CN113691303B - 一种光链中继通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种光链中继通信系统，包括航天器和系统地面站，航天器包括用户航天器和光链中继卫星星座，光链中继卫星星座包括均匀部署在赤道面内的总数为3+N颗中高度轨道光链中继通信卫星，每颗光链中继通信卫星上部署至少总数为2+X+Y+Z套通信载荷，N为大于或等于0的正整数，X、Y和Z均为大于或等于1的正整数。有益效果：用户与光链中继卫星星座互联采用激光或微波通信链路，完成用户数据星间传输，光链中继通信卫星之间通过激光通信链路，实现星间通信互联；实时高通量微波载荷用于与系统地面站建立微波通信链路，完成星地通信，通过星间激光或微波链路+星地微波链路的通信模式实现用户与地面的全天时、全天候的高速数据通信。

Description

一种光链中继通信系统
技术领域
本发明涉及激光通信中继卫星星座组网领域，特别是指一种为深空探测器和地球任意轨道卫星提供全天时、全天候的高速数据天地通信的光链中继通信组网系统。
背景技术
随着国际深空探测迅猛发展，深空远距离、大容量信息传输难题亟待解决，同时地球应用卫星对下行数据传输需求不断增加，以微波为信息载体的卫星中继通信技术在通信数据率的提高上逐渐显现出局限性。传统的微波中继通信已经不能满足未来航天通信的需求。
尽管微波通信相比于激光通信具有不受大气和电离层的影响，可全天候工作的优点，但激光通信技术的数据传输速率可比微波通信高出几个数量级，将满足对空间数据传输速率、数据量和实时性等日益增长的需求，有望成为未来空间通信的主要形式。而且卫星激光通信因其光束方向性强、高频率和高带宽等因素，可实现安全高速通信，因此在未来的深空探测领域也具有良好的应用前景。
近几年国内外卫星激光通信技术领域虽已取得关键技术攻关及在轨技术验证等可喜成绩，但由于其在大气中传输的不稳定性及对天气条件要求苛刻，仍未能进入大规模实用化的发展阶段。鉴于国内外空间应用对高速数据传输需求的快速增长态势，微波通信技术如果能“联袂”激光通信技术，建立一种激光+微波混合链路，或将满足当前深空探索以及商业航天的需求。
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员提供技术启示或所公知的现有技术。
发明内容
本发明提出一种光链中继通信系统，解决了现有技术中上述的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种光链中继通信系统，包括航天器和系统地面站，所述航天器包括用户航天器和光链中继卫星星座，所述光链中继卫星星座包括均匀部署在赤道面内的总数为3+N颗中高度轨道光链中继通信卫星，每颗所述光链中继通信卫星上部署至少总数为2+X+Y+Z套通信载荷，所述2套通信载荷是具有自动捕获、跟踪及定位能力的激光通信载荷，用于建立所述光链中继卫星星座的星间通信链路；所述X套通信载荷是具有自动捕获、跟踪及定位能力的激光通信载荷，用于所述用户航天器与所述光链中继卫星星座间建立星间激光通信链路，实现数据高速传输；所述Y套通信载荷是S频段微波通信载荷或X频段微波通信载荷，用于所述用户航天器与所述光链中继卫星星座间建立星间微波通信链路，实现数据低速传输；所述Z套通信载荷是对所述系统地面站具有跟踪能力的实时高通量微波通信载荷，用于所述光链中继卫星星座与所述系统地面站间建立星地微波通信链路，N为大于或等于0的正整数，X、Y和Z均为大于或等于1的正整数。
进一步地，所述用户航天器包括深空探测器和任意轨道地球卫星。
优选地，所述光链中继通信卫星的轨道高度H范围为21000km至23000km。
优选地，所述光链中继通信卫星的轨道角度i为0°。
优选地，所述光链中继通信卫星的轨道平面数目为1。
优选地，所述系统地面站与所述实时高通量微波通信载荷进行微波通信连接的工作频段为Ku频段或Ka频段。
优选地，所述系统地面站与所述实时高通量微波通信载荷进行微波通信连接的波束类型为点波束。
优选地，所述系统地面站的选址在北纬3°51’至53°33’之间和东经73°33’至135°05’之间，所述系统地面站包括系统地面站主站和系统地面站备份站。
优选地，所述系统地面站主站选址在北纬39°26’至41°03’之间和东经115°25’至117°30’之间，所述系统地面站到任意一个光链中继通信卫星的最小仰角θ＝9.8°。
优选地，所述系统地面站备份站选址在北纬18°09’至18°37’之间和东经108°56’至109°48’之间，所述系统地面站到任意一个光链中继通信卫星的最小仰角θ＝16°。
本发明的有益效果为：
本发明所述的光链中继通信系统，用户与光链中继卫星星座之间通信链路有星间激光通信链路与星间微波通信链路两种模式，其中微波通信链路仅供没有激光载荷的用户选择，两种模式任选其一完成用户数据接入与传输；光链中继通信卫星之间通过激光通信链路实现星间通信互联；实时高通量微波载荷可以与系统地面站建立微波通信链路，完成星地通信；通过“星间激光或微波链路+星地微波链路”的通信模式实现用户与地面的全天时、全天候的高速数据通信。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种光链中继通信系统的结构框图；
图2为本发明一种光链中继通信系统的通信链路图；
图3为本发明一种光链中继通信系统的模式一通信链路图；
图4为本发明一种光链中继通信系统的模式二通信链路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-4所示，本发明所述的一种光链中继通信系统，包括航天器和系统地面站，所述航天器包括用户航天器和光链中继卫星星座，所述光链中继卫星星座包括均匀部署在赤道面内的总数为3+N颗中高度轨道光链中继通信卫星，每颗所述光链中继通信卫星上部署至少总数为2+X+Y+Z套通信载荷，所述2套通信载荷是具有自动捕获、跟踪及定位能力的激光通信载荷，用于建立所述光链中继卫星星座的星间通信链路；所述X套通信载荷是具有自动捕获、跟踪及定位能力的激光通信载荷，用于所述用户航天器与所述光链中继卫星星座间建立星间激光通信链路，实现数据高速传输；所述Y套通信载荷是S频段微波通信载荷或X频段微波通信载荷，用于所述用户航天器与所述光链中继卫星星座间建立星间微波通信链路，实现数据低速传输；所述Z套通信载荷是对所述系统地面站具有跟踪能力的实时高通量微波通信载荷，用于所述光链中继卫星星座与所述系统地面站间建立星地微波通信链路，N为大于或等于0的正整数，X、Y和Z均为大于或等于1的正整数。
具体地，光链中继通信卫星为用户航天器提供高速数据中继支持与测控服务，用户航天器与光链中继卫星星座之间通信链路有星间激光通信链路与星间微波通信链路两种模式；每颗所述光链中继通信卫星上部署至少总数为2+X+Y+Z套具有自动捕获、跟踪及定位能力的激光通信载荷，其中2个激光通信载荷用于建立星座星间通信链路，X个用于光链中继卫星星座与用户航天器之间建立星间激光链路，实现用户数据高速传输，同时，每颗所述光链中继通信卫星上部署至少Y套S频段微波通信载荷或X频段微波通信载荷，用于光链中继卫星星座与用户航天器之间建立星间微波链路，实现用户数据低速传输；Z套通信载荷是对所述系统地面站具有跟踪能力的实时高通量微波通信载荷，用于所述光链中继卫星星座与所述系统地面站间建立星地微波通信链路；系统地面站与运控中心通信连接，系统地面站配置能满足高通量微波传输，具有方位、俯仰和跟踪能力的微波天线及通信机。
本发明所述的光链中继通信系统，基于用户对数据通信高速率的迫切需求和传统微波通信在远距离深空通信环境下无法满足用户需求，经过充分论证，首次提出最少能以3颗中轨道(MEO)光链中继通信卫星作为中继的星间激光/微波通信、星地微波通信的建链方式实现对用户的全天时、全天候的高速数据通信服务，可以实现在任意时刻均有一颗光链中继通信卫星与系统地面站可见，充分利用了激光通信载荷体积小、重量轻、功耗小及无需申请频率分配等特点和激光波长短的特性，具体地，在光链中继通信系统中，用户与光链中继卫星星座互联采用激光或微波通信链路，完成用户数据星间传输，光链中继通信卫星之间通过激光通信链路，实现星间通信互联；实时高通量微波载荷用于与系统地面站建立微波通信链路，完成星地通信，通过“星间激光/微波链路+星地微波链路”的通信模式实现用户与地面的全天时、全天候的高速数据通信。
其中，所述用户航天器包括深空探测器和任意轨道地球卫星。
其中，优选地，所述光链中继通信卫星的轨道高度H范围为21000km至23000km。
其中，优选地，所述光链中继通信卫星的轨道角度i为0°。
其中，优选地，所述光链中继通信卫星的轨道平面数目为1。
其中，优选地，所述系统地面站与所述实时高通量微波通信载荷进行微波通信连接的工作频段为Ku频段或Ka频段。
其中，优选地，所述系统地面站与所述实时高通量微波通信载荷进行微波通信连接的波束类型为点波束。
其中，优选地，所述系统地面站的选址在北纬3°51’至53°33’之间和东经73°33’至135°05’之间，所述系统地面站包括系统地面站主站和系统地面站备份站。
其中，优选地，所述系统地面站主站选址在北纬39°26’至41°03’之间和东经115°25’至117°30’之间，所述系统地面站到任意一个光链中继通信卫星的最小仰角θ＝9.8°。
其中，优选地，所述系统地面站备份站选址在北纬18°09’至18°37’之间和东经108°56’至109°48’之间，所述系统地面站到任意一个光链中继通信卫星的最小仰角θ＝16°。
本发明所述的光链中继通信系统，综合考虑光链中继卫星星座业务需求、发射成本以及其它因素，可以部分或全部按照如上参数设置。
本发明所述的光链中继通信系统，根据用户航天器的实时位置，通过两种传输模式实现对用户的全天时、全天候的高速数据通信服务：
模式一：
如图3所示，通信链路情况为一次星间激光或微波通信+星地微波通信，该模式中，与用户航天器建立激光或微波通信链路的光链中继通信卫星恰好为系统地面站可见，用户航天器与该光链中继通信卫星建立激光或微波通信链路，然后通过星地微波通信链路，完成用户数据落地及地面到用户星的上行通信；
模式二：
如图4所示，通信链路情况为一次星间激光或微波通信+一次星间激光通信+星地微波通信，该模式中与用户航天器建立激光或微波通信链路的光链中继通信卫星为系统地面站不可见，用户航天器首先与光链中继通信卫星之一建立激光或微波通信链路，然后这颗光链中继通信卫星再与系统地面站可见的另一颗光链中继通信卫星建立激光通信链路，之后该光链中继通信卫星与系统地面站建立微波通信链路，完成用户数据落地及地面到用户星的上行通信。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。

Claims (10)

1.一种光链中继通信系统，其特征在于，包括航天器和系统地面站，所述航天器包括用户航天器和光链中继卫星星座，所述光链中继卫星星座包括均匀部署在赤道面内的总数为3+N颗中高度轨道光链中继通信卫星，每颗所述光链中继通信卫星上部署至少总数为2+X+Y+Z套通信载荷，所述2套通信载荷是具有自动捕获、跟踪及定位能力的激光通信载荷，用于建立所述光链中继卫星星座的星间通信链路；所述X套通信载荷是具有自动捕获、跟踪及定位能力的激光通信载荷，用于所述用户航天器与所述光链中继卫星星座间建立星间激光通信链路，实现数据高速传输；所述Y套通信载荷是S频段微波通信载荷或X频段微波通信载荷，用于所述用户航天器与所述光链中继卫星星座间建立星间微波通信链路，实现数据低速传输；所述Z套通信载荷是对所述系统地面站具有跟踪能力的实时高通量微波通信载荷，用于所述光链中继卫星星座与所述系统地面站间建立星地微波通信链路，N为大于或等于0的正整数，X、Y和Z均为大于或等于1的正整数。
2.根据权利要求1所述的光链中继通信系统，其特征在于，所述用户航天器包括深空探测器和任意轨道地球卫星。
3.根据权利要求1所述的光链中继通信系统，其特征在于，所述光链中继通信卫星的轨道高度H范围为21000km至23000km。
4.根据权利要求1所述的光链中继通信系统，其特征在于，所述光链中继通信卫星的轨道角度i为0°。
5.根据权利要求1所述的光链中继通信系统，其特征在于，所述光链中继通信卫星的轨道平面数目为1。
6.根据权利要求1所述的光链中继通信系统，其特征在于，所述系统地面站与所述实时高通量微波通信载荷进行微波通信连接的工作频段为Ku频段或Ka频段。
7.根据权利要求1所述的光链中继通信系统，其特征在于，所述系统地面站与所述实时高通量微波通信载荷进行微波通信连接的波束类型为点波束。
8.根据权利要求1所述的光链中继通信系统，其特征在于，所述系统地面站的选址在北纬3°51’至53°33’之间和东经73°33’至135°05’之间，所述系统地面站包括系统地面站主站和系统地面站备份站。
9.根据权利要求8所述的光链中继通信系统，其特征在于，所述系统地面站主站选址在北纬39°26’至41°03’之间和东经115°25’至117°30’之间，所述系统地面站到任意一个光链中继通信卫星的最小仰角θ＝9.8°。
10.根据权利要求8所述的光链中继通信系统，其特征在于，所述系统地面站备份站选址在北纬18°09’至18°37’之间和东经108°56’至109°48’之间，所述系统地面站到任意一个光链中继通信卫星的最小仰角θ＝16°。
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