CN115764254A - 一种同轨道面星簇内的星间通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种星间组网的天线切换方法，当若任一处于关闭状态的天线，在连续指定时长内，与对方星的方向矢量夹角小于或等于预设值时，则开启所述天线，并关闭当前开启的天线。

Description

一种同轨道面星簇内的星间通信方法

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种星间组网的天线切换方法。

背景技术

卫星的在轨组网是天基系统的发展趋势，其是发挥天基系统效能的关键。而要实现卫星的在轨组网，则需要形成可靠的星间通信链路。星间通信链路用于卫星之间的通信，其可以将多颗卫星互联在一起，实现卫星之间的信息传输和交换。星间通信链路的引入，使得卫星通信系统能够更少地依赖于地面网络，进而使得卫星通信系统能够更灵活地进行路由选择及网络管理，减少传输时延。

由于卫星在轨期间，其姿态会不断地变化，卫星上的天线的波束指向也会随之变化，这就使得单个天线与对方星之间形成的通信链路会中断。为解决这一问题，目前，一种方式是在卫星上安装多组天线，各天线的波束方向形成互补，以保证卫星任意时刻、在任意姿态下，都有能够与对方星建立通信链路的天线。而如何控制各组天线之间的切换，则成为保证星间通信连续性的关键。

发明内容

为保证星间通信的连续性，本发明提供一种星间组网的天线切换方法，包括：

若任一处于关闭状态的天线，在连续指定时长内，与对方星的方向矢量夹角小于或等于预设值，则开启所述天线，并关闭当前开启的天线。

进一步地，所述指定时长为3秒。

进一步地，所述预设值为45°。

进一步地，所述与对方星的方向矢量夹角根据接收到的所述对方星的轨道位置信息计算得到。

进一步地，所述天线切换方法还包括：

若星间通信链路中断时间超过阈值，则重新开始搜索建链。

进一步地，所述阈值取值为1分钟。

进一步地，所述搜索建链包括：

依次开启卫星上各天线，并保持第二指定时长，以搜索对方星信号，其中，任一天线处于开启状态时，其余天线均关闭；以及

搜索到对方星信号后，建立通信链路。

进一步地，所述第二指定时长为15秒。

本发明提供的一种星间组网的天线切换方法，根据天线与对方星之间的方位设置各天线的开启及关闭，实现天线切换，有效保证了星间通信链路的连续性。

附图说明

为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出本发明一个实施例的一种星间组网的天线切换方法的流程示意图；以及

图2a-2b示出本发明一个实施例的某卫星上天线波束的示意图。

具体实施方式

以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法一起实施各实施例。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。

可靠的星间通信链路是实现卫星的在轨组网的关键所在。设计合理的卫星通信天线的切换策略，保证任意时刻下均由天线能够实现星间通信，则能够保证星间通信的连续性。基于此，本发明提供一种星间组网的天线切换方法，其根据天线与对方星之前的相对方位确定天线的开启及关闭。下面结合实施例附图，对本发明的方案作进一步描述。

图1示出本发明一个实施例的一种星间组网的天线切换方法的流程示意图。如图1所示，一种星间组网的天线切换方法，包括：

实时计算卫星上各个天线i与对方星之间的方向矢量夹角Ψ_i；在本发明的一个实施例中，所述与对方星的方向矢量夹角Ψ_i根据接收到的所述对方星的轨道位置信息计算得到，具体计算如下：

其中，

V_{i_J2000}为天线i的轴向在J2000坐标系中的方向矢量，

其中，A_bi为J2000系到本体系的姿态转换矩阵，以及V_{i_body}为天线i的轴向在本体系矢量，均为已知量；以及

V_{df_J2000}为对方星相对所述卫星在J2000坐标系下的方向矢量，V_{df_J2000}＝R_{df_J2000}-R_{wx_J2000}，其中:

R_{df_J2000}＝(R_{df_J2000_x},R_{df_J2000_y},R_{df_J2000_z})^T为当前时刻对方星在J2000坐标系下的轨道位置，在本发明的一个实施例中，所述对方星在J2000坐标系下的轨道位置根据所述卫星最近依次收到的对方星轨道信息，利用成熟的J₂模型轨道外推算法推算得到；

以及

R_{wx_J2000}＝(R_{wx_J2000_x},R_{wx_J2000_y},R_{wx_J2000_z})^T为当前时刻所述卫星自身在J2000坐标系下的轨道位置；以及

将计算得到的方向矢量夹角Ψ_i与预设值比较：

若任一处于关闭状态的天线L，在连续指定时长内，与对方星的方向矢量夹角小于或等于预设值，则开启所述天线L，并关闭当前开启的天线。在本发明的一个实施例中，所述指定时长为3秒，和/或所述预设值为45°。至此，完成一次天线的切换，在卫星在轨期间，上述过程不断重复。应当理解的是，在本发明的其他实施例中，也可以根据需求设置不同取值的指定时长和/或预设值。

为了在星间链路中断后，能够快速地重新建立通信链路，在本发明的一个实施例中，若星间通信链路中断事件超过阈值，则重新开始搜索建链，所述阈值例如可以取值为1分钟，或根据需要设置为其他数值。其中，所述搜索建链包括：

依次开启卫星上各天线，并保持第二指定时长，以搜索对方星信号，其中，任一天线处于开启状态时，其余天线均关闭，其中，所述第二指定时长例如可以取值为15秒，或根据需要设置为其他数值；以及搜索到对方星信号后，建立通信链路。

本发明提供的一种星间组网的天线切换方法，尤其适用于同轨道面的星簇内，成员星和中心节点星之间的通信天线切换，其中，成员星与中心节点星之间的星间距离不超过1500km。为更好地说明所述天线切换方法，下面详细描述同轨道面的星簇内成员星和中心节点星之间，采用所述天线切换方法的具体过程。

所述成员星运行于太阳同步轨道，其轨道高度为500km，降交点地方时12点。所述成员星在非任务期间采用帆板对日定向以补充能源，在任务期间则切换至正飞对地进行观测。以对日定向坐标系O_c-X_sunY_sunZ_sun作为本体系，其中，以所述成员星质心作为原点O_c，Z轴O_cZ_sun平行于所述成员星指向太阳的矢量，但与其方向相反，X轴O_cX_sun由轨道坐标系(VVLH坐标系)的﹢Y轴叉乘O_cZ_sun得到，以及Y轴O_cY_sun按照右手法则确定。其中，所述轨道坐标系以所述成员星的质心作为原点，Z轴由成员星指向地心，Y轴指向轨道面负法线方向，X轴由右手定则确定，通常，对于圆轨道而言，所述X轴方向指向飞行方向。基于本体系，所述成员星在正飞对地使得姿态为：+Z指向地心，+X指向飞行方向。

所述成员星上安装有4副星间通信天线，分别安装于其星体的±X以及±Z方向，各天线的波束半锥角为46°。图2a-2b示出所述成员星上天线波束的示意图。如图所示，四副天线的轴向对应的本体系方向矢量如下：

+X天线：轴向沿所述成员星本体+X方向，在本体系中的单位方向矢量为V_{tx_Xpos_body}＝(1,0,0)^T；

-X天线：轴向沿所述成员星本体-X方向，在本体系中的单位方向矢量为V_{tx_Xneg_body}＝(-1,0,0)^T；

+Z天线：轴向沿所述成员星本体+Z方向，在本体系中的单位方向矢量为V_{tx_Zpos_body}＝(0,0,1)^T；以及

-Z天线：轴向沿所述成员星本体-Z方向，在本体系中的单位方向矢量为V_{tx_Zneg_body}＝(0,0,-1)^T。

所述成员星的星间通信天线存在两种状态：一是±X天线开启，±Z天线关闭；二是±X天线关闭，±Z天线开启。

所述成员星需要与中心节点星进行通信，中心节点星位于所述成员星前方约1000km距离处，并连续广播其在地固系下的实时轨道位置及速度信息，其中，所述广播的周期优于1分钟。在本发明的一个实施例中，成员星可以定期接收到中心节点星所广播的带时间戳的轨道位置及速度信息，其中轨道位置的信息格式如表1所示。

表1

基于此，采用本发明提供的一种星间组网的天线切换方法，对成员星星间通信天线的切换包括：

首先，成员星对中心节点星的广播信号进行搜索建链。成员星的四副天线+X、+Z、-X、-Z依次进行切换，每15s切换一次，搜索中心节点星信号，并在搜索到信号后，建立通信链路；

接下来，所述成员星计算当前时刻，其+X天线、-X天线、+Z天线、以及-Z天线与所述中心节点星的方向矢量夹角，分别为：Ψ_{tx_Xpos}、Ψ_{tx_Xneg}、Ψ_{tx_Zpos}、以及Ψ_{tx_Zneg}，其具体的计算方法如下：

首先，中心节点星轨道外推。所述成员星收到中心节点星所广播的带时间戳的轨道位置及速度信息后，以最近一次收到的中心节点星轨道为起点，利用成熟的J₂模型轨道外推算法，推算当前时刻T^*时，中心节点星在J2000坐标系下的轨道位置R_{ZS_J2000}：

R_{ZS_J2000}＝(R_{ZS_J2000_x},R_{ZS_J2000_y},R_{ZS_j2000_z})^T；

接下来，确定中心节点星的方向。已知当前时刻所述成员星自身在J2000坐标系下的轨道位置R_{GP_j2000}：

R_{GP_j2000}＝(R_{GP_J2000_x},R_{GP_J2000_y},R_{GP_J2000_z})^T，

则，当前时刻中心节点星相对成员星在J2000坐标系下的方向矢量计算如下：

以及

最后，计算中心节点星方向与各天线的夹角。J2000系到本体系的姿态转换矩阵A_bi为已知量，同时，+X、-X、+Z、-Z天线轴向在本体系矢量分别为V_{tx_Xpos_body}、V_{tx_Xneg_body}、V_{tx_Zpos_body}以及V_{tx_Zneg_body}，则+X、-X、+Z、-Z天线轴向在J2000坐标系中的方向矢量分别为：

以及

则，+X、-X、+Z、-Z天线轴向与中心节点星方向矢量夹角的计算分别如下：

以及

以及

最后，根据计算得到的+X天线、-X天线、+Z天线、以及-Z天线与所述中心节点星的方向矢量夹角，确定天线切换逻辑，具体如下：

若当前±Z天线开启，则如果连续3秒时间内，min(Ψ_{tx_Xpos},Ψ_{tx_Xneg})≤45°，则切至±X天线，即开启±X天线，同时关闭±Z天线，其它情况保持±Z天线开启；以及

若当前±X天线开启，则如果连续3秒时间内，min(Ψ_{tx_Zpos},Ψ_{tx_Zneg})≤45°，则切至±Z天线，即开启±Z天线，

同时关闭±X天线，其它情况保持±X天线开启。

此外，一旦星间通信链路中断时间超过1分钟，则按照前述步骤重新开始搜索建链过程，即成员星的四副天线+X、+Z、-X、-Z依次进行切换，每15s切换一次，搜索中心节点星信号，并在搜索到信号后，建立通信链路。

本发明提供的一种星间组网的天线切换方法，根据天线与对方星之间的方位设置各天线的开启及关闭，实现天线切换，有效保证了星间通信链路的连续性。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (6)

1.一种同轨道面星簇内的星间通信方法，其特征在于，包括步骤：

成员星的四副天线+X、+Z、-X、-Z依次进行切换，搜索中心节点星信号，并建立通信链路；

所述成员星收到中心节点星所广播的带时间戳的轨道位置及速度信息后，利用J₂模型轨道外推算法，推算当前时刻中心节点星载J2000坐标系下的轨道位置；

根据所述中心节点星载J2000坐标系下的轨道位置，实时计算所述四副天线+X、+Z、-X、-Z与中心节点星方向的矢量夹角；以及

根据所述矢量夹角切换天线以保持星间通信链路。

2.如权利要求1所述的星间通信方法，其特征在于，所述成员星的四副天线每15秒切换一次。

3.如权利要求1所述的星间通信方法，其特征在于，根据所述矢量夹角切换天线包括：

若所述成员星上当前开启的天线为±X方向天线，则若在连续指定时长内，±Z方向天线与中心节点星的矢量夹角小于或等于45°，则开启所述±Z方向天线，并关闭±X方向天线，否则保持±X方向天线开启；以及

若所述成员星上当前开启的天线为±Z方向天线，则若在连续指定时长内，±X方向天线与中心节点星的矢量夹角小于或等于45°，则开启所述±X方向天线，并关闭±Z方向天线，否则保持±Z方向天线开启。

4.如权利要求3所述的星间通信方法，其特征在于，所述指定时长为3秒。

5.如权利要求1所述的星间通信方法，其特征在于，所述与中心节点星方向的矢量夹角Ψ_i计算如下：

其中，

V_{i_J2000}为天线i的轴向在J2000坐标系中的方向矢量，

其中，A_bi为J2000系到本体系的姿态转换矩阵，以及V_{i_body}为天线i的轴向在本体系矢量，均为已知量；以及

V_{df_J2000}为中心节点星相对成员星在J2000坐标系下的方向矢量，V_{df_J2000}＝R_{df_J2000}-R_{wx_J2000}，其中：

R_{df_J2000}＝(R_{df_J2000_x}，R_{df_J2000_y}，R_{df_J2000_z})^T为当前时刻中心节点星在J2000坐标系下的轨道位置；以及

R_{wx_J2000}＝(R_{wx_J2000_x}，R_{wx_J2000_y}，R_{wx_J2000_z})^T为当前时刻所述成员星自身在J2000坐标系下的轨道位置。

6.如权利要求1所述的星间通信方法，其特征在于，还包括：

若星间通信链路中断时间超过1分钟，则重新开始搜索建链。

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