一種空間光通信方法及空間光通信系統與流程
2023-10-24 16:00:07 2
本發明屬於空間信息網絡建設領域，具體涉及一種空間光通信方法及空間光通信系統。
背景技術：
低軌衛星組網的發展現狀：
低軌衛星具有軌道高度低、衛星與地面節點之間的傳輸時延低、用戶終端實現簡單且功耗低、頻率能夠高效復用等優點。
當前，全球正在掀起了衛星網際網路低軌星座發展的新高潮，美國一網公司(one web)籤訂了為建造大型低軌通信衛星星座研製與發射900顆衛星的合同，這標誌著低軌大規模寬帶網際網路衛星星座計劃邁出了實質性的一步。近兩年，美國矽谷的網際網路企業敏銳地捕獲到衛星通信產業巨大商機，多家非傳統航天企業宣布打造低軌通信衛星星座。雖然新興衛星網際網路星座還處於初期探索階段，但是將衛星通信服務融入「網際網路+天基信息系統」，蘊含了巨大的商機，是衛星通信產業未來發展方向之一。中國航天科工集團公司提出了「福星」系統計劃，該計劃用156顆衛星在距地球1000公裡高度的軌道上構建一個星座，發射的網絡信號可覆蓋全球。福星系列一期將採用天星地網模式，二期採用天地融合組網。清華大學與信威通信公司形成聯合研究中心將建設低軌道衛星移動通信星座和發展空天信息技術作為戰略目標。衛星星座第一步技術驗證完成，第二步的工程星設計實施階段將通過增加星際鏈路及在總體方案設計階段擴充平臺能力。衛星第三步是全系統建設，逐步擴大實時通信範圍，直到實現全球無縫覆蓋。
低軌衛星組網的發展趨勢：
低軌衛星光通信是目前各個國家大力發展的新型衛星通信方式，具有帶寬高、功耗小、保密性強等諸多優點，在民用和國防應用中都有著廣闊的應用前景。
雷射通信與微波通信相比，具有以下獨特的優點：
1)與微波相比，光波頻率高3～5個數量級，頻率資源豐富得多，可以獲得高得多的數據傳輸速率，能滿足大容量傳輸的要求，並為實現空間多功能任務提供了時間保障。
2)雷射波束比微波波束的發散角小3～5個數量級，這將大大增加接收端的電磁波能量密度，有利於終端減輕重量、減少體積，降低功耗。
3)保密和抗幹擾性能極好，這對軍事應用十分有利。
低軌衛星組網通信面臨的問題：
在衛星光通信過程中，星間鏈路要實現空間組網通信的前提是收發光源天線精確對準，但低軌光通信衛星網絡因具有移動速度快、網絡拓撲持續高度動態變化和光束束散角小等特點，使得衛星光通信過程的捕獲、瞄準、跟蹤(ATP)問題變得十分突出。
技術實現要素：
技術問題是為低軌衛星系統星間組網提供一種快速、高效和可靠的星間組網機制。
有鑑於此，本發明實施例提供一種空間光通信方法和空間光通信系統用以解決上述的技術問題。
問題的解決方案：
本發明提供了一種快速高效的空間光通信方法，包括步驟：
低軌衛星星載通信機利用星載導航機周期性地更新其衛星星曆信息，並將其上報給過頂的數據中繼衛星；
中繼衛星將整合後的所有低軌衛星星曆信息進行組幀，並周期性廣播；
低軌衛星接收廣播信息，並根據廣播信息計算出其他衛星各個時刻的空間位置坐標；
星上天線跟蹤瞄準系統(ATP系統)根據所述空間位置坐標進行數據分析進而快速調整波束進行跟蹤指向並調整發射功率。
進一步的，所述低軌衛星接收廣播信息，並根據廣播信息計算出其他衛星各個時刻的空間位置坐標的步驟之後還包括步驟：
根據所述空間位置信息計算出星座中任意兩顆衛星相對位置關係及動態變化率。空間信息網絡結構複雜，拓撲動態變化大，空間尺度大等特點給空間光通信的效率和質量帶來了很大的影響，而本方案由於可以計算和得到任意兩顆衛星相對位置關係及動態變化率，故而，空間中的任一節點能夠精確計算出其餘網絡中其他節點的空間位置關係和變化率，為實現星座中兩顆衛星，特別是低軌衛星天線指向準確對準給出了保證，這是星間鏈路快速發現、建立和保持的基礎。
進一步的，所述相對位置關係包括星間鏈路距離、星間鏈路方位角、星間鏈路仰角。星間鏈路指向和距離的本身具備一定的周期性規律變化的特點，這為星間通信鏈路的搜索簡歷以及星間通信設備的設計、製造提供了理論依據和搜索方向，但是，衛星在軌道上始終受到空間各種攝動力的作用，在攝動力的作用下，衛星軌道不再遵循二體軌道，其中周期、偏心率、升交點赤經和傾角不斷地變化著，這對需要高精度空間節點位置服務支持的雷射通信鏈路來說影響不小；而本方案中，則很好的計算得出了星間鏈路距離、星間鏈路方位角、星間鏈路仰角等星間相對位置數據，這讓各空間節點能夠掌控包括自己在內的各個節點在任一時刻的高精度位置全局視圖，這些數據將對星間鏈路的收發光源天線的對準等給予指導，進而對保證空間光通信的穩定和質量帶來了很好的幫助。
進一步的，所述動態變化率包括星間鏈路時間變化率、星間鏈路指向方位角時間變化率、星間鏈路指向仰角時間變化率。星間鏈路指向和距離的本身具備一定的周期性規律變化的特點，這為星間通信鏈路的搜索簡歷以及星間通信設備的設計製造提供了理論依據和搜索方向，但是，衛星在軌道上始終受到空間各種攝動力的作用，在攝動力的作用下，衛星軌道不再遵循二體軌道，其中周期、偏心率、升交點赤經和傾角不斷地變化著，這對需要高精度空間節點位置服務支持的雷射通信鏈路來說影響不小；而本方案中，則很好的計算得出了星間鏈路時間變化率、星間鏈路指向方位角時間變化率、星間鏈路指向仰角時間變化率等星間動態變化率，這讓各個空間節點能夠掌握包括自己在內的網絡拓撲的全局變化，這些數據對星間雷射鏈路天線的設計和應用提供指導，並能夠自動跳轉星載天線的跟蹤準確度和跟蹤速度，使得星載天線始終處於良好的接收狀態；並給出了功率調節所需要的功率調整範圍和調整速度等基本指標參數，而這將進一步的為保證空間光通信的穩定和質量帶來了很好的幫助。
進一步的，所述低軌衛星星載通信機周期性的更新星曆信息，並將其上報給過頂的數據中繼衛星的步驟中：
所述星載通信機是根據接收到的GNSS信號和導航電文進行空間位置的解算，然後將位置信息轉換為星曆信息的。
進一步的，所述GNSS信息和導航電文是藉助三顆數據中繼衛星和GNSS導航系統實現並發送給低軌衛星的。
進一步的，所述數據中繼衛星至少有三顆。一顆數據中繼衛星可以覆蓋空間中的部分低軌衛星，三顆甚至更多顆衛星則能夠實現全球覆蓋,並最終覆蓋所有的低軌衛星，從而實現任意兩顆低軌衛星之間的高質量光通信。
進一步的，所述數據中繼衛星將整合後的所有低軌衛星星曆信息進行組幀，並周期性廣播的步驟之後還包括步驟：
預定數量的數據中繼衛星各自整合所有收到的低軌衛星星曆信息，然後相互分發。星曆信息在數據中繼衛星之間互通有無，如此，其中某顆數據中繼衛星即使無法覆蓋所有的低軌衛星，但新鮮的互通將使得該數據中繼衛星能夠接收到未覆蓋低軌衛星的信息，為實現範圍內所有低軌衛星中任意兩顆之間的空間光通信提供了重要保障。
進一步的，星曆信息的更新、上報、組幀和廣播均是藉助三顆數據中繼衛星和GNSS導航系統實現的。星載通信機，將同三顆數據中繼衛星和GNSS導航系統完成低軌衛星和數據中繼衛星之間的各種數據通信工作，而無須藉助地面基站，同時，無須全球布站，僅國內的指揮站，便能夠掌控空間中各個位置的低軌衛星和數據中繼衛星，並進行相互通信。
本發明還提供了一種空間光通信系統，使用了如本發明任一公開的一種空間光通信方法。
採用上述技術方案，本發明/發明至少可取得下述技術效果：
本發明中，隨著我國北鬥衛星導航系統面向全球服務戰略的快速推進，需要致力於空間基礎設施的建設，其中成本投入高的全球布站方案是難以實現的，而本發明中，基於星載通信機進行的空間光通信技術則較好的解決了這一問題；而空間光通信技術對於捕獲、跟蹤和瞄準技術的要求較高，本發明中，低軌衛星周期性的更新自身的星曆信息，並將其上報給過頂的數據中繼衛星，而數據中繼衛星則將接收到的所有低軌衛星(至少兩顆)進行整合組幀並進行廣播；低軌衛星則可以根據廣播信息解算出星座中其他衛星的空間位置坐標，這樣低軌衛星星座中的任意兩顆之間的相對空間信息等便可以輕鬆的計算出來，從而給予預設範圍內任意兩顆低軌衛星之間的光通信提供了較高精度的空間節點位置服務，這便較好的解決了捕獲、跟蹤和瞄準技術的要求問題；而由於較高精度的空間節點位置服務，相對於現有技術來說，本發明可以根據空間位置坐標較好的衛星的軌道、位置及姿態信息，進而能夠大大縮短通信終端的捕獲時間，並在進行光通信時將其考慮進去，從而大大的減弱了光通信受到的空間各種攝動力的幹擾作用，提高了空間光通信的效率、精度和質量；該空間光通信組網機制融通信、導航和廣播為一體，涉及到中、低、高軌衛星協同服務，為星間通信節點的快速發現、對準和分發起了很大的作用。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對本發明實施例描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據本發明實施例的內容和這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是本發明一種空間光通信方法的流程圖；
圖2是本發明優選實施例的一種空間光通信方法的流程圖。
貫穿附圖，應該注意的是，相似的標號用於描繪相同或相似的元件、特徵和結構。
具體實施方式
提供以下參照附圖的描述來幫助全面理解由權利要求及其等同物限定的本公開的各種實施例。以下描述包括幫助理解的各種具體細節，但是這些細節將被視為僅是示例性的。因此，本領域普通技術人員將認識到，在不脫離本公開的範圍和精神的情況下，可對本文所述的各種實施例進行各種改變和修改。另外，為了清晰和簡潔，公知功能和構造的描述可被省略。
以下描述和權利要求書中所使用的術語和詞彙不限於文獻含義，而是僅由發明人用來使本公開能夠被清晰和一致地理解。因此，對於本領域技術人員而言應該明顯的是，提供以下對本公開的各種實施例的描述僅是為了示例性目的，而非限制由所附權利要求及其等同物限定的本公開的目的。
應該理解，除非上下文明確另外指示，否則單數形式也包括複數指代。因此，例如，對「組件表面」的引用包括對一個或更多個這樣的表面的引用。
圖1是本發明一種空間光通信方法的流程圖，參考圖1，該快速高效的空間光通信方法，包括步驟：
S1:低軌衛星星載通信機利用星載導航機周期性地更新其衛星星曆信息，並將其上報給過頂的數據中繼衛星；
S2:中繼衛星將整合後的所有低軌衛星星曆信息進行組幀，並周期性廣播；
S3:低軌衛星接收廣播信息，並根據廣播信息計算出其他衛星各個時刻的空間位置坐標；
S4:星上天線跟蹤瞄準系統(ATP系統)根據所述空間位置坐標進行數據分析進而快速調整波束進行跟蹤指向並調整發射功率。
本發明中，隨著我國北鬥衛星導航系統面向全球服務戰略的快速推進，需要致力於空間基礎設施的建設，其中成本投入高的全球布站方案是難以實現的，而本發明中，基於星載通信機進行的空間光通信技術則較好的解決了這一問題；而空間光通信技術對於捕獲、跟蹤和瞄準技術的要求較高，本發明中，低軌衛星周期性的更新自身的星曆信息，並將其上報給過頂的數據中繼衛星，而數據中繼衛星則將接收到的所有低軌衛星(至少兩顆)進行整合組幀並進行廣播；低軌衛星則可以根據廣播信息解算自己的空間位置坐標，這樣就低軌衛星中的任意兩顆之間的相對空間信息等便可以輕鬆的計算出來，從而給予預設範圍內任意兩顆低軌衛星之間的光通信提供了較高精度的空間節點位置服務，這便較好的解決了捕獲、跟蹤和瞄準技術的要求問題；而由於較高精度的空間節點位置服務，相對於現有技術來說，本發明可以根據空間位置坐標較好的衛星的軌道、位置及姿態信息，進而能夠大大縮短通信終端的捕獲時間，並在進行光通信時將其考慮進去，從而大大的減弱了光通信受到的空間各種攝動力的幹擾作用，提高了空間光通信的效率、精度和質量。
獲得衛星軌道數據常採用的方法常常是利用事先注入的方法，要求在地面精密定軌時有高精度的地面外推初值，即基於星曆參數進行衛星位置預報。由於存在各種攝動力的作用，且隨著時間的累積，軌道位置預報誤差將逐漸增大，由於星間通信過程中雷射的光斑投射大小可能小於衛星的預報誤差或在一個量級上，採上述方案，將無法保證星間雷射通信過程中高精度捕獲跟蹤對準。
而由於衛星移動通信系統的星間鏈路將採用雷射鏈路，而雷射光束的發散角極小，通常在微弧度量級，因此LEO衛星的瞄準系統相當複雜，如果星上天線跟蹤瞄準系統不能夠及時調整使得收發信機間的天線對準，使接收機不能夠跟蹤到發射機發出的雷射波束，則會導致衛星上接收機接收不到雷射信號出現鏈路中斷或者接收到的雷射信號強度迅速下降，導致通信質量下降，這便是本發明急需提高空間節點位置服務精度的原因。
圖2是本發明優選實施例的一種空間光通信方法的流程圖，參考圖1、圖2可知：本實施例優選的，低軌衛星接收廣播信息，並根據廣播信息計算出其他衛星各個時刻的空間位置坐標的步驟S3之後還包括步驟S3-4：
根據空間位置信息計算出星座中任意兩顆衛星相對位置關係及動態變化率。空間信息網絡結構複雜，拓撲動態變化大，空間尺度大等特點給空間光通信的效率和質量帶來了很大的影響，而本方案由於可以計算和得到任意兩顆衛星相對位置關係及動態變化率，故而，空間中的任一節點能夠精確計算出網絡中其他節點的空間位置關係和變化率，為實現星座中兩顆衛星，特別是低軌衛星天線指向準確對準給出了保證，這是星間鏈路快速發現、建立和保持的基礎。
本實施例優選的，相對位置關係包括星間鏈路距離、星間鏈路方位角、星間鏈路仰角。星間鏈路指向和距離的本身具備一定的周期性規律變化的特點，這位星間通信鏈路的搜索簡歷以及星間通信設備的涉及製造提供了理論依據和搜索方向，但是，衛星在軌道上始終受到空間各種攝動力的作用，在攝動力的作用下，衛星軌道不再遵循二體軌道，其中周期、偏心率、升交點赤經和傾角不斷地變化著，這對需要高精度空間節點位置服務支持的雷射通信鏈路來說影響不小；而本方案中，則很好的計算得出了星間鏈路距離、星間鏈路方位角、星間鏈路仰角等星間相對位置數據，這讓各空間節點能夠掌控包括自己在內的各個節點在任一蝕刻的高精度位置全局視圖，這些數據將對星載通信機的收發光源天線的對準等給予了指導，進而對保證空間光通信的穩定和質量帶來了很好的幫助。
其中，攝動力包括地球形狀非球形和質量不均勻產生的附加引力，高層大氣動力，太陽、月球引力，以及太陽光照射壓力等。
本實施例優選的，動態變化率包括星間鏈路時間變化率、星間鏈路指向方位角時間變化率、星間鏈路指向仰角時間變化率。星間鏈路指向和距離的本身具備一定的周期性規律變化的特點，這為星間通信鏈路的搜索簡歷以及星間通信設備的設計製造提供了理論依據和搜索方向，但是，衛星在軌道上始終受到空間各種攝動力的作用，在攝動力的作用下，衛星軌道不再遵循二體軌道，其中周期、偏心率、升交點赤經和傾角不斷地變化著，這對需要高精度空間節點位置服務支持的雷射通信鏈路來說影響不小；而本方案中，則很好的計算得出了星間鏈路時間變化率、星間鏈路指向方位角時間變化率、星間鏈路指向仰角時間變化率等星間動態變化率，這讓各個空間節點能夠掌握包括自己在內的網絡拓撲的全局變化，這些數據對星間雷射鏈路天線的設計和應用提供指導，並能夠自動跳轉星載天線的跟蹤準確度和跟蹤速度，使得星載天線始終處於良好的接收狀態；並給出了功率調節所需要的功率調整範圍和調整速度等基本指標參數，而這將進一步的為保證空間光通信的穩定和質量帶來了很好的幫助。
本實施例優選的，低軌衛星星載通信機周期性的更新星曆信息，並將其上報給過頂的數據中繼衛星的步驟S1中：
星載通信機是根據接收到的GNSS信號和導航電文進行空間位置的解算，然後將位置信息轉換為星曆信息的。
本實施例優選的，GNSS信息和導航電文是藉助三顆數據中繼衛星和GNSS導航系統實現並發送給低軌衛星的。
本實施例優選的，數據中繼衛星至少有三顆。一顆數據中繼衛星可以覆蓋空間中的部分低軌衛星，三顆甚至更多顆衛星則能夠實現全球覆蓋,並最終覆蓋所有的低軌衛星，從而實現任意兩顆低軌衛星之間的高質量光通信。
本實施例優選的，數據中繼衛星將整合後的所有低軌衛星星曆信息進行組幀，並周期性廣播的步驟S1之後還包括步驟S1-2：
預定數量的數據中繼衛星各自整合所有收到的低軌衛星星曆信息，然後相互分發。星曆信息在數據中繼衛星之間互通有無，如此，其中某顆數據中繼衛星即使無法覆蓋所有的低軌衛星，但新鮮的互通將使得該數據中繼衛星能夠接收到未覆蓋低軌衛星的信息，為實現範圍內所有低軌衛星中任意兩顆之間的空間光通信提供了重要保障。
本實施例優選的，星曆信息的更新、上報、組幀和廣播均是藉助三顆數據中繼衛星和GNSS導航系統實現的。星載通信機，將同三顆數據中繼衛星和GNSS導航系統完成低軌衛星和數據中繼衛星之間的各種數據通信工作，而無須藉助地面基站，同時，無須全球布站，僅國內的指揮站，便能夠掌控空間中各個位置的低軌衛星和數據中繼衛星，並進行相互通信。
本發明還提供了一種空間光通信系統，使用了如本發明任一公開的一種空間光通信方法。
採用上述技術方案，本發明至少可取得下述技術效果：
本發明中，隨著我國北鬥衛星導航系統面向全球服務戰略的快速推進，需要致力於空間基礎設施的建設，其中成本投入高的全球布站方案是難以實現的，而本發明中，基於星載通信機和星載導航接收機進行的空間光通信技術則較好的解決了這一問題；而空間光通信技術對於捕獲、跟蹤和瞄準技術的要求較高，本發明中，低軌衛星周期性的更新自身的星曆信息，並將其上報給過頂的數據中繼衛星，而數據中繼衛星則將接收到的所有低軌衛星(至少兩顆)進行整合組幀並進行廣播；低軌衛星則可以根據廣播信息解算星座中其他衛星的空間位置坐標，這樣就低軌衛星中的任意兩顆之間的相對空間信息等便可以輕鬆的計算出來，從而給予預設範圍內任意兩顆低軌衛星之間的光通信提供了較高精度的空間節點位置服務，這便較好的解決了捕獲、跟蹤和瞄準技術的要求問題；而由於較高精度的空間節點位置服務，相對於現有技術來說，本發明可以根據空間位置坐標較好的衛星的軌道、位置及姿態信息，進而能夠大大縮短通信終端的捕獲時間，並在進行光通信時將其考慮進去，從而大大的減弱了光通信受到的空間各種攝動力的幹擾作用，提高了空間光通信的效率、精度和質量。
低軌衛星具有軌道高度低、衛星與地面節點之間的傳輸時延低、用戶終端實現簡單且功耗低、頻率能夠高效復用等優點，已成為空間信息網絡重要組成部分。而本發明讓低軌衛星在空間信息網絡中提供了更加強大的作用。
而且，本發明的快速、高效、精準性為未來空間信息網架構設計提供了很有益的嘗試和解決方案，可以實現快速路由發現、建立和分發，同時可以實現無信光標直接捕獲，有助於星載雷射系統的小型化設計。
應該注意的是，如上所述的本公開的各種實施例通常在一定程度上涉及輸入數據的處理和輸出數據的生成。此輸入數據處理和輸出數據生成可在硬體或者與硬體結合的軟體中實現。例如，可在移動裝置或者相似或相關的電路中採用特定電子組件以用於實現與如上所述本公開的各種實施例關聯的功能。另選地，依據所存儲的指令來操作的一個或更多個處理器可實現與如上所述本公開的各種實施例關聯的功能。如果是這樣，則這些指令可被存儲在一個或更多個非暫時性處理器可讀介質上，這是在本公開的範圍內。處理器可讀介質的示例包括只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)、CD-ROM、磁帶、軟盤和光學數據存儲裝置。另外，用於實現本公開的功能電腦程式、指令和指令段可由本公開所屬領域的程式設計師容易地解釋。
儘管已參照本公開的各種實施例示出並描述了本公開，但是本領域技術人員將理解，在不脫離由所附權利要求及其等同物限定的本公開的精神和範圍的情況下，可對其進行形式和細節上的各種改變。