一种空间光通信方法及空间光通信系统技术方案

本发明专利技术提供了一种空间光通信方法和空间光通信系统，该方法包括步骤：低轨卫星星载通信机利用星载导航接收机周期性地更新卫星星历信息，并将其上报给过顶的数据中继卫星；中继卫星将整合后的所有低轨卫星星历信息进行组帧，并周期性广播；低轨卫星接收广播信息，并根据广播信息计算出其他卫星各个时刻的空间位置坐标；星上天线跟踪瞄准系统(ATP系统)根据所述空间位置坐标进行数据分析进而快速调整波束进行跟踪指向并调整发射功率。本发明专利技术提供了一种快速、高效和可靠的星间组网机制。

Space optical communication method and space optical communication system

The present invention provides a method for space optical communication and optical communication system, the method comprises the following steps: using star satellite ephemeris information update navigation receiver periodically LEO satellite communication, and then over the top data relay satellite; relay satellite all LEO satellite ephemeris information integration after the framing, and periodic broadcasting; low orbit satellite receiving broadcast information, and according to the broadcast information to calculate the space coordinates of other satellites each time; satellite antenna tracking and pointing system (ATP system) and then quickly adjust the beam pointing and tracking and adjusting the transmit power according to the data analysis of the space coordinates. The invention provides a fast, efficient and reliable inter satellite networking mechanism.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于空间信息网络建设领域，具体涉及一种空间光通信方法及空间光通信系统。
技术介绍
低轨卫星组网的发展现状：低轨卫星具有轨道高度低、卫星与地面节点之间的传输时延低、用户终端实现简单且功耗低、频率能够高效复用等优点。当前，全球正在掀起了卫星互联网低轨星座发展的新高潮，美国一网公司(oneweb)签订了为建造大型低轨通信卫星星座研制与发射900颗卫星的合同，这标志着低轨大规模宽带互联网卫星星座计划迈出了实质性的一步。近两年，美国硅谷的互联网企业敏锐地捕获到卫星通信产业巨大商机，多家非传统航天企业宣布打造低轨通信卫星星座。虽然新兴卫星互联网星座还处于初期探索阶段，但是将卫星通信服务融入“互联网+天基信息系统”，蕴含了巨大的商机，是卫星通信产业未来发展方向之一。中国航天科工集团公司提出了“福星”系统计划，该计划用156颗卫星在距地球1000公里高度的轨道上构建一个星座，发射的网络信号可覆盖全球。福星系列一期将采用天星地网模式，二期采用天地融合组网。清华大学与信威通信公司形成联合研究中心将建设低轨道卫星移动通信星座和发展空天信息技术作为战略目标。卫星星座第一步技术验证完成，第二步的工程星设计实施阶段将通过增加星际链路及在总体方案设计阶段扩充平台能力。卫星第三步是全系统建设，逐步扩大实时通信范围，直到实现全球无缝覆盖。低轨卫星组网的发展趋势：低轨卫星光通信是目前各个国家大力发展的新型卫星通信方式，具有带宽高、功耗小、保密性强等诸多优点，在民用和国防应用中都有着广阔的应用前景。激光通信与微波通信相比，具有以下独特的优点：1)与微波相比，光波频率高3～5个数量级，频率资源丰富得多，可以获得高得多的数据传输速率，能满足大容量传输的要求，并为实现空间多功能任务提供了时间保障。2)激光波束比微波波束的发散角小3～5个数量级，这将大大增加接收端的电磁波能量密度，有利于终端减轻重量、减少体积，降低功耗。3)保密和抗干扰性能极好，这对军事应用十分有利。低轨卫星组网通信面临的问题：在卫星光通信过程中，星间链路要实现空间组网通信的前提是收发光源天线精确对准，但低轨光通信卫星网络因具有移动速度快、网络拓扑持续高度动态变化和光束束散角小等特点，使得卫星光通信过程的捕获、瞄准、跟踪(ATP)问题变得十分突出。
技术实现思路
技术问题是为低轨卫星系统星间组网提供一种快速、高效和可靠的星间组网机制。有鉴于此，本专利技术实施例提供一种空间光通信方法和空间光通信系统用以解决上述的技术问题。问题的解决方案：本专利技术提供了一种快速高效的空间光通信方法，包括步骤：低轨卫星星载通信机利用星载导航机周期性地更新其卫星星历信息，并将其上报给过顶的数据中继卫星；中继卫星将整合后的所有低轨卫星星历信息进行组帧，并周期性广播；低轨卫星接收广播信息，并根据广播信息计算出其他卫星各个时刻的空间位置坐标；星上天线跟踪瞄准系统(ATP系统)根据所述空间位置坐标进行数据分析进而快速调整波束进行跟踪指向并调整发射功率。进一步的，所述低轨卫星接收广播信息，并根据广播信息计算出其他卫星各个时刻的空间位置坐标的步骤之后还包括步骤：根据所述空间位置信息计算出星座中任意两颗卫星相对位置关系及动态变化率。空间信息网络结构复杂，拓扑动态变化大，空间尺度大等特点给空间光通信的效率和质量带来了很大的影响，而本方案由于可以计算和得到任意两颗卫星相对位置关系及动态变化率，故而，空间中的任一节点能够精确计算出其余网络中其他节点的空间位置关系和变化率，为实现星座中两颗卫星，特别是低轨卫星天线指向准确对准给出了保证，这是星间链路快速发现、建立和保持的基础。进一步的，所述相对位置关系包括星间链路距离、星间链路方位角、星间链路仰角。星间链路指向和距离的本身具备一定的周期性规律变化的特点，这为星间通信链路的搜索简历以及星间通信设备的设计、制造提供了理论依据和搜索方向，但是，卫星在轨道上始终受到空间各种摄动力的作用，在摄动力的作用下，卫星轨道不再遵循二体轨道，其中周期、偏心率、升交点赤经和倾角不断地变化着，这对需要高精度空间节点位置服务支持的激光通信链路来说影响不小；而本方案中，则很好的计算得出了星间链路距离、星间链路方位角、星间链路仰角等星间相对位置数据，这让各空间节点能够掌控包括自己在内的各个节点在任一时刻的高精度位置全局视图，这些数据将对星间链路的收发光源天线的对准等给予指导，进而对保证空间光通信的稳定和质量带来了很好的帮助。进一步的，所述动态变化率包括星间链路时间变化率、星间链路指向方位角时间变化率、星间链路指向仰角时间变化率。星间链路指向和距离的本身具备一定的周期性规律变化的特点，这为星间通信链路的搜索简历以及星间通信设备的设计制造提供了理论依据和搜索方向，但是，卫星在轨道上始终受到空间各种摄动力的作用，在摄动力的作用下，卫星轨道不再遵循二体轨道，其中周期、偏心率、升交点赤经和倾角不断地变化着，这对需要高精度空间节点位置服务支持的激光通信链路来说影响不小；而本方案中，则很好的计算得出了星间链路时间变化率、星间链路指向方位角时间变化率、星间链路指向仰角时间变化率等星间动态变化率，这让各个空间节点能够掌握包括自己在内的网络拓扑的全局变化，这些数据对星间激光链路天线的设计和应用提供指导，并能够自动跳转星载天线的跟踪准确度和跟踪速度，使得星载天线始终处于良好的接收状态；并给出了功率调节所需要的功率调整范围和调整速度等基本指标参数，而这将进一步的为保证空间光通信的稳定和质量带来了很好的帮助。进一步的，所述低轨卫星星载通信机周期性的更新星历信息，并将其上报给过顶的数据中继卫星的步骤中：所述星载通信机是根据接收到的GNSS信号和导航电文进行空间位置的解算，然后将位置信息转换为星历信息的。进一步的，所述GNSS信息和导航电文是借助三颗数据中继卫星和GNSS导航系统实现并发送给低轨卫星的。进一步的，所述数据中继卫星至少有三颗。一颗数据中继卫星可以覆盖空间中的部分低轨卫星，三颗甚至更多颗卫星则能够实现全球覆盖,并最终覆盖所有的低轨卫星，从而实现任意两颗低轨卫星之间的高质量光通信。进一步的，所述数据中继卫星将整合后的所有低轨卫星星历信息进行组帧，并周期性广播的步骤之后还包括步骤：预定数量的数据中继卫星各自整合所有收到的低轨卫星星历信息，然后相互分发。星历信息在数据中继卫星之间互通有无，如此，其中某颗数据中继卫星即使无法覆盖所有的低轨卫星，但新鲜的互通将使得该数据中继卫星能够接收到未覆盖低轨卫星的信息，为实现范围内所有低轨卫星中任意两颗之间的空间光通信提供了重要保障。进一步的，星历信息的更新、上报、组帧和广播均是借助三颗数据中继卫星和GNSS导航系统实现的。星载通信机，将同三颗数据中继卫星和GNSS导航系统完成低轨卫星和数据中继卫星之间的各种数据通信工作，而无须借助地面基站，同时，无须全球布站，仅国内的指挥站，便能够掌控空间中各个位置的低轨卫星和数据中继卫星，并进行相互通信。本专利技术还提供了一种空间光通信系统，使用了如本专利技术任一公开的一种空间光通信方法。采用上述技术方案，本专利技术/专利技术至少可取得下述技术效果：本专利技术中，随着我国北斗卫星导航系统面向全球服务战略的快速推进，需要致力于空间基础设施的建设，其中成本投入高的全本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种快速高效的空间光通信方法，其特征在于，包括步骤：低轨卫星星载通信机利用星载导航接收机周期性地更新其卫星星历信息，并将其上报给过顶的数据中继卫星；中继卫星将整合后的所有低轨卫星星历信息进行组帧，并周期性广播；低轨卫星接收广播信息，并根据广播信息计算出其他卫星各个时刻的空间位置坐标；星上天线跟踪瞄准系统(ATP系统)根据所述空间位置坐标进行数据分析进而快速调整波束进行跟踪指向并调整发射功率。

【技术特征摘要】
1.一种快速高效的空间光通信方法，其特征在于，包括步骤：低轨卫星星载通信机利用星载导航接收机周期性地更新其卫星星历信息，并将其上报给过顶的数据中继卫星；中继卫星将整合后的所有低轨卫星星历信息进行组帧，并周期性广播；低轨卫星接收广播信息，并根据广播信息计算出其他卫星各个时刻的空间位置坐标；星上天线跟踪瞄准系统(ATP系统)根据所述空间位置坐标进行数据分析进而快速调整波束进行跟踪指向并调整发射功率。2.如权利要求1所述的空间光通信方法，其特征在于，所述低轨卫星接收广播信息，并根据广播信息计算出其他卫星各个时刻的空间位置坐标的步骤之后还包括步骤：根据所述空间位置信息计算出星座中任意两颗卫星相对位置关系及动态变化率。3.如权利要求2所述的空间光通信方法，其特征在于，所述相对位置关系包括星间链路距离、星间链路方位角、星间链路仰角。4.如权利要求2所述的空间光通信方法，其特征在于，所述动态变化率包括星间链路时间变化率、星间链路指向方位角时间变化率、星间链路指向仰角时间变化率。5.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：席超，刘江春，杨博，袁迎慧，王利杰，韩一红，尤启迪，文霄杰，王占伟，李妍，刘鸿鹏，苏姣，张伟华，张翀，
申请(专利权)人：航天恒星科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11