CN114513246B - 中轨中继通信组网卫星系统及通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种中轨中继通信组网卫星系统及通信方法，其中该系统至少包括：中轨中继卫星星座、地面站以及运控系统；中轨中继卫星星座包括：3个轨道面的9颗中继卫星，每个轨道面的3颗中继卫星均匀分布，与地心连线夹角为120度；3个轨道面相互垂直，其中一个为赤道轨道面，另外两个为极轨轨道面；同轨道面内每2颗中继卫星间通过星间激光链路通信，该中继卫星与地面站间通过星地微波链路通信，且该中继卫星均位于中轨范围内。本发明提供的卫星系统可以为多个不同数据速率、不同轨道的低轨航天器提供对应的接入服务；建立高实时、高覆盖、多用户的天基测控和数据传输系统，不依赖境外卫星地面站，达到100％全球覆盖实时通信能力。
Description
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种中轨中继通信组网卫星系统及通信方法。
背景技术
自1957年10月4日第一颗人造卫星上天后，人类从未停止过对于外太空的探索，特别是地球月球以近空间，至今为止，已经发射的航天器绝大部分位于这一空间，需要建设大量的地面站为航天器提供测控和数据传输服务。但是由于地面站对低轨道(Low EarthOrbit，LEO)航天器的跟踪时间较短，各航天器用户又难以在全球各地部署地面站进行航天器的在轨管理，使得航天器的在轨管理面临着效率低、实时性差的问题，数据传输的速率也难以提高。
相关技术中的中继卫星系统均基于地球静止轨道(Geostationary Orbit，GEO)轨道开展设计与建设，卫星体积、重量、功耗以及发射费用高昂，由于与低轨航天器距离较远，对用户终端的要求同样很高，特别是越来越多的大规模微小卫星星座的建设，则需要建立更多的基于GEO的中继卫星系统，同时对用户终端的需求也同步增多，且对用户终端的硬件要求也更高，这样将耗费更高昂的费用组件相关的配套设施。因此，需要设计一种更加合适与低轨航天器近距离通信，且投入在配套设施费用较低的中继卫星系统，为全球提供实时的测控和数据传输服务。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种中轨中继通信组网卫星系统及通信方法。
第一方面，本发明提供一种中轨中继通信组网卫星系统，至少包括：中轨中继卫星星座、地面站以及运控系统；
所述中轨中继卫星星座包括：3个轨道面的9颗中继卫星，每个轨道面的3颗中继卫星均匀分布，与地心连线夹角为120度；3个轨道面相互垂直，其中一个为赤道轨道面，另外两个为极轨轨道面；同轨道面内每2颗中继卫星间通过星间激光链路通信，所述中继卫星与地面站间通过星地微波链路通信，且所述中继卫星均位于中轨范围内；
所述地面站用于支持低轨航天器和所述中继卫星的测控管理，以及对应的用户数据前返向传输；
所述运控系统用于完成中继卫星状态监视控制、在轨管理以及用户信息处理。
可选地，所述中继卫星设置激光终端和用户微波终端，每个轨道面内的中继卫星之间通过激光终端建立星间激光链路。
可选地，所述每个轨道面内的所述中继卫星通过中节点中继卫星与地面站进行通信；所述中节点中继卫星为在同轨道面内所有中继卫星在轨运行过程中，对地面站可见的中继卫星；
且所述中节点中继卫星通过自身设置的用户微波终端，与地面站建立星地微波链路。
可选地，所述每个轨道面内的所有中继卫星通过激光终端与低轨航天器建立用户激光链路，和/或通过用户微波终端与低轨航天器建立用户微波链路，进行低轨航天器的用户数据的前返向传输。
可选地，所述中继卫星处于不同轨道面时，所述中继卫星之间不建立星间激光链路。
可选地，所述地面站为综合地面站，且每个轨道面配置2套综合地面站。
可选地，所述星间激光链路的有效载荷或所述用户激光链路的有效载荷为激光通信载荷，所述星地微波链路的有效载荷或所述用户微波链路的有效载荷为微波通信载荷。
可选地，所述用户信息处理包括：用户任务规划评估、用户数据管理分发和用户卫星状态监视。
可选地，还包括：用户中心，用于完成低轨航天器数据的接收以及低轨航天器所需数据的发送，所述低轨航天器的数据采用星间激光链路传输或者微波链路传输。
第二方面，本发明还提供一种中轨中继通信组网卫星系统的通信方法，包括：
建立包括中轨中继卫星星座、地面站以及运控系统的中轨中继通信组网卫星系统；所述中轨中继卫星星座包括：3个轨道面的9颗中继卫星，每个轨道面的3颗中继卫星均匀分布，与地心连线夹角为120度；3个轨道面相互垂直，其中一个为赤道轨道面，另外两个为极轨轨道面；同轨道面内每2颗中继卫星间通过星间激光链路通信，所述中继卫星与地面站间通过星地微波链路通信，且所述中继卫星均位于中轨范围内；
所述地面站用于支持低轨航天器和所述中继卫星的测控管理，以及对应的用户数据前返向传输；
所述运控系统用于完成中继卫星状态监视控制、在轨管理以及用户信息处理；所述用户信息处理包括：用户任务规划评估、用户数据管理分发和低轨航天器状态监视；
每个轨道面的所述中继卫星均设置激光终端和用户微波终端；
若地面站和中继卫星之间有数据传输需求，则每个轨道面内的中继卫星通过中节点中继卫星与地面站进行数据传输，所述中节点中继卫星为在同轨道面内所中继卫星在轨运行过程中，对地面站可见的中继卫星；且所述数据传输是由所述中节点中继卫星通过自身设置的用户微波终端，与地面站建立星地微波链路实现的。
可选地，所述方法还包括：
若所述低轨航天器与所述中继卫星之间有数据传输需求，则所述低轨航天器与所述中继卫星，通过用户激光链路和/或用户微波链路进行数据传输，且所述用户激光链路是所述中继卫星通过激光终端与低轨航天器建立的，所述用户微波链路是所述中继卫星通过用户微波终端与低轨航天器建立的。
可选地，所述方法包括：
所述中继卫星处于不同轨道面时，所述中继卫星之间不建立星间激光链路。
可选地，所述方法包括：
所述地面站为综合地面站，且每个轨道面配置2套综合地面站。
可选地，所述方法包括：
所述星间激光链路的有效载荷或所述用户激光链路的有效载荷为激光通信载荷，所述星地微波链路的有效载荷或所述用户微波链路的有效载荷为微波通信载荷。
可选地，所述方法包括：
所述中轨中继通信组网卫星系统还包括：用户中心，用于完成低轨航天器数据的接收以及低轨航天器所需数据的发送，所述低轨航天器的数据采用星间激光链路传输或者微波链路传输；
所述用户信息处理包括：用户任务规划评估、用户数据管理分发和用户卫星状态监视。
本发明提供的中轨中继通信组网卫星系统及通信方法可以为多个不同数据速率、不同轨道的低轨航天器提供对应的接入服务；建立一个高实时、高覆盖、多用户的天基测控和数据传输系统，不依赖现有的一些卫星地面站，达到100％全球覆盖的实时通信能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的中轨中继通信组网卫星系统的示意图；
图2是本发明提供的星座构型的示意图；
图3是本发明提供的单个轨道面中继卫星系统工作示意图；
图4是本发明提供的EO轨道面三颗中继卫星覆盖示意图；
图5是本发明提供的PO1轨道面三颗中继卫星覆盖示意图；
图6是本发明提供的PO2轨道面三颗中继卫星覆盖示意图；
图7是本发明提供的中轨中继通信组网卫星系统的通信方法的整体流程示意图；
附图标记：
1：EO轨道面；2：PO1轨道面；3：PO2轨道面；
1A：中轨中继卫星；1B：中轨中继卫星；1C：中轨中继卫星；
2A：中轨中继卫星；2B：中轨中继卫星；2C：中轨中继卫星；
3A：中轨中继卫星；3B：中轨中继卫星；3C：中轨中继卫星；
4：地球；5：用户卫星；6：地面站；
7：运控中心；8：用户中心；9：MEO轨道；
10：LEO轨道。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
为了帮助理解本发明的方案，以下将对本发明可能涉及的相关概念进行简单介绍：
轨道卫星的分类：
1、地球同步轨道(或称对地静止轨道)，是指轨道高度约为36000km；运行在地球同步轨道上的人造卫星，星距离地球的高度约为36000km，卫星的运行方向与地球自转方向相同、运行轨道为位于地球赤道平面上圆形轨道、运行周期与地球自转一周的时间相等，即23时56分4秒，卫星在轨道上的绕行速度约为3.1公里/秒，其运行角速度等于地球自转的角速度。在地球同步轨道上布设3颗通讯卫星，即可实现除两极外的全球通讯。
地球同步轨道分为3种：
(1)地球静止轨道或正圆轨道(Geostationary Orbit，GEO)
当同步轨道卫星轨道面的倾角为零度，即卫星在地球赤道上空运行时，由于运行方向与地球自转方向相同，运行周期又与地球同步，因此，人们从地球上仰望卫星，仿佛悬挂在太空静止不动，所以，把零倾角的同步轨道称作静止轨道，在静止轨道上运行的卫星称作静止卫星。
(2)倾斜地球同步轨道(Inclined Geosynchronous Orbit，IGSO)：
倾斜同步轨道IGSO是指倾角不为0的地球同步轨道，其星下点轨迹是一个跨南北半球的“8”字，其星下点轨迹与赤道相交于一点,该点常称之为交叉点。
(3)极地轨道同步轨道，又叫太阳同步轨道(Sun Synchronous Orbit，SSO)
卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的取向，轨道倾角(轨道平面与赤道平面的夹角)接近90度。人造卫星运行时能到达南北极区上空，即卫星能飞经全球范围的上空。需要在全球范围内进行观测和应用的气象卫星、导航卫星、地球资源卫星等都采用这种轨道。倾斜轨道和极地轨道同步卫星从地球上看是移动的，但却每天可以经过特定的地区，因此，通常用于科研、气象或军事情报的搜集，以及两极地区和高纬度地区的通信。
2、地球同步转移轨道或椭圆轨道(Geostationary Transfer Orbit，GTO)，指近地点在1000公里以下、远地点为地球同步轨道高度(约36000公里)的椭圆轨道；地球同步转移轨道为霍曼转移轨道的运用之一，为椭圆形轨道，经加速后可达地球静止轨道GEO。近地点多在1000公里以下，远地点则为地球静止轨道高度36000公里。
在火箭性能方面，常以地球同步转移轨道酬载能力作为指标，该酬载能力较直接运送至地球静止轨道的数值为大。
3、中地球轨道(Middle Earth Orbit，MEO)，指轨道高度为2000-36000公里之间；GPS、GLONASS都属于此类轨道。
4、低地(球)轨道/近地(球)轨道(Low Earth Orbit，LEO)，指轨道高度约为400-2000公里；绝大多数对地观测卫星、测地卫星、空间站以及一些新的通信卫星系统都采用近地轨道。
轨道通信卫星在距地球表面不同高度、但低于地球同步卫星轨道的空间中运行.这时,由于卫星绕地球旋转的时间快于地球本身的自转,而且地面站又只能在短距离范围内才能和卫星通信,因此,在卫星绕地球一周内通信的时间很短,卫星形成的覆盖地区在地球表面上很快移动,当卫星转到地球背后时就法进行通信,而克服低轨道卫星通信这一缺点的方法是增加在轨道上的卫星数量。
低轨道卫星移动通信系统的工作原理与前面介绍的“蜂窝”式移动通信的原理相似。尽管每颗卫星所能覆盖的地域比同步卫星小得多,但比移动通信中基地台所覆盖的面积却大多了。实际上,一颗低轨道卫星就相当于陆地移动通信系统中的一个“基地台”，而形成覆盖区域的天线和无线电中继设备都安在卫星上。不同的是，这个“基地台”不是建立在地面上,而是被倒挂在天空中。地面站与空间卫星的联系,以及卫星与卫星间的联系是在“K”频带上建立的；而卫星与地面移动台如车、船和手持移动电话机的人之间的信息联系则建立在“L”频带之上的。
利用低轨道(LEO)卫星实现手持机个人通信的优点在于：一方面卫星的轨道高度低，使得传输延时短。路径损耗小，多个卫星组成的星座可以实现真正的全球覆盖，频率复用更有效；另一方面蜂窝通信、多址、点波束、频率复用等技术也为低轨道卫星移动通信提供了技术保障。因此，LEO系统被认为是最新最有前途的卫星移动通信系统。
低轨道卫星移动通信系统由卫星星座、关口地球站、系统控制中心、网络控制中心和用户单元等组成。低轨道卫星移动系统的基本组成：在若干个轨道平面上布置多颗卫星，由通信链路将多个轨道平面上的卫星联结起来。整个星座如同结构上连成一体的大型平台，在地球表面形成蜂窝状服务小区，服务区内用户至少被一颗卫星覆盖，用户可以随时接入系统。
为了兼顾现有低轨道卫星的优势，考虑高轨卫星的高投入和发射高轨卫星的成功率等一系列因素，利用中轨卫星的特点，建立一个基于中轨卫星的通信系统是非常有必要的，降低生产成本和发射成本，提高整个系统的可靠性。
下面结合图1-图7描述本发明的中轨中继通信组网卫星系统。
图1是本发明提供的中轨中继通信组网卫星系统的示意图；如图1所示，该系统至少包括：
中轨中继卫星星座、地面站以及运控系统；
所述中轨中继卫星星座包括：3个轨道面的9颗中继卫星，每个轨道面的3颗中继卫星均匀分布，与地心连线夹角为120度；3个轨道面相互垂直，其中一个为赤道轨道面，另外两个为极轨轨道面；同轨道面内每2颗中继卫星间通过星间激光链路通信，所述中继卫星与地面站间通过星地微波链路通信，且所述中继卫星均位于中轨范围内；
所述地面站用于支持低轨航天器和所述中继卫星的测控管理，以及对应的用户数据前返向传输；
所述运控系统用于完成中继卫星状态监视控制、在轨管理以及用户信息处理。
具体地，中轨中继卫星运行于中轨，轨道高度约为2000-36000公里，由于其本身运行轨道的特点，与LEO航天器的距离更近，相比GEO中继卫星，对用户终端的要求更低，同样的终端可以实现更高的数据传输速率。
考虑到全球覆盖的实施通信，本发明提供的中轨中继通信组网卫星系统至少包括：中轨中继卫星星座、地面站以及运控系统；
其中，根据地球的三维特性，该中轨中继卫星星座包括：3个轨道面的9颗中继卫星，每个轨道面的3颗中继卫星均匀分布，与地心连线夹角为120度；3个轨道面相互垂直，其中一个为赤道轨道面，另外两个为极轨轨道面；同轨道面内每2颗中继卫星间通过星间激光链路通信，所述中继卫星与地面站间通过星地微波链路通信，且所述中继卫星均位于中轨范围内；同轨道面内每2颗中继卫星间具备轨内星间激光终端，工作时建立星间激光链路，中继卫星具备与地面站间的星地微波通信链路。
每个轨道面的3颗中继卫星，总有1颗在预设范围内可见，这颗卫星称为“中节点中继卫星”，其建立与地面站间的星地微波通信链路，同轨道面的另外2颗中继卫星与中节点中继卫星建立星间激光链路，将接收的用户数据传输至中节点中继卫星，与中节点中继卫星接收的用户数据汇聚复接后通过星地微波链路传输至地面站。中继卫星在轨运动时，当前中节点的中继卫星即将出站时，下一颗中继卫星进入地面站可视范围内，即承担中节点中继卫星的角色。
3个轨道面正交，9颗卫星对LEO轨道形成全球覆盖，可以实现对用户LEO航天器24小时连续在轨测控和数据传输支持服务，同时也可以为全球任意地点的地面用户提供通信服务。且上述中继卫星状态完全一致，可以批量设计生产和一箭三星发射部署，降低生产成本和发射成本，提高整个系统的可靠性。
所述地面站用于支持低轨航天器和所述中继卫星的测控管理，以及对应的用户数据前返向传输；
地面站实现对地面站不可见的低轨航天器的测控管理，可以通过对地面站可见的中轨中继卫星转发相关的数据或者指令信息，同样的，低轨航天器有用户数据需要传送给地面站时，可发送给距离该低轨航天器最近的中继卫星，再通过对地面站可见的中轨中继卫星转发给地面站。上述低轨航天器通常为用户卫星。此外，地面站还可以对中轨中继卫星进行测控管理，对中继卫星的状态进行监控，以保证其处于正常的工作状态。
所述运控系统用于完成中继卫星状态监视控制、在轨管理以及用户信息处理。
运控系统对中继卫星运行状态监视，可确保每个中继卫星运行状态正常，如果发现异常情况，采取对应的措施对中轨卫星进行修复等操作，比如中继卫星出现脱轨的状态时，及时发送相关的控制指令给中继卫星，使其调整运行参数等，达到回归正常轨道运行；此外，运控系统还可以告知低轨航天器的信息需要更新，同步传输给中继卫星等。
本发明提供的中轨中继通信组网卫星系统，可以为多个不同数据速率、不同轨道的LEO航天器提供对应速率的接入服务；建立一个高实时、高覆盖、多用户的天基测控和数据传输系统，不依赖现有的一些卫星地面站，可以避免潜在的安全风险；达到100％全球覆盖的实时通信能力。
可选地，所述中继卫星设置激光终端和用户微波终端，每个轨道面内的中继卫星之间通过激光终端建立星间激光链路。
具体地，上述中继卫星均设置有激光终端和用户微波终端，因为该中继卫星与LEO航天器的距离更近，相比GEO中继卫星系统，对用户终端的要求更低，同样的终端可以实现更高的数据传输速率。因此，在中轨中继卫星上布设的激光终端和用户微波终端，在物理配件的要求以及相关的支持能力要求更低，可选择性更多，配置激光终端和用户微波终端时，选择面更广，有利于节约成本投入，而且即使采用同样的终端配置在中轨中继卫星建立通信后，可以实现更高的数据传输速率。中继卫星之间通过激光终端建立星间激光链路，中继卫星与低轨航天器之间可根据低轨航天器的支持能力建立不同的链路，更灵活的实现对不同能力低轨航天器的支持和管理。所述低轨航天器也均设置激光终端和/或用户微波终端。
本发明提供的中轨中继通信组网卫星系统，可以为多个不同数据速率、不同轨道的LEO航天器提供对应速率的接入服务；建立一个高实时、高覆盖、多用户的天基测控和数据传输系统，不依赖现有的一些卫星地面站，可以避免潜在的安全风险；达到100％全球覆盖的实时通信能力，对用户终端的要求更低，同样的终端可以实现更高的数据传输速率。
可选地，所述每个轨道面内的所述中继卫星通过中节点中继卫星与地面站进行通信；所述中节点中继卫星为在同轨道面内所有中继卫星在轨运行过程中，对地面站可见的中继卫星；
且所述中节点中继卫星通过自身设置的用户微波终端，与地面站建立星地微波链路。
具体地，上述中轨中继通信组网卫星系统中，每个轨道面的中继卫星在轨运行过程中，会存在至少一个中继卫星对地面站可见，也就是在预设范围内可见，这颗卫星称为“中节点中继卫星”，其建立与地面站间的通信链路，即通过该中继卫星上设置的用户微波终端与地面站建立星地微波链路。其上承载的有效载荷为星地微波馈电链路载荷。同轨道面的另外2颗中继卫星与中节点中继卫星都设置有激光终端，两中继卫星之间通过其上设置的激光终端建立星间激光链路，将接收的用户数据传输至中节点中继卫星，与中节点中继卫星接收的用户数据汇聚复接后通过星地微波链路传输至地面站。
中节点中继卫星可以直接和地面站进行通信连接，而其他中继卫星不能直接与地面站进行通信连接，只能通过同轨道内的中节点中继卫星进行转发，即所述每个轨道面内的中节点中继卫星作为中间路由节点，用于通过星间链路接收同轨道内其他中继卫星接收到的第一数据，并结合自身接收的第二数据合并处理后，通过星地馈电链路传输至地面站；所述地面站需要发送数据时，通过星地馈电链路将所述数据发送给中节点中继卫星，由中节点中继卫星处理或发送给自身覆盖范围内的用户卫星，或通过星间链路将所述用户数据发送给同轨道内的其他中继卫星，在转发给上述其他中继卫星覆盖范围内对应的用户卫星。
其中，所述第一数据是所述其他中继卫星在其覆盖范围内对应的低轨用户卫星上报的用户数据；所述第二数据是所述中节点中继卫星在其覆盖范围内对应的低轨用户卫星上报的用户数据。
而且中继卫星在轨运行中，会出现中节点的中继卫星即将出站的情况，及该中继卫星在预设范围内不可见的情况，那么位于同轨道的下一颗中继卫星进入地面站可视范围内，即承担中节点中继卫星的角色。
本发明提供的中轨中继通信组网卫星系统，可以为多个不同数据速率、不同轨道的LEO航天器提供对应速率的接入服务；建立一个高实时、高覆盖、多用户的天基测控和数据传输系统，不依赖现有的一些卫星地面站，可以避免潜在的安全风险；达到100％全球覆盖的实时通信能力。
可选地，所述每个轨道面内的所有中继卫星通过激光终端与低轨航天器建立用户激光链路，和/或通过用户微波终端与低轨航天器建立用户微波链路，进行低轨航天器的用户数据的前返向传输。
具体地，所有的中继卫星均可以与低轨航天器进行通信，该低轨航天器通常为用户卫星，可通过激光终端建立用户激光链路，也可通过用户微波终端建立用户微波链路，具体的根据用户卫星的支持能力确定。如果用户卫星只支持微波通信，则中继卫星通过用户微波终端与该用户卫星建立用户微波链路；如果用户卫星只支持激光通信，则中继卫星通过激光终端与该用户卫星建立用户激光链路；如果用户卫星既支持微波通信也支持激光通信，则中继卫星可通过用户微波终端与该用户卫星建立用户微波链路，同时也可通过激光终端与该用户卫星建立用户激光链路，两种链路同时进行通信，互不干扰。上述低轨用户卫星上也设置有激光终端和/或用户微波终端，即两卫星之间通过相同类型的激光终端和/或用户微波终端进行通信。
本发明提供的中轨中继通信组网卫星系统，可以为多个不同数据速率、不同轨道的LEO航天器提供对应速率的接入服务；建立一个高实时、高覆盖、多用户的天基测控和数据传输系统，不依赖现有的一些卫星地面站，可以避免潜在的安全风险；达到100％全球覆盖的实时通信能力。
可选地，所述中继卫星处于不同轨道面时，所述中继卫星之间不建立星间激光链路。
具体地，上述中轨中继通信组网卫星系统中，3个轨道面的中继卫星之间不设置星间激光终端，即不在同一个轨道面的中继卫星之间不能建立星间激光通信，可以大大降低系统的复杂度。所有的对地面站的通信均通过中节点中继卫星。
本发明提供的中轨中继通信组网卫星系统，可以为多个不同数据速率、不同轨道的LEO航天器提供对应速率的接入服务；建立一个高实时、高覆盖、多用户的天基测控和数据传输系统，不依赖现有的一些卫星地面站，可以避免潜在的安全风险；达到100％全球覆盖的实时通信能力。
可选地，所述地面站为综合地面站，且每个轨道面配置2套综合地面站。
具体地，上述中轨中继通信组网卫星系统中的地面站通常在每个轨道面配置2套综合地面站，互为备份，以免其中一套故障的情况下，导致整个系统不能正常工作，2套综合地面站同时保存相同的数据信息，在其中一个故障的情况下，另一个综合地面站仍可以对外部提供相关的数据或服务，支持卫星测控管理和用户数据前返向传输，以及对中继卫星的测定轨。综合地面站可以实现测控、用户数据传输、处理，相较于测控地面站，更全面。
本发明提供的中轨中继通信组网卫星系统，可以为多个不同数据速率、不同轨道的LEO航天器提供对应速率的接入服务；建立一个高实时、高覆盖、多用户的天基测控和数据传输系统，不依赖现有的一些卫星地面站，可以避免潜在的安全风险；达到100％全球覆盖的实时通信能力。
可选地，所述星间激光链路的有效载荷或所述用户激光链路的有效载荷为激光通信载荷，所述星地微波链路的有效载荷或所述用户微波链路的有效载荷为微波通信载荷。
具体地，上述中轨中继通信组网卫星系统中同轨道的中继卫星之间建立的星间激光链路通信，该星间激光链路通信的有效载荷为激光通信载荷，中节点中继卫星与地面站之间建立星地微波链路通信，该星地微波链路通信的有效载荷为微波通信载荷。中继卫星与低轨航天器之间通信，该低轨航天器通常为用户卫星，即中继卫星与用户卫星之间通信可通过激光终端建立用户激光链路，该链路的有效载荷为激光通信载荷，或可通过用户微波终端建立用户微波链路，该链路的有效载荷为微波通信载荷；或既可通过激光终端建立用户激光链路，也可通过用户微波终端建立用户微波链路，对应的链路的有效载荷分别为激光通信载荷，微波通信载荷。
本发明提供的中轨中继通信组网卫星系统，可以为多个不同数据速率、不同轨道的LEO航天器提供对应速率的接入服务；建立一个高实时、高覆盖、多用户的天基测控和数据传输系统，不依赖现有的一些卫星地面站，可以避免潜在的安全风险；达到100％全球覆盖的实时通信能力。
可选地，所述用户信息处理包括：用户任务规划评估、用户数据管理分发和用户卫星状态监视。
具体地，上述中轨中继通信组网卫星系统中，运控系统：完成中继卫星状态监视控制及在轨管理、用户任务规划评估、用户数据管理分发、用户卫星状态监视等功能。
其中，用户任务规划评估，主要是针对用户卫星或航天器服务中的规划结果以及服务质量进行评估。
用户数据管理分发，主要是对不同用户数据分别有序的进行分发，确保数据的正确性；
用户卫星状态监视，主要是通过用户卫星遥测数据中的卫星状态参数对用户卫星的工作状态进行监视。
本发明提供的中轨中继通信组网卫星系统，可以为多个不同数据速率、不同轨道的LEO航天器提供对应速率的接入服务；建立一个高实时、高覆盖、多用户的天基测控和数据传输系统，不依赖现有的一些卫星地面站，可以避免潜在的安全风险；达到100％全球覆盖的实时通信能力。
可选地，还包括：用户中心，用于完成用户卫星数据的接收以及用户卫星所需数据的发送。
具体地，上述中轨中继通信组网卫星系统还包括用户中心，用户卫星数据应用和处理中心，完成用户卫星数据的接收以及用户卫星所需数据的发送。通常包括终端，例如手机，发送用户需求，借助卫星系统完成。
本发明提供的中轨中继通信组网卫星系统，可以为多个不同数据速率、不同轨道的LEO航天器提供对应速率的接入服务；建立一个高实时、高覆盖、多用户的天基测控和数据传输系统，不依赖现有的一些卫星地面站，可以避免潜在的安全风险；达到100％全球覆盖的实时通信能力。
下面以具体的例子对本发明提供的中轨中继通信组网卫星系统进行说明。
本发明通过充分研究论证星座构型、中继卫星有效载荷、星座及地面站配置，首次提出在地球中轨道建立3个轨道面、9颗激光微波混合链路中继卫星星座组网的设计方法，既解决了低轨航天器高实时、全覆盖的在轨支持服务需求，又避免依赖现有的一些地面站面临的潜在的安全风险。
星座构型：如图2所示，星座构型为1个赤道轨道面+2个极轨轨道面，每轨道面3颗卫星均匀分布，轨内具备激光星间链路，轨间不设置星间链路，可以大大降低系统的复杂度；
有效载荷：用户激光通信载荷、用户微波通信载荷、星地微波馈电链路载荷；
地面站：每个轨道面配置2套综合地面站互为备份，支持低轨航天器和中轨中继卫星测控管理和用户数据前返向传输，以及对中继卫星的测定轨。
运控系统：完成中继卫星状态监视控制及在轨管理、用户任务规划评估、用户数据管理分发、用户卫星状态监视等功能。
用户中心：用户卫星数据应用和处理中心，完成用户卫星数据的接收以及用户卫星所需数据的发送。
如图2所示，每个轨道面中继卫星在轨运行过程中，至少一颗中继卫星对地面站可见，称“中节点卫星”，其他2颗卫星与其建立星间链路。以图2中所示的1A、1B、1C三颗中继卫星为赤道轨道面(Equatorial Orbit，EO轨道面)，2A、2B、2C三颗中继卫星为极轨轨道面1(Polar Orbit，PO1轨道面)，3A、3B、3C三颗中继卫星为极轨轨道面2(PO2轨道面)。
相应地，图2中所示的时刻，卫星1B为EO轨道面三星的中节点卫星，2B为PO1轨道面三星的中节点卫星，3B为PO2轨道面三星的中节点卫星。
在图3中以PO1轨道面为例，中继卫星2B为中节点，在其地面站可视范围内，2A和2C卫星接收到的用户卫星的数据均通过与2B的星间链路传输至中节点卫星2B，与2B卫星接收的用户卫星数据一并处理后，通过2B与地面站的星地馈电链路传输至地面站；需要传输至用户卫星的数据，通过地面站至2B卫星的星地馈电链路传输至2B卫星，并经2B卫星处理或发往用户卫星，或经2A、2C卫星传输至用户卫星。
当卫星在轨运转，2B卫星离开地面站可视范围时，2C卫星代替2B卫星成为中节点卫星，通过地面控制或自动化设置，使2C卫星承担中节点卫星的功能，同时2B卫星变成前节点中继卫星，2A卫星成为后节点中继卫星，与上节所述类似，为用户卫星开展在轨数据传输服务。中继卫星和用户卫星之间支持双向收发，如果只有单向数据或业务传输，同样也可通过上述卫星上设置的激光终端和/或用户微波终端进行接收或者发送。
如图4、5和6所示，分别为EO轨道面、PO1轨道面、PO2轨道面中继卫星某一时刻对地覆盖示意图。图4、5和6中横轴的数字表示地球经度，外围方框代表地球表面，图中斜线阴影部分为覆盖范围，可以看出，三个轨道面的中继卫星对地覆盖通过相互补充，实现全球覆盖。并且有部分区域可达到两重覆盖。其中，阴影的重叠部分即代表有两重覆盖。
图7是本发明提供的中轨中继通信组网卫星系统的通信方法的整体流程示意图，如图7所示，该方法的具体步骤如下：
步骤701、建立包括中轨中继卫星星座、地面站以及运控系统的中轨中继通信组网卫星系统；所述中轨中继卫星星座包括：3个轨道面的9颗中继卫星，每个轨道面的3颗中继卫星均匀分布，与地心连线夹角为120度；3个轨道面相互垂直，其中一个为赤道轨道面，另外两个为极轨轨道面；同轨道面内每2颗中继卫星间通过星间激光链路通信，所述中继卫星与地面站间通过星地微波链路通信，且所述中继卫星均位于中轨范围内；
所述地面站用于支持低轨航天器和所述中继卫星的测控管理，以及对应的用户数据前返向传输；
所述运控系统用于完成中继卫星状态监视控制、在轨管理以及用户信息处理；所述用户信息处理包括：用户任务规划评估、用户数据管理分发和低轨航天器状态监视；
每个轨道面的所述中继卫星均设置激光终端和用户微波终端；
步骤702、若地面站和中继卫星之间有数据传输需求，则每个轨道面内的中继卫星通过中节点中继卫星与地面站进行数据传输，所述中节点中继卫星为在同轨道面内所有中继卫星在轨运行过程中，对地面站可见的中继卫星；且所述数据传输是由所述中节点中继卫星通过自身设置的用户微波终端，与地面站建立星地微波链路实现的。
考虑到全球覆盖的实施通信，本发明提供的中轨中继通信组网卫星系统至少包括：中轨中继卫星星座、地面站以及运控系统；
其中，根据地球的三维特性，该中轨中继卫星星座包括：3个轨道面的9颗中继卫星，每个轨道面的3颗中继卫星均匀分布，与地心连线夹角为120度；3个轨道面相互垂直，其中一个为赤道轨道面，另外两个为极轨轨道面；同轨道面内每2颗中继卫星间通过星间激光链路通信，所述中继卫星与地面站间通过星地微波链路通信，且所述中继卫星均位于中轨范围内；同轨道面内每2颗中继卫星间具备轨内星间激光终端，工作时建立星间激光链路，中继卫星具备与地面站间的星地微波通信链路。
每个轨道面的3颗中继卫星，总有1颗在预设范围内可见，这颗卫星称为“中节点中继卫星”，其建立与地面站间的星地微波通信链路，同轨道面的另外2颗中继卫星与中节点中继卫星建立星间激光链路，将接收的用户数据传输至中节点中继卫星，与中节点中继卫星接收的用户数据汇聚复接后通过星地微波链路传输至地面站。中继卫星在轨运动时，当前中节点的中继卫星即将出站时，下一颗中继卫星进入地面站可视范围内，即承担中节点中继卫星的角色。
3个轨道面正交，9颗卫星对LEO轨道形成全球覆盖，可以实现对用户LEO航天器24小时连续在轨测控和数据传输支持服务，同时也可以为全球任意地点的地面用户提供通信服务。且上述中继卫星状态完全一致，可以批量设计生产和一箭三星发射部署，降低生产成本和发射成本，提高整个系统的可靠性。
所述地面站用于支持低轨航天器和所述中继卫星的测控管理，以及对应的用户数据前返向传输；
地面站实现对地面站不可见的低轨航天器的测控管理，可以通过对地面站可见的中轨中继卫星转发相关的数据或者指令信息，同样的，低轨航天器有用户数据需要传送给地面站时，也可通过对地面站可见的中轨中继卫星实现转发。
所述运控系统用于完成中继卫星状态监视控制、在轨管理以及用户信息处理。
运控系统对中继卫星运行状态监视，可确保每个中继卫星运行状态正常，如果发现异常情况，采取对应的措施对中轨卫星进行修复等操作，比如中继卫星出现脱轨的状态时，及时发送相关的控制指令给中继卫星，使其调整运行参数等，达到回归正常轨道运行；此外，运控系统还可以告知低轨航天器的信息需要更新，同步传输给中继卫星等。
上述中继卫星均设置有激光终端和用户微波终端，因为该中继卫星与LEO航天器的距离更近，相比GEO中继卫星系统，对用户终端的要求更低，同样的终端可以实现更高的数据传输速率。因此，在中轨中继卫星上布设的激光终端和用户微波终端，在物理配件的要求以及相关的支持能力要求更低，可选择性更多，配置激光终端和用户微波终端时，选择面更广，有利于节约成本投入，而且即使采用同样的终端配置在中轨中继卫星建立通信后，可以实现更高的数据传输速率。中继卫星之间通过激光终端建立星间激光链路，中继卫星与低轨航天器之间可根据低轨航天器的支持能力建立不同的链路，更灵活的实现对不同能力低轨航天器的支持和管理。
本发明提供的中轨中继通信组网卫星系统的通信方法，可以为多个不同数据速率、不同轨道的LEO航天器提供对应速率的接入服务；建立一个高实时、高覆盖、多用户的天基测控和数据传输系统，不依赖现有的一些卫星地面站，可以避免潜在的安全风险；达到100％全球覆盖的实时通信能力。
可选地，所述方法还包括：
若所述低轨航天器与所述中继卫星之间有数据传输需求，则所述低轨航天器与所述中继卫星，通过用户激光链路和/或用户微波链路进行数据传输，且所述用户激光链路是所述中继卫星通过激光终端与低轨航天器建立的，所述用户微波链路是所述中继卫星通过用户微波终端与低轨航天器建立的。
可选地，所述方法包括：
所述中继卫星处于不同轨道面时，所述中继卫星之间不建立星间激光链路。
可选地，所述方法包括：
所述地面站为综合地面站，且每个轨道面配置2套综合地面站。
可选地，所述方法包括：
所述星间激光链路的有效载荷或所述用户激光链路的有效载荷为激光通信载荷，所述星地微波链路的有效载荷或所述用户微波链路的有效载荷为微波通信载荷。
可选地，所述方法包括：
所述中轨中继通信组网卫星系统还包括：用户中心，用于完成低轨航天器数据的接收以及低轨航天器所需数据的发送，所述低轨航天器的数据采用星间激光链路传输或者微波链路传输；
所述用户信息处理包括：用户任务规划评估、用户数据管理分发和用户卫星状态监视。
本发明提供的中轨中继通信组网卫星系统的通信方法可以为多个不同数据速率、不同轨道的低轨航天器提供对应的接入服务；建立一个高实时、高覆盖、多用户的天基测控和数据传输系统，不依赖现有的一些卫星地面站，达到100％全球覆盖的实时通信能力。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (15)
1.一种中轨中继通信组网卫星系统，其特征在于，至少包括：中轨中继卫星星座、地面站以及运控系统；
所述中轨中继卫星星座包括：3个轨道面的9颗状态完全一致的中继卫星，每个轨道面的3颗中继卫星均匀分布，与地心连线夹角为120度，采用一箭三星发射部署；3个轨道面相互垂直，其中一个为赤道轨道面，另外两个为极轨轨道面；同轨道面内每2颗中继卫星间通过星间激光链路通信，所述中继卫星与地面站间通过星地微波链路通信，且所述中继卫星均位于中轨范围内；
所述地面站用于支持低轨航天器和所述中继卫星的测控管理，以及对应的用户数据前返向传输；
所述运控系统用于完成中继卫星状态监视控制、在轨管理以及用户信息处理。
2.根据权利要求1所述的中轨中继通信组网卫星系统，其特征在于，所述中继卫星均设置激光终端和用户微波终端，每个轨道面内的中继卫星之间通过激光终端建立星间激光链路。
3.根据权利要求2所述的中轨中继通信组网卫星系统，其特征在于，所述每个轨道面内的所述中继卫星通过中节点中继卫星与地面站进行通信；所述中节点中继卫星为在同轨道面内所有中继卫星在轨运行过程中，对地面站可见的中继卫星；
且所述中节点中继卫星通过自身设置的用户微波终端，与地面站建立星地微波链路。
4.根据权利要求2所述的中轨中继通信组网卫星系统，其特征在于，所述每个轨道面内的所有中继卫星通过激光终端与低轨航天器建立用户激光链路，和/或通过用户微波终端与低轨航天器建立用户微波链路，进行低轨航天器的用户数据的前返向传输。
5.根据权利要求1所述的中轨中继通信组网卫星系统，其特征在于，所述中继卫星处于不同轨道面时，所述中继卫星之间不建立星间激光链路。
6.根据权利要求1所述的中轨中继通信组网卫星系统，其特征在于，所述地面站为综合地面站，且每个轨道面配置2套综合地面站。
7.根据权利要求4所述的中轨中继通信组网卫星系统，其特征在于，所述星间激光链路的有效载荷或所述用户激光链路的有效载荷为激光通信载荷，所述星地微波链路的有效载荷或所述用户微波链路的有效载荷为微波通信载荷。
8.根据权利要求1所述的中轨中继通信组网卫星系统，其特征在于，所述用户信息处理包括：用户任务规划评估、用户数据管理分发和低轨航天器状态监视。
9.根据权利要求1所述的中轨中继通信组网卫星系统，其特征在于，还包括：用户中心，用于完成低轨航天器数据的接收以及低轨航天器所需数据的发送，所述低轨航天器的数据采用星间激光链路传输或者微波链路传输。
10.一种中轨中继通信组网卫星系统的通信方法，其特征在于，包括：
建立包括中轨中继卫星星座、地面站以及运控系统的中轨中继通信组网卫星系统；所述中轨中继卫星星座包括：3个轨道面的9颗状态完全一致的中继卫星，每个轨道面的3颗中继卫星均匀分布，与地心连线夹角为120度，采用一箭三星发射部署；3个轨道面相互垂直，其中一个为赤道轨道面，另外两个为极轨轨道面；同轨道面内每2颗中继卫星间通过星间激光链路通信，所述中继卫星与地面站间通过星地微波链路通信，且所述中继卫星均位于中轨范围内；
所述地面站用于支持低轨航天器和所述中继卫星的测控管理，以及对应的用户数据前返向传输；
所述运控系统用于完成中继卫星状态监视控制、在轨管理以及用户信息处理；
每个轨道面的所述中继卫星均设置激光终端和用户微波终端；
若地面站和中继卫星之间有数据传输需求，则每个轨道面内的中继卫星通过中节点中继卫星与地面站进行数据传输，所述中节点中继卫星为在同轨道面内所用中继卫星在轨运行过程中，对地面站可见的中继卫星；且所述数据传输是由所述中节点中继卫星通过自身设置的用户微波终端，与地面站建立星地微波链路实现的。
11.根据权利要求10所述的中轨中继通信组网卫星系统的通信方法，其特征在于，所述方法包括：
若所述低轨航天器与所述中继卫星之间有数据传输需求，则所述低轨航天器与所述中继卫星，通过用户激光链路和/或用户微波链路进行数据传输，且所述用户激光链路是所述中继卫星通过激光终端与低轨航天器建立的，所述用户微波链路是所述中继卫星通过用户微波终端与低轨航天器建立的。
12.根据权利要求10所述的中轨中继通信组网卫星系统的通信方法，其特征在于，所述方法包括：
所述中继卫星处于不同轨道面时，所述中继卫星之间不建立星间激光链路。
13.根据权利要求10所述的中轨中继通信组网卫星系统的通信方法，其特征在于，所述方法包括：
所述地面站为综合地面站，且每个轨道面配置2套综合地面站。
14.根据权利要求11所述的中轨中继通信组网卫星系统的通信方法，其特征在于，所述方法包括：
所述星间激光链路的有效载荷或所述用户激光链路的有效载荷为激光通信载荷，所述星地微波链路的有效载荷或所述用户微波链路的有效载荷为微波通信载荷。
15.根据权利要求10所述的中轨中继通信组网卫星系统的通信方法，其特征在于，所述方法包括：
所述中轨中继通信组网卫星系统还包括：用户中心，用于完成低轨航天器数据的接收以及低轨航天器所需数据的发送，所述低轨航天器的数据采用星间激光链路传输或者微波链路传输；
所述用户信息处理包括：用户任务规划评估、用户数据管理分发和用户卫星状态监视。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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