CN106254019A - 一种低轨卫星星座的星间链路通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种低轨卫星星座的星间链路通信方法，星间链路采用TDD通信模式，并且星间链路传输时延大于发送时隙长度，其特征在于，所述方法包括：星座内所有卫星收发时隙严格同步，即：在发送时隙，星座内所有卫星同时向建立星间链路的卫星发送信号；在接收时隙，星座内所有卫星同步接收信号。本发明相比于传统TDD模式，同步机制、定时要求更简单，同时大大减少了同步窗搜索运算量，实时性高，占用频谱资源少。

Description

一种低轨卫星星座的星间链路通信方法

技术领域

本发明涉及卫星通信领域，尤其涉及一种低轨卫星星座的星间链路通信方法。

背景技术

LEO通信卫星星座实现通信路由有两种途径，一是通过建立星间链路，二是通过全球范围内的地面站布站。由于我国地面布站存在很大的区域性限制，同时地面站在特殊情况下容易受到损毁，所以我国发展LEO通信卫星系统，必须建立星间链路，以减少对地面站的依赖，同时减小信号传输延迟，提高整个系统的顽存性和机动性。

LEO星间链路的建立有两种实现方式：(1)FDD方式；(2)TDD方式。FDD方式是实现星间链路的传统方式，这种方式中，收发频点不同，系统控制简单，易于实现，但是也有非常明显的缺点，比如：收发需要对称的频率资源；采用两套天线系统，从而设备体积、重量和功耗都大大增加。而TDD方式采用一个频点，分时收发，就可以克服FDD方式的固有缺点。

传统的TDD模式中，通信双方为主从同步关系，发送方在时刻T₀发送信号，信号经过T₀+Δ(传输时延)到达接收方，接收方根据一定的搜索窗范围搜索同步，以和发送方取得定时同步，然后接收信号；接收方接收信号后，再经过一个收发转换间隔，然后发送信号。也就是说，在发送时隙中，发送方发送信号，接收方在一定的搜索窗范围进行信号同步搜索，接收信号；在接收时隙中，发送方改为接收，接收方改为发送。可以看出，传统的TDD模式比较复杂，对定时、同步、搜索窗机制要求较高，假如用传统的TDD模式实现星间链路这种远距离传输的通信，随着传输时延的增加，频谱利用的效率将会显著降低。

因此需要提出一种新的TDD模式的星间链路通信方法，希望该方法适用于卫星通信的远距离传输，具有TDD模式的采用一个频点的优点同时，定时要求和同步机制更简单。

发明内容

为了解决背景技术的问题，本发明提出一种基于TDD的低轨卫星星座的星间链路通信方法，星间链路传输时延大于发送时隙长度，所述方法包括：

星座内所有卫星收发时隙严格同步，即：在发送时隙，星座内所有卫星同时向建立星间链路的卫星发送信号；在接收时隙，星座内所有卫星同步接收信号。本发明相比于传统TDD模式，同步机制、定时要求更简单，同时大大减少了同步窗搜索运算量，实时性高，占用频谱资源少。

优选的，整个星座使用同一个频点。

进一步优选的，根据星间链路的传输时延设置接收时隙长度。特别的，当星间链路的距离小于4500km时，设置TDD时隙长度为25ms，其中发送时隙长度为10ms，接收时隙长度为15ms。

本发明利用星际链路传输距离大，传输时延大于发送时间的星座构型特点，设计出“收发分时、同时收发”的TDD机制，其优点在于：1，收发共用一套射频系统，简化了系统设计，减轻了星上设备的体积、重量和功耗；2，相比于传统TDD模式，同步机制、定时要求更简单，同时大大减少了同步窗搜索运算量，实时性高，占用频谱资源少；3，星座内所有卫星收发可以采用相同的频点，占用频点资源低；4，链路通信系统可靠性高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例的星座与星间链路结构图；

图2为实施例的星间链路TDD模式收发时序图；

图3为实施例的低轨通信卫星向星座中其它卫星发送信息的示意图；

图4为实施例的低轨通信卫星接收星座中其它卫星发送的信息的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例的LEO卫星星座的基本情况为：卫星轨道高度850km，轨道面倾角86°，每个轨道面内10颗星均匀分布，相邻两星之间的地心夹角为36°。轨道周期约102m。星座包括6个轨道面，共60颗卫星。相邻轨道面夹角30°。卫星标以编号xyy，其中x表示轨道面，1～6；yy表示轨道面内卫星的序号，01～10。其星间链路结构如图1所示，星间链路包括：同轨星间链路(Intra plane ISL)和异轨星间链路(Inter plane ISL)，异轨星间链路是指邻轨星间链路(Adjacent plane ISL)。同轨星间链路建立在同轨道面内前后两颗卫星之间，它们的相对位置和距离保持固定，俯仰角为-18°，直线距离约为4500km，信号传输时延约15ms。邻轨星间链路建立在同向飞行的相邻轨道同序号卫星之间(第一与第六轨道面间的卫星逆向飞行，所以不建立通信链路)。对于相邻轨道同序号卫星，它们之间的相对位置和距离都随着纬度位置而变化。可以看出，星间链路传输与地面传输有一个明显的区别，就是空间段卫星间的距离已经远远大于地面网络的传输距离，一般在几千km的量级。

通常惯用的TDD发送时隙长度为10ms。假设上述LEO卫星星座的星间链路采用传统的TDD模式，由于星间传输距离为3000～4500km，则传输时延为10～15ms，即通信一方发送信号时，信号经过10ms到15ms才会到达接收方，那么接收方进入接收模式，对信号进行同步、搜索时，不仅运算量大，而且造成一定的资源浪费。为了避免这些问题，本实施例在设计星间链路TDD机制时，从另一角度出发，充分利用传输时延来简化了TDD设计模式。其基本思想是：接收方将发送方的发送时隙也作为发送时隙，在时间轴上，统一的发送时隙正好与传输时延错开，发送时隙结束后，再进入接收模式。

以两颗卫星为例，发送方为A，接收方为B。传统TDD模式中，在发送时隙，发送方A发送，接收方B根据搜索窗范围进行信号搜索、接收。而本 实施例中，如图2所示，在发送时隙，通信双方A和B均可以发送信号，由于二者传输距离远，传输距离大于发送时隙的等效距离(即传输时延大于发送时隙的长度)，信号的接收时间实际落在了发送时隙外面，所以可以在发送时隙后，再同步进入接收模式。

本发明采用的TDD模式相比于传统TDD模式，信号搜索窗的范围不是依赖于通信双方的绝对距离，而是双方的通信距离相对变化量，可以大大减小搜索窗的范围，减小运算量；同时对收发时隙定时同步的要求也大大降低，从而整体上降低了复杂度。

将以上两方的TDD模式延伸到整个星座，需要整个星座时隙严格同步。由于所有卫星是“同发同收”的模式，所以整个星座可以使用同一个频点实现星际链路通信。

本实施例设置每个TDD时隙长度为25ms，发送时隙TxTs＝10ms，接收时隙RxTs＝15ms，即前10ms发送数据，后15ms接收经过时间延迟的邻星数据。因为星间距离小于4500km，传输时延小于15ms，所以接收时隙设置为15ms足够信号到达，不会与下一个时隙发送信号冲突，这样就利用信号的传输时延避免了收发干扰。

为了使得信号传输时延足够大，两颗卫星之间的距离也必须足够大。本实施例的同轨星间链路的直线距离足够大，所以在卫星飞行过程中可以一直保持连接；而对于邻轨星间链路，在两极附近不建立邻轨星间链路，仅限定在南纬52°到北纬52°之间建立邻轨星间链路，两星之间的距离范围是3100km～4100km，信号传输时延约10.3～13.7ms；方位角范围是右前方40°～70°，以及左后方-110°～-140°,俯仰角范围为-12°～-17°。如图1所示，这样每颗卫星通常有四个星间链路，根据所处位置，也可能只有两个或三个。图1中左侧上行卫星在南半球飞行到-52°位置时开始与右前方卫星建立星间链路，飞行到-40°位置时开始与左后方卫星建立星间链路；卫星在北半球飞行到40°位置时停止与右前方卫星的连接，飞行到52°位置时停止与左后方卫星的连接。卫星越过北极下行飞行时同理。以卫星201的星间链路建立为例：

卫星201在轨运行一圈的过程中，与同轨前星202、后星210之间的通信链路始终保持连接；卫星201在从南极附近向北飞行，到达南纬52°时，开始与第三轨道面卫星301建立星间链路，到达南纬40°时，开始与第一轨道面卫 星101建立星间链路；到达北纬40°时，断开与卫星301的星间链路；达北纬52°时，断开与卫星101的星间链路；卫星201在从北极附近向南飞行，到达北纬52°时，再次与卫星301建立星间链路；到达北纬40°时，再次与卫星101建立星间链路；到达南纬40°时，断开与卫星301的星间链路；到达南纬52°时，断开与卫星101的星间链路。

星座内所有卫星在时隙的前10ms内，同时向建立星间链路的卫星发送信号，如图3所示；而在时隙的后15ms内，同时接收信号，如图4所示。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种低轨卫星星座的星间链路通信方法，星间链路采用TDD通信模式，并且星间链路传输时延大于发送时隙长度，其特征在于，所述方法包括：

星座内所有卫星收发时隙严格同步，即：在发送时隙，星座内所有卫星同时向建立星间链路的卫星发送信号；在接收时隙，星座内所有卫星同步接收信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：整个星座使用同一个频点。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：根据星间链路的传输时延设置接收时隙长度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：

星间链路的距离小于4500km，设置TDD时隙长度为25ms，其中发送时隙长度为10ms，接收时隙长度为15ms。