CN213817779U - 基于大经度间隔geo的中继卫星系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于大经度间隔GEO的中继卫星系统，它包括第一中继卫星、第二中继卫星和第三中继卫星，其中第一中继卫星与第二中继卫星构成大经度间隔GEO双星结构；第二中继卫星与第三中继卫星也构成大经度间隔GEO双星结构；且第二中继卫星分别与第一中继卫星和第三中继卫星之间通过激光链路直连通信；在地球上建立的地面站可同时与第一中继卫星和第三中继卫星两颗中继星建立稳定的激光链路；第一中继卫星和第三中继卫星同时还可以通过微波链路与地面进行通信。所述的中继卫星系统具有覆盖范围更广，中继能力更加全面的有益效果。
Description
技术领域
本实用新型涉及卫星通信技术领域，具体是指一种基于大经度间隔GEO的中继卫星系统。
背景技术
随着新型对地高分辨率遥感器和新的卫星数据业务的发展，对地观测卫星、合成孔径雷达、气象观测卫星和侦察卫星等的数据传输速率需求越来越高，数据中继卫星系统需实时处理传输Gbps量级以上的高码率海量数据。未来从用户星经中继星到地面的返向链路数据传输需求将超过10Gbps量级，然而微波链路资源有限，难以满足高速数据传输速率的要求。星间激光通信具有高传输速率、高可靠性、抗电磁干扰等优点，还在终端体积、重量和功耗方面具有优势。因此，针对目前卫星微波通信的现状和未来数据中继传输需求，建设基于微波与激光混合链路的数据中继卫星系统具有广泛的应用前景。
目前国内外针对星间激光通信技术已开展了大量演示实验，然而针对激光链路组网的多中继星结构研究较少。通过对现有技术中公开的中继卫星系统组网方案进行分析，发现建设大经度间隔数据中继卫星组网系统具有很大优势，而且仿真实验表明两颗地球同步轨道（Geosynchronous Earth Orbit，GEO）卫星组网能实现对全球范围一定高度以上空间的连续覆盖，能够基本上满足航天测控任务的覆盖需要。
但是本专利申请的发明人也发现，由于地球的阻挡作用，使得两颗GEO卫星组网系统仍然存在一定的盲区(如附图1和附图2中所示的结构)；另外，由于通常存在只能在国土范围上建立卫星地面站的限制，本土上空的GEO中继卫星的激光链路接入终端不仅需要接入用户卫星，同时需要转发另一颗GEO中继卫星传回的数据，导致系统的总体中继能力不足等问题。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是，提供一种覆盖范围更广，中继能力更加全面的基于大经度间隔GEO的中继卫星系统。
为解决上述技术问题，本实用新型提供的技术方案为：一种基于大经度间隔GEO的中继卫星系统，它包括第一中继卫星（OTDRS-X1）、第二中继卫星（OTDRS-X2）和第三中继卫星（OTDRS-X3），其中第一中继卫星与第二中继卫星构成大经度间隔GEO双星结构；第二中继卫星与第三中继卫星也构成大经度间隔GEO双星结构；且第二中继卫星分别与第一中继卫星和第三中继卫星之间通过激光链路直连通信；在地球上建立的地面站可同时与第一中继卫星和第三中继卫星两颗中继星建立稳定的激光链路；第一中继卫星和第三中继卫星同时还可以通过微波链路与地面进行通信。
本实用新型提供的系统结构为三颗中继卫星结构，不同于普通的双星结构和等角度三星结构，其最主要的特征在于由两个大经度间隔双星结构构成，两个大经度间隔双星结构双星角度设置过程和卫星轨道位置选择方法为：
步骤1，根据国际电信联盟可申请的GEO卫星轨位情况，选取两个双星结构的大经度间隔，即分别为第一中继卫星与第二中继卫星的大经度间隔、第二中继卫星与第三中继卫星的大经度间隔。选取原则为在经度间隔小于162.544°（此角度为考虑20km厚大气层对激光链路的衰减影响设计）的条件下，选择尽量大的经度间隔，经度间隔不宜小于150°。即大经度间隔选取范围为150°~162.544°，且应选取尽量大的经度间隔，同时两个双星结构可选取不同的大经度间隔。综合考虑，作为优选，双星结构大经度间隔选为162.324°。
步骤2，确定本土上空的第一中继卫星与第三中继卫星的轨道位置。根据步骤1选取的两个双星结构的大经度间隔，可确定本土上空的第一中继卫星与第三中继卫星的经度差范围为34.912°~60°。其次，依据本土国土范围可建设的星地激光通信地面站位置，选择第一中继卫星与第三中继卫星的轨道位置，选取原则为星地激光通信地面站与中继卫星之间的地心角应小于52.47°（此地心角角度考虑因素为，地面站光通信终端对中继星通信的仰角不低于30°，以建立稳定的激光链路），尽量选取地心角小的卫星轨位和地面站位置。
采用上述结构后，本实用新型具有如下有益效果：大经度间隔GEO双星结构可实现近似的全球覆盖，但其数据中继能力不足。为进一步增强系统中继能力，将双星结构发展成为三星结构，增加本土上空的中继星OTDRS-X3（第三中继卫星），使OTDRS-X2与OTDRS-X3也构成大经度间隔GEO双星结构。由此三颗中继星构成两个GEO双星结构，在增强中继能力的同时，两个双星结构互成备份。此时双星经度间隔即使小于162.544°，也能实现全球覆盖。OTDRS-X1与OTDRS-X3经度差范围为34.912°~60°，在本土建立地面站可同时与此两颗中继星建立稳定的激光链路。在用户星业务量较少时，中继星链路利用率线性增加；但当业务量较大时，链路利用率增长平缓，此时系统的接入损失率较大。表明业务量较大时，一方面，用户星间因接入冲突严重导致接入损失率较大；另一方面，链路未获得最大利用率。由此可知，在接入链路不足时，中继卫星系统的接入采用立接制，不能使系统发挥最大中继效能。由于卫星数传业务通常允许在一定的时间范围内完成，可以等待一定时间，且用户星业务的产生可预先确定，因此可对用户星的数传业务的接入时刻进行规划，即对中继卫星的激光链路资源进行调度，从而最大化消除业务间的接入冲突，以发挥中继卫星系统的最大中继效能。同时中继卫星系统还配置一定数量的微波天线，用于低数据速率的用户星数传。由于微波链路与激光链路相互独立，且数传微波链路通常为单址链路，同样具有独占性，因此可采用相同方法分析其接入能力，亦可获得相同的结论。
附图说明
图1是现有技术中继卫星系统的盲区示意图。
图2是现有技术中继卫星系统的结构示意图。
图3是本实用新型中基于大经度间隔GEO的中继卫星系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明。
结合附图3，一种基于大经度间隔GEO的中继卫星系统，它包括第一中继卫星、第二中继卫星和第三中继卫星，其中第一中继卫星与第二中继卫星构成大经度间隔GEO双星结构；第二中继卫星与第三中继卫星也构成大经度间隔GEO双星结构；且第二中继卫星分别与第一中继卫星和第三中继卫星之间通过激光链路直连通信；在地球上建立的地面站可同时与第一中继卫星和第三中继卫星两颗中继星建立稳定的激光链路；第一中继卫星和第三中继卫星同时还可以通过微波链路与地面进行通信。
采用上述结构后，本实用新型具有如下有益效果：大经度间隔GEO双星结构可实现近似的全球覆盖，但其数据中继能力不足。为进一步增强系统中继能力，将双星结构发展成为三星结构，增加本土中继星OTDRS-X3（第三中继卫星），使OTDRS-X2与OTDRS-X3也构成大经度间隔GEO双星结构。由此三颗中继星构成两个GEO双星结构，互成备份。此时双星经度间隔即使小于162.324°，也能实现全球覆盖。OTDRS-X1与OTDRS-X3经度差小于40°，在本土建立地面站可同时与此两颗中继星建立稳定的激光链路。在用户星业务量较少时，中继星链路利用率线性增加；但当业务量较大时，链路利用率增长平缓，此时系统的接入损失率较大。表明业务量较大时，一方面，用户星间因接入冲突严重导致接入损失率较大；另一方面，链路未获得最大利用率。由此可知，在接入链路不足时，中继卫星系统的接入采用立接制，不能使系统发挥最大中继效能。由于卫星数传业务通常允许在一定的时间范围内完成，可以等待一定时间，且用户星业务的产生可预先确定，因此可对用户星的数传业务的接入时刻进行规划，即对中继卫星的激光链路资源进行调度，从而最大化消除业务间的接入冲突，以发挥中继卫星系统的最大中继效能。同时中继卫星系统还配置一定数量的微波天线，用于低数据速率的用户星数传。由于微波链路与激光链路相互独立，且数传微波链路通常为单址链路，同样具有独占性，因此可采用相同方法分析其接入能力，亦可获得相同的结论。
在实际使用时，对接入业务量的计算考虑了链路的切换时间，由于建立稳定的激光链路包括：捕获、跟踪和对准几个阶段，且链路建立之前还需要调整中继星天线角度。因此，激光链路的星间切换时间达到数十秒至上百秒，而当业务数据量较小时，传输时间可能在十秒至几十秒即可完成。因此，对ATP技术进行研究以减少激光链路的切换时间，可大幅提高系统的数据中继能力。另外，考虑到GEO卫星轨位申请困难和建设成本高，补充基于激光链路的LEO星座作为用户星的接入节点，从而与GEO卫星构成GEO-LEO双层卫星光网络的数据中继卫星系统，系统内保持固定的LEO-GEO和LEO-LEO中继卫星星间激光链路，以大幅增加用户星的接入节点资源。补充LEO星座的中继卫星系统接入资源将大幅增加，用户星的接入冲突降低；届时，提高系统吞吐量和用户服务质量的关键是对双层卫星光网络的路由资源进行有效调度，以降低网络拥塞和中断率，从而提高系统数据中继能力。
以上对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于大经度间隔GEO的中继卫星系统，其特征在于：它包括第一中继卫星、第二中继卫星和第三中继卫星，其中第一中继卫星与第二中继卫星构成大经度间隔GEO双星结构；第二中继卫星与第三中继卫星也构成大经度间隔GEO双星结构；且第二中继卫星分别与第一中继卫星和第三中继卫星之间通过激光链路直连通信；在地球上建立的地面站可同时与第一中继卫星和第三中继卫星两颗中继星建立稳定的激光链路；第一中继卫星和第三中继卫星同时还可以通过微波链路与地面进行通信。
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| CN202023200267.5U CN213817779U (zh) | 2020-12-25 | 2020-12-25 | 基于大经度间隔geo的中继卫星系统 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN113691303A (zh) * | 2021-08-24 | 2021-11-23 | 北京中科深链空间科技有限公司 | 一种光链中继通信系统 |
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