專利名稱：基于中軌數(shù)據(jù)中繼的分離模塊化衛(wèi)星系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及衛(wèi)星通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及微型衛(wèi)星技術(shù)領(lǐng)域中，針對(duì)分離模塊化衛(wèi)星實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
微型衛(wèi)星是以微機(jī)電一體化技術(shù)和由數(shù)個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)組成的專用集成微型儀器為基礎(chǔ)的一種全新概念的衛(wèi)星，其實(shí)質(zhì)是一種分布式的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)體系。幾個(gè)小型衛(wèi)星作為基本單元以分布式星座的形式部署在太空中不同的軌道上，它們之間通過(guò)遙測(cè)、遙控的方法互相連接，形成有緊密聯(lián)系的統(tǒng)一體系來(lái)完成原來(lái)一顆常規(guī)衛(wèi)星所具有的功能。作為當(dāng)今航天技術(shù)的熱點(diǎn)，各國(guó)都對(duì)微型衛(wèi)星展開(kāi)了積極研究，而分離模塊化衛(wèi)星系統(tǒng)以其低成本、高投入產(chǎn)出比、高靈活性等優(yōu)勢(shì)成為微型衛(wèi)星研究領(lǐng)域中的代表。分離 模塊化衛(wèi)星系統(tǒng)采用了模塊化和組合的概念，即傳統(tǒng)單體衛(wèi)星上的重要部件各自形成一個(gè)個(gè)單獨(dú)的小衛(wèi)星，這些衛(wèi)星在一定區(qū)域內(nèi)自由飛行，采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，從而共同組成一個(gè)星簇，這種星簇具備高度的靈活性和可擴(kuò)展性，因而具有廣闊的應(yīng)用前景?，F(xiàn)有的分離模塊化衛(wèi)星系統(tǒng)，對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹С中枰蕾嚁?shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，而長(zhǎng)期以來(lái)，數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)均以美國(guó)的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(TDRSS)為藍(lán)本，即采用2-3顆位于地球同步軌道的中繼衛(wèi)星，覆蓋位于一定軌道高度范圍內(nèi)的地球中低軌道航天器。這一設(shè)計(jì)由于所需衛(wèi)星數(shù)量最少，星間中繼路由協(xié)議最簡(jiǎn)，因而以其較低的投入獲得了廣泛的認(rèn)可，但受衛(wèi)星通信系統(tǒng)的特點(diǎn)所限，位于地球同步軌道的衛(wèi)星因其過(guò)高的軌道而具有較大的時(shí)延，同時(shí)更高的軌道也要求更大的發(fā)射成本，因此這種設(shè)計(jì)并不能很好地支持現(xiàn)今高速發(fā)展的多種通信業(yè)務(wù)，尤其是對(duì)時(shí)延要求較高的業(yè)務(wù)，如何在控制成本的前提下，提高分離模塊化衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?，成為亟待解決的一個(gè)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，提供一種基于中軌數(shù)據(jù)中繼的分離模塊化衛(wèi)星系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在不顯著增加成本的前提下，大幅降低系統(tǒng)端到端時(shí)延，實(shí)現(xiàn)分離模塊化衛(wèi)星系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于中軌數(shù)據(jù)中繼的分離模塊化衛(wèi)星系統(tǒng)，包括分離模塊化衛(wèi)星星簇、中軌數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)、地面站，其中分離模塊化衛(wèi)星星簇，用于產(chǎn)生經(jīng)過(guò)星上處理的數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)發(fā)送給中軌數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)；中軌數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)，用于為發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)選擇合適的路徑，以透明轉(zhuǎn)發(fā)的方式傳送至地面站，該數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)位于地球中軌軌道(MEO)，軌道高度為10354km，比現(xiàn)行跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(TDRSS)所使用的地球同步軌道(軌道高度35786km)低2/3以上，從而大大降低了傳輸時(shí)延和衛(wèi)星發(fā)射成本，此外，位于地球中軌軌道的衛(wèi)星擁有較大的覆蓋范圍，因此只需增加少量衛(wèi)星即可完成覆蓋；
地面站，用于對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析處理，得出最終結(jié)果。


附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分，只用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中圖I是本發(fā)明基于中軌數(shù)據(jù)中繼的分離模塊化衛(wèi)星系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明系統(tǒng)中分離模塊化衛(wèi)星星簇?cái)?shù)據(jù)傳輸機(jī)制示意圖。圖3是本發(fā)明系統(tǒng)中中軌數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)的星座結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明基于中軌數(shù)據(jù)中繼的分離模塊化衛(wèi)星方法的流程圖。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有分離模塊化衛(wèi)星系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸采用位于地球同步軌道的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)所帶來(lái)的端到端時(shí)延過(guò)大的問(wèn)題，提出了一種基于中軌數(shù)據(jù)中繼的分離模塊化衛(wèi)星系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。本發(fā)明的一種基于中軌數(shù)據(jù)中繼的分離模塊化衛(wèi)星方法，包括分離模塊化衛(wèi)星星簇產(chǎn)生經(jīng)過(guò)星上處理的數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)發(fā)送給中軌數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)；中軌數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)為發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)選擇合適的路徑，以透明轉(zhuǎn)發(fā)的方式傳送至地面站；地面站對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析處理，得出最終結(jié)果。如圖I所示，顯示了基于中軌數(shù)據(jù)中繼的分離模塊化衛(wèi)星系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)包括分離模塊化衛(wèi)星星簇，用于產(chǎn)生經(jīng)過(guò)星上處理的數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)發(fā)送給中軌數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)；中軌數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)，用于為發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)選擇合適的路徑，以透明轉(zhuǎn)發(fā)的方式傳送至地面站；地面站，用于對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析處理，得出最終結(jié)果。如圖2所示，顯示了分離模塊化衛(wèi)星星簇?cái)?shù)據(jù)傳輸示意圖。分離模塊化衛(wèi)星星簇包括有效載荷，用于承載完成任務(wù)所需的成像儀，成像儀產(chǎn)生原始數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至處理器；處理器，用于對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，包括邊緣銳化、透霧和中值濾波，將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至存儲(chǔ)器；存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)，并以恒定的速率將數(shù)據(jù)發(fā)送至對(duì)地通信模塊；對(duì)地通信模塊，用于分離模塊化衛(wèi)星星簇與地面站之間的數(shù)據(jù)交互，當(dāng)?shù)孛嬲咎幱趯?duì)地通信模塊的覆蓋范圍內(nèi)時(shí)，數(shù)據(jù)直接傳送至地面站，否則，數(shù)據(jù)將被傳送至中軌數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)。分離模塊化衛(wèi)星星簇的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制包含正常和異常兩種機(jī)制。正常機(jī)制下，數(shù)據(jù)依次經(jīng)過(guò)有效載荷、處理器、存儲(chǔ)器、對(duì)地通信模塊。當(dāng)星簇內(nèi)的處理器、存儲(chǔ)器和對(duì)地通信模塊三者中的一個(gè)或多個(gè)失效時(shí)，相應(yīng)步驟將被跳過(guò)，即，若處理器失效，則數(shù)據(jù)依次經(jīng)過(guò)有效載荷、存儲(chǔ)器、對(duì)地通信模塊，若存儲(chǔ)器失效，則數(shù)據(jù)依次經(jīng)過(guò)有效載荷、處理器、對(duì)地通信模塊，若三者全部失效，則數(shù)據(jù)由有效載荷直接傳送至中軌數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)。在正常機(jī)制中，還包括一種額外方式當(dāng)星簇中包含兩顆及兩顆以上處理器或存儲(chǔ)器時(shí)，數(shù)據(jù)將優(yōu)先發(fā)送至狀態(tài)更優(yōu)的目的處理器和存儲(chǔ)器。分離模塊化衛(wèi)星星簇的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制的實(shí)現(xiàn)方法為節(jié)點(diǎn)周期性狀態(tài)維護(hù)，各節(jié)點(diǎn)周期性在星簇內(nèi)廣播狀態(tài)更新數(shù)據(jù)包(State Update Packet),收到該數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)將自己的實(shí)時(shí)狀態(tài)(資源利用度，空閑資源百分比等)寫(xiě)入數(shù)據(jù)包，并回傳至源節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)將 各節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)狀態(tài)保存在所維護(hù)的一張節(jié)點(diǎn)狀態(tài)表中，在發(fā)送數(shù)據(jù)前，以該節(jié)點(diǎn)狀態(tài)表為參照，選擇適當(dāng)?shù)哪康墓?jié)點(diǎn)。例如，當(dāng)某節(jié)點(diǎn)失效后，在其余節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)表中，該節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)將停止更新，此時(shí)依照傳輸機(jī)制，該節(jié)點(diǎn)將無(wú)法成為目的節(jié)點(diǎn)，直至其狀態(tài)再次得到更新為止。如圖3所示，顯示了中軌數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)的示意圖。該系統(tǒng)位于軌道高度為10354km的地球中軌軌道(MEO)，采用Walker-Delta星座，一共8顆衛(wèi)星平均分布在兩個(gè)平面上，每個(gè)平面4顆衛(wèi)星，其軌道傾角均為39. 4°。如圖4所示，顯示了基于中軌數(shù)據(jù)中繼的分離模塊化衛(wèi)星方法流程圖?，F(xiàn)結(jié)合圖4，對(duì)本發(fā)明基于中軌數(shù)據(jù)中繼的分離模塊化衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行說(shuō)明。具體如下步驟401 :分離模塊化衛(wèi)星星簇輸出經(jīng)過(guò)星上處理的數(shù)據(jù)，在正常數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制下，此步驟包括步驟4011，有效載荷產(chǎn)生原始數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)發(fā)送至處理器；步驟4012，處理器對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行邊緣銳化、透霧和中值濾波，處理后的數(shù)據(jù)傳送至存儲(chǔ)器；步驟4013，存儲(chǔ)器按照恒定的速率將經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)傳送至對(duì)地通信模塊；步驟4014，對(duì)地通信模塊依據(jù)覆蓋情況，選擇將數(shù)據(jù)直接傳送至地面或者中軌數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)。步驟402 :中軌數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行路由，并輸出至地面站，此步驟中，中軌數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)的路由過(guò)程包括步驟4021，收到數(shù)據(jù)的中繼衛(wèi)星，若與地面站可見(jiàn)，則將數(shù)據(jù)直接傳送至地面站，否則向視距內(nèi)相鄰中繼衛(wèi)星廣播路由請(qǐng)求包(Route Request Packet)；步驟4022，收到路由請(qǐng)求包的中繼衛(wèi)星，若自身與地面站可見(jiàn)，則將自身與地面站的距離長(zhǎng)度反饋至源衛(wèi)星，否則不予反饋；步驟4023，源衛(wèi)星對(duì)所收到的反饋進(jìn)行比較，選擇距離長(zhǎng)度最小的中繼衛(wèi)星為下一跳節(jié)點(diǎn)；步驟4024，重新跳回步驟4021。步驟403 :地面站收集、分析并進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)，得出最終結(jié)果。對(duì)于分離模塊化衛(wèi)星星簇的異常數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，可參照?qǐng)D2及上述分離模塊化衛(wèi)星星簇?cái)?shù)據(jù)傳輸實(shí)施例進(jìn)行。在此不再贅述。本發(fā)明基于衛(wèi)星通信相關(guān)理論及原理，提出了一種基于中軌數(shù)據(jù)中繼的分離模塊化衛(wèi)星系統(tǒng)和方法，該方法在綜合考慮系統(tǒng)性能和成本的前提下，采用了中軌數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)作為分離模塊化衛(wèi)星星簇實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，與采用傳統(tǒng)的位于地球同步軌道的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)相比，大大降低了系統(tǒng)端到端時(shí)延，有效保證了分離模塊化衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支持。 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于中軌數(shù)據(jù)中繼的分離模塊化衛(wèi)星系統(tǒng)，包括分離模塊化衛(wèi)星星簇、中軌數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)、地面站，其中分離模塊化衛(wèi)星星簇，用于產(chǎn)生經(jīng)過(guò)星上處理的數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)發(fā)送給中軌數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)；中軌數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)，用于為發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)選擇合適的路徑，以透明轉(zhuǎn)發(fā)的方式傳送至地面站；地面站，用于對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析處理，得出最終結(jié)果。
2.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述分離模塊化衛(wèi)星星簇包括有效載荷，用于承載完成任務(wù)所需的成像儀，成像儀產(chǎn)生原始數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至處理器；處理器，用于對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，包括邊緣銳化、透霧和中值濾波，將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至存儲(chǔ)器；存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)，并以恒定的速率將數(shù)據(jù)發(fā)送至對(duì)地通信模塊；對(duì)地通信模塊，用于分離模塊化衛(wèi)星星簇與地面站之間的數(shù)據(jù)交互，當(dāng)?shù)孛嬲咎幱趯?duì)地通信模塊的覆蓋范圍內(nèi)時(shí)，數(shù)·據(jù)直接傳送至地面站，否則，數(shù)據(jù)將被傳送至中軌數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)。
3.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述中軌數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)位于軌道高度為 10354km的地球中軌軌道(MEO)，采用Walker-Delta星座，一共8顆衛(wèi)星平均分布在兩個(gè)平面上，每個(gè)平面4顆衛(wèi)星，其軌道傾角均為39. 4°。
4.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述地面站可被分離模塊化衛(wèi)星星簇中的對(duì)地通信模塊和中軌數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)兩者覆蓋。
5.一種基于中軌數(shù)據(jù)中繼的分離模塊化衛(wèi)星方法，包括A.分離模塊化衛(wèi)星星簇產(chǎn)生經(jīng)過(guò)星上處理的數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)發(fā)送給中軌數(shù)據(jù)中繼系B.中軌數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)為發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)選擇合適的路徑，以透明轉(zhuǎn)發(fā)的方式傳送至地面站；C.地面站對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析處理，得出最終結(jié)果。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，步驟A包括Al，有效載荷產(chǎn)生原始數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)發(fā)送至處理器；A2，處理器對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行邊緣銳化、透霧和中值濾波，處理后的數(shù)據(jù)傳送至存儲(chǔ)器； A3，存儲(chǔ)器按照恒定的速率將經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)傳送至對(duì)地通信模塊；A4，對(duì)地通信模塊依據(jù)覆蓋情況，選擇將數(shù)據(jù)直接傳送至地面或者中軌數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，步驟B中的路由過(guò)程包括BI，收到數(shù)據(jù)的中繼衛(wèi)星，若與地面站可見(jiàn)，則將數(shù)據(jù)直接傳送至地面站，否則向視距內(nèi)相鄰中繼衛(wèi)星廣播路由請(qǐng)求包(Route Request Packet)；B2，收到路由請(qǐng)求包的中繼衛(wèi)星，若自身與地面站可見(jiàn)，則將自身與地面站的距離長(zhǎng)度反饋至源衛(wèi)星，否則不予反饋；B3，源衛(wèi)星對(duì)所收到的反饋進(jìn)行比較，選擇距離長(zhǎng)度最小的中繼衛(wèi)星為下一跳節(jié)點(diǎn)； B4，重新跳回步驟4021。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，步驟C中的地面站既可接收分離模塊化衛(wèi)星星簇內(nèi)對(duì)地通信模塊的數(shù)據(jù)，也可接收中軌數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)中中繼衛(wèi)星的數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于中軌數(shù)據(jù)中繼的分離模塊化衛(wèi)星系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)包括分離模塊化衛(wèi)星星簇、中軌數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)、地面站，分離模塊化衛(wèi)星星簇產(chǎn)生經(jīng)過(guò)星上處理的數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)發(fā)送給中軌數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)；中軌數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行路由，以透明轉(zhuǎn)發(fā)的方式傳送至地面站；地面站對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析處理，得出最終結(jié)果。本發(fā)明可有效降低分離模塊化衛(wèi)星系統(tǒng)的端到端時(shí)延，從而實(shí)現(xiàn)分離模塊化衛(wèi)星系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。
文檔編號(hào)H04B7/185GK102932050SQ20121043883
公開(kāi)日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月7日
發(fā)明者張琦, 忻向軍, 王擁軍, 張麗佳, 孟楠, 李巍, 王厚天, 田樂(lè) 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)