月地高速激光通信系统链路特性分析

根据地球、月球、探月卫星的三体运动,针对月地激光链路的建立与保持,分析了地球与月球对链路的遮挡问题,对链路模式进行分析。仿真结果表明:使用3颗月球极轨(Moon Polar Orbit,MPO)卫星来进行通信时,链路中断的次数将大大减少,但是在某些时间段上,仍然受到月球的遮挡而迫使通信链路频繁中断。使用4颗MPO卫星来进行通信时,链路将不再受到月球的阻挡,而仅受到地球的遮挡。同理,增加地球同步轨道卫星的数目可避免地球的遮挡。仿真结果表明,采用2颗地球同步轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)卫星建立链路,链路将不会受到地球的遮挡,建立深空科学研究的信息中继中心,采用激光通信技术,实现月地高速激光信息传输,为我国深空探测技术的发展提供支撑。     

短消息

正6月14日,我国探月工程嫦娥四号任务中的鹊桥中继星成功实施轨道捕获控制,进入环绕距月球约6.5万公里的地月拉格朗日L2点的Halo使命轨道,成为世界首颗运行在地月L2点Halo使命轨道的卫星。后续,鹊桥中继星将在此轨道陆续开展在轨测试和中继通信链路联试,为今年年底择机发射的嫦娥四号月球探测器提供地月中继测控通信。     

中继卫星(TDRS)支持环月探测器的研究

给出了基于轨道根数的跟踪与数据中继卫星(TDRS)对月球探测器的可视算法,分析和比较了地面站和TDRS对月球探测器的测控跟踪能力.结果表明,与依靠地面站相比,使用TDRS后,在不考虑月球遮挡情况下,对环月探测器的测控覆盖率可由50%提高到99%.存在最大月球遮挡时也能达到60%,大大提高了对环月探测器的测控能力.最后讨论了TDRS跟踪环月探测器对TDRS卫星平台的要求,提出了地面站与TDRS相结合的测控方案.在当前TDRS天线运动范围受限情况下,仍能实现对月球探测器的大范围测控覆盖率.      

面向火星探测的中继通信星座设计

在深空通信中,传统的点对点通信方式已经不能满足远距离信息传输的要求。为给目标探测器提供更长时间的中继通信,针对火星目标探测器正常和应急特殊工作这2种不同的应用场景。分别设计了均匀覆盖和连续覆盖的火星中继星座。中继星座方案由1个轨道面内的3颗中继卫星组成,2个星座采用了不同的卫星相位间隔。     

J2轨道模型对月地激光通信预瞄准精度影响研究

基于J_2轨道预测模型,设计了不同倾角和轨道高度圆轨道月球卫星,通过将J_2轨道预测模型预瞄准仿真结果与直接积分RKF7(8)法仿真结果相对比,研究了不同类型月球卫星轨道对-Y面卫星舱板激光通信终端瞄准精度的影响。仿真结果表明,J_2轨道预测模型可以满足月球极地卫星月地激光通信要求,当轨道高度为1 000 km和2 000 km的时候,10 min方位角偏差不超过40μrad,而俯仰角偏差仅为7μrad时,在一定程度上J2轨道预测模型可以满足月地激光通信预瞄准要求。     

地月L2点周期轨道的月球背面覆盖分析

地月L2点附近轨道具备独特的动力学和运动学特性,是月球背面探测任务的中继卫星首选布设位置。面向未来月球背面探测任务的中继通信需求,分析并研究了地月L2点周期轨道(halo轨道)对月球背面的覆盖。在圆型限制性三体问题模型下,研究并给出了halo轨道族延拓计算方法,基于延拓法设计了地月系大范围南北halo轨道族;给出了中继卫星的月球背面覆盖计算模型,定义了相应的时间覆盖因子;数值仿真了地月系南北halo轨道族的月球背面覆盖情况。研究结果表明:地月L2点周期轨道幅值和类型决定其对月面的覆盖性,幅值较小的轨道的月面整体覆盖性较好,幅值较大的轨道对月球南北极覆盖较好,南北族轨道分别有利于月球南北半球的覆盖。文章研究可为我国"嫦娥4号"月球背面探测任务的中继星轨道设计提供有益参考和借鉴。     

全球卫星移动通信星座天基星间链路测控方案

针对全球卫星通信星座的测控问题,提出了利用静止轨道卫星作为天基测控网对低轨全球通信星座卫星进行测控的方案,在GEO轨道布置3颗地球静止轨道卫星,建立GEO轨道卫星与LEO星座卫星之间的星间链路来传输测控信息,再将这些信息转发至相应的地面测控站,分析了测控链路的传输指标,评估了星间测控链路的双向传输性能,最后通过仿真分析验证了采用3颗静止轨道卫星组成的天基测控网能够大幅拓展单纯依靠传统陆基测控网的测控可见弧段,其24h测控弧段覆盖率是后者的8倍,总测控时间比后者提升大约10倍.     

深空通信中利用GEO卫星的双跳下行链路特性研究

利用现有的地球静止轨道(GEO)卫星资源,构建深空通信中深空探测器到GEO卫星、再到地面站的双跳链路系统。在自由空间链路段载波宜采用较高频率以获得链路增益;在GEO卫星到地面站链路段宜采用10GHz左右的卫星通信窗口以规避大气的相关影响。与传统一跳链路相比,双跳链路系统可以获得更大的信噪比和信道容量,以及更小的误码率。采用现有的GEO地面天线完全能够满足深空通信的要求,提高了系统的可靠性。     

基于最小PDOP准则的星间链路拓扑方案

星间链路是卫星导航系统实现自主运行的一项关键技术.研究了一种 Walker(24/3/2) 星座,通过对卫星间可见性以及星间链路相关约束条件的分析,计算并确定了同轨卫星的A,B类排列方案,探索了建立位置精度因子(PDOP,Position Dilution Of Precision)值最小,即测距精度最高的星间链路拓扑结构的方法,并在此基础上利用Dijkstra算法计算出卫星之间以及卫星与地面站之间的最优路径.通过对星间数据传输时间延迟和星座网络卫星节点数据流量的统计,表明这种链路生成方案切实可行,能够满足预先设定的技术指标要求.同时对最短路径、最小跳数和网络流量均衡3种不同的计算策略进行了仿真,验证了这3种策略所造成的结果差异.      

地-月L2点中继星月球近旁转移轨道设计

位于地月L2点周期轨道的中继星将首次为"嫦娥4号"月球背面着陆探测任务提供通信中继服务。中继星转移轨道设计是中继任务实施的关键环节。针对中继星转移轨道存在转移时间、近月点高度和halo轨道振幅等约束条件,系统研究了基于月球近旁的地月L2点转移轨道设计方法。首先基于限制性三体模型,分析了halo轨道族与着陆点可见性关系;然后将月球近旁转移轨道分为地月直接转移段和地月动平衡点附近周期轨道拟流形入轨转移段,采用带有状态约束的微分修正算法对这两段轨道进行拼接,得到了从地球附近至目标轨道族的月球近旁转移轨道;最后,针对南族halo轨道分析了halo轨道振幅和月球飞越高度对转移轨道设计的影响,以及转移轨道的入轨相位分布。仿真结果表明:月球近旁转移轨道设计方案具备工程上的可行性与优越性。该方案可以为实际工程任务和应用提供参考。     

“嫦娥4号”中继星中继通信方案研究与分析

中继通信系统是"嫦娥4号"中继星的主载荷和完成任务的关键,须采用合理可行的技术方案,对"嫦娥4号"中继星中继通信系统的方案进行了研究和分析,并给出了设计难点和解决方案,通过Matlab进行了仿真验证,仿真结果表明:提出的解决方案能满足中继星通信要求。     

月球背面探测任务多目标协同控制模式设计

月球背面探测需要中继卫星提供中继通信支持,实现地面测控网对月面探测器的控制。为解决月球背面探测任务过程中和环月探测卫星等多个航天器目标的相互控制及其与地面测控网之间的复杂协同控制问题,提出了协同控制关联目标描述方法,明确了控制目标和上行路由的概念和确定原则、上行路由测控网资源分配原则,设计了基于时间窗口的中继测控资源分配方法、多目标协同控制的标称计划模式、遥操作规划模式和上行控制模式。经过"嫦娥4号"天地大回路无线联试和"鹊桥"中继卫星在轨飞行证明,设计是合理可行的。     

最小数据丢失量的地月中继卫星任务调度研究

月球背面的探测器必须依靠地月中继卫星进行数据传输与通信。地月中继任务包括实时性任务和延迟容忍类任务,如数传任务。当探测器等待传输的数据量超出用户存储容量时,延迟容忍类任务会由于探测器本地存储资源不足和地月中继卫星天线资源受限而无法完成,导致任务数据丢失,所以需要设计一种合理的地月中继任务调度策略,提高地月中继卫星的资源利用率,减少数据的丢失。对地月中继卫星任务调度进行了研究,在分析地月中继卫星数传任务的特点及用户的存储限制的基础上,以最小化数据丢失量为优化目标,建立了地月中继卫星任务调度模型,并设计了一种基于离散烟花算法（DFWA）的地月中继卫星任务调度算法。仿真数据分析表明,基于离散烟花算法的地月中继卫星任务调度算法在求解结果上优于遗传算法,是一种合理、有效的调度方法。     

月球中继通信卫星系统发展综述与展望

中继通信是一些月球探测任务中必须解决的关键问题,特别是月球背面和两极地区的着陆和巡视探测任务以及载人登月任务。对国内外月球中继通信卫星的研究和发展情况进行了综述,在对月球中继通信任务需求分析的基础上,从中继通信体制选择、轨道选择等方面对月球中继通信任务的实现途径进行了分析,并对月球中继通信技术的未来发展进行了展望。     

导航星座星间星地一体化数据交互技术研究

导航星座时分轮询建链体制星间链路与非时分固定建链体制传统星地链路,数据交互机制区别显著,不利于导航星座与地面联合数据交互的高效实现.提出利用与星间链路信号体制一致的星地链路,将星间链路范围扩展至地面,以少量的地面站资源和统一的网络规划,实现星间、星地链路数据传输处理机制统一化以及网络资源调度管理一体化的方法,可支持全球...     

“嫦娥4号”月球背面软着陆任务设计

介绍了"嫦娥4号"月球背面软着陆任务设计方案。着陆区初步选定为月球背面南极–艾特肯(South PoleAitken,SPA)盆地内的冯·卡门(Von Kármán)撞击坑内。采用中继星实现着陆器和巡视器的对地通信,并选择环绕地月拉格朗日L2点的halo轨道作为其使命轨道。采用CZ-4C火箭和CZ-3B火箭,分别完成中继星和着陆器–巡视器组合体的发射。两器一星上共配置了6台国内研制科学载荷和3台国际合作科学载荷,开展以低频射电天文观测、巡视区形貌、矿物组份及浅层结构为主的科学探测。此外,还搭载了2颗月球轨道编队飞行微卫星、月面微型生态圈和大孔径激光角反射镜,分别开展超长波天文干涉测量试验、月面生态系统试验和超过地月距离的激光测距试验。通过创新设计顶层任务,充分继承成熟技术和产品,增加中继通信功能模块,开放资源引入高性能载荷和搭载项目,将实现一次低成本、短周期、大开放、高效益的月球探测任务。     

A scheduling strategy to inter-satellite links assignment in GNSS

By introducing inter-satellite link (ISL), the dependence of the global navigation satellite system (GNSS) on ground infrastructure can be reduced and its performance enhanced via inter-satellite ranging and communication. Owing to platform restrictions, there are usually fewer onboard Ka-band ISL antennas than the number of visible satellites, which poses a problem when optimizing the inter-satellite links assignment of the GNSS. In this study, to optimize inter-satellite ranging and communication, a multi-objective optimization model is built and a scheduling strategy is proposed for the inter-satellite links assignment scheduling problem. The position dilution of precision (PDOP) of links and the transmission time-delay of telemetry data are set as the ranging performance and communication metrics, respectively. We regard the links assignment in each slot as a general graph-matching problem, and apply the Blossom algorithm to obtain the maximum matching. We then generate and optimize the satellite sequences for whole slots using non-dominated sorting genetic algorithm II (NSGA-II). The simulation scenes include 10,080 epochs of GNSS constellation, and the simulation results show that the performance of the proposed strategy is better than that of other methods published recently, and can provide various solutions to meet the different preferences of system managers.     

用于卫星入轨段测控的箭载天基测控中继系统

为满足卫星入轨段关键遥测参数下传和遥控指令上传的需求,设计了一种用于卫星入轨段测控的中继系统,方案主要基于火箭现成天基测控终端和卫星现成测控设备。介绍了中继系统的组成、工作原理和工作流程,研究了天基测控相控阵天线波束指向算法,设计了一种卫星遥测、遥控信号中继功能的地面测试系统。该箭载中继系统在快舟一号甲火箭上完成了两次飞行试验验证,两次飞行试验中继转发的卫星遥测数据完整,箭载卫星通信终端接收用户卫星遥测数据的载噪比大于20dB;地面测控中心接收天基遥测返向信号比特信噪比相对接收门限有3dB以上的余量。试验表明,该箭载天基测控中继系统通信链路余量充足,工作可靠,相比通过地面测控资源保障或卫星自身使用天基测控可节省一半以上成本。