一种数据通信卫星星座系统及其通信方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于卫星通信领域，尤其涉及一种数据通信卫星星座系统及其通信方法。
【背景技术】
[0002] 卫星移动通信系统可W提供数据、语音通信服务。数据通信服务的数据量通常比 较小并且允许一定的传输时延，而语音通信服务通常要求实时通信。专用数据通信卫星星 座系统通常不能够提供语音通信服务，而语音通信卫星系统则可W提供数据通信服务。
[0003] 目前的通信卫星系统，主要包括轨道通信系统、镶星系统、全球星系统、北斗系统。 下面分别对其简要介绍。
[0004] 1、轨道通信系统（化bcomm系统）属于专用数据通信卫星星座系统，是美国轨道通 信公司（化bcomm化C)于世纪90年开始建设运营的短数据通信系统。化bcomm系统卫星星 座由47颗卫星组成，包括7个轨道，采用轨道高度低于1000km的LEO轨道，卫星之间无星 间链路，其星座构型如图1所示。该些轨道平面标记为A、B、C、D、E、F、G，各个平面轨道参 数如下：
[0005] 1. 1)A、B、C、D平面
[0006]该四个轨道平面沿地球赤道均布，其中轨道类型均为圆轨道，轨道倾角均为45°， 轨道高度约为815km。每个轨道面W等相位间距部署8颗卫星。
[0007] 1.2)E平面
[0008]E平面位于赤道平面内，其中轨道为圆轨道，轨道倾角为0°，轨道高度约为 975km。平面内W等相位间距部署7颗卫星。
[0009] 1.3)F、G平面
[0010] F、G平面轨道为极地圆轨道，每个轨道面等相位间距部署4颗卫星。
[0011] 2、镶星系统
[0012] 镶星系统（Iridium)是摩巧罗拉公司（Motorola)于上世纪90年代开发的卫星移 动通信系统，支持语音、数据和定位业务。镶星系统星座构型如图2所示。该系统卫星星 座采用极轨道星座，由66颗卫星组成，包括6个轨道面，轨道倾角为86. 4°，轨道高度约为 785km，属于低轨道，卫星之间具备星间链路。
[0013] 3、全球星系统
[0014]全球星（Globalstar)系统是由美国LQSS化oralQualcommSatelliteService) 公司于上世纪90年代启动建设的低轨道(英文简称为LEO,英文全称为LowEarth化bit) 卫星移动通信系统，提供语音、数据通信业务。全球星系统星座构型如图3所示。该系统 采用倾斜轨道星座，由48颗卫星组成，包括8个轨道面，轨道倾角为52°，轨道高度约为 1414km，卫星之间无星间链路。
[0015] 4、北斗系统
[0016] 北斗导航系统是我国自主研制全球卫星导航系统，该系统除了具备导航服务功能 夕F，还可提供数据通信业务。北斗星座构型如图4所示。北斗卫星星座由35颗卫星组成，其 中5颗为地球静止轨道(英文简称为GEO,英文全称为GeostationaryEarth化bit)卫星， 轨道高度约为36000km，轨道倾角为0° ;3颗为倾斜地球同步轨道卫星(英文简称为IGS0， 英文全称为InclinedGeostationarySync虹onousorbit),轨道商度约为 36000km,轨道 倾角为55° ;27颗为中圆轨道卫星，轨道高度约为21500km，轨道倾角为55°。
[0017] 现有的卫星系统，可W较好的提供数据通信服务，但对于轨道通信系统、全球星系 统W及北斗系统来说，该些卫星系统的数据传输时效依赖于地面接收站的设置，为了减小 数据传输时延，需建设较多的地面站，地面系统运行管理成本较高；并且，由于自然环境或 政治条件限制，部分区域无法建设地面接收站，如海洋等，在该些区域数据获取的时延难W 改善。虽然镶星系统采用实时星间链路，可W不依赖地面站获得较小的传输时延，但由于 增加了实时星间链路，卫星需配备专口的星间通信载荷，增加系统技术复杂度及开发成本， 不利于系统运营推广；另外，如北斗及其他采用中轨道、高轨道、大楠圆轨道的星座，其星地 通信距离远，通信功率需求大，不利于地面及星上通信载荷的小型化，作为专用数据通信系 统，不利于系统的应用推广。
【发明内容】
[0018] 本发明实施例的目的在于提供一种数据通信卫星星座系统及其通信方法，W解决 现有技术为减小数据时延，需要增加地面系统运行成本或增加系统开发成本的问题，并且 有利于星上通信载荷小型化，从而便于系统推广。
[0019] 本发明实施例是该样实现的，一种数据通信卫星星座系统，所述系统包括高层子 星座和低层子星座，其中：
[0020] 所述低层子星座的卫星轨道高度低于高层子星座的卫星轨道，所述低层子星座用 于接收用户数据终端发送的数据和向用户数据终端发送控制指令，在地面网关站可见时向 地面网关站下传卫星所采集的数据，在所述高层子星座可见时，向所述高层子星座发送需 要传送至地面网关站的数据；
[0021] 所述高层子星座用于在低层子星座可见时，接收低层子星座发送的需要传送至地 面网关站的数据，并转发至地面网关站。
[0022] 进一步的，所述低层子星座的高度为
【主权项】
1. 一种数据通信卫星星座系统，其特征在于，所述系统包括高层子星座和低层子星座， 其中： 所述低层子星座的卫星轨道高度低于高层子星座的卫星轨道，所述低层子星座用于接 收用户数据终端发送的数据和向用户数据终端发送控制指令，在地面网关站可见时向地面 网关站下传卫星所采集的数据，在所述高层子星座可见时，向所述高层子星座发送需要传 送至地面网关站的数据； 所述高层子星座用于在低层子星座可见时，接收低层子星座发送的需要传送至地面网 关站的数据，并转发至地面网关站。
2. 根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述低层子星座的高度为
，其中h为轨道高度，L为卫星与用户数据终端之间最大 通信距离，Re为地球参考半径，Θ为低层子星座的卫星与地面网关站的最低通信仰角。
3. 根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述低层子星座的包括位于地球第一区域 的Walker星座和位于地球第二区域太阳同步轨道的卫星，所述第一区域的人类活动密度 大于第二区域的人类活动密度。
4. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述低层子星座的卫星构型参数根据预设 选定的时间覆盖率和最大覆盖中断时间指标，通过数值仿真迭代优化生成。
5. 根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述高层子星座的轨道与赤道处于同一平 面，所述高层子星座的高度为
其中H为高层子星座 的高度，h为低层子星座的高度，α为低层子星座的卫星与高层子星座的卫星之间的允许 通信天线波束半角，P为低层子星座的卫星与高层子星座的卫星之间的允许最大通信距离， Re为地球参考半径。
6. 根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述高层子星座中卫星数量为
子星座的卫星与地面网关站的最低通信仰角，σ为高层子星座对地覆盖波束半角，H为高 层子星座的高度，h为低层子星座的高度，α为低层子星座的卫星与高层子星座的卫星之 间的允许通信天线波束半角，P为低层子星座中的卫星与高层子星座中的卫星之间的允许 最大通信距离，R e为地球参考半径，Θ为低层子星座的卫星与地面网关站的最低通信仰角， Y为高层子星座对地覆盖区地心半角，S为高层轨道卫星绝对相位允许偏差。
7. -种数据通信卫星星座的通信方法，其特征在于，所述数据通信卫星星座包括高层 子星座和低层子星座，所述方法包括： 低层子星座通过接收用户数据终端发送的数据和向用户数据终端发送控制指令，在地 面网关站可见时向地面网关站下传卫星所采集的数据，在所述高层子星座可见时，向所述 高层子星座发送需要传送至地面网关站的数据； 所述高层子星座在所述低层星座可见时，接收低层子星座发送的需要传送至地面网关 站的数据，并转发至地面网关站。
8. 根据权利要求7所述方法，其特征在于，所述低层子星座的高度为
，其中h为轨道高度，L为卫星与用户数据终端之间最大 通信距离，Re为地球参考半径，Θ为低层子星座的卫星与地面网关站的最低通信仰角。
9. 根据权利要求7所述方法，其特征在于，所述高层子星座中卫星数量为
θ'为高层子星座的卫星与地面网关站的最低通 信仰角，σ为高层子星座对地覆盖波束半角，H为高层子星座的高度，h为低层子星座的高 度，α为低层子星座的卫星与高层子星座的卫星之间的通信天线波束半角，p为低层子星 座的卫星与高层子星座的卫星之间的允许最大通信距离，R e为地球参考半径，Θ为低层子 星座的卫星与地面网关站的最低通信仰角，Y为高层子星座对地覆盖区地心半角，S为高 层轨道卫星绝对相位允许偏差。
10. 根据权利要求7所述方法，其特征在于，所述方法还包括获取低层子星座的构型参 数步骤，具体包括： 设置地面用户数据终端采样点的地理位置； 根据所述地理位置，设置相应的多组低层子星座的构型参数； 仿真运行所述低层子星座，获取所有卫星相对所述地理位置的可见时间； 如果所述获取的可见时间满足预设的要求，则其对应的低层子星座的构型参数为所需 的低层子星座构型参数。
【专利摘要】本发明适用于卫星通信领域，提供了一种数据通信卫星星座系统及其通信方法，该系统包括高层子星座和低层子星座，其中：所述低层子星座的卫星轨道高度低于高层子星座的卫星轨道，所述低层子星座用于接收用户数据终端发送的数据和向用户数据终端发送控制指令，向地面网关站下传卫星所采集的数据；所述高层子星座用于转发数据至地面网关站。通过双层构型设计，使得低层星座的构建可采用设计相对简化、成本低的卫星，而高层星座的构建虽然因配备实时星间链路，需采用相对复杂且成本高的卫星，但数量相对较少，并且能够减少地面布站，从而保证星座系统整体实现技术复杂度、成本及性能的折中优化。
【IPC分类】H04B7-185
【公开号】CN104753580
【申请号】CN201310753933
【发明人】何民, 薛力军, 王涛, 樊炜, 王学谦
【申请人】深圳航天东方红海特卫星有限公司
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2013年12月31日