CN105959057B - 高增益卫星对地通信覆盖系统及方法 - Google Patents

Abstract

发明提供一种高增益卫星对地通信覆盖系统及方法，系统包括卫星体，卫星体上设有两幅天线；地面站；电子切换开关，包括第一开关输入端、第二开关输入端、第一开关输出端及第二开关输出端；电子切换开关的第一开关输出端与所述两幅天线中的任一副天线相连接，电子切换开关的第二开关输出端与另一副天线相连接；星务计算机；切换控制模块，包括输入端、第一控制输出端及第二控制输出端；切换控制模块的输入端与星务计算机相连接，切换控制模块的第一控制输出端与电子切换开关的第一开关输入端相连接。本发明适应姿态变化频繁的卫星，通过星上自主控制，减少地面测控站的操作，达到了天线增益高、数据传输快、功耗低和通信不中断的目的。

Description

高增益卫星对地通信覆盖系统及方法

技术领域

本发明涉及卫星对地通信领域，特别是涉及一种高增益卫星对地通信覆盖系统及方法。

背景技术

卫星对地通信分系统配合地面测控/数传系统完成遥测数据和载荷数据的星地下行传输等功能。卫星能源受限，星载发射机发射功率较小，为能够在不同类型轨道及卫星姿态大角度翻滚情况下均能实现不间断的高速对地通信，通信天线必须在所有方向均有较高的增益。传统卫星一般有两种设计方法：

一是采用两副天线(对天面和对地面各一副)合路的形式，构造近全向波束。这种方式的天线增益较低，大部分方向增益均在0dB左右。而卫星发射功率受限，难以实现高速数据传输。另外，该方式还存在天线干涉效应，即在靠近与天线轴向成90°的位置会出现天线增益急剧下降的现象，这些方向的天线增益会比其他大部分方向低近20dB，如图1所示为传统采用双天线合路时的天线增益曲线图。如果这部分方向对准地面站，通信则会中断。

二是采用机械切换开关，由地面测控站上注遥控指令，控制星上切换到指向地面数据接收站的天线。该方法下行数据传输时需要地面测控站的持续支持，仅凭具有下行数据接收功能的地面站是无法完成数据接收的。考虑到安全等因素，国内只有某基地管理的测控站具备发送上行遥控指令的功能，其余单位建设的地面站均只有下行数据接收功能。另外，即使有地面测控站的支持，而对于某些姿态频繁变换的卫星来说需要频繁进行开关切换操作，会给地面操作带来极大不便，而且切换实时性难以保证。所以，该方法仅适合于卫星姿态变换缓慢的情形，例如Tan卫星数传天线在整轨入境期间均不需要切换天线，只需在每次入境前切换至相应天线即可。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供专门运用于姿态频繁变化的卫星的一种高增益卫星对地通信覆盖方法及装置。用于解决现有技术中天线增益低、干涉效应大、数据传输慢、卫星频繁转动时通信链路易中断的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种高增益卫星对地通信覆盖系统，包括：卫星体，所述卫星体上设有两幅天线，所述两幅天线关于所述卫星体中心对称分布，且所述两幅天线发射的波束的法向均与所述两幅天线的连线共线；地面站，适于接收所述两幅天线发送的通信信号；电子切换开关，包括第一开关输入端、第二开关输入端、第一开关输出端及第二开关输出端；所述电子切换开关的第一开关输出端与所述两幅天线中的任一副天线相连接，所述电子切换开关的第二开关输出端与另一副所述天线相连接；星务计算机，适于获取所述卫星体位置、所述卫星体的姿态信息及所述地面站位置信息；切换控制模块，包括输入端、第一控制输出端及第二控制输出端；所述切换控制模块的输入端与所述星务计算机相连接，所述切换控制模块的第一控制输出端与所述电子切换开关的第一开关输入端相连接，所述卫星体的姿态信息及所述地面站位置信息控制所述电子切换开关的第二开关输入端与相应的开关输出端相连通。

于本发明的一实施方式中，所述切换控制模块依据所述星务计算机提供的所述卫星体位置、所述卫星体的姿态信息及所述地面站位置信息，以远高于所述卫星体的姿态变化频率的频率计算所述天线波束的法向与所述地面站的夹角α，并计算最近k次夹角α的平均值其中，k为大于1的整数；依据所述平均值控制所述电子切换开关的第二开关输入端与第一开关输出端及第二开关输出端中天线波束的法向与所述地面站的夹角小于90°的所述天线连接的输出端相连通。

于本发明的一实施方式中，所述电子切换开关每次切换的时间小于70ns。

于本发明的一实施方式中，还包括发射机，所述发射机包括输出端及控制端，所述发射机的输出端与所述电子切换开关的第二开关输入端相连接，适于向处于工作状态的所述天线发送通信信号；所述发射机的控制端与所述切换控制模块的第二控制输出端相连接，接收来自所述切换控制模块的控制信号，触发预留切换时间保护间隔并在所述预留时间保护间隔期间内发送填充帧。

于本发明的一实施方式中，所述电子切换开关、所述星务计算机及所述切换控制模块位于所述卫星体的表面或内部。

本发明还提供一种高增益卫星对地通信覆盖方法，其特征在于：包括以下步骤：1)提供一卫星体，所述卫星体上设有两幅天线，所述两幅天线关于所述卫星体中心对称分布，且所述两幅天线发射的波束的法向均与所述两幅天线的连线共线；2)采用通信切换控制方法将天线波束的法向与地面站的夹角小于90°的天线置于工作状态，且天线切换时预留切换时间保护间隔并在所述切换时间保护间隔期间发送填充帧。

于本发明的一实施方式中，所述步骤2)中，采用通信切换控制方法将天线波束的法向与地面站夹角小于90°的天线置于工作状态，且天线切换时预留切换时间保护间隔并在所述切换时间保护间隔期间发送填充帧，包括以下步骤：21)选定所述两副天线中任一副天线处于工作状态；22)选择所述两副天线中任一副天线作为待测天线，根据所述卫星体的位置、卫星体的姿态信息及地面站的位置信息，以高于所述卫星体姿态变化频率的频率计算所述待测天线发射的波束的法向与所述地面站的夹角α，并计算最近k次夹角α的平均值其中，k为大于1的整数；若判断所述待测天线是否处于工作状态，若所述待测天线处于工作状态，保持所述待测天线处于工作状态；若所述待测天线处于非工作状态：a.触发发射机预留切换时间保护间隔；b.延时t后，将所述待测天线切换至工作状态，并将另一幅天线切换至非工作状态；其中t为所述发射机发送一帧数据所需的时间；若判断所述待测天线是否处于工作状态，若所述待测天线处于工作状态：a.触发发射机预留切换时间保护间隔；b.延时t后，将所述待测天线切换至非工作状态，并将另一副天线切换至工作状态，其中t为所述发射机发送一帧数据所需的时间；若所述待测天线处于非工作状态，保持所述待测天线处于非工作状态；23)重复所述步骤22)。

于本发明的一实施方式中，所述步骤2)中，采用通信切换控制方法将天线波束的法向与地面站的夹角小于90°的天线置于工作状态，且天线切换时预留切换时间保护间隔并在所述切换时间保护间隔期间发送填充帧，包括以下步骤：21)选定所述两副天线中任一副天线处于工作状态；22)根据所述卫星体的位置、卫星体的姿态信息及地面站的位置信息，以高于所述卫星体姿态变化频率的频率计算处于工作状态的天线波束的法向与所述地面站的夹角α，并计算最近k次夹角α的平均值其中，k为大于1的整数；若则保持所述处于工作状态的天线继续处于工作状态；若则：a.触发发射机预留切换时间保护间隔；b.延时t后，则将所述处于工作状态的天线切换至非工作状态，并将另一副天线切换至工作状态；其中t为所述发射机发送一帧数据所需的时间；23)重复所述步骤22)。

于本发明的一实施方式中，所述切换控制模块控制所述电子切换开关切换的同时触发所述发射机预留切换时间保护间隔τ，所述发射机发送完当前正在发送的传输帧后在所述预留时间保护间隔期间发送填充帧。

于本发明的一实施方式中，所述时间保护间隔τ不小于10帧填充帧传输时长。

如上所述，本发明的高增益卫星对地通信覆盖系统及方法，具有以下有益效果：

1、采用单天线工作模式，避免了双天线的干涉效应，天线增益高从而能够在较低的发射功率条件下，保证较高的数据传输速率；

2、卫星姿态变换频率高的情况下维持通信，保证通信链路不中断；

3、通信系统适应不同轨道类型，在不同轨道类型条件下均能保证通信畅通；

4、通过星上自主控制，减少了地面测控站的操作。

附图说明

图1显示为传统采用双天线合路时的天线增益曲线图。

图2显示为本发明实施例一中提供的高增益卫星对地通信覆盖系统的框架示意图。

图3显示为本发明实施例一中提供的高增益卫星对地通信覆盖系统中的天线波束的法向与地面站夹角的示意图。

图4显示为本发明实施例一中提供高增益卫星对地通信覆盖系统以XX卫星对地通信系统作为示例中的天线波束的法向与地面站夹角的示意图。

图5显示为本发明实施例一中提供的高增益卫星对地通信覆盖系统的天线增益曲线图。

图6显示为本发明实施例二中提供的高增益卫星对地通信覆盖方法的流程图。

元件标号说明

1 卫星体

2 天线

21 天线A

22 天线B

3 地面站

4 发射机

5 电子切换开关

51 第二开关输入端

52 第一开关输出端

53 第二开关输出端

6 星务计算机

7 切换控制模块

S1 步骤

S2 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

请参阅图2，本发明提供一种高增益卫星对地通信覆盖系统，所述高增益卫星对地通信覆盖系统包括：卫星体1，所述卫星体1上设有两幅天线2，所述两幅天线2关于所述卫星体1的中心对称分布，且所述两幅天线2发射的波束的法向均与所述两幅天线2的连线共线；地面站3，所述地面站3适于接收所述两幅天线2发送的通信信号；电子切换开关5，所述电子切换开关5包括第一开关输入端、第二开关输入端51、第一开关输出端52及第二开关输出端53；所述电子切换开关5的第一开关输出端52与所述两幅天线2中的任一副天线2相连接，所述电子切换开关5的第二开关输出端53与另一副所述天线2相连接；星务计算机6，所述星务计算机6适于获取所述卫星体1的位置、所述卫星体1的姿态信息及所述地面站3的位置信息；切换控制模块7，所述切换控制模块7包括输入端、第一控制输出端及第二控制输出端；所述切换控制模块7的输入端与所述星务计算机6相连接，所述切换控制模块7的第一控制输出端与所述电子切换开关5的第一开关输入端相连接，所述卫星体1的姿态信息及所述地面站3位置信息控制所述电子切换开关5的第二开关输入端51与相应的开关输出端相连通。

作为示例，所述切换控制模块7依据所述星务计算机6提供的所述卫星体1的位置、所述卫星体1的姿态信息及所述地面站3的位置信息，以高于所述卫星体1的姿态变化频率的频率计算所述天线2与所述地面站3的夹角α，并计算最近k次夹角α的平均值其中，k为大于1的整数；依据所述平均值控制所述电子切换开关5的第二开关输入端51与第一开关输出端52及第二开关输出端53中天线波束的法向与所述地面站3的夹角小于90°的所述天线2连接的输出端相连通。即若与所述第一开关输出端52相连接的所述天线2波束的法向与所述地面站3的夹角小于90°，则所述切换控制模块7控制所述电子切换开关5的第二开关输入端51与所述第一开关输出端52相连接，若与所述第二开关输出端53相连接的所述天线2波束的法向与所述地面站3的夹角小于90°，则所述切换控制模块7控制所述电子切换开关5的第二开关输入端51与所述第二开关输出端53相连接。

这里需要指出的是：波束的法向是有方向的，所以两个天线2的波束法向虽然共线但是相差180°；地面站3的尺寸相对星地距离可以忽略不计，所以可以把地面站3看成一个点。

作为示例，所述电子切换开关每次切换的时间小于70ns。

作为示例，所述高增益卫星对地通信覆盖系统还包括发射机4，所述发射机4包括输出端及控制端，所述发射机4的输出端与所述电子切换开关5的第二开关输入端51相连接，适于向处于工作状态的所述天线2发送通信信号，所述发射机4的控制端与所述切换控制模块7的第二控制输出端相连接，接收来自所述切换控制模块7的控制信号，触发预留切换时间保护间隔并在所述预留时间保护间隔期间内发送填充帧。由于所述电子切换开关5的切换时延为ns级别，每次切换时，发射机4还应当预留时间保护间隔τ，在此期间发送填充帧，保证开关切换期间不丢失有效数据。这里所述的时间保护间隔τ应不小于10帧填充帧传输时长。

本发明中，由于所述两幅天线2工作在单天线模式，即同一时刻只有一副所述天线2工作，形成半球形波束，可获得较高的天线增益，如图5所示，为本发明高增益卫星对地通信覆盖系统中采用单天线时的天线增益曲线图。结合星上自主控制两个所述天线2之间切换，可获得高增益的全球波束。

作为示例，所述电子切换开关5、所述星务计算机6及所述切换控制模块7位于所述卫星体1的表面或内部。将所述电子切换开关5、所述星务计算机6及所述切换控制模块7位于所述卫星体1的表面或内部，可以实现星上自主控制，从而减少了地面测控站的操作。

请参阅图4，所示为本发明高增益卫星对地通信覆盖系统以XX卫星对地通信系统设计为实施例的示意图，并据此分析有益效果。需要说明的是，这里的“XX”为某一卫星的型号，且该卫星的姿态变化频率高。

XX卫星星体为球形，两副微带通信天线A21和天线B22关于卫星体1的球心对称安装(两天线连线过球心)且与球面共形。所述卫星体1工作在对日自旋模式，所述天线A21和所述天线B22安装在与自旋轴成45°夹角的位置。两副通信天线2工作在单天线模式，即同一时刻只有一副所述天线2工作，形成半球形波束，可获得较高的天线增益。

XX卫星姿态频繁变化，所述星务计算机6获取所述卫星体1的位置及姿态信息及所述地面站3的位置信息，所述切换控制模块7按10Hz的频率计算所述天线A21或所述天线B22发射波束的法向与所述地面站3的夹角，并所述控制电子切换开关5切换至天线波束的法向与所述地面站3夹角较小的所述天线。如图4所示，所述天线A21波束的法向及所述天线B22波束的法向与所述地面站3的夹角分别为α和β，计算所述天线A21与所述地面站3的夹角α，当α<90°时，切换至所述天线A21处于工作状态，否则切换至所述天线B22处于工作状态。如果需要切换到的所述天线2和当前正在工作的所述天线2是同一副天线，则不执行切换动作。正常模式下，切换控制由卫星自主完成，但仍留有指令接口，以便特殊情况下由地面控制开关切换。

XX卫星对日自旋角速度为3°/s，所以极端情况下所述电子切换开关5切换频率为180/3＝60s一次。XX卫星平均每轨过境时长为5min，每天通信轨数≤10，一年工作寿命期内所述电子切换开关5切换次数为5*10*365＝18250。所述电子切换开关5切换寿命(次数)为百万量级，远大于通信任务所需切换次数。

由于所述电子切换开关5的切换时延为ns级别，每次切换时，所述发射机4预留500ms时间保护间隔，在此期间发送填充帧，保证所述电子切换开关5切换期间不丢失有效数据。所述电子切换开关5切换带来的下传时间开销比例为500ms/60s＝1/120，结合星地下传时间余量，该开销可忽略不计。

所述电子切换开关5应满足如下几个基本条件：低插入损耗(符合低功耗设计)；快切换速度(不影响地面接收)；长寿命(允许的切换次数满足任务需求)。所述电子切换开关5可以采用RFSP2TRDC06G产品，该开关主要指标如表1所示。

表1RFSP2TRDC06G主要指标

项目	插损	隔离度	切换速度	工作温度	切换寿命
						数值	＜0.5dB	＞40dB	＜70ns	-45～85℃	＞200万次

以上述XX卫星对地通信系统设计为例，传统双天线合路形式天线增益大部分方向能达到-14dB以上，少部分方向甚至会低于-26dB，如表2所示。在300mW的发射功率条件下，该方法无法在卫星转动时保证通信链路不中断。而如果通过增大发射功率来弥补天线增益的话，发射功率即使增大到原来的8倍也只能达到与本发明方法相接近的效果，但发射功率增大到原来的8倍是XX卫星能源系统和热控系统均无法承受的。

而本发明方法单天线增益在轴向±100°范围内均能达到-5dB以上，通过卫星自主控制将发射信号切换至朝所述地面站3方向增益较大的所述天线2，而不需要通过地面测控站上注遥控指令来控制星上的电子切换开关5切换到朝所述地面站3方向增益较大的所述天线2，并最终可获得≥-5dB的全球波束。两种传统方法与本发明方法对应的天线增益及星地链路对比如表2所示。

表2两种天线形式下星地链路对比

运用本发明，XX卫星对地通信系统可实现下述功能，满足卫星应用需求。

(1)采用单天线工作模式，避免了双天线的干涉效应，天线增益高；

(2)低功耗高速数据传输：要求在300mW输出功率条件下保证100Kbps的下行数据传输能力；

(3)卫星姿态转动情况下维持通信：卫星对日自旋角速度为3°/s，卫星转动时保证通信链路不中断；

(4)通信系统适应不同轨道类型：卫星轨道高度≤400km，但轨道类型不确定，可能是晨昏轨道、子午轨道或者其它类型轨道。要求通信系统在不同轨道类型条件下均能保证通信畅通。

实施例二

请参阅图6，本发明还提供一种高增益卫星对地通信覆盖方法，所述高增益卫星对地通信覆盖方法基于实施例一中所述的高增益卫星对地通信覆盖系统，所述高增益卫星对地通信覆盖方法包括以下步骤：

1)提供一卫星体，所述卫星体上设有两幅天线，所述两幅天线关于所述卫星体的中心对称分布，且所述两幅天线发射的波束的法向均与所述两幅天线的连线共线；

2)采用通信切换控制方法将天线波束的法向与地面站的夹角小于90°的天线置于工作状态，且天线切换时预留切换时间保护间隔并在所述切换时间保护间隔期间发送填充帧。

由于两副天线与地面站夹角的范围均为0～180°，且满足两副天线与地面站夹角之和为180°，所以任意时刻总有与地面站夹角小于等于90°的天线，选取该天线置于工作状态；天线切换的同时，控制发射机预留切换保护时间。

执行步骤1)，请参阅图6中的S1步骤，提供一卫星体，所述卫星体上设有两幅天线，所述两幅天线关于所述卫星体的中心对称分布，且所述两幅天线发射的波束的法向均与所述两幅天线的连线共线。

作为示例，如图2所示，为本发明高增益卫星对地通信覆盖方法于一实施例中的天线安装及对地夹角示意图，由于天线的形状各异，当限定“所述两幅天线关于所述卫星体的中心对称分布，且所述两幅天线发射的波束的法向均与所述两幅天线的连线共线”时，则天线发射的波束的法向对地的夹角也即是天线对地的夹角，这里所说的“对地”是指地面站。

执行步骤2)，请参阅图6中的S2步骤，采用通信切换控制方法将天线波束的法向与地面站的夹角小于90°的天线置于工作状态，且天线切换时预留切换时间保护间隔并在所述切换时间保护间隔期间发送填充帧。

作为示例，所述步骤2)中，采用通信切换控制方法将天线波束的法向与地面站的夹角小于90°的天线置于工作状态，且天线切换时预留切换时间保护间隔并在所述切换时间保护间隔期间发送填充帧。包括以下步骤：

21)选定所述两副天线中任一副天线处于工作状态；在一示例中，选定天线A处于工作状态，但并不以此为限，在其他示例中，还可以选定天线B处于工作状态；

22)选择所述两副天线中任一副天线作为待测天线，根据所述卫星体的位置、卫星体的姿态信息及地面站的位置信息，以高于所述卫星体姿态变化频率的频率计算所述待测天线发射的波速的法向与所述地面站夹角α，并计算最近k次夹角α的平均值其中，k为大于1的整数；若判断所述待测天线是否处于工作状态，若所述待测天线处于工作状态，保持所述待测天线处于工作状态，若所述待测天线处于非工作状态：a.触发所述发射机预留切换时间保护间隔；b.延时t后，将所述待测天线切换至工作状态，并将另一幅天线切换至非工作状态，其中t为所述发射机发送一帧数据所需的时间；若判断所述待测天线是否处于工作状态，若所述待测天线处于工作状态：a.触发发射机预留切换时间保护间隔；b.延时t后，将所述待测天线切换至非工作状态，并将另一副天线切换至工作状态，其中t为所述发射机发送一帧数据所需的时间；若所述待测天线处于非工作状态，保持所述待测天线处于非工作状态；

23)重复所述步骤22)；需要说明的是，由于所述卫星体在运行过程中处于不停的翻滚状态，所述步骤23)中，需要持续不断地重复所述步骤22)。

具体的，所述步骤22)中，利用所述切换控制模块依据所述星务计算机采集的所述卫星体的位置、所述卫星体的姿态信息及所述地面站的位置信息，以远高于所述卫星体姿态变化频率的频率计算所述待测天线波束的法向与所述地面站夹角α，例如频率为10HZ，并计算最近k次夹角α的平均值其中，k为大于1的整数，k的具体数值可以根据实际需要进行选择，本实施例中，所述k可以为但不仅限于5；若判断所述待测天线是否处于工作状态，若所述待测天线处于工作状态，保持所述待测天线处于工作状态，若所述待测天线处于非工作状态：a.所述发射机发送完当前正在发送的传输帧后，插入切换时间保护间隔τ的填充帧，例如τ取500ms；b.延时t后，所述电子切换开关将所述待测天线切换至工作状态；由于所述电子切换开关为2选1开关，所述待测天线被切换至工作状态的同时，另一副天线被切换至非工作状态；若判断所述待测天线是否处于工作状态，若所述待测天线处于工作状态：a.所述发射机发送完当前正在发送的传输帧后，插入切换时间保护间隔τ，例如τ取500ms的填充帧；b.延时t后，所述电子切换开关将所述待测天线切换至非工作状态；若所述待测天线处于非工作状态，保持所述待测天线处于非工作状态。

作为示例，切换时所述发射机预留切换时间保护间隔τ，所述发射机发送完当前正在发送的传输帧后在预留的所述切换时间保护间隔内，所述发射机不发送有效数据，而是发送填充帧，在该实施例中，所述时间保护间隔τ不小于10帧填充帧传输时长。当电子切换开关需要切换时，延时t(等于传输一个传输帧需要的时长)后，切换控制模块再发送电子切换开关切换控制信号。同时，保证所述电子切换开关每次切换的时间小于70ns，这里所述的切换时间是指从当前所述天线切换至另一幅所述天线的间隔时间，该间隔时间内，两副所述天线均为非工作状态。

作为示例，所述步骤2)中，采用通信切换控制方法将天线波束的法向与地面站的夹角小于90°的天线置于工作状态，且天线切换时预留切换时间保护间隔并在所述切换时间保护间隔期间发送填充帧。包括以下步骤：

21)选定所述两副天线中任一副天线处于工作状态；在一示例中，选定天线A处于工作状态，但并不以此为限，在其他示例中，还可以选定天线B处于工作状态；

22)根据所述卫星体的位置、卫星体的姿态信息及地面站的位置信息，以高于所述卫星体姿态变化频率的频率计算处于工作状态的天线波束的法向与所述地面站夹角α，并计算最近k次夹角α的平均值其中，k为大于1的整数；

若则保持所述处于工作状态的天线继续处于工作状态；若则：a.触发发射机预留切换时间保护间隔；b.延时t后，则将所述处于工作状态的天线切换至非工作状态，并将另一副天线切换至工作状态；其中t为所述发射机发送一帧数据所需的时间；

23)重复所述步骤22)；需要说明的是，由于所述卫星体在运行过程中处于不停的翻滚状态，所述步骤23)中，需要持续不断地重复所述步骤22)。

具体的，所述步骤22)中，利用所述切换控制模块依据所述星务计算机采集的所述卫星体的位置、所述卫星体的姿态信息及所述地面站的位置信息，以10Hz的频率计算所述待测天线发射的波速的法向与所述地面站夹角α，并计算最近k次夹角α的平均值其中，k为大于1的整数，k的具体数值可以根据实际需要进行选择，本实施例中，所述k可以为但不仅限于5；若则保持所述处于工作状态的天线继续处于工作状态；若所述发射机发送完当前正在发送的传输帧后，插入500ms填充帧，同时所述电子切换开关将所述待测天线切换至工作状态；由于所述电子切换开关为2选1开关，所述待测天线被切换至工作状态的同时，另一幅天线被切换至非工作状态；则将所述处于工作状态的天线切换至非工作状态，并将另一副天线切换至工作状态。

作为示例，将处于非工作状态的天线切换至工作状态之前，所述发射机预留时间保护间隔τ，在该段时间内，所述发射机没有传输有效的通信信号，而是在所述预留时间保护间隔期间发送填充帧，在该实施例中，所述时间保护间隔τ不小于10帧填充帧传输时长。同时，保证所述电子切换开关每次切换的时间小于70ns，这里所述的切换时间是指从当前所述天线切换至另一幅所述天线的间隔时间，该间隔时间内，两副所述天线均为非工作状态。

综上所述，本发明提供一种高增益卫星对地通信覆盖系统包括：卫星体，所述卫星体上设有两幅天线，所述两幅天线沿所述卫星体的中心对称分布，且所述两幅天线发射的波束的法向均与所述两幅天线的连线共线；地面站，适于接收所述两幅天线发送的通信信号；电子切换开关，包括第一开关输入端、第二开关输入端、第一开关输出端及第二开关输出端；所述电子切换开关的第一开关输出端与所述两幅天线中的任一副天线相连接，所述电子切换开关的第二开关输出端与另一副所述天线相连接；星务计算机，适于获取所述卫星体位置、所述卫星体的姿态信息及所述地面站位置信息；切换控制模块，包括输入端、第一开关输出端及第二开关输出端；所述切换控制模块的输入端与所述星务计算机相连接，所述切换控制模块的第一开关输出端与所述电子切换开关的第一开关输入端相连接，所述卫星体的姿态信息及所述地面站位置信息控制所述电子切换开关的第二开关输入端与相应的开关输出端相连通。所述切换控制模块的第二控制输出端与所述发射机的控制端相连接，适于在控制电子切换开关切换的同时触发发射机预留切换时间保护间隔。本发明具有以下有益效果：1、采用单天线工作模式，避免了双天线的干涉效应，天线增益高；2、在较低的发射功率条件下，能够保证较高的数据传输速率；3、卫星姿态变换频率高的情况下维持通信，保证通信链路不中断；4、通信系统适应不同轨道类型，在不同轨道类型条件下均能保证通信畅通；5、通过星上自主控制，减少了地面测控站的操作。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种高增益卫星对地通信覆盖系统，其特征在于：包括：

卫星体，所述卫星体上设有两副天线，所述两副天线关于所述卫星体中心对称分布，且所述两副天线发射的波束的法向均与所述两副天线的连线共线；

地面站，适于接收所述两副天线发送的通信信号；

电子切换开关，包括第一开关输入端、第二开关输入端、第一开关输出端及第二开关输出端；所述电子切换开关的第一开关输出端与所述两副天线中的任一副天线相连接，所述电子切换开关的第二开关输出端与另一副所述天线相连接；

星务计算机，适于获取所述卫星体位置、所述卫星体的姿态信息及所述地面站位置信息；

切换控制模块，包括输入端、第一控制输出端及第二控制输出端；所述切换控制模块的输入端与所述星务计算机相连接，所述切换控制模块的第一控制输出端与所述电子切换开关的第一开关输入端相连接，所述卫星体的姿态信息及所述地面站位置信息控制所述电子切换开关的第二开关输入端与相应的开关输出端相连通，所述切换控制模块依据所述星务计算机提供的所述卫星体位置、所述卫星体的姿态信息及所述地面站位置信息，以远高于所述卫星体的姿态变化频率的频率计算所述天线波束的法向与所述地面站的夹角α，并计算最近k次夹角α的平均值其中，k为大于1的整数；依据所述平均值控制所述电子切换开关的第二开关输入端与第一开关输出端及第二开关输出端中天线波束的法向与所述地面站的夹角小于90°的所述天线连接的输出端相连通，其中，天线波束的法向与地面站的夹角的确定方式为：所述两副天线连线的中点与地面站的连线与天线波束的法向所形成的夹角。

2.根据权利要求1所述的高增益卫星对地通信覆盖系统，其特征在于：所述电子切换开关每次切换的时间小于70ns。

3.根据权利要求1所述的高增益卫星对地通信覆盖系统，其特征在于：还包括发射机，所述发射机包括输出端及控制端，所述发射机的输出端与所述电子切换开关的第二开关输入端相连接，适于向处于工作状态的所述天线发送通信信号；所述发射机的控制端与所述切换控制模块的第二控制输出端相连接，接收来自所述切换控制模块的控制信号，触发预留切换时间保护间隔并在所述预留时间保护间隔期间内发送填充帧。

4.根据权利要求1所述的高增益卫星对地通信覆盖系统，其特征在于：所述电子切换开关、所述星务计算机及所述切换控制模块位于所述卫星体的表面或内部。

5.一种高增益卫星对地通信覆盖方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)提供一卫星体，所述卫星体上设有两副天线，所述两副天线关于所述卫星体中心对称分布，且所述两副天线发射的波束的法向均与所述两副天线的连线共线；

2)采用通信切换控制方法将天线波束的法向与地面站的夹角小于90°的天线置于工作状态，且天线切换时预留切换时间保护间隔并在所述切换时间保护间隔期间发送填充帧，其中，天线波束的法向与地面站的夹角的确定方式为：所述两副天线连线的中点与地面站的连线与天线波束的法向所形成的夹角；所述步骤2)中，采用通信切换控制方法将天线波束的法向与地面站夹角小于90°的天线置于工作状态，且天线切换时预留切换时间保护间隔并在所述切换时间保护间隔期间发送填充帧，包括以下步骤：

21)选定所述两副天线中任一副天线处于工作状态；

22)选择所述两副天线中任一副天线作为待测天线，根据所述卫星体的位置、卫星体的姿态信息及地面站的位置信息，以高于所述卫星体姿态变化频率的频率计算所述待测天线发射的波束的法向与所述地面站的夹角α，并计算最近k次夹角α的平均值其中，k为大于1的整数；

若判断所述待测天线是否处于工作状态，若所述待测天线处于工作状态，保持所述待测天线处于工作状态；若所述待测天线处于非工作状态：a.触发发射机预留切换时间保护间隔；b.延时t后，将所述待测天线切换至工作状态，并将另一幅天线切换至非工作状态；其中t为所述发射机发送一帧数据所需的时间；

若判断所述待测天线是否处于工作状态，若所述待测天线处于工作状态：a.触发发射机预留切换时间保护间隔；b.延时t后，将所述待测天线切换至非工作状态，并将另一副天线切换至工作状态，其中t为所述发射机发送一帧数据所需的时间；若所述待测天线处于非工作状态，保持所述待测天线处于非工作状态；

23)重复所述步骤22)。

6.据权利要求5所述的高增益卫星对地通信覆盖方法，其特征在于：所述步骤，2)中，采用通信切换控制方法将天线波束的法向与地面站的夹角小于90°的天线置于工作状态，且天线切换时预留切换时间保护间隔并在所述切换时间保护间隔期间发送填充帧，包括以下步骤：

21)选定所述两副天线中任一副天线处于工作状态；

22)根据所述卫星体的位置、卫星体的姿态信息及地面站的位置信息，以高于所述卫星体姿态变化频率的频率计算处于工作状态的天线波束的法向与所述地面站的夹角α，并计算最近k次夹角α的平均值其中，k为大于1的整数；

若则保持所述处于工作状态的天线继续处于工作状态；若则：a.触发发射机预留切换时间保护间隔；b.延时t后，则将所述处于工作状态的天线切换至非工作状态，并将另一副天线切换至工作状态；其中t为所述发射机发送一帧数据所需的时间；

23)重复所述步骤22)。

7.根据权利要求5或6所述的高增益卫星对地通信覆盖方法，其特征在于：切换控制模块控制电子切换开关切换的同时触发所述发射机预留切换时间保护间隔τ，所述发射机发送完当前正在发送的传输帧后在所述预留时间保护间隔期间发送填充帧。

8.根据权利要求7所述的高增益卫星对地通信覆盖方法，其特征在于：所述时间保护间隔τ不小于10帧填充帧传输时长。