[發明專利]低軌道/中軌道雙層衛星光網絡結構系統及設計計算方法

無效

• 申請號: 200910022415.8
• 申請日: 2009-05-08
• 公開（公告）號: CN101604996A
• 公開（公告）日: 2009-12-16
• 發明（設計）人: 吳繼禮;李勇軍;趙尚弘;蒙文;石磊;劉蘭;趙顧顥;易鵬;占生寶
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍空軍工程大學
• 主分類號: H04B10/00
• 分類號: H04B10/00
• 代理公司: 西安西達專利代理有限責任公司
• 代理人: 劉 華

技術領域

本發明涉及一種衛星網絡結構，具體涉及一種全球覆蓋低軌道/中軌道雙層衛星光網絡結構系統及設計計算方法。

背景技術

已有的微波鏈路全性衛星星座系統“Skybridge”、“Globalstar”和“Ellipiso”面臨帶寬不足和無星間鏈路兩大問題。相對于微波衛星通信，衛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點。

近年來，美國、歐洲和日本都相繼開展了衛星激光鏈路組網的研究，其中麻省理工學院信息與決策系統實驗室一直致力于衛星光網絡的研究，在沒有考慮拓撲結構的情況下，對衛星光網絡的接入、節點結構、數據鏈路層、網絡層和傳輸層作了初步的理論研究。由120顆低軌衛星組成的日本下一代低軌衛星通信系統規劃采用容量為2.5Gbit/s的激光星間鏈路，是第一個計劃采用波分復用技術的全球性衛星星座網絡。下一代低軌衛星通信系統于20世紀末提出，系統結構逐年優化，一系列的實驗研究表明，與微波鏈路星座不同，衛星光通信光束發散角在微弧度量級，實現星間激光鏈路的捕獲、瞄準和跟蹤非常困難，基于星間激光鏈路的衛星星座系統對網絡拓撲穩定性有著很高的要求，衛星間保持相對位置穩定非常重要。另外歐空局的研究者報道了基于波分復用的衛星激光鏈路組網技術，提出衛星激光網絡設計必須解決有限的功耗和星載設備的可靠性兩個關鍵問題。

以上都屬于單層衛星光網絡系統。相對于低軌道單層結構，低軌道/中軌道雙層結構衛星網絡可利用中軌道衛星進行網絡管理，提高網絡資源利用率，增強網絡魯棒性，實現大容量下行鏈路。因此由低軌道衛星和中軌道衛星組成的非靜止軌道衛星通信系統得到廣泛的關注。我國低軌道/中軌道雙層衛星網絡的研究集中于算法設計，算法驗證大都基于國外已有的雙層結構。其中胡劍浩等提出了由63顆低軌道衛星和16顆中軌道衛星組成的基于微波鏈路的雙層衛星網絡結構，其中低軌道層設計和Celestri星座一致。該系統相沒有考慮星間激光鏈路特征，中軌道層主要負責數據中繼，網絡時延較大。我國衛星光通信集中于星間激光鏈路基礎技術及基本元器件的研究，迫切需要設計自己的光學星間鏈路全球性衛星星座系統以適應未來深空探測和國防領域的需求。

本文針對以上問題，創新性地采用了微波鏈路衛星星座系統中很少采用的零相位因子設計參數，利用覆蓋帶法提出了一種低軌道/中軌道雙層衛星光網絡結構。低軌道層是walker-δ衛星星座，共有70個衛星，7個軌道，每軌道10個衛星。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軌道組成，每個軌道3個衛星，共6個衛星。與傳統的微波鏈路低軌道/中軌道衛星星座不同，該結構低軌道層負責數據傳輸和用戶接入，中軌道層負責網絡管理，只有在低軌道層滿載的情況下才利用中軌道衛星中繼業務。設計的新型低軌道/中軌道雙層衛星光網絡能較好地滿足我國的覆蓋要求，可為構建未來我國全球性衛星光網絡提供有價值的參考。

發明內容

本發明的目的是設計一種具有穩定拓撲結構、適合新型衛星激光鏈路的零相位因子的低軌道/中軌道雙層衛星光網絡結構系統。

本發明的另一目的是提供該系統設計計算方法。

為了克服已有微波鏈路衛星網絡的不足，本發明所解決的技術方案是：一種全球覆蓋低軌道/中軌道雙層衛星光網絡結構系統，特殊之處在于該系統由一個基于覆蓋帶法設計的全球覆蓋低軌衛星星座，再加入一個中軌衛星星座組成雙層衛星光網絡結構系統，系統至少連接有76顆衛星，其中低軌道衛星層至少設有7個軌道，每一個軌道至少連接有10個衛星；中軌道衛星層由外軌道和內軌道組成，其中外軌道分別連接有衛星，內軌道分別連接有衛星。

一種低軌道/中軌道雙層衛星光網絡結構系統的設計計算方法，按下述步驟進行：

1)、低軌衛星星座設計計算：

①、計算單個衛星覆蓋圓半徑θ

θ＝arccos[Rcosε/(R+H)]-ε????(1)

式中符號表示：H為衛星高度，R為地球半徑，ε為地面站對衛星的仰角；

②、計算覆蓋帶半角Ψ

Ψ＝arcos[cosθ/cos(π/S)]????(2)

式中符號表示：π/S為軌道面內兩衛星間距離；

③、計算軌道B上衛星的位置δ_B

式中δ_B是軌道B上衛星的位置

δ_A是軌道A上衛星的位置

是兩衛星相位差

k是整數

int代表取整