專利名稱：低軌道/中軌道雙層衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及設(shè)計(jì)計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具體涉及一種全球覆蓋低軌道/中軌道雙層衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

背景技術(shù)：
已有的微波鏈路全性衛(wèi)星星座系統(tǒng)“Skybridge”、“Globalstar”和“Ellipiso”面臨帶寬不足和無(wú)星間鏈路兩大問(wèn)題。相對(duì)于微波衛(wèi)星通信，衛(wèi)星光通信具有寬帶寬、大容量、低功耗、終端體積小、高保密性和抗干擾性好等優(yōu)點(diǎn)。
近年來(lái)，美國(guó)、歐洲和日本都相繼開展了衛(wèi)星激光鏈路組網(wǎng)的研究，其中麻省理工學(xué)院信息與決策系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室一直致力于衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)的研究，在沒(méi)有考慮拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的情況下，對(duì)衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)的接入、節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層作了初步的理論研究。由120顆低軌衛(wèi)星組成的日本下一代低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)規(guī)劃采用容量為2.5Gbit/s的激光星間鏈路，是第一個(gè)計(jì)劃采用波分復(fù)用技術(shù)的全球性衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)。下一代低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)于20世紀(jì)末提出，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逐年優(yōu)化，一系列的實(shí)驗(yàn)研究表明，與微波鏈路星座不同，衛(wèi)星光通信光束發(fā)散角在微弧度量級(jí)，實(shí)現(xiàn)星間激光鏈路的捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤非常困難，基于星間激光鏈路的衛(wèi)星星座系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞€(wěn)定性有著很高的要求，衛(wèi)星間保持相對(duì)位置穩(wěn)定非常重要。另外歐空局的研究者報(bào)道了基于波分復(fù)用的衛(wèi)星激光鏈路組網(wǎng)技術(shù)，提出衛(wèi)星激光網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)必須解決有限的功耗和星載設(shè)備的可靠性兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
以上都屬于單層衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。相對(duì)于低軌道單層結(jié)構(gòu)，低軌道/中軌道雙層結(jié)構(gòu)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可利用中軌道衛(wèi)星進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理，提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)魯棒性，實(shí)現(xiàn)大容量下行鏈路。因此由低軌道衛(wèi)星和中軌道衛(wèi)星組成的非靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)得到廣泛的關(guān)注。我國(guó)低軌道/中軌道雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的研究集中于算法設(shè)計(jì)，算法驗(yàn)證大都基于國(guó)外已有的雙層結(jié)構(gòu)。其中胡劍浩等提出了由63顆低軌道衛(wèi)星和16顆中軌道衛(wèi)星組成的基于微波鏈路的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中低軌道層設(shè)計(jì)和Celestri星座一致。該系統(tǒng)相沒(méi)有考慮星間激光鏈路特征，中軌道層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)中繼，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延較大。我國(guó)衛(wèi)星光通信集中于星間激光鏈路基礎(chǔ)技術(shù)及基本元器件的研究，迫切需要設(shè)計(jì)自己的光學(xué)星間鏈路全球性衛(wèi)星星座系統(tǒng)以適應(yīng)未來(lái)深空探測(cè)和國(guó)防領(lǐng)域的需求。
本文針對(duì)以上問(wèn)題，創(chuàng)新性地采用了微波鏈路衛(wèi)星星座系統(tǒng)中很少采用的零相位因子設(shè)計(jì)參數(shù)，利用覆蓋帶法提出了一種低軌道/中軌道雙層衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。低軌道層是walker-δ衛(wèi)星星座，共有70個(gè)衛(wèi)星，7個(gè)軌道，每軌道10個(gè)衛(wèi)星。為了有效的覆蓋低軌道層，中軌道層由赤道和極地軌道兩個(gè)軌道組成，每個(gè)軌道3個(gè)衛(wèi)星，共6個(gè)衛(wèi)星。與傳統(tǒng)的微波鏈路低軌道/中軌道衛(wèi)星星座不同，該結(jié)構(gòu)低軌道層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸和用戶接入，中軌道層負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理，只有在低軌道層滿載的情況下才利用中軌道衛(wèi)星中繼業(yè)務(wù)。設(shè)計(jì)的新型低軌道/中軌道雙層衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)能較好地滿足我國(guó)的覆蓋要求，可為構(gòu)建未來(lái)我國(guó)全球性衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)提供有價(jià)值的參考。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種具有穩(wěn)定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、適合新型衛(wèi)星激光鏈路的零相位因子的低軌道/中軌道雙層衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一目的是提供該系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算方法。
為了克服已有微波鏈路衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的不足，本發(fā)明所解決的技術(shù)方案是一種全球覆蓋低軌道/中軌道雙層衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，特殊之處在于該系統(tǒng)由一個(gè)基于覆蓋帶法設(shè)計(jì)的全球覆蓋低軌衛(wèi)星星座，再加入一個(gè)中軌衛(wèi)星星座組成雙層衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，系統(tǒng)至少連接有76顆衛(wèi)星，其中低軌道衛(wèi)星層至少設(shè)有7個(gè)軌道，每一個(gè)軌道至少連接有10個(gè)衛(wèi)星；中軌道衛(wèi)星層由外軌道和內(nèi)軌道組成，其中外軌道分別連接有衛(wèi)星，內(nèi)軌道分別連接有衛(wèi)星。
一種低軌道/中軌道雙層衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，按下述步驟進(jìn)行 1)、低軌衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)計(jì)算 ①、計(jì)算單個(gè)衛(wèi)星覆蓋圓半徑θ θ＝arccos[Rcosε/(R+H)]-ε(1) 式中符號(hào)表示H為衛(wèi)星高度，R為地球半徑，ε為地面站對(duì)衛(wèi)星的仰角； ②、計(jì)算覆蓋帶半角Ψ Ψ＝arcos[cosθ/cos(π/S)](2) 式中符號(hào)表示π/S為軌道面內(nèi)兩衛(wèi)星間距離； ③、計(jì)算軌道B上衛(wèi)星的位置δB
式中δB是軌道B上衛(wèi)星的位置 δA是軌道A上衛(wèi)星的位置

是兩衛(wèi)星相位差 k是整數(shù) int代表取整 滿足連續(xù)覆蓋的限制條件為 ④、計(jì)算赤經(jīng)差α′ α′≤Ψ+arccos[cosθ/cos(δB)](4) 利用球面直角三角形定理知道，實(shí)際赤經(jīng)差 ⑤、計(jì)算sinα sinα＝sinα′/sini(5) 實(shí)際相鄰兩個(gè)衛(wèi)星相位差與虛擬相位差的關(guān)系 ⑥、計(jì)算實(shí)際相鄰兩個(gè)衛(wèi)星相位差與虛擬相位差
由于P個(gè)軌道面在赤道均勻分布，赤經(jīng)差滿足條件 ⑦、P·α＝2π(7) 上述的walker-δ星座由高度相同和傾角相等的圓軌道組成，軌道面沿赤道均勻分布，每個(gè)軌道面上衛(wèi)星均勻分布，相鄰軌道相鄰兩個(gè)衛(wèi)星間保持相位關(guān)系，用四個(gè)參數(shù)組合iT/P/F表示，其中i為軌道傾角，T為星座衛(wèi)星數(shù)，P為軌道數(shù)，則S＝T/P為每個(gè)軌道衛(wèi)星數(shù)，F(xiàn)為相位因子且0≤F≤P-1，規(guī)定了任意相鄰兩個(gè)軌道面上相鄰衛(wèi)星間的相對(duì)位置； 以“赤道”為基準(zhǔn)，設(shè)兩衛(wèi)星相位差為

赤經(jīng)差為α′，對(duì)應(yīng)的實(shí)際相鄰衛(wèi)星相位差和赤經(jīng)差分別為

和α，軌道A和軌道B衛(wèi)星位置分別為δA和δB，此時(shí)軌道A一顆衛(wèi)星必然位于δA＝π/S，距離該衛(wèi)星最近的軌道B(領(lǐng)先于衛(wèi)星A)的衛(wèi)星必然位于 在滿足條件(5)和(7)的情況下，就可以求得滿足連續(xù)覆蓋的最佳星座設(shè)計(jì)參數(shù)——P、S、i和
令f＝Ψ+arccos[cosθ/cos(δB)]-α′，則滿足(4)的限制條件轉(zhuǎn)化f≥0，取F＝0，則

由(3)、(4)、(5)、(6)可以求得滿足連續(xù)覆蓋的星座參數(shù)，四種覆蓋要求設(shè)計(jì)方案為 方案1i＝50°，H＝1400km，εmin＝10°； 方案2i＝50°，H＝1300km，εmin＝10°； 方案3i＝50°，H＝1400km，εmin＝15°； 方案4i＝50°，H＝1300km，εmin＝5°； 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果 1、采用了零相位因子的低軌衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)方法，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定，星間激光鏈路俯仰角和方位角變化比非零相位因子小。星間激光鏈路的這些特性非常適合衛(wèi)星激光通信，能降低星間光通信的捕獲、瞄準(zhǔn)和追蹤要求，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)路由。
2、采用了赤道軌道/極地軌道的中軌衛(wèi)星設(shè)計(jì)方法，空間輻射環(huán)境綜合效應(yīng)小，系統(tǒng)生存周期變長(zhǎng)。
3、低軌衛(wèi)星/中軌衛(wèi)星雙層結(jié)構(gòu)組成的非靜止軌道衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)能滿足全球覆蓋的要求，特別是能完全實(shí)現(xiàn)對(duì)我國(guó)及周邊地區(qū)的覆蓋要求，可作為未來(lái)構(gòu)建我國(guó)全球性衛(wèi)星激光鏈路星座系統(tǒng)的參考。
基于覆蓋帶法設(shè)計(jì)了全球覆蓋低軌衛(wèi)星星座，加入了一個(gè)中軌衛(wèi)星星座以組成雙層的衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。利用激光空間通信技術(shù)整合現(xiàn)有衛(wèi)星資源、發(fā)展星上信息處理技術(shù)、構(gòu)建以衛(wèi)星為主的空間信息網(wǎng)絡(luò)已成為我國(guó)加快航天科技三大領(lǐng)域發(fā)展和融合的重要發(fā)展戰(zhàn)略。將靜止軌道、中軌道、低軌道衛(wèi)星以及飛船、航天飛機(jī)、空間站、深空和近空間探測(cè)器連接在一起，形成基于星間激光鏈路的天基信息網(wǎng)絡(luò)，這就正如地面信息高速公路一樣形成名副其實(shí)的空間信息高速公路，在未來(lái)寬帶衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的無(wú)縫覆蓋和移動(dòng)終端隨機(jī)接入以及軍事偵查、民用導(dǎo)航、定位、深空探測(cè)和遙感遙測(cè)等方面發(fā)揮巨大作用。
該發(fā)明突出的特點(diǎn)在于，在激光鏈路低軌衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)中首次采用了零相位因子設(shè)計(jì)思路，所組成的低軌衛(wèi)星星座具有準(zhǔn)靜態(tài)的網(wǎng)格邏輯結(jié)構(gòu)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定，星間鏈路的俯仰角、方位角變化都比非零相位的星座小，大大減少衛(wèi)星的切換，節(jié)省寶貴的星載資源，非常適合星間激光鏈路；赤道和極地軌道上的兩個(gè)互相垂直軌道的中軌衛(wèi)星彌補(bǔ)了零相位低軌衛(wèi)星星座的覆蓋不足，能有效加強(qiáng)對(duì)低軌衛(wèi)星層實(shí)施管理；中軌道衛(wèi)星星座受空間輻射影響最小，使得系統(tǒng)生存周期變長(zhǎng)。
首次設(shè)計(jì)了由76顆衛(wèi)星組成的全球連續(xù)覆蓋低軌衛(wèi)星/中軌衛(wèi)星雙層衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的新型低軌道/中軌道雙層衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)能較好地滿足我國(guó)的覆蓋要求，可為構(gòu)建未來(lái)我國(guó)全球性衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)提供有價(jià)值的參考。



圖1為本發(fā)明低軌道衛(wèi)星邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明空間輻射劑量隨軌道傾角變化示意圖； 圖3為本發(fā)明中軌道衛(wèi)星邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明低軌道/中軌道雙層衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景示意圖； 圖5為本發(fā)明低軌衛(wèi)星層間激光鏈路俯仰角示意圖； 圖6為本發(fā)明低軌衛(wèi)星層間激光鏈路方位角示意圖； 圖7為本發(fā)明最小仰角示意圖； 圖8為本發(fā)明所涉及的兩衛(wèi)星覆蓋帶法示意圖； 圖9為本發(fā)明所涉及的三衛(wèi)星覆蓋帶法示意圖。

具體實(shí)施例方式 附圖為本發(fā)明的實(shí)施例。
下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)步說(shuō)明 參照?qǐng)D1、圖2所示，一種全球覆蓋低軌道/中軌道雙層衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一個(gè)基于覆蓋帶法設(shè)計(jì)的全球覆蓋低軌衛(wèi)星星座，再加入一個(gè)中軌衛(wèi)星星座組成雙層衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，系統(tǒng)至少連接有76顆衛(wèi)星，其中低軌道衛(wèi)星層至少設(shè)有7個(gè)軌道，每一個(gè)軌道至少連接有10個(gè)衛(wèi)星；中軌道衛(wèi)星層由外軌道和內(nèi)軌道組成，其中外軌道分別連接有衛(wèi)星11、12、13，內(nèi)軌道分別連接有衛(wèi)星21、22、23。
所述低軌層星座為一個(gè)walker-δ星座。
所述walker-δ星座由高度相同和傾角相等的圓軌道組成。
所述低軌道傾角為45°～55°，軌道高度1100～1500公里，軌道離心率為0。
所述中軌道高度為10354km時(shí)是一個(gè)回歸軌道，中軌衛(wèi)星星座兩個(gè)軌道傾角分別為0°和90°。
一種全球覆蓋低軌道/中軌道雙層衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，按下述步驟進(jìn)行 1)、低軌衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)計(jì)算方法 ①、計(jì)算單個(gè)衛(wèi)星覆蓋圓半徑θ θ＝arccos[Rcosε/(R+H)]-ε(1) 式中符號(hào)表示H為衛(wèi)星高度，R為地球半徑，ε為地面站對(duì)衛(wèi)星的仰角； ②、計(jì)算覆蓋帶半角Ψ Ψ＝arcos[cosθ/cos(π/S](2) 式中符號(hào)表示π/S為軌道面內(nèi)兩衛(wèi)星間距離； ③、
滿足連續(xù)覆蓋的限制條件為 ④、α≤Ψ+arccos[cosθ/cos(δB)](4) 利用球面直角三角形定理知道，實(shí)際赤經(jīng)差 ⑤、sinα＝sinα′/sini(5) 實(shí)際相鄰兩個(gè)衛(wèi)星相位差與虛擬相位差的關(guān)系 ⑥、
由于P個(gè)軌道面在赤道均勻分布，赤經(jīng)差滿足條件 ⑦、P·α＝2π(7) 上述的walker-δ星座由高度相同和傾角相等的圓軌道組成，軌道面沿赤道均勻分布，每個(gè)軌道面上衛(wèi)星均勻分布，相鄰軌道相鄰兩個(gè)衛(wèi)星間保持相位關(guān)系，用四個(gè)參數(shù)組合iT/P/F表示，其中i為軌道傾角，T為星座衛(wèi)星數(shù)，P為軌道數(shù)，則S＝T/P為每個(gè)軌道衛(wèi)星數(shù)，F(xiàn)為相位因子且0≤F≤P-1，規(guī)定了任意相鄰兩個(gè)軌道面上相鄰衛(wèi)星間的相對(duì)位置； 以“赤道”為基準(zhǔn)，設(shè)兩衛(wèi)星相位差為

赤經(jīng)差為α′，對(duì)應(yīng)的實(shí)際相鄰衛(wèi)星相位差和赤經(jīng)差分別為

和α，軌道A和軌道B衛(wèi)星位置分別為δA和δB，此時(shí)軌道A一顆衛(wèi)星必然位于δA＝π/S，距離該衛(wèi)星最近的軌道B(領(lǐng)先于衛(wèi)星A)的衛(wèi)星必然位于 在滿足條件(5)和(7)的情況下，就可以求得滿足連續(xù)覆蓋的最佳星座設(shè)計(jì)參數(shù)——P、S、i和
令f＝Ψ+arccos[cosθ/cos(δB)]-α′，則滿足(4)的限制條件轉(zhuǎn)化f≥0，取F＝0，則

由(3)、(4)、(5)、(6)可以求得滿足連續(xù)覆蓋的星座參數(shù)，四種覆蓋要求設(shè)計(jì)方案為 方案1i＝50°，H＝1400km，εmin＝10°； 方案2i＝50°，H＝1300km，εmin＝10°； 方案3i＝50°，H＝1400km，εmin＝15°； 方案4i＝50°，H＝1300km，εmin＝5°；(方案中i＝50°，h＝1400，εmin＝10°是否應(yīng)該為i＝50°，h＝1400km，εmin＝10°？) 激光鏈路低軌衛(wèi)星星座為零相位因子。
2)、中軌衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)計(jì)算方法 其中方案1和方案2要求最小仰角10°，軌道傾角均為50°，軌道高度分別為1400km和1300km，單向時(shí)延分別為4.7ms和4.3ms，連續(xù)覆蓋需要的最少衛(wèi)星配置分別為7×9和7×10；而Celestri星座采用的正是方案1，軌道傾角48°，7個(gè)軌道，每個(gè)軌道9個(gè)衛(wèi)星；方案3和方案1的不同之處要求最小仰角15°，連續(xù)覆蓋需要的最少衛(wèi)星配置分別為7×11；方案4和方案2的不同之處要求最小仰角5°，則只要7個(gè)軌道，每個(gè)軌道7個(gè)衛(wèi)星即可滿足連續(xù)覆蓋的要求。
無(wú)論衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)低軌星座對(duì)地面終端的接入主要采用射頻鏈路還是激光鏈路，終端小型化和低功耗是必然發(fā)展趨勢(shì)，因此10°的最小仰角可以滿足實(shí)際需求。
表1低軌衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)結(jié)果
為了減少所需衛(wèi)星數(shù)，又具有可接受的時(shí)延，我們?nèi)〉蛙壭l(wèi)星高度分別為1400km和1300km進(jìn)行比較。為了滿足對(duì)我國(guó)的覆蓋，軌道傾角選取50°，第一軌道的右升節(jié)點(diǎn)經(jīng)度為20°。傳統(tǒng)微波鏈路衛(wèi)星通信中，相位因子F的取值在0到P-1之間來(lái)取得全球覆蓋。
我們?nèi)∠辔灰蜃覨＝0，則所有軌道相對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星可以組成一個(gè)在兩極之間移動(dòng)的環(huán)，相鄰軌道相鄰衛(wèi)星空間位置關(guān)系保持相對(duì)穩(wěn)定。由于在軌道環(huán)內(nèi)衛(wèi)星位置相對(duì)固定，整個(gè)低軌衛(wèi)星星座邏輯拓?fù)渚蜆?gòu)成一個(gè)網(wǎng)格型網(wǎng)絡(luò)。零相位因子星座具有準(zhǔn)靜態(tài)的網(wǎng)格型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，極大地降低了星載激光通信終端捕獲、瞄準(zhǔn)和追蹤要求，簡(jiǎn)化了路由和交換功能，由此帶來(lái)的益處從工程角度來(lái)講可以抵消覆蓋不均勻的弊處。
綜上所述，為了構(gòu)建我國(guó)自己的全球覆蓋衛(wèi)星星座，最終配置為H＝1300km，50°10/7/0。低軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格型邏輯拓?fù)淙鐖D1所示。
表2雙層衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)參數(shù)
最終設(shè)計(jì)的低軌衛(wèi)星星座參數(shù)如表2，低軌衛(wèi)星層由70顆衛(wèi)星組成，7個(gè)軌道面，每個(gè)軌道面10個(gè)衛(wèi)星，軌道傾角為50°，軌道高度1300km，軌道離心率為0，軌道內(nèi)有兩條激光鏈路，軌道間有兩條鏈路，可為全球提供的最小仰角為10°。系統(tǒng)可為我國(guó)提供單星可見(jiàn)21°的最小仰角，雙星可見(jiàn)16°的最小仰角。
2)中軌衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 雖然低軌星座可以滿足對(duì)全球的連續(xù)覆蓋，但單層網(wǎng)絡(luò)存在故障恢復(fù)能力差，大容量下行鏈路以及在峰值業(yè)務(wù)條件下容量限制等問(wèn)題。
中軌衛(wèi)星是低軌衛(wèi)星和靜止軌道衛(wèi)星的折中，兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)，又在一定程度上克服了他們的不足，單顆衛(wèi)星覆蓋范圍廣，對(duì)地可視時(shí)間達(dá)2～3小時(shí)，星座一般由十幾顆衛(wèi)星組成。相對(duì)于低軌衛(wèi)星，中軌星座切換概率降低，多普勒效應(yīng)減小，空間控制系統(tǒng)和天線跟瞄系統(tǒng)簡(jiǎn)化，一般能達(dá)到20°～30°通信仰角。當(dāng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信時(shí)，信息通過(guò)中軌星際鏈路子網(wǎng)的傳輸時(shí)延將比低軌衛(wèi)星系統(tǒng)低。
考慮零相位因子低軌衛(wèi)星星座覆蓋性能差的不足和范艾倫帶輻射環(huán)境，中軌衛(wèi)星星座的設(shè)計(jì)主要由軌道高度和軌道傾角兩個(gè)因素確定。選取回歸軌道中軌衛(wèi)星易于實(shí)現(xiàn)大容量激光下行鏈路，回歸軌道可供選擇的軌道高度有8042km、10354km和13892km，其對(duì)應(yīng)的周期分別為4.8小時(shí)、6小時(shí)和8小時(shí)。
圖2所示為輻射劑量隨軌道傾角變化曲線，8042km高度衛(wèi)星年輻射劑量在104量級(jí)，隨軌道傾角變化很小；10354km高度衛(wèi)星和New ICO中軌衛(wèi)星星座配置10255km軌道高度輻射劑量非常接近，在0°和90°時(shí)取得最小值，30°時(shí)取得最大值；13892km高度衛(wèi)星年輻射劑量隨軌道傾角增大而減小，但在60°以內(nèi)輻射劑量都在105量級(jí)以上，0°傾角附近年累計(jì)輻射劑量達(dá)到106量級(jí)。
圖3所示為中軌衛(wèi)星星座邏輯拓?fù)?，中軌衛(wèi)星星座軌道高度為10354km，共有兩個(gè)軌道，傾角分別為0°和90°，每個(gè)軌道3個(gè)衛(wèi)星，共計(jì)6個(gè)衛(wèi)星，其邏輯拓?fù)洌谥熊壭l(wèi)星層中，第2個(gè)軌道面上第2個(gè)衛(wèi)星可表示為M22。
圖4所示為本發(fā)明的低軌道/中軌道雙層衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景示意圖，低軌衛(wèi)星用二維的數(shù)組L(n，m)來(lái)表示，其中n表示衛(wèi)星所在的軌道面編號(hào)，m表示衛(wèi)星在軌道面內(nèi)編號(hào)，中軌衛(wèi)星用M(n，m)來(lái)表示，其中n表示衛(wèi)星所在的軌道面編號(hào)，m表示衛(wèi)星在軌道面內(nèi)編號(hào)。例如在低軌衛(wèi)星層中，第一軌道面上分別連接有L101～L110十個(gè)衛(wèi)星，依次類推，笫七軌道面上分別連接有L701～L710十個(gè)衛(wèi)星，或者第6個(gè)軌道面上第9個(gè)衛(wèi)星可表示為L(zhǎng)69，。
圖5所示為三種相位因子情況下俯仰角變化曲線，不同軌道同相位衛(wèi)星組成橫向環(huán)鏈路L23-L33間俯仰角隨時(shí)間正弦變化。相位因子為1時(shí)波谷和波峰處的俯仰角分別為-27.4°和-18.4°，相位因子為3時(shí)波谷和波峰處的俯仰角分別為-31.2°和-23.4°，而0相位因子時(shí)波谷和波峰處的俯仰角分別為-25.7°和-16.2°，顯然0相位因子情況下星際鏈路俯仰角性能優(yōu)于其它兩種情況，從最小到最大平均變化速率為0.34°/min。0相位因子時(shí)L23-L32間波谷和波峰處俯仰角分別-19.4°和-0.76°，從最小到最大平均變化速率為0.66°/min。
圖6所示為三種相位因子情況下方位角隨時(shí)間變化曲線，L23-L33間方位角隨時(shí)間周期性躍變，當(dāng)兩個(gè)衛(wèi)星間發(fā)生從左到右位置的交替時(shí)出現(xiàn)從0°到360°的躍變。但相位因子取0時(shí)，方位角接近連續(xù)變化，其變化趨勢(shì)是從89°～102°～148°，這是由于所有軌道上編號(hào)相同的衛(wèi)星連線組成一個(gè)平行于赤道面的圓環(huán)，隨著衛(wèi)星的運(yùn)行這個(gè)圓環(huán)在兩極之間平行移動(dòng)，在兩極地區(qū)時(shí)兩個(gè)衛(wèi)星運(yùn)行方向轉(zhuǎn)變?cè)诓煌瑫r(shí)刻出現(xiàn)，因此方位角連續(xù)變化。當(dāng)方位角發(fā)生2π變化時(shí)，對(duì)星間激光終端跟蹤要非常高求，而0相位因子時(shí)由于方位角連續(xù)變化，非常易于實(shí)現(xiàn)兩者的跟蹤。
圖7所示為本發(fā)明單星和雙星可見(jiàn)最小仰角，系統(tǒng)可以為南北緯60°地區(qū)提供單星可見(jiàn)不小于13°的最小仰角，實(shí)際上除了北緯10°～17°地區(qū)外，這個(gè)值在15°以上；為此地區(qū)提供雙星可見(jiàn)不小于7°的最小仰角，除了北緯10°～17°地區(qū)外，這個(gè)值在10°以上，特別是可以為我國(guó)提供單星可見(jiàn)不小于21°，雙星可見(jiàn)不小于16°的最小仰角 相對(duì)于單層低軌衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，低軌道/中軌道雙層結(jié)構(gòu)衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)非常突出(1)中軌衛(wèi)星可以連接地面網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)大容量的下行鏈路；(2)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)傳輸分離，極大提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)魯棒性；(3)中軌衛(wèi)星可以為低軌衛(wèi)星層邏輯距離很近，物理距離很遠(yuǎn)的兩個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)提供中繼。雙層結(jié)構(gòu)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可利用中軌衛(wèi)星進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理，提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)魯棒性，實(shí)現(xiàn)大容量下行鏈路。由低軌衛(wèi)星和中軌衛(wèi)星組成的非靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)得到廣泛的關(guān)注。
我國(guó)低軌道/中軌道雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的研究集中于算法設(shè)計(jì)，算法驗(yàn)證大都基于國(guó)外已有的雙層結(jié)構(gòu)。其中胡劍浩等提出了由63顆低軌道衛(wèi)星和16顆中軌道衛(wèi)星組成的基于微波鏈路的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中低軌道衛(wèi)星層設(shè)計(jì)和Celestri星座一致。該系統(tǒng)相位因子為1，沒(méi)有考慮星間激光鏈路特征，中軌道衛(wèi)星層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)中繼，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延較大。
綜上知道，8042km高度雖然空間輻射小，但由于軌道高度較低，要能覆蓋低軌星座所需中軌衛(wèi)星數(shù)多。10354km高度，傾角分別為0°和90°的中軌衛(wèi)星星座是可以兼顧覆蓋和空間輻射，因此我們選擇此配置。中軌衛(wèi)星星座兩個(gè)軌道傾角分別為0°和90°，每個(gè)軌道3個(gè)衛(wèi)星，共6個(gè)衛(wèi)星。
實(shí)施例1 令H是衛(wèi)星高度，R是地球半徑，ε是地面站對(duì)衛(wèi)星的仰角。在圖8所示的覆蓋帶示意圖中，兩個(gè)衛(wèi)星組成覆蓋帶，θ是單個(gè)衛(wèi)星覆蓋圓半徑，其值為 ①、θ＝arccos[Rcosε/(R+H)]-ε Ψ為覆蓋帶半角，2π/S為軌道面內(nèi)兩衛(wèi)星間距離，由球面直角三角形定理知道 ②、Ψ＝arccos[cosθ/cos(π/S)] 距離參考衛(wèi)星最近的軌道B(領(lǐng)先于衛(wèi)星A)的衛(wèi)星位置為 ③、
滿足連續(xù)覆蓋的限制條件為 ④、α′≤Ψ+arccos[cosθ/cosδB] 利用球面直角三角形定理知道，實(shí)際赤經(jīng)差 ⑤、sinα＝sinα′/sini 實(shí)際相鄰兩個(gè)衛(wèi)星相位差與虛擬相位差的關(guān)系 ⑥、
由于P個(gè)軌道面在赤道均勻分布，赤經(jīng)差滿足條件 ⑦、P·α＝2π 令f＝Ψ+arccos[cosθ/cosδB]-α′，則滿足④的限制條件轉(zhuǎn)化f≥0，令F＝0，

H＝1300km，ε＝10°，則聯(lián)合④、⑤、⑥、⑦式，可以求得滿足連續(xù)覆蓋的最佳星座參數(shù)，f計(jì)算結(jié)果如表3，此時(shí)，最優(yōu)配置為H＝1400km，50°10/7/0，即軌道傾角50°，軌道高度1300km，7個(gè)軌道面，每個(gè)軌道面10個(gè)衛(wèi)星，共70顆衛(wèi)星，相位因子為0。因此，低軌道衛(wèi)星星座70顆衛(wèi)星，中軌道衛(wèi)星6顆，組成了低軌道/中軌道雙層衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
表3
實(shí)施例2 令H是衛(wèi)星高度，R是地球半徑，ε是地面站對(duì)衛(wèi)星的仰角。在圖8所示的覆蓋帶示意圖中，兩個(gè)衛(wèi)星組成覆蓋帶，θ是單個(gè)衛(wèi)星覆蓋圓半徑，其值為 ①、θ＝arccos[Rcosε/(R+H)]-ε Ψ為覆蓋帶半角，2π/S為軌道面內(nèi)兩衛(wèi)星間距離，由球面直角三角形定理知道 ②、Ψ＝arccos[cosθ/cos(π/S)] 距離參考衛(wèi)星最近的軌道B(領(lǐng)先于衛(wèi)星A)的衛(wèi)星位置為 ③、
滿足連續(xù)覆蓋的限制條件為 ④、α′≤Ψ+arccos[cosθ/cosδB] 利用球面直角三角形定理知道，實(shí)際赤經(jīng)差 ⑤、sinα＝sinα′/sini 實(shí)際相鄰兩個(gè)衛(wèi)星相位差與虛擬相位差的關(guān)系 ⑥、
由于P個(gè)軌道面在赤道均勻分布，赤經(jīng)差滿足條件 ⑦、P·α＝2π 令f＝Ψ+arccos[cosθ/cosδB]-α′，則滿足④的限制條件轉(zhuǎn)化f≥0，令F＝0，

H＝1400km，ε＝10°，則聯(lián)合④、⑤、⑥、⑦式，可以求得滿足連續(xù)覆蓋的最佳星座參數(shù)，f計(jì)算結(jié)果如表4，此時(shí)，最優(yōu)配置為H＝1400km，50°9/7/0，即軌道傾角50°，軌道高度1400km，7個(gè)軌道面，每個(gè)軌道面9個(gè)衛(wèi)星，共63顆衛(wèi)星，相位因子為0。因此，低軌道衛(wèi)星星座63顆衛(wèi)星，中軌道衛(wèi)星6顆，組成了低軌道/中軌道雙層衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
表4

權(quán)利要求
1、一種全球覆蓋低軌道/中軌道雙層衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)由一個(gè)基于覆蓋帶法設(shè)計(jì)的全球覆蓋低軌衛(wèi)星星座，再加入一個(gè)中軌衛(wèi)星星座組成雙層衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，系統(tǒng)至少連接有76顆衛(wèi)星，其中低軌道衛(wèi)星層至少設(shè)有7個(gè)軌道，每一個(gè)軌道至少連接有10個(gè)衛(wèi)星；中軌道衛(wèi)星層由外軌道和內(nèi)軌道組成，其中外軌道分別連接有衛(wèi)星(11、12、13)，內(nèi)軌道分別連接有衛(wèi)星(21、22、23)。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的全球覆蓋低軌道/中軌道雙層衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其特征在于所述低軌層星座為一個(gè)walker-δ星座。
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的全球覆蓋低軌道/中軌道雙層衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其特征在于所述walker-δ星座由高度相同和傾角相等的圓軌道組成。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的全球覆蓋低軌道/中軌道雙層衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其特征在于所述低軌道傾角為45°～55°，軌道高度1100～1500公里，軌道離心率為0。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的全球覆蓋低軌道/中軌道雙層衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其特征在于所述中軌道高度為10354km時(shí)是一個(gè)回歸軌道，中軌衛(wèi)星星座兩個(gè)軌道傾角分別為0°和90°。
6、一種權(quán)利要求1所述的全球覆蓋低軌道/中軌道雙層衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，按下述步驟進(jìn)行
1)、低軌衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)計(jì)算
①、計(jì)算單個(gè)衛(wèi)星覆蓋圓半徑θ
θ＝arccos[Rcosε/(R+H)]-ε(1)
式中符號(hào)表示H為衛(wèi)星高度，R為地球半徑，ε為地面站對(duì)衛(wèi)星的仰角；
②、計(jì)算覆蓋帶半角Ψ
Ψ＝arcos[cosθ/cos(π/S)](2)
式中符號(hào)表示π/S為軌道面內(nèi)兩衛(wèi)星間距離；
滿足連續(xù)覆蓋的限制條件為
④、α′≤Ψ+arccos[cosθ/cos(δB)](4)
利用球面直角三角形定理知道，實(shí)際赤經(jīng)差
⑤、sinα＝sinα′/sini(5)
計(jì)算實(shí)際相鄰兩個(gè)衛(wèi)星相位差與虛擬相位差
由于P個(gè)軌道面在赤道均勻分布，赤經(jīng)差滿足條件
⑦、P·α＝2π(7)
上述的walker-δ星座由高度相同和傾角相等的圓軌道組成，軌道面沿赤道均勻分布，每個(gè)軌道面上衛(wèi)星均勻分布，相鄰軌道相鄰兩個(gè)衛(wèi)星間保持相位關(guān)系，用四個(gè)參數(shù)組合iT/P/F表示，其中i為軌道傾角，T為星座衛(wèi)星數(shù)，P為軌道數(shù)，則S＝T/P為每個(gè)軌道衛(wèi)星數(shù)，F(xiàn)為相位因子且0≤F≤P-1，規(guī)定了任意相鄰兩個(gè)軌道面上相鄰衛(wèi)星間的相對(duì)位置；
以“赤道”為基準(zhǔn)，設(shè)兩衛(wèi)星相位差為
赤經(jīng)差為α′，對(duì)應(yīng)的實(shí)際相鄰衛(wèi)星相位差和赤經(jīng)差分別為
和α，軌道A和軌道B衛(wèi)星位置分別為δA和δB，此時(shí)軌道A一顆衛(wèi)星必然位于δA＝π/S，距離該衛(wèi)星最近的軌道B領(lǐng)先于衛(wèi)星A的衛(wèi)星必然位于
在滿足條件(5)和(7)的情況下，就可以求得滿足連續(xù)覆蓋的最佳星座設(shè)計(jì)參數(shù)——P、S、i和
令f＝Ψ+arccos[cosθ/cos(δB)]-α′，則滿足(4)的限制條件轉(zhuǎn)化f≥0，取F＝0，則
由(3)、(4)、(5)、(6)可以求得滿足連續(xù)覆蓋的星座參數(shù)，四種覆蓋要求設(shè)計(jì)方案為
方案1i＝50°，H＝1400km，εmin＝10°；
方案2i＝50°，H＝1300km，εmin＝10°；
方案3i＝50°，H＝1400km，εmin＝15°；
方案4i＝50°，H＝1300km，εmin＝5°。
7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的全球覆蓋低軌道/中軌道雙層衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，其特征在于激光鏈路低軌衛(wèi)星星座為零相位因子。
全文摘要
本發(fā)明公開了低軌道/中軌道雙層衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。基于覆蓋帶法設(shè)計(jì)的全球覆蓋低軌衛(wèi)星星座，再加入中軌衛(wèi)星星座組成雙層衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，系統(tǒng)至少連接有76顆衛(wèi)星，其中低軌道衛(wèi)星層至少設(shè)有7個(gè)軌道，每一個(gè)軌道至少連接有10個(gè)衛(wèi)星；中軌道衛(wèi)星層由外軌道和內(nèi)軌道組成，其中外軌道分別連接有衛(wèi)星，內(nèi)軌道分別連接有衛(wèi)星。計(jì)算方法計(jì)算單個(gè)衛(wèi)星覆蓋圓半徑θ，計(jì)算覆蓋帶半角ψ，計(jì)算δB，計(jì)算α′，計(jì)算sinα，計(jì)算P個(gè)軌道面在赤道分布。該結(jié)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定，星間鏈路俯仰角、方位角變化都比非零相位星座小，減少衛(wèi)星切換，節(jié)省星載資源，有效加強(qiáng)對(duì)低軌衛(wèi)星層實(shí)施管理；中軌道衛(wèi)星星座受空間輻射影響最小，系統(tǒng)生存周期變長(zhǎng)。
文檔編號(hào)H04B10/00GK101604996SQ20091002241
公開日2009年12月16日 申請(qǐng)日期2009年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月8日
發(fā)明者吳繼禮, 李勇軍, 趙尚弘, 文 蒙, 磊 石, 蘭 劉, 趙顧顥, 鵬 易, 占生寶 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍空軍工程大學(xué)