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互聯網星座通信支援仿真技術的簡要分析

發(fā)布時間:2024-06-06作者來源:金航標瀏覽:769


隨著科技日新月異和人類對宇宙探索的持續(xù)推進,航天任務不斷呈現出復雜化和多元化的特點。在這個過程中,通信技術的革新尤為關鍵。近年來,互聯網星座通信作為一種前沿技術,為航天任務提供了強大的通信支持,極大地提升了航天器與地面之間的數據傳輸效率、指揮控制精準度和協同工作能力。

 互聯網星座技術基本原理

衛(wèi)星互聯網星座指一組運行在特定軌道的通信衛(wèi)星,通過無線電、激光等手段通信互聯形成的全球衛(wèi)星通信網絡,通過星間鏈路和地面終端實現全球范圍內的互聯網接入和數據傳輸。這些衛(wèi)星由眾多小型衛(wèi)星組成,具有覆蓋范圍廣、通信容量大、延時低等特點,可以實現全球無縫覆蓋。

通信星座系統(tǒng)主要分為空間段、地面段、用戶段三部分構成。

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 ▲  通信星座空間段、地面段及用戶段構成示意圖

空間段主要指由多顆通信衛(wèi)星組成的通信星座,負責提供數據傳輸、信號中繼和路由選擇等功能,為實現廣域高速的數據傳輸能力,互聯網星座通常采用高軌與低軌衛(wèi)星結合的方式,高軌衛(wèi)星支持較遠距離和較高覆蓋范圍通信,但傳輸速度較慢,低軌星座傳輸速度快、延遲低但覆蓋范圍小,通過對互聯網星座構型設計實現兩種衛(wèi)星的能力互補,形成高效、穩(wěn)定的全球通信網絡。

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 ▲  洞察者空間信息分析基礎平臺—通信星座空間段仿真分析

地面段主要由運控中心和信關站組成,運控中心負責整個衛(wèi)星星座的管理和調度,包括衛(wèi)星軌道控制、星間鏈路管理、數據傳輸監(jiān)控等,以及對信關站的管理調度;信關站負責將地面段信號與空間段衛(wèi)星進行轉換及傳輸,實現地面與衛(wèi)星間的通信以及對目標衛(wèi)星的有效控制,互聯網星座通常會在全球范圍內建立多個信關站,形成地面通信網絡,確保全球范圍內的高質量通信覆蓋。

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 ▲  航天仿真系統(tǒng)項目—通信星座地面段仿真
用戶段主要指互聯網星座的各種終端設備,通過接收和發(fā)送信號,實現與空間段和地面段的通信連接,為用戶提供高速、穩(wěn)定的互聯網接入服務。衛(wèi)星互聯網通信終端包括衛(wèi)星電話、單兵[敏感詞]通信終端等手持終端,車載通信設備、機載通信設備等移動終端。在航天任務中,衛(wèi)星互聯網終端主要指星載微波通信終端、星載激光通信終端等設備,可以為航天器提供實時數據傳輸和監(jiān)控服務。

互聯網星座通信

支援航天任務中的應用方式

互聯網星座作為一種新興的通信方式,以其全球覆蓋、高速傳輸和靈活配置的特點,為航天任務提供強有力的通信保障。為滿足通信保障需求,各類航天器上需要搭載衛(wèi)星通信、遙控指令接收、應急通信等星座終端,此類終端具備小型化、輕量化、高可靠和兼容性等特點。在具體通信方式選擇上,如StarLink星座在通信方式上采用天星天網形式,空間段以激光星間鏈路及星上路由實現通信通路的快速構建,直接連接服務和用戶,對于地面段關口站和用戶終端主要采用微波形式,如Ku/Ka等頻段可實現較好的對地覆蓋性,V頻段可實現信號增強和針對性服務;對于航天任務中的航天器、衛(wèi)星等用戶,也可采用激光通信手段發(fā)揮互聯網星座的實時通信保障能力。

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實時數據傳輸與監(jiān)控

航天任務中需要大量的實時數據傳輸和監(jiān)控,包括航天器的狀態(tài)數據、科學實驗數據等。互聯網星座可以為航天任務提供高速、穩(wěn)定的數據傳輸通道,實現實時數據傳輸和監(jiān)控。例如火星探測器在火星表面開展科學實驗時,可以利用互聯網星座提供的高速、穩(wěn)定的數據傳輸服務,將大量實驗數據通過互聯網星座實時傳輸回地面控制中心,為科研人員提供寶貴的實驗數據和研究成果。

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指揮控制與協同工作

航天任務需要多個航天器協同工作,完成復雜的任務目標。互聯網星座可以為航天器提供高效的指揮控制與協同工作平臺。通過星間鏈路和地面終端,地面控制中心可以對航天器進行[敏感詞]的指揮控制,實現多個航天器之間的協同工作。例如空間站建設任務中,地面人員能夠通過互聯網星座同時向多個航天器發(fā)送指令,對航天器進行[敏感詞]控制及操作,并實時接收航天器發(fā)送的狀態(tài)數據,實現多個航天器的協同作業(yè),完成空間站的組裝和部署。

相比于傳統(tǒng)通信衛(wèi)星的保障能力,互聯網星座通信在低延遲、高覆蓋和可擴展方面均有明顯優(yōu)勢,例如目前中國空間站與地面的通話延時縮短到了1秒以內,星鏈公布的網絡延遲測試數據約為20~40ms,可以預見,隨著后續(xù)互聯網星座通信保障技術引入空間站建設任務中,空間站控制指令的傳輸時延將被進一步縮短,大大提高通信效率。

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應急通信支援

在航天任務中,應急通信支援是非常重要的一環(huán)。互聯網星座可以為航天任務提供快速、可靠的應急通信支援。在突發(fā)事件或緊急情況下,地面通信設施可能受到破壞或影響,此時互聯網星座可以作為備份通信手段,為航天任務提供及時的通信支援。例如在衛(wèi)星發(fā)射任務中,當地面通信設施發(fā)生故障時,可以通過互聯網星座實現與航天器的應急通信,保障任務的順利進行。

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在軌維護與升級

目前航天器的研制正在向星上自主、智能方向發(fā)展,在其在軌運行期間,可能會遇到各種星上算法模塊升級迭代的情況,互聯網星座可以為航天器的星上算法模塊升級及在軌維護提供支持,利用互聯網星座全球覆蓋、全天時全天候通信保持的特點,地面人員可以通過互聯網星座向航天器發(fā)送升級包及維護指令,大大提高航天任務的效率及可靠性。


  星圖測控互聯網星座通信支援

仿真技術服務

星圖測控經過多年的行業(yè)積累,在軌道動力學、姿態(tài)動力學、遙測數據融合、目標特性分析等多個專業(yè)學科掌握了自主創(chuàng)新的核心技術,與大數據、人工智能等新一代信息技術相融合,完成數字太空系列軟硬件產品的研發(fā),形成了以洞察者Space Insighter產品為核心,以航天業(yè)務方向為牽引的天路Space Link、天控Space OS、天感Space SDA、天仿Space Sim、天視Space XR系列產品。

地月空間軌道任務仿真系統(tǒng)以公司核心產品洞察者為基礎,以高精度算法庫、海量目標庫等一系列計算工具、場景數據為支撐,構建互聯網星座通信支援仿真系統(tǒng),快速搭建星座部署及構型保持、星間鏈路運行管理、天基資源協同分發(fā)等仿真場景,綜合考慮星座碰撞預警及構型保持、星地星間通信中斷等情況,突破星座變軌控制及相位捕獲策略、星間網絡拓撲路由時隙算法、星地星間多鏈路協同分發(fā)等關鍵技術,完成對大規(guī)模互聯網星座及信關站星地星間通信傳輸的高精度仿真,并在項目中實現了互聯網星座通信支援仿真技術的工程化應用驗證,能夠針對不同用戶需求提供一系列定制化開發(fā)服務。

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航天仿真系統(tǒng)項目—巨型星座地面運控管理系統(tǒng)

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