CN110582094B - 一种基于星历和用户位置计算的定时触发切换方法 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种基于星历和用户位置计算的定时触发切换方法，属于低轨卫星通信领域，其工作原理为：(1)信关站接收用户周期上发的位置和速度的测量报告，(2)信关站根据星历计算判定目标波束/卫星/信关站和切换模式，(3)根据源信关站、目标信关站和切换模式的情况计算Δt₁值，(4)基于星历和用户位置计算t_off‑t_report和Δt₂值，(5)根据上述计算值进行预切换判决，(6)如果满足预切换条件建立定时器，(7)定时器计时(t_off‑t_report‑Δt₁‑Δt₂)信关站发起预切换，(8)定时器计时(t_off‑t_report‑Δt₂)后信关站向用户下发切换命令。利用本发明方法低轨卫星系统切换准备阶段依靠信关站计算，终端不需进行邻小区/波束异频测量，有效解决波束交叠区域小的切换问题，同时广泛适用于低轨卫星系统各类场景。

Description

一种基于星历和用户位置计算的定时触发切换方法

技术领域

本发明属于低轨卫星通信领域，具体涉及到一种低轨卫星系统中基于星历和用户位置计算的定时触发切换方法。

技术背景

随着全球低轨卫星星座建设的发展，低轨卫星系统下面临的用户切换问题愈加凸显，如何有效完成用户跨波束、跨星、跨信关站切换已成为低轨卫星系统为用户提供优质服务需要解决的重大难题。在地面移动通信系统中，用户跨小区、跨系统切换问题始终作为一项关键技术，从2G到5G移动通信系统的发展，其技术方案已经很成熟。目前，地面移动通信切换技术包括硬切换、软切换和更软切换，三种切换模式均需要在小区交叠区域或者系统覆盖交叠区域内完成，且其切换全流程的切换准备阶段均需要对相邻小区或系统进行测量，并依靠信号强度测量报告完成切换判决。

与地面移动通信系统相比，低轨卫星系统中卫星与用户相对运动速度快，卫星单个波束覆盖范围远大于地面小区范围，但用户静止的情况下，单个波束扫过用户的时间长度为分秒级，意味着低轨卫星系统下每个用户短时间就会发生一次切换。因此，低轨卫星系统用户切换非常频繁，用户切换性能很大程度上决定系统用户体验。

在低轨卫星系统建设中，要实现有限的卫星数量高效覆盖，需以波束交叠区域尽量小为优化目标。这导致有的低轨卫星系统波束交叠区域较小。针对波束交叠区域较大的低轨卫星系统，用户在交叠区域驻留时间远大于切换全流程完成时间，一种解决低轨卫星切换的方式是：采用地面移动通信切换方案，针对链路传输时延大带来的切换测量报告滞后等进行适应性修改。但是，对于波束交叠区域较小的低轨卫星系统，如果采用地面移动通信切换方案，无法保证用户在交叠区域驻留时间内完成切换全流程，甚至无法保证用户异频测量gap(时长大约为6ms)。这种设计方案下，系统的切换判决方式就不能采用地面移动通信那一套基于邻小区信号强度测量报告的切换判决。另一方面，低轨卫星系统(卫星透明转发)下链路传输单边时延可达几十毫秒，地面移动通信系统切换方案全流程时延将更长，不利于频繁切换的用户体验。

综上所述，针对波束交叠区域较小的低轨卫星系统(卫星透明转发)的切换方案，目前尚无一种较好的解决方案，既可以不依靠异频信号强度测量报告、又可缩减切换流程。

发明内容

相比地面移动通信系统因用户速度导致的随机切换，低轨卫星系统下的切换主要是卫星的高速运动导致，用户切换具有确定性。信关站根据星历、用户位置和速度就可以计算出用户切换时刻和切换目标。针对波束交叠区域小的低轨卫星系统切换问题，本发明提出了一种基于星历和用户位置计算的定时触发切换方法。

本发明提出了一种低轨卫星系统中基于星历和用户位置计算的定时触发切换方法，其流程如图1所示，其切换事件定时关系如图2所示。

图1中测量报告为用户的位置和速度；在用户离开源波束覆盖区域前能接收到切换命令的前提下，最小化Δt₂来设定定时点t_handover；在满足用户离开源波束覆盖区域前能接收到切换命令的前提下，保证目标波束用户资源预留到正式使用时间间隔最短，避免资源浪费，来设定定时点t_{pro_h}

本发明是通过如下技术方案实现的：一种基于星历和用户位置计算的定时触发切换方法，该方法包括：

步骤1：源信关站根据当前接收到的测量报告、星历判断用户将要切换的目标波束、卫星、信关站和切换模式，测量报告包括用户的位置和速度信息；

步骤2：根据源信关站、目标信关站和切换模式情况计算Δt₁值，Δt₁表示预切换执行到切换命令下发的时间差；Δt₁值计算涉及源信关站到目标信关站光纤传输时延、源信关站和目标信关站内部相关处理时延、补偿量，Δt₁值计算涉及的参数在信关站数据表中索引；其中，数据表数值根据实测值定期更新，所述源信关站、目标信关站可以为同一信关站；

Δt₁的计算方法：

式中，T_Gij＝T_Gji为源信关站i到目标信关站j的光纤传输时延，ΔT_ai和ΔT_aj分别为源信关站i和目标信关站j内部相关处理时延，T_b为总补偿量，以上参数均可查表索引获取，a表示时延的类别。

步骤3：根据星历和用户位置计算信关站接收到测量报告到用户离开源波束覆盖范围的时间差t_off-t_report，以及源信关站切换命令下发到当前波束覆盖范围离开用户的时间差Δt₂＝TUG+Δt₀；其中，t_off表示源波束覆盖范围离开用户的时间，t_report表示信关站接收到测量报告的时间，TUG为源信关站到用户的时延，根据星历和用户位置计算；Δt₀为补偿量，根据信关站存储的数据表预设；

步骤4：根据当前接收测量报告判断在下一个周期的测量报告到达之前是否进行预切换；判断条件如下：

Δt₁+Δt₂≤t_off-t_report＜T_report+Δt₁+Δt₂

其中，T_report为测量报告上报周期，如果t_off-t_report满足上述判决条件，则建立定时器；

步骤5：定时t_off-t_report-Δt₁-Δt₂时长后，信关站发起预切换；

步骤6：定时t_off-t_report-Δt₂时长后，信关站向用户下发切换命令；

步骤7：用户接收到切换命令后，与源波束断开与目标波束建立同步。

进一步的，所述步骤3中t_off-t_report的计算方法为：

其中，R为地球半径，h为卫星高度，

为卫星速度，|BU|为用户相对波束运动轨迹长度。

一种基于星历和用户位置计算的定时触发切换方法，其特征在于步骤1中切换模式的判决方法为：

步骤1：源信关站接收用户测量报告，获得用户的位置和速度信息；

步骤2：根据星历计算星座拓扑图中当前服务卫星相邻卫星的地面覆盖范围；

步骤3：判断用户是否在多颗卫星覆盖范围内，如果覆盖用户的卫星不少于2颗，则计算除当前服务卫星外的其它卫星所在信关站，并执行步骤5；如果覆盖用户的卫星仅为1颗，则执行步骤4；

步骤4：通过星历、用户位置和卫星载荷波束参数计算相对当前服务卫星运动方向上的相邻波束，并确定为目标波束，并判定切换模式为星内跨波束切换模式；

步骤5：采用基于服务时间最长、负载均衡、信道质量最优的策略，选择目标卫星；如果目标卫星为当前服务卫星，则执行步骤4；否则执行步骤6；

步骤6：确定目标卫星所属信关站，如果所属信关站为当前服务信关站，则目标信关站确定，并判定为信关站内星间切换模式；如果不是当前服务信关站，则目标信关站确定，并判定为跨信关站星间切换模式。

进一步的，所述步骤2中相邻卫星为同轨前后两颗和左右异轨两颗卫星。

本发明一种低轨卫星系统中基于星历和用户位置计算的定时触发切换方法，相对于现技术具有以下的有益效果：

(1)本发明采用信关站基于星历和用户位置计算，定时触发切换，有效解决低轨卫星系统波束交叠区域小情况下的切换问题。

(2)本发明通过星历和用户位置计算进行切换预判决，在切换准备阶段不会产生数据传输中断，并且用户和信关站信令交互流程较少。

(3)本发明基于星历和用户位置计算，不仅在波束交叠区域小的低轨卫星系统使用，也可在波束交叠区域大的低轨卫星系统中使用，只要信关站能获取星历、用户位置的低轨卫星系统都可采用本发明有效解决各种模式下的切换问题。

附图说明

图1是本发明基于星历和用户位置计算的定时触发切换方法示意图。

图2是本发明切换定时示意图。

图3是本发明基于星历和用户位置的切换模式判决流程示意图。

图4是用户和卫星覆盖场景示意图。

图5是用户与当前卫星当前波束的三维场景示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明进一步说明。

本发明提出了一种低轨卫星系统中基于星历和用户位置计算的定时触发切换方法，如图1所示，该方法组成部分包括：接收测量报告1、基于星历和用户位置判定目标波束/卫星/信关站和切换模式2、基于切换模式计算Δt₁值3、基于星历和用户位置计算t_off-t_report和Δt₂值4、满足预切换判决条件5、建立定时器6、发起预切换7、下发切换命令8。

为了说明一种低轨卫星系统中基于星历和用户位置计算的定时触发切换方法，以卫星内波束间切换为例，用户和卫星覆盖的场景如图4所示，用户与当前卫星当前波束的三维场景如图5所示。具体处理步骤如下：

步骤1：信关站接收到的用户上发的测量报告(用户位置和速度等)，得到用户位置坐标为(x_U,y_U,z_U)、用户运动速度为v_U，其中用户速度远小于卫星速度，在本发明方法处理的整个时间段内，用户速度导致用户位置的变化对方法计算的影响可以忽略，因此令v_U＝0。

步骤2：信关站可以从测控站周期性获得低轨卫星系统星历。信关站根据星历和卫星载荷参数，计算出当前服务用户的卫星#2相邻的卫星#1、#3、#4、#5在地表的覆盖范围，如图4所示。

步骤3：通过几何关系求解得到用户仅被1颗卫星覆盖，根据当前服务卫星星历和卫星载荷参数计算相对服务卫星运动方向上的相邻波束，判定目标波束编号，判定切换模式为星内跨波束切换。

步骤4：通过索引提前建立好的数据表获得中间参量，计算当前切换模式对应Δt₁值，Δt₁值计算方法如下：

式中，T_Gij＝T_Gji为源信关站i到目标信关站j的光纤传输时延，ΔT_ai和ΔT_aj分别为源信关站i、目标信关站j内部相关处理时延或补偿量，以上参数均可查表索引获取，T_b为补偿量。

步骤5：根据当前服务卫星的星历和用户位置计算信关站接收到测量报告到用户离开源波束覆盖范围的时间差t_off-t_report。如图5所示，先计算用户相对波束运动轨迹长度|BU|，则t_off-t_report通过下式进行计算：

其中，R为地球半径，h为卫星高度，

为卫星速度。

完成t_off-t_report的计算后，可进一步计算得t_off时刻服务卫星的位置S_off，则Δt₂值通过如下公式计算：

其中，c为光速，Δt₀为补偿量，可在信关站查表索引获取。

步骤6：判断t_off-t_report是否大于等于Δt₁+Δt₂并且小于T_report+Δt₁+Δt₂。如果满足条件，则信关站建立定时器，开始计时；如果不满足条件，信关站等待下一个周期的测量报告到达。

步骤7：定时器计时t_off-t_report-Δt₁-Δt₂后，信关站发起预切换，为用户预留在目标波束的上行业务资源，同时分配一个固定的前导序列给用户。

步骤8：定时器计时t_off-t_report-Δt₂时长后，信关站向用户下发切换命令，切换命令中将包括目标波束准备情况、用于在目标波束上行同步的前导序列等。

步骤9：用户接收到切换命令后，此时用户已经在目标波束覆盖范围内，与源波束断开与目标波束建立同步。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及设备；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种基于星历和用户位置计算的定时触发切换方法，该方法包括：

步骤1：源信关站根据当前接收到的测量报告、星历判断用户将要切换的目标波束、卫星、信关站和切换模式，测量报告包括用户的位置和速度信息；

步骤2：根据源信关站、目标信关站和切换模式情况计算Δt₁值，Δt₁表示预切换执行到切换命令下发的时间差；Δt₁值计算涉及源信关站到目标信关站光纤传输时延、源信关站和目标信关站内部相关处理时延、补偿量，Δt₁值计算涉及的参数在信关站数据表中索引；其中，数据表数值根据实测值定期更新，所述源信关站、目标信关站可以为同一信关站；

Δt₁的计算方法：

式中，T_Gij＝T_Gji为源信关站i到目标信关站j的光纤传输时延，ΔT_ai和ΔT_aj分别为源信关站i和目标信关站j内部相关处理时延，T_b为总补偿量，以上参数均可查表索引获取，a表示时延的类别；

步骤3：根据星历和用户位置计算信关站接收到测量报告到用户离开源波束覆盖范围的时间差t_off-t_report，以及源信关站切换命令下发到当前波束覆盖范围离开用户的时间差Δt₂＝TUG+Δt₀；其中，t_off表示源波束覆盖范围离开用户的时间，t_report表示信关站接收到测量报告的时间，TUG为源信关站到用户的时延，根据星历和用户位置计算；Δt₀为补偿量，根据信关站存储的数据表预设；

步骤4：根据当前接收测量报告判断在下一个周期的测量报告到达之前是否进行预切换；判断条件如下：

Δt₁+Δt₂≤t_off-t_report＜T_report+Δt₁+Δt₂

其中，T_report为测量报告上报周期，如果t_off-t_report满足上述判决条件，则建立定时器；

步骤5：定时t_off-t_report-Δt₁-Δt₂时长后，信关站发起预切换；

步骤6：定时t_off-t_report-Δt₂时长后，信关站向用户下发切换命令；

步骤7：用户接收到切换命令后，与源波束断开与目标波束建立同步。

2.如权利要求1所述的一种基于星历和用户位置计算的定时触发切换方法，其特征在于所述步骤3中t_off-t_report的计算方法为：

其中，R为地球半径，h为卫星高度，

为卫星速度，|BU|为用户相对波束运动轨迹长度。

3.如权利要求1所述一种基于星历和用户位置计算的定时触发切换方法，其特征在于步骤1中切换模式的判决方法为：

步骤1：源信关站接收用户测量报告，获得用户的位置和速度信息；

步骤2：根据星历计算星座拓扑图中当前服务卫星相邻卫星的地面覆盖范围；

步骤3：判断用户是否在多颗卫星覆盖范围内，如果覆盖用户的卫星不少于2颗，则计算除当前服务卫星外的其它卫星所在信关站，并执行步骤5；如果覆盖用户的卫星仅为1颗，则执行步骤4；

步骤4：通过星历、用户位置和卫星载荷波束参数计算相对当前服务卫星运动方向上的相邻波束，并确定为目标波束，并判定切换模式为星内跨波束切换模式；

步骤5：采用基于服务时间最长、负载均衡、信道质量最优的策略，选择目标卫星；如果目标卫星为当前服务卫星，则执行步骤4；否则执行步骤6；

步骤6：确定目标卫星所属信关站，如果所属信关站为当前服务信关站，则目标信关站确定，并判定为信关站内星间切换模式；如果不是当前服务信关站，则目标信关站确定，并判定为跨信关站星间切换模式。

4.如权利要求3所述一种基于星历和用户位置计算的定时触发切换方法，其特征在于，所述步骤2中相邻卫星为同轨前后两颗和左右异轨两颗卫星。

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