面向大规模低地球轨道卫星网络的星间链路连接策略

针对大规模低地球轨道(LEO)卫星网络,提出了2类新型星间链路(ISL)连接策略:Grid-V和Grid+,并对传统的Grid连接策略进行改进。所提策略充分利用了次邻轨和跨邻轨星间链路,Grid-V连接策略舍弃了Grid连接策略的轨内链路,利用次邻轨和跨邻轨的星间链路形成网络拓扑;Grid+连接策略在保留Grid连接策略中的星间链路基础上,允许卫星与同轨道或者次邻轨道卫星建立跨星连接。针对Walker-Delta星座构型的大规模LEO卫星网络,设计了基于所提星间链路连接策略的最短距离路由算法,并分别从几何拓扑和数据包层面对路由进行了系统级仿真,以评估各连接策略的性能。仿真结果表明,在几何拓扑层面,所提策略可以有效减少平均路由跳数与路径切换次数;在数据包层面,所提策略在往返时延及抖动、路径占用率、平均吞吐量等方面具有更好的性能。

星间链路通信收发一体化系统设计

随着卫星制造发射成本的降低以及全球通信需求的增加,低轨星间链路技术成为研究热点;星间链路可将多颗卫星互联,建立具有导航和通信功能的自主运行系统,可靠的通信技术是当前的研究重点;为了适应外太空具有较大多普勒频移的高动态环境,设计了星间链路通信收发一体化系统;发射端采用UQPSK直接序列扩频技术,双通道架构可同时完成不同速率的导航与通信数据的发射,再运用LDPC编码技术提升数据发射速率与稳定性;接收端采用改进的PMF-FFT分段捕获算法与归一化最小和LDPC译码算法,以快速准确捕获星间信息;在FPGA硬件平台经过多次测试,该系统均可在高动态环境下,正确快速捕获到多普勒频移高达±341 kHz的信号,捕获算法时间均可保持在200 ms以内,符合实际应用中的性能需求。

基于极化调制的星间链路通信算法研究

现有的星间链路通信中,主要采用频分多址(Frequency Division Multiple Access,FDMA)和时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)提高频谱利用率和信息传输的时效性,FDMA和TDMA分别通过分配不同的频点和时隙区分不同的星间链路.随着卫星数量的增多,尤其是低轨卫星星座的不断建设,星间链路的频谱和时隙越发紧缺,这对采用FDMA和TDMA体制的星间链路带来了严峻挑战.针对此问题,提出了一种极化多址接入的星间链路体制,引入极化调制算法,利用信号的极化状态承载信息.仿真验证表明:极化多址星间链路体制在频谱效率和时效性能方面相比现有星间链路算法分别提升了18倍和2倍,在很大程度上解决了星间链路频谱和时隙资源紧缺的问题,为后续星间链路设计提供了参考.

基于星间链路的全球短报文服务可用性分析

在北斗全球短报文的传输过程中,星间链路网络在其中起到重要的作用,在系统运行过程中或太空对抗中可能发生星座一个或多个节点故障,势必影响全球短报文系统的服务可用性。针对北斗短报文业务和星间链路的传输特性,设计了基于星间链路的全球短报文仿真分析方法,设计了20个不同的星座故障场景,对仿真数据进行整理,统计不同场景不同时间的短报文服务受损情况。结果表明,当短报文载荷故障卫星总数小于或等于2时,对短报文服务区域几乎无影响,当短报文载荷卫星故障数在3~6时,服务区域损失在10%以内,说明在少量卫星故障下,仍能保持较高的服务可用性,基于星间链路的全球短报文系统具有较好的稳健性。

星地SLR和星间链路的BDS-3卫星精密定轨

目前,BDS-3卫星上已全部搭载星间链路设备,可利用星间双向测量数据分离卫星相对钟差和相对几何距离解耦卫星轨道和钟差,再把星间距离作为观测量结合地面测量数据进行星地星间联合定轨。人卫激光测距(SLR)技术不受载波相位模糊度、钟差等因素的影响,数据处理过程相对于GNSS技术的数据处理更简单,可以作为一种独立于GNSS观测技术的测量手段。所有BDS卫星上已搭载激光角反射器,因此本文利用2020年1月北斗星间链路数据及少量SLR数据对11颗BDS-3卫星(MEO/IGSO/GEO)进行联合精密定轨试验。分析结果表明,基于SLR和星间链路的3类轨道类型的BDS-3卫星定轨精度相当,轨道精度径向为4.2 cm,三维精度为30.2 cm;卫星轨道预报12 h和24 h MEO卫星三维精度约40.0 cm,IGSO三维精度优于60.0 cm;GEO卫星三维精度约1.0 m。在精密定轨的同时解算地球自转参数(ERP),由于激光数据量少,极移精度约3.0 mas,日长变化精度为0.35 ms。利用少量SLR观测数据和星间链路测量数据联合可以实现导航卫星的高精度定轨,如果能够对BDS卫星加强激光观测,有助于提升轨道精度,为BDS自主可控空间基准参数解算提供参考。

北斗ka星间链路高动态应用辅助接收技术

北斗三号ka频段星间链路具备为高速移动目标提供全球范围内测控数传服务的能力,但由于北斗三号ka频段星间链路是短突发信号,对于高速移动目标应用存在难以在短时间建链的难题。文中提出基于“GNSS+微惯性单元”的辅助信息生成方法,对接收机概略位置、速度/加速度、天线指向的预报值进行估计,开环辅助ka星间链路的接收。还提出了超紧组合导航结构,利用惯性信息辅助矢量跟踪的高动态跟踪环路,降低了接收机的瞬态响应误差和对环境的敏感度。仿真证明提出的高动态应用辅助接收技术(速度为12 km/s,加速度为11 kHz/s的情况)提供的辅助信息精度优于建链路需求,可完成百毫秒内的信号同步,实现北斗三号ka星间链路高动态快速建链的需求。

星间链路技术标准化思路与建议

针对近年来星间链路技术快速发展及其标准化需求,文章阐明星间链路标准体系的范畴及其在航天领域标准体系中的定位,总结国内外星间链路技术的应用及其标准化现状,提出我国星间链路标准体系“紧贴需求、各有侧重、分类实施、内外协调、融合集约、适度前瞻”的建设思路,给出航天领域星间链路标准化工作应注重星间链路标准体系化建设、加强大型骨干空间信息装备互联互通、加强小型星座和卫星编队星间链路型谱化、规范星间链路测试验证、规范星间链路运行管理和应用服务、加强星间链路技术标准化引导等建议。

激光星间链路终端技术发展与展望

激光星间链路主要用于卫星之间高速数传,是构建天基信息网络的关键技术。目前国外通信、遥感、导航和中继等卫星系统都已计划部署激光通信终端,激光星间链路技术已从在轨演示验证向大规模组网应用阶段发展。简要梳理了国际上现有组网卫星系统的激光星间链路终端技术发展情况,对激光星间链路的技术体制和终端分类进行了总结;侧重分析了我国激光星间链路终端技术发展现状及大规模应用面临的主要问题,针对重难点技术的解决途径进行了思考;对激光星间链路终端未来的发展趋势做了展望,尤其是轻小型化设计与实现、宽带化、一对多光学天线和网络化等技术发展趋势进行了分析。

基于激光微波混合星间链路的导航星座网络优化方法

为满足空天信息传输容量快速增长的需求,针对未来卫星高速率大带宽的发展趋势,提出了基于激光微波混合星间链路的北斗导航网络优化方法。分析了混合链路在星间链路测距能力、路由收敛效率,并进行了仿真,验证了协同测距、协同管理方法在提升混合网络效率中的有效性。仿真结果表明:Ka频段激光协同测距时间相较传统微波网络短,定位精度因子(PDOP)最高值由3.4降低至2.3;混合网络路由收敛速度较单激光网络快,由41 s降至15 s左右。

基于整网估计的星间链路天线相位中心偏差在轨特性研究

星间链路(ISL)是我国北斗三号克服区域布站、实现高精度服务的关键,其天线相位中心偏差(PCO)在设备出厂时会依据质量、设计姿态进行地面标定,但在卫星发射、入轨及在轨阶段,燃料消耗、天线展开姿态等均会引起卫星质量与姿态的变化,这将导致在轨的PCO与地面标定值不一致,该变化量会作为误差引入到测量值,进而影响卫星轨道确定精度。因此,该文研究了在轨卫星的星间链路天线相位中心偏差标定方法,联合星间、星地观测,建立了基于整网估计的星间链路天线相位中心偏差在轨估计方法,并利用两周的实测数据进行对北斗三号所有中轨卫星(MEO)进行验证,同时结合卫星生产商、轨道面进行在轨特性的详细分析,最后验证了其对轨道确定精度的影响。结果表明,该文方法可有效估计在轨卫星星间链路天线相位中心偏差,并发现,卫星在轨后大部分卫星的星间链路天线相位中心偏差基本与地面一致,但C36,C37,C41,C42卫星在Z方向与地面标定值存在15 cm左右的偏差,C25,C26,C43,C44在Y轴上存在符号相反的现象,且数值上有10 cm左右的偏差,C25,C26卫星在Z方向上存在近30 cm的偏差,正确标定在轨卫星星间链路天线相位中心偏差后,相比地面标定产品,轨道精度可提升15%。

NGSO星座Q/V波段星间链路干扰规避技术

随着大规模星座系统的发展,近地轨道空间频轨资源越来越紧缺。随之而来的星载通信链路干扰风险不容忽视,已成为今后星座系统设计需要重点考量的指标之一。在规避干扰的前提下,保证星座系统的工作性能至关重要。针对大规模非静止轨道(NGSO)星座系统星间链路存在的干扰风险问题,提出了基于干扰、受扰链路夹角的干扰规避方法。以Starlink的Q/V波段星间链路为例,定义了系统效率与工作效率,研究不同干扰规避方法与建链策略下系统的鲁棒性。仿真结果表明,基于受扰链路夹角的干扰规避方法能够在不同建链策略下将系统干扰噪声比I/N超限时长分别从5.79%和16.75%降至0,并且不影响工作链路。这种仿真方法对于类似具有星间链路的大规模NGSO星座系统的干扰规避具有借鉴意义。

导航星间链路体制星地时间同步性能及其相关因素分析

利用北斗组网星座资源,将导航体制星间链路技术应用于星地时间同步是一种较好的远程高精度时间传递方法。星地时间同步通过双向单程测量能够抵消大部分信道误差,从而提高测量精度,但仍存在因部分上下行路径不一致所引起的残留误差,影响最终时间同步性能。本文主要介绍星地时间同步的基本原理,给出时间同步过程中主要误差修正方法,重点分析轨道先验信息对时间同步性能的影响,并利用不同精度的轨道对星地实测数据进行分析和验证。结果表明,采用北斗广播星历与精密星历解算的星地钟差拟合残差RMS值均优于0.1 ns,当轨道信息叠加一定程度的随机误差时,通过平滑处理的方法可以进一步提高时间同步精度。本文可为星地实现高精度时间同步提供一定的技术参考和积累。

低轨通信星座星间链路特点研究

随着全球宽带通信需求的增长,世界各国提出并建设了多种低轨通信星座,我国的卫星互联网系统也在紧张建设中,星间链路将是通信星座系统的重要组成部分。为研究星间链路特点和建链需求,以极轨通信星座为例,从几何角度给出了星间链路指向角和距离的数值计算公式,分析了顺行轨道星间链路的变化规律,并进一步研究了异轨星间反向缝建链的特点。研究结果表明,选取合适的星座参数,可以实现卫星跨反向缝的接续建链,从而保证反向缝两侧卫星之间始终存在可用的通信链路。

基于专利分析的国外星间链路技术发展研究

为减少卫星星座对地面基础设施的依赖,让星座具有更短的传输时延和更高的通信容量,建设星间链路成为星座系统的必然发展趋势。专利承载着全球最新技术情报,本文采用专利分析方法全面洞察国外星间链路技术发展情况。通过在德温特世界专利索引数据库(DWPI)内检索,获取星间链路技术公开专利,从专利申请趋势、技术构成、国外主要创新主体等角度分析星间链路技术发展态势。

密集低轨星座启发式星间路由算法设计

星间链路决定了整个密集低轨星座的通信性能,而基于链路连通性的路由算法发挥着不可替代的重要作用。为提高星间链路通信性能,基于Python程序语言设计了一种启发式星间路由算法,在路径带宽和最大容忍时延的双约束条件下,对路径开销与端到端时延的混合参数进行统筹优化。将遗传算法与蚁群算法动态融合,加速全局最优收敛过程、增强算法的稳定性。最后,通过星链星座参数实例进行了仿真,仿真结果验证了所提启发式星间路由算法的优越性。

星间链路技术的研究现状与发展趋势

星间链路技术是提高全球卫星导航系统的精度和自主导航能力的一项关键技术。介绍了全球主要卫星导航系统星间链路的建设情况,综述了国内外关于星间链路的重要研究,包括星座的特性分析、星间链路的构建准则、星间链路的拓扑分析、星间链路传播信号的设计以及星间链路信号的发射和接收等,指出了目前研究的侧重点,展望了星间链路的发展趋势和未来的研究方向。相关内容可为星间链路的进一步研究提供参考。

一种具有异轨星间链路的Walker星座网络拓扑与路由生成方案

W alker星座网络能否建立异轨星间链路是提升其通信能力的关键所在。研究了一种24/3/1W alker星座,通过对卫星间的能见分析及星间链路特性分析,探索了建立异轨道星间链路的可行性。然后,按照时段接续的异轨星间链路方案,进行了24/3/1W alker星座网络的拓扑仿真与生成,并在此基础上对星座网络采用K短路径和最短路径路由选择策略进行了对比仿真分析。结果表明,按照时间段接续建立异轨星间链路的方案是可行的,所生成的网络拓扑的切换时间间隔最小为30 s,最大为115 s,K短路径策略在总体上要优于最短路径策略。

星座星间链路的空域覆盖特性仿真分析

文章提出利用星座星间链路工作时分布在空间的波束为系统外用户提供服务，并对其对一般用户的可用性进行了探讨。基于典型星座星间链路，建立了覆盖区数学模型进行仿真计算，分别从静态和动态的角度分析了星座星间链路在常态工作模式下对于空域的覆盖特性。结果表明：在星座轨道平面附近的用户航天器接收到星间链路信号的机会最多，可直接对系统工作信号接收利用；在星座轨道半径40％～50％附近高度的天球覆盖率最高，达到45％；随轨道半径增加，天球覆盖率降至15％以下，建议对一般用户进行链路规划。

卫星网络中永久星间链路的设计方法研究

从星座设计角度出发,分析永久性星间链路存在的条件,解决了不同轨道面以及不同轨道高度卫星之间相对移动造成的星间链路频繁切换问题。根据卫星网络空间几何特性,提出了一种在卫星生存期内可以永久保持星间链路连接的星座设计方法,并对建立星间链路的条件进行了分析。通过数值分析方法得出了永久星间链路存在的条件,并通过实例加以验证。

BD卫星星间链路定轨结果及分析

我国新一代北斗导航系统试验卫星搭载了高精度星间链路载荷并已经得到了实测数据。本文给出了星间链路数据预处理方法,并介绍了星间链路数据独立定轨和星间Ka测量与L波段数据联合定轨的方法和初步结果。利用3颗试验卫星和1个地面Ka站在轨试验,结果表明:独立采用星间链路定轨,其结果 R方向误差小于0.5m;星间链路数据与L波段数据联合定轨,其对L波段定轨结果有显著改善,轨道R方向误差小于0.3m;星间测量设备时延标校精度优于0.1m。