中繼衛(wèi)星組網(wǎng)技術(shù)淺析.ppt

中繼衛(wèi)星組網(wǎng)技術(shù),授課大綱,序言 多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介實(shí)例分析 基于GEO/LEO兩層星座的衛(wèi)星組網(wǎng) 衛(wèi)星組網(wǎng)新技術(shù) 激光星際鏈路,序言,天鏈一號(hào),“天鏈一號(hào)”是中國(guó)第一顆地球同步軌道數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，由中國(guó)航天科技集團(tuán)公司所屬中國(guó)空間技術(shù)研究院為主研制，主要用于為中國(guó)神舟載人飛船及后續(xù)載人航天器提供數(shù)據(jù)中繼和測(cè)控服務(wù)。同時(shí)，為中國(guó)中、低軌道資源衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，為航天器發(fā)射提供測(cè)控支持。,我國(guó)兩顆中繼衛(wèi)星組網(wǎng)運(yùn)行,光明日?qǐng)?bào)北京9月29日電（記者 齊芳 通訊員 尹學(xué)宏、董英隼）載人航天工程測(cè)控通信系統(tǒng)副總指揮黃惠明今天在此間表示，我國(guó)此前發(fā)射的天鏈一號(hào)01、02星現(xiàn)已組網(wǎng)運(yùn)行，并將為我國(guó)首次空間交會(huì)對(duì)接任務(wù)提供測(cè)控通信保障。 中繼衛(wèi)星被稱為“衛(wèi)星的衛(wèi)星”，是航天器在太空運(yùn)行的數(shù)據(jù)“中轉(zhuǎn)站”，它的軌道覆蓋率高、信道傳輸能力強(qiáng)，可為中、低軌資源衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，從而極大提高各類衛(wèi)星使用效益和應(yīng)急能力，能使資源衛(wèi)星、環(huán)境衛(wèi)星等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)下傳。 據(jù)介紹，我國(guó)第一顆數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星“天鏈一號(hào)01星”于2008年4月25日發(fā)射成功，在神舟七號(hào)載人航天飛行任務(wù)中得到成功試驗(yàn)驗(yàn)證，為保障航天員安全和載人航天任務(wù)的順利實(shí)施發(fā)揮了重要作用。今年7月11日成功發(fā)射的“天鏈一號(hào)02星”，在完成在軌測(cè)試后，已經(jīng)與“天鏈一號(hào)01星”組網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了中繼衛(wèi)星從單星系統(tǒng)到多星系統(tǒng)的跨越，使測(cè)控通信覆蓋率大幅提升，為執(zhí)行交會(huì)對(duì)接任務(wù)提供了有力保障。,中繼衛(wèi)星,中繼衛(wèi)星的概述 中繼衛(wèi)星被稱為“衛(wèi)星的衛(wèi)星”，可為衛(wèi)星、飛船等航天器提供數(shù)據(jù)中繼和測(cè)控服務(wù)，極大提高各類衛(wèi)星使用效益和應(yīng)急能力，能使資源衛(wèi)星、環(huán)境衛(wèi)星等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)下傳，為應(yīng)對(duì)重大自然災(zāi)害贏得更多預(yù)警時(shí)間。,跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng),跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(Tracking and Dada RelaySatellite System），簡(jiǎn)稱TDRSS，是為中、低軌道的航天器與航天器之間、航天器與地面站之間提供數(shù)據(jù)中繼、連續(xù)跟蹤與軌適測(cè)控服務(wù)的系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱中繼系統(tǒng)。 TDRSS系統(tǒng)用于轉(zhuǎn)發(fā)地球站對(duì)中低軌道航天器的跟蹤測(cè)控信號(hào)和中繼航天器發(fā)回地面的信息的地球靜止通信衛(wèi)星。高頻段電波的直線傳播特性和地球曲率的影響，使地面測(cè)控站跟蹤中、低軌道航天器的軌道弧段和通信時(shí)間受到限制。跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的作用，相當(dāng)于把地面的測(cè)控站升高到了地球靜止衛(wèi)星軌道高度，可居高臨下地觀測(cè)到在近地空間內(nèi)運(yùn)行的大部分航天器。由適當(dāng)配置的兩顆衛(wèi)星和一座地球站組網(wǎng)，可取代分布在世界各地的許多測(cè)控站，實(shí)現(xiàn)對(duì)中、低軌道航天器85%100%的軌道覆蓋。,跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)功能,跟蹤、測(cè)定中、低軌道衛(wèi)星：跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星幾乎能對(duì)中、低軌道衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)跟蹤，通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)它們與測(cè)控站之間的測(cè)距和多普勒頻移信息實(shí)現(xiàn)對(duì)這些衛(wèi)星軌道的精確測(cè)定。 承擔(dān)航天飛機(jī)和載人飛船的通信和數(shù)據(jù)傳輸中繼業(yè)務(wù)：地面上的航天測(cè)控網(wǎng)（見(jiàn)航天測(cè)控和數(shù)據(jù)采集網(wǎng)）平均僅能覆蓋15%的近地軌道，航天員與地面上的航天控制中心直接通話和實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間有限。兩顆適當(dāng)配置的跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星能使航天飛機(jī)和載人飛船在全部飛行的85%時(shí)間內(nèi)保持與地面聯(lián)系。,跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)功能,為對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)遙感、遙測(cè)數(shù)據(jù)：氣象、海洋、測(cè)地和資源等對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星在飛經(jīng)未設(shè)地球站的上空時(shí)，把遙感、遙測(cè)信息暫時(shí)存貯在記錄器里,而在飛經(jīng)地球站時(shí)再轉(zhuǎn)發(fā)。 滿足軍事特殊需要：以往各類軍用的通信、導(dǎo)航、氣象、偵察、監(jiān)視和預(yù)警等衛(wèi)星的地面航天控制中心，常須通過(guò)一系列地球站和民用通信網(wǎng)進(jìn)行跟蹤、測(cè)控和數(shù)據(jù)傳輸。跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星可以擺脫對(duì)絕大多數(shù)地球站的依賴，而自成一獨(dú)立的專用系統(tǒng)，更有效地為軍事服務(wù)。,現(xiàn)有的中繼衛(wèi)星,“天鏈一號(hào)”的順利升空引起了國(guó)際社會(huì)的高度關(guān)注，美聯(lián)社、路透社、美國(guó)宇航局等媒體與相關(guān)機(jī)構(gòu)均在第一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行報(bào)道。相關(guān)報(bào)道除了表示中繼衛(wèi)星順利發(fā)射，意味著中國(guó)航天事業(yè)進(jìn)一步發(fā)展外，還有美國(guó)軍事專家認(rèn)為這會(huì)大幅提升中國(guó)的軍事能力。,多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介,多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)包含三種星際鏈路（ISL）：軌道內(nèi)鏈路、軌道間鏈路即層間鏈路。 在多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（MLSN）中GEO（高軌道）衛(wèi)星成為陸游算法的決策中樞。MEO（中軌道）衛(wèi)星完成對(duì)地球表面的完全覆蓋。LEO（低軌道）衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)對(duì)地面移動(dòng)終端的接入。 MEO衛(wèi)星和GEO衛(wèi)星通過(guò)ISL連接構(gòu)成拓?fù)浞€(wěn)定的衛(wèi)星骨干網(wǎng)，成為分層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的交換節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)空間數(shù)據(jù)的傳輸與轉(zhuǎn)發(fā)及與關(guān)口站和大型終端通信。LEO星間可不存在星際鏈路，并與高空平臺(tái)HAP等作為具有交換功能的用戶接入點(diǎn)組成衛(wèi)星接入網(wǎng)絡(luò)并通過(guò)ISL與衛(wèi)星骨干網(wǎng)相連。,多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖,多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介實(shí)例分析 基于GEO/LEO兩層星座的衛(wèi)星組網(wǎng),為了實(shí)現(xiàn)包括極地區(qū)域的全球通信覆蓋，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱點(diǎn)地區(qū)獲取不間斷的全方位多頻段信息。研究人員提出采用由低軌星LEO和地球同步星GE兩層極地軌道星座共同組成一個(gè)立體交叉、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的多層星座系統(tǒng)。,兩層星座的衛(wèi)星組網(wǎng)實(shí)例分析,GEO、MEO和LEO衛(wèi)星各自的特點(diǎn) GEO衛(wèi)星：位于地球赤道上空高度為35 786 km的軌道上，其角速度與地球表面旋轉(zhuǎn)的角速度相同，因此相對(duì)地面靜止，單顆GEo衛(wèi)星覆蓋范圍較廣(約占地球總面積的13)，最大可覆蓋士70緯度以內(nèi)的區(qū)域。 MEO衛(wèi)星：通常位于距離地面高度為10000km20000 km之間的圓形軌道上，其與地面終端之間的通信延時(shí)約為120 ms，鏈路損耗也相對(duì)較小。,兩層星座的衛(wèi)星組網(wǎng)實(shí)例分析,GEO、MEO和LEO衛(wèi)星各自的特點(diǎn) LEO衛(wèi)星：常位于星座系統(tǒng)中距離地兩高度為500 km2 000 km之間的圓形軌道上，其與地面終端之間的通信延時(shí)最短，約為25 ms，鏈路損耗也最小。,兩層星座的衛(wèi)星組網(wǎng)實(shí)例分析,早期單層星座的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 由GEO組成的星座： 優(yōu)點(diǎn)：由于GEO衛(wèi)星相對(duì)地面靜止，星地間、星間建立的通信鏈路的通信性能相對(duì)穩(wěn)定，系統(tǒng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行管理相對(duì)簡(jiǎn)單。 缺陷：衛(wèi)星間或星地間的超長(zhǎng)距離導(dǎo)致其間信息傳輸?shù)难訒r(shí)較大，且鏈路損耗也較大。另外GEO衛(wèi)星對(duì)地靜止且軌道設(shè)計(jì)參數(shù)固定，通信不能覆蓋地球高緯度區(qū)域,兩層星座的衛(wèi)星組網(wǎng)實(shí)例分析,提問(wèn)：通過(guò)以上單層星座網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)分析，在軍事應(yīng)用上，單層星座網(wǎng)絡(luò)有何特性？,兩層星座的衛(wèi)星組網(wǎng)實(shí)例分析,兩層星座的衛(wèi)星組網(wǎng)實(shí)例分析,兩層星座的衛(wèi)星組網(wǎng)實(shí)例分析,基于GEOLEO兩層星座的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)分析： 與GEOIEO或GEOMEO兩層星座的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，與兩類單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)相比，具有空間頻譜利用率高、組網(wǎng)靈活、抗毀性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)兩種軌道高度衛(wèi)星星座的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的性能。,兩層星座的衛(wèi)星組網(wǎng)實(shí)例分析,早期單層星座的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 由MEO組成的中軌星座或由LEO組成的低軌星座： 這兩種星座結(jié)構(gòu)較為相似。 優(yōu)點(diǎn)：星座中的MEO或LEO衛(wèi)星可通過(guò)設(shè)計(jì)選擇其軌道參數(shù)，實(shí)現(xiàn)靈活布軌，星地、星間的傳輸時(shí)延較小，并可以提供包括地球極地區(qū)域的全球通信覆蓋。 缺點(diǎn)：由于MEO衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星與地面某點(diǎn)作高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這種動(dòng)態(tài)的星座拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)與維護(hù)帶來(lái)一定的困難。,兩層星座的衛(wèi)星組網(wǎng)實(shí)例分析,基于GEOLEO兩層星座的星座建模： GEO星座：共有GE0衛(wèi)星NG“顆(NG4，且為偶數(shù))，均勻分布在赤道上空的地球同步軌道，組成覆蓋全球中低緯度區(qū)域(+70。一70。)的GEO星座。GEO衛(wèi)星Gi相對(duì)地面靜止，其邏輯位置由i來(lái)表示，并且任何時(shí)刻都不會(huì)變化，其1iNG。 LEO星座：LEO衛(wèi)星按極地圓軌道星座進(jìn)行組織，共有MLNL顆，能實(shí)現(xiàn)包括極地區(qū)域的全球通信覆蓋。這里ML是LEO星座中軌道面的數(shù)量，NL為均勻分布在一個(gè)軌道面上的衛(wèi)星數(shù)量。,兩層星座的衛(wèi)星組網(wǎng)實(shí)例分析,基于GEOLEO兩層星座的星座建模： Lm,n表示處于第m軌道面上，序號(hào)為n的LEO衛(wèi)星，其邏輯位置由(m，n)來(lái)表示，m=1，ML。n=1，NL。 盡管LE0衛(wèi)星與地面做高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在不同的快照周期，其邏輯位置不同。但是在時(shí)間非常短的一個(gè)快照時(shí)間間隔內(nèi)，假設(shè)其邏輯位置不變。,快照時(shí)間t，GEO衛(wèi)星和IEO衛(wèi)星的邏輯位置分布如下圖所示：,兩層星座的衛(wèi)星組網(wǎng)實(shí)例分析,LEO衛(wèi)星的分群和分組管理： 為了方便和簡(jiǎn)化GEOIEO兩層星座中的星際鏈設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)傳輸和路由設(shè)計(jì)，本實(shí)例對(duì)IEO衛(wèi)星進(jìn)行分群和分組管理。 LEO衛(wèi)星的分群管理 在每一個(gè)快照周期開始時(shí)，按照邏輯群的定義，根據(jù)GEO衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星的邏輯位置，將LEO衛(wèi)星劃分成NG個(gè)邏輯群。覆蓋該邏輯群的GEO衛(wèi)星為群首，負(fù)責(zé)該群的管理、路由表計(jì)算和層間轉(zhuǎn)發(fā)。,兩層星座的衛(wèi)星組網(wǎng)實(shí)例分析,LEO衛(wèi)星的分群和分組管理： 邏輯群內(nèi)LEO衛(wèi)星的分組管理 為了實(shí)現(xiàn)群首GEO衛(wèi)星對(duì)群內(nèi)LEO衛(wèi)星的有效管理，在群內(nèi)對(duì)LEO衛(wèi)星進(jìn)行分組管理。在每一個(gè)組中選出距離群首GEO衛(wèi)星最近的一顆IEO衛(wèi)星(該衛(wèi)星必須能與GEO衛(wèi)星直接通信)擔(dān)當(dāng)組長(zhǎng)。 組長(zhǎng)LEO負(fù)責(zé)組內(nèi)衛(wèi)星間鏈路狀態(tài)信息的收集和傳輸，以及組內(nèi)路由表的分發(fā)。,兩層星座的衛(wèi)星組網(wǎng)實(shí)例分析,LEO衛(wèi)星的分群和分組管理： 邏輯群內(nèi)LEO衛(wèi)星的分組管理 只在組長(zhǎng)LEO衛(wèi)星和群首GEO衛(wèi)星之間有層間星際鏈路IOSL(Inter Orbit Satellite Links)，組內(nèi)其他LEO衛(wèi)星與群首GEO衛(wèi)星的通信必須通過(guò)組長(zhǎng)LEO衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。,兩層星座的衛(wèi)星組網(wǎng)實(shí)例分析,LEO衛(wèi)星的分群和分組管理： 邏輯群內(nèi)LEO衛(wèi)星的分組管理,兩層星座的衛(wèi)星組網(wǎng)實(shí)例分析,基于GEOLEO兩層星座的組網(wǎng)鏈路： 在基于GEOIEO兩層星座的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，主要有五類鏈路。 GEO衛(wèi)星之間的層內(nèi)星際鏈路ISLGEO LEO衛(wèi)星之間的層內(nèi)星際鏈路lSLLEO GEO衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星間的層間星際鏈路IOSL GEO衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星與地面關(guān)口UDLTG(Terrestrial Gateway)站之間的用戶數(shù)據(jù)通信鏈路TG(UDL：User Data Links) LEO衛(wèi)星與地面用戶便攜設(shè)備PD(PortableDevice)之間的用戶數(shù)據(jù)鏈路UDLPD,兩層星座的衛(wèi)星組網(wǎng)實(shí)例分析,基于GEOLEO兩層星座的組網(wǎng)鏈路： 在基于GEOIEO兩層星座的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，主要有五類鏈路。,兩層星座的衛(wèi)星組網(wǎng)實(shí)例分析,基于GEOLEO兩層星座的數(shù)據(jù)傳輸： GEO衛(wèi)星之間傳送數(shù)據(jù) LEO衛(wèi)星之間傳送數(shù)據(jù) GEO衛(wèi)星向LEO衛(wèi)星傳送數(shù)據(jù) LEO衛(wèi)星向GEO衛(wèi)星傳送數(shù)據(jù) GEOLEO衛(wèi)星向地面關(guān)口站傳送數(shù)據(jù) 地面關(guān)口站向GEOLEO衛(wèi)星傳送數(shù)據(jù) GEOLEO衛(wèi)星向地面用戶便攜設(shè)備傳送數(shù)據(jù),兩層星座的衛(wèi)星組網(wǎng)實(shí)例分析,基于GEoLEo兩層星座的路由策略分析： 由于衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)具有規(guī)律性和周期性，可預(yù)先計(jì)算好每個(gè)快照周期內(nèi)的路由表，存儲(chǔ)在GEO衛(wèi)星中。在每個(gè)快照周期開始時(shí)，組長(zhǎng)LEO衛(wèi)星負(fù)責(zé)收集該分組中的各IEO衛(wèi)星間鏈路的狀態(tài)信息，并將狀態(tài)信息傳輸?shù)饺菏譍EO衛(wèi)星。,兩層星座的衛(wèi)星組網(wǎng)實(shí)例分析,基于GEOLEO兩層星座的路由策略分析： 群首GEO衛(wèi)星取出預(yù)存的對(duì)應(yīng)本快照周期的路由表，根據(jù)各組長(zhǎng)LEo傳來(lái)的LEO星座鏈路狀態(tài)信息修正路由表,并將修正后的路由表傳到各分組的組長(zhǎng)IEO衛(wèi)星；組長(zhǎng)接收來(lái)自群首的路由表，并將路由表向組內(nèi)的LEO衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)。,衛(wèi)星組網(wǎng)新技術(shù) 激光星際鏈路,衛(wèi)星組網(wǎng)新技術(shù),衛(wèi)星激光通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用： 激光的頻率單純，能量高度集中，波束非常細(xì) 密，波長(zhǎng)介于微波與紅外線之間。因此，利用激光 所特有的高強(qiáng)度、高單色性、高相干性和高方向性 等諸多特性，進(jìn)行星際間鏈路通信，就可具備容量更大、增益更高、速度更快、抗干擾性更強(qiáng)和保密 性更好的一系列優(yōu)點(diǎn)。,提問(wèn)：通過(guò)以上衛(wèi)星激光通信特點(diǎn)分析，激光星際鏈路最適用于哪一類星際通信？,衛(wèi)星組網(wǎng)新技術(shù),空間固體激光通信 ( SOLACOS )計(jì)劃 空間固體激光通信 ( SOLACOS：Solid state Laser Communications in Space )是由德國(guó)政府支 持發(fā)展的高碼率衛(wèi)星間激光通信計(jì)劃。該系統(tǒng)主要 由 2個(gè)光通信終端及各 自的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成，一個(gè)終 端采用 1064nm 的 YAG（釔鋁石榴石）激光器，以 650mbps碼率傳輸數(shù)據(jù)。另一終端采用 810 am的半導(dǎo)體激光 器為光源，通信速率是10