CN109818666A - 一种卫星波束覆盖增强方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星波束覆盖增强方法和系统，所述方法包括：计算卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面需要调整的倾角；根据所述需要调整的倾角调整卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面的倾角，使卫星相控阵天线的法线指向热点区域中心点所在的纬度线。本发明实施例通过计算卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面需要调整的倾角，根据所述需要调整的倾角调整卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面的倾角，使卫星相控阵天线的法线指向热点区域中心点所在的纬度线，由此解决了现有技术中存在的在有限的卫星数量情况下无法保障热点区域通信覆盖的问题，取得了积极的技术效果。

Description

一种卫星波束覆盖增强方法和系统

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，特别是一种卫星波束覆盖增强方法和系统。

背景技术

目前低轨道(轨道高度1500公里以下)通信卫星天馈设计通常包括机械扇面天线和数字阵列天线两种形式，机械扇面天线由于可靠性差，多用户指向跟踪速度慢等原因，通常只应用在广域低速通信场景。例如美国轨道科学公司及Torrey Science公司设计制造MUBlCOM星座卫星。国内外新一代的低轨卫星星座设计中普遍采用数字阵列波束赋形技术，数字阵列波速赋形技术在波速扫描角达到±60度时，相比法线方向效率通常会降低3dB左右，为了保证单星数千公里的边缘通信覆盖性能同时兼顾微纳卫星功率效率，通常采用多扇面天线设计，例如铱星II代三扇面设计，这类卫星重量通常超过800公斤。第二种类似OneWeb低轨卫星采用单扇面波束赋形设计，通过限制单星覆盖范围，增加卫星数量来实现全球广域覆盖，这类卫星重量通常在150公斤左右。低轨快响卫星对卫星平台载荷重量功耗以及成本有严格的限制(通常卫星重量在50公斤以内)，还需要在有限的卫星数量情况下保障热点区域的通信覆盖，上述两种数字阵列波束赋形方式无法满足使用要求。

发明内容

本发明实施例提供一种，用以解决现有技术中存在的在有限的卫星数量情况下无法保障热点区域通信覆盖的问题。

第一方面，本发明实施例提供一种卫星波束覆盖增强方法，包括：

计算卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面需要调整的倾角；

根据所述需要调整的倾角调整卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面的倾角，使卫星相控阵天线的法线指向热点区域中心点所在的纬度线。

可选的，所述调整卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面的倾角之后，还包括：

根据卫星相对于热点区域中心点的方位角信息调整卫星相控阵天线各阵元的加权参数，使卫星相控阵天线的法线始终指向热点区域的中心点。

可选的，所述计算卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面需要调整的倾角，具体包括：

根据热点区域中心点的坐标信息计算卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面需要调整的倾角。

可选的，所述计算卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面需要调整的倾角之前，还包括：

获取热点区域中心点的坐标信息和卫星的坐标信息；

根据所述热点区域中心点的坐标信息和卫星的坐标信息计算卫星相对于热点区域中心点的方位角信息。

可选的，所述卫星相控阵天线采用m*n单元阵列天线，m位于截轨方向，n位于顺轨方向，m>n。

第二方面，本发明实施例提供一种卫星波束覆盖增强系统，包括：

卫星波束处理模块，用于计算卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面需要调整的倾角；

卫星姿态控制模块，用于根据所述需要调整的倾角调整卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面的倾角，使卫星相控阵天线的法线指向热点区域中心点所在的纬度线。

可选的，所述卫星波束处理模块，还用于根据卫星相对于热点区域中心点的方位角信息调整卫星相控阵天线各阵元的加权参数，使卫星相控阵天线的法线始终指向热点区域的中心点。

可选的，所述卫星波束处理模块，用于根据热点区域中心点的坐标信息计算卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面需要调整的倾角。

可选的，所述卫星波束处理模块包括：

获取单元，用于获取热点区域中心点的坐标信息和卫星的坐标信息；

计算单元，用于根据所述热点区域中心点的坐标信息和卫星的坐标信息计算卫星相对于热点区域中心点的方位角信息。

可选的，所述卫星相控阵天线采用m*n单元阵列天线，m位于截轨方向，n位于顺轨方向，m>n。

本发明实施例通过计算卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面需要调整的倾角，根据所述需要调整的倾角调整卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面的倾角，使卫星相控阵天线的法线指向热点区域中心点所在的纬度线，由此解决了现有技术中存在的在有限的卫星数量情况下无法保障热点区域通信覆盖的问题，取得了积极的技术效果。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例一种卫星波束覆盖增强方法的流程图；

图2为本发明实施例一种卫星波束覆盖增强系统的结构示意图；

图3为卫星运行轨道的顺轨面和截轨面的示意图；

图4为调整卫星相控阵天线各阵元的加权参数的流程图；

图5为波束截轨角为0度，顺轨角偏-45，-30，-15，0，15，30，45度时阵列波瓣图；

图6为波束截轨角偏32度，顺轨角偏-45，-30，-15，0，15，30，45度时阵列波瓣图；

图7为结合测控姿控技术的低轨快响卫星波束赋形控制原理图。

图中：1、热点区域中心点所在的纬度线；2、波束覆盖区；3、轨道截轨面；4、轨道面经线；5、卫星相控阵天线的法线；6、轨道顺轨面。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明第一实施例提供一种卫星波束覆盖增强方法，如图1所示，包括以下具体步骤：

步骤S101，计算卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面3需要调整的倾角；

步骤S102，根据所述需要调整的倾角调整卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面3的倾角，使卫星相控阵天线的法线5指向热点区域中心点所在的纬度线1。

常规的卫星相控阵天线波束赋形技术为了能实现较好的波束跟踪覆盖，通常要求卫星相控阵天线在顺轨和截轨两个方向的扫描范围都能达到±60度，根据相控阵天线的原理，在顺轨和截轨两个方向都达到最大扫描角度的时候，天线波束增益相对阵列法线方向会降低9dB以上，为了保证通信覆盖及通信质量，需要增加天线阵元的数量或提高阵元的发射功率以弥补天线增益的损失，这个对于总功耗、重量受限但是又要求对地广域覆盖的的快响卫星来说是不可接受的，在本设计根据快响卫星的特点，通过在截轨面结合姿态调整技术，可将截轨方向的扫描范围要求减少到±30度以内，使得顺轨扫描角度达到±60度的情况下增益下降控制在6dB以内，这样在快响卫星总功耗受限的情况下，能够跟踪覆盖更大的范围。从而简化相控阵天线设计，减少天线阵元数量，简化波束跟踪控制过程，满足快响卫星的应用需求。

步骤S101可以在卫星端完成。所述计算卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面3需要调整的倾角，具体包括：

根据热点区域中心点的坐标信息计算卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面3需要调整的倾角。

如图3所示，为方便理解，以赤道圆轨道星座为例：卫星从测控信息中得到热点区域中心点的坐标信息，过热点区域中心点位置画一个与卫星顺轨道面平行的平面，得到卫星截轨面与该平面在地球表面的交点，该平面与顺轨面的夹角即为需要调整的倾角。可以通过卫星姿态控制模块调整卫星相控阵天线在截轨面上的倾角，卫星姿态控制模块调整能力范围内，使卫星相控阵天线的法线5指向热点区域中心点所在的纬度线1。本方法同样适用倾斜轨道的低轨快响卫星。卫星姿态控制模块可以采用轨姿态控制装置。

本发明实施例之所以要调整卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面3的倾角，是因为考虑到低轨快响卫星对其载荷重量功耗以及成本有严格的限制。因此，对于采用m*n单元阵列天线的卫星相控阵天线，m位于截轨方向，n位于顺轨方向，可以减少顺轨方向天线的数量，使m>n。此时，截轨方向波瓣图较窄，顺轨方向波瓣图较宽，波束在地面的投影呈现椭圆形状。考虑快响低轨卫星热点覆盖的特点，快响卫星天线波束在顺轨方向的角度跟踪变化需求较快，需要依靠星基带数字波束处理单元实现快速宽角度的扫描跟踪；但是快响卫星天线波束在截轨方向角度调整较慢，可以通过调整卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面3的倾角，使卫星相控阵天线的法线5指向热点区域中心点所在的纬度线1，实现对地面热点区域的通信波束跟踪覆盖。本发明实施例在减少了顺轨方向天线的数量，减小了卫星载荷重量和成本，降低了卫星载荷功耗的情况下，保证了波束覆盖能力。

卫星采用“地磁矢量+太阳方位矢量+MEMS(微机电系统)陀螺测量角速度”作为基本姿态测量手段，“俯仰偏置动量轮+三轴磁力矩器”作为姿态控制手段的基本配置。采用偏置动量轮组合三轴磁控方式控制卫星在截轨方向的倾角，弥补卫星相控阵天线在截轨方向扫描角度宽度不足，利用高速旋转偏置动量轮的陀螺定轴性提高卫星稳定性和抗干扰能力，利用偏置动量轮的转速控制以及三轴安装的磁力矩器实现卫星速率阻尼和姿态稳定控制。

本发明实施例通过计算卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面3需要调整的倾角，根据所述需要调整的倾角调整卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面3的倾角，使卫星相控阵天线的法线5指向热点区域中心点所在的纬度线1，由此解决了现有技术中存在的在有限的卫星数量情况下无法保障热点区域通信覆盖的问题，取得了积极的技术效果。本发明实施例实现利用最小的天线阵元规模和最高的功率效率对热点区域的波束跟踪覆盖。本发明实施例适用于重量和功耗受限的快响卫星实现对地面热点区域的通信波束跟踪覆盖，通常卫星的轨道高度不高于1500km，地面热点区域的单波束覆盖半径不大于500km。

可选的，所述调整卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面3的倾角之后，还包括：

根据卫星相对于热点区域中心点的方位角信息调整卫星相控阵天线各阵元的加权参数，使卫星相控阵天线的法线5始终指向热点区域的中心点。

波束赋形是一种基于天线阵列的信号预处理技术，波束赋形通过调整天线阵列中每个阵元的加权系数产生具有指向性的波束，从而能够获得明显的阵列增益。因此，波束赋形技术在扩大覆盖范围、改善边缘吞吐量以及干扰抑止等方面都有很大的优势。由于波束赋形带来的空间选择性，使得波束赋形与SDMA之间具有紧密的联系。实际系统中应用的波束赋形技术可能具有不同的目标，如侧重链路质量改善(覆盖范围扩展、用户吞吐量提高)或者针对多用户问题(如小区吞吐量与干扰消除/避免)。

在截轨方向倾角调整到位后，顺轨方向通过卫星波束处理模块实现快速宽角度的扫描跟踪。地面4G增强/5G移动通信基站对用户的波束跟踪赋形过程需要实时信道测量估计，并且需要上行信道反馈信道测量信息用于实时调整天线阵列的加权系数，信号处理过程复杂需要消耗较大的计算处理资源，不适合快响卫星应用场景。本发明中卫星载荷可从测控信息得到卫星相对于热点区域中心点的方位角信息，卫星波束处理模块将该方位角信息转换为相控阵天线各个阵元的加权系数，最终使得合成的天线波束法线始终指向热点区域中心位置，从而能够获得明显的阵列增益，扩大波束覆盖范围。

卫星波束处理模块可以采用卫星基带数字波束处理单元。

具体的，可以通过卫星基带数字波束处理单元调整卫星相控阵天线各阵元的加权参数，计算卫星相控阵天线各阵元的实时基带加权参数Wij和射频阵元加权参数Bkl，最终使得相控阵天线合成的波束法线方向指向热点区域中心点，形成一个半径约400～500km左右的椭圆覆盖区。卫星基带数字波束处理单元按照图4的原理，通过查表获得实时的卫星相控阵天线阵元加权参数，完成波束赋形，使得合成的波束法线方向对准热点区域中心点。

可选的，所述计算卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面3需要调整的倾角之前，还包括：

获取热点区域中心点的坐标信息和卫星的坐标信息；

根据所述热点区域中心点的坐标信息和卫星的坐标信息计算卫星相对于热点区域中心点的方位角信息。

得到方位角信息后，可以通过热点区域的地面窄带测控模块的全向天线将方位角信息和热点区域中心点的坐标信息发送给卫星窄带测控模块的全向天线，过顶卫星收到地面站发送的测控信息后，启动波束对准流程。

可选的，所述卫星相控阵天线采用m*n单元阵列天线，m位于截轨方向，n位于顺轨方向，m>n。

由于地面锚定点(热点区域)相控阵天线基本上不受体积和功耗的限制，地面站锚定点地面窄带测控模块通过预设的卫星运行轨道信息(如果没有预设的卫星运行轨道信息，卫星也可通过窄带测控信道将卫星的坐标信息按周期发送给锚定点窄带测控系统)，计算卫星与锚定点的距离方位角信息并发送给锚定点用户驻地设备。

用户驻地设备根据上述信息计算地面相控阵天线各阵元的实时基带加权参数Wij，射频阵元加权参数Bkl。，调整地面相控阵天线波束跟踪卫星，实现可靠的星地锚定点链路，具体过程与卫星相控阵天线波束赋形过程相同。地面锚定点利用测控信息完成该卫星移动性管理需要的信道资源预留，RACH(随机接入信道)接入参数计算。微纳快响卫星可以作为类似地面锚定点的Relay Node(类似地面LTE移动通信系统的宿主基站和RN的关系)，提供波束覆盖区2内广域的移动用户接入，实现热点区域内移动用户之间以及与地面锚定点之间的中低速率的语音、数据通信。

在当前的快响应卫星飞离热点区域上空前，地面锚定点继续搜索下一颗即将过顶的卫星，重复上述的步骤完成联合波束对准。地面锚定点利用测控信息完成该卫星移动性管理需要的信道资源预留，RACH接入参数计算，提高了卫星移动性管理效率，为卫星快速过顶切换做好准备。

本发明第二实施例提供一种卫星波束覆盖增强系统，如图2所示，包括：

卫星波束处理模块，用于计算卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面3需要调整的倾角；

卫星姿态控制模块，用于根据所述需要调整的倾角调整卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面3的倾角，使卫星相控阵天线的法线5指向热点区域中心点所在的纬度线1。

可选的，所述卫星波束处理模块，还用于根据卫星相对于热点区域中心点的方位角信息调整卫星相控阵天线各阵元的加权参数，使卫星相控阵天线的法线5始终指向热点区域的中心点。

可选的，所述卫星波束处理模块，用于根据热点区域中心点的坐标信息计算卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面3需要调整的倾角。

可选的，所述卫星波束处理模块包括：

获取单元，用于获取热点区域中心点的坐标信息和卫星的坐标信息；

计算单元，用于根据所述热点区域中心点的坐标信息和卫星的坐标信息计算卫星相对于热点区域中心点的方位角信息。

可选的，所述卫星相控阵天线采用m*n单元阵列天线，m位于截轨方向，n位于顺轨方向，m>n。

本发明实施例通过计算卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面3需要调整的倾角，根据所述需要调整的倾角调整卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面3的倾角，使卫星相控阵天线的法线5指向热点区域中心点所在的纬度线1，由此解决了现有技术中存在的在有限的卫星数量情况下无法保障热点区域通信覆盖的问题，取得了积极的技术效果。

本发明实施例所述的系统的功能已经在方法实施例中进行了描述，故本系统实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述方法实施例中的相关说明，在此不做赘述。

以赤道圆轨道低轨快响卫星星座为例，设计北纬23度附近某热点区域(半径500km)的通信波束覆盖增强和广域用户接入方案。

1、设计卫星星座数量20颗卫星，卫星轨道高度约1450公里，卫星重量50公斤以内，整机最大功耗在300W以内(卫星过顶激活期间功耗)；

2、为了保证使用20颗卫星星座实现对热点区域的持续覆盖，要求卫星最大通信斜距离3500公里；

3、为了保证热点区域内不小于100个用户(均匀分布)的并发通信，且移动用户速率不低于2.4kbps(S频段，用户天线增益0dB,发射功能率5W)，要求快响卫星的ERIP不小于35dBw，扫描范围内天线波束增益不小于20dBi。

采用与测控、姿控技术结合后，快响卫星相控阵天线的重量和波束增益得到优化。

具体的，相控阵天线采用12x8单元阵列天线，每个TR组件(T/R组件是指一个无线收发系统中视频与天线之间的部分，即T/R组件一端接天线，一端接中视频处理单元就构成一个无线收发系统)的峰值输出功率为3W，平均输出功率为350mw，天线尺寸约600x400mm。12位于截轨方向，8位于顺轨方向，因此截轨方向波瓣图较窄，顺轨方向波瓣图较宽，这样的设计主要是考虑截轨方向可以通过调整卫星的倾角调整，减少卫星相控阵天线在截轨方向的扫描范围，简化相控阵设计，节省卫星载荷的功耗，但是又不影响卫星对地面热点区域的覆盖效果。

截轨角0度，顺轨角偏-45，-30，-15，0，15，30，45度时阵列波瓣图如图5所示。法线增益27，顺轨扫描到45度时增益23，20dB增益可以覆盖顺轨角到约±60度。

顺轨角偏0度，截轨角偏-32，-15，0，15，32度时，法线增益27，截轨扫描到32度时增益24.5，20dBi增益可以覆盖截轨角度约±43度。

考虑到最极端的使用情况，波束截轨道角偏32度，顺轨角偏-45，-30，-15，0，15，30，45度时阵列波瓣图如图6所示。顺轨中线增益24.5，顺轨扫描到45度时增益21.5，20dBi增益可以覆盖顺轨角到约±54度。

本实施例中，低轨快响卫星一个运行周期在锚定点热点区域上空驻留时间为400秒，卫星运行轨道是恒定的并且是可以精确计算的，通过上述技术方案，降低了卫星过顶切换的处理时延，提高了切换的成功率，采取了上述技术方案后，可预期的卫星切换流程和切换时延如下所示。

1、锚定点切换准备处理时延[best,average,worst]＝[18,22,24]msec

2、过顶卫星波束对准处理时延[best,average,worst]＝[23,30,76]msec

3、用户面数据路径切换处理时延[best,average,worst]＝[7,9,19]msec

快响卫星过顶切换时延的典型值为小于100ms，远低于终端在小区间重叠区域的驻留时间。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种卫星波束覆盖增强方法，其特征在于，包括：

计算卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面需要调整的倾角；

根据所述需要调整的倾角调整卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面的倾角，使卫星相控阵天线的法线指向热点区域中心点所在的纬度线。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调整卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面的倾角之后，还包括：

根据卫星相对于热点区域中心点的方位角信息调整卫星相控阵天线各阵元的加权参数，使卫星相控阵天线的法线始终指向热点区域的中心点。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面需要调整的倾角，具体包括：

根据热点区域中心点的坐标信息计算卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面需要调整的倾角。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面需要调整的倾角之前，还包括：

获取热点区域中心点的坐标信息和卫星的坐标信息；

根据所述热点区域中心点的坐标信息和卫星的坐标信息计算卫星相对于热点区域中心点的方位角信息。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卫星相控阵天线采用m*n单元阵列天线，m位于截轨方向，n位于顺轨方向，m>n。

6.一种卫星波束覆盖增强系统，其特征在于，包括：

卫星波束处理模块，用于计算卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面需要调整的倾角；

卫星姿态控制模块，用于根据所述需要调整的倾角调整卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面的倾角，使卫星相控阵天线的法线指向热点区域中心点所在的纬度线。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于：

所述卫星波束处理模块，还用于根据卫星相对于热点区域中心点的方位角信息调整卫星相控阵天线各阵元的加权参数，使卫星相控阵天线的法线始终指向热点区域的中心点。

8.如权利要求6所述的系统，其特征在于：

所述卫星波束处理模块，用于根据热点区域中心点的坐标信息计算卫星相控阵天线在其运行轨道截轨面需要调整的倾角。

9.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述卫星波束处理模块包括：

获取单元，用于获取热点区域中心点的坐标信息和卫星的坐标信息；

计算单元，用于根据所述热点区域中心点的坐标信息和卫星的坐标信息计算卫星相对于热点区域中心点的方位角信息。

10.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述卫星相控阵天线采用m*n单元阵列天线，m位于截轨方向，n位于顺轨方向，m>n。