[发明专利]低轨道/中轨道双层卫星光网络结构系统及设计计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种卫星网络结构，具体涉及一种全球覆盖低轨道/中轨道双层卫星光网络结构系统及设计计算方法。

背景技术

已有的微波链路全性卫星星座系统“Skybridge”、“Globalstar”和“Ellipiso”面临带宽不足和无星间链路两大问题。相对于微波卫星通信，卫星光通信具有宽带宽、大容量、低功耗、终端体积小、高保密性和抗干扰性好等优点。

近年来，美国、欧洲和日本都相继开展了卫星激光链路组网的研究，其中麻省理工学院信息与决策系统实验室一直致力于卫星光网络的研究，在没有考虑拓扑结构的情况下，对卫星光网络的接入、节点结构、数据链路层、网络层和传输层作了初步的理论研究。由120颗低轨卫星组成的日本下一代低轨卫星通信系统规划采用容量为2.5Gbit/s的激光星间链路，是第一个计划采用波分复用技术的全球性卫星星座网络。下一代低轨卫星通信系统于20世纪末提出，系统结构逐年优化，一系列的实验研究表明，与微波链路星座不同，卫星光通信光束发散角在微弧度量级，实现星间激光链路的捕获、瞄准和跟踪非常困难，基于星间激光链路的卫星星座系统对网络拓扑稳定性有着很高的要求，卫星间保持相对位置稳定非常重要。另外欧空局的研究者报道了基于波分复用的卫星激光链路组网技术，提出卫星激光网络设计必须解决有限的功耗和星载设备的可靠性两个关键问题。

以上都属于单层卫星光网络系统。相对于低轨道单层结构，低轨道/中轨道双层结构卫星网络可利用中轨道卫星进行网络管理，提高网络资源利用率，增强网络鲁棒性，实现大容量下行链路。因此由低轨道卫星和中轨道卫星组成的非静止轨道卫星通信系统得到广泛的关注。我国低轨道/中轨道双层卫星网络的研究集中于算法设计，算法验证大都基于国外已有的双层结构。其中胡剑浩等提出了由63颗低轨道卫星和16颗中轨道卫星组成的基于微波链路的双层卫星网络结构，其中低轨道层设计和Celestri星座一致。该系统相没有考虑星间激光链路特征，中轨道层主要负责数据中继，网络时延较大。我国卫星光通信集中于星间激光链路基础技术及基本元器件的研究，迫切需要设计自己的光学星间链路全球性卫星星座系统以适应未来深空探测和国防领域的需求。

本文针对以上问题，创新性地采用了微波链路卫星星座系统中很少采用的零相位因子设计参数，利用覆盖带法提出了一种低轨道/中轨道双层卫星光网络结构。低轨道层是walker-δ卫星星座，共有70个卫星，7个轨道，每轨道10个卫星。为了有效的覆盖低轨道层，中轨道层由赤道和极地轨道两个轨道组成，每个轨道3个卫星，共6个卫星。与传统的微波链路低轨道/中轨道卫星星座不同，该结构低轨道层负责数据传输和用户接入，中轨道层负责网络管理，只有在低轨道层满载的情况下才利用中轨道卫星中继业务。设计的新型低轨道/中轨道双层卫星光网络能较好地满足我国的覆盖要求，可为构建未来我国全球性卫星光网络提供有价值的参考。

发明内容

本发明的目的是设计一种具有稳定拓扑结构、适合新型卫星激光链路的零相位因子的低轨道/中轨道双层卫星光网络结构系统。

本发明的另一目的是提供该系统设计计算方法。

为了克服已有微波链路卫星网络的不足，本发明所解决的技术方案是：一种全球覆盖低轨道/中轨道双层卫星光网络结构系统，特殊之处在于该系统由一个基于覆盖带法设计的全球覆盖低轨卫星星座，再加入一个中轨卫星星座组成双层卫星光网络结构系统，系统至少连接有76颗卫星，其中低轨道卫星层至少设有7个轨道，每一个轨道至少连接有10个卫星；中轨道卫星层由外轨道和内轨道组成，其中外轨道分别连接有卫星，内轨道分别连接有卫星。

一种低轨道/中轨道双层卫星光网络结构系统的设计计算方法，按下述步骤进行：

1)、低轨卫星星座设计计算：

①、计算单个卫星覆盖圆半径θ

θ＝arccos[Rcosε/(R+H)]-ε    (1)

式中符号表示：H为卫星高度，R为地球半径，ε为地面站对卫星的仰角；

②、计算覆盖带半角Ψ

Ψ＝arcos[cosθ/cos(π/S)]    (2)

式中符号表示：π/S为轨道面内两卫星间距离；

③、计算轨道B上卫星的位置δ_B

式中δ_B是轨道B上卫星的位置

δ_A是轨道A上卫星的位置

是两卫星相位差

k是整数

int代表取整