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低轨遥感卫星星地多站接力数据传输时间优化策略

陆召严 范森权 付碧红 包丽平 汪灏

陆召严, 范森权, 付碧红, 包丽平, 汪灏. 低轨遥感卫星星地多站接力数据传输时间优化策略[J]. 空间科学学报. doi: 10.11728/cjss2025.04.2024-0083
引用本文: 陆召严, 范森权, 付碧红, 包丽平, 汪灏. 低轨遥感卫星星地多站接力数据传输时间优化策略[J]. 空间科学学报. doi: 10.11728/cjss2025.04.2024-0083
LU Zhaoyan, FAN Senquan, FU Bihong, BAO Liping, WANG Hao. Optimization Strategy for Single-satellite to Multi-station Data Transmission (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2025, 45(4): 1-12 doi: 10.11728/cjss2025.04.2024-0083
Citation: LU Zhaoyan, FAN Senquan, FU Bihong, BAO Liping, WANG Hao. Optimization Strategy for Single-satellite to Multi-station Data Transmission (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2025, 45(4): 1-12 doi: 10.11728/cjss2025.04.2024-0083

低轨遥感卫星星地多站接力数据传输时间优化策略

doi: 10.11728/cjss2025.04.2024-0083 cstr: 32142.14.cjss.2024-0083
基金项目: 中国科学院战略性先导科技专项A类项目资助(XDA19010000)
详细信息
    作者简介:
    • 陆召严 男, 1989年12月出生于江苏省, 现为中国科学院微小卫星创新研究院助理研究员, 卫星总体主任设计师, 主要研究方向为超低轨飞行关键技术、飞行器总体设计、空间操控关键技术
    通讯作者:
    • 付碧红 女, 1975年8月出生于陕西省, 现为中国科学院微小卫星创新研究院正高级工程师, 硕士生导师, 卫星总师, 主要研究方向为航天器结构设计和卫星总体设计
  • 中图分类号: V474.2

Optimization Strategy for Single-satellite to Multi-station Data Transmission

  • 摘要: 针对低轨遥感卫星多站数传接力问题中链路切换时刻选择及接力场景复杂的问题, 提出了一种基于链路切换时间优化的多站数传接力方法, 简化多站接力场景并选择最优接力时刻, 提升数传接力传输时长. 在该方法中, 首先建立多站接力的数学描述, 并构建卫星与地面站链路切换时间的表达方法. 基于主流的低轨遥感卫星和地面站特征, 建立星地数传接力场景, 归纳可见时间弧段特征, 构建多站接力复杂场景的两站化优化策略, 同时对链路切换时间进行数值求解, 寻求接力时间最短的接力时刻. 最后, 使用典型的星地数传模型仿真计算验证本文构建的带有优化策略的数传接力方法. 仿真结果表明: 在国内三个典型地面站场景下, 卫星和地面站的数传链路存在32.0%可接力数传弧段, 其中三站接力场景占比17.9%, 三站接力场景可以通过优化策略简化成两站接力场景并存在最优接力时刻, 使用接力时间优化策略后, 最短链路切换时间相比最长接力时间可缩短最高达25%; 使用优化后的数传接力方法进行接力数传, 每次可用时间的平均值由单站的7.61 min提升为11.12 min.

     

  • 图  1  多站数传可见时间示意

    Figure  1.  Schematic diagram of the time of multi-station data transmission

    图  2  卫星坐标示意

    Figure  2.  Schematic diagram of satellite coordinates

    图  3  数传天线指向角度定义

    Figure  3.  Definition of the pointing angle of the data transmission antenna

    图  4  数传天线运动曲线

    Figure  4.  Data transmission antenna motion curve

    图  5  数传天线接力导引律

    Figure  5.  Relay guidance law of data transmission antenna

    图  6  一个回归周期(11天)内星地数传可见弧段

    Figure  6.  Visible arcs from the satellite to the ground within 11 days

    图  7  一个回归周期(11天)内当前站和前序站时间间隔

    Figure  7.  Time interval between the current station and the previous station within 11 days

    图  8  两站接力的情形

    Figure  8.  Situation of the two-station relay

    图  9  三站接力场景(前序站与中间站不重叠)

    Figure  9.  Three-station relay scenario (The previous station does not overlap with the middle station)

    图  10  三站接力场景(前序站与中间站、后序站重叠)

    Figure  10.  Three-station relay scenario (The previous station overlap with the middle station and behind station)

    图  11  优化后数传接力场景描述

    Figure  11.  The situation of the two-station relay

    图  12  典型接力场景的接力时间和数传天线导引

    Figure  12.  Relay time and data antenna guidance in typical relay scenarios

    图  13  数传弧段合并后的可见时间

    Figure  13.  Visible time after the data transmission arcs merged

    图  14  数传天线接力需要转动的角度和时间

    Figure  14.  Angle and time of rotation required for the relay of the data transmission antenna

    图  15  多站接力前后数传时间对比

    Figure  15.  Comparison of the number transmission time before and after the multi-station relay

    表  1  地面站参数

    Table  1.   Parameter of ground station

    序号站名称经度/(º)E纬度/(º)高程/m最低接收仰角/(º)
    1密云站116.8 E40.4 N1095
    2喀什站75.9 E39.51 N13075
    3三亚站109.3 E18.31 N227
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    表  2  三站接力信息

    Table  2.   Simulation result of three station relay

    入站时刻
    积秒/s
    出站时刻
    积秒/ s
    可见时长/
    min
    地面站前序站出站与后序
    站入站间隔时间/ min
    190690.5191150.57.666三亚80.034
    191123.1191411.84.811密云–0.45597
    191217.4191506.94.824喀什–3.23952
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    表  3  多站接力策略下的数传时间对比

    Table  3.   Comparison of data transmission time of the multi-station relay strategy

    名称平均值最大值最小值
    接力后每天通信时间/min66.7872.5656.37
    独立站每次可通信时间/min7.619.135.92
    接力站每次可通信时间/min11.1211.819.61
    独立站每天可见次数4.37552
    接力站每天可见次数6.1986
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-06-28
  • 录用日期:  2025-06-30
  • 修回日期:  2024-12-13
  • 网络出版日期:  2024-12-17

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