低軌道/中軌道雙層衛星光網絡結構系統及設計計算方法
2023-05-11 15:09:56 3
專利名稱：低軌道/中軌道雙層衛星光網絡結構系統及設計計算方法
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。相對於微波衛星通信，衛星光通信具有寬帶寬、大容量、低功耗、終端體積小、高保密性和抗幹擾性好等優點。
近年來，美國、歐洲和日本都相繼開展了衛星雷射鏈路組網的研究，其中麻省理工學院信息與決策系統實驗室一直致力於衛星光網絡的研究，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採用容量為2.5Gbit/s的雷射星間鏈路，是第一個計劃採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於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，衛星光通信光束髮散角在微弧度量級，實現星間雷射鏈路的捕獲、瞄準和跟蹤非常困難，基於星間雷射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導了基于波分復用的衛星雷射鏈路組網技術，提出衛星雷射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。
以上都屬於單層衛星光網絡系統。相對於低軌道單層結構，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於算法設計，算法驗證大都基於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於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雷射鏈路特徵，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於星間雷射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，創新性地採用了微波鏈路衛星星座系統中很少採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、適合新型衛星雷射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，特殊之處在於該系統由一個基於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δB
式中δB是軌道B上衛星的位置 δA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 滿足連續覆蓋的限制條件為 ④、計算赤經差α′ α′≤Ψ+arccos[cosθ/cos(δB)](4) 利用球面直角三角形定理知道，實際赤經差 ⑤、計算sinα sinα＝sinα′/sini(5) 實際相鄰兩個衛星相位差與虛擬相位差的關係 ⑥、計算實際相鄰兩個衛星相位差與虛擬相位差
由於P個軌道面在赤道均勻分布，赤經差滿足條件 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，每個軌道面上衛星均勻分布，相鄰軌道相鄰兩個衛星間保持相位關係，用四個參數組合iT/P/F表示，其中i為軌道傾角，T為星座衛星數，P為軌道數，則S＝T/P為每個軌道衛星數，F為相位因子且0≤F≤P-1，規定了任意相鄰兩個軌道面上相鄰衛星間的相對位置； 以「赤道」為基準，設兩衛星相位差為
赤經差為α′，對應的實際相鄰衛星相位差和赤經差分別為
和α，軌道A和軌道B衛星位置分別為δA和δB，此時軌道A一顆衛星必然位於δA＝π/S，距離該衛星最近的軌道B(領先於衛星A)的衛星必然位於 在滿足條件(5)和(7)的情況下，就可以求得滿足連續覆蓋的最佳星座設計參數——P、S、i和
令f＝Ψ+arccos[cosθ/cos(δB)]-α′，則滿足(4)的限制條件轉化f≥0，取F＝0，則
由(3)、(4)、(5)、(6)可以求得滿足連續覆蓋的星座參數，四種覆蓋要求設計方案為 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°； 本發明與現有技術相比，具有以下技術效果 1、採用了零相位因子的低軌衛星星座設計方法，網絡拓撲結構穩定，星間雷射鏈路俯仰角和方位角變化比非零相位因子小。星間雷射鏈路的這些特性非常適合衛星雷射通信，能降低星間光通信的捕獲、瞄準和追蹤要求，簡化網絡路由。
2、採用了赤道軌道/極地軌道的中軌衛星設計方法，空間輻射環境綜合效應小，系統生存周期變長。
3、低軌衛星/中軌衛星雙層結構組成的非靜止軌道衛星光網絡能滿足全球覆蓋的要求，特別是能完全實現對我國及周邊地區的覆蓋要求，可作為未來構建我國全球性衛星雷射鏈路星座系統的參考。
基於覆蓋帶法設計了全球覆蓋低軌衛星星座，加入了一個中軌衛星星座以組成雙層的衛星光網絡結構。利用雷射空間通信技術整合現有衛星資源、發展星上信息處理技術、構建以衛星為主的空間信息網絡已成為我國加快航天科技三大領域發展和融合的重要發展戰略。將靜止軌道、中軌道、低軌道衛星以及飛船、太空梭、空間站、深空和近空間探測器連接在一起，形成基於星間雷射鏈路的天基信息網絡，這就正如地面信息高速公路一樣形成名副其實的空間信息高速公路，在未來寬帶衛星數據通信實現全球範圍內的無縫覆蓋和移動終端隨機接入以及軍事偵查、民用導航、定位、深空探測和遙感遙測等方面發揮巨大作用。
該發明突出的特點在於，在雷射鏈路低軌衛星星座設計中首次採用了零相位因子設計思路，所組成的低軌衛星星座具有準靜態的網格邏輯結構，拓撲結構穩定，星間鏈路的俯仰角、方位角變化都比非零相位的星座小，大大減少衛星的切換，節省寶貴的星載資源，非常適合星間雷射鏈路；赤道和極地軌道上的兩個互相垂直軌道的中軌衛星彌補了零相位低軌衛星星座的覆蓋不足，能有效加強對低軌衛星層實施管理；中軌道衛星星座受空間輻射影響最小，使得系統生存周期變長。
首次設計了由76顆衛星組成的全球連續覆蓋低軌衛星/中軌衛星雙層衛星光網絡結構。仿真結果表明，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。
圖1為本發明低軌道衛星邏輯拓撲結構示意圖； 圖2為本發明空間輻射劑量隨軌道傾角變化示意圖； 圖3為本發明中軌道衛星邏輯拓撲結構示意圖； 圖4為本發明低軌道/中軌道雙層衛星光網絡場景示意圖； 圖5為本發明低軌衛星層間雷射鏈路俯仰角示意圖； 圖6為本發明低軌衛星層間雷射鏈路方位角示意圖； 圖7為本發明最小仰角示意圖； 圖8為本發明所涉及的兩衛星覆蓋帶法示意圖； 圖9為本發明所涉及的三衛星覆蓋帶法示意圖。
具體實施例方式 附圖為本發明的實施例。
下面結合附圖對發明的內容作進步說明 參照圖1、圖2所示，一種全球覆蓋低軌道/中軌道雙層衛星光網絡結構系統，該系統由一個基於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11、12、13，內軌道分別連接有衛星21、22、23。
所述低軌層星座為一個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公裡，軌道離心率為0。
所述中軌道高度為10354km時是一個回歸軌道，中軌衛星星座兩個軌道傾角分別為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方法 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、
滿足連續覆蓋的限制條件為 ④、α≤Ψ+arccos[cosθ/cos(δB)](4) 利用球面直角三角形定理知道，實際赤經差 ⑤、sinα＝sinα′/sini(5) 實際相鄰兩個衛星相位差與虛擬相位差的關係 ⑥、
由於P個軌道面在赤道均勻分布，赤經差滿足條件 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，每個軌道面上衛星均勻分布，相鄰軌道相鄰兩個衛星間保持相位關係，用四個參數組合iT/P/F表示，其中i為軌道傾角，T為星座衛星數，P為軌道數，則S＝T/P為每個軌道衛星數，F為相位因子且0≤F≤P-1，規定了任意相鄰兩個軌道面上相鄰衛星間的相對位置； 以「赤道」為基準，設兩衛星相位差為
赤經差為α′，對應的實際相鄰衛星相位差和赤經差分別為
和α，軌道A和軌道B衛星位置分別為δA和δB，此時軌道A一顆衛星必然位於δA＝π/S，距離該衛星最近的軌道B(領先於衛星A)的衛星必然位於 在滿足條件(5)和(7)的情況下，就可以求得滿足連續覆蓋的最佳星座設計參數——P、S、i和
令f＝Ψ+arccos[cosθ/cos(δB)]-α′，則滿足(4)的限制條件轉化f≥0，取F＝0，則
由(3)、(4)、(5)、(6)可以求得滿足連續覆蓋的星座參數，四種覆蓋要求設計方案為 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°是否應該為i＝50°，h＝1400km，εmin＝10°？) 雷射鏈路低軌衛星星座為零相位因子。
2)、中軌衛星星座設計計算方法 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，單向時延分別為4.7ms和4.3ms，連續覆蓋需要的最少衛星配置分別為7×9和7×10；而Celestri星座採用的正是方案1，軌道傾角48°，7個軌道，每個軌道9個衛星；方案3和方案1的不同之處要求最小仰角15°，連續覆蓋需要的最少衛星配置分別為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個軌道，每個軌道7個衛星即可滿足連續覆蓋的要求。
無論衛星光網絡低軌星座對地面終端的接入主要採用射頻鏈路還是雷射鏈路，終端小型化和低功耗是必然發展趨勢，因此10°的最小仰角可以滿足實際需求。
表1低軌衛星星座設計結果
為了減少所需衛星數，又具有可接受的時延，我們取低軌衛星高度分別為1400km和1300km進行比較。為了滿足對我國的覆蓋，軌道傾角選取50°，第一軌道的右升節點經度為20°。傳統微波鏈路衛星通信中，相位因子F的取值在0到P-1之間來取得全球覆蓋。
我們取相位因子F＝0，則所有軌道相對應的衛星可以組成一個在兩極之間移動的環，相鄰軌道相鄰衛星空間位置關係保持相對穩定。由於在軌道環內衛星位置相對固定，整個低軌衛星星座邏輯拓撲就構成一個網格型網絡。零相位因子星座具有準靜態的網格型網絡結構，極大地降低了星載雷射通信終端捕獲、瞄準和追蹤要求，簡化了路由和交換功能，由此帶來的益處從工程角度來講可以抵消覆蓋不均勻的弊處。
綜上所述，為了構建我國自己的全球覆蓋衛星星座，最終配置為H＝1300km，50°10/7/0。低軌道衛星網絡網格型邏輯拓撲如圖1所示。
表2雙層衛星光網絡參數
最終設計的低軌衛星星座參數如表2，低軌衛星層由70顆衛星組成，7個軌道面，每個軌道面10個衛星，軌道傾角為50°，軌道高度1300km，軌道離心率為0，軌道內有兩條雷射鏈路，軌道間有兩條鏈路，可為全球提供的最小仰角為10°。系統可為我國提供單星可見21°的最小仰角，雙星可見16°的最小仰角。
2)中軌衛星星座設計 雖然低軌星座可以滿足對全球的連續覆蓋，但單層網絡存在故障恢復能力差，大容量下行鏈路以及在峰值業務條件下容量限制等問題。
中軌衛星是低軌衛星和靜止軌道衛星的折中，兼有兩者的優點，又在一定程度上克服了他們的不足，單顆衛星覆蓋範圍廣，對地可視時間達2～3小時，星座一般由十幾顆衛星組成。相對於低軌衛星，中軌星座切換概率降低，都卜勒效應減小，空間控制系統和天線跟瞄系統簡化，一般能達到20°～30°通信仰角。當進行遠距離通信時，信息通過中軌星際鏈路子網的傳輸時延將比低軌衛星系統低。
考慮零相位因子低軌衛星星座覆蓋性能差的不足和範艾倫帶輻射環境，中軌衛星星座的設計主要由軌道高度和軌道傾角兩個因素確定。選取回歸軌道中軌衛星易於實現大容量雷射下行鏈路，回歸軌道可供選擇的軌道高度有8042km、10354km和13892km，其對應的周期分別為4.8小時、6小時和8小時。
圖2所示為輻射劑量隨軌道傾角變化曲線，8042km高度衛星年輻射劑量在104量級，隨軌道傾角變化很小；10354km高度衛星和New ICO中軌衛星星座配置10255km軌道高度輻射劑量非常接近，在0°和90°時取得最小值，30°時取得最大值；13892km高度衛星年輻射劑量隨軌道傾角增大而減小，但在60°以內輻射劑量都在105量級以上，0°傾角附近年累計輻射劑量達到106量級。
圖3所示為中軌衛星星座邏輯拓撲，中軌衛星星座軌道高度為10354km，共有兩個軌道，傾角分別為0°和90°，每個軌道3個衛星，共計6個衛星，其邏輯拓撲，在中軌衛星層中，第2個軌道面上第2個衛星可表示為M22。
圖4所示為本發明的低軌道/中軌道雙層衛星光網絡場景示意圖，低軌衛星用二維的數組L(n，m)來表示，其中n表示衛星所在的軌道面編號，m表示衛星在軌道面內編號，中軌衛星用M(n，m)來表示，其中n表示衛星所在的軌道面編號，m表示衛星在軌道面內編號。例如在低軌衛星層中，第一軌道面上分別連接有L101～L110十個衛星，依次類推，笫七軌道面上分別連接有L701～L710十個衛星，或者第6個軌道面上第9個衛星可表示為L69，。
圖5所示為三種相位因子情況下俯仰角變化曲線，不同軌道同相位衛星組成橫向環鏈路L23-L33間俯仰角隨時間正弦變化。相位因子為1時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於其它兩種情況，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間變化曲線，L23-L33間方位角隨時間周期性躍變，當兩個衛星間發生從左到右位置的交替時出現從0°到360°的躍變。但相位因子取0時，方位角接近連續變化，其變化趨勢是從89°～102°～148°，這是由於所有軌道上編號相同的衛星連線組成一個平行於赤道面的圓環，隨著衛星的運行這個圓環在兩極之間平行移動，在兩極地區時兩個衛星運行方向轉變在不同時刻出現，因此方位角連續變化。當方位角發生2π變化時，對星間雷射終端跟蹤要非常高求，而0相位因子時由於方位角連續變化，非常易於實現兩者的跟蹤。
圖7所示為本發明單星和雙星可見最小仰角，系統可以為南北緯60°地區提供單星可見不小於13°的最小仰角，實際上除了北緯10°～17°地區外，這個值在15°以上；為此地區提供雙星可見不小於7°的最小仰角，除了北緯10°～17°地區外，這個值在10°以上，特別是可以為我國提供單星可見不小於21°，雙星可見不小於16°的最小仰角 相對於單層低軌衛星結構，低軌道/中軌道雙層結構衛星光網絡優勢非常突出(1)中軌衛星可以連接地面網關，實現大容量的下行鏈路；(2)實現網絡管理和網絡業務傳輸分離，極大提高網絡資源利用率，增強網絡魯棒性；(3)中軌衛星可以為低軌衛星層邏輯距離很近，物理距離很遠的兩個衛星節點提供中繼。雙層結構衛星網絡可利用中軌衛星進行網絡管理，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。由低軌衛星和中軌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於算法設計，算法驗證大都基於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於微波鏈路的雙層衛星網絡結構，其中低軌道衛星層設計和Celestri星座一致。該系統相位因子為1，沒有考慮星間雷射鏈路特徵，中軌道衛星層主要負責數據中繼，網絡時延較大。
綜上知道，8042km高度雖然空間輻射小，但由於軌道高度較低，要能覆蓋低軌星座所需中軌衛星數多。10354km高度，傾角分別為0°和90°的中軌衛星星座是可以兼顧覆蓋和空間輻射，因此我們選擇此配置。中軌衛星星座兩個軌道傾角分別為0°和90°，每個軌道3個衛星，共6個衛星。
實施例1 令H是衛星高度，R是地球半徑，ε是地面站對衛星的仰角。在圖8所示的覆蓋帶示意圖中，兩個衛星組成覆蓋帶，θ是單個衛星覆蓋圓半徑，其值為 ①、θ＝arccos[Rcosε/(R+H)]-ε Ψ為覆蓋帶半角，2π/S為軌道面內兩衛星間距離，由球面直角三角形定理知道 ②、Ψ＝arccos[cosθ/cos(π/S)] 距離參考衛星最近的軌道B(領先於衛星A)的衛星位置為 ③、
滿足連續覆蓋的限制條件為 ④、α′≤Ψ+arccos[cosθ/cosδB] 利用球面直角三角形定理知道，實際赤經差 ⑤、sinα＝sinα′/sini 實際相鄰兩個衛星相位差與虛擬相位差的關係 ⑥、
由於P個軌道面在赤道均勻分布，赤經差滿足條件 ⑦、P·α＝2π 令f＝Ψ+arccos[cosθ/cosδB]-α′，則滿足④的限制條件轉化f≥0，令F＝0，
H＝1300km，ε＝10°，則聯合④、⑤、⑥、⑦式，可以求得滿足連續覆蓋的最佳星座參數，f計算結果如表3，此時，最優配置為H＝1400km，50°10/7/0，即軌道傾角50°，軌道高度1300km，7個軌道面，每個軌道面10個衛星，共70顆衛星，相位因子為0。因此，低軌道衛星星座70顆衛星，中軌道衛星6顆，組成了低軌道/中軌道雙層衛星光網絡結構。
表3
實施例2 令H是衛星高度，R是地球半徑，ε是地面站對衛星的仰角。在圖8所示的覆蓋帶示意圖中，兩個衛星組成覆蓋帶，θ是單個衛星覆蓋圓半徑，其值為 ①、θ＝arccos[Rcosε/(R+H)]-ε Ψ為覆蓋帶半角，2π/S為軌道面內兩衛星間距離，由球面直角三角形定理知道 ②、Ψ＝arccos[cosθ/cos(π/S)] 距離參考衛星最近的軌道B(領先於衛星A)的衛星位置為 ③、
滿足連續覆蓋的限制條件為 ④、α′≤Ψ+arccos[cosθ/cosδB] 利用球面直角三角形定理知道，實際赤經差 ⑤、sinα＝sinα′/sini 實際相鄰兩個衛星相位差與虛擬相位差的關係 ⑥、
由於P個軌道面在赤道均勻分布，赤經差滿足條件 ⑦、P·α＝2π 令f＝Ψ+arccos[cosθ/cosδB]-α′，則滿足④的限制條件轉化f≥0，令F＝0，
H＝1400km，ε＝10°，則聯合④、⑤、⑥、⑦式，可以求得滿足連續覆蓋的最佳星座參數，f計算結果如表4，此時，最優配置為H＝1400km，50°9/7/0，即軌道傾角50°，軌道高度1400km，7個軌道面，每個軌道面9個衛星，共63顆衛星，相位因子為0。因此，低軌道衛星星座63顆衛星，中軌道衛星6顆，組成了低軌道/中軌道雙層衛星光網絡結構。
表4
權利要求
1、一種全球覆蓋低軌道/中軌道雙層衛星光網絡結構系統，其特徵在於該系統由一個基於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(11、12、13)，內軌道分別連接有衛星(21、22、23)。
2、根據權利要求1所述的全球覆蓋低軌道/中軌道雙層衛星光網絡結構系統，其特徵在於所述低軌層星座為一個walker-δ星座。
3、根據權利要求2所述的全球覆蓋低軌道/中軌道雙層衛星光網絡結構系統，其特徵在於所述walker-δ星座由高度相同和傾角相等的圓軌道組成。
4、根據權利要求1所述的全球覆蓋低軌道/中軌道雙層衛星光網絡結構系統，其特徵在於所述低軌道傾角為45°～55°，軌道高度1100～1500公裡，軌道離心率為0。
5、根據權利要求1所述的全球覆蓋低軌道/中軌道雙層衛星光網絡結構系統，其特徵在於所述中軌道高度為10354km時是一個回歸軌道，中軌衛星星座兩個軌道傾角分別為0°和90°。
6、一種權利要求1所述的全球覆蓋低軌道/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；
滿足連續覆蓋的限制條件為
④、α′≤Ψ+arccos[cosθ/cos(δB)](4)
利用球面直角三角形定理知道，實際赤經差
⑤、sinα＝sinα′/sini(5)
計算實際相鄰兩個衛星相位差與虛擬相位差
由於P個軌道面在赤道均勻分布，赤經差滿足條件
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，每個軌道面上衛星均勻分布，相鄰軌道相鄰兩個衛星間保持相位關係，用四個參數組合iT/P/F表示，其中i為軌道傾角，T為星座衛星數，P為軌道數，則S＝T/P為每個軌道衛星數，F為相位因子且0≤F≤P-1，規定了任意相鄰兩個軌道面上相鄰衛星間的相對位置；
以「赤道」為基準，設兩衛星相位差為
赤經差為α′，對應的實際相鄰衛星相位差和赤經差分別為
和α，軌道A和軌道B衛星位置分別為δA和δB，此時軌道A一顆衛星必然位於δA＝π/S，距離該衛星最近的軌道B領先於衛星A的衛星必然位於
在滿足條件(5)和(7)的情況下，就可以求得滿足連續覆蓋的最佳星座設計參數——P、S、i和
令f＝Ψ+arccos[cosθ/cos(δB)]-α′，則滿足(4)的限制條件轉化f≥0，取F＝0，則
由(3)、(4)、(5)、(6)可以求得滿足連續覆蓋的星座參數，四種覆蓋要求設計方案為
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、根據權利要求6所述的全球覆蓋低軌道/中軌道雙層衛星光網絡結構系統的設計計算方法，其特徵在於雷射鏈路低軌衛星星座為零相位因子。
全文摘要
本發明公開了低軌道/中軌道雙層衛星光網絡結構系統。基於覆蓋帶法設計的全球覆蓋低軌衛星星座，再加入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。計算方法計算單個衛星覆蓋圓半徑θ，計算覆蓋帶半角ψ，計算δB，計算α′，計算sinα，計算P個軌道面在赤道分布。該結構拓撲結構穩定，星間鏈路俯仰角、方位角變化都比非零相位星座小，減少衛星切換，節省星載資源，有效加強對低軌衛星層實施管理；中軌道衛星星座受空間輻射影響最小，系統生存周期變長。
文檔編號H04B10/00GK101604996SQ20091002241
公開日2009年12月16日 申請日期2009年5月8日 優先權日2009年5月8日
發明者吳繼禮, 李勇軍, 趙尚弘, 文 蒙, 磊 石, 蘭 劉, 趙顧顥, 鵬 易, 佔生寶 申請人:中國人民解放軍空軍工程大學