一种星间链路日凌规避和复位捕跟方法及系统与流程

1.本发明涉及通信卫星领域。更具体地，涉及一种星间链路日凌规避和复位捕跟方法及系统。


背景技术：

2.在大型卫星星座内，同一个轨道面或相邻的不同轨道面上卫星之间的激光通信称为星间链路。日凌现象是星间链路的方向与阳光方向近似呈直线关系时，太阳光电磁波产生干扰，影响通信质量，缩短激光设备寿命的一种现象。
3.通常卫星星座轨道构型为walker型，这是一种在空间中均匀分布的星座形式。星座设计中常选取一颗种子卫星，以此为基础按照一定的构型规则构造星座，星座内所有卫星的轨道半长轴、偏心率、轨道倾角和近地点幅角都相同，升交点赤经和平近点角不同。
4.对于有m个轨道面，每个轨道面上n颗卫星的星座，各卫星的轨道根数分别为：
5.a
m，n
＝a06.e
m，n
＝e07.i
m，n
＝i08.ω
m，n
＝ω0+(m-1)δω
9.w
m，n
＝w010.m
m，n
＝m0+(n-1)δm
in
+(m-1)δm
out
11.式中，a、e、i、ω、w和m是卫星的开普勒轨道根数，m和n分别代表第m个轨道面上的第n颗卫星；0代表种子卫星；δω为相邻轨道面的升交点赤经偏差，δω＝ωs/m，ωs为升交点赤经散布，通常取360
°
，对于轨道倾角接近90
°
的极轨或近极轨星座，升交点赤经散布通常取180
°
左右；m
in
为同一个轨道面内相邻卫星的相位差，m
in
＝360/n；m
out
是一个轨道面内第一颗卫星通过其升交点时，它东面相邻轨道面内最近一颗已经经过升交点的卫星的相位角，也是相邻卫星之间的初始相位角之差，f为相位因子。
12.卫星星座在空间运行期间，在地球引力场和空间环境摄动力的影响下，实际运行轨道根数呈现长期、短期、长周期和短周期的震荡漂移现象。地球引力场分布函数随纬度和经度的变化，卫星轨道面在以地球非球形引力j2项为主的摄动力影响下，在地心惯性坐标系下发生较为缓慢的进动。与此同时，随着地球的绕日公转运动，照射地球的太阳光线方向也会发生变化。夏至时太阳的直射点在北回归线附近，冬至时太阳直射点在南回归线附近。因此，大型星座中卫星之间的通信链路与太阳光方向的夹角随着时间的变化改变，与星座当前的空间构型、轨道根数有关，与卫星是否在地影中有关，与当前时刻的太阳-地球相对位置有关，时空关系复杂。
13.因此，针对巨型星座卫星通信，如果太阳与卫星上激光通信的光学接收天线近似直线，必须采取一定的规避措施，让激光终端在日凌期间避开阳光直射。


技术实现要素：

14.本发明的目的在于提供一种星间链路日凌规避和复位捕跟方法及系统，以解决现有技术存在的问题中的至少一个。
15.为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
16.本发明第一方面提供了一种星间链路日凌规避和复位捕跟方法，该方法包括
17.确定激光终端指向；
18.根据第一激光终端日凌角判断是否发生日凌；
19.若发生日凌，针对不同链路类型采取不同的规避策略使激光终端避开阳光直射；
20.日凌规避后，使激光终端到指定的角度重新建立星间链路。
21.可选地，所述确定激光终端指向包括
22.获得在第一坐标系下的第一太阳矢量和第一星间链路矢量；
23.通过坐标变换得到所述第一太阳矢量和所述第一星间链路矢量在第二坐标系下的第二太阳矢量和第二星间链路矢量。
24.可选地，所述根据第一激光终端日凌角判断是否发生日凌包括
25.根据第二太阳矢量俯仰角和第二太阳矢量偏航角，以及第二星间链路矢量俯仰角和第二星间链路矢量偏航角，计算第一激光终端日凌角；
26.当第一激光终端日凌角小于等于日凌规避预判值时发生日凌。
27.可选地，所述日凌规避预判值的范围在1-1.5
°
。
28.可选地，所述针对不同链路类型采取不同的规避策略包括
29.针对同轨链路，利用第一规避时间内的第二星间链路矢量偏航角、第二太阳矢量偏航角的符号和第二星间链路矢量偏航角方向转动速度，计算第二星间链路矢量偏航角的第一规避偏航角；
30.针对异轨链路，利用第二规避时间内的第二星间链路矢量偏航角、第二太阳矢量偏航角方向变化的符号和第二星间链路矢量偏航角方向转动速度，计算第二星间链路矢量偏航角的第二规避偏航角。
31.可选地，根据所述第一规避偏航角或所述第二规避偏航角得到第二激光终端日凌角。
32.可选地，所述使激光终端到指定的角度重新建立星间链路包括
33.针对同轨链路，利用第一复位跟捕时间内的第一规避偏航角、第一复位捕跟时长系数和第二星间链路矢量偏航角方向转动速度，计算第二星间链路矢量偏航角的第一复位捕跟偏航角；
34.针对异轨链路，利用第二复位跟捕时间内的第二规避偏航角、第二复位捕跟时长系数和第二星间链路矢量偏航角方向转动速度，计算第二星间链路矢量偏航角的第二复位捕跟偏航角。
35.可选地，根据所述第一复位捕跟偏航角或所述第二复位捕跟偏航角得到第三激光终端日凌角。
36.本发明第二方面提供了一种星间链路日凌规避和复位捕跟系统，该系统包括
37.激光终端指向模块，用于确定激光终端指向；
38.日凌判断模块，用于根据第一激光终端日凌角判断是否发生日凌；
39.日凌规避模块，用于当发生日凌时，针对不同链路类型采取不同的规避策略使激光终端避开阳光直射；
40.复位跟捕模块，用于在日凌规避后，使激光终端到指定的角度重新建立星间链路。
41.可选地，该系统进一步包括
42.地影模块、行星星历模块、通用数学模块、时间转换模块、坐标转换模块、卫星星历模块、轨道预报模块和姿态控制模块。
43.本发明的有益效果如下：
44.本发明所公开的一种星间链路日凌规避和复位捕跟方法，能够运用于地面运控中心卫星星间激光通信时的日凌规避和复位捕跟规划，具有算法效率高、规划效率高和易于工程实现的优点。
附图说明
45.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
46.图1示出本发明实施例提供的星间链路示意图。
47.图2示出本发明实施例提供的星间链路日凌规避和复位捕跟方法流程图。
48.图3示出本发明实施例提供的激光终端日凌角示意图。
49.图4示出本发明实施例提供的星间链路日凌规避和复位捕跟系统示意图。
具体实施方式
50.为了更清楚地说明本发明，下面结合实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
51.根据星间激光通信时卫星分布在同一轨道面上还是不同轨道面上，激光通信链路可以分为两种，即同轨链路和异轨链路。如图1所示为本发明实施例提供的星间链路示意图。图1中a星和b星位于同一个轨道面上，c星位于相邻的顺行轨道面上，a、b和c三颗卫星构成典型的星间链路。
52.同轨链路，相同轨道面上，根据通信链路上两颗卫星的纬度幅角值的大小定义链路方向。如果激光端卫星的纬度幅角小于接收端卫星的纬度幅角，就称为前向链路，此时链路方向与卫星的飞行方向相同。如图1中a星指向b星的激光链路，简称ab链路。如果激光端卫星的纬度幅角大于接收端卫星的纬度幅角，就称为后向链路，此时链路方向与卫星的飞行方向相反。如图1中的b星指向a星的激光链路，简称ba链路。
53.异轨链路，根据星座构型设计方法，不同轨道面上卫星纬度幅角的差值就受到设计参数-相位因子的控制。相邻轨道面上距离最近的两颗卫星之间的通信链路称为异轨链路，如图1中a卫星和c卫星之间的通信链路，以a卫星为激光端时，称为ac链路，以c卫星为激光端时，称为ca链路。
54.大型星座中卫星之间的通信链路与太阳光方向的夹角随着时间的变化改变，与星座当前的空间构型、轨道根数有关，与卫星是否在地影中有关，与当前时刻的太阳-地球相对位置有关，时空关系复杂。
55.因此，针对巨型星座卫星通信，如果太阳与卫星上激光通信的光学接收天线近似
直线，必须采取一定的规避措施，让激光终端在日凌期间避开阳光直射。
56.有鉴于此，本发明的一个实施例提供了一种星间链路日凌规避和复位捕跟方法，该方法包括确定激光终端指向；根据第一激光终端日凌角判断是否发生日凌；若发生日凌，针对不同链路类型采取不同的规避策略使激光终端避开阳光直射；日凌规避后，使激光终端到指定的角度重新建立星间链路。
57.如图2所示为本发明实施例提供的星间链路日凌规避和复位捕跟方法流程图。
58.在一种可能的实现方式中，所述确定激光终端指向包括获得在第一坐标系下的第一太阳矢量和第一星间链路矢量；通过坐标变换得到所述第一太阳矢量和所述第一星间链路矢量在第二坐标系下的第二太阳矢量和第二星间链路矢量。
59.本实施例中，所述第一坐标系为地球j2000惯性坐标系，所述第二坐标系为接收端卫星轨道坐标系。
60.根据任务开始时刻的轨道根数进行轨道预报，获得任务规划时段内fx-2两颗卫星的轨道数据(j2000坐标系下的位置和速度)；
61.根据行星星历模型得到任务规划时段内太阳在地球j2000惯性坐标系下的位置数据；
62.根据接收端卫星的位置和速度矢量计算得到任务规划时段内每个时刻从地球j2000惯性坐标系到卫星轨道坐标系的坐标转换矩阵；
63.计算地球j2000惯性坐标系下的星间链路矢量，并将其转换到接收端卫星轨道坐标系；即将第一星间链路矢量通过坐标变换得到所述第一星间链路矢量在第二坐标系下的第二星间链路矢量。
64.计算星间链路矢量在接收端卫星轨道坐标系下的偏航角和俯仰角；
65.计算接收端卫星的太阳矢量，并将其转换到该卫星的轨道坐标系中；即第一坐标系下的第一太阳矢量通过坐标变换得到所述第一太阳矢量在第二坐标系下的第二太阳矢量。
66.计算太阳矢量在接收端卫星轨道坐标系下的偏航角和俯仰角。
67.具体的，通过高精度轨道动力学模型预报巨型卫星星座中卫星在任务规划期间的在轨位置，时间步长为1s，在地面通过矢量减法运算可以得到链路矢量方向，从i星指向j星的星间激光链路矢量可以表示为
[0068][0069]
式中，ri和rj是这两颗卫星在地球惯性j2000坐标系下的位置矢量。
[0070]
不同方向的链路，i星和j星的定义如表1所示。
[0071]
表1星间链路定义
[0072]
链路方向i星j星链路类别前向链路ab同轨后向链路ba同轨右前链路ac异轨
左后链路ca异轨
[0073]
将矢量d
ij
从地球j2000惯性坐标系投影到接收端卫星的轨道坐标系可得
[0074][0075]
式中，上标l代表地球j2000惯性坐标系下的量，上标o代表接收端卫星轨道坐标系下的量，m
lo
是从j2000惯性坐标系转换到轨道坐标系的坐标转换矩阵。
[0076][0077]
式中，xo，yo和z
。
分别代表坐标转换矩阵的第一列、第二列和第三列；和分别是接收端卫星j在地球j2000惯性坐标系下的位置和速度矢量；||
·
||为矢量求模运算，形如
[0078][0079]
矢量的单位矢量
[0080][0081]
太阳光入射接收端卫星的矢量，太阳矢量is在j2000惯性坐标系下可以表示为
[0082][0083]
式中，是太阳的位置矢量。
[0084]
转换到该卫星的轨道坐标系中可得
[0085][0086]
根据任务规划时段内太阳方向和星间链路在接收端轨道坐标系的矢量俯仰角和偏航角，太阳方向矢量可以表示为
[0087][0088]
式中，和为太阳方向矢量在接收端轨道坐标系的偏航角和俯仰角。
[0089][0090][0091]
式中，i
s，x
，i
s，y
和i
s，z
是太阳方向矢量在轨道坐标系中的x，y和z坐标分量。
[0092]
星间链路矢量可以表示为
[0093][0094]
式中，φ
az
和φ
el
是星间链路矢量在接收端卫星轨道坐标系中的偏航角和俯仰角。
[0095][0096][0097]
式中，i
d，x
，i
d，y
和i
d，z
是星间链路矢量在轨道坐标系中的x，y和z坐标分量。
[0098]
根据任务规划期间星间链路矢量和太阳矢量在接收端卫星轨道坐标系的俯仰角和偏航角得到激光终端的凌日夹角，根据规避阈值判断是否需要进行规避。
[0099]
在一种可能的实现方式中，所述根据第一激光终端日凌角判断是否发生日凌包括根据第二太阳矢量俯仰角和第二太阳矢量偏航角，以及第二星间链路矢量俯仰角和第二星间链路矢量偏航角，计算第一激光终端日凌角；当第一激光终端日凌角小于等于日凌规避预判值时发生日凌。
[0100]
在一种可能的实现方式中，所述日凌规避预判值的范围在1-1.5
°
。
[0101]
在本实施例中，计算任务规划期间激光终端凌日角度；
[0102]
判断任务规划期间激光终端凌日角度是否小于等于日凌规避预判值，如果是，设置日凌规避标识为f＝1，记录小于日凌规避预判值时刻对应的连续日凌规避时段的时间点个数，时间步长为1s；如果否，日凌规避标志位f＝0，index＝0；
[0103]
返回激光终端凌日角度，日凌规避标识位f和日凌规避启动时刻的时间点向量。
[0104]
具体的，如图3所示为本发明实施例提供的激光终端日凌角示意图。为了避免阳光直射，激光终端应当转过一定的角度进行规避。激光终端与太阳的夹角一一日凌角定义为星间链路矢量与太阳方向矢量之间的始终小于180
°
的夹角，即根据第二太阳矢量俯仰角和第二太阳矢量偏航角，以及第二星间链路矢量俯仰角和第二星间链路矢量偏航角，计算第一激光终端日凌角。计算日凌角的公式为
[0105][0106]
日凌角θ≤θ
*
时，星间链路发生日凌，θ
*
是日凌规避值。
[0107]
根据激光终端设计指标，日凌规避值为1
°
。考虑到激光终端转速和执行时延，保留一定的设计裕量，日凌规避预判值设为1.5
°
。
[0108]
在一种可能的实现方式中，所述针对不同链路类型采取不同的规避策略包括针对同轨链路，利用第一规避时间内的第二星间链路矢量偏航角、第二太阳矢量偏航角的符号和第二星间链路矢量偏航角方向转动速度，计算第二星间链路矢量偏航角的第一规避偏航角；
[0109]
针对异轨链路，利用第二规避时间内的第二星间链路矢量偏航角、第二太阳矢量偏航角方向变化的符号和第二星间链路矢量偏航角方向转动速度，计算第二星间链路矢量偏航角的第二规避偏航角。
[0110]
在一种可能的实现方式中，根据所述第一规避偏航角或所述第二规避偏航角得到第二激光终端日凌角。
[0111]
在本实施例中，对于连续的规避时段，获得激光终端凌日夹角；
[0112]
判断该时段内的激光终端凌日夹角是否小于日凌规避角，若是，依次提取规避时段内太阳矢量的俯仰角、偏航角、激光终端俯仰角和该时段初始时刻的激光终端偏航角；
[0113]
根据链路类型不同，计算激光终端偏航规避角；
[0114]
由规避时段内的太阳矢量的俯仰角、偏航角、激光终端俯仰角和偏航规避角计算规避期间的激光终端凌日夹角；
[0115]
判断规避期间激光终端日凌夹角是否大于星间链路日凌规避角，若是，规避成功标志位g＝1，否则g＝0；
[0116]
返回规避后的激光终端凌日夹角，偏航规避角和规避成功标志位g。
[0117]
针对同轨链路，利用第一规避时间内的第二星间链路矢量偏航角、第二太阳矢量偏航角的符号和第二星间链路矢量偏航角方向转动速度，计算第二星间链路矢量偏航角的第一规避偏航角。具体的，对于同轨链路，判断初始时刻日凌规避太阳偏航角符号，对接收端对应的偏航角进行反方向调整，偏航角规避值为
[0118][0119]
其中，第i次日凌，同轨链路规避时刻t的取值范围是t
i+1
和代表此次日凌对应离散采样时刻的第一个和最后一个采样点；cj为当前太阳方向偏航角的符号，号，是太阳方向偏航角；φ
az
(t
i+1
)是激光终端偏航角；是激光终端偏航方向转动速度。
[0120]
针对异轨链路，利用第二规避时间内的第二星间链路矢量偏航角、第二太阳矢量
偏航角方向变化的符号和第二星间链路矢量偏航角方向转动速度，计算第二星间链路矢量偏航角的第二规避偏航角。具体的，对于异轨链路，对激光终端的偏航角进行反方向调整，偏航角规避值
[0121][0122]
其中，第i次日凌，异轨链路规避时刻t的取值范围是t
i+1
和代表此次日凌对应离散采样时刻的第一个和最后一个采样点；φ
az
(ti)是激光终端偏航角；c
l
为规避结束时间和初始时间太阳偏航角变化方向，规避结束时间和初始时间太阳偏航角变化方向，是激光终端偏航方向转动速度。
[0123]
根据偏航角规避值，计算规避后激光终端凌日夹角，即根据所述第一规避偏航角或所述第二规避偏航角得到第二激光终端日凌角。其计算公式为
[0124][0125]
在一种可能的实现方式中，所述使激光终端到指定的角度重新建立星间链路包括针对同轨链路，利用第一复位跟捕时间内的第一规避偏航角、第一复位捕跟时长系数和第二星间链路矢量偏航角方向转动速度，计算第二星间链路矢量偏航角的第一复位捕跟偏航角；
[0126]
针对异轨链路，利用第二复位跟捕时间内的第二规避偏航角、第二复位捕跟时长系数和第二星间链路矢量偏航角方向转动速度，计算第二星间链路矢量偏航角的第二复位捕跟偏航角。
[0127]
在一种可能的实现方式中，根据所述第一复位捕跟偏航角或所述第二复位捕跟偏航角得到第三激光终端日凌角。
[0128]
本实施例中，获得规避结束时刻；
[0129]
根据链路类型不同，计算激光终端复位捕跟期间偏航角；
[0130]
由复位捕跟时段内的太阳矢量的俯仰角、偏航角、激光终端俯仰角和偏航角计算规避期间的激光终端凌日夹角；
[0131]
判断规避期间激光终端日凌夹角是否大于星间链路日凌规避角，若是，规避成功标志位h＝1，否则h＝0；
[0132]
返回规避后的激光终端凌日夹角、激光终端偏航规避角和规避成功标志位h。
[0133]
针对同轨链路，利用第一复位跟捕时间内的第一规避偏航角、第一复位捕跟时长系数和第二星间链路矢量偏航角方向转动速度，计算第二星间链路矢量偏航角的第一复位捕跟偏航角。具体的，由于同轨星间链路通信的两颗卫星始终保持到同一个标称轨道面内，星间相位角保持稳定，同轨星间链路接收卫星激光终端的俯仰角和偏航角保持不变。在日凌期间进行了规避机动后，接收卫星激光终端偏航角复位为0即可。
[0134]
激光终端复位捕跟偏航角为
[0135]
[0136]
式中，是同轨链路复位捕跟时间。
[0137]
针对异轨链路，利用第二复位跟捕时间内的第二规避偏航角、第二复位捕跟时长系数和第二星间链路矢量偏航角方向转动速度，计算第二星间链路矢量偏航角的第二复位捕跟偏航角。具体的，异轨链路激光终端的俯仰角和偏航角在星间通信期间变化较大。因此，复位捕跟时，需根据终端偏航转动速度和异轨链路偏航角的变化趋势得到。通常异轨链路偏航角呈线性变化，可以通过对应时刻做差分得到斜率为
[0138][0139]
式中，和分别对应第i次异轨日凌起始和终止时刻对应的星间链路在轨道坐标系下的偏航角。
[0140]
复位捕跟时间为
[0141][0142]
式中，c是复位捕跟时长系数，由星座轨道参数确定。
[0143]
激光终端复位捕跟偏航角
[0144][0145]
式中，是异轨链路复位捕跟时间，是异轨链路复位捕跟时间，为向下取整。
[0146]
计算复位捕跟期间激光终端凌日夹角，即根据所述第一复位捕跟偏航角或所述第二复位捕跟偏航角得到第三激光终端日凌角。其计算公式为
[0147][0148]
本发明所公开的一种星间链路日凌规避和复位捕跟方法，能够运用于地面运控中心卫星星间激光通信时的日凌规避和复位捕跟规划，具有算法效率高和易于工程实现的优点。
[0149]
本发明的另一个实施例提供了一种星间链路日凌规避和复位捕跟系统，该系统包括激光终端指向模块，用于确定激光终端指向；日凌判断模块，用于根据第一激光终端日凌角判断是否发生日凌；日凌规避模块，用于当发生日凌时，针对不同链路类型采取不同的规避策略使激光终端避开阳光直射；复位跟捕模块，用于在日凌规避后，使激光终端到指定的角度重新建立星间链路。
[0150]
在一种可能的实现方式中，该系统进一步包括地影模块、行星星历模块、通用数学模块、时间转换模块、坐标转换模块、卫星星历模块、轨道预报模块和姿态控制模块。
[0151]
如图4所示为本发明实施例提供的星间链路日凌规避和复位捕跟系统示意图。日凌规避策略可以由地面运控系统提前进行规划上注到卫星，也可以是卫星的星上计算机根据自主定规和轨道预报模型自主生成规避策略。本实施例为地面运控系统提供了日凌规避策略。图4中地面运控系统包括任务规划模型架构，其中任务规划模型架构又包括通用模型
和专用模型。
[0152]
本实施例所公开的一种星间链路日凌规避和复位捕跟系统，能够运用于地面运控中心卫星星间激光通信时的日凌规避和复位捕跟规划，具有算法效率高和易于工程实现的优点。
[0153]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0154]
还需要说明的是，在本发明的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0155]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。