一种绕飞编队高码速率星间链路切换方法及系统与流程

本发明涉及宇航飞行器通讯技术，具体地，涉及一种绕飞编队高码速率星间链路切换方法及系统。

背景技术：

随着航天技术的发展，卫星应用领域遍布遥感、导航、通信以及新技术试验等领域，卫星规模也从单星发展到双星、多星。其中，编队卫星主要通过星间协同实现数据的获取、交互、处理和分析，由此可见如何保证星间链路畅通、稳定是编队卫星完成复杂空间任务的关键。为此，尤其针对绕飞编队卫星，如附图1所示，高码速率、全向、全时星间传输链路的切换算法展开研究。

国内外目前已经应用的星间链路设计方案较多，但这些星间链路多是基于跟飞、伴飞编队形式的定向、间歇通讯链路；仅有的少数基于绕飞编队的星间链路方案，要么通过地面站或中继卫星转发建链，链路不但时延大，并且由于地球遮挡存在通讯间断，要么利用大视场(180°)通讯天线实现星间数据异源接收，不存在切换逻辑，但传输速率较低。

公开号为“cn104537202a”的专利文献公开了一种“基于卫星编队协作的空间天线阵列合成方法”，通过两颗编队geo卫星同时对地面站发射信号进行协作接收实现星间链路通讯，该方法存在较大转发延时和链路间隙问题，无法满足绕飞编队卫星全向、全时通讯链路需求。

公开号为“cn108964740a”的专利文献公开了“基于双星绕飞编队的全向星间通信链路”，公开号为“cn108964740a”的专利文献公开了“一种编队卫星星间通讯系统设计方法”，上述两个专利方法面向星间链路系统设计，皆通过利用一对大视场(180°)对天、对地通讯天线实现了编队星间数据的异源接收，该方法无法适用于高速星间链路窄视场特点下，如附图2所示，的链路捕获、传输情况。

综上所述，需要针对绕飞编队星间链路全向、全时、尤其是高码速率传输需求开展链路切换算法设计。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种绕飞编队高码速率星间链路切换方法及系统。

根据本发明的一个方面，提供了一种绕飞编队高码速率星间链路切换方法，包括：

步骤1：根据编队成员卫星星历，建立轨道动力学递推模型；

步骤2：根据所述轨道动力学递推模型中的轨道递推状态和载荷工作需求，完成编队成员卫星姿态信息估计；

步骤3：根据所述卫星姿态信息估计，计算判断编队待建链两星间各链路天线相互可见性；

步骤4：根据所述编队待建链两星间各链路天线相互可见性判断结果，综合分发编队星间链路切换逻辑。

优选地，在所述步骤1中，具体地，通过建立轨道动力学积分模型，获取编队成员未来时刻tk轨道参数，并利用所述参数计算得到成员卫星空间坐标系转换矩阵。

优选地，在所述步骤2中，具体地，根据编队成员卫星轨道递推状态，结合载荷工作模式对卫星平台姿态约束建立姿态估计模型，完成tk时刻姿态信息估计，利用所述姿态信息估计参数计算得到成员卫星自身轨道坐标系到本体坐标系转换矩阵。

优选地，在所述步骤3中包含如下步骤：

子步骤3.1：根据编队待建链两星，所述两星以本星、它星予以标识，各自星间链路天线安装位置，获得各个链路指向在其本体系中的矢量表示；

子步骤3.2：利用tk时刻轨道递推参数、姿态信息估计值，以空间惯性坐标系为过渡，完成它星各个链路指向在本星本体坐标系中的矢量表示；

子步骤3.3：计算tk时刻本星与它星各链路指向夹角，结合链路视场特性判断相互可见性。

优选地，在所述步骤4中，具体的，根据绕飞编队各成员卫星链路可见性判断结果，综合分发tk时刻编队星间链路切换逻辑。

根据本发明的另一个方面，提供了一种绕飞编队高码速率星间链路切换系统，包括：

模块m1：根据编队成员卫星星历，建立轨道动力学递推模型；

模块m2：根据所述轨道动力学递推模型中的轨道递推状态和载荷工作需求，完成编队成员卫星姿态信息估计；

模块m3：根据所述卫星姿态信息估计，计算判断编队待建链两星间各链路天线相互可见性；

模块m4：根据所述编队待建链两星间各链路天线相互可见性判断结果，综合分发编队星间链路切换逻辑。

优选地，在所述模块m1中，具体地，通过建立轨道动力学积分模型，获取编队成员未来时刻tk轨道参数，并利用所述参数计算得到成员卫星空间坐标系转换矩阵。

优选地，在所述模块m2中，具体地，根据编队成员卫星轨道递推状态，结合载荷工作模式对卫星平台姿态约束建立姿态估计模型，完成tk时刻姿态信息估计，利用所述姿态信息估计参数计算得到成员卫星自身轨道坐标系到本体坐标系转换矩阵。

优选地，在所述模块m3中包含如下模块：

子模块m3.1：根据编队待建链两星，所述两星以本星、它星予以标识，各自星间链路天线安装位置，获得各个链路指向在其本体系中的矢量表示；

子模块m3.2：利用tk时刻轨道递推参数、姿态信息估计值，以空间惯性坐标系为过渡，完成它星各个链路指向在本星本体坐标系中的矢量表示；

子模块m3.3：计算tk时刻本星与它星各链路指向夹角，结合链路视场特性判断相互可见性。

优选地，在所述模块m4中，具体的，根据绕飞编队各成员卫星链路可见性判断结果，综合分发tk时刻编队星间链路切换逻辑。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1.本发明解决了高码速率链路波束视场窄所造成的多链路天线切换逻辑确定问题，具有更一般的工程实用性；

2.本发明提供的是针对绕飞编队星间链路全向、全时的链路切换方法；

3.本发明进一步提出了绕飞编队星间链路高码速率传输需求开展链路切换方法。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为编队绕飞空间几何示意图；

图2为高码速率星间链路平台布局及视场示意图；

图3为绕飞编队高码速率星间链路切换算法原理框图；

图4为绕飞编队星间链路可见性判断流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本实施例中，根据本发明提供的绕飞编队高码速率星间链路切换方法，由附图3可以看出，具体包含如下步骤：

⑴根据编队成员卫星星历，建立其轨道动力学递推模型

综合考虑递推时长、星载计算机运算资源开销及算法精度，建立卫星轨道动力学j2或更高阶积分解析模型。不失一般性，本实例以考虑地球二阶引力摄动建立如下轨道动力学递推模型：

其中，p(m)，m＝1,2，…6，初始值为星历数据获得t0时刻位置、速度；x＝p(1),y＝p(2)，z＝p(3),re为地球平均半径，μ为地球引力常数，j2＝1.08263×10-3。

根据递推结果，进一步建立卫星轨道坐标系与惯性坐标系的空间转换关系矩阵：

其中，ωk为编队卫星升交点赤经，ik为编队卫星轨道倾角，ωk为编队卫星近地点幅角，fk为编队卫星真近点角。

⑵根据轨道递推状态、载荷工作需求，完成编队成员卫星姿态信息估计

根据编队成员卫星轨道递推状态，结合载荷工作模式对卫星平台姿态约束建立姿态估计模型，如利用姿态补偿对地面某目标的跟踪凝视模式、区域扫描模式，抵消地球自转影响的偏航一维导引模式、俯仰偏航二维导引模式等。不失一般性，本实例以考虑俯仰偏航二维导引模式建立如下欧拉角表示的姿态信息估计模型：

其中，θk为俯仰角、ψk为偏航角、为滚动角；ek为卫星偏心率、ωc为卫星轨道角速度、ωe为地球自转速度。

根据姿态估计结果，进一步建立卫星轨道坐标系与平台本体坐标系之间转换关系矩阵：

其中，rx、ry、rz为绕坐标系x、y、z轴的旋转矩阵。

⑶计算判断编队待建链两星间各链路天线相互可见性

优选的，结合附图4所示流程，编队待建链两星间各链路天线相互可见性判断包含如下步骤：

步骤s1：根据编队待建链两星(以本星、它星予以标识)各自星间链路天线安装位置，获得各个链路指向在其本体系中的矢量表示，即：

其中，pib为本星本体系中第i支链路指向矢量表示；为他星本体系中第j支链路指向矢量表示。

步骤s2：不失一般性，利用之前tk时刻轨道递推信息计算得到的空间坐标系转换矩阵、姿态估计信息计算得到的轨道系与本体系转换矩阵，以空间惯性坐标系为过渡，完成它星各个链路指向在本星本体坐标系中的矢量表示，即：

其中，mt2b为他星本体系至本星本体系转换矩阵，为他星第j支链路指向矢量在本星本体系中的表示。

步骤s3：计算tk时刻本星与它星各链路指向夹角，并结合链路视场特性判断相互可见性，即：

其中，agij为他星第j支链路指向矢量与本星第i支链路指向矢量的夹角；aij为可见性判断取值，定义1为可见、0为不可见；li为本星第i支链路视场半锥角。

当遍历完成本星与他星所有星间链路可见性判断后，可以记录得到如下链路可见性矩阵：

其中，aij表示他星第j支链路对本星第i支链路的可见性。

⑷综合输出编队星间链路切换逻辑

根据绕飞编队各成员卫星链路可见性判断矩阵，综合输出tk时刻编队星间链路切换逻辑，并通过当前时刻(t0+δt，δt为算法调用时间开销，显然t0+δt<tk)星间链路将结果分发至编队各成员卫星星务处理单元指导完成相应操作。

本发明还提供了一种绕飞编队高码速率星间链路切换系统，包括：

模块m1：根据编队成员卫星星历，建立轨道动力学递推模型；

模块m2：根据所述轨道动力学递推模型中的轨道递推状态和载荷工作需求，完成编队成员卫星姿态信息估计；

模块m3：根据所述卫星姿态信息估计，计算判断编队待建链两星间各链路天线相互可见性；

模块m4：根据所述编队待建链两星间各链路天线相互可见性判断结果，综合分发编队星间链路切换逻辑。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。