1、中继卫星组网技术,授课大纲,序言多层卫星网络结构简介多层卫星网络简介实例分析 基于GEO/LEO两层星座的卫星组网卫星组网新技术 激光星际链路,序言,天链一号,“天链一号”是中国第一颗地球同步轨道数据中继卫星，由中国航天科技集团公司所属中国空间技术研究院为主研制，主要用于为中国神舟载人飞船及后续载人航天器提供数据中继和测控服务。同时，为中国中、低轨道资源卫星提供数据中继服务，为航天器发射提供测控支持。,我国两颗中继卫星组网运行,光明日报北京9月29日电（记者 齐芳 通讯员 尹学宏、董英隼）载人航天工程测控通信系统副总指挥黄惠明今天在此间表示，我国此前发射的天链一号01、02星现已组网运行，并将
2、为我国首次空间交会对接任务提供测控通信保障。中继卫星被称为“卫星的卫星”，是航天器在太空运行的数据“中转站”，它的轨道覆盖率高、信道传输能力强，可为中、低轨资源卫星提供数据中继服务，从而极大提高各类卫星使用效益和应急能力，能使资源卫星、环境卫星等数据实时下传。据介绍，我国第一颗数据中继卫星“天链一号01星”于2008年4月25日发射成功，在神舟七号载人航天飞行任务中得到成功试验验证，为保障航天员安全和载人航天任务的顺利实施发挥了重要作用。今年7月11日成功发射的“天链一号02星”，在完成在轨测试后，已经与“天链一号01星”组网运行，实现了中继卫星从单星系统到多星系统的跨越，使测控通信覆盖率大幅
3、提升，为执行交会对接任务提供了有力保障。,中继卫星,中继卫星的概述 中继卫星被称为“卫星的卫星”，可为卫星、飞船等航天器提供数据中继和测控服务，极大提高各类卫星使用效益和应急能力，能使资源卫星、环境卫星等数据实时下传，为应对重大自然灾害赢得更多预警时间。,跟踪与数据中继卫星系统,跟踪与数据中继卫星系统(Tracking and Dada RelaySatellite System），简称TDRSS，是为中、低轨道的航天器与航天器之间、航天器与地面站之间提供数据中继、连续跟踪与轨适测控服务的系统，简称中继系统。TDRSS系统用于转发地球站对中低轨道航天器的跟踪测控信号和中继航天器发回地面的信息的
4、地球静止通信卫星。高频段电波的直线传播特性和地球曲率的影响，使地面测控站跟踪中、低轨道航天器的轨道弧段和通信时间受到限制。跟踪与数据中继卫星的作用，相当于把地面的测控站升高到了地球静止卫星轨道高度，可居高临下地观测到在近地空间内运行的大部分航天器。由适当配置的两颗卫星和一座地球站组网，可取代分布在世界各地的许多测控站，实现对中、低轨道航天器85%100%的轨道覆盖。,跟踪与数据中继卫星系统功能,跟踪、测定中、低轨道卫星：跟踪和数据中继卫星几乎能对中、低轨道卫星进行连续跟踪，通过转发它们与测控站之间的测距和多普勒频移信息实现对这些卫星轨道的精确测定。 承担航天飞机和载人飞船的通信和数据传输中继业
5、务：地面上的航天测控网（见航天测控和数据采集网）平均仅能覆盖15%的近地轨道，航天员与地面上的航天控制中心直接通话和实时传输数据的时间有限。两颗适当配置的跟踪和数据中继卫星能使航天飞机和载人飞船在全部飞行的85%时间内保持与地面联系。,跟踪与数据中继卫星系统功能,为对地观测卫星实时转发遥感、遥测数据：气象、海洋、测地和资源等对地观测卫星在飞经未设地球站的上空时，把遥感、遥测信息暂时存贮在记录器里,而在飞经地球站时再转发。满足军事特殊需要：以往各类军用的通信、导航、气象、侦察、监视和预警等卫星的地面航天控制中心，常须通过一系列地球站和民用通信网进行跟踪、测控和数据传输。跟踪和数据中继卫星可以摆脱
6、对绝大多数地球站的依赖，而自成一独立的专用系统，更有效地为军事服务。,现有的中继卫星,“天链一号”的顺利升空引起了国际社会的高度关注，美联社、路透社、美国宇航局等媒体与相关机构均在第一时间内进行报道。相关报道除了表示中继卫星顺利发射，意味着中国航天事业进一步发展外，还有美国军事专家认为这会大幅提升中国的军事能力。,多层卫星网络结构简介,多层卫星网络的网络结构,多层卫星网络包含三种星际链路（ISL）：轨道内链路、轨道间链路即层间链路。在多层卫星网络结构（MLSN）中GEO（高轨道）卫星成为陆游算法的决策中枢。MEO（中轨道）卫星完成对地球表面的完全覆盖。LEO（低轨道）卫星实现对地面移动终端的接
7、入。MEO卫星和GEO卫星通过ISL连接构成拓扑稳定的卫星骨干网，成为分层卫星网络的交换节点负责空间数据的传输与转发及与关口站和大型终端通信。LEO星间可不存在星际链路，并与高空平台HAP等作为具有交换功能的用户接入点组成卫星接入网络并通过ISL与卫星骨干网相连。,多层卫星网络的网络结构示意图,多层卫星网络简介实例分析基于GEO/LEO两层星座的卫星组网,为了实现包括极地区域的全球通信覆盖，实现对热点地区获取不间断的全方位多频段信息。研究人员提出采用由低轨星LEO和地球同步星GE两层极地轨道星座共同组成一个立体交叉、优势互补的多层星座系统。,两层星座的卫星组网实例分析,GEO、MEO和LEO卫
8、星各自的特点GEO卫星：位于地球赤道上空高度为35 786 km的轨道上，其角速度与地球表面旋转的角速度相同，因此相对地面静止，单颗GEo卫星覆盖范围较广(约占地球总面积的13)，最大可覆盖士70纬度以内的区域。MEO卫星：通常位于距离地面高度为10000km20000 km之间的圆形轨道上，其与地面终端之间的通信延时约为120 ms，链路损耗也相对较小。,两层星座的卫星组网实例分析,GEO、MEO和LEO卫星各自的特点LEO卫星：常位于星座系统中距离地两高度为500 km2 000 km之间的圆形轨道上，其与地面终端之间的通信延时最短，约为25 ms，链路损耗也最小。,两层星座的卫星组网实例
9、分析,早期单层星座的组网结构简介由GEO组成的星座：优点：由于GEO卫星相对地面静止，星地间、星间建立的通信链路的通信性能相对稳定，系统的组网结构与运行管理相对简单。缺陷：卫星间或星地间的超长距离导致其间信息传输的延时较大，且链路损耗也较大。另外GEO卫星对地静止且轨道设计参数固定，通信不能覆盖地球高纬度区域,两层星座的卫星组网实例分析,提问：通过以上单层星座网络特点分析，在军事应用上，单层星座网络有何特性？,两层星座的卫星组网实例分析,两层星座的卫星组网实例分析,两层星座的卫星组网实例分析,基于GEOLEO两层星座的组网结构优势分析：与GEOIEO或GEOMEO两层星座的组网结构，与两类单层
10、卫星网络相比，具有空间频谱利用率高、组网灵活、抗毁性强等优点，能够实现两种轨道高度卫星星座的优势互补，提高卫星网络的性能。,两层星座的卫星组网实例分析,早期单层星座的组网结构简介由MEO组成的中轨星座或由LEO组成的低轨星座：这两种星座结构较为相似。优点：星座中的MEO或LEO卫星可通过设计选择其轨道参数，实现灵活布轨，星地、星间的传输时延较小，并可以提供包括地球极地区域的全球通信覆盖。缺点：由于MEO卫星和LEO卫星与地面某点作高速相对运动，这种动态的星座拓扑结构给系统的设计、建设与维护带来一定的困难。,两层星座的卫星组网实例分析,基于GEOLEO两层星座的星座建模：GEO星座：共有GE0卫
11、星NG“颗(NG4，且为偶数)，均匀分布在赤道上空的地球同步轨道，组成覆盖全球中低纬度区域(+70。一70。)的GEO星座。GEO卫星Gi相对地面静止，其逻辑位置由i来表示，并且任何时刻都不会变化，其1iNG。LEO星座：LEO卫星按极地圆轨道星座进行组织，共有MLNL颗，能实现包括极地区域的全球通信覆盖。这里ML是LEO星座中轨道面的数量，NL为均匀分布在一个轨道面上的卫星数量。,两层星座的卫星组网实例分析,基于GEOLEO两层星座的星座建模：Lm,n表示处于第m轨道面上，序号为n的LEO卫星，其逻辑位置由(m，n)来表示，m=1，ML。n=1，NL。尽管LE0卫星与地面做高速相对运动，在不
12、同的快照周期，其逻辑位置不同。但是在时间非常短的一个快照时间间隔内，假设其逻辑位置不变。,快照时间t，GEO卫星和IEO卫星的逻辑位置分布如下图所示：,两层星座的卫星组网实例分析,LEO卫星的分群和分组管理： 为了方便和简化GEOIEO两层星座中的星际链设计、数据传输和路由设计，本实例对IEO卫星进行分群和分组管理。LEO卫星的分群管理 在每一个快照周期开始时，按照逻辑群的定义，根据GEO卫星和LEO卫星的逻辑位置，将LEO卫星划分成NG个逻辑群。覆盖该逻辑群的GEO卫星为群首，负责该群的管理、路由表计算和层间转发。,两层星座的卫星组网实例分析,LEO卫星的分群和分组管理：逻辑群内LEO卫星的
13、分组管理 为了实现群首GEO卫星对群内LEO卫星的有效管理，在群内对LEO卫星进行分组管理。在每一个组中选出距离群首GEO卫星最近的一颗IEO卫星(该卫星必须能与GEO卫星直接通信)担当组长。 组长LEO负责组内卫星间链路状态信息的收集和传输，以及组内路由表的分发。,两层星座的卫星组网实例分析,LEO卫星的分群和分组管理：逻辑群内LEO卫星的分组管理 只在组长LEO卫星和群首GEO卫星之间有层间星际链路IOSL(Inter Orbit Satellite Links)，组内其他LEO卫星与群首GEO卫星的通信必须通过组长LEO卫星进行转发。,两层星座的卫星组网实例分析,LEO卫星的分群和分组管
14、理：逻辑群内LEO卫星的分组管理,两层星座的卫星组网实例分析,基于GEOLEO两层星座的组网链路： 在基于GEOIEO两层星座的卫星网络中，主要有五类链路。GEO卫星之间的层内星际链路ISLGEOLEO卫星之间的层内星际链路lSLLEOGEO卫星和LEO卫星间的层间星际链路IOSLGEO卫星和LEO卫星与地面关口UDLTG(Terrestrial Gateway)站之间的用户数据通信链路TG(UDL：User Data Links)LEO卫星与地面用户便携设备PD(PortableDevice)之间的用户数据链路UDLPD,两层星座的卫星组网实例分析,基于GEOLEO两层星座的组网链路： 在基
15、于GEOIEO两层星座的卫星网络中，主要有五类链路。,两层星座的卫星组网实例分析,基于GEOLEO两层星座的数据传输：GEO卫星之间传送数据LEO卫星之间传送数据GEO卫星向LEO卫星传送数据LEO卫星向GEO卫星传送数据GEOLEO卫星向地面关口站传送数据地面关口站向GEOLEO卫星传送数据GEOLEO卫星向地面用户便携设备传送数据,两层星座的卫星组网实例分析,基于GEoLEo两层星座的路由策略分析： 由于卫星运动具有规律性和周期性，可预先计算好每个快照周期内的路由表，存储在GEO卫星中。在每个快照周期开始时，组长LEO卫星负责收集该分组中的各IEO卫星间链路的状态信息，并将状态信息传输到群
16、首GEO卫星。,两层星座的卫星组网实例分析,基于GEOLEO两层星座的路由策略分析： 群首GEO卫星取出预存的对应本快照周期的路由表，根据各组长LEo传来的LEO星座链路状态信息修正路由表,并将修正后的路由表传到各分组的组长IEO卫星；组长接收来自群首的路由表，并将路由表向组内的LEO卫星转发。,卫星组网新技术 激光星际链路,卫星组网新技术,卫星激光通信的优点和应用： 激光的频率单纯，能量高度集中，波束非常细 密，波长介于微波与红外线之间。因此，利用激光 所特有的高强度、高单色性、高相干性和高方向性 等诸多特性，进行星际间链路通信，就可具备容量更大、增益更高、速度更快、抗干扰性更强和保密 性更
17、好的一系列优点。,提问：通过以上卫星激光通信特点分析，激光星际链路最适用于哪一类星际通信？,卫星组网新技术,空间固体激光通信 ( SOLACOS )计划 空间固体激光通信 ( SOLACOS：Solid state Laser Communications in Space )是由德国政府支 持发展的高码率卫星间激光通信计划。该系统主要 由 2个光通信终端及各 自的实验平台组成，一个终 端采用 1064nm 的 YAG（钇铝石榴石）激光器，以 650mbps码率传输数据。另一终端采用 810 am的半导体激光 器为光源，通信速率是10mbps。实验平台可模拟卫星的相对运动和抖动。通过计算器仿真与测试，确定和发展用于未来卫星间通信的关键技术。,卫星组网新技术,空间激光链路的关键技术 由于利用极窄的激光束作为载波，其传播的发散角非常小，尤其是运动卫星间的激光通信，完成收发光束的瞄准、捕获、跟踪是相当困难的，这成为自由空间激光通信关键的技术之一。另外，针对不同类型的激光星间链路研究的侧重点应有所不同，如在 L E O L E O链路中振动对空间光通信质量的影响比较突出，而在星地链路中大气对空间 光通信的影响是主要问题等。,卫星组网新技术,请同志们批评指正，谢谢！,
