[发明专利]一种基于编队卫星的星间通信系统及方法

说明书

本发明涉及一种基于编队卫星的星间通信系统及方法，该系统包括专用于全向信号收发的通信天线组阵，专用于多通道搜索/捕获/跟踪的星间链路终端，专用于星间数据收发、筛选工作的处理器，射频通道，星间链路管理单元和星间基带。星间基带、射频通道、星间天线组成的星间链路实现星间数据的异源同步收发，每颗卫星的星间链路同时对它星的两路异源信号进行捕获、跟踪及选择，自主地根据当前星间距离、星间通信是否正常进行速率调整，星间链路的工作模式配置和控制由星间链路管理单元统一进行同步管理。

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于编队卫星的星间通信系统及方法。

背景技术

目前卫星测控主要采用单站单星测控方法。即每颗卫星经过地面测控站上空时根据星上计算机指令直接与地面测控站单独建立星地测控链路。上述单主占单星测控特点是每个地面测控站同时仅服务于一颗卫星，多个卫星分时与全球多个测控站之间实现数据传输。

随着卫星网络的发展，卫星的小型化成为趋势，重量小于100kg的微纳卫星以低成本、灵活性在科学探测、遥感成像等领域占据了主流地位。例如，采用三轴稳定微纳卫星与自旋稳定微纳卫星混合编队的进行多点探测是空间探测的一个重要发展方向，即利用多个体积、重量、功率较小的三轴稳定卫星/自旋稳定卫星以几公里到几十公里的方式编队完成分散点的数据采集，利用自旋稳定卫星的旋转特性完成圆周各点的数据采集，并将采集的数据作为载荷遥测信息与平台遥测信息一同传输到地面。

随着先进的微电子、数据处理与存储、遥感和智能计算等技术的发展，现代小卫星有了飞跃式的发展。现代小卫星不仅具有体积小、重量轻、技术含量高和研制周期短等一系列优点，还具有可以采用标准化星体及模块化设计技术，能够在流水线上批量生产并储存、便于机动发射等优点，且可以用分布式的星座，或者引入人工智能等新技术成果，用智能星群完成复杂的任务，甚至完成大卫星不能完成的任务。现代小卫星广泛应用于商业通信、航天遥感、空间科研、行星探测、国防军事等领域。

近年来，新一代空间无线通信任务对卫星编队系统的吞吐量、实时性和鲁棒性提出了更高的要求。基于Walkerδ星座设计理论的卫星系统是目前应用最广的全球覆盖卫星系统，并应用于美国Globalstar、俄罗斯GLONASS、欧洲Galileo等卫星导航系统设计。虽然此类系统凭借良好的普适性和商用价值仍是目前卫星系统商品化的主流，但在区域(尤其是中高纬度地区)覆盖性能及具有单颗虚拟大卫星功能的卫星网络构建方面，却存在着很大的局限性。首先，分散的卫星分布无法最优化区域覆盖特性，同时也限制了星间链路(ISL)的配置及优化；其次，Walker星座本身对卫星失效较为敏感，系统的抗毁性难以保证；第三，在目前己投入使用的卫星系统中，ISL还未得到充分地应用，无法从网络级别对系统进行设计。因此，需要提供具有ISL及紧凑拓扑结构的无线通信卫星编队系统。

Flower卫星星座理论自2003年提出以来，在全球导航系统的优化及区域导航卫星星座设计方面备受关注。其优势特性在于：星座中所有卫星均具有周期重复的共地面轨迹，采用小偏心率的椭圆轨道，结合灵活的轨道倾角设定可以在远地点附近的低速驻留区内实现大容量的星地数据传输，区域覆盖性能优于传统的Walker星座。国内学者对Flower星座的应用可行性也进行了一系列相关研究。《宇航学报》2007年第3期中的文章Flower卫星星座设计方法研究设计了一个能够不依赖地面测控站为GEO卫星提供导航运位服务的Flower卫星星座系统，该系统包含两个Flower星座，且卫星在星座中均匀分布，通过仿真验证了其对中高轨道宇航飞行器提供导航运维服务的可行性。但是这种由多个Flower星座构成的系统由于卫星空间分布均匀且不紧凑，不适合用于地面区域覆盖，且设计中也没有考虑ISL的构建，因此该系统不具备良好的稳定性和星间组网功能。