并非该网络绝大多数用户关注的主要指标。

需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

不应将位于括号之内的任何参考符号构造成对权利要求的限制。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

Claims

1.一种基于高中低轨混合星座构型的星间网络拓扑结构，其特征在于，包括：

GEO星座，包括位于同一静地轨道且相互通信连接的多个GEO卫星；

IGSO极轨星座，与所述GEO星座通信连接，所述IGSO极轨星座包括多个经过极地附近的IGSO卫星轨道，每个所述轨道间相互通信连接，每个所述IGSO卫星轨道上具有多个相互通信连接的IGSO卫星；

LEO极轨星座，与所述IGSO极轨星座和所述MEO极轨星座均通信连接，所述LEO极轨星座包括多个经过极地附近的相互通信连接的LEO卫星轨道，每个所述LEO卫星轨道上具有多个相互通信连接的LEO卫星；

所述GEO星座与所述IGSO极轨星座组合，前者适于对全球中低纬度区域形成常态凝视覆盖，后者适于对地球上高中低纬陆地区域或其他特定区域形成常态接力覆盖；所述GEO星座与所述IGSO极轨星座还具备高度2000公里以上5000公里以下区域的覆盖能力；

所述LEO极轨星座与所述MEO极轨星座适于对两极地区形成常态接力覆盖，并对中低纬度区域形成频繁的过顶覆盖；所述LEO极轨星座与所述MEO极轨星座，前者适于覆盖低空区域，后者适于覆盖所述LEO极轨星座无法覆盖的高空区域；

每个轨道上的卫星均沿顺时针和逆时针方向顺次通信双向连接；

任一所述IGSO卫星轨道上的N个所述IGSO卫星，与其相邻的IGSO卫星轨道上的N个所述IGSO卫星一一对应或部分对应且双向互连，并通过星间伺服机制保持星间恒互连状态；

任一所述LEO卫星轨道上的N2个所述LEO卫星，与其相邻的LEO卫星轨道上的N2个所述LEO卫星一一对应或部分对应且双向互连，并通过星间伺服机制保持星间恒互连状态；

多个所述IGSO卫星轨道中的部分轨道与MEO星座中的部分轨道存在通信互联关系；

存在通信互联关系的IGSO卫星轨道和MEO卫星轨道在同一平面内形成同心圆结构；并且，该平面内，IGSO卫星与LEO卫星在轨绕行方向相同；

存在通信互联关系的IGSO卫星轨道和LEO卫星轨道在同一平面内形成同心圆结构；并且，该平面内，IGSO卫星与MEO卫星在轨绕行方向相同；

存在通信互联关系的MEO卫星轨道和LEO卫星轨道在同一平面内形成同心圆结构；并且，该平面内，MEO卫星与LEO卫星在轨绕行方向相同；

存在通信互联关系的IGSO卫星轨道和MEO卫星轨道上，部分IGSO卫星与部分MEO卫星阶段性互联，互联关系定期切换；

存在通信互联关系的MEO卫星轨道和LEO卫星轨道上，部分MEO卫星与部分LEO卫星阶段性互联，互联关系定期切换；

所述多个GEO卫星包括M对GEO卫星对，每对所述GEO卫星对包括两颗经度差为α的GEO卫星，175°≤α≤185°；

M对所述GEO卫星对与M个所述IGSO卫星轨道一一对应，每对所述GEO 卫星与其对应的IGSO卫星轨道上的两个IGSO卫星互连；

2.如权利要求1所述的基于高中低轨混合星座构型的星间网络拓扑结构，其特征在于，

所有卫星均采用波束组对地覆盖，每个波束组占用一个上、下行频率集，所述上、下行频率集包括三个上、下行频率对。

3.如权利要求2所述的基于高中低轨混合星座构型的星间网络拓扑结构，其特征在于，

每个轨道使用两种波束组，且同一轨道中相邻的两个卫星使用的波束组类别不同；

4.如权利要求3所述的基于高中低轨混合星座构型的星间网络拓扑结构，其特征在于，在南、北极关闭部分卫星的波束组信号。

5.如权利要求1所述的基于高中低轨混合星座构型的星间网络拓扑结构，其特征在于，所有轨道所在平面与赤道所在平面的夹角均小于90°。