一种基于低轨巨型星座的动态星间通信可见性计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于低轨巨型星座的动态星间通信可见性计算方法，包括以下步骤：获取某个星座下两颗卫星最新的TLE星历数据，基于TLE星历数据和具体历元，使用SGP4轨道预报模型计算两颗卫星的空间位置；然后计算两颗卫星之间的星间视距可见性，并以布尔量作为结果表征；利用基于星间激光链路建立的光功率预算函数，进行接收光功率预算；计算在卫星本体坐标系下通信天线的方位角和俯仰角；最后计算两颗卫星的可见性结果，确定卫星具体的通信天线编号，并建立星座星间可见性矩阵。本发明专利技术的一种基于低轨巨型星座的动态星间通信可见性计算方法，星座规模和计算速度有更高的灵活性和计算性能，星间可见性计算更符合实际卫星通信场景。场景。场景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于低轨巨型星座的动态星间通信可见性计算方法


[0001]本专利技术涉及数据计算领域，尤其涉及一种基于低轨巨型星座的动态星间通信可见性计算方法。

技术介绍

[0002]天基互联网可有效解决覆盖区域受限和应急通信的需求，目前基于激光星间通信的低轨卫星星座是天基互联网主要的建设方向。低轨星间链路组网面临链路节点井喷式增长、网络拓扑结构动态变化、星上负载分布不均衡、星上资源受限等问题，相关问题的研究需要进行等效在轨实验验证。由于巨型星座卫星数量多、低轨卫星运行快等特点，研究动态低轨巨型卫星之间通信可见性矩阵的计算方法，实时表征卫星在空间中基于通信的物理连接关系，对于卫星等效在轨实验验证十分重要。
[0003]目前星间可见性计算主要使用STK(Satellite Tool Kit)进行卫星轨道建模，并将生成的轨道模型导入网络仿真软件，这种方式受限于STK本身的计算性能，在灵活性和星座规模等方面都受到了很大限制；导入过程需要人工操作，比较繁琐，也不能进行实时星历计算；只是基于卫星空间位置进行计算，没有考虑到通信相关参数。

技术实现思路

[0004]有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是现有的星间可见性计算其灵活性和星座规模受限严重，导入过程需要人工操作，比较繁琐，也不能进行实时星历计算，只能基于卫星空间位置进行计算，不涉及通信相关参数。因此，本专利技术提供了一种基于低轨巨型星座的动态星间通信可见性计算方法，实现动态卫星轨道模型和动态星间可见性计算的问题，星座规模和计算速度有更高的灵活性和计算性能，在卫星相对空间位置的基础上考虑了激光通信的光信号衰减、ATP对准效率和天线方位角俯仰角是否满足范围等问题，使星间可见性计算更符合实际卫星通信场景。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于低轨巨型星座的动态星间通信可见性计算方法，包括以下步骤：
[0006]获取某个星座下两颗卫星最新的TLE星历数据，基于所述TLE星历数据和具体历元，使用SGP4轨道预报模型计算两颗卫星的空间位置；
[0007]根据两颗卫星的所述空间位置，计算两颗卫星之间的星间视距可见性，并以布尔量作为结果表征；
[0008]根据两颗卫星的所述空间位置，利用基于星间激光链路建立的光功率预算函数，计算接收光功率预算；
[0009]根据两颗卫星的所述空间位置，计算在卫星本体坐标系下通信天线的方位角和俯仰角；
[0010]根据所述星间视距可见性、接收光功率预算以及光接收机灵敏度计算两颗卫星的可见性结果，根据所述天线方位角和俯仰角确定卫星具体的通信天线编号，并建立星座星
间可见性矩阵。需要注意的是，两颗卫星一颗为发射端，另一颗为接收端。
[0011]进一步地，根据两颗卫星的所述空间位置，计算两颗卫星之间的星间视距可见性，并以布尔量作为结果表征，具体包括以下步骤：
[0012]根据两颗卫星的所述空间位置，得到两颗卫星在WGS
‑
84坐标系下的卫星离地高度、卫星星下点经度、纬度、卫星在J2000坐标系下的坐标；
[0013]根据得到的经度、纬度和离地高度，计算卫星在WGS
‑
84坐标系下直角坐标形式；
[0014]然后基于两颗卫星在两颗卫星在WGS
‑
84坐标系直角坐标形式下的xyz坐标，计算得到两颗卫星的空间直线距离；
[0015]最后，基于两颗卫星的空间直线距离、两颗卫星的离地高度，计算两颗卫星的星间视距可视性。
[0016]进一步地，根据得到的经度、纬度和离地高度，计算卫星在WGS
‑
84坐标系下直角坐标形式，转换公式如下：
[0017][0018][0019]其中，B为卫星纬度、L为卫星经度、H为卫星高度，N为法线长度，e2为第一椭球偏心率的平方，为0.0066943799013，a为椭球长半径，为6378.137km。
[0020]进一步地，基于两颗卫星在两颗卫星在WGS
‑
84坐标系直角坐标形式下的xyz坐标，计算得到两颗卫星的空间直线距离，计算公式如下：
[0021]其中，x
w1
、y
w1
、z
w1
为卫星1的xyz坐标，x
w2
、y
w2
、z
w2
为卫星2的xyz坐标。
[0022]进一步地，基于两颗卫星的空间直线距离、两颗卫星的离地高度，计算两颗卫星的星间视距可视性，具体如下：
[0023][0024][0025][0026][0027]其中，h1为卫星1的离地高度，h2为卫星2的离地高度，L为两个卫星之间的距离，R为地球半径。
[0028]进一步地，根据两颗卫星的所述空间位置，利用基于星间激光链路建立的光功率预算函数，计算接收光功率预算，具体包括：
[0029]P
r
＝P
t
*η
t
*η
s
*η
vibration
[0030][0031][0032][0033][0034]其中，P
r
为发射平均光功率，P
t
为接收平均光功率，η
t
为激光发射系统效率，G
t
为发射天线增益，和光束发散角θ
b
、发射光学系统传输效率τ
t
有关，η
s
为自由逛空间传输效率，和光波长λ、两颗卫星空间直线距离L有关，η
r
为激光接受系统效率，G
r
为接收天线增益，和光波长λ、接收系统光学口径D
r
、接收光学系统传输效率τ
r
有关，η
vibration
为ATP对准适配效率，和光束发散角θ
b
、ATP对准适配效率，发射端跟瞄误差标准差σ
p
有关；将上述公式进行化简可得：
[0035]在公式中，D
r
、L、θ
b
、σ
p
、τ
t
、τ
r
均为常量，可知接收光功率预算P
r
受两颗卫星空间直线距离L影响较大。
[0036]进一步地，根据两颗卫星的所述空间位置，计算在卫星本体坐标系下通信天线的方位角和俯仰角，并根据卫星相对位置计算天线方位角和俯仰角是否满足角度范围，具体包括以下步骤：
[0037]根据两颗卫星的所述空间位置，得到两颗卫星在J2000地心赤道坐标系下的直角坐标和卫星当前本体坐标系和地心赤道坐标系的夹角，计算第二卫星基于第一卫星的相对坐标矩阵；
[0038]根据两颗卫星在J2000地心赤道坐标系下的相对坐标矩阵，进行矩阵转换，基于卫星本体坐标系下相对坐标矩阵；
[0039]根据基于卫星本体坐标系下相对坐标矩阵，计算发射端卫星发射天线的方向角和俯本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于低轨巨型星座的动态星间通信可见性计算方法，其特征在于，包括以下步骤：获取某个星座下两颗卫星最新的TLE星历数据，基于所述TLE星历数据和具体历元，使用SGP4轨道预报模型计算两颗卫星的空间位置；根据两颗卫星的所述空间位置，计算两颗卫星之间的星间视距可见性，并以布尔量作为结果表征；根据两颗卫星的所述空间位置，利用基于星间激光链路建立的光功率预算函数，计算接收光功率预算；根据两颗卫星的所述空间位置，计算在卫星本体坐标系下通信天线的方位角和俯仰角；根据所述星间视距可见性、接收光功率预算以及光接收机灵敏度计算两颗卫星的可见性结果，根据所述天线方位角和俯仰角确定卫星具体的通信天线编号，并建立星座星间可见性矩阵。2.如权利要求1所述的一种基于低轨巨型星座的动态星间通信可见性计算方法，其特征在于，根据两颗卫星的所述空间位置，计算两颗卫星之间的星间视距可见性，并以布尔量作为结果表征，具体包括以下步骤：根据两颗卫星的所述空间位置，得到两颗卫星在WGS
‑
84坐标系下的卫星离地高度、卫星星下点经度、纬度、卫星在J2000坐标系下的坐标；根据得到的经度、纬度和离地高度，计算卫星在WGS
‑
84坐标系下直角坐标形式；然后基于两颗卫星在WGS
‑
84坐标系直角坐标形式下的xyz坐标，计算得到两颗卫星的空间直线距离；最后，基于两颗卫星的空间直线距离、两颗卫星的离地高度，计算两颗卫星的星间视距可视性。3.如权利要求2所述的一种基于低轨巨型星座的动态星间通信可见性计算方法，其特征在于，根据得到的经度、纬度和离地高度，计算卫星在WGS
‑
84坐标系下直角坐标形式，转换公式如下：换公式如下：其中，B为卫星纬度、L为卫星经度、H为卫星高度，N为法线长度，e2为第一椭球偏心率的平方，为0.0066943799013，a为椭球长半径，为6378.137km。4.如权利要求3所述的一种基于低轨巨型星座的动态星间通信可见性计算方法，其特征在于，基于两颗卫星在两颗卫星在WGS
‑
84坐标系直角坐标形式下的xyz坐标，计算得到两颗卫星的空间直线距离，计算公式如下：其中，x
w1
、y
w1
、z
w1
为卫星1的WGS
‑
84坐标系坐标，w
x2
、y
w2
、z
w2
为卫星2的WGS
‑
84坐标系坐
标。5.如权利要求4所述的一种基于低轨巨型星座的动态星间通信可见性计算方法，其特征在于，基于两颗卫星的空间直线距离、两颗卫星的离地高度，计算两颗卫星的星间视距可视性，具体如下：视性，具体如下：视性，具体如下：视性，具体如下：其中，h1为卫星1的离地高度，h2为卫星2的离地高度，L为两个卫星之间的距离，R为地球半径。6.如权利要求5所述的一种基于低轨巨型星座的动态星间通信可见性计算方法，其特征在于，根据两颗卫星的所述空间位置，利用基于星间激光链路建立的光功率预算函数，计算接收光功率预算，具体包括：P
r
＝P
t
*η
t
*η
s
*η
r...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴雅婷，徐天舒，曹炳尧，洪艺铭，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：