第五章-星间链路及星座组网技术...ppt

1、,第六章航天期间链路,星间链路的概念,星间链路是指用于卫星之间通信的链路。也称为星际链路或交叉链路（Crosslink）通过星间链路可以实现卫星之间的信息传输和交换通过星间链路将多颗卫星互联在一起，形成一个以卫星作为交换节点的空间通信网络,建立星间链路的意义,扩大了系统的覆盖范围减少传输时延，满足多媒体实时业务的QoS要求独立组网，卫星网不依赖于地面网提供通信业务，作为地面网的备份可以在一定程度上解决地面蜂窝网的漫游问题,星间链路的组成,星间链路包括四个子系统：接收机、发射机、捕获跟踪子系统以及天线子系统。接收机：完成对接收信号的放大、变频、检测、解调和译码等，提供星间链路与卫星下行链路之间的

2、接口发射机：负责从卫星的上行链路中选择需要在星间链路上传输的信号，完成编码、调制、变频和放大捕获跟踪子系统：负责使星间链路两端的天线互相对准（捕获），并使指向误差控制在一定的误差范围以内（跟踪）天线子系统：负责在星间链路收发电磁波信号,星间链路种类,同种轨道类型的星间链路GEO/GEO，LEO/LEO，MEO/MEO，HEO/HEO之间链路不同轨道类型的星间链路GEO/LEO，MEO/LEO，GEO/MEO,GEO/HEO之间链路同轨道面星间和异轨道面星间链路,星间链路的传输介质,微波毫米波激光,星间链路使用的频段,WRC-95分配给星间链路的频段,星间链路的几何特性,描述星间链路几何特性的方

3、位角和仰角是相对于卫星本体星间链路指向的变化情况。预先估计邻近卫星星间链路指向的变化情况,就可以设计最优化的搜索方案,减少星间链路建立的时间。星间链路建立以后的星间距离大小与变化范围。星间距离的变化情况不但对星间通信的功率大小提出了基本要求,而且也对功率变化动态范围提出了技术指标。,ij和ji分别是卫星i对j和j对i的方位角。,EA和EB分别为卫星A和B的仰角，是星间链路与卫星所在点的天球切面间的夹角。,星间链路的几何特性（续）,星间链路的几何特性（续）,在LEO或MEO卫星星座通信系统中，具有星间链路的两颗卫星之间，方位角、仰角和星间距离一般随时间而变化，方位角和仰角的变化要求星载天线具有自

4、动跟踪能力，链路距离的变化要求天线的发射功率具有自动功率控制。不同星座星间链路建立的难易程度与方位角、仰角和星间距离的动态变化范围、变化速率有关。,星间链路的几何动态特征,链路指向方位角和仰角的时间变化率：星间链路指向角度变化率可以指导星载天线自动跟踪功能的设计,通过分析星间链路指向变化率特征,自动调整星载天线的跟踪准确度和跟踪速度。星间链路距离时间变化率：星间链路距离变化率为星载发射机自动调节功率提供有效参考依据,通过计算星间链路距离变化率,得到功率调节所需要的基本指标参数,包括功率调整范围和调整速度等,两颗卫星建立星间链路，其位置必须满足如下条件：,其中h为卫星高度，Hp为余隙（星间链路与

5、地球表面的距离），Re为地球半径,相同轨道高度卫星之间的星间链路,同一轨道面内的星间链路不同轨道面之间的轨间星间链路,EA和EB分别为卫星A和B的仰角，是星间链路与卫星所在点的天线切面之间的夹角。,在给定卫星高度和最小余隙高度的情况下，根据上式可确定最大的星间地心角max，再根据卫星的瞬时位置计算实际的星间地心角，如果max则卫星相互间不可见，无法建立星间链路；反之则可以建立星间链路。,最大星间地心角：,在轨道高度一定的情况下，给定允许的最小余隙（记为HP）便可以决定最大星间地心角max和最长星间链路距离Dmax。,仰角：EA=EB=-/2,星间距离由卫星间的地心角唯一确定。,星间距离：,最大

6、星间距离：,星间链路方位角：,如果已知轨道周期为T，则卫星在轨道面内的时变相位为(t)=2t/T；轨道倾角为i；两卫星i和j所在轨道面的经度差；各自的初始幅角为i和j，则在t时刻卫星i对j的方位角ij由下式确定：,轨道高度较高的卫星将始终有负的仰角值，而高度较低的卫星的仰角则可正可负。与相同轨道高度时的情况相似，星间链路距离地球表面也应当留有余隙，最小余隙HP对应着最大星间地心角max和最长的星间链路距离Dmax。,不同轨道高度卫星之间的星间链路,hA是卫星A的轨道高度，hB是卫星B的轨道高度，且假定hAhB；是两卫星所夹地心角；EA和EB分别为卫星A和B的仰角。卫星的仰角满足关系式：,当ma

7、x时，两卫星之间能够建立星间链路，反之则不能建立链路。,星间链路特性随轨道高度的变化,假定两颗卫星右升交点经度差为30，初始幅角差为20，倾角均为45。下图给出了轨道高度分别为1500/5000/20000km时，星间链路的方位角、仰角和距离随时间变化的特性。,卫星轨道高度的变化将会影响到方位角、仰角和星间距离变化的周期特性。方位角的变化周期与卫星轨道周期相同；仰角和星间距离的变化周期为卫星轨道周期的一半。,星间链路特性随倾角的变化,假定两颗卫星右升交点经度差为30，初始幅角差为20，轨道高度均为10354km。下图给出了轨道倾角分别为10、30、50、70和90时，星间链路的方位角、仰角和星

8、间距离随时间变化的特性。,卫星轨道倾角的变化不会影响方位角、仰角和星间距离取值的周期特性，但会影响它们取值的大小以及取值的动态变化范围。方位角的取值大小以及取值的动态变化范围随着倾角的增大而增加；仰角和星间距离的取值随着倾角的增大而减小，但取值的动态变化范围随着倾角的增大而增加。,星间链路需要解决的问题,星间链路的指向变化指向变化可能导致背景噪声温度的动态变化，且变化幅度可能较大，需要研究星间链路天线指向控制技术天线指向捕获困难，指向误差会降低天线增益。由于星间链路的天线波束非常窄，而卫星本身姿态控制的准确度大约只有0.1度左右。需要使天线的波束变宽，或者采用波束扫描技术星间链路子网络信息交换

9、的路由选择星间激光链路的PAT,卫星通信资源管理及移动性管理,卫星通信系统的无线资源管理接入控制切换控制功率控制负荷控制分组调度卫星通信系统的移动性管理位置管理切换管理,卫星点波束小区,（一）资源管理,信道分配固定信道分配：每个小区(波束)固定地分配一组信道。相隔距离等于某一固定值的两个小区分配相同的信道以实现频率复用。动态信道分配：只要相同信道之间满足频率复用距离约束条件，每个信道可以分配给网络中的任意小区。混合信道分配：当某个波束内业务量增加，固定分配的信道不够用时，由网控中心统一分配一部分信道给信道不够使用的波束其它信道分配策略信道借用结合信道（链路）特性的信道分配,接入控制策略,最长服

10、务时间最短距离最多可用信道数基于负荷均衡,选星和接入控制,切换策略,最近卫星准则最强信号准则最长可视时间准则最小负荷准则最短传播路径准则最小跳数准则,新呼叫和切换呼叫服务方案,路由策略,虚拟拓扑策略：利用星座卫星运动的周期性和可预测性，将动态变化的网络拓扑看成是一系列重复周期为T的网络拓扑快照。一个周期内的网络拓扑快照数为K=T/t。通过选择合适的时间间隔t，可使网络拓扑快照接近于实时的网络拓扑结构。虚拟节点策略：将地球表面覆盖域按保持不变的逻辑地址划分，与地面覆盖域对应的空间节点视为一虚拟节点，代表运行到这个虚拟空间的卫星，卫星运动到不同的覆盖域上方就使用不同的逻辑地址，路由的确定主要是根据

11、虚拟节点来计算的。拓扑依赖策略：要求对卫星网络的拓扑结构和卫星的移动性具有认知能力，通过不断分析当前网络的拓扑结构特点，针对不同的拓扑结构采用不同的路由策略。,基于虚拟拓扑的路由,（二）移动性管理,位置管理位置区划分位置更新寻呼位置信息数据库切换管理用户链路切换馈电链路切换星间链路切换,位置区划分方案,基于用户地理位置的位置区：根据用户当前地理位置设定一个位置区基于卫星脚印的位置区：只要移动终端不能再收到当前卫星的广播信息就必须进行一次位置更新基于地球站覆盖的位置区：一旦终端不能接收到当前地球站的广播信息，就进行位置更新同时基于卫星和地球站覆盖的位置区：移动终端同时接收卫星和固定地球站的标识广

12、播，无论是丢失当前卫星还是当前地球站的广播信息，都要进行位置更新,位置更新方案,静态位置更新方案动态位置更新方案基于距离的动态位置更新方案基于移动的动态位置更新方案基于时间的动态位置更新方案基于移动和时间的动态位置更新方案,寻呼方案,最优卫星寻呼：利用相对于用户终端仰角最大的卫星发送寻呼消息分集寻呼：利用两颗卫星（相对于用户终端的仰角最大和次大）同时发送寻呼消息结合卫星脚印和波束的寻呼：采用一步或两步寻呼的方案一步寻呼：只寻呼一次，在所有可能的覆盖小区同时发起寻呼标准两步寻呼：由寻呼相关信息和星座星历表得到具体的寻呼小区，第一步通过该波束发送寻呼命令；如在一个寻呼周期内没收到回复，则第二步在整

13、个位置区（即多个波束覆盖区）中发寻呼命令。,产生切换的原因,卫星终端与卫星星座之间的相对运动关口站与卫星星座之间的相对运动系统控制中心与卫星星座之间的相对运动卫星终端与关口站之间的相对运动卫星星座中各卫星之间的相对运动,四种切换情形,同一信关站和卫星内不同波束间的切换,同一信关站和不同卫星的波束间的切换,说明：灰色区域为信关站覆盖区，白色区域为卫星覆盖区，绿色区域为波束覆盖区,不同信关站同一卫星的波束间的切换,不同信关站和不同卫星的波束间的切换,说明：灰色区域为信关站覆盖区，白色区域为卫星覆盖区，绿色区域为波束覆盖区,四种切换情形（续）,切换分类,波束间切换星间切换信关站间切换网络切换,切换流

14、程,用户终端周期测量当前波束和相邻波束的导频信号强度变化，确定是否正在穿越相邻波束的重叠区若用户终端进入重叠区，并达到切换的触发条件，则启动切换。用户中止利用当前波束进行通信，等待分配信道利用新波束进行通信切换开始后，需要在新波束为用户分配信道，并在原先波束释放信道。分配完成以后，将数据流从旧链路转移到新链路，完成切换。,四、多星测控技术,测控系统概述多星测控出现的问题解决多星测控问题的途径新的测控技术星座卫星系统测控的特点及动态星座卫星系统的多星测控途径,（一）测控系统概述,航天测控系统的概念航天测控系统是对航天器飞行轨道、姿态和其上各分系统工作状态进行跟踪测量、监视与控制的技术系统，用于保

15、障航天器按照预先设计好的状态飞行与工作，以完成规定的航天任务当系统中包含天地话音、电视和用户数据传输等通信功能时，又称为航天器测控与通信系统,航天测控系统的作用和分类航天测控系统的作用航天测控系统是航天系统中天、地两大部分之间联系的窗口。通过测控站（包括发射段测控站、运行段测控站和返回段测控站）建立地面与航天器之间的天地无线电链路，实施对航天器的跟踪测轨、遥测、遥控和天地通信、数据传输业务。航天测控系统的分类卫星测控系统载人航天测控系统深空测控系统,航天测控系统的组成跟踪测轨系统遥测系统遥控系统天地通信与数据传输系统数据处理系统监控显示系统地地通信系统时间统一系统,跟踪测轨系统：使测控天线指向

16、航天器，建立天地无线电链路，获取航天器相对测控天线的方向角、距离及径向速度等位置运动参数，以确定航天器的运行轨道遥测系统：对在航天器上测量与收集、经下行链路传送到地面的各种参数数据进行接收、处理，并按要求发送到相应的用户系统遥控系统：产生指令信息和注入数据的编码，经上行无线电链路发向航天器，按任务需要对航天器进行实时控制或程序定时控制天地通信与数据传输系统：完成航天器与地面之间的话音、电报、电视、图像和特种或较高速率的数据传输,数据处理系统：是测控计算机及其系统软件和应用软件的集合，对测量数据进行加工、计算、分析，产生控制指令和注入数据，完成信息交换和对测控系统设备进行管理的系统监控显示系统：

17、是将数据处理系统处理后送出的、指挥控制人员关注的信息进行汇集、加工和显示，为分析决策和指挥控制提供依据的系统地地通信系统：是连接测控系统中心（如西安卫星测控中心）和测控站以及测控系统中心和航天系统中其它系统各中心，用以传送数据、话音和图像等信息的系统时间统一系统：为测控系统提供统一的标准时间信号和标准频率信号,测控站分类,测控单元航天控制中心航天测控网操作控制中心：负责测控网的组织调度和操作管理航天任务指挥控制中心：飞行任务计划与组织，航天器飞行监视与操作控制测控站根据功能分单功能测控站：如跟踪测轨站，遥测站，遥控站多功能测控站：如USB测控，TT&C站，遥测和天地通信站根据布置位置分天基测控站空基测控站地基（地面）测控站,典型USB系统原理框图,（二）多星测控出现的问题,测控网中的测控设备、信息处理系统、指挥监控系统等所支持的卫星数量有限当多星同时过境或多星同时测控时，可能出现以下问题多卫星过境测控站的调度冲突测控中心的资源冲突,（三）解决多星测控问题的技术途径,提高卫星自主能力：利用星载计算机适当增加测控资源缩短设备换星重构时间，提高设备可用率建立简单的卫星监视系统