CN109495156B - 一种基于星历的低轨宽带卫星通信终端天线方向获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于星历的低轨宽带卫星通信终端天线方向获取方法。该方法的步骤包括：星历获取方法：通信终端通过广播接收天线接收单颗卫星广播的经过简化和压缩的自身单星星历；根据接收到的单星星历推导出整个星座的星座星历；卫星选择方法：根据星座星历和通信终端的位置选择初始接入需要对准的目标卫星；指向生成方法：根据目标卫星计算通信终端天线指向。本发明提出的星历获取方法、选星策略、跟踪方法能够在频率资源有限、终端天线接收增益极低、卫星需要不断切换的场景下应用，解决了低轨宽带卫星通信的初始接入时卫星基本的位置信息获取问题。

Description

一种基于星历的低轨宽带卫星通信终端天线方向获取方法

技术领域

本发明涉及低轨宽带卫星通信领域技术领域。更具体地，涉及一种基于星历的低轨宽带卫星通信终端天线方向获取方法。

背景技术

为了能为用户提供更大容量、更高速率的通信服务，卫星通信的通信频率不得不选择更高频段以满足更大带宽、更快速率的通信需求。为充分利用频率轨道资源，提供更接近地面网络的通信体验，低轨卫星通信是一种好的选择。高频段的通信频率会使用户通信设备天线的波束角变得较窄，采用低轨通信卫星，卫星位置不固定，存储的卫星位置不能长期使用，高频段和低轨道的结合使得用户通信设备在首次接入时很难快速对准通信卫星，在长期不开机而后开机使用也会出现相同情况。

在低轨宽带卫星通信系统中，卫星和地面终端都采用窄波束进行联通，因而需要跟踪对准。由于卫星不断移动，终端不断更换卫星，因而卫星需要播发自己的位置给终端，以便终端完成对准跟踪。由于通信带宽有限，地面终端天线接收增益极低，为尽量提高带宽有效利用率，需要尽量压缩卫星位置数据量。类似的导航星座直接播发一个星座卫星星历的方法数据量太大，现有的两行根数格式不必要的数据太多，经典六根数格式包含的信息不足，并且仅有定义没有格式。

本发明从系统层面提出一种基于卫星星历的初始接入天线对准方法以满足用户通信设备首次快速接入高频段低轨宽带通信卫星的需求。现有同步轨道卫星通信中天线可采用程序跟踪方式，与本发明的应用场景有一定相似性，但是其跟踪的卫星只有一颗，并且其卫星位置可视为固定，与本发明在星历获取、卫星选择、指向方式方面存在差别。

发明内容

基于以上背景技术，本发明针对低轨宽带卫星通信的应用需求，提出一种基于星历的低轨宽带卫星通信终端天线方向获取方法，该方法基于一颗卫星的星历和星座构型推导出整个星座卫星星历的方法，将数据量压缩到数十B以内，满足了低轨卫星通信的广播带宽约束。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于星历的低轨宽带卫星通信终端天线方向获取方法，该方法的步骤包括：

星历获取方法：

通信终端通过广播接收天线接收单颗卫星广播的经过简化和压缩的自身单星星历；根据接收到的单星星历推导出整个星座的星座星历；

卫星选择方法：根据星座星历和通信终端的位置选择初始接入需要对准的目标卫星；

指向生成方法：根据目标卫星计算通信终端天线指向。

优选地，压缩后的星历格式为：UTCG SatID1Semi Ecc Inc RAAN W f。

优选地，所述根据接收到的单星星历推导出整个星座的星座星历的步骤包括：

收到编号为X的单星星历，所有卫星半长轴、偏心率、倾角视为相同，面内卫星升交点赤经、近地点幅角视为相同，真近点角视为均匀分布，结合星座构型参数推导星座每颗卫星的星历。

优选地，所述星座构型参数包括轨道面数、面间经度差、面内卫星数和相位参数。

优选地，所述根据星座星历和通信终端的位置选择初始接入需要对准的目标卫星的步骤包括：

通信终端通过自带的GPS接收机，获取通信终端定位经纬度，通过星历接收和推导获取星座每颗卫星地面投影的经纬度；

选择可用卫星：计算通信终端与所有卫星的经度差和纬度差，取经度差和纬度差均小于设定的临界值的卫星，计算通信终端与这些卫星的连线与终端当地水平线的夹角，选择该夹角大于设定的临界值的卫星；

计算选出的卫星的速度矢量，据此计算选出的卫星与通信终端的相对运动速度：将卫星速度矢量投影到卫星与终端连线上，得到径向相对速度大小，若两者相向运动，则相对速度小于零，若两者反向运动，相对速度大于零；

选择相对速度小于零并且绝对值最大的卫星，即为当前最适宜接入的目标卫星。

优选地，所述根据目标卫星计算通信终端天线指向的步骤包括：

采用精确动力学模型预报目标卫星的轨迹，按一定步长进行存储；

根据当前时间t提取t时刻前的第一组数据，以此为输入采用简化模型预报t时刻的卫星位置；

根据t时刻卫星的位置、通信终端的位置、终端的姿态，在终端本体坐标系下计算天线偏航角和俯仰角，即为通信终端天线的指向。

优选地，所述通信终端包括用于接收卫星广播的星历数据的广播接收天线和用于接收和发送通信业务数据的业务天线。

优选地，所述广播接收天线采用低频段、半球接收天线。

本发明阐述的卫星星历与GPS、北斗等导航星座的星历不同之处在于，导航终端接收的星历都是直接播发的，本发明涉及的终端仅接收一颗卫星星历，其它卫星星历通过预报得出，大大降低了星历的数据量。在类似的星座系统，如铱星、全球星等通信星座中，由于终端为全向通信天线，没有指向跟踪的问题，因而不需要通过星历获取卫星位置进而获取天线指向。

本发明的有益效果如下：

本发明提出的星历获取方法、选星策略、跟踪方法能够在频率资源有限、终端天线接收增益极低、卫星需要不断切换的场景下应用，解决了低轨宽带卫星通信的初始接入时卫星基本的位置信息获取问题。

本发明的优点是：获取整个大型星座星历的广播数据量极少，占用频带资源少，有利于提高频率利用率；采用选星策略，避免了对准后时间太短无法接入的情况发生；采用程序引导跟踪，使得窄波束天线搜星范围大大缩小，加快了初始接入速度。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明低轨宽带卫星通信终端业务天线对准原理框图。

图2为本发明单星星历获取流程。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本发明的目的在于从系统层面提供一种基于卫星星历的初始接入天线对准方法(原理见附图1)，给出星历获取方法、卫星选择方法、指向生成方法，解决窄波束低轨卫星通信和快速初始接入的矛盾，该方法包括：星历获取方法；卫星选择方法；指向生成方法。具体如下：

(1)星历获取方法

低轨通信卫星通过广播信道向地面广播自身星历，即自身位置信息，为降低广播数据量，减少频率资源的占用，对该位置信息进行了独特的简化和压缩。用户通信设备需要具有两幅天线，一幅广播接收天线用于接收卫星广播的星历数据，一幅业务天线用于接收和发送通信业务数据，其中广播接收天线采用低频段、半球接收天线。星历获取流程如附图2所示。压缩后的星历格式为：UTCG SatID1Semi Ecc Inc RAAN W f，含义如下表所示。地面收到该星历后，需要根据终端时间信息代替表中AA、BB、CC的数值，DD为星座相关的轨道高度，内置在终端软件中，还原时提取出来进行替代，最终得到经典轨道六根数。需要注意的是，表中参数格式的小数位数可以根据数据量的约束、精度的要求等调整。

表1压缩的星历格式含义

例如：某星座构型参数为：半长轴7545km，偏心率为0，倾角为78度，升交点赤经间距为20度，面内卫星20颗，相位参数为6，在2020年10月10日14时03分0秒时，卫星001播发自身的星历信息“1403 00145.112.001234 75.0000 111.1111 222.2222 333.3333”，则地面终端还原星历信息时，首先从自带的GPS接收机中获得年月日信息为2020年10月10日，结合星座构型参数，则001号卫星的完整星历信息为(UTCG，SatID1，Semi，Ecc，Inc，RAAN，W，f)＝(2020年10月10日14时03分0秒，001，7545.112,0.001234，75.0000 111.1111，222.2222，333.3333)。

获得上述单星星历后，由于卫星的快速移动，该星可能很快就要离开该终端，导致实际可用的通信时间较短，难以完成接入流程，因而需要根据单星星历推导整个星座的星历，而后根据自身位置和星座，选择合适的接入卫星。星历推导方法为：收到编号为X的卫星星历，所有卫星半长轴、偏心率、倾角视为相同，面内卫星升交点赤经、近地点幅角视为相同，真近点角视为均匀分布，结合星座构型参数(轨道面数、面间经度差、面内卫星数、相位参数)推导星座每颗卫星的星历。例如，在获得上述001号卫星星历后，同一轨道内的第001+n颗卫星的星历为(UTCG，SatID1，Semi，Ecc，Inc，RAAN，W，f)＝(2020年10月10日14时03分0秒，002，7545.112,0.001234，75.0000 111.1111，222.2222，333.3333+360/20*n)，其中真近点角取值范围为[0,360)，更详细算法可参考STK软件Walker星座产生方法。

(2)卫星选择方法

以星座星历和通信终端自身定位结果为输入，选择初始接入需要对准的卫星，选择流程如下所示。

a)通信终端通过自带的GPS接收机，获取通信终端定位经纬度，通过星历接收和推导获取星座每颗卫星地面投影的经纬度。

b)选择可用卫星：计算通信终端与所有卫星的经度差和纬度差，取经度差和纬度差均小于设定的临界值的卫星，计算通信终端与这些卫星的连线与终端当地水平线的夹角，选择该夹角大于设定的临界值的卫星。

c)计算选出的卫星的速度矢量，据此计算选出的卫星与通信终端的相对运动速度：将卫星速度矢量投影到卫星与通信终端连线上，得到径向相对速度大小，若两者相向运动，则相对速度小于零，若两者反向运动，相对速度大于零。

d)选择相对速度小于零(相向运动)并且绝对值最大的卫星，即为当前最适宜接入的目标卫星。

(3)天线指向计算

确定目标星后即可计算通信终端天线指向，流程如下所示。

a)采用精确动力学模型预报目标星的轨迹，按一定步长进行存储；

b)根据当前时间t提取t时刻前的第一组数据，以此为输入采用简化模型预报t时刻的卫星位置；

c)根据t时刻卫星的位置、终端的位置、终端的姿态，在通信终端本体坐标系下计算天线偏航角和俯仰角，即为终端天线的指向。

本发明结合低轨通信星座构型的特点，设计了一种适于低轨宽带卫星通信的星历格式，该格式有别于两行根数、GPS/北斗星历等，结合通用的星座构型推导方法，即可通过一颗卫星获得整个星座的粗略参数，是一种适用于精度要求不高、数据量要求极小的应用场景的格式；针对低轨卫星移动特性，设计了一种终端跟踪卫星的选星策略，该策略能够快速在庞大的星座中选择优化的需要跟踪的卫星；针对天线指向时的卫星位置预报，采用先精确预报存储，后采用简化模型快速预报的方式，加快运算速度，避免每次预报都需要加载过多的初始参数。三项设计相互结合，形成一整套低轨宽带卫星通信终端天线跟踪时卫星天线指向信息的获取方法，其中星历格式、选星策略、先精后粗的预报方法以及三者的顺序组合属于本发明的创新点。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种基于星历的低轨宽带卫星通信终端天线方向获取方法，其特征在于，该方法的步骤包括：

星历获取方法：

通信终端通过广播接收天线接收单颗卫星广播的经过简化和压缩的自身单星星历，其中，压缩后的星历格式为：时间UTCG、卫星编号SatIDX、半长轴Semi、偏心率Ecc、倾角Inc、升交点赤经RAAN、近地点幅角W、真近点角f；根据接收到的单星星历推导出整个星座的星座星历，其中，所述根据接收到的单星星历推导出整个星座的星座星历进一步包括：收到编号为X的单星星历，所有卫星半长轴、偏心率、倾角视为相同，面内卫星升交点赤经、近地点幅角视为相同，真近点角视为均匀分布，结合星座构型参数推导星座每颗卫星的星历；

卫星选择方法：根据星座星历和通信终端的位置选择初始接入需要对准的目标卫星；

指向生成方法：根据目标卫星计算通信终端天线指向。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述星座构型参数包括轨道面数、面间经度差、面内卫星数和相位参数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据星座星历和通信终端的位置选择初始接入需要对准的目标卫星的步骤包括：

通信终端通过自带的GPS接收机，获取通信终端定位经纬度，通过星历接收和推导获取星座每颗卫星地面投影的经纬度；

选择可用卫星：计算通信终端与所有卫星的经度差和纬度差，取经度差和纬度差均小于设定的临界值的卫星，计算通信终端与这些卫星的连线与终端当地水平线的夹角，选择该夹角大于设定的临界值的卫星；

计算选出的卫星的速度矢量，据此计算选出的卫星与通信终端的相对运动速度：将卫星速度矢量投影到卫星与终端连线上，得到径向相对速度大小，若两者相向运动，则相对速度小于零，若两者反向运动，相对速度大于零；

选择相对速度小于零并且绝对值最大的卫星，即为当前最适宜接入的目标卫星。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据目标卫星计算通信终端天线指向的步骤包括：

采用精确动力学模型预报目标卫星的轨迹，按一定步长进行存储；

根据当前时间t提取t时刻前的第一组数据，以此为输入采用简化模型预报t时刻的卫星位置；

根据t时刻卫星的位置、通信终端的位置、终端的姿态，在终端本体坐标系下计算天线偏航角和俯仰角，即为通信终端天线的指向。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通信终端包括用于接收卫星广播的星历数据的广播接收天线和用于接收和发送通信业务数据的业务天线。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述广播接收天线采用低频段、半球接收天线。

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