CN109495160B

CN109495160B - 一种低轨通信卫星星座与信关站连通规划方法

Info

Publication number: CN109495160B
Application number: CN201811472677.XA
Authority: CN
Inventors: 赵书阁; 向开恒; 饶建兵; 高铭阳; 王文福; 贝超; 高利春
Original assignee: CASIC Space Engineering Development Co Ltd
Current assignee: CASIC Space Engineering Development Co Ltd
Priority date: 2018-12-04
Filing date: 2018-12-04
Publication date: 2021-04-02
Anticipated expiration: 2038-12-04
Also published as: CN109495160A

Abstract

本发明公开一种低轨通信卫星星座与信关站连通规划方法。根据信关站的最小通信仰角获得了卫星‑地心‑信关站的最小通信张角余弦；然后计算所有卫星与所有信关站的可连通时间，以及可连通时间内信关站天线方向以及卫星馈线链路天线方向信息；根据可连通时间，建立了考虑最小通信时间的多信关站与卫星星座的连通序列。解决了低轨通信卫星星座与信关站连通中的快速、频繁切换规划问题。

Description

一种低轨通信卫星星座与信关站连通规划方法

技术领域

本发明涉及通信领域，特别是涉及一种低轨通信卫星星座与信关站连通规划方法。

背景技术

随着通信技术和智能移动终端的逐渐成熟，以多媒体通信为代表的网络新技术和新业务的出现及爆炸式增长，对互联网接入能力提出了更高的要求，宽带互联网已成为人类文明进步和社会发展的最有力平台。在此背景下，中国有必要建设天基宽带互联网，与地面宽带网络、第5代移动通信(5G)系统等互联融合，从而形成空天地一体化信息网络，进一步满足用户对全球无缝覆盖的宽带服务和移动保障的相关需求(梁宗闯,陶滢,高梓贺.天基宽带互联网发展现状与展望[J].中兴通讯技术,2016,22(4):14-18.)。

低轨宽带通信卫星具有通信延时低和发射入轨成本低等方面的优势。新兴互联网企业如03b公司、OneWeb公司以及SpaceX公司，以高技术、小型化为依托的上百颗低轨星座理念引领国际宽带卫星产业的蓬勃发展，使提供低成本、全覆盖的宽带卫星服务成为可能。

低轨卫星相对于地面快速运动，所以卫星必须频繁切换信关站才能长期对地面提供通信服务。O3b网络系统的星座由12颗轨道高度为8062km的卫星构成，覆盖范围在南北纬40°之间的区域，已经于2014年开始提供商业服务，得到了市场的认可，证明了卫星互联网星座的发展前景。低轨宽带通信卫星具有通信延时低和发射入轨成本低的优势。新兴互联网企业如03b公司、OneWeb公司以及、SpaceX公司，以高技术、小型化为依托的上百颗低轨星座理念引领国际宽带卫星产业的蓬勃发展，为提供低成本、无覆盖的宽带卫星服务成为可能。(刘悦,廖春发.国外新兴卫星互联网星座的发展[J].科技导报,2016,34(7):139-148.)。但是，其信关站与卫星星座的连通规划方法并没有公布。

当前我国也开展了低轨通信卫星星座的相关论证研究，以信关站与卫星星座连通规划为起点，逐步建立低轨卫星星座的运控策略，是一个合适的选择。低轨卫星通信系统通常由空间段、地面段和用户段组成，空间段包括低轨通信卫星星座；地面段包括综合运控中心、信关站、测控站；用户段包括多种类型的用户站。普通智能手机或互联网终端与用户站相连，用户站利用过顶的卫星与某个信关站进行数据交换；信关站总数较少，通过光纤网实现组网协调工作，并与互联网互联，从而实现智能手机与宽带互联网的数据交换。设计合理的信关站与卫星星座连通规划策略，可以保证卫星与信关站的通信顺畅，为卫星对地面提供高质量、低时延的通信服务打下基础。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低轨通信卫星星座与信关站的连通规划方法，以解决现有技术中卫星与信关站的通信质量差、延时高等问题。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明公开了一种低轨通信卫星星座与信关站连通规划方法，所述方法步骤包括：

S1、根据卫星相对于信关站的最小通信仰角，计算卫星-地心-信关站的最小通信张角的余弦；

S2、计算所有信关站在WGS84坐标系的位置；

S3、通过轨道预报获得一个规划周期内所有卫星在WGS84坐标系中的位置；

S4、根据S2-S3计算所有卫星相对于信关站的地心张角余弦，并分别与S1中的所述最小通信张角的余弦比较，获得卫星与信关站的可连通时间；

S5、根据S4得到的可连通时间，分别计算卫星馈线链路天线的方向信息和信关站天线的方向信息；

S6、根据所述可连通时间、卫星馈线链路天线的方向信息和信关站天线的方向信息，计算在一个规划周期内所需计算的信关站与卫星星座的连通序列；

S7、重复步骤S3-S6直至完成所有连通规划周期，得到最终中的连通规划。

优选地，所述步骤S1包括

S11、根据正弦定理，获得卫星相对于信关站的地心张角θ与卫星相对于信关站的仰角γ之间的关系：

其中，R是地球赤道半径，r是卫星的地心距；

S12、设定卫星相对于信关站的最小通信仰角γ₀，计算卫星-地心-信关站的最小通信张角的余弦：

优选地，所述步骤S3包括

S31、根据测控站的观测数据确定所有卫星的初始位置；

S32、利用轨道预报获得一个规划周期内所有卫星在J2000坐标系中的位置；

S33、计算所述规划周期内J2000坐标系到WGS-84坐标系的坐标转换矩阵，并将所有卫星在J2000坐标系中的位置矢量转换到WGS84坐标系。

优选地，所述步骤S4包括

S41、根据信关站在WGS84坐标系中的位置与卫星在WGS84坐标系中的位置，计算卫星相对于信关站的地心张角θ的余弦为：

其中，P_xg ^w表示信关站在WGS84坐标系中的位置矢量，P_s ^w表示卫星在WGS84坐标系中的位置矢量，上角标w代表WGS84坐标系；

S42、将S41中得到的地心张角θ的余弦与卫星-地心-信关站的最小通信张角的余弦进行比较判断，获得卫星与信关站的可连通时间。

优选地，所述卫星馈线链路天线的方向信息包括卫星馈线链路天线的俯仰角和卫星馈线链路天线的方位角；所述信关站的方向信息包括信关站天线的仰角和信关站天线的方位角。

优选地，所述步骤S6包括

S61、确定第1个信关站与卫星星座的连通序列，并将在相应连通时刻依次与所述第一个信关站连通的卫星设置为剩余的信关站的不可连通卫星；

S62、根据在相应时刻未被设置为不可连通卫星的卫星，确定第S个信关站与卫星星座的连通序列，并将在相应连通时刻依次与所述第S个信关站连通的卫星设置为剩余的信关站的不可连通卫星，其中，S为自然数，且S>1。

优选地，在计算信关站与卫星星座的连通序列时，采用的原则包括：先计算所有站址中的第一个信关站的连通序列；然后计算所有站址中的第二个信关站的连通序列；然后计算所有站址中的第三个信关站的连通序列；最后计算所有站址中的第四个信关站的连通序列。

优选地，计算信关站与卫星星座的连通序列时，进一步包括：选择连通时间最长的卫星且连通时长大于设定的最短连通时间。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案有益效果：1、本发明的一种低轨通信卫星星座与信关站连通规划方法，由于低轨卫星相对于地面快速运动，本连通规划方法可以解决卫星与信关站连通的快速、频繁切换问题。2、本发明的一种低轨通信卫星星座与信关站连通规划方法，由于低轨通信卫星星座相对于地面信关站距离较近，本连通规划方法可以大幅度地减小卫星与信关站的通信时延。

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示出实施例中低轨通信卫星星座与信关站的连通规划方法的流程图；

图2示出实施例中卫星与信关站的空间几何关系的示意图；

图3示出实施例中第1个站址的第1个信关站到相应连通卫星方向的仰角和方位角的示意图；

图4示出实施例中相应连通卫星到第1个站址的第1个信关站方向的俯仰角和方位角的示意图。

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和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。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。

在本发明中，首先确定卫星-地心-信关站的最小张角余弦和所有卫星的初始轨道信息，并通过轨道预报计算一个规划周期内所有卫星的轨道信息；然后计算一个规划周期内所有信关站与所有卫星的可连通时间以及可连通时间内信关站天线方向信息和卫星馈线链路天线方向信息；完成一个规划周期的任务规划后，重复以上步骤实现卫星星座与信关站连通的长期任务规划。

卫星通过馈线链路与信关站连通，信关站天线和卫星馈线天线一般采用多波束切换天线阵列或伺服反射面天线，在本发明的一个实施例中以伺服反射面天线为例进行实施，如采用多波束切换天线阵列也可基于该方法，将波束指向转化为多波束天线阵列的相应天线。伺服反射面天线由反射面天线和反射面伺服组成，反射面伺服接收方向指令信号，驱动并始终控制发射面天线方向，使信关站天线和卫星馈线链路天线指向彼此，信关站天线和卫星馈线天线收发共用，保持卫星馈线链路通信的稳定顺畅。

如图1所示，在本发明的一个具体的实施例中提供了一种低轨通信卫星星座与信关站的连通规划方法，具体步骤如下：S1、根据卫星相对于信关站的最小通信仰角，计算卫星-地心-信关站的最小通信张角的余弦；S2、计算所有信关站在WGS84坐标系的位置；S3、通过轨道预报获得一个规划周期内所有卫星在WGS84坐标系中的位置；S4、根据S2-S3计算所有卫星相对于信关站的地心张角余弦，并分别与S1中的所述最小通信张角的余弦比较，获得卫星与信关站的可连通时间；S5、根据S4得到的可连通时间，分别计算卫星馈线链路天线的方向信息和信关站天线的方向信息；S6、根据所述可连通时间、卫星馈线链路天线的方向信息和信关站天线的方向信息，计算在一个规划周期内所需计算的信关站与卫星星座的连通序列；S7、重复步骤S3-S6直至完成所有连通规划周期，得到最终中的连通规划。

如图2所示，在本实施例中，步骤S1根据最小通信仰角计算最小通信张角的余弦。根据正弦定理，可以获得卫星相对于信关站的地心张角θ与卫星相对于信关站的仰角γ关系：

其中，R是地球赤道半径，r是卫星的地心距。对于运行于近圆轨道的卫星，地心距约等于半长轴a，则有r≈a。

利用方程(1)，可以根据卫星相对于信关站的最小通信仰角γ₀(给定值)计算卫星-地心-信关站的最小通信张角的余弦。

由于两个单位矢量的点乘是这两个矢量的夹角余弦，在判断卫星是否处于信关站的可连通区域时，为了避免进行大计算量的反余弦计算，直接利用方程式(3)的夹角余弦判别式判断。

cos(θ)＞cos(θ₀) (3)

在本实施例中，步骤S2计算所有信关站在WGS84坐标系的位置。因此，对于某一信关站的地理经度、地理纬度和高度可分别用L、B和H表示，则该信关站在WGS84坐标系的位置分量为

其中，N是卯酉圈曲率半径，

e_e是大地椭球偏心率。

在本实施例中，步骤S3为通过轨道预报获得一个规划周期内所有卫星的位置。具体包括：在任务规划的初始时刻，根据测控站的观测数据确定所有卫星的初始位置；然后利用轨道预报获得一个规划周期内所有卫星在J2000地心惯性坐标系(简称为“J2000坐标系”)中的位置，并计算该段时间J2000坐标系到WGS-84地心直角坐标系(简称为“WGS84坐标系”)的坐标转换矩阵，同时将所有卫星在J2000坐标系中的位置矢量转换到WGS84坐标系。此外，当需要获取规划周期内所有卫星在WGS84坐标系的速度时，也可根据上述方法去获得。

在本实施例中，计算所有卫星与所有信关站的可连通时间时，将信关站在WGS84坐标系中的位置矢量用P_xg ^w表示，卫星在WGS84坐标系中的位置矢量用P_s ^w表示，则卫星相对于信关站的地心张角θ的余弦为

其中，上角标w代表WGS84坐标系。

根据方程(5)计算任意时刻所有卫星相对于所有信关站的地心张角余弦，然后利用夹角余弦判别式(3)判断卫星与信关站在空间上是否满足连通条件，从而可以获得一个规划周期内所有卫星与所有信关站的可连通时间。

在本实施例中，步骤S5包括计算可连通时间内卫星馈线链路天线方向的方位角和俯仰角。具体如下：

任意坐标系沿+X轴和+Z轴的单位矢量在该坐标系可以表达为

在卫星的馈线链路天线与信关站天线连通的过程中，卫星的馈线链路天线指向信关站，卫星到信关站的连线矢量在WGS84坐标系中表达为：

P_s→xg ^w＝P_xg ^w-P_s ^w (7)

将位置矢量P_s→xg ^w从WGS84坐标系转换到J2000坐标系P_s→xg ⁱ，然后从J2000坐标系转换到轨道坐标系P_s→xg ^o，上角标i和o分别代表J2000坐标系和轨道坐标系。

卫星到信关站的连线矢量与卫星轨道坐标系XOY平面的夹角定义为馈线链路天线方向的俯仰角，用α_s表示。

卫星到信关站的连线矢量在轨道坐标系XY平面的投影与卫星轨道坐标系+X轴夹角定义为馈线链路天线方向的方位角，用β_s表示。

其中，P_s→xg-xy ^o＝[P_s→xg ^o(1) P_s→xg ^o(2) 0]，P_s→xg-xy ^o是P_s→xg ^o在轨道坐标系XY平面的投影。

步骤S5中还包括：计算可连通时间内信关站天线方向的方位角和仰角。

在卫星的馈线链路天线与信关站天线连通的过程中，信关站的天线指向卫星，信关站到卫星的连线矢量在WGS84坐标系中表达为：

P_xg→s ^w＝P_s ^w-P_xg ^w (10)

将P_xg→s ^w从WGS84地心直角坐标系转换到东北天地理坐标系，记为P_xg→s ^d(上角标d代表东北天地理坐标系)，信关站到卫星连线矢量与东北天地理坐标系XOY平面的夹角为定义为信关站天线方向的仰角，用α_d表示：

信关站到卫星连线矢量在东北天地理坐标系XY平面投影与东北天地理坐标系+X轴夹角定义为信关站天线方向的方位角，用β_d表示。

其中，

P_xg→s-xy ^d是P_xg→s ^d在地理坐标系XY平面的投影。

在本实施例中，步骤S6根据所述可连通时间、卫星馈线链路天线的方向信息和信关站天线的方向信息，计算在一个规划周期内信关站与卫星星座的连通序列。基于上述方法，获得了满足仰角约束的所有信关站与卫星星座可连通时间、可连通时间内卫星馈线链路天线以及信关站天线方向信息。实际上，一个信关站仅能与一颗卫星实现一一连通，接下来建立一个规划周期内信关站与卫星星座的连通序列，该连通序列包括与信关站连接的卫星次序和对在所述规划周期内卫星与信关站连通过程中天线方位角信息等。具体的：所述步骤S6包括S61、确定第1个信关站与卫星星座的连通序列，并将在相应连通时刻依次与所述第一个信关站连通的卫星设置为剩余的信关站的不可连通卫星；S62、根据在相应时刻未被设置为不可连通卫星的卫星，确定第S个信关站与卫星星座的连通序列，并将在相应连通时刻依次与所述第S个信关站连通的卫星设置为剩余的信关站的不可连通卫星，其中，S为自然数，且S>1。

即有：假设在服务区域内设置S个信关站(S＞1)，在确定信关站与卫星星座的连通序列的过程中，首先确定一个规划周期内第1个信关站与卫星星座的连通序列，并将相应连通弧段依次与第1个信关站连通的卫星设置为剩余信关站的不可连通卫星。确定信关站与卫星星座的连通序列时，遵循的原则是选择连通时间最长的卫星且连通时长大于给定的最短连通时间Δt_min。当计算第s个信关站与卫星星座的连通序列时，则有确定第2个信关站与卫星星座的连通序列，同时在相应时刻将依次与第2个信关站连通的卫星设置为剩余信关站的不可连通卫星；依次类推，计算第3、4、……、S个信关站与卫星星座的连通序列，在计算第s个信关站的连通序列后，在相应时刻依次将与第s个信关站连通的卫星设置为剩余信关站的不可连通卫星。此时便全部得到了在一个规划周期内所需计算的信关站与卫星的连通序列。

综上所述，重复步骤S3-S6直至完成所有连通规划周期，得到最终中的连通规划，即实现卫星星座与信关站的连通规划。

本发明基于上述方法，提供了一个更为具体的实施例。在本实施例中以任务规划周期等于1天为例，连通规划的初始时刻为2016年1月1日0时0分，仿真步长为5秒。卫星星座分布在13个轨道面上，每个轨道面包括12颗卫星，共156颗卫星，表1为卫星星座的初始轨道参数，表内的n_out表示轨道面，n_in轨道面内的卫星编号，n_out∈[1,2,3,…,12,13]，n_in∈[1,2,3,…,11,12]，卫星的编号定义为n_sate＝(n_out-1)×12+n_in。信关站站址的经度、纬度和高度如表2所示，每个站址设置4个信关站，总信关站数为S＝40。

卫星与信关站的最短连通时间设置为Δt_min＝60sec，第1个连通规划周期的初始时刻和末端时刻分别定义为t₀＝0和t_f＝86400sec

表1通信星座卫星的初始轨道参数

参数	数值
		半长轴，km	7410.5
偏心率	0.001
		轨道倾角，deg	80
升交点赤经，deg	Ω<sub>0</sub>+(n<sub>out</sub>-1)×200/13
		近地点幅角，deg	10
平近点角，deg	M<sub>0</sub>+(n<sub>out</sub>-1)×6/13×30+(n<sub>in</sub>-1)×30

表2信关站站址的经度、纬度和高度

站址序号	(纬度，经度)	高度，m
			1	(23.92°，121.69°)	1000
2	(-3.90°，114.58°)	900
			3	(6.85°，80.85°)	800
4	(0.76°，43.68°)	700
			5	(31.48°，-9.348°)	600
6	(70.24°，24.38°)	500
			7	(34.69°，34.94°)	400
8	(35.91°，72.93°)	300
			9	(55.54°，109.66°)	200
10	(53.46°，158.92°)	100

所述的低轨通信卫星星座与信关站连通规划方法，具体步骤如下：

首先根据最小通信仰角计算最小通信张角的余弦。卫星相对于信关站的最小通信仰角设为γ₀＝10°，可以根据方程(2)计算卫星相对于信关站的最小通信张角的余弦。

cos(θ₀)＝0.926 (13)

计算所有信关站在WGS84坐标系的位置。根据表2的10个信关站站址的地理经度、地理纬度和高度，可以根据方程(4)计算各信关站站址在WGS84坐标系中的位置分量为

表3信关站站址的三维位置分量

通过轨道预报确定一个规划周期所有卫星的位置。获得一个规划周期内156颗卫星在J2000坐标系和WGS84坐标系中的位置，以及一个规划周期内J2000坐标系到WGS84坐标系的坐标转换矩阵。

计算所有卫星与所有信关站的可连通时间。利用方程(5)计算一个规划周期内156颗卫星相对于40个信关站的地心张角的余弦，然后利用夹角余弦关系式(3)判断卫星与信关站在空间上是否满足连通条件，从而可以获得一个规划周期内156颗卫星与40个信关站的可连通时间。

为计算得到的可连通时间内卫星馈线链路天线方向的方位角和俯仰角及计算得到的可连通时间内信关站天线方向的方位角和仰角。根据获得的156颗卫星与40个信关站的可连通时间，利用方程式(8)和(9)计算可连通时间内156颗颗卫星馈线链路天线方向的方位角和俯仰角(指向不同的信关站)；根据获得的156颗卫星与40个信关站的可连通时间，利用方程式(11)和(12)计算可连通时间内40个信关站天线方向的方位角和仰角(指向不同的卫星)。

每个站址有4个信关站，共有40个信关站，此处采用的原则是首先建立所有站址的第1个信关站的连通序列，然后计算所有站址的第2个信关站的连通序列；然后计算所有站址的第3个信关站的连通序列以及第4个信关站的连通序列，按照以上原则确定连通规划过程中40个信关站的排序。图3给出了在不同时刻，第1个站址的第1个信关站到相应的连通的卫星方向的仰角和方位角，圆形代表信关站与卫星连通的初始时刻，正方形代表信关站与卫星连通的末端时刻，可以看出地球站的仰角在[10° 90°]内变化，满足信关站到卫星方向的仰角最小值不小于10°的约束，而且接近10°。表明相应连通时刻，卫星相对于地球站的仰角满足连通仰角约束，而且接近连通仰角约束，从而，获得了较长的单段连通时间。并且从图3可以看出在每个连通段内，仰角的变化趋势基本都是先变大后变小，符合卫星相对于信关站的位置变化趋势。图4给出了不同时刻，相应连通卫星到第1个站址的第1个信关站方向的俯仰角和方位角，从图4可以看出在每个连通段内，俯仰角的变化趋势也都是先变大后变小。

建立第1个信关站与卫星星座的连通序列，并将相应连通弧段依次与第1个信关站连通的卫星设置为剩余信关站的不可连通卫星。

计算第s个信关站与卫星星座的连通序列。根据已经建立了第1个站址的第1个信关站与卫星星座的连通序列的方法，依次建立第2、3、4、……、40个信关站与卫星星座的连通序列，在建立第s个信关站的连通序列后，在相应时刻依次将与第s个信关站连通的卫星设置为剩余信关站的不可连通卫星。在完成所有的连通规划周期后，即可实现156颗卫星构成的星座与40个信关站的连通规划。

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

1.一种低轨通信卫星星座与信关站连通规划方法，其特征在于，所述方法的步骤包括

S2、计算所有信关站在WGS84坐标系的位置；

S7、重复步骤S3-S6直至完成所有连通规划周期，得到最终的连通规划。

2.根据权利要求1所述的低轨通信卫星星座与信关站连通规划方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

其中，R是地球赤道半径，r是卫星的地心距；

3.根据权利要求1所述的低轨通信卫星星座与信关站连通规划方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

S31、根据测控站的观测数据确定所有卫星的初始位置；

4.根据权利要求1所述的低轨通信卫星星座与信关站连通规划方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

5.根据权利要求1所述的低轨通信卫星星座与信关站连通规划方法，其特征在于，所述卫星馈线链路天线的方向信息包括卫星馈线链路天线的俯仰角和卫星馈线链路天线的方位角；所述信关站的方向信息包括信关站天线的仰角和信关站天线的方位角。

6.根据权利要求1所述的低轨通信卫星星座与信关站连通规划方法，其特征在于，所述步骤S6包括：

S61、确定第一个信关站与卫星星座的连通序列，并将在相应连通时刻依次与所述第一个信关站连通的卫星设置为剩余的信关站的不可连通卫星；

7.根据权利要求1或6所述的低轨通信卫星星座与信关站连通规划方法，其特征在于，在计算信关站与卫星星座的连通序列时，采用的原则包括：先计算所有站址中的第一个信关站的连通序列；然后计算所有站址中的第二个信关站的连通序列；然后计算所有站址中的第三个信关站的连通序列；最后计算所有站址中的第四个信关站的连通序列。

8.根据权利要求1或6所述的低轨通信卫星星座与信关站连通规划方法，其特征在于，计算信关站与卫星星座的连通序列时，进一步包括：选择连通时间最长的卫星且连通时长大于设定的最短连通时间。