一种星间协同即时遥感系统及方法

本技术涉及航天控制、卫星遥感与星间通信协同，尤其涉及基于星间激光与星地微波异构链路联合适配的星间协同即时遥感系统。

背景技术：

1、即时遥感技术是洪涝灾害、森林火情、地震应急、突发环境监测等时效敏感场景的核心支撑技术，民用应急应用对遥感数据提出了分钟级甚至秒级的端到端实时传输需求。当前低轨遥感卫星数据获取主要依赖地面站直传与高轨中继卫星转发两类模式，均存在难以适配即时遥感场景的固有技术缺陷。地面站直传模式受卫星轨道可见弧段限制，遥感卫星多数时间处于地面站不可见区间，观测数据只能暂存于星载大容量存储器，产生数小时级的数据延迟，完全无法满足应急实时作业需求。以美国tdrss、国内天链中继系统为代表的现有中继转发方案，依托星间链路实现非可见弧段卫星数据回传，在一定程度上解决了数据获取问题，但该类传统中继体制存在以下时效短板：

2、1.任务流程松耦合，串行执行环节多导致延迟累积严重。传统中继体系中，任务指令下发、星间链路扫描建链、遥感载荷启动、数据存储转发均为独立串行步骤，各环节存在大量无效等待时间，指令触达、链路建立与遥感作业无法同步联动，流程时延累积效应显著。

3、2.普遍采用整景存储后再转发的模式，缺乏实时传输能力。现有中继转发需要等待卫星完成完整场景成像并将数据整体存入固存后，再启动数据转发，属于典型的先存后传机制，天然无法实现秒级即时回传。

4、3.异构链路带宽失配，缺乏专用适配机制。星间激光链路具备gbps甚至更高级别的超高传输带宽，而星地微波数传链路带宽相对较低且动态变化，现有技术缺乏针对高低速异构链路的动态流控、速率适配与实时转发机制，极易因带宽失配导致数据拥堵、丢包和断流，难以支撑连续实时数据传输。

5、4.依赖地面集中调度，响应滞后。传统中继任务需要地面提前进行链路规划并上传多组独立指令，星上不具备面向突发应急任务的自主快速响应能力。

6、综上，现有星间中继遥感方案仅实现了不可见弧段卫星数据回传的基础功能，未能解决流程串行延迟大、链路异构失配、任务与链路松耦合三项问题，无法满足现代应急场景下的秒级即时遥感需求。

技术实现思路

1、本发明目的是为了解决在利用非专用中继的常规遥感卫星开展协同即时遥感作业时，现有星间中继体制中任务指令触达、星间激光链路建立与遥感载荷启动三者相互独立且串行执行，流程无效等待时间长，无法实现极速任务响应；同时，星间激光高带宽链路与星地微波相对低带宽链路速率严重失配，现有技术缺乏异构链路实时适配机制，无法实现遥感数据零等待、无中断的流式实时转发，难以保障端到端秒级延迟的即时遥感效果的技术问题，提供了一种星间协同即时遥感系统及方法。

2、本发明为解决上述问题采取的技术方案是：一种星间协同即时遥感系统，所述系统包括地面站、处于地面可见弧段的中继卫星和处于地面不可见弧段的目标遥感卫星，地面站生成一体化复合指令帧并下发至中继卫星，复合指令包含遥感任务信息域、星间激光快速建链辅助信息域和流式转发控制信息域；

3、中继卫星搭载专用联合任务指令解析器，用于接收并解析复合指令帧；

4、锁定星间激光链路后，目标卫星获得遥感作业指令并开展作业；

5、中继卫星内置独立的星载直通转发单元，星载直通转发单元包括激光解帧子模块、高速微缓存区、背压流控逻辑单元和微波组帧子模块；

6、激光解帧子模块用于剥离激光协议头，提取有效遥感数据并送入高速微缓存区进行瞬时削峰；

7、背压流控逻辑单元实时监测星地微波链路可用带宽，动态生成流控信令并通过激光链路反向信道发送至目标卫星，调节其发送速率，使前端激光数据接收速率与后端微波下行发送速率动态匹配，形成微波链路带宽状态对激光链路数据速率的闭环自适应控制；

8、经速率适配后的数据由微波组帧子模块完成帧格式实时转换，适配星地微波链路传输标准，持续向地面站下发流式数据分片。

9、进一步地，遥感任务信息域包含目标区域经纬度、成像模式和任务优先级；

10、建链辅助信息域包含卫星姿态预判角度、激光扫描窗口和链路预设带宽；

11、流式转发控制信息域包含直通转发使能标识、微缓存阈值和背压流控响应系数。

12、进一步地，联合任务指令解析器在接收一体化复合指令帧后，同步触发两路并行动作：

13、一路动作为从建链辅助信息域中提取激光建链辅助参数，完成目标卫星位置预判与扫描不确定区域的缩小，启动窄范围快速扫描捕获，建立星间激光链路；

14、另一路动作为将遥感任务信息域对应的遥感任务指令与流式转发控制信息域对应的流式转发配置参数重构为星间作业指令帧，其中，所述重构具体包括：

15、从一体化复合指令帧中剥离微波链路协议封装，提取遥感任务指令与流式转发配置参数的载荷字段，按星间激光链路控制信令帧格式重新组帧，使其可直接内嵌于激光链路扫描、捕获和锁定握手过程中的控制信令帧载荷区；

16、待激光链路一经锁定，目标卫星即可从链路控制信令中直接解析获得完整作业指令，无需额外建立上层任务交互通道。

17、进一步地，星载直通转发单元具体包括：

18、以激光链路数据帧载荷为基本分片单位，每个分片依次经历以下流水阶段：

19、阶段一：激光解帧子模块对到达的激光链路数据帧逐帧剥离激光协议头，提取有效遥感数据分片并送入高速微缓存区进行瞬时削峰，吸收激光链路突发速率与微波链路发送速率间的瞬时速率差；

20、阶段二：背压流控逻辑单元实时监测星地微波链路可用带宽，动态生成流控信令并通过激光链路反向信道发送至目标卫星，调节目标卫星遥感数据的发送速率，使前端激光数据接收速率与后端微波下行发送速率动态匹配，形成微波链路带宽状态对激光链路数据速率的闭环自适应控制；

21、阶段三：经速率适配后从微缓存区出队的数据分片，由微波组帧子模块完成激光协议帧到微波协议帧的帧级实时转码，适配星地微波链路传输标准，持续向地面站下发流式数据分片；

22、上述三个阶段以流水线方式并行运转：第n个分片处于阶段三的转码下发时，第n+1个分片同步处于阶段一的接收削峰，第n+2个分片的发送速率同步受阶段二的背压流控闭环调节，从而在不依赖大容量存储的前提下，实现边接收、边适配、边转码、边下发的无堆积、无断流、零等待流式数据转发。

23、第二方面，本发明提供一种基于如上文所述的星间协同即时遥感系统的星间协同即时遥感方法，所述方法包括：

24、步骤1：地面站整合三类独立信息，生成一体化复合指令帧，该指令帧包含遥感任务信息域、星间激光快速建链辅助信息域和流式转发控制信息域，单次完成指令封装并通过星地微波链路下发至中继卫星；

25、步骤2：中继卫星搭载联合任务指令解析器，接收并解析复合指令帧，同步触发两路并行动作：第一路提取激光建链辅助参数，完成目标卫星位置的预判与扫描不确定区域的缩小，启动窄范围快速扫描捕获，极速建立星间激光链路；第二路将遥感任务指令与流式转发配置参数重构为星间作业指令帧，待激光链路一经锁定随即下发；

26、步骤3：中继卫星与目标卫星在激光链路握手建立阶段，通过链路控制帧将星间作业指令帧同步传送至目标卫星；激光链路完成扫描、捕获和锁定的瞬间，目标卫星已同步完成遥感任务解析，无需二次指令交互，立即启动可见光遥感载荷开展目标区域成像作业，实现链路建成与遥感作业同步启动；

27、步骤4：中继卫星内置独立的星载直通转发单元，该单元全程绕过星载大容量固存的常规存储控制器，构建激光接收、协议转换到微波下发的硬件直通通路；

28、星载直通转发单元包括激光解帧子模块、高速微缓存区、背压流控逻辑单元和微波组帧子模块；

29、激光解帧子模块用于剥离激光协议头，提取有效遥感数据并送入高速微缓存区进行瞬时削峰；

30、背压流控逻辑单元实时监测星地微波链路可用带宽，动态生成流控信令并通过激光链路反向信道发送至目标卫星，调节其发送速率，使前端激光数据接收速率与后端微波下行发送速率动态匹配，形成微波链路带宽状态对激光链路数据速率的闭环自适应控制；

31、经速率适配后的数据由微波组帧子模块完成帧格式实时转换，适配星地微波链路传输标准，持续向地面站下发流式数据分片；

32、步骤5：地面站持续接收微波链路下发的流式数据分片，逐帧完成协议解析、数据重组与可视化展示，无需等待整景数据传输完成，最终实现不可见弧段遥感数据的秒级端到端即时回传。

33、进一步地，遥感任务信息域包含目标区域经纬度、成像模式和任务优先级；

34、建链辅助信息域包含卫星姿态预判角度、激光扫描窗口和链路预设带宽；

35、流式转发控制信息域包含直通转发使能标识、微缓存阈值和背压流控响应系数。

36、进一步地，星载直通转发单元具体包括：以激光链路数据帧载荷为基本分片单位，每个分片依次经历以下流水阶段：

37、阶段一（接收与削峰）：激光解帧子模块对到达的激光链路数据帧逐帧剥离激光协议头，提取有效遥感数据分片并送入高速微缓存区进行瞬时削峰，吸收激光链路突发速率与微波链路发送速率间的瞬时速率差；

38、阶段二（速率闭环控制）：背压流控逻辑单元实时监测星地微波链路可用带宽，动态生成流控信令并通过激光链路反向信道发送至目标卫星，调节目标卫星遥感数据的发送速率，使前端激光数据接收速率与后端微波下行发送速率动态匹配，形成微波链路带宽状态对激光链路数据速率的闭环自适应控制；

39、阶段三（协议转码与下发）：经速率适配后从微缓存区出队的数据分片，由微波组帧子模块完成激光协议帧到微波协议帧的帧级实时转码，适配星地微波链路传输标准，持续向地面站下发流式数据分片；

40、上述三个阶段以流水线方式并行运转：第n个分片处于阶段三的转码下发时，第n+1个分片同步处于阶段一的接收削峰，第n+2个分片的发送速率同步受阶段二的背压流控闭环调节，从而在不依赖大容量存储的前提下，实现边接收、边适配、边转码、边下发的无堆积、无断流、零等待流式数据转发。

41、第三方面，本发明提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时执行如上文所述的一种星间协同即时遥感方法的步骤。

42、第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质用于储存计算机程序，所述计算机程序执行如上文所述的一种星间协同即时遥感方法。

43、本发明的有益效果：

44、本发明打破了行业内“星载跨体制转发必须依赖大容量固存缓存”的固有技术认知，在无存储零等待的前提下，同时实现了异构链路带宽适配、亚毫秒级超低转发时延、无断流无数据堆积的效果，突破了传统存储转发架构下的时延瓶颈。

45、（1）本发明构建了一体化复合指令触发机制，实现任务下达、链路建立与遥感作业的并行联动；针对该机制，本发明在中继卫星星上处理单元部署联合任务指令解析器，为独立于传统测控解析模块的专属功能模块，用于识别并解析地面下发的一体化复合指令帧。该解析器可快速拆分出遥感任务域、激光建链辅助域和流式转发控制域三类信息，并同步输出建链触发信号与任务转发预备信号，实现单指令多动作并行触发。

46、（2）本发明建立了旁路直通流式转发与动态背压适配机制，从根本上解决异构链路带宽失配难题，彻底摒弃传统串行存储转发架构。其中，星载直通转发单元为本发明核心硬件旁路模块，包含激光解帧子模块、微波组帧子模块、高速微缓存区及背压流控逻辑单元。该单元独立于卫星常规数传存储通路，可完全绕过星载大容量固存及其存储控制器，构建专属高速数据直通链路，从硬件层面消除存储读写延迟，是实现星地微波与星间激光异构链路联合适配的核心部件。

47、上述机制形成了星地微波链路与星间激光链路之间的闭环协同控制关系，即微波链路承载复合指令下行传输与带宽状态反馈，激光链路承载星间高速数据传输与流控信令交互，双链路通过背压流控逻辑构成统一的联合适配系统。

48、本发明还提供了一种快速建链捕获辅助机制，地面站基于卫星星历数据，实时预测目标卫星的空间位置与姿态，生成角度捕获窗口、扫描范围等辅助参数并封装至复合指令。中继卫星依据该辅助参数，将激光扫描范围从大角度全域扫描优化为窄域精准扫描，大幅缩短激光链路捕获与锁定时间。

49、本发明适用于双卫星之间协同即时遥感。