CN114024607B - 一种基于液晶光学多波束天线的分布式星群组网方法 - Google Patents

一种基于液晶光学多波束天线的分布式星群组网方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于液晶光学多波束天线的分布式星群组网方法，包括以下步骤：确定分布式星群卫星数量、搭载天线数量和网络结构；根据液晶光学多波束天线性能指标，确定多波束激光链路边界条件；设计分布式星群多星共位策略；设计分布式星群群内网络拓扑管控方法。本发明方法利用液晶光学多波束天线构建分布式星群网络，能够满足星群网络的多波束生成、多波束赋形和高速数据传输需求，具有体积小、功耗低、成本低的特点；采用平经度‑平偏心率隔离策略实现多星共位，具有可容纳共位卫星数量多，安全性高的特点；采用贪婪策略进行网络拓扑管理，能够适应不同规模、不同运算能力、不同拓扑性能需求的分布式星群网络。

Description

一种基于液晶光学多波束天线的分布式星群组网方法
技术领域
本发明涉及卫星通信领域，尤其涉及一种基于液晶光学多波束天线的分布式星群组网方法。
背景技术
空间分布式星群具有轨位利用率高、合成波束覆盖范围大、支持柔性重构、在轨自愈和分布式联合计算等优点，是构建天基骨干网络的重要途径之一。考虑到未来空间信息网络的海量数据传输需求和用户对各类信息业务的高实时性要求，分布式星群将采用激光链路进行组网和数据传输。传统激光通信通常采用机械式光学天线进行点对点激光通信，而分布式星群群内高速激光网络要求卫星节点具备高动态、一对多、准全向的传输能力，若单纯依靠搭载更多的传统机械式光学天线，将对分布式星群小卫星平台的负载能力提出极大挑战。液晶光学多波束天线作为结合微波相控阵天线技术与液晶电光特性的新型无机械波束扫描控制器件，具备多波束生成和多波束赋形能力，且具有体积小、功耗低、成本低等特点，能够为实现高速激光组网提供重要技术手段。基于液晶光学多波束天线的星间高速激光网络存在激光链路距离受限、指向角度受限和链路建立耗时长等限制，在分布式星群卫星节点相对空间位置快速变化的应用场景下，如何合理设计星群的多星共位策略、网络拓扑结构、拓扑控制方法，实现基于液晶光学多波束天线的分布式星群组网，是目前亟待解决的重要问题。
发明内容
针对分布式星群群内高速激光网络的高速组网和数据传输需求，本发明公开了一种基于液晶光学多波束天线的分布式星群组网方法，具体步骤包括：
S1，分布式星群包括S颗卫星，每颗卫星装载N个液晶光学多波束天线，分布式星群内部采用网状结构进行组网通信；
液晶光学多波束天线由液晶光学相控阵器件构成；根据液晶光学多波束天线的性能指标，分布式星群进行群内组网通信，液晶光学多波束天线的性能指标包括其支持的多波束数量、波束指向偏转角度、偏转精度、有效光学口径、光束束散角和透射效率；支持的多波束数量是指该天线能够同时产生的相互独立的激光波束的数量，该性能指标约束了各天线所能同时建立的激光通信链路的数量上限；波束指向偏转角度指天线波束指向最大能偏离天线平面法向量的角度，该性能指标约束了激光通信终端的可视范围；偏转精度指天线波束指向角度的精确度，该性能指标约束了星间的激光通信链路建立过程中液晶光学多波束天线的跟瞄能力；有效光学口径和光束束散角分别指能够用于激光信号收发的光学天线口径和天线发射激光光束的发散角度；透射效率指天线对光束的透射率，该性能指标约束了天线发送和接收光信号功率的强度。
S2，根据液晶光学多波束天线的性能指标，确定卫星之间的多波束激光链路的边界条件；
分布式星群进行群内组网通信时，采用零差BPSK调制方法进行星间激光通信，星间激光通信的发射端产生的信号光功率和噪声光功率分别为St和Nt，则发射端的激光发射终端的输出光功率Pt为：
Pt＝St+Nt,
星间激光通信的接收端接收到的光功率Pr为：
Pr＝Sr+Nr＝StLoss+NtLoss,
其中，Sr和Nr分别表示接收到的信号光和噪声光功率，Loss为链路总损耗，其计算公式为：
Figure BDA0003336779980000031
其中，Dlink为星间激光通信的链路距离，dT和dR分别为发射天线和接收天线的有效光学口径，
Figure BDA0003336779980000034
为光束束散角，ηt和ηr分别为发送端和接收端天线的透射效率，θt和θr分别为波束指向与发送天线和接收天线平面法向量的夹角，LATP为激光通信链路的捕获、跟踪和对准(ATP)的失配损耗；采用零差BPSK调制方法的星间激光通信链路的Q因子表示为：
Figure BDA0003336779980000032
其中，R为接收端的光电探测器响应度，PLO为接收端的本振激光器功率，σ为接收端的噪声标准差；从而进一步得到采用零差BPSK调制方法的星间激光通信链路的误码率的表达式为：
Figure BDA0003336779980000033
其中，erfc为互补误差函数，星间激光通信链路的误码率上限为BERth，令星间激光通信链路的误码率BER等于误码率上限BERth，从而得到卫星之间的多波束激光链路的边界条件，即链路最大传输距离Dmax。
S3，设计分布式星群的多星共位策略；
分布式星群中的卫星采用平经度-平偏心率隔离策略实现多星共位，平倾角-平偏心率隔离策略利用两颗卫星的卫星轨道的倾角矢量差和偏心率矢量差，使共位卫星同时产生法向隔离和径向隔离，任意两颗共位卫星的偏心率矢量差和倾角矢量差不同时为0，偏心率矢量差和倾角矢量差互为平行或反向平行；所述的反向平行，是指偏心率矢量差和倾角矢量差互相平行且指向相反。
在地心惯性坐标系中，分布式星群内两个卫星之间径向、切向和法向的相对距离分别表示为：
Figure BDA0003336779980000041
其中，Δx、Δy和Δz分别为分布式星群内两个卫星之间径向、切向和法向的相对距离，as为分布式星群内卫星的轨道半长轴，Δex和Δey分别为两个卫星偏心率矢量差在地心惯性坐标系x轴和y轴上的分量，Δix和Δiy分别为两个卫星倾角矢量差在赤道面上的投影在x轴和y轴上的分量，Lm为卫星平赤经，其定义为卫星的升交点赤经、平近点角和近地点幅角之和，ΔLm为两个卫星的平赤经之差；
利用平倾角-平偏心率隔离策略实现多星共位后，分布式星群中的任意两个卫星的星间相对距离小于等于链路最大传输距离Dmax，即
Figure BDA0003336779980000042
S4，设计分布式星群群内网络拓扑管控方法。
分布式星群从地面测控站获得其全部卫星在地心惯性坐标系中的坐标，根据各个卫星之间的相对位置关系，计算得到各卫星之间的距离和波束指向偏转角度，并将二者分别与链路最大传输距离和液晶光学多波束天线的最大波束指向偏转角度进行比较，对于任意两颗卫星，若二者之间的距离大于链路最大传输距离，或者二者之间的波束指向偏转角度大于液晶光学多波束天线的最大波束指向偏转角度，则该两颗卫星不可见，反之则认为该两颗卫星可见，对分布式星群中的全部卫星进行两两比较以判断各卫星之间的可见性，当布式星群中的两颗卫星相互可见时，认为二者之间存在潜在通信链路，即存在两颗星之间建立激光通信链路的可行性；
分布式星群采用贪婪策略进行其群内网络拓扑管控，在分布式星群群内网络初始化设计阶段，分布式星群根据其各个卫星之间的可见性，得到由全部潜在通信链路构成的网络拓扑结构，根据液晶光学多波束天线可同时支持的激光通信链路数量M，得到每颗卫星所能支持的激光通信链路数量为N×M，从其所能支持的激光通信链路数量超出上限N×M最多的卫星开始，在保证分布式星群群内网络连通度大于0的前提下，依次删除断开后对网络连通度影响最小的激光通信链路，对分布式星群群内网络进行更新，直至分布式星群群内网络的全部卫星均满足激光通信链路数量约束，从而完成分布式星群群内网络的初始化设计，并根据得到分布式星群群内网络的网络拓扑结构，建立分布式星群的激光通信链路；分布式星群中各卫星之间的可见性发生变化后，导致部分激光通信链路中断，其群内网络连通度不能满足分布式星群组网要求，此时进入分布式星群群内网络重构设计阶段，从激光通信链路中断后存续的激光通信链路数最少的卫星开始，依次为存续激光通信链路数最少的卫星新增连接后对网络连通度贡献最大的激光通信链路，直至分布式星群群内网络连通度满足分布式星群组网要求，从而完成分布式星群群内网络的重构设计，并对分布式星群群内网络的网络拓扑结构进行相应的更新，根据更新后的网络拓扑结构，获取分布式星群的各卫星天线的连接关系，根据各卫星位置得到其相互之间的角度关系，再根据该角度关系，分别控制各卫星的液晶光学多波束发射天线和接收天线的激光波束的指向，通过激光通信链路的捕获、跟踪和对准过程，建立各个卫星之间的激光通信链路；
本发明具有如下优点：
1、本发明方法利用液晶光学多波束天线构建分布式星群网络，能够满足星群网络的多波束生成、多波束赋形和高速数据传输需求，具有体积小、功耗低、成本低的特点；
2、本发明采用平经度-平偏心率隔离策略实现多星共位，具有可容纳共位卫星数量多，安全性高的特点；
3、本发明采用贪婪策略进行网络拓扑管理，能够适应不同规模、不同运算能力、不同拓扑性能需求的分布式星群网络。
附图说明
图1为本发明中分布式星群组网方法实现流程图；
图2为本发明中基于液晶光学多波束天线的分布式星群网络示意图。
具体实施方式
下面给出了本发明的一个实施例，对其进行详细描述。
图1为本发明中分布式星群组网方法实现流程图；图2为本发明中基于液晶光学多波束天线的分布式星群网络示意图。
本发明公开了一种基于液晶光学多波束天线的分布式星群组网方法，具体步骤包括：
S1，分布式星群包括S颗卫星，每颗卫星装载N个液晶光学多波束天线，分布式星群内部采用网状结构进行组网通信；
液晶光学多波束天线由液晶光学相控阵器件构成，液晶光学相控阵利用液晶晶体在电场作用下的双折射原理，通过控制电场强度改变液晶晶体分子的排列，影响入射激光的光程，从而改变出射激光的相位，使激光光束在期望的方向上产生加强干涉，得到高强度的激光光束并实现激光光束的电控扫描；
根据液晶光学多波束天线的性能指标，分布式星群进行群内组网通信，液晶光学多波束天线的性能指标包括其支持的多波束数量、波束指向偏转角度、偏转精度、有效光学口径、光束束散角和透射效率；支持的多波束数量是指该天线能够同时产生的相互独立的激光波束的数量，该性能指标约束了各天线所能同时建立的激光通信链路的数量上限；波束指向偏转角度指天线波束指向最大能偏离天线平面法向量的角度，该性能指标约束了激光通信终端的可视范围；偏转精度指天线波束指向角度的精确度，该性能指标约束了星间的激光通信链路建立过程中液晶光学多波束天线的跟瞄能力；有效光学口径和光束束散角分别指能够用于激光信号收发的光学天线口径和天线发射激光光束的发散角度；透射效率指天线对光束的透射率，该性能指标约束了天线发送和接收光信号功率的强度。
S2，根据液晶光学多波束天线的性能指标，确定卫星之间的多波束激光链路的边界条件；
分布式星群进行群内组网通信时，采用零差BPSK调制方法进行星间激光通信，星间激光通信的发射端产生的信号光功率和噪声光功率分别为St和Nt，则发射端的激光发射终端的输出光功率Pt为：
Pt＝St+Nt,
星间激光通信的接收端接收到的光功率Pr为：
Pr＝Sr+Nr＝StLoss+NtLoss,
其中，Sr和Nr分别表示接收到的信号光和噪声光功率，Loss为链路总损耗，其计算公式为：
Figure BDA0003336779980000071
其中，Dlink为星间激光通信的链路距离，dT和dR分别为发射天线和接收天线的有效光学口径，
Figure BDA0003336779980000072
为光束束散角，ηt和ηr分别为发送端和接收端天线的透射效率，θt和θr分别为波束指向与发送天线和接收天线平面法向量的夹角，LATP为激光通信链路的捕获、跟踪和对准(ATP)的失配损耗；采用零差BPSK调制方法的星间激光通信链路的Q因子表示为：
Figure BDA0003336779980000081
其中，R为接收端的光电探测器响应度，PLO为接收端的本振激光器功率，σ为接收端的噪声标准差；从而进一步得到采用零差BPSK调制方法的星间激光通信链路的误码率的表达式为：
Figure BDA0003336779980000082
其中，erfc为互补误差函数，星间激光通信链路的误码率上限为BERth，令星间激光通信链路的误码率BER等于误码率上限BERth，从而得到卫星之间的多波束激光链路的边界条件，即链路最大传输距离Dmax。
S3，设计分布式星群的多星共位策略；
分布式星群中的卫星采用平经度-平偏心率隔离策略实现多星共位，平倾角-平偏心率隔离策略利用两颗卫星的卫星轨道的倾角矢量差和偏心率矢量差，使共位卫星同时产生法向隔离和径向隔离，任意两颗共位卫星的偏心率矢量差和倾角矢量差不同时为0，偏心率矢量差和倾角矢量差互为平行或反向平行；所述的反向平行，是指偏心率矢量差和倾角矢量差互相平行且指向相反。
在地心惯性坐标系中，分布式星群内两个卫星之间径向、切向和法向的相对距离可分别表示为：
Figure BDA0003336779980000083
其中，Δx、Δy和Δz分别为分布式星群内两个卫星之间径向、切向和法向的相对距离，as为分布式星群内卫星的轨道半长轴，Δex和Δey分别为两个卫星偏心率矢量差在地心惯性坐标系x轴和y轴上的分量，Δix和Δiy分别为两个卫星倾角矢量差在赤道面上的投影在x轴和y轴上的分量，Lm为卫星平赤经，其定义为卫星的升交点赤经、平近点角和近地点幅角之和，ΔLm为两个卫星的平赤经之差；
利用平倾角-平偏心率隔离策略实现多星共位后，分布式星群中的任意两个卫星的星间相对距离小于等于链路最大传输距离Dmax，即
Figure BDA0003336779980000091
S4，设计分布式星群群内网络拓扑管控方法。
分布式星群从地面测控站获得其全部卫星在地心惯性坐标系中的坐标，根据各个卫星之间的相对位置关系，计算得到各卫星之间的距离和波束指向偏转角度，并将二者分别与链路最大传输距离和液晶光学多波束天线的最大波束指向偏转角度进行比较，对于任意两颗卫星，若二者之间的距离大于链路最大传输距离，或者二者之间的波束指向偏转角度大于液晶光学多波束天线的最大波束指向偏转角度，则该两颗卫星不可见，反之则认为该两颗卫星可见，对分布式星群中的全部卫星进行两两比较以判断各卫星之间的可见性，当布式星群中的两颗卫星相互可见时，认为二者之间存在潜在通信链路，即存在两颗星之间建立激光通信链路的可行性；
分布式星群采用贪婪策略进行其群内网络拓扑管控，在分布式星群群内网络初始化设计阶段，分布式星群根据其各个卫星之间的可见性，得到由全部潜在通信链路构成的网络拓扑结构，根据液晶光学多波束天线可同时支持的激光通信链路数量M，得到每颗卫星所能支持的激光通信链路数量为N×M，从其所能支持的激光通信链路数量超出上限N×M最多的卫星开始，在保证分布式星群群内网络连通度大于0的前提下，依次删除断开后对网络连通度影响最小的激光通信链路，对分布式星群群内网络进行更新，直至分布式星群群内网络的全部卫星均满足激光通信链路数量约束，从而完成分布式星群群内网络的初始化设计，并根据得到分布式星群群内网络的网络拓扑结构，建立分布式星群的激光通信链路；分布式星群中各卫星之间的可见性发生变化后，导致部分激光通信链路中断，其群内网络连通度不能满足分布式星群组网要求，此时进入分布式星群群内网络重构设计阶段，从激光通信链路中断后存续的激光通信链路数最少的卫星开始，依次为存续激光通信链路数最少的卫星新增连接后对网络连通度贡献最大的激光通信链路，直至分布式星群群内网络连通度满足分布式星群组网要求，从而完成分布式星群群内网络的重构设计，并对分布式星群群内网络的网络拓扑结构进行相应的更新，根据更新后的网络拓扑结构，调整各卫星的液晶光学多波束天线的指向，建立激光通信链路。
以上结合附图详细说明了本发明，但是本领域的普通技术人员应当明白，说明书是用于解释权利要求的，本发明的保护范围以权利要求为准，在本发明的基础上，任何所做的修改、等同替换和改进等都应当在所要求的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于液晶光学多波束天线的分布式星群组网方法，其特征在于，具体步骤包括：
S1，分布式星群包括S颗卫星，每颗卫星装载N个液晶光学多波束天线，分布式星群内部采用网状结构进行组网通信；液晶光学多波束天线由液晶光学相控阵器件构成；根据液晶光学多波束天线的性能指标，分布式星群进行群内组网通信，液晶光学多波束天线的性能指标包括其支持的多波束数量、波束指向偏转角度、偏转精度、有效光学口径、光束束散角和透射效率；支持的多波束数量是指该天线能够同时产生的相互独立的激光波束的数量，该性能指标约束了各天线所能同时建立的激光通信链路的数量上限；波束指向偏转角度指天线波束指向最大能偏离天线平面法向量的角度，该性能指标约束了激光通信终端的可视范围；偏转精度指天线波束指向角度的精确度，该性能指标约束了星间的激光通信链路建立过程中液晶光学多波束天线的跟瞄能力；有效光学口径和光束束散角分别指能够用于激光信号收发的光学天线口径和天线发射激光光束的发散角度；透射效率指天线对光束的透射率，该性能指标约束了天线发送和接收光信号功率的强度；
S2，根据液晶光学多波束天线的性能指标，确定卫星之间的多波束激光链路的边界条件；
S3，设计分布式星群的多星共位策略；
S4，设计分布式星群群内网络拓扑管控方法；
所述的步骤S2，其具体步骤包括：
分布式星群进行群内组网通信时，采用零差BPSK调制方法进行星间激光通信，星间激光通信的发射端产生的信号光功率和噪声光功率分别为St和Nt，则发射端的激光发射终端的输出光功率Pt为：
Pt＝St+Nt,
星间激光通信的接收端接收到的光功率Pr为：
Pr＝Sr+Nr＝StLoss+NtLoss,
其中，Sr和Nr分别表示接收到的信号光和噪声光功率，Loss为链路总损耗，其计算公式为：
Figure FDA0003545533690000021
其中，Dlink为星间激光通信的链路距离，dT和dR分别为发射天线和接收天线的有效光学口径，
Figure FDA0003545533690000024
为光束束散角，ηt和ηr分别为发送端和接收端天线的透射效率，θt和θr分别为波束指向与发送天线和接收天线平面法向量的夹角，LATP为激光通信链路的捕获、跟踪和对准的失配损耗；采用零差BPSK调制方法的星间激光通信链路的Q因子表示为：
Figure FDA0003545533690000022
其中，R为接收端的光电探测器响应度，PLO为接收端的本振激光器功率，σ为接收端的噪声标准差；从而进一步得到采用零差BPSK调制方法的星间激光通信链路的误码率的表达式为：
Figure FDA0003545533690000023
其中，erfc为互补误差函数，星间激光通信链路的误码率上限为BERth，令星间激光通信链路的误码率BER等于误码率上限BERth，从而得到卫星之间的多波束激光链路的边界条件，即链路最大传输距离Dmax；
所述的步骤S3，分布式星群中的卫星采用平经度-平偏心率隔离策略实现多星共位，平倾角-平偏心率隔离策略利用两颗卫星的卫星轨道的倾角矢量差和偏心率矢量差，使共位卫星同时产生法向隔离和径向隔离，任意两颗共位卫星的偏心率矢量差和倾角矢量差不同时为0，偏心率矢量差和倾角矢量差互为平行或反向平行；所述的反向平行，是指偏心率矢量差和倾角矢量差互相平行且指向相反；
在地心惯性坐标系中，分布式星群内两个卫星之间径向、切向和法向的相对距离分别表示为：
Figure FDA0003545533690000031
其中，Δx、Δy和Δz分别为分布式星群内两个卫星之间径向、切向和法向的相对距离，as为分布式星群内卫星的轨道半长轴，Δex和Δey分别为两个卫星偏心率矢量差在地心惯性坐标系x轴和y轴上的分量，Δix和Δiy分别为两个卫星倾角矢量差在赤道面上的投影在x轴和y轴上的分量，Lm为卫星平赤经，其定义为卫星的升交点赤经、平近点角和近地点幅角之和，ΔLm为两个卫星的平赤经之差；
利用平倾角-平偏心率隔离策略实现多星共位后，分布式星群中的任意两个卫星的星间相对距离小于等于链路最大传输距离Dmax，即
Figure FDA0003545533690000032
所述的步骤S4，分布式星群从地面测控站获得其全部卫星在地心惯性坐标系中的坐标，根据各个卫星之间的相对位置关系，计算得到各卫星之间的距离和波束指向偏转角度，并将二者分别与链路最大传输距离和液晶光学多波束天线的最大波束指向偏转角度进行比较，对于任意两颗卫星，若二者之间的距离大于链路最大传输距离，或者二者之间的波束指向偏转角度大于液晶光学多波束天线的最大波束指向偏转角度，则该两颗卫星不可见，反之则认为该两颗卫星可见，对分布式星群中的全部卫星进行两两比较以判断各卫星之间的可见性，当布式星群中的两颗卫星相互可见时，认为二者之间存在潜在通信链路，即存在两颗星之间建立激光通信链路的可行性；
分布式星群采用贪婪策略进行群内网络拓扑管控，在分布式星群群内网络初始化设计阶段，分布式星群根据其各个卫星之间的可见性，得到由全部潜在通信链路构成的网络拓扑结构，根据液晶光学多波束天线可同时支持的激光通信链路数量M，得到每颗卫星所能支持的激光通信链路数量为N×M，从其所能支持的激光通信链路数量超出上限N×M最多的卫星开始，在保证分布式星群群内网络连通度大于0的前提下，依次删除断开后对网络连通度影响最小的激光通信链路，对分布式星群群内网络进行更新，直至分布式星群群内网络的全部卫星均满足激光通信链路数量约束，从而完成分布式星群群内网络的初始化设计，并根据得到分布式星群群内网络的网络拓扑结构，建立分布式星群的激光通信链路；分布式星群中各卫星之间的可见性发生变化后，导致部分激光通信链路中断，其群内网络连通度不能满足分布式星群组网要求，此时进入分布式星群群内网络重构设计阶段，从激光通信链路中断后存续的激光通信链路数最少的卫星开始，依次为存续激光通信链路数最少的卫星新增连接后对网络连通度贡献最大的激光通信链路，直至分布式星群群内网络连通度满足分布式星群组网要求，从而完成分布式星群群内网络的重构设计，并对分布式星群群内网络的网络拓扑结构进行相应的更新，根据更新后的网络拓扑结构，获取分布式星群的各卫星天线的连接关系，根据各卫星位置得到其相互之间的角度关系，再根据该角度关系，分别控制各卫星的液晶光学多波束发射天线和接收天线的激光波束的指向，通过激光通信链路的捕获、跟踪和对准过程，建立各个卫星之间的激光通信链路。
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