多态卫星间激光通信链路仿真方法、装置及电子设备与流程

本发明涉及一种卫星间通信链路仿真领域，尤其涉及多态卫星间激光通信链路仿真方法、装置及电子设备。

背景技术：

1、随着卫星通信技术的发展，针对低轨卫星星座为代表的星间激光通信链路的建立受到广泛关注。卫星间的通信高度依赖星间激光链路的建立，由于星间激光通信机的扫描范围有限，因此如何计算两颗卫星的激光通信机在当前时刻是否能建立链接具有重要的意义。

2、在轨道高度近似的卫星中，通过布设在卫星前后左右的激光器进行通信，而在不同轨道高度卫星间，通过布设在卫星上下的激光器进行通信，从而实现整个星群的激光通信链路的建立。目前针对激光链路的仿真主要计算卫星间的俯仰角、方位角和距离等参数，以确定两颗卫星的空间位置关系来判断激光通信机是否能通信。且现有的星间链路仿真方法，其中一类主要使用stk(satellite tool kit)进行卫星轨道建模，这种方式依赖stk的仿真机制，并且每个星群都需要人工设计再导出星群数据，灵活性差，不适用于自动化仿真平台的搭建，且星群数据量过大时依赖stk仿真导致的仿真难度高，卫星间的不同位置关系以及激光器各类布设形态的星间激光链路建立复杂；另外一类主要针对卫星只搭载一个激光器或者多个激光器在卫星同一面时的情况，不适用于不同轨道高度以及激光器搭载在卫星的多个位置的卫星间的激光通信仿真。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种多态卫星间激光通信链路仿真方法、装置及电子设备，能够用于不同状态的卫星间的激光通信机链路仿真模拟，包括同轨、异轨同高和异轨不同高等情况，以及激光器架设在卫星的上下左右前后六个方向的情况。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种多态卫星间激光通信链路仿真方法，所述方法包括以下步骤：

4、步骤一：基于多颗卫星的轨道六根数参数列表，创建卫星轨道模型，获取卫星任意时刻在j2000坐标系下的位置，生成卫星列表；

5、步骤二：在卫星列表中选定一个作为目标卫星s，剩余卫星中依次选择一个作为参考卫星s0，计算目标卫星s与参考卫星s0形成的直线与地球的相交点数，若相交点数不为0，则目标卫星s和参考卫星s0可见，执行步骤三；否则，不可见，继续判断下一个参考卫星；

6、步骤三：对于目标卫星s，计算参考卫星s0在当前时刻t的真近点角，叠加近地点幅角得到一个坐标转换角度，结合参考卫星s0的轨道倾角i和升交点赤经ω，计算目标卫星s从j2000坐标系转到参考卫星轨道坐标系的坐标旋转矩阵m；

7、步骤四：通过坐标旋转矩阵m计算目标卫星s在参考卫星s0的轨道坐标系中的坐标(x, y, z)，再根据目标卫星s和参考卫星s0的轨道六根数确定两个卫星的位置关系为同轨、异轨同高还是异轨不同高，最后根据坐标(x, y, z)以及位置关系，判断两个卫星需要通信的激光器在卫星上的位置；

8、步骤五：对需要通信的不同位置的激光器分别进行分析，根据参考卫星s0的激光器扫描范围，结合目标卫星s和参考卫星s0的位置关系，判断是否能够建立通信链路；

9、步骤六：根据同一时刻每个激光器只能与一颗卫星建立通信链路的原则，建立该时刻多颗卫星间的完整通信链路仿真结果。

10、进一步地，步骤一中，将多颗卫星的轨道六根数参数输入orekit开源空间动力学库，创建hpop轨道模型。

11、进一步地，所述步骤三包括如下子步骤：

12、（3.1）计算参考卫星s0在当前时刻t的真近点角：

13、

14、其中，e为轨道偏心率，e为偏近点角，计算偏近点角e时，使用迭代法进行计算，迭代公式如下：

15、

16、其中，ma为平近点角；e的初始值为平近点角ma，然后进行迭代计算得到；平近点角ma计算公式如下：

17、

18、其中n为卫星平均运动角速度，t0为卫星过近地点时刻；

19、（3.2）确定参考卫星s0的轨道坐标系：参考卫星s0的飞行方向为x轴方向，从参考卫星s0指向地心的连线方向为y轴方向，根据右手准则垂直于参考卫星s0轨道平面的为z轴方向；

20、（3.3）将j2000坐标系的原点平移到参考卫星s0的位置，然后绕其自身的z轴逆时针旋转角度，再绕y轴逆时针旋转角度i，最后绕z轴逆时针角度，得到参考卫星s0的轨道坐标系；根据三维坐标系转换公式得到坐标旋转矩阵m；其中，为参考卫星s0在时刻t的真近点角，为参考卫星s0的近地点幅角，i为参考卫星s0的轨道倾角，ω为参考卫星s0的轨道升交点赤经。

21、进一步地，所述步骤四通过以下子步骤实现：

22、（4.1）通过转换矩阵m计算目标卫星s在参考卫星s0的轨道坐标系中的坐标(x, y,z)：

23、

24、其中，(x, y, z)为目标卫星s在j2000坐标系下的坐标，(x0, y0, z0)为参考卫星s0在j2000坐标系下的坐标；

25、（4.2）定义目标卫星s的轨道六根数参数为，参考卫星s0的轨道六根数参数为，根据目标卫星和参考卫星的轨道六根数确定两个卫星的位置关系：

26、当，，，，同时满足，则目标卫星和参考卫星目标卫星和参考卫星同轨；

27、当只有满足，其他不满足，则目标卫星和参考卫星目标卫星和参考卫星异轨，轨道半长轴相同；

28、否则，目标卫星和参考卫星异轨且轨道半长轴不同；

29、（4.3）当目标卫星s和参考卫星s0同轨时：如果x>0，则目标卫星s在参考卫星s0前方，目标卫星s的后方激光器链接参考卫星s0的前方激光器；如果x<0，则目标卫星s在参考卫星s0后方，目标卫星s的前方激光器链接参考卫星s0的后方激光器；

30、当目标卫星s和参考卫星s0异轨，轨道半长轴相同时：如果z>0，则目标卫星s在参考卫星s0左方，目标卫星s的右侧激光器链接参考卫星s0的左侧激光器；如果z<0，则目标卫星s在参考卫星s0右方，目标卫星s的左侧激光器链接参考卫星s0的右侧激光器；

31、当目标卫星s和参考卫星s0异轨且轨道半长轴不同时：如果y>0，则目标卫星s在参考卫星s0下方，目标卫星s的上侧激光器链接参考卫星s0的下侧激光器；如果y<0，则目标卫星s在参考卫星s0上方，目标卫星s的下侧激光器链接参考卫星s0的上侧激光器。

32、进一步地，根据参考卫星s0的激光器扫描范围特征，分两种情况判断目标卫星s和参考卫星s0是否能够建立通信链路：

33、当参考卫星s0的激光器扫描范围为圆锥体时，通过计算目标卫星s相对参考卫星s0的激光器的角度，判断是否能够建立通信链路；

34、当参考卫星的激光器扫描范围为立方体时，根据射线投射算法原理，结合目标卫星s和参考卫星s0的位置关系建立特殊射线，判断是否能够建立通信链路。

35、进一步地，当参考卫星s0的激光器扫描范围为圆锥体时，判断是否能够建立通信链路的方法如下：

36、激光器扫描范围的圆锥体的母线角即激光器在各个方向的扫描角度为α，根据目标卫星s和参考卫星s0的位置关系分以下三种情况计算卫星间的角度以判断激光通信机是否能够建立通信链路：

37、目标卫星s和参考卫星s0同轨，计算目标卫星s和参考卫星s0与x轴的夹角θ，计算公式为： ；

38、目标卫星s和参考卫星s0异轨同高，计算目标卫星s和参考卫星s0与z轴的夹角θ，计算公式为： ；

39、目标卫星s和参考卫星s0异轨不同高，计算目标卫星s和参考卫星s0与y轴的夹角θ，计算公式为：；

40、当|θ|≤α时，目标卫星s和参考卫星s0能够建立通信链路。

41、进一步地，当参考卫星s0的激光器扫描范围为长方体时，判断是否能够建立通信链路的方法如下：根据目标卫星s和参考卫星s0的位置关系分以下三种情况，结合射线投射算法原理，建立特殊射线，判断目标卫星s是否在参考卫星s0对应激光器的扫描范围内：

42、目标卫星s和参考卫星s0同轨：从目标卫星s出发沿垂直于参考卫星s0的轨道坐标系的x轴方向做射线，计算射线与激光器扫描范围在y轴和z轴方向的平面的交点数n，如果n为奇数，则在长方体之内，两个卫星能够建立通信链路，保存相应的激光器通信链路；

43、目标卫星s和参考卫星s0异轨同高：从目标卫星s出发沿垂直于参考卫星s0的轨道坐标系的z轴方向做射线，计算射线与激光器扫描范围在x轴和y轴方向的平面的交点数n，如果n为奇数，则在长方体之内，两个卫星能够建立通信链路，保存相应的激光器通信链路；

44、目标卫星s和参考卫星s0异轨不同高：从目标卫星s出发沿垂直于参考卫星s0的轨道坐标系的y轴方向做射线，计算射线与激光器扫描范围在x轴和z轴方向的平面的交点数n，如果n为奇数，则在长方体之内，两个卫星能够建立通信链路。

45、进一步地，所述步骤六通过以下子步骤实现：

46、（6.1）对每个卫星的激光器创建一个是否已经通信的列表{c1, c2, …ci… cm}，其中m为激光器数量，ci取值为0时表示该激光器没有建立链接，取值为1时表示建立链接；

47、（6.2）当两个卫星能够建立通信链路时，判断建立通信链路的激光器所对应的ci取值是否为0，若为0，则两个卫星建立通信链路，保存相应的激光器通信链路结果，并更新对应的ci为1；若为1，则表示该激光器已经和别的卫星建立了通信链路，不再建立通信链路，进行下一颗卫星的链路计算；

48、（6.3）计算完t时刻所有卫星的激光器通信链路结果后，输出该时刻多颗卫星间的完整通信链路仿真结果。

49、一种多态卫星间激光通信链路仿真装置，包括一个或多个处理器，用于实现多态卫星间激光通信链路仿真方法。

50、一种电子设备，包括：

51、一个或多个处理器；

52、存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述电子设备执行时，使得所述电子设备实现多态卫星间激光通信链路仿真方法。

53、本发明的有益效果如下：

54、针对现有的星间激光通信链路仿真方法存在的不适用于自动化仿真平台的搭建，以及不能用于不同轨道高度且激光器搭载在卫星的多个位置的卫星间的激光通信仿真的这些问题，本发明提供的多态卫星间激光通信链路仿真方法，通过建立卫星轨道模型，然后通过坐标系转换方法以及卫星轨道六根数信息判断目标卫星和参考卫星的相对位置确定两个卫星链接的激光器编号，另外引入光线投射算法判断目标卫星是否在参考卫星的激光器扫描范围内，从而确定两个卫星是否能够建立通信链路。本发明的方法在星群数据量较大时仍然能够快速准确地建立激光通信链路，能够实现多种形态大型星群的星间激光通信链路仿真功能，本发明的方法及装置实现简单、自由度高、适用范围广。