CN102413590B - 一种全球卫星通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全球卫星通信系统及方法，属于卫星通信技术领域。在所述系统中，包括3颗中轨道卫星组成的卫星星座系统、3个地面站，以及用于通信的卫星用户终端。在中轨道卫星覆盖区内的卫星用户终端可以通过中轨道卫星间直接进行通信，或利用中轨道卫星间的星间链路以及与地面站间的星地链路进行通信。采用本系统以较低的成本实现全球卫星用户终端的通信，特别是与中国境内用户实时通信。

Description

一种全球卫星通信系统及方法

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，涉及一种全球卫星通信系统及方法。

背景技术

全球卫星通信系统能够为分布于全球各地的用户提供实时通信服务，有着广泛的应用需求和巨大的市场空间，是卫星通信发展的重要领域。现有运行的全球卫星通信系统主要包括铱星Iridium系统、全球星GlobalStar系统等，这些系统都能够支持全球移动通信，但系统建设成本和技术复杂度高，比如铱星Iridium由66颗低轨道卫星组网，全球星GlobalStar系统由48颗低轨道卫星组成，Iridium采用复杂的星间链路技术，全球星需在全球部署地面站。因此，现有全球卫星通信系统的建设维护成本和技术复杂度很高。

申请号为CN99106177.2的专利“中轨赤道卫星星座方案”，设计的系统由均匀分布在赤道上方的四颗或五颗卫星组成。该方案对于高纬度地区覆盖困难，且仅仅给出了星座设计，没有关于通信方法的设计。申请号为CN99114761.8的专利“一种综合卫星通信系统框架与星座”，设计了一种中国综合卫星通信系统，它是由同步卫星和若干个非同步卫星构成，非同步卫星是由中轨卫星或椭圆轨道卫星星座组成，具有区域性和时限性，该系统用于中国区域实时通信和非实时全球数据通信。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种全球卫星通信系统及方法。采用本发明以三颗中轨道卫星和三个地面站的成本实现全球卫星用户终端的通信，特别是与中国境内用户实时通信。

本发明的技术解决方案是：

一种全球卫星通信系统，包括：卫星星座系统、地面站和卫星用户终端组成。

所述卫星星座系统由三颗中轨道卫星组成，三颗中轨道卫星均匀分布于同一倾斜回归圆轨道面，每两颗中轨道卫星间通过星间天线实现星间通信，所述中轨道卫星可与覆盖区域内的卫星用户终端和地面站通过星地链路进行通信；

所述地面站包括建立于中国喀什的喀什站、中国牡丹江的牡丹江站和中国三亚的三亚站，所述喀什站、牡丹江站和三亚站之间通过地面网络互连，且与地面公共网络相连；

位于同一中轨道卫星覆盖区内的不同卫星用户终端通信时，卫星用户终端分别与同一中轨道卫星建立的星地链路，并利用中轨道卫星的转发实现通信链路的建立；

位于不同中轨道卫星覆盖区内的不同卫星用户终端通信时，卫星用户终端分别与所处覆盖区域的中轨道卫星建立星地链路，再利用中轨道卫星间的星间链路实现通信链路的建立；

所述卫星用户终端与地面公共网络通信时，卫星用户终端与所处覆盖区域内的中轨道卫星建立星地链路，中轨道卫星与覆盖区域内的地面站建立星地链路，利用与地面公共网络相连的地面站实现通信链路的建立。

所述卫星星座系统的中轨道卫星的轨道高度为10350Km，轨道倾角为30度-45度。

一种全球卫星通信方法，包括以下步骤：

(1)建立具有三颗中轨道卫星的卫星星座系统，所述三颗中轨道卫星均匀分布于同一倾斜回归圆轨道面的中轨道卫星，所述中轨道卫星间可建立相互之间用于通信的星间链路；分别在中国境内建立三个地面站，包括位于中国喀什的喀什地面站、位于中国三亚的三亚地面站和位于中国牡丹江的牡丹江地面站；所述地面站均与地面公共网络相连，且相互之间通过地面网络互连；所述中轨道卫星与中轨道卫星覆盖区内的地面站可建立用于通信的星地链路；

(2)当卫星用户终端处于中轨道卫星的覆盖区内时，可与其他卫星用户终端或地面公共网络进行通信：

当卫星用户终端间通信时，若两卫星用户终端处于同一中轨道卫星覆盖区内，两卫星用户终端分别与覆盖区所属的同一中轨道卫星建立星地链路，通过中轨道卫星转发实现两卫星用户终端间通信链路的建立；若两卫星用户终端处于不同中轨道卫星覆盖区内，两卫星用户终端分别与覆盖区所属的中轨道卫星建立星地链路，通过两中轨道卫星间的星间链路实现两卫星用户终端间通信链路的建立；

当卫星用户终端与地面公共网络通信时，卫星用户终端与所处覆盖区所属的中轨道卫星建立星地链路，若中轨道卫星的覆盖区内有地面站，则中轨道卫星与覆盖区内的地面站建立星地链路，利用与地面公共网络相连的地面站实现通信链路的建立；若中轨道卫星的覆盖区内没有地面站，则中轨道卫星与覆盖区内存在地面站的中轨道卫星建立星间通信链路，利用与地面公共网络相连的地面站和中轨道卫星间的星间链路实现通信链路的建立。

所述卫星星座系统中中轨道卫星的轨道高度为10350Km，轨道倾角为30度-45度，在任何时刻，均有一颗中轨道卫星可覆盖至少一个地面站。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)利用位于同一倾斜圆轨道面内的最少3颗中轨卫星和位于中国境内的3个地面站。3颗中轨道卫星组成的卫星星座系统，采用星间固定天线建立星间链路，技术复杂度低，寿命长，维护成本低。地面站，在站址选择上，为我国卫星地面站常用选址地方，工程可行性高；整个系统建设成本低，运行维护成本低。以极低的系统成本实现了能力较强的卫星通信系统。

(2)通过3个地面站之间地面固定网络互联以及通信链路切换功能，可保证只要有一个地面站与一颗卫星之间可通信，即可实现3颗卫星覆盖区内的全球所有终端与中国境内实时通信。能一定程度上解决我国目前全球实时通信手段缺乏的问题，满足各种位于境外，具有数据传输、实时通信，特别是与国内实时通信应用需求的用户，比如国家安全部、驻外使馆机构、远洋运输船、海军等用户均可以使用该系统。

(3)系统可实现较强的全球分时段实时通信能力。比如全球各大洲主要城市(包括欧洲-伦敦、非洲-博茨瓦纳、远东-俄罗斯-上扬斯克、大洋洲-澳大利亚-墨尔本、北美洲-加拿大-亨特霍斯、南美洲-阿根廷首都-布宜诺斯艾利斯等)，在所设计的系统中，优选35度轨道倾角，可实现全球不同地区可实时通信时间相对平衡，每天可实现10小时左右与中国境内实时通信。

附图说明

图1为本发明系统示意图；

图2为卫星运动导致的卫星覆盖区域与地面站之间的切换情况1；

图3为卫星运动导致的卫星覆盖区域与地面站之间的切换情况2；

图4为卫星运动导致的卫星覆盖区域与地面站之间的切换情况3；

图5为卫星运动导致的卫星覆盖区域与地面站之间切换情况1的一个示例。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步介绍。

如图1所示，为本发明系统示意图。包括：由三颗中轨道卫星组成的卫星星座系统、三个位于中国境内的地面站和卫星用户终端。

发明原理

本发明利用卫星星座系统中中轨道卫星覆盖区域大、过顶时间长的优势，采用倾斜回归圆轨道，卫星对地覆盖轨迹具有周期性，从而可优化设计地面站分布。地面站主要分布于中国西部、南部、和东部。卫星星座系统的中轨道卫星轨道高度参数、倾角参数以及地面站位置参数选择满足约束关系为：在全天时间中，至少一颗卫星的对地覆盖区能够覆盖至少一个地面站，三个参数设计可采用迭代方法。从而可保证境外用户通过中轨道卫星间的星间链路、地面站可以建立实时通信链路。地面站之间是通过地面固定网络互联起来的，且均与地面公共网络相连，因此，当3颗卫星先后通过中国或中国周边上空时，卫星将先后覆盖不同的地面站，通过地面站之间互联，可保证通信链路由卫星平滑切换到不同地面站，从而保证通信连续性。

卫星星座系统

根据上述原理中卫星星座系统与地面站间的关系，卫星星座系统中的三颗中轨道卫星均匀分布于中轨回归圆轨道上。

在轨道高度参数的选择方面，根据卫星轨道运动学原理，确定卫星轨道高度，可以选择10350Km，根据该轨道高度，卫星的回归周期为1天。

在轨道倾角参数的选择方面，中轨道卫星运行时的轨道倾角参数选择原则是使得卫星覆盖地面站总时间最大，通过对轨道倾角参数进行迭代，在所选取的地面站位置分布和轨道高度情况下，判断在不同轨道倾角情况下，是否满足约束条件：在全天时间中，至少一颗卫星的对地覆盖区能够覆盖至少一个地面站，如果满足，则根据所选取的轨道倾角参数、轨道高度参数、地面站位置参数可实现本发明所述的全球卫星通信系统设计。

地面站

根据上述原理中卫星星座系统和地面站间的关系，地面站位置参数选择的原则是多个地面站相互间距离尽可能大；根据我国版图及现有卫星地面站建设分布情况，可以分别在西部、南部和东部各选取一个地面站位置。

根据上述卫星星座系统和地面站的设计原则，对卫星星座系统中中轨道卫星的轨道高度参数、轨道倾角参数和地面站位置参数的约束关系进行迭代运算，调整并选取出的最终满足上述关系的参数为：

卫星星座系统中：由3颗中轨道卫星组成，3颗卫星均匀分布于同一倾斜圆轨道面，轨道高度10350Km，轨道倾角30度-45度，可保证在全天时间中，至少一颗卫星的对地覆盖区能够覆盖至少一个地面站，从而可实现3颗卫星覆盖区内任一终端与国内用户实时通信。本方案中优选35度倾角，以保证全球不同地区可实时通信时间相对平衡。

此外，10350Km轨道高度，可以使星地链路信号衰落程度以及通信时延适中，有利于实现终端小型化以及保证实时通信时延适度。优选35度轨道倾角，可实现全球不同地区可实时通信时间相对平衡，每天可实现10小时左右与中国境内实时通信。

地面站中：西部选择喀什建立喀什站、南部选择三亚建立三亚站、东部选择牡丹江建立牡丹江站。

通信方法

采用本发明系统进行卫星用户终端通信的方法为：

(1)当通信双方的卫星用户终端位于同一颗中轨道卫星的覆盖区域内时，由中轨道卫星独立完成双方通信的星地链路的建立、维护和结束过程，实现双方的通信。

(2)当通信双方的卫星用户终端位于不同中轨道卫星覆盖区域内，分别由各自覆盖中轨道卫星完成与卫星用户终端间星地链路的建立，再由中轨道卫星通过星间天线建立的星间通信链路，实现双方的通信；

(3)卫星用户终端与地面公共网络(比如PSTN、Internet等)中的用户通信时，卫星用户终端首先与覆盖其的中轨道卫星N建立星地通信链路，中轨道卫星N再经过星间链路与中轨道卫星M建立星间通信链路，中轨道卫星M与其覆盖区内的地面站建立星地通信链路，地面站连接地面公共网络，并通过地面公共网络与其中的用户建立通信链路，实现双方的通信；

(4)针对卫星运动导致地面站在不同时间可建立通信链路的卫星不同的情况，采用基于预测通信链路快速切换的方法，保证通信的连续性。实现方法如下：1)通过卫星运行轨道星历、地面站位置，可实时计算出全天任何时间段内，任何一个地面站可建立连接的卫星，从而可预测出通信链路需切换的时间点；2)根据预测切换时间点，在此时间点之前，由当前地面站控制，在当前地面站-切换目标地面站、切换目标地面站-公共网络用户、切换目标卫星-切换目标地面站之间建立预备切换通信链路，当到达切换时间点时，将原通信链路切换到已建立的预备切换通信链路，保证原通信的连续性。

如图1所示，系统具体通信方法如下(“中轨道卫星”简称为“卫星”)：

(1)当通信双方的卫星用户终端A(ST-A)和卫星用户终端C(ST-C)位于同一颗卫星1覆盖区域内，由卫星1独立为ST-A和ST-C分配星地链路资源，建立通信链路，并对通信链路进行维护、管理和拆除等操作；

(2)当通信双方的卫星用户终端A(ST-A)和卫星用户终端B(ST-B)分别位于卫星1和卫星2覆盖区域内，则分别由卫星1完成ST-A与卫星1之间的星地链路建立，并通过星间天线建立与卫星2之间的星间通信链路，卫星2完成ST-B与卫星2之间的星地链路建立，从而实现ST-A与ST-B之间的实时通信；

(3)卫星用户终端A(ST-A)与地面公共网络中的用户a通信时，卫星用户终端A首先与当前覆盖其的卫星3建立星地通信链路，卫星3与卫星1再通过星间天线建立星间通信链路，卫星1与当前覆盖的牡丹江地面站建立星地通信链路，牡丹江地面站通过与之相连的地面网络实现与公共网络的用户a建立通信链路，从而完成ST-A---卫星3---卫星1-牡丹江站---三亚站---用户a的整个通信链路的建立；

(4)由于卫星持续运动导致地面站在不同时间可建立通信链路的卫星不同的情况，根据上述卫星轨道高度参数、轨道倾角参数、地面站位置参数设计，3颗卫星在同一轨道面内运行，按照相同的路线先后扫过相同地面区域，在一个回归周期(1天)内，地面站与3颗卫星之间通信链路将出现多种切换情况：

1)如图2所示，随着卫星运动，前一颗卫星1覆盖区逐渐离开牡丹江地面站，后一颗卫星2覆盖区逐步靠近喀什地面站；当前一颗卫星1覆盖区完全离开牡丹江地面站之前，后一颗卫星2覆盖区将开始覆盖到喀什地面站；

2)如图3所示，随着卫星运动，前一颗卫星1覆盖区逐渐离开三亚地面站，后一颗卫星2覆盖区逐步靠近喀什地面站；当前一颗卫星1覆盖区完全离开三亚地面站之前，后一颗卫星2覆盖区将开始覆盖到喀什地面站；

3)如图4所示，随着卫星运动，前一颗卫星1覆盖区逐渐离开牡丹江地面站，后一颗卫星2覆盖区逐步靠近三亚地面站；当前一颗卫星1覆盖区完全离开牡丹江地面站之前，后一颗卫星2覆盖区将开始覆盖到三亚地面站；

上述3种情况将在每个回归周期内重复出现多次，对于所有切换情况，系统采用的通信方法不同点在于不同情况下不同的通信链路切换的节点不同，但通信链路切换方法是相同的。具体切换方法如下：

以一种切换情况为例。如图1和图5所示，由图1所示情况，由于卫星运动，导致卫星覆盖情况出现如图5所示情况。

卫星2覆盖区域将逐渐接近喀什地面站，并将在卫星1覆盖区完全离开喀什地面站之前，卫星2将覆盖喀什地面站，此时时间为T1(时间06:30)；卫星1将逐渐移动出牡丹江地面站的可见区域，即卫星1将不再覆盖牡丹江地面站，此时时间为T2(时间07:00)，T1早于T2。在这个过程中，ST-A与用户a已经建立的通信链路必须进行切换，以保证通信的连续性。本发明采用基于预测通信链路快速切换的方法，具体方法如下：

1)通过卫星1、卫星2、卫星3的运行轨道星历、3个地面站位置，可采用现有的卫星轨道计算方法(比如天体力学理论的动力学模型方法)实时计算出全天任何时间段内，任何一个地面站可建立连接的卫星。对于图5中所示，可计算出卫星2覆盖喀什地面站的时间为T1(时间06:30)，卫星1与牡丹江地面站通信断开时间为T2(时间07:00)，则原通信链路(ST-A---卫星3---卫星1---牡丹江站---三亚站---用户a)需在(T1，T2)区间内完成通信链路切换，选择切换预备时间点为T3(比如时间06:50)，则T1＜T3＜T2；

2)在T3时刻，卫星2已经覆盖喀什站；由当前地面站(牡丹江站)为ST-A与用户a之间通信选择新的通信链路，根据T2时刻之后卫星覆盖情况，计算出预备切换通信链路(ST-A---卫星3---卫星2-喀什站---三亚站---用户a)；

3)根据切换路径计算结果，由当前地面站(牡丹江站)进行控制，在当前地面站(牡丹江站)-切换目标地面站(喀什站)、切换目标地面站(喀什站)-公共网络用户a之间、切换目标地面站(喀什站)-切换目标卫星(卫星2)建立预备切换通信链路，当到达切换时间点T4(比如时间06:55)(T3＜T4＜T2)时，将原通信链路(ST-A---卫星3---卫星1---牡丹江站---三亚站---用户a)切换到已建立的预备切换通信链路(ST-A---卫星3---卫星1---牡丹江站---三亚站---用户a)，断开原通信链路，通信数据切换到新的的链路上传输，保证ST-A与用户a通信的连续性。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (2)

1.一种全球卫星通信系统，包括：卫星星座系统、地面站和卫星用户终端组成，其特征在于：

所述卫星星座系统由三颗中轨道卫星组成，三颗中轨道卫星均匀分布于同一倾斜回归圆轨道面，每两颗中轨道卫星间通过星间天线实现星间通信，所述中轨道卫星可与覆盖区域内的卫星用户终端和地面站通过星地链路进行通信；

所述地面站包括建立于中国喀什的喀什站、中国牡丹江的牡丹江站和中国三亚的三亚站，所述喀什站、牡丹江站和三亚站之间通过地面网络互连，且与地面公共网络相连；

位于同一中轨道卫星覆盖区内的不同卫星用户终端通信时，卫星用户终端分别与同一中轨道卫星建立的星地链路，并利用中轨道卫星的转发实现通信链路的建立；

位于不同中轨道卫星覆盖区内的不同卫星用户终端通信时，卫星用户终端分别与所处覆盖区域的中轨道卫星建立星地链路，再利用中轨道卫星间的星间链路实现通信链路的建立；

所述卫星用户终端与地面公共网络通信时，卫星用户终端与所处覆盖区域内的中轨道卫星建立星地链路，中轨道卫星与覆盖区域内的地面站建立星地链路，利用与地面公共网络相连的地面站实现通信链路的建立；

所述卫星星座系统的中轨道卫星的轨道高度为10350Km，轨道倾角为30度-45度。

2.一种全球卫星通信方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)建立具有三颗中轨道卫星的卫星星座系统，所述三颗中轨道卫星均匀分布于同一倾斜回归圆轨道面的中轨道卫星，所述中轨道卫星间可建立相互之间用于通信的星间链路；分别在中国境内建立三个地面站，包括位于中国喀什的喀什地面站、位于中国三亚的三亚地面站和位于中国牡丹江的牡丹江地面站；所述地面站均与地面公共网络相连，且相互之间通过地面网络互连；所述中轨道卫星与中轨道卫星覆盖区内的地面站可建立用于通信的星地链路；

(2)当卫星用户终端处于中轨道卫星的覆盖区内时，可与其他卫星用户终端或地面公共网络进行通信：

当卫星用户终端间通信时，若两卫星用户终端处于同一中轨道卫星覆盖区内，两卫星用户终端分别与覆盖区所属的同一中轨道卫星建立星地链路，通过中轨道卫星转发实现两卫星用户终端间通信链路的建立；若两卫星用户终端处于不同中轨道卫星覆盖区内，两卫星用户终端分别与覆盖区所属的中轨道卫星建立星地链路，通过两中轨道卫星间的星间链路实现两卫星用户终端间通信链路的建立；

当卫星用户终端与地面公共网络通信时，卫星用户终端与所处覆盖区所属的中轨道卫星建立星地链路，若中轨道卫星的覆盖区内有地面站，则中轨道卫星与覆盖区内的地面站建立星地链路，利用与地面公共网络相连的地面站实现通信链路的建立；若中轨道卫星的覆盖区内没有地面站，则中轨道卫星与覆盖区内存在地面站的中轨道卫星建立星间通信链路，利用与地面公共网络相连的地面站和中轨道卫星间的星间链路实现通信链路的建立；

所述卫星星座系统中中轨道卫星的轨道高度为10350Km，轨道倾角为30度-45度，在任何时刻，均有一颗中轨道卫星可覆盖至少一个地面站。

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