一种基于位置信息的低速率星间交换方法

摘要

一种基于位置信息的低速率星间交换方法，该方法基于需要建立异轨星间链路的两颗数据采集卫星上的信息收发设备，利用星载GNSS接收机数据实时获取时间、经纬度信息等，进而利用经纬度信息判断本节点是否本圈即将过境来控制收发设备交换数据，若当前卫星即将过境，则不需要交换数据，待过境时将所存数据全部回传地面站；若当前卫星本圈不过境，其纬度达到数据交换临界点时，开机并利用星间收发设备向相邻轨道面的下一跳卫星传输数据，直至传递到过境卫星，进而将数据回传。

权利要求

1.一种基于位置信息的低速率星间交换方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤一、建立低轨通讯星座，保证对地球某一区域或全球实现全覆盖；低轨通讯星座中全部卫星均安装收发处理机和收发天线，天线的安装要确保在轨运行时处于相邻轨道上的相邻两颗卫星处于对方天线波束的覆盖范围内；低轨通讯星座中全部卫星均利用星载GNSS接收机实时获取卫星所处的经纬度信息；

步骤二、在低轨通讯星座中，任意选取两颗处于相邻轨道上的相邻的卫星，分别作为发射卫星和接收卫星；

步骤三、利用发射卫星自身所处的经纬度信息判断发射卫星是否即将过境：若发射卫星在所处轨道周期内过境，则发射卫星与接收卫星不交换数据，发射卫星在过境时，将所存数据全部回传至地面站，方法结束；若发射卫星在所处轨道周期内不过境，发射卫星在运行过程中，当纬度达到数据交换临界点时，发射卫星向接收卫星传输数据，进入步骤四；

步骤四、将接收卫星作为新的发射卫星，将与接收卫星处于相邻轨道的另一颗相邻的卫星作为新的接收卫星，重复步骤三，直至将数据传回至地面站。

2.根据权利要求1所述的一种基于位置信息的低速率星间交换方法，其特征在于，发射卫星是否即将过境的判断方法为：根据卫星的轨道特性计算出卫星切边过境的经纬度范围，将卫星切边过境的经纬度范围储存在卫星上，卫星根据储存的卫星切边过境的经纬度范围判断是否过境：当卫星实时获得的所处经纬度信息处于卫星切边过境的经纬度范围时，则该卫星在所处轨道周期内过境；否则，该卫星在所处轨道周期内不过境。

3.根据权利要求1所述的一种基于位置信息的低速率星间交换方法，其特征在于，所述数据交换临界点选取能够满足数据传输需求的纬度值。

说明书

一种基于位置信息的低速率星间交换方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种低速率星间交换方法。

背景技术

[0002] 目前的低轨通信星座，要么利用复杂的星间链路和路由系统来实现信息的快速回传，比如铱星星座，要么利用全球分布的大量的地面站来实现信息快速落地和回传，比如GlobalStar星座，这对我国目前的形势来说，既不易大规模投入建立复杂的星间组网系统，又不易在全球范围内建设大量地面来回传数据，研究一种简单有效的基于位置信息的低速率星间交换方法十分必要。

[0003] 作为未来空间信息采集和传输网络的重要组成部分，数据采集卫星系统以广域分散的地面传感器获得的信息为数据来源，利用小卫星星座实现大地域低延迟信息感知，为用户提供适应于陆地、海洋和航空等不同应用环境的短数据采集、短数据通信和信息广播服务。目前设计的数据采集卫星系统能够对数据进行采集、汇聚、处理、分发，通过对地面状态信息直接感知，实现对地高精度原位探测，具有数据传输灵敏度高、地域覆盖性广、终端小、用户使用成本低等特点，适用于用户数多，但数据传输量小，实时性要求不高的应用。

[0004] 随着我国社会快速发展，灾害监测与预警、环境监测、遇险搜救等公益应用，物联网、交通物流等商业应用，以及多样化军事应用对数据采集星座系统提出了迫切需求。考虑到目前数据采集卫星系统没有星间链路，造成数据采集时延较大(最大可达10小时)的弱点，难以满足高效低时延信息传输服务，约束了该系统的整体服务性能。

[0005] 因此，设计简单高效的低速率星间交换方法是提升数据采集卫星系统网络性能的一个重要研究课题。目前尚没有合适的适用于数据采集卫星系统的星间交换方法。

发明内容

[0006] 本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种基于位置信息的低速率星间交换方法，具有协议算法简单，且不需要节点知道全网的位置信息或者拓扑信息即可执行等优点，尤其适合于动态拓扑且星上处理能力有限的低速率低轨信息网络系统。

[0007] 本发明所采用的技术方案是：一种基于位置信息的低速率星间交换方法，包括步骤如下：

[0008] 步骤一、建立低轨通讯星座，保证对地球某一区域或全球实现全覆盖；低轨通讯星座中全部卫星均安装收发处理机和收发天线，天线的安装要确保在轨运行时处于相邻轨道上的相邻两颗卫星处于对方天线波束的覆盖范围内；低轨通讯星座中全部卫星均利用星载GNSS接收机实时获取卫星所处的经纬度信息；

[0009] 步骤二、在低轨通讯星座中，任意选取两颗处于相邻轨道上的相邻的卫星，分别作为发射卫星和接收卫星；

[0010] 步骤三、利用发射卫星自身所处的经纬度信息判断发射卫星是否即将过境：若发射卫星在所处轨道周期内过境，则发射卫星与接收卫星不交换数据，发射卫星在过境时，将所存数据全部回传至地面站，方法结束；若发射卫星在所处轨道周期内不过境，发射卫星在运行过程中，当纬度达到数据交换临界点时，发射卫星向接收卫星传输数据，进入步骤四；

[0011] 步骤四、将接收卫星作为新的发射卫星，将与接收卫星处于相邻轨道的另一颗相邻的卫星作为新的接收卫星，重复步骤三，直至将数据传回至地面站。

[0012] 发射卫星是否即将过境的判断方法为：根据卫星的轨道特性计算出卫星切边过境的经纬度范围，将卫星切边过境的经纬度范围储存在卫星上，卫星根据储存的卫星切边过境的经纬度范围判断是否过境：当卫星实时获得的所处经纬度信息处于卫星切边过境的经纬度范围时，则该卫星在所处轨道周期内过境；否则，该卫星在所处轨道周期内不过境。

[0013] 所述数据交换临界点指卫星切边过境的经纬度范围的边界点。

[0014] 本发明与现有技术相比的优点在于：

[0015] (1)本发明的方法可简化卫星星间通信载荷负荷，且载荷相对方位固定，降低了星间通信设备的研制难度，更便于载荷的批量生产，且算法简单，每颗卫星只需知道自身的经纬度信息即可完成信息交换，相比传统的组网路由技术，方法更简便高效，不需要复杂的星载硬件设备和软件系统；

[0016] (2)本发明的方法可以将路由交换部分的长期功耗转为短期功耗。载荷只需在北半球高纬度地区开机交换数据，大部分时间处于关机状态，很好地解决了功耗问题；

[0017] (3)本发明的方法有着星间数据交换快速信息回传的优势，且只需在国内布设少量地面站，即可显著提高目前数据采集卫星系统系统时延性能，由目前最大时延约10小时提升到约1.5小时，平均信息回传时间大约在40分钟。

[0018] (4)本发明的方法不需要知道其他节点的位置信息，也不需要维护拓扑关系和选择路由，而是依据节点位置信息和升降轨信息直接开机传递数据包。方法简单高效，且节约能源，缩短了全球范围数据采集卫星系统用户信息的回传时延。

附图说明

[0019] 图1为本发明方法的具体实现流程图；

[0020] 图2为卫星过境判断示意图。

具体实施方式

[0021] 本发明是一种基于位置信息的低速率星间交换方法，每颗卫星只需实时维护自身的时间和位置等信息，并且在北半球高纬度地区固定的纬度和经度区域进行数据交换，交换时双星相对方位比较固定，每颗星只需在一个方位安装信号接收天线，在另外一个方位安装信号发射天线即可满足交换的需求，可将整个星座的最大时延由10个小时提升至1个半小时，可基本满足大部分数据采集用户时延需求。

[0022] 如图1所示，本发明公开了一种基于位置信息的低速率星间交换方法，包括步骤如下：

[0023] 步骤一、建立低轨通讯星座，保证对地球某一区域或全球实现全覆盖；低轨通讯星座中全部卫星均安装收发处理机和收发天线，天线的安装要确保在轨运行时处于相邻轨道上的相邻两颗卫星处于对方天线波束的覆盖范围内；低轨通讯星座中全部卫星均利用星载GNSS(全球导航卫星系统)接收机实时获取卫星所处的经纬度信息；

[0024] 步骤二、在低轨通讯星座中，任意选取两颗处于相邻轨道上的相邻的卫星，分别作为发射卫星和接收卫星；

[0025] 步骤三、利用发射卫星自身所处的经纬度信息判断发射卫星是否即将过境：

[0026] 若发射卫星在所处轨道周期内过境，则发射卫星与接收卫星不交换数据，发射卫星在过境时，将所存数据全部回传至地面站，方法结束；

[0027] 若发射卫星在所处轨道周期内不过境，发射卫星在运行过程中，当纬度达到设定的数据交换临界点时，发射卫星向接收卫星传输数据，进入步骤四；

[0028] 步骤四、将接收卫星作为新的发射卫星，将与接收卫星处于相邻轨道的另一颗相邻的卫星作为新的接收卫星，重复步骤三，直至将数据传回至地面站。

[0029] 卫星是否即将过境的判断方法为：根据卫星的轨道特性计算出卫星切边过境的经纬度范围，将卫星切边过境的经纬度范围储存在卫星上，卫星根据储存的卫星切边过境的经纬度范围判断是否过境：当卫星实时获得的所处经纬度信息处于卫星切边过境的经纬度范围时，则该卫星在所处轨道周期内过境；否则，该卫星在所处轨道周期内不过境。

[0030] 数据交换临界点指卫星切边过境的经纬度范围的边界点，是根据卫星的轨道特性、交换数据的时长需求、收发天线覆盖范围来确定。

[0031] 实施例1

[0032] 这里以覆盖我国区域及周边的低轨数据采集星座为例，该星座共36颗卫星，轨道倾角为48°。每颗数据采集卫星携带一副接收天线、一副发射天线和一个收发处理单元。每颗卫星利用星载GNSS设备实时确定自身的位置和速度信息，以此不断更新自身的升降轨信息和星下点经纬度信息，当卫星升轨至36°N时，开始进行过境判断和开机交换判断，以确保资源充分利用和信息的快速回传，当卫星降轨至36°N时，关机节约能源。

[0033] 以上述覆盖我国及周边的星座为例，基于位置信息的低速率星间交换方法，包括步骤如下：

[0034] 步骤一、建立低轨通讯星座，保证对地球某一区域或全球实现全覆盖；低轨通讯星座中全部卫星均安装收发处理机和收发天线，天线的安装要确保在轨运行时处于相邻轨道上的相邻两颗卫星处于对方天线波束的覆盖范围内；低轨通讯星座中全部卫星均利用星载GNSS接收机实时获取卫星所处的经纬度信息；

[0035] 步骤二、在低轨通讯星座中，任意选取两颗处于相邻轨道上的相邻的卫星，分别作为发射卫星和接收卫星；

[0036] 步骤三、利用发射卫星自身所处的经纬度信息判断发射卫星是否即将过境：

[0037] 若发射卫星在所处轨道周期内过境，则发射卫星与接收卫星不交换数据，发射卫星在过境时，将所存数据全部回传至地面站，方法结束；

[0038] 若发射卫星在所处轨道周期内不过境，发射卫星在运行过程中，当纬度达到数据交换临界点(选取的能够满足数据传输需求的纬度值，本文选取的是36°N)时，发射卫星向接收卫星传输数据，进入步骤四；

[0039] 1)过境判断

[0040] 过境是指卫星在一个轨道周期运动时对于A、B和C三站，在截止高度角为15°时可见其中任一测站即为本周期过境，过境判断主要是根据卫星轨道的运行规律，判断卫星是否本周期过境，若过境则无需开发射机，只需接收机接收即可，待过境时直接将信息回传至三个测站即可，若本周期不过境，则需开机进行星间数据交换，将数据发送至下一跳卫星，以确保信息以最快速度回传。过境判断算法是指，根据卫星的运动规律，找出卫星升轨和降轨过程中经过数据交换临界点时对应的经度值，进而确定过境经纬度区间。过境判断算法为星间数据交换提供了重要判据，在尽量降低能耗的同时保障了星间有限的信息交换资源。

[0041] 图2即为卫星过境判断示意图。三个黑色的圆圈表示三个测站截止高度角为15°时，其可观测900km上空数据采集卫星所对应的星下点经纬度边界，黑色弧形虚线为两颗数据采集卫星星下点轨迹，若以36°N为星间交换计算判断的纬度，则可以得到沿36°N纬度线黑色粗实线区域是卫星无法直接过境的区域(约东经150°～西经25°范围)，若卫星位于这些区域需要进行星间信息交换，若位于该区域之外，则卫星本周期过境。

[0042] 2)开机交换判断

[0043] 为了充分利用卫星的能量资源，本实施例中只选择卫星升轨至36°N时，开始开机准备收发星间交换数据。卫星根据自身位置信息和速度信息，即可计算出经纬度和升降轨信息，即如果当前卫星处于升轨阶段且纬度即将接近36°N，则启动卫星星间交换设备，准备向邻轨的下一跳卫星发送数据，同时准备接收邻轨的上一跳卫星发送过来的数据。

[0044] 步骤四、将接收卫星作为新的发射卫星，将与接收卫星处于相邻轨道的另一颗相邻的卫星作为新的接收卫星，重复步骤三，直至将数据传回至地面站。

[0045] 本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。