中繼衛星組網技術,授課大綱,序言 多層衛星網絡結構簡介 多層衛星網絡簡介實例分析 基于GEO/LEO兩層星座的衛星組網 衛星組網新技術 激光星際鏈路,序言,天鏈一號,“天鏈一號”是中國第一顆地球同步軌道數據中繼衛星，由中國航天科技集團公司所屬中國空間技術研究院為主研制，主要用于為中國神舟載人飛船及后續載人航天器提供數據中繼和測控服務。同時，為中國中、低軌道資源衛星提供數據中繼服務，為航天器發射提供測控支持。,我國兩顆中繼衛星組網運行,光明日報北京9月29日電（記者 齊芳 通訊員 尹學宏、董英隼）載人航天工程測控通信系統副總指揮黃惠明今天在此間表示，我國此前發射的天鏈一號01、02星現已組網運行，并將為我國首次空間交會對接任務提供測控通信保障。 中繼衛星被稱為“衛星的衛星”，是航天器在太空運行的數據“中轉站”，它的軌道覆蓋率高、信道傳輸能力強，可為中、低軌資源衛星提供數據中繼服務，從而極大提高各類衛星使用效益和應急能力，能使資源衛星、環境衛星等數據實時下傳。 據介紹，我國第一顆數據中繼衛星“天鏈一號01星”于2008年4月25日發射成功，在神舟七號載人航天飛行任務中得到成功試驗驗證，為保障航天員安全和載人航天任務的順利實施發揮了重要作用。今年7月11日成功發射的“天鏈一號02星”，在完成在軌測試后，已經與“天鏈一號01星”組網運行，實現了中繼衛星從單星系統到多星系統的跨越，使測控通信覆蓋率大幅提升，為執行交會對接任務提供了有力保障。,中繼衛星,中繼衛星的概述 中繼衛星被稱為“衛星的衛星”，可為衛星、飛船等航天器提供數據中繼和測控服務，極大提高各類衛星使用效益和應急能力，能使資源衛星、環境衛星等數據實時下傳，為應對重大自然災害贏得更多預警時間。,跟蹤與數據中繼衛星系統,跟蹤與數據中繼衛星系統(Tracking and Dada RelaySatellite System），簡稱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據中繼、連續跟蹤與軌適測控服務的系統，簡稱中繼系統。 TDRSS系統用于轉發地球站對中低軌道航天器的跟蹤測控信號和中繼航天器發回地面的信息的地球靜止通信衛星。高頻段電波的直線傳播特性和地球曲率的影響，使地面測控站跟蹤中、低軌道航天器的軌道弧段和通信時間受到限制。跟蹤與數據中繼衛星的作用，相當于把地面的測控站升高到了地球靜止衛星軌道高度，可居高臨下地觀測到在近地空間內運行的大部分航天器。由適當配置的兩顆衛星和一座地球站組網，可取代分布在世界各地的許多測控站，實現對中、低軌道航天器85%100%的軌道覆蓋。,跟蹤與數據中繼衛星系統功能,跟蹤、測定中、低軌道衛星：跟蹤和數據中繼衛星幾乎能對中、低軌道衛星進行連續跟蹤，通過轉發它們與測控站之間的測距和多普勒頻移信息實現對這些衛星軌道的精確測定。 承擔航天飛機和載人飛船的通信和數據傳輸中繼業務：地面上的航天測控網（見航天測控和數據采集網）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時傳輸數據的時間有限。兩顆適當配置的跟蹤和數據中繼衛星能使航天飛機和載人飛船在全部飛行的85%時間內保持與地面聯系。,跟蹤與數據中繼衛星系統功能,為對地觀測衛星實時轉發遙感、遙測數據：氣象、海洋、測地和資源等對地觀測衛星在飛經未設地球站的上空時，把遙感、遙測信息暫時存貯在記錄器里,而在飛經地球站時再轉發。 滿足軍事特殊需要：以往各類軍用的通信、導航、氣象、偵察、監視和預警等衛星的地面航天控制中心，常須通過一系列地球站和民用通信網進行跟蹤、測控和數據傳輸。跟蹤和數據中繼衛星可以擺脫對絕大多數地球站的依賴，而自成一獨立的專用系統，更有效地為軍事服務。,現有的中繼衛星,“天鏈一號”的順利升空引起了國際社會的高度關注，美聯社、路透社、美國宇航局等媒體與相關機構均在第一時間內進行報道。相關報道除了表示中繼衛星順利發射，意味著中國航天事業進一步發展外，還有美國軍事專家認為這會大幅提升中國的軍事能力。,多層衛星網絡結構簡介,多層衛星網絡的網絡結構,多層衛星網絡包含三種星際鏈路（ISL）：軌道內鏈路、軌道間鏈路即層間鏈路。 在多層衛星網絡結構（MLSN）中GEO（高軌道）衛星成為陸游算法的決策中樞。MEO（中軌道）衛星完成對地球表面的完全覆蓋。LEO（低軌道）衛星實現對地面移動終端的接入。 MEO衛星和GEO衛星通過ISL連接構成拓撲穩定的衛星骨干網，成為分層衛星網絡的交換節點負責空間數據的傳輸與轉發及與關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HAP等作為具有交換功能的用戶接入點組成衛星接入網絡并通過ISL與衛星骨干網相連。,多層衛星網絡的網絡結構示意圖,多層衛星網絡簡介實例分析 基于GEO/LEO兩層星座的衛星組網,為了實現包括極地區域的全球通信覆蓋，實現對熱點地區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立體交叉、優勢互補的多層星座系統。,兩層星座的衛星組網實例分析,GEO、MEO和LEO衛星各自的特點 GEO衛星：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的角速度相同，因此相對地面靜止，單顆GEo衛星覆蓋范圍較廣(約占地球總面積的13)，最大可覆蓋士70緯度以內的區域。 MEO衛星：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約為120 ms，鏈路損耗也相對較小。,兩層星座的衛星組網實例分析,GEO、MEO和LEO衛星各自的特點 LEO衛星：常位于星座系統中距離地兩高度為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最短，約為25 ms，鏈路損耗也最小。,兩層星座的衛星組網實例分析,早期單層星座的組網結構簡介 由GEO組成的星座： 優點：由于GEO衛星相對地面靜止，星地間、星間建立的通信鏈路的通信性能相對穩定，系統的組網結構與運行管理相對簡單。 缺陷：衛星間或星地間的超長距離導致其間信息傳輸的延時較大，且鏈路損耗也較大。另外GEO衛星對地靜止且軌道設計參數固定，通信不能覆蓋地球高緯度區域,兩層星座的衛星組網實例分析,提問：通過以上單層星座網絡特點分析，在軍事應用上，單層星座網絡有何特性？,兩層星座的衛星組網實例分析,兩層星座的衛星組網實例分析,兩層星座的衛星組網實例分析,基于GEOLEO兩層星座的組網結構優勢分析： 與GEOIEO或GEOMEO兩層星座的組網結構，與兩類單層衛星網絡相比，具有空間頻譜利用率高、組網靈活、抗毀性強等優點，能夠實現兩種軌道高度衛星星座的優勢互補，提高衛星網絡的性能。,兩層星座的衛星組網實例分析,早期單層星座的組網結構簡介 由MEO組成的中軌星座或由LEO組成的低軌星座： 這兩種星座結構較為相似。 優點：星座中的MEO或LEO衛星可通過設計選擇其軌道參數，實現靈活布軌，星地、星間的傳輸時延較小，并可以提供包括地球極地區域的全球通信覆蓋。 缺點：由于MEO衛星和LEO衛星與地面某點作高速相對運動，這種動態的星座拓撲結構給系統的設計、建設與維護帶來一定的困難。,兩層星座的衛星組網實例分析,基于GEOLEO兩層星座的星座建模： GEO星座：共有GE0衛星NG“顆(NG4，且為偶數)，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域(+70。一70。)的GEO星座。GEO衛星Gi相對地面靜止，其邏輯位置由i來表示，并且任何時刻都不會變化，其1iNG。 LEO星座：LEO衛星按極地圓軌道星座進行組織，共有MLNL顆，能實現包括極地區域的全球通信覆蓋。這里ML是LEO星座中軌道面的數量，NL為均勻分布在一個軌道面上的衛星數量。,兩層星座的衛星組網實例分析,基于GEOLEO兩層星座的星座建模： Lm,n表示處于第m軌道面上，序號為n的LEO衛星，其邏輯位置由(m，n)來表示，m=1，ML。n=1，NL。 盡管LE0衛星與地面做高速相對運動，在不同的快照周期，其邏輯位置不同。但是在時間非常短的一個快照時間間隔內，假設其邏輯位置不變。,快照時間t，GEO衛星和IEO衛星的邏輯位置分布如下圖所示：,兩層星座的衛星組網實例分析,LEO衛星的分群和分組管理： 為了方便和簡化GEOIEO兩層星座中的星際鏈設計、數據傳輸和路由設計，本實例對IEO衛星進行分群和分組管理。 LEO衛星的分群管理 在每一個快照周期開始時，按照邏輯群的定義，根據GEO衛星和LEO衛星的邏輯位置，將LEO衛星劃分成NG個邏輯群。覆蓋該邏輯群的GEO衛星為群首，負責該群的管理、路由表計算和層間轉發。,兩層星座的衛星組網實例分析,LEO衛星的分群和分組管理： 邏輯群內LEO衛星的分組管理 為了實現群首GEO衛星對群內LEO衛星的有效管理，在群內對LEO衛星進行分組管理。在每一個組中選出距離群首GEO衛星最近的一顆IEO衛星(該衛星必須能與GEO衛星直接通信)擔當組長。 組長LEO負責組內衛星間鏈路狀態信息的收集和傳輸，以及組內路由表的分發。,兩層星座的衛星組網實例分析,LEO衛星的分群和分組管理： 邏輯群內LEO衛星的分組管理 只在組長LEO衛星和群首GEO衛星之間有層間星際鏈路IOSL(Inter Orbit Satellite Links)，組內其他LEO衛星與群首GEO衛星的通信必須通過組長LEO衛星進行轉發。,兩層星座的衛星組網實例分析,LEO衛星的分群和分組管理： 邏輯群內LEO衛星的分組管理,兩層星座的衛星組網實例分析,基于GEOLEO兩層星座的組網鏈路： 在基于GEOIEO兩層星座的衛星網絡中，主要有五類鏈路。 GEO衛星之間的層內星際鏈路ISLGEO LEO衛星之間的層內星際鏈路lSLLEO GEO衛星和LEO衛星間的層間星際鏈路IOSL GEO衛星和LEO衛星與地面關口UDLTG(Terrestrial Gateway)站之間的用戶數據通信鏈路TG(UDL：User Data Links) LEO衛星與地面用戶便攜設備PD(PortableDevice)之間的用戶數據鏈路UDLPD,兩層星座的衛星組網實例分析,基于GEOLEO兩層星座的組網鏈路： 在基于GEOIEO兩層星座的衛星網絡中，主要有五類鏈路。,兩層星座的衛星組網實例分析,基于GEOLEO兩層星座的數據傳輸： GEO衛星之間傳送數據 LEO衛星之間傳送數據 GEO衛星向LEO衛星傳送數據 LEO衛星向GEO衛星傳送數據 GEOLEO衛星向地面關口站傳送數據 地面關口站向GEOLEO衛星傳送數據 GEOLEO衛星向地面用戶便攜設備傳送數據,兩層星座的衛星組網實例分析,基于GEoLEo兩層星座的路由策略分析： 由于衛星運動具有規律性和周期性，可預先計算好每個快照周期內的路由表，存儲在GEO衛星中。在每個快照周期開始時，組長LEO衛星負責收集該分組中的各IEO衛星間鏈路的狀態信息，并將狀態信息傳輸到群首GEO衛星。,兩層星座的衛星組網實例分析,基于GEOLEO兩層星座的路由策略分析： 群首GEO衛星取出預存的對應本快照周期的路由表，根據各組長LEo傳來的LEO星座鏈路狀態信息修正路由表,并將修正后的路由表傳到各分組的組長IEO衛星；組長接收來自群首的路由表，并將路由表向組內的LEO衛星轉發。,衛星組網新技術 激光星際鏈路,衛星組網新技術,衛星激光通信的優點和應用： 激光的頻率單純，能量高度集中，波束非常細 密，波長介于微波與紅外線之間。因此，利用激光 所特有的高強度、高單色性、高相干性和高方向性 等諸多特性，進行星際間鏈路通信，就可具備容量更大、增益更高、速度更快、抗干擾性更強和保密 性更好的一系列優點。,提問：通過以上衛星激光通信特點分析，激光星際鏈路最適用于哪一類星際通信？,衛星組網新技術,空間固體激光通信 ( SOLACOS )計劃 空間固體激光通信 ( SOLACOS：Solid state Laser Communications in Space )是由德國政府支 持發展的高碼率衛星間激光通信計劃。該系統主要 由 2個光通信終端及各 自的實驗平臺組成，一個終 端采用 1064nm 的 YAG（釔鋁石榴石）激光器，以 650mbps碼率傳輸數據。另一終端采用 810 am的半導體激光 器為光源，通信速率是10