低轨遥感卫星全时在线测控技术综述

本文分析了低轨遥感卫星实现全时在线的4个随时需求,概述基于中继、北斗以及移动通信卫星系统等开展低轨遥感卫星天基测控的现状,提出了对应的天基测控方案,对比分析了各种途径的特点,提出构建天地基综合测控服务体系、发展多手段一体化综合测控终端、优化遥感卫星分级分类测控运管策略等设想,为实现低轨遥感卫星全时在线、随时指控应用探索了一种发展路径。

LEO卫星网络海量遥感数据下行的负载均衡多径路由算法

LEO卫星网络能够为各类用户提供全球无缝实时数据通信,近年来得到了快速发展。与此同时,空间数据源如遥感卫星的海量载荷数据下行体制依旧采用传统的存储转发方式,如果将此类卫星接入配有星间链路的LEO卫星网络,可以有效提高空间任务数据的实时性。但是需要为这种应用需求设计专门的卫星网络负载均衡路由算法。针对视频卫星实时直播的应用场景,设计了一套并行链路不相交多径路由算法SPEMR。OPNET仿真结果表明SPEMR实现的多径方案的性能劣化指数为0.32,仅为TLR路由协议的32%,传统DSP方案的21%,具有相对更强的实时传输海量数据的能力。

低轨大型遥感星座发展现状及其关键技术

近年来,低轨大型遥感星座计划发展迅速,高频次、低成本、弹性高的大型低轨遥感星座系统成为了各国争相发展的技术。文章概述了Flock、Capella、BlackSky Global、Lemur-2、NewSat等低轨大型遥感星座的发展现状,以及中国大型遥感星座的基本情况;在此基础上,分别从遥感星座涉及的通信网络、自主协同、星座部署、星座管控、信息处理等5个方面,就低轨大型遥感星座涉及到的多载荷任务协同、星上自主任务规划、快速响应调度、星箭一体化设计、卫星星座构型设计、星座智能管控、遥感图像数据融合、星座数据处理等关键技术进行了总结分析,并对未来的发展趋势进行了阐述。

低轨遥感卫星Ka频段星地数据传输效能研究

空间分辨率的大幅提高导致了低轨遥感卫星产生海量遥感数据,致使现有X频段星地数传通道压力急剧增加。针对此问题,文章分析了采用Ka频段进行星地海量数据传输的必要性。为了综合衡量数据传输性能,合理利用地面站资源,提出遥感卫星传输效能因子指标,依据此指标,对地面站的利用方案进行了优化设计。理论分析与仿真试验结果表明:采用Ka频段传输,在传输速率达到目前X频段最高速率3倍时,典型地面站的链路可用率达到95%以上,显著提高了数传系统的综合传输效能。

Ka频段点波束天线指向精度对星地数传链路的影响分析

为满足低轨遥感卫星海量数据的高速下传需求,Ka频段双圆极化频率复用数传技术已被逐步应用,而其使用的机械式点波束数传天线对指向精度和极化隔离度有很高的指标要求。文章对Ka频段点波束天线的辐射增益和交叉极化隔离等特性进行了讨论,从工程应用的角度定量研究了交叉极化的产生及其对链路极化损耗、链路余量和链路可用率的影响,重点分析了Ka频段点波束天线在不同指向精度时对不同地面站极化复用数传链路的影响。Ka频段点波束天线指向精度优于1°时,只能满足北京地面站99.0%链路可用率的可靠数据传输,可以满足喀什地面站99.9%链路可用率的可靠数据传输。文章的分析结果可为低轨遥感卫星Ka频段点波束天线的设计与研制提供参考,尤其是可为Ka频段双极化复用数传链路的总体设计和卫星任务规划提供分析依据。

Ka频段双圆极化频率复用的星地数传链路分析

为进一步提高低轨遥感卫星数据的下传速率,文章采用国际电信联盟(ITU)的星地链路计算模型,对Ka频段双圆极化频率复用(简称"极化复用")的雨衰和去极化效应进行了定量影响分析。分析结果表明:采用Ka频段同频极化复用具备可行性,通道传输速率达6Gbit/s,可有效解决海量数据的下传难题;但只有建立在干旱少雨的地面站(如喀什站),才能实现95%的链路可用率,而对降雨量中等的地面站(如北京站),则无法实现95%的链路可用率。

频率偏置对Ka频段圆极化频率复用数传链路的影响

采用国际电信联盟(ITU)的星地链路计算模型,仿真分析Ka频段双圆极化频率复用(简称"圆极化复用")链路可用情况随2个正交射频通道载波中心频率偏置量变化的关系,得出特定链路可用率下频率偏置量与临界接收仰角的定量关系。在此基础上,为了综合衡量频谱利用情况,提出有效频带利用率指标,并依据此指标对地面站的利用方案进行尝试性设计,以达到优化利用频谱资源的效果。研究结果表明:中心频率偏置量与有效频带利用率是对立统一体。增大中心频率偏置量,在特定链路可用率下可增长数传弧段,进而改善链路可用情况,但无法获取最大有效频带利用率。当载波中心频率偏置量为零时,通过选择合适的链路可用率可实现最大有效频带利用率。文章采用的分析方法和提出的有效频带利用率指标,可推广到其他频段的星地数传链路分析中,为Ka频段星地数传系统设计提供参考。

站点分集对低轨遥感卫星Ka频段星地数传链路的影响分析

采用国际电信联盟(ITU)的星地链路计算模型,推导出考虑站点分集增益后的大气总体衰减计算公式,并据此定量仿真分析站点分集对低轨遥感卫星Ka频段星地数传链路可用情况的改善效果。为综合衡量星地系统的费效比,提出站点效能因子指标,并依据此指标对站点分集效能进行定量分析。分析结果表明:站点分集可改善Ka频段星地数传链路的可用情况,且对降雨量较大站点的改善效果更为明显,但仅针对单颗卫星而言,其费效比不具备优势。文章采用的分析方法和提出的站点效能因子指标,可推广到其他频段的星地数传链路分析中,为卫星的总体分析设计提供参考。

极化复用在遥感卫星接收系统中的工程化应用

针对低轨遥感卫星双频点极化复用数传模式,研究遥感接收系统设计及工程化应用技术,通过对星地联合隔离度影响进行理论分析、星地无线极化复用试验,验证了极化复用技术实现可行性,采用极化对消解调技术,并通过卫星双点频极化复用模式数据的实际接收试验,验证了卫星极化复用模式数据接收可靠性,实现了双频点四通道极化复用的工程化应用。

遥感卫星随遇接入互联网星座和在轨智能处理

低轨互联网星座是当前全球研究和发展的热点,互联网星座支持随遇接入遥感卫星和信息在轨直接处理的应用前景备受期待,但由于轨道高度不同会产生双向高动态异构星座的接入互联问题。首先,通过设定低轨卫星互联网星座在不同轨道特性、不同卫星数量情况下的随遇接入仿真场景,重点探讨了时空非连续可视性和多普勒频移问题对遥感卫星接入性能的影响;其次,基于遥感卫星随遇接入互联网星座场景的特点,分析了不同时延性在轨处理任务的流程及其星地功能分配;最后,对当前在轨智能处理算法存在的问题和未来研究重点进行阐述,为未来低轨互联网星座及遥感卫星的发展和联合组网应用提供可靠的理论支撑。

低轨遥感卫星Ka频段 自适应编码调制应用效能分析

分辨率的不断提高对低轨遥感卫星对地数据传输能力提升提出了迫切需求。当前低轨遥感卫星对地数据传输采用固定编码调制(CCM)和可变编码调制(VCM),未利用仰角增大时大气损耗减小带来的信道条件改善,对链路资源造成较大浪费。自适应编码调制(ACM)在VCM基础上,充分利用大气损耗的时变特性,可进一步提高链路的数据吞吐能力。为综合衡量数据传输性能,文章提出低轨遥感卫星传输效能因子指标,并对Ka频段降雨特性不同的喀什、北京、三亚地面站CCM,ACM,VCM的传输效能进行了对比分析。仿真结果表明:按链路可用度最大的原则设计时,ACM的传输能力明显优于VCM和CCM,显著提高了数传系统的综合传输效能。

低轨遥感卫星姿态解耦控制设计与仿真

低轨遥感卫星执行姿态稳定和姿态机动任务时,需要有效克服外部干扰力矩的作用,提高卫星姿态控制的性能,为此文章提出了姿态解耦控制设计。该设计依据解耦控制理论和实际飞轮的工作特性,在卫星运动耦合模型的基础上运用解耦控制方法设计了姿态控制律,将耦合模型分解为滚动、俯仰和偏航3个子系统进行分析,并从频域指标的角度研究了控制参数的选取方法。以资源一号02D卫星为研究对象,对文章提出的设计进行仿真,同时结合资源一号02D卫星在轨数据,比较了姿态解耦控制设计与在轨应用的控制性能指标,结果表明:文章提出的设计控制性能良好,可应用于低轨遥感卫星姿态控制。

低轨卫星通信遥感融合:架构、技术与试验

低轨卫星系统是获取空间信息和破解宽带数字鸿沟的重要基础设施之一,通信与遥感融合是解决现有遥感和通信分治、卫星重置、应急业务响应不及时等问题的有效途径。概述了低轨通信和遥感卫星系统的现状,针对通信和遥感融合需求,提出了通信遥感融合方案及体系架构,阐述了基于该体系架构的硬件组成及融合试验方案,最后探讨了相关挑战和未来发展。

低轨卫星互联网技术架构及地面验证方法

为了满足全时段全地域高速数据速率需求以及应对各国对空间资源日益激烈的竞争,被列入新基建范畴的低轨(Low earth orbit,LEO)卫星互联网已成为最具前景的解决方案之一。基于"通导遥一体化设计"理念,本文提出一种以"星间组网+星上处理+跳波束"为主要特征的系统技术架构。该架构对星间激光通信、高速星上路由处理、宽带跳波束等各项关键技术进行分析,并给出一种针对包含首颗发射卫星的低轨卫星互联网的地面试验验证方法。本文提出的卫星网络体系结构、关键技术解决方案和在轨验证结果,对我国卫星互联网的建设和发展具有有益的探索和借鉴意义。

Ka频段低轨遥感卫星可变编码调制应用效能研究

分辨率的不断提高对低轨遥感卫星的星地数据传输能力提升提出了迫切需求,导致X频段星地数传通道压力急剧增加,而Ka频段可用带宽是X频段的4倍,理论上可大幅提升传输能力。当前低轨遥感卫星的星地数据传输通常采用固定编码调制(CCM)和可变编码调制(VCM),均未利用地面站仰角增大时大气衰减减小所带来的信道条件改善,对链路资源造成浪费。针对此问题,对指定地面站和链路可用度,综合考虑自由空间损耗和大气衰减随接收仰角增加而同时减小的特性,提出基于DVB-S2标准的Ka频段星上VCM系统实现方案,给出传输效能评估标准,并对降雨特性不同的喀什站、北京站、三亚站CCM,VCM的Ka频段传输效能进行了对比仿真分析,以寻找出适合不同站点的星地数传方案。仿真结果表明:干旱少雨的喀什站更适合采用CCM,且链路可用度高达99.82%;雨量中等的北京站可根据用户使用需求灵活选择CCM或VCM;而降雨丰富的三亚站更适合采用VCM,不仅可将传输效能提升8.37%,还可将链路可用度提升11.23%。

一种面向低轨遥感星座的路由任务规划算法研究

为了解决遥感星座数据传输时效性差的问题,利用星间链组网,提出了一种适应于断续猝发特征星间网络的路由任务规划算法。该算法以遥感卫星成像任务规划结果为驱动,结合卫星网络拓扑结构的时变性特点,改进基于快照序列的拓扑划分方法,降低路由切换频率,减少链路切换代价损失。并将卫星与地面站之间的路由看作低轨遥感星座路由的一部分,在选择星地最短路由路径的同时实现星地建链总时长最大化。仿真结果表明,该算法能够显著提升低轨遥感卫星星座的数据传输能力。