高低轨星群链路协同维护系统与方法与流程

1.本发明涉及遥感卫星维护技术领域，具体涉及一种高低轨星群链路协同维护系统与方法。


背景技术：

2.随着空间多任务探索、对地对空多目标观测等应用的推动，卫星等航天器之间的组网成为趋势。由卫星组织而成的分布式星群工作方式灵活，通过协同、信息共享等手段，能够完成如立体观测等单星不能完成的动目标信息采集和观测等任务。为了合理利用星上的资源，增强星群自主管理的能力，减少对地面依赖，高低地星群通信链路技术得到了全球工业界和学术界的广泛关注。当前，高低轨星间链路多是采用地面系统指派的方法使得高轨卫星和低轨卫星之间进行通信，卫星对于链路维护的参与度较低，无法完全发挥卫星在星间通信的作用。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供了一种高低轨星群协同维护系统与方法，能够提高高低轨星群通信链路的鲁棒性，提高其抗节点丢失能力，增强高低轨卫星链路自主维护能力。
4.为实现上述目的，本发明技术方案如下：
5.本发明的一种高低轨星群协同维护系统，包括高轨网络、低轨网络和地面中心；其中高轨网络包含多颗高轨卫星，每颗高轨卫星需要接收一颗低轨通信星的心跳信息；低轨网络包含多颗低轨卫星，其中具备至少一个天线指向高轨卫星，被称为低轨网络接口卫星；在低轨网络接口卫星中，包含低轨通信星和低轨备份星，低轨通信星是当前时刻正在与某颗高轨卫星进行通信的卫星，负责向高轨卫星反馈心跳信息、监督低轨备份星的状态信息，低轨备份星是维持高低轨通信链路冗余度的卫星，负责向高轨卫星发送自身的心跳信息；地面中心是卫星初始状态的指定者，为任意高低轨卫星分配通信链路，负责在星座初始建链和星座链路断开时，为高低轨卫星指定通信链路初始状态。
6.其中，普通低轨星接收地面指定后，成为通信星或备份星；通信星和备份星如果离开高轨星通信范围，变为普通低轨星；高轨卫星切换天线指向后，通信星变为普通低轨星，被指向的备份星成为新通信星；普通低轨星接收了通信星的委派后，成为备份星。
7.其中，高低轨卫星通信链路工作状态包括链路正常状态、链路切换状态以及链路异常状态；具体地，链路正常状态是指高低轨卫星之间通信链路畅通，高低轨卫星可通过链路进行信息交互的稳态；链路切换状态是指高低轨卫星之间通信链路中的节点角色发生变化时，或某些原因导致链路重建时，系统所处的暂态；链路异常状态是指高低轨卫星之间通信链路断开，高低轨卫星之间无法通信的暂态；
8.卫星入网，通信链路初始化后，通信链路处于正常工作状态；在链路切换状态下，经过一系列步骤，链路更新完成后，进入链路正常状态；在链路正常状态下，若通信星、备份星即将离开卫星建链范围，进入链路切换状态；在链路异常状态下，高轨卫星监测到异常
后，则发起链路异常切换，进入链路切换状态；若链路异常断开，数据交互异常，则进入链路异常状态。
9.其中，所述系统采用心跳数据包的方式，将需要发送心跳的卫星以心跳频率v，将本星的id和星时广播出去。
10.本发明的一种高低轨星群链路协同维护方法，采用本发明所述的系统实现协同维护，包括如下步骤：
11.步骤1，链路初始化：高轨或低轨卫星初始入网后，由地面中心发送指令给高轨、低轨星分配链路，高轨、低轨卫星执行命令，获取链路角色，开始正常运行；
12.步骤2，高低轨链路协同状态维护：低轨通信星、低轨备份星持续获取高轨星的轨道信息，依靠外推获取高轨星的位置速度，持续调整自身天线指向，将天线指向高轨星，并以固定频率向高轨卫星发送心跳数据包；高轨星根据低轨通信星或地面中心上注的指向表，调整自身天线指向，将天线指向低轨通信星；低轨备份星以固定频率，向通信星发送心跳数据包；高轨星检查是否收到低轨通信星的心跳数据包，低轨通信星需要检查是否收到低轨备份星的心跳数据包；
13.步骤3，通信星常规更新：在步骤2中，高轨星判断出低轨通信星可通信时间小于一定时间，执行通信星常规更新，切换到可通信时间最长备份星的指向表，与该备份星建链；新通信星在低轨星群内广播通信星变更信息，并选举新通信星；当高轨卫星正常接收到新低轨通信星的心跳数据包、低轨备份星将心跳发送到新通信星，且链路冗余度满足预定值，链路恢复到正常工作状态；
14.步骤4，备份星更新：在步骤2中，通信星对备份星心跳进行检查，若判断出备份星心跳数据包中有标志位，或超过一段时间收不到某备份星心跳数据包，则执行备份星更新；通信星在星群中再选出一个可与高轨卫星通信时间最长的卫星作为备份星，满足链路冗余度要求；
15.步骤5，通信星异常更新：当步骤2中，高轨星对通信星心跳进行检查，若超过一段时间收不到通信星的心跳数据包，则执行通信星异常更新，高轨卫星遍历备份星，尝试接收心跳数据包，若接收到，则执行该备份星指向表；否则，高轨卫星需要向地面中心发送信息，地面中心会为高低轨卫星重新进行链路初始化。
16.有益效果：
17.1、本发明高低轨星群协同维护系统，解决现有遥感卫星集群在天基探测时存在的高低轨卫星交互鲁棒性较低和对地面存在强依赖关系的问题。根据以上内容，实施本发明可提高高低轨星群通信链路的鲁棒性，提高其抗节点丢失能力，增强高低轨卫星链路自主维护能力。
18.2、本发明方法包括高低轨数据交互约定以及链路维护方法。高低轨数据交互约定中，为了在不可靠的链路上维持一定的冗余度，保证高低轨在大多数时间内具备抗节点丢失的自恢复能力，链路维护方法包括链路初始化流程、通信星常规更新方法、备份星更新方法以及通信星异常更新方法链路维护，通过这些具体的方法实现良好的链路维护。
19.3、本发明采用了心跳数据包的方式，将需要发送心跳的卫星以心跳频率v，将本星的id和星时广播出去，在不可靠的链路上维持一定的冗余度，保证高低轨在大多数时间内具备抗节点丢失的自恢复能力。
附图说明
20.图1为本发明的高低地一体星间链路网络结构图。
21.图2为本发明的低轨星链路状态切换示意图。
22.图3为本发明的高低轨卫星星间链路状态切换示意图。
23.图4为本发明的高低轨卫星星间链路协同构建维护流程图。
24.图5为本发明的高低轨通信链路初始化流程图。
25.图6为本发明的低轨通信星常规更新方法流程图。
26.图7为本发明的备份星更新方法流程图。
27.图8为本发明的通信星异常更新方法流程图。
具体实施方式
28.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
29.本发明提供了一种高低轨星群协同维护系统，以解决现有遥感卫星集群在天基探测时存在的高低轨卫星交互鲁棒性较低和对地面存在强依赖关系的问题。
30.本发明的高低地一体星间链路网络结构如图1所示，包括三大类通信子网络，分别是高轨网络、低轨网络和地面中心。
31.其中，高轨网络包含多颗高轨卫星，每颗高轨卫星需要接收一颗低轨通信星的心跳信息。
32.低轨网络包含多颗低轨卫星，其中一部分卫星在当前时刻具备与某高轨卫星通信的可能性，即具备至少一个天线指向高轨卫星，被称为低轨网络接口卫星。在低轨网络接口卫星中，包含低轨通信星和低轨备份星两种角色。低轨通信星是当前时刻正在与某颗高轨卫星进行通信的卫星，负责向高轨卫星反馈心跳信息、监督低轨备份星的状态信息。低轨备份星是维持高低轨通信链路冗余度的卫星，负责向高轨卫星发送自身的心跳信息。
33.地面中心是卫星初始状态的指定者，可以为任意高低轨卫星分配通信链路，负责在星座初始建链和星座链路断开时，为高低轨卫星指定通信链路初始状态。
34.本发明低轨星链路角色切换如图2所示，具体如下：
35.普通低轨星接收地面指定后，可以成为通信星或备份星；通信星和备份星如果离开高轨星通信范围，会变为普通低轨星；高轨卫星切换天线指向后，通信星会变为普通低轨星，被指向的备份星会成为新通信星；普通低轨星接收了通信星的委派后，会成为备份星。
36.本发明提供的高低轨卫星通信链路工作状态包括链路正常状态、链路切换状态以及链路异常状态，三种状态之间的状态切换如图3所示。具体地，链路正常状态是指高低轨卫星之间通信链路畅通，高低轨卫星可通过链路进行信息交互的稳态。卫星入网，通信链路初始化后，通信链路处于正常工作状态；在链路切换状态下，经过一系列步骤，链路更新完成后，进入链路正常状态。链路切换状态是指高低轨卫星之间通信链路中的节点角色发生变化时，如通信星、备份星交接时，或某些原因导致链路重建时，系统所处的暂态。在链路正常状态下，若通信星、备份星即将离开卫星建链范围，进入链路切换状态；在链路异常状态下，高轨卫星监测到异常后，则发起链路异常切换，进入链路切换状态。链路异常状态是指高低轨卫星之间通信链路断开，高低轨卫星之间无法通信的暂态。若链路异常断开，数据交互异常，则进入链路异常状态。
37.综上，本发明的高低轨星群协同维护系统，解决了现有遥感卫星集群在天基探测时存在的高低轨卫星交互鲁棒性较低和对地面存在强依赖关系的问题。根据以上内容，实施本发明可提高高低轨星群通信链路的鲁棒性，提高其抗节点丢失能力，增强高低轨卫星链路自主维护能力。
38.本发明还提供了一种高低轨星群链路协同维护方法，基于本发明系统实现协同维护，包括高低轨数据交互约定以及链路维护方法。
39.其中高低轨数据交互约定具体为：
40.卫星之间常常采用广播的方式进行通信。为保证观测信息、反馈信息的时效性，卫星之间的通信协议常常采用无状态的链路层，即收发双方感受不到彼此的存在，数据交付没有可靠性保证。在高低轨建链的场景中，高轨卫星的视场较宽，低轨卫星包含一些可以和高轨卫星进行通信的卫星。为了在不可靠的链路上维持一定的冗余度，保证高低轨在大多数时间内具备抗节点丢失的自恢复能力，本系统采用了心跳数据包的方式，将需要发送心跳的卫星以心跳频率v，将本星的id和星时广播出去。具体交互方式如下：
41.1)低轨通信星-》高轨星：
42.高轨卫星在向低轨卫星传输信息的同时，需要接受低轨卫星发送给高轨卫星的心跳数据包，以确保低轨卫星仍然工作正常。
43.2)低轨备份星-》低轨通信星：
44.为了与低轨卫星进行通信，同时为了减轻高轨卫星的负担，低轨通信卫星需要自行维护低轨备份卫星的状态，备份卫星需要向通信卫星广播心跳数据包，以确保备份卫星仍然工作正常。若备份星与高轨卫星可通信时间小于通信星切换阈值t0，则心跳数据包中应该带有标志位，以便通信星在低轨星群中选择新的备份星。
45.3)低轨备份星-》高轨星：
46.为了确保高轨卫星在做链路切换时可以感知到备份卫星的存在，确保链路切换成功，备份卫星也需要向高轨卫星广播心跳数据包，但高轨卫星仅在链路切换到备份卫星后，才会收到该心跳包，其余时刻，高轨卫星不接收备份卫星发送的心跳包。
47.基于心跳数据包的机制，高低轨卫星之间可以通过尽可能少的数据量达到维持链路稳定的能力。
48.高轨卫星根据系统冗余度设定，为每颗当前时刻可通信卫星维护了一张天线指向表，简称指向表。该表随时间推进而实时更新，某时刻某星的指向表维护了一系列天线中心点的指向和该指向的起始、结束时间，高轨卫星在与某低轨卫星进行通信时，根据该指向表和当前时间，调整天线指向，在切换通信星时，直接切换到对应的指向表即可。指向表样例如表1所示。
49.表1高轨对某低轨星的天线指向表
50.天线中心指向通信起始时间通信结束时间100
°
e,60
°
n2015.1.1 12:00:002015.1.1 13:00:00102
°
e,61
°
n2015.1.1 12:55:002015.1.1 13:40:00
………
51.通信星发生变更后，新通信星需要向全体低轨星群告知该信息，备份星收到该信息后，将向新通信星发送心跳数据包。该数据包括当前时间戳和新通信星的id。
52.链路维护方法具体如下：
53.(1)链路初始化流程
54.链路初始化时，地面中心首先为每颗高轨卫星选择出可通信的卫星，在可通信的卫星里，选择可通信时间最长的低轨卫星作为通信星，随后，根据系统冗余度，再选择几颗可通信时间次长的卫星作为备份通信星。例如，如果系统冗余度为3，则选择完通信星后，还需要选择2颗可通信卫星作为备份通信星。地面选定通信星和备份星列表后，将高轨卫星的轨位信息注入目标低轨卫星，低轨卫星自行外推高轨卫星的位置，并约定好的可通信时段内，始终将天线指向高轨卫星。同时，地面中心将选定的低轨卫星的指向表发送给高轨卫星，高轨卫星根据通信星的指向表，调整天线指向，与低轨卫星进行通信。至此，链路初始化完成。设当前可高轨卫星通信的低轨卫星集合为s,第i颗低轨卫星从开始建链时刻，可与高轨卫星通信的剩余时间为ti，则选择第i颗卫星作为通信星的充分必要条件为
[0055][0056]
(2)通信星常规更新方法
[0057]
当通信星即将离开高轨卫星的通信范围时，会触发该流程。高轨星根据指向表调整天线指向时，若发现当前指向为指向表中最后一个元素的天线指向，则会根据表中最后一项的通信结束时间，将天线根据通信星切换阈值t0,提前指向可通信时间最长的备份星，t0的典型值为10s。该备份星接收到高轨卫星的广播后，立刻成为新通信卫星，向低轨星群广播通信星变更信息。在星群中再选择1颗可以与高轨卫星通信且通信时间最长的卫星作为新的备份星，新通信星需要将新的备份星指向表发送给高轨卫星。高轨卫星收到新指向表后，更新指向表，并剔除过期通信星的指向表。至此，链路常规切换完成。
[0058]
(3)备份星更新方法
[0059]
备份星状态发生变化主要有两种情况，一是备份星即将不具备与高轨卫星建链的条件，飞出高轨卫星建链范围，二是由于卫星故障等意外事件，备份星不再能与高轨通信，不再向通信星发送心跳信息。若低轨通信卫星在一定心跳周期内无法收到低轨备份星心跳信息，则再次选择一个可与高轨通信，且通信时间最长的卫星作为备份卫星。高轨星切换备份星的心跳周期典型值为3。通信星需要将新备份星信息发送到高轨卫星，备份星状态更新完成。
[0060]
(4)通信星异常更新方法
[0061]
考虑到卫星异常等情况，高轨卫星需要感知通信星的工作状态，自行决定是否切换到备份星上。当通信星状态发生变化，链路中断后，高轨卫星无法再感知到通信星的心跳信息。当高轨卫星在一定心跳周期内接收不到低轨卫星心跳信息后，高轨卫星判断通信链路已断开。该周期数被称为心跳维护周期，典型值为3。高轨卫星判断通信链路断开后，根据当前时刻和各备份卫星的指向表，根据可通信的时长从长到短排序，遍历各个备份卫星，将天线指向各备份星的位置并停留一段时间，尝试接收备份卫星的心跳信息，该时间被称为心跳检测时间，典型值为2个心跳周期的时间间隔。如果高轨卫星接收到备份卫星的心跳信息，则将该备份星选为通信星。同时，该通信星接收到高轨卫星的心跳后，立刻将通信星变更信息广播全网，其余备份星立刻向新通信星发送心跳信息。新通信星等待一段时间，确认当前备份星数量和id信息，该时间被称为低轨通信星确认时间，典型值为3个心跳周期时间
间隔。根据当前备份星数量，选择一定数量的新备份星，以满足系统冗余度。例如，若系统冗余度设定为3，新通信星仅收到1颗备份星心跳，则需要再选出1颗备份星。以上信息确认后，新通信星向高轨卫星发送新备份星指向表。若高轨遍历备份星位置而无法接收到备份星心跳，则高轨卫星需要向地面指控中心发送链路初始化请求，地面中心对链路重新初始化。
[0062]
本发明的高低轨卫星星间链路协同构建维护流程如图4所示，包括链路初始化、高低轨链路协同状态维护、通信星常规更新、通信星异常更新以备份星更新等步骤，分别是在特定场景下高低轨通信链路参与者的更替方式，并设计了详细的通信信息格式，具体如下：
[0063]
步骤1，链路初始化：高轨或低轨卫星初始入网后，由地面中心发送指令给高轨、低轨星分配链路，高轨、低轨卫星执行命令，获取链路角色，开始正常运行。
[0064]
步骤2，高低轨链路协同状态维护：低轨通信星、低轨备份星持续获取高轨星的轨道信息，依靠外推获取高轨星的位置速度，持续调整自身天线指向，将天线指向高轨星，并以固定频率向高轨卫星发送心跳数据包。高轨星需要根据低轨通信星或地面中心上注的指向表，调整自身天线指向，将天线指向低轨通信星。此外，低轨备份星以固定频率，向通信星发送心跳数据包。高轨星需要检查是否收到低轨通信星的心跳数据包，低轨通信星需要检查是否收到低轨备份星的心跳数据包。
[0065]
步骤3，通信星常规更新：在步骤2中，高轨星判断出低轨通信星可通信时间小于一定时间，执行通信星常规更新，切换到可通信时间最长备份星的指向表，与该备份星建链。新通信星需要在低轨星群内广播通信星变更信息，并选举新通信星。当高轨卫星可以正常接收到新低轨通信星的心跳数据包、低轨备份星将心跳发送到新通信星，且链路冗余度满足预定值，链路恢复到正常工作状态。
[0066]
步骤4，备份星更新：在步骤2中，通信星对备份星心跳进行检查，若判断出备份星心跳数据包中有标志位，或超过一段时间收不到某备份星心跳数据包，则执行备份星更新。通信星在星群中再选出一个可与高轨卫星通信时间最长的卫星作为备份星，满足链路冗余度要求。
[0067]
步骤5，通信星异常更新：当步骤2中，高轨星对通信星心跳进行检查，若超过一段时间收不到通信星的心跳数据包，则执行通信星异常更新，高轨卫星遍历备份星，尝试接收心跳数据包，若接收到，则执行该备份星指向表；否则，高轨卫星需要向地面中心发送信息，地面中心会为高低轨卫星重新进行链路初始化。
[0068]
其中，高低轨通信链路初始化所采用技术路线如图5所示，包括如下步骤：
[0069]
地面中心选择可通信时间最长的低轨卫星作为该高轨卫星的通信星；地面中心根据链路冗余度，再选出(冗余度-1)颗卫星作为该高轨卫星的备份卫星；各卫星根据地面中心调度信息，调整天线指向，发送心跳信息。
[0070]
低轨通信星常规更新方法如图6所示，包括如下步骤：
[0071]
高轨卫星从备份星列表中选出可通信时间最长的备份星作为新通信星，切换天线指向，剔除过期通信星指向表；新通信星在低轨星群中广播通信星变更信息，备份星将心跳发送到新通信星；新通信星再选择一颗可与高轨卫星通信时间最长的非备份星，作为新备份星，上注其指向表到高轨卫星。
[0072]
备份星更新方法如图7所示，包括如下步骤：
[0073]
低轨通信星选择一颗可与高轨卫星通信时间最长的非备份星，作为新备份星；通
信星将新备份星指向表上注高轨卫星。
[0074]
通信星异常更新方法如图8所示，包括如下步骤：
[0075]
高轨卫星按可建链时长由大到小，遍历备份星列表，每颗备份星停留一段时间，尝试接收心跳数据包；若接收到备份星心跳数据包，则与该备份星建链，该备份星广播通信星变化信息，选择一定数量的备份星以满足链路冗余度，并将新备份星指向表上注到高轨卫星；若不能接收到备份星心跳数据包，则向地面中心发送请求，地面中心执行链路初始化流程。
[0076]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。