CN115149993A - 一种用于全向星间通信的通信天线组阵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于全向星间通信的通信天线组阵以及对天天线。该通信天线组阵包括对地天线和对天天线，通信天线组阵的对天天线按照位置能够彼此相对改变和/或倾斜角度能够相对改变的方式布置以动态响应星间距离的动态变化；通信天线组阵的紧凑度、辐射区域的重叠度以及天线方向图随着对天天线的变化而改变，使得单个卫星上的通信天线组阵的增益最大。该对天天线按照能够沿第二反射盘的径向方向滑动的方式设置于第二反射盘上并改变其相对位置，对天天线按照彼此的倾斜程度不同的方式设置于第二反射盘上，按照旋转以改变其与所述第二反射盘之间的夹角的方式改变其倾斜角度。

Description

一种用于全向星间通信的通信天线组阵

分案说明

本分案申请的原始基础是申请号为201910225386.9，申请日2019 年3月22日，发明名称为“一种基于编队卫星的星间通信系统及方法”的专利申请，其要求了申请号为201910052869.3的专利申请的优先权，优先权日为2019年1月23日。

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种用于全向星间通信的通信天线组阵以及对天天线。

背景技术

目前卫星测控主要采用单站单星测控方法。即每颗卫星经过地面测控站上空时根据星上计算机指令直接与地面测控站单独建立星地测控链路。上述单主占单星测控特点是每个地面测控站同时仅服务于一颗卫星，多个卫星分时与全球多个测控站之间实现数据传输。

随着卫星网络的发展，卫星的小型化成为趋势，重量小于100kg的微纳卫星以低成本、灵活性在科学探测、遥感成像等领域占据了主流地位。例如，采用三轴稳定微纳卫星与自旋稳定微纳卫星混合编队的进行多点探测是空间探测的一个重要发展方向，即利用多个体积、重量、功率较小的三轴稳定卫星/自旋稳定卫星以几公里到几十公里的方式编队完成分散点的数据采集，利用自旋稳定卫星的旋转特性完成圆周各点的数据采集，并将采集的数据作为载荷遥测信息与平台遥测信息一同传输到地面。

随着先进的微电子、数据处理与存储、遥感和智能计算等技术的发展，现代小卫星有了飞跃式的发展。现代小卫星不仅具有体积小、重量轻、技术含量高和研制周期短等一系列优点，还具有可以采用标准化星体及模块化设计技术，能够在流水线上批量生产并储存、便于机动发射等优点，且可以用分布式的星座，或者引入人工智能等新技术成果，用智能星群完成复杂的任务，甚至完成大卫星不能完成的任务。现代小卫星广泛应用于商业通信、航天遥感、空间科研、行星探测、国防军事等领域。

近年来，新一代空间无线通信任务对卫星编队系统的吞吐量、实时性和鲁棒性提出了更高的要求。基于Walkerδ星座设计理论的卫星系统是目前应用最广的全球覆盖卫星系统，并应用于美国Globalstar、俄罗斯GLONASS、欧洲Galileo等卫星导航系统设计。虽然此类系统凭借良好的普适性和商用价值仍是目前卫星系统商品化的主流，但在区域(尤其是中高纬度地区)覆盖性能及具有单颗虚拟大卫星功能的卫星网络构建方面，却存在着很大的局限性。首先，分散的卫星分布无法最优化区域覆盖特性，同时也限制了星间链路(ISL)的配置及优化；其次，Walker星座本身对卫星失效较为敏感，系统的抗毁性难以保证；第三，在目前己投入使用的卫星系统中，ISL还未得到充分地应用，无法从网络级别对系统进行设计。因此，需要提供具有ISL及紧凑拓扑结构的无线通信卫星编队系统。

Flower卫星星座理论自2003年提出以来，在全球导航系统的优化及区域导航卫星星座设计方面备受关注。其优势特性在于：星座中所有卫星均具有周期重复的共地面轨迹，采用小偏心率的椭圆轨道，结合灵活的轨道倾角设定可以在远地点附近的低速驻留区内实现大容量的星地数据传输，区域覆盖性能优于传统的Walker星座。国内学者对Flower星座的应用可行性也进行了一系列相关研究。《宇航学报》2007年第3期中的文章"Flower卫星星座设计方法研究"设计了一个能够不依赖地面测控站为GEO卫星提供导航运位服务的Flower卫星星座系统，该系统包含两个Flower星座，且卫星在星座中均匀分布，通过仿真验证了其对中高轨道宇航飞行器提供导航运维服务的可行性。但是这种由多个Flower星座构成的系统由于卫星空间分布均匀且不紧凑，不适合用于地面区域覆盖，且设计中也没有考虑ISL的构建，因此该系统不具备良好的稳定性和星间组网功能。

MIMO技术，最早是由Marconi于1908年提出的，旨在利用多天线来抑制信道衰落。直到上个世纪九十年代中期，美国的AT&T Bell实验室发表了一系列文章，提出了以引入空域处理技术的多进多出(MIMO:Multiple Input Multiple Output)技术为代表的多天线通信系统，并就其编码技术方案以及信号处理技术进行了全面的阐述，引起了各国学者的极大关注，对 MIMO技术的研究产生了巨大的推动作用。多入多出(MIMO)是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破，该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，是新一代移动通信系统必须采用的关键技术。

卫星编队指具有特殊几何构型，且卫星间的相对位置要求保持在一定精度范围内的卫星系统。现实中多采用小卫星编队飞行，小卫星之间相互合作，共同执行空间任务。把过去由单颗卫星完成的任务分散给编队中的每颗卫星，构成一颗"虚拟卫星"完成单颗大卫星的任务，大大提高了卫星系统的抗干扰和抗摧毁能力。卫星编队飞行技术具有高度的灵活性，可以根据需要改变其系统的构型及指向，灵活改善或增减系统功能。它们协同工作，共同承担信号处理、通信和有效载荷等任务，可以实现单一大卫星无法完成的科学和技术使命，将开辟许多新的空间应用领域。更为重要的是，编队飞行技术具有低风险、高生存能力的特性。与大卫星相比，卫星编队中即使单个卫星失效，其损失也较小，构成虚拟平台的卫星数量在一定范围内可增减。

卫星编队的应用，将产生大量的数据需要快速传输至地面。考虑到卫星编队的空间特性，多颗卫星可以组成一个空间天线阵列进行信息传输，如果能在星地之间建立MIMO通信系统，能大大提高星地通信系统的传输能力。

另一方面，目前关于卫星编队星地MIMO的研究多侧重于MIMO分集方面，对MIMO空分复用研究较少。非专利文献(R.T.Schwarz et al. Optimum-Capacity MIMO SatelliteLink for Fixed and Mobile Services. Proc.WSA2008,pp.209-216)提出在同步轨道卫星编队于地面站之间构建 MIMO通信系统得到复用增益，并在理论上推导了同步轨道下星地MIMO 系统的地面阵最优参数选择。

在低轨卫星与地面天线阵建立MIMO系统的难度较大，因为低轨卫星与地面站之间相对移动速度较快，很难满足长时间的、稳定的通信链路，星地通信链路处于视距状态，不同收发天线对地链路之间相关性较大，难以充分使用卫星编队的空域信息来进行空分复用从而使传输速率成倍提升。同时还需综合考虑卫星对地面的同时覆盖和卫星编队间同步传输等问题。

低轨卫星运行特点是境内测控弧段受限，境外运行时间长，以某太阳同步轨道卫星为例，卫星轨道周期约为96分钟，每天绕地球运行约14圈，境内地面测控站一般跟踪卫星4圈，每圈跟踪卫星时间约10分钟，境外通常是通过中继卫星系统控制卫星状态。

低轨卫星运行中地面测控站、中继卫星的指令数据同时进入遥控数据处理设备，多通道的遥控信号如何选择是卫星测控系统设计需要重点考虑的因素。

为了满足用于多星集群编队的星间多路由通信需要，针对队列式通信、多星通信的需求，开展了与之相关的星间通信链路多路由通信技术设计。国内外可供参考的星间通信链路设计方案较多，但这些星间链路适用于少量卫星星间通信或其多星间星间链路指向不变，或只能对视场可见星进行通信，或多星星间转发时延较大，又或者多星间星间链路间隙工作，均不满足当前多星队列式通信需要。且这些星间链路都是基于跟飞、伴飞编队的定向、间歇、单工通信链路，无法满足绕飞编队下，全向、全时、双工的星间通信需要。而传统的测控方案，由于其为准全向特性，即天线阵干涉区的存在会导致绕飞期间出现频繁的通信中断，影响星间链路的稳定性、连续性，因此，也不适用于绕飞编队期间通信。为解决上述问题，要求设计出具有以下特点的星间链路的卫星通信系统，这些星间链路具备多星接入、队列式多路由通信且同时具备全向、全时、双工的技术特点。

传统星间链路设计中，同一轨道面内前后飞行的两颗卫星的星间链路系统分别配备一套星间发射设备和一套星间接收设备。当两星距离较近时，球面轨道在两星之间近似为直线，近距离星间通信时，两星之间视场不受影响。但随着两颗星之间星间通信距离增大，通信链路信号逐渐减弱甚至不能正常接收调解信号，通信链路视场受到球面轨道的影响导致星间通信链路视场变窄甚至中断，即星间发射天线波束不能覆盖星间接收天线波束。因此星间通信距离的增大，不仅影响了星间链路通信信号强弱，还影响了两星之间星间发射、接收天线的通信共视视场。传统的星间链路系统设计不能满足远距离星间通信的需求。

公开号为CN102201854A的中国专利公开了一种卫星编队组网的网络链路建立方法，所述卫星编队组网包括第一卫星和至少一个第二卫星，所述方法包括：检测所述第一卫星和至少一个第二卫星是否处于正常运行状态；若判断的结果为是，则第一卫星以及第一预设条件与地面测控系统之间建立星地测控链路，或者依据第二预设条件将处于正常运行状态的至少一个第二卫星与第一卫星之间建立星间链路；所述至少一个第二卫星与第一卫星之间通过星间链路双向传输各自相对应的测控信息，以及所述第一卫星与地面测控系统之间双向传输各自相对应的测控信息。然而，该方法仅适用于通信卫星间一对一的链路建立，未考虑一对多或多对多的星间链路建立问题。

公开号为CN104537202A的中国专利公开了一种基于卫星编队协作的空间天线阵列合成方法，利用相对运动Hill方程建立了通过编队GEO卫星进行信号协作接收的模型，以双星绕飞圆编队为基础，进行了轨道设计，并给出了两条链路的时延差及频率差的表达式，并对其进行了补偿。在此基础上，对SIMPLE相关算法进行了研究，加入了残留时差及频差这两个影响因子，分析其对相位估计性能和信号合成性能的影响，并为补偿数据长度的选取提供了参考。但是，该方法无法解决多星星间转发时延较大或多星星间链路间隙工作的问题，不能满足当前多星队列式通信需要。

公开号为CN105138010A的中国专利公开了一种编队卫星分布式有限时间跟踪控制方法，通过以下步骤进行：建立双星相对运动动力学模型，建立编队卫星相对参考点的相对运动动力学模型，设计分布式有限时间跟踪控制率。但是，该方法应用于多星星间转发时延较大，不能满足当前多星队列式通信需要。

公开号为CN105207703A的中国专利公开了一种低轨卫星编队星地 MIMO的通信阵列参数优化方法，考虑星地链路为视距链路，通过调整地面阵参数来满足卫星编队视距星地MIMO系统子信道正交，能使系统信道容量维持在最优状态，避免了因为低轨卫星编队运动使收发天线位置关系变化使子信道相关性增大，导致信道容量急剧下降的情况。然而，该方法中星间链路的稳定性和连续性较差。

公开号为CN107328421A的中国专利公开了一种基于阵列天线的微小卫星编队自主相对导航方法，包括以下步骤：在主航天器上安装作为接收端的阵列天线，并在从各航天器上安装作为发射端的单个天线，然后建立主航天器的轨道坐标系及本体坐标系，并构建各从航天器的发射信号；构建扩展卡尔曼滤波器的系统方程；确定各从航天器与主航天器之间通信链路直达径波达角及相对距离；构造扩展卡尔曼滤波器的测量方程；扩展卡尔曼滤波器的系统方程及扩展卡尔曼滤波器的测量方程对各从航天器的相对位置及相对速度进行滤波，然后根据滤波后各从航天器的相对位置及相对速度进行导航。但是，该方法中的星间链路不具备多星接入、队列式多路由通信，也不具备全向、全时、双工的技术特点。

天线方向图，也称为辐射方向图，非专利文献(Constantine A.Balanis:“Antenna Theory,Analysis and Design”,John Wiley&Sons,Inc.,2nd ed. 1982ISBN 0-471-59268-4)提出天线方向图是一个在天线设计领域的术语。它是描述天线或其它信号源发出无线电波的强度与方向(角度)之间依赖关系的图形。

紧凑度是区域形状特征的一种测度量。通信天线组阵的紧凑度是指用于通信的天线组阵在布置上围绕几何中心的紧凑程度，紧凑程度越高，则天线组阵的尺寸越小，天线组阵的各组成部分距离中心越近。

辐射区域的重叠度指在天线组阵中各组成天线在辐射方向上的重叠程度，重叠度越大，则各组成天线在辐射方向上的重叠区域就越大，辐射方向夹角就越大。

当若干个对天天线构成天线阵列时，每一个对天天线彼此之间的辐射区域会相互影响，当两个对天天线距离较近时，辐射区域会存在彼此重叠，进而使得天线阵列的有效辐射孔径减小，其会降低天线阵列的增益。当增大对天天线彼此之间的距离或者增大对天天线与第一反射板之间的夹角时，其可以有效的降低辐射区域的重叠区域，但与此同时，天线阵列的紧凑度降低，体积较大的天线阵列会降低其在卫星中的实用性。同时，当对天天线的位置进行改变后，天线阵列所形成的辐射方向图也会产生相应变化，辐射方向图的变化会导致最大辐射方向的改变，进而影响两个卫星之间的通信质量。

公开号为CN108964740A的中国专利公开了一种基于双星绕飞编队的全向星间通信链路，包括全向星间通信天线组阵、射频通道、星间链路管理单元和星间基带，星间链路管理单元控制2路星间基带对一组星间射频通道的数据进行收发处理，2路星间基带、射频通道、星间天线组成的星间链路实现星间数据的异源同步收发；每颗卫星的星间链路可以同时对它星的两路异源信号进行捕获、跟踪及选择；且可以自主地根据当前星间距离、星间通信是否正常进行速率调整；星间链路的工作模式配置和控制由星间链路管理单元统一进行同步管理。该发明解决了由于传统全向组阵天线干涉区的存在导致无法全向通信的问题。但是，该方法只解决了由于传统全向组阵天线干涉区的存在导致无法全向通信的问题，无法解决星间通信天线组阵在星间距离动态变化过程中需要进行动态调整的问题。

公开号为CN102117969A的中国专利公开了一种阵列天线，包括微带天线阵列、反射板以及移相馈电网络，上述微带天线阵列位于上述反射板的正面，上述移相馈电网络位于上述反射板的背面。该发明的目的在于提供一种阵列天线，以解决现有的阵列天线带宽窄，低仰角轴比差的问题。但是该方法的天线阵列布置方式单一且固定，无法在使用过程进行调整以满足不同通信环境下对于天线阵列的动态需求。

综上所述，需要设计出布置紧凑，结构优化的全向星间通信天线组阵，且该全向星间通信天线组阵同时具备全向、全时，动态可调的技术特点，能够满足远距离、动态变化的星间通信的需求。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供一种基于编队卫星的星间通信系统，该系统包括专用于全向信号收发的通信天线组阵，专用于多通道搜索/捕获/ 跟踪的星间链路终端，专用于星间数据收发、筛选工作的处理器，射频通道，星间链路管理单元和星间基带，其中，所述通信天线组阵中的天线采用反向布局，两幅相反指向的天线方向图组成全向覆盖的天线阵方向图，所述星间链路管理单元控制至少两路星间基带对一组星间射频通道的数据进行收发处理，所述星间链路管理单元采用多通道并行捕获技术同时对空域中的同一集群卫星信号进行搜索，通过队列式多路由通信技术，直接或间接地对集群中所有卫星的星间信息进行交换，采用转发时延动态优化技术，处理器根据当前数据的优先级确定发送时机，将重要数据的转发时延降到最低，采用多路信息优选技术，处理器根据时标特性对多通道输出的数据进行筛选，所述两路星间基带、射频通道、通信天线组阵组成的星间链路实现星间数据的异源同步收发，每颗卫星的星间链路同时对它星的至少两路异源信号进行捕获、跟踪及选择，自主地根据当前星间距离、星间通信情况进行速率调整，星间链路的工作模式配置和控制由星间链路管理单元统一进行同步管理。

根据一种优选实施方式，所述通信天线组阵至少包括用于与地球建立通信链路的对地天线以及按照环绕所述对地天线的方式设置的至少两个对天天线，所述星间链路管理单元配置为在星间距离动态变化的过程中通过改变信号的频率的方式改变星间的通信模式，其中：对天天线按照位置能够彼此相对改变和/或倾斜角度能够相对改变的方式布置以动态响应所述通信模式的改变，使得所述通信天线组阵的增益及紧凑度最大。

根据一种优选实施方式，所述通信天线组阵还包括彼此嵌套的第一反射盘和第二反射盘，所述对地天线设置于所述第一反射盘上，所述对天天线按照能够沿所述第二反射盘的径向滑动的方式设置于所述第二反射盘上，其中：对天天线按照沿第二反向盘的径向滑动的方式改变其相对位置，对天天线按照旋转以改变其与所述第二反射盘之间的夹角的方式改变其倾斜角度。

根据一种优选实施方式，所述对天天线能够由锥形四臂螺旋天线限定并以此限定出均呈椭圆形的顶端面和底端面，其中：顶端面的几何中心以及底端面的几何中心分别与第一反射盘的几何中心之间的第一距离和第一距离彼此之间满足公式：S2＝(f₀/f₁)*S1，其中，f₀是信号通信带宽的最高频率，f₁是信号通信带宽的最低频率。

根据一种优选实施方式，在星间距离逐渐增大且所述星间链路管理单元按照增大信号频率的方式将通信模式切换为高速通信模式以使得所述f₀和所述f₁均改变的情况下，所述星间链路管理单元配置为：在保持所述第一距离不变的情况下根据所述公式计算获取更新后的第二距离，并基于所述更新后的第二距离确定通信天线组阵的第一主瓣宽度以及对天天线辐射区域的第一重叠率；在保持所述第二距离不变的情况下根据所述公式计算获取更新后的第一距离，并基于所述更新后的第一距离确定通信天线组阵的第二主瓣宽度以及对天天线辐射区域的第二重叠率；在所述第一主瓣宽度大于所述第二主瓣宽度的情况下，对天天线按照改变位置的方式响应通信模式的改变，或者在所述第一主瓣宽度小于所述第二主瓣宽度的情况下，对天天线按照改变所述夹角的方式响应通信模式的改变。

根据一种优选实施方式，在所述第一主瓣宽度大于所述第二主瓣宽度并且所述第一重叠率大于设定阈值的情况下，所述星间链路管理单元配置为：按照逐渐增大所述第一距离以增大所述夹角的方式使得所述第一重叠率小于所述设定阈值；获取所述第一距离增大过程中所述第一主瓣宽度的变化趋势；确定第一主瓣宽度呈最小状态时所对应的修正后的第一距离，并依据所述公式和所述修正后的第一距离确定修正后的第二距离；根据修正后的第一距离和修正后的第二距离改变对天天线的位置和倾斜角度。

根据一种优选实施方式，在所述第一主瓣宽度小于所述第二主瓣宽度并且所述第二重叠率大于设定阈值的情况下，所述星间链路管理单元配置为：按照逐渐增大所述第二距离的方式使得所述第二重叠率小于所述设定阈值；获取所述第二距离增大过程中所述第二主瓣宽度的变化趋势；确定第二主瓣宽度呈最小状态时所对应的修正后的第二距离，并依据所述公式和所述修正后的第二距离确定修正后的第一距离；根据修正后的第二距离和修正后的第一距离改变对天天线的位置和倾斜角度。

根据一种优选实施方式，在第一对天天线限定出所述第一距离和所述第二距离，并且所述第二对天天线限定出第三距离和第四距离的情况下，所述通信天线组阵按照如下方式配置：所述第一距离和所述第三距离彼此不同，所述第二距离和所述第四距离彼此不同。

本发明还提供一种星间通信方法，通信天线组阵中的天线采用反向布局，两幅相反指向的天线方向图组成全向覆盖的天线阵方向图，星间链路管理单元控制至少两路星间基带对一组星间射频通道的数据进行收发处理，所述星间链路管理单元采用多通道并行捕获技术同时对空域中的同一集群卫星信号进行搜索，通过队列式多路由通信技术，直接或间接地对集群中所有卫星的星间信息进行交换，采用转发时延动态优化技术，处理器根据当前数据的优先级确定发送时机，将重要数据的转发时延降到最低，采用多路信息优选技术，处理器根据时标特性对多通道输出的数据进行筛选，两路星间基带、射频通道、通信天线组阵组成的星间链路实现星间数据的异源同步收发，每颗卫星的星间链路同时对它星的至少两路异源信号进行捕获、跟踪及选择，自主地根据当前星间距离、星间通信情况进行速率调整，星间链路的工作模式配置和控制由星间链路管理单元统一进行同步管理。

根据一种优选实施方式，所述星间链路管理单元配置为在星间距离动态变化的过程中通过改变信号的频率的方式改变星间的通信模式，其中：对天天线按照位置能够彼此相对改变和/或倾斜角度能够相对改变的方式布置以动态响应所述通信模式的改变，使得所述通信天线组阵的增益及紧凑度最大。

本发明的有益技术效果包括以下一项或多项：

1)采用了多通道并行捕获技术，可以确保在多星接入集群编队时，每颗卫星均可以同时对集群中所有可见卫星同时进行捕获和跟踪，采用队列式多路由通信技术，可使集群卫星在队列式工作模式下，避免因不可见而导致的信息交换中断，同时兼容可见星直接通信和不可见星间接通信，确保每颗星正常获取集群其它卫星的状态，采用转发时延动态优化技术，可针对卫星不同工作模式下，对不同星间通信数据的转发时延进行差异化动态调整，尽可能减小高优先级数据的转发时延，采用多路信息优选技术，可在多路由通信模式下，对经由不同路由到达的同一终端卫星的星间交换数据进行判断、选择，选择最新数据后更新本地星间数据池，确保数据的时效性和连续性，以供本星使用和向集群广播；

2)采用了全向星间通信天线组阵技术，确保编队卫星在绕飞任意时刻均互相可见、可通信，采用双通道异源收发技术，可有效消除组阵后的星间通信天线阵干涉区，并使星间链路具备双工通信能力，采用双通道捕获、跟踪、选择技术后，卫星可稳定、连续的获取星间通信数据，保证了编队运行安全和业务任务的全天候执行，采用星间通信速率自适应调整技术，可使编队里间距离异常变化或星间链路运行异常时，自主根据当前的状态，选择合适的星间通信速率，尽快恢复星间通信链路，采用星间链路一体化管理技术，可对星间链路的射频通道、基带处理通道自主进行实时、同步配置和管理，采用星间数据多路复接与转发技术，可最大化的利用星间物理信道传输不同类别的星间数据，并对星间通信数据的通信时效性进行合理优化，确保不同数据的转发时延，采用通用化设计方案，星间链路的天线、射频通道、基带通道及通信体制、通信协议等均采用通用化设计，确保在系列后续卫星上也可继承使用。

附图说明

图1是本发明的星间通信系统的一种优选实施方式的系统组成示意图；

图2是本发明优选的编队卫星的分布示意图；

图3是本发明优选的星间通信天线组阵的结构示意图；

图4是本发明优选的对天天线的结构示意图；

图5是图3中A-A截面的剖面示意图；

图6是图3中B-B截面的剖面示意图；

图7是图6俯视状态下的简化示意图。

附图标记列表

1：第一对天天线 2：第二对天天线 3：第一对地天线

4：第二对地天线 5：第一对天射频通道 6：第二对天射频通道

7：第一对地射频通道 8：第二对地射频通道 9：第一基带处理

10：第二基带处理 11：第三基带处理 12：第四基带处理

13：星间链路管理单元 14：星间数据用户 15：卫星

16：对天天线 17：对地天线 18：第一反射盘

19：第二反射盘 20：顶端面 21：底端面

22：滑动槽 23：第一驱动电机 24：第一旋转轴

25：第二驱动电机 26：第二旋转轴 27：第三旋转轴

28：第一滚轮 29：第二滚轮

16a：巴伦 16b：底板 16c：第一金属悬臂

16d：第二金属悬臂 16e：螺旋天线

α：第一夹角 β：第二夹角 S1：第一距离

S2：第二距离 S10：第三距离 S20：第四距离

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，为了便于理解，在可能的情况下，使用相同附图标记来表示各附图中共同的相似元件。

如在整篇本申请中所使用的那样，词语“可以”系容许含义(即，意味着有可能的)而不是强制性含义(即，意味着必须的)。类似地，词语“包括”意味着包括但不限于。

短语“至少一个”、“一个或多个”以及“和/或”系开放式表达，它们涵盖操作中的关联与分离两者。例如，表述“A、B和C中的至少一个”、“A、B或C中的至少一个”、“A、B和C中的一个或更多个”、“A、B 或C”和“A、B和/或C”中的每个分别指单独A、单独B、单独C、A和B 一起、A和C一起、B和C一起或A、B和C一起。

术语“一种”或“一个”实体指的是该实体中的一个或多个。这样，术语“一”(或“一”)、“一个或多个”以及“至少一个”在本文中可以交换地使用。还应该注意，术语“包括”、“包含”和“具有”可以交换地使用。

实施例1

如图2所示，本实施例公开了一种基于编队卫星的星间通信系统，至少包括若干个卫星15。卫星15彼此之间可以进行相互通信，并且也可以与例如是地面站进行通信。每一个卫星15均配置本发明的星间通信系统，从而使得其彼此之间通过建立星间通信链路的方式进行相互通信。

优选的，星间通信系统包括全向信号收发的星间通信天线组阵、多通道搜索/捕获/跟踪的星间链路终端、用于星间数据收发和筛选的处理器、射频通道、星间链路管理单元和星间基带。通过星间通信天线组阵、星间基带和射频通道能够构建星间通信链路以实现卫星15彼此之间的通信。通过星间链路管理单元13可以控制至少两路基带对一组星间射频通道的数据进行收发处理，进而能够实现星间数据的异源同步收发，有效避免了星间天线组阵后的干涉区效应，并实现了双工工作的功能。

优选的，星间通信天线组阵可以包括对天天线16和对地天线17。两个卫星15上的两个对天天线彼此采用180°反向布局以使得其具有180°的视场，并且两个卫星的两个对地天线彼此也采用180°反向布局以使得其具有180°的视场，从而能够通过两个相反指向的天线反向图组成全向覆盖的天线阵方向图。同一个卫星15上的对天天线和对地天线可以按照交叉的方式组成一组全向星间通信。优选的，星间通信天线组阵可以包括第一对天天线1、第二对天天线2、第一对地天线3和第二对地天线4。从而可以通过第一对天天线1与第一对地天线3组成一组全向星间通信天线阵，并且可以通过第二对天天线2和第二对地天线4组成备用的全向星间通信天线阵。通过设置备用全向星间通信天线阵可以增加系统的通信稳定性。

优选的，如图1所示，通过第一对天天线1和第一对地天线3可以使得卫星15具有第一对天射频通道5和第一对地射频通道7。通过第二对天天线2和第二对地天线4可以使得卫星15具有第二对天射频通道6和第二对地射频通道8。通过第一基带处理9可以对第一对天射频通道5进行处理，通过第二基带处理10可以对第一对地射频通道7进行处理。通过第三基带处理11可以对第二对天射频通道6进行处理，通过第四基带处理12可以对第二对地射频通道8进行处理。从而通过上述方式可以建立由第一对天天线1、第一对地天线3、第一对天射频通道5、第一对地射频通道7、第一基带处理9和第二基带处理10组成的第一收发子系统，以及由第二对天天线2、第二对地天线4、第二对天射频通道6、第二对地射频通道8、第三基带处理11和第四基带处理12组成的第二收发子系统。优选的，星间链路管理单元13控制至少两路星间基带对一组星间射频通道的数据进行收发处理。例如，第一收发子系统和第二收发子系统均可以配置为与星间链路管理单元13双向通信的工作模式，并且第一收发子系统和第二收发子系统还可以与星间数据用户14进行双向通信。

优选的，星间链路管理单元13采用多通道并行捕获技术同时对空域中的同一集群卫星信号进行搜索。具体的，以卫星A星间链路工作为例，A星的星间链路终端按照CDMA技术，各个通道各自对集群中的其它卫星B、C、 D发出的星间信号进行并行搜获。当某个通道对应的对方卫星星间天线视场可见时，其信噪比较高，足以保证完成捕获，相应该通道即转入连续跟踪模式。

优选的，通过队列式多路由通信技术，直接或间接地对集群中所有卫星的星间信息进行交换，采用转发时延动态优化技术，处理器根据当前数据的优先级确定发送时机，将重要数据的转发时延降到最低，采用多路信息优选技术，处理器根据时标特性对多通道输出的数据进行筛选。具体的，卫星经由星间链路传输的信息来源较多，不同数据的重要性均不同，从而使得不同数据之间具有转发优先性。即不同的数据对转发时效性、时延要求均不同。通过采用转发时延动态优化技术，处理器应对当前各类数据接收情况进行检测，查找到高优先级数据更新后，立即组帧并发送，消除高优先级数据的等待时延，以达到降低总转发时延的目的。

优选的，星间通信链路可以采用多路信息优选技术，在互相视场可见情况下，星间链路为直接链路，两端卫星将直接进行数据交换。在互相视场不可见情况下，则通过可见卫星的星间帧间接获取其转发的其它卫星的数据。由于每路通道捕获的卫星不同，其输出的数据各自的时效性也不同。因此，不论对于本星后端使用或星间组帧需要，都须对各通道输出的数据按时间顺序优选，将最新的数据更新本地信息池，确保数据输出连续、顺序。

优选的，两路星间基带、射频通道、通信天线组阵组成的星间链路实现星间数据的异源同步收发，每颗卫星的星间链路同时对它星的至少两路异源信号进行捕获、跟踪及选择，自主地根据当前星间距离、星间通信情况进行速率调整，星间链路的工作模式配置和控制由星间链路管理单元统一进行同步管理。例如，第三基带处理11对它星的第一基带处理9输出的信号进行捕获处理，第四基带处理12对它星的第二基带处理10输出的信号进行捕获处理。若星间距离较近，则星间链路管理单元13自主控制星间基带切换成高速通信模式。反之，或星间距离较远时，则星间链路管理单元自主控制星间基带切换成低速通信模式，确保满足不同距离下，不同业务的星间通信需要。星间链路管理单元13对两路基带的通信速率进行统一配置和控制，并在一路基带故障情况下，自主控制单路基带的对地、对天射频通道分时工作，保证了本星星间链路的全向性和信号异源性。

实施例2

本实施例是对实施例1的进一步改进，重复的内容不再赘述。

优选的，如图3所示，星间通信天线组阵至少包括对天天线16、对地天线17、第一反射盘18和第二反射盘19。第一反射盘18的形状由圆盘状限定，第二反射盘19的形状由圆环形限定。第一反射盘18嵌套于第二反射盘19中。对地天线17安装在第一反射盘18上。至少两个对天天线16 按照周向环绕的方式设置于第二反射盘19上。对地天线17按照其轴线与第一反射盘18的轴线彼此平行的方式固定在第一反射盘18上。对地天线用于与地球建立通信链路。

优选的，如图4所示，对天天线16至少包括巴伦16a、底板16b、第一金属悬臂16c、第二金属悬臂16d和若干个螺旋天线16e。底板16b的形状可以由圆板状限定。巴伦16a的第一端部按照枢接的方式设置于底板 16b的圆心位置处，进而巴伦16a能够绕其第一端部旋转以改变其与底板 16b之间的第一夹角α。第一金属悬臂16c和第二金属悬臂16d的长度彼此不同，例如，第一金属悬臂16c的长度大于第二金属悬臂16d的长度。具体的，如图5和图3所示，第二反射盘19上设置有若干个沿其径向方向延伸的滑动槽22。每一个滑动槽22中均设置有至少一个对天天线16。底板16b嵌套于滑动槽22中以使得其能够沿滑动槽22滑动。底板中设置有第一驱动电机23和第一旋转轴24。第一旋转轴24的延伸方向与滑动槽22 的延伸方向彼此垂直。第一旋转轴24连接至第一驱动电机23从而使得其能够绕其自身轴线旋转。巴伦16a连接至第一旋转轴24，进而巴伦16a能够绕第一旋转轴的轴线旋转而改变其与底板16b的第一夹角α。

优选的，再次参见图4，至少两个第一金属悬臂16c按照彼此共线且延伸方向均与底板16b平行的方式设置于巴伦16a的第二端部。至少两个第二金属悬臂16c按照彼此共线且延伸方向均与底板16b平行的方式设置于巴伦16a的第二端部。例如，本发明采用两个第一金属悬臂和两个第二金属悬臂可以构成锥形四臂螺旋天线。可以理解的是，第一金属悬臂和第二金属悬臂的数量可以大于两个以形成多臂螺旋天线。通过第一金属悬臂16c和第二金属悬臂16d可以限定出呈椭圆形的顶端面20。

优选的，至少四个螺旋天线16e均绕巴伦16a旋绕而构成四臂螺旋天线。即如图4所示，螺旋天线的第一端可以连接至第一金属悬臂16c，螺旋天线的第二端可以相向延伸旋绕而连接至底板16b。其余三个螺旋天线均按照螺旋的方式一端连接至第一金属悬臂或第二金属悬臂，并且领另一端连接至底板16b。通过螺旋天线16e与底板16b的至少四个连接点能够限定出呈椭圆形的底端面21。顶端面20的面积与底端面21的面积彼此不同。例如，底端面21的面积可以大于顶端面20的面积。顶端面20的长轴与底端面21的长轴彼此重合，进而通过顶端面20和底端面21可以限定出呈椭圆锥台状的三维外轮廓。

优选的，对天天线16按照能够沿第二反射盘19的径向方向滑动的方式设置于第二反射盘8上。具体的，底板16b上设置有第二驱动电机25，第二驱动电机25的两个端部分别设置有第二旋转轴26和第三旋转轴27。第二旋转轴26上设置有第一滚轮28。第三旋转轴27上设置有第二滚轮29。通过第二驱动电机25可以带动第二旋转轴26和第三旋转轴27同时旋转，进而使得第一滚轮和第二滚轮旋转，进而可以带动底板16b滑动。

优选的，至少两个对天天线按照彼此的倾斜程度不同的方式设置于第二反射盘19上。如图6和图7所示，第一对天天线1与第二反射盘19限定出第一夹角α。第二对天天线2和第二反射盘19限定出第二夹角β。第一夹角α的大小能够彼此相同，也可以彼此不同。例如，第一对天天线1的顶端面20的几何中心与第一反射盘18的几何中心之间的第一距离为S1。第一对天天线1的底端面21的几何中心与第一反射盘18的几何中心之间的第二距离为S2。第二对天天线2的顶端面20的几何中心与第一反射盘18 的几何中心之间的第三距离为S10。第二对天天线2的底端面21的几何中心与第一反射盘18的几何中心之间的第四距离为S20。S2与S20能够彼此不相等，S1与S10能够彼此不相等，并且能够S20与S10的差值不等于S2 与S1的差值，即通过对天天线的不对称设计能够对辐射方向图进行调整，在卫星相对运动的过程中，便于将辐射方向图中的最大辐射方向控制在两个卫星的连线方向上，进而能够优化卫星之间的通信。即如图7所示，第一对天天线和第二对天天线各自的顶端面20能够不关于第一反射盘18对称，并且第一对天天线和第二对天天线各自的底端面21也能够不关于第一反射盘18对称。进而可以使得第一夹角α与第二夹角β彼此不相等。优选的，星间链路管理单元可以与第一驱动电机和第二驱动电机均电连接，从而其能够控制两者的开启与关闭。

优选的，顶端面的几何中心与第一反射盘的几何中心的垂直距离以及底端面的几何中心与第一反射盘的几何中心的垂直距离可以通过如下公式S2＝ (f₀/f₁)*S1进行限定，其中f₀是信号通信带宽的最高频率，f₁是信号通信带宽的最低频率。

优选的，在星间距离动态变化的过程中，星间链路管理单元13配置为通过改变信号的频率的方式改变星间的通信模式，至少一个对天天线17可以按照位置能够彼此相对改变和/或倾斜角度能够相对改变的方式布置以动态响应通信模式的改变。对天天线的位置改变是指其顶端面的几何中心与第一反射盘的几何中心之间的距离的改变。对天天线的倾斜角度的改变是指其与第一反射盘之间的夹角的改变。例如，针对第一对天天线，在星间距离逐渐减小的过程中，星间链路管理单元13自主控制星间基带切换成高速通信模式。高速通信模式下对应高频交流信号，故而使得f₀和f₁均改变。进而星间链路管理单元会根据当前的S1以及变化后的f₀和f₁获取改变后的S2。星间链路管理单元并不会根据计算得到的S2立即对第一对天天线的位置进行调整。其原因在于，一者，当若干个对天天线构成天线阵列时，每一个对天天线彼此之间的辐射区域会相互影响，当两个对天天线距离较近时，辐射区域会存在彼此重叠，进而使得天线阵列的有效辐射孔径减小，其会降低天线阵列的增益。当增大对天天线彼此之间的距离或者增大对天天线与第一反射板之间的夹角时，其可以有效的降低辐射区域的重叠区域，但与此同时，天线阵列的紧凑度降低，体积较大的天线阵列会降低其在卫星中的实用性。二者，当对天天线的位置进行改变后，天线阵列所形成的辐射方向图也会产生相应变化，辐射方向图的变化会导致最大辐射方向的改变或者主瓣宽度的改变，进而影响两个卫星之间的通信质量。因此，星间链路管理单元13根据通信天线组阵的紧凑度、辐射区域的重叠度以及辐射方向图调整对天天线的位置参数以使得卫星获取的增益及紧凑度最大。具体的，当通信模式改变时，首先在保持第一距离S1不变的情况下根据公式S2＝(f₀/f₁)*S1计算获取更新后的第二距离S2。基于更新后的第二距离S2确定通信天线组阵的第一主瓣宽度以及对天天线辐射区域的第一重叠率。其次，在保持第二距离S2不变的情况下根据公式S2＝(f₀/f₁)*S1计算获取更新后的第一距离S1，并基于更新后的第一距离S1确定通信天线组阵的第二主瓣宽度以及对天天线辐射区域的第二重叠率。在第一主瓣宽度大于第二主瓣宽度的情况下，对天天线17按照改变位置的方式响应通信模式的改变，或者在第一主瓣宽度小于第二主瓣宽度的情况下，对天天线17按照改变夹角的方式响应通信模式的改变。通过上述方式可以使得通信天线组阵具有较优的增益。

优选的，在第一主瓣宽度大于第二主瓣宽度并且第一重叠率大于设定阈值的情况下，星间链路管理单元13配置为：按照逐渐增大第一距离S1以增大夹角的方式使得第一重叠率小于设定阈值。获取第一距离S1增大过程中所述第一主瓣宽度的变化趋势。确定第一主瓣宽度呈最小状态时所对应的修正后的第一距离S1，并依据公式S2＝(f₀/f₁)*S1和修正后的第一距离S1 确定修正后的第二距离S2。根据修正后的第一距离和修正后的第二距离改变对天天线17的位置和倾斜角度。或者在第一主瓣宽度小于第二主瓣宽度并且第二重叠率大于设定阈值的情况下，星间链路管理单元13配置为：按照逐渐增大第二距离S2的方式使得第二重叠率小于设定阈值；获取第二距离 S2增大过程中第二主瓣宽度的变化趋势；确定第二主瓣宽度呈最小状态时所对应的修正后的第二距离S2，并依据公式S2＝(f₀/f₁)*S1和修正后的第二距离S2确定修正后的第一距离S1；根据修正后的第二距离和修正后的第一距离改变对天天线17的位置和倾斜角度。第一重叠率和第二重叠率的设定阈值可以根据用户进行自定义，例如可以将其定义为10％。当第一重叠率或第二重叠率小于设定阈值表明此时通信天线阵列的紧凑度较好。通过上述方式可以使得通信天线组阵具有较优的紧凑度。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

虽然已经详细描述了本发明，但是在本发明的精神和范围内的修改对于本领域技术人员将是显而易见的。这样的修改也被认为是本公开的一部分。鉴于前面的讨论、本领域的相关知识以及上面结合背景讨论的参考或信息 (均通过引用并入本文)，进一步的描述被认为是不必要的。此外，应该理解，本发明的各个方面和各个实施例的各部分均可以整体或部分地组合或互换。而且，本领域的普通技术人员将会理解，前面的描述仅仅是作为示例，并不意图限制本发明。

已经出于示例和描述的目的给出了本公开的前述讨论。这并不意图将本公开限制于本文公开的形式。在前述的具体实施方式中，例如，为了简化本公开的目的，本公开的各种特征在一个或多个实施例、配置或方面中被组合在一起。实施例、配置或方面的特征可以以除上面讨论的那些之外的替代实施例、配置或方面组合。本公开的该方法不应被解释为反映本公开需要比每个权利要求中明确记载的更多特征的意图。相反，如以下权利要求所反映的，创造性方面在于少于单个前述公开的实施例、配置或方面的所有特征。因此，以下权利要求由此被并入本具体实施方式中，其中每个权利要求其自身作为本公开的单独实施例。

而且，虽然本公开的描述已经包括对一个或多个实施例、配置或方面以及某些变型和修改的描述，但是其他变型、组合和修改也在本公开的范围内，例如在本领域技术人员的技能和知识范围内，在理解了本公开之后。旨在获得在允许的程度上包括替代实施例、配置或方面的权利，所述权利包括那些要求保护的替代的、可互换的和/或等效的结构、功能、范围或步骤的权利，无论这种替代的、可互换的和/或等效的结构、功能、范围或步骤是否在本文中公开，并且无意公开奉献任何可专利的主题。

Claims (10)

1.一种用于全向星间通信的通信天线组阵，其特征在于，

单个卫星(15)上的所述通信天线组阵包括：用于与地球建立通信链路的对地天线(17)以及按照环绕所述对地天线(17)的方式设置的用于与另一卫星通信的至少两个对天天线(16)；

分别位于两个卫星(15)上的所述通信天线组阵的对天天线(16)彼此采用180°反向布局以使得其具有180°的视场，两个卫星(15)的对地天线(17)彼此也采用180°反向布局以使得其具有180°的视场，从而能够通过两个相反指向的天线方向图组成全向覆盖的天线阵方向图；

所述通信天线组阵的对天天线(16)按照位置能够彼此相对改变和/或倾斜角度能够相对改变的方式布置以动态响应星间距离的动态变化；

所述通信天线组阵的紧凑度、辐射区域的重叠度以及天线方向图随着对天天线(16)的变化而改变，使得单个卫星(15)上的所述通信天线组阵的增益最大。

2.根据权利要求1所述的通信天线组阵，其特征在于，所述通信天线组阵能够自定义重叠度阈值的大小并与当前通信天线组阵的重叠度进行比较来控制通信天线组阵的紧凑度和辐射区域的重叠度。

3.根据权利要求1或2所述的通信天线组阵，其特征在于，所述通信天线组阵还包括彼此嵌套的第一反射盘(18)和第二反射盘(19)，所述对地天线(17)设置于所述第一反射盘(18)上，所述对天天线(16)按照能够沿所述第二反射盘(19)的径向滑动的方式设置于所述第二反射盘(19)上。

4.根据权利要求1～3任一项所述的通信天线组阵，其特征在于，所述对天天线(16)按照沿第二反射盘(19)的径向滑动的方式改变其相对位置，对天天线(16)按照旋转以改变其与所述第二反射盘(19)之间的夹角的方式改变其倾斜角度。

5.根据权利要求1～4任一项所述的通信天线组阵，其特征在于，所述通信天线组阵至少布置第一对天天线(1)、第二对天天线(2)、第一对地天线(3)和第二对地天线(4)，其中：

第一对天天线(1)与第一对地天线(3)组成一组全向星间通信天线组阵，并且可以通过第二对天天线(2)和第二对地天线(4)组成增加通信稳定性的备用通信天线组阵。

6.一种星间通信天线组阵的对天天线(16)，其特征在于，

所述星间通信天线组阵还包括对地天线(17)、第一反射盘(18)和第二反射盘(19)，

其中，所述对地天线(17)安装在所述第一反射盘(18)上，

其中，至少两个所述对天天线(16)按照周向环绕的方式设置于所述第二反射盘(19)上，其中，所述对天天线(16)按照能够沿所述第二反射盘(19)的径向方向滑动的方式设置于所述第二反射盘(19)上。

7.根据权利要求6所述的对天天线(16)，其特征在于，所述对天天线(16)按照彼此的倾斜程度不同的方式设置于第二反射盘(19)上，其中，所述对天天线(16)按照旋转以改变其与所述第二反射盘(19)之间的夹角的方式改变其倾斜角度。

8.根据权利要求6或7所述的对天天线(16)，其特征在于，所述对天天线(16)能够由锥形四臂螺旋天线限定并以此限定出均呈椭圆形的顶端面(20)和底端面(21)，其中：

顶端面(20)的几何中心与第一反射盘(18)的几何中心的第一距离(S1)以及底端面(21)的几何中心与第一反射盘(18)的几何中心的第二距离(S2)之间彼此之间满足公式：S2＝(f0/f1)*S1，其中，f0是信号通信带宽的最高频率，f1是信号通信带宽的最低频率。

9.根据权利要求6～8任一项所述的对天天线(16)，其特征在于，在所述第一对天天线(1)限定出所述第一距离(S1)和所述第二距离(S2)，并且所述第二对天天线(2)限定出第三距离(S10)和第四距离(S20)的情况下，所述通信天线组阵按照如下方式配置：

所述第一距离(S1)和所述第三距离(S10)彼此不同，所述第二距离(S2)和所述第四距离(S20)彼此不同。

10.根据权利要求6～9任一项所述的对天天线(16)，其特征在于，通过所述对天天线(16)的不对称设计能够对辐射方向图进行调整，在所述卫星(15)相对运动的过程中，便于将所述辐射方向图中的最大辐射方向控制在两个所述卫星(15)的连线方向上。

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