CN111447002A - 一种面向卫星移动通信系统的高速终端切换策略方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种面向卫星移动通信系统的高速终端切换策略方法，属于卫星移动通信技术领域。为了保证在卫星移动通信系统中高速终端与卫星通信的连续性，提升终端在波束间和卫星间切换的成功率和降低丢包率，本发明提出一种基于路径规划的高速终端切换策略方法。首先，通过测量和计算确定发射坐标系，计算终端位置。根据终端、卫星和波束的位置，可以计算终端每时每刻所在波束和相邻波束。然后，基于路径规划的高速终端切换策略。与传统方法相比，本发明可适用卫星移动通信系统中高速终端在多波束之间频繁切换的场景，提升终端在波束间和卫星间切换的成功率和降低丢包率，为卫星移动通信系统中高速终端切换提供指导。

Description

一种面向卫星移动通信系统的高速终端切换策略方法

技术领域

本发明属于卫星移动通信技术领域，具体涉及一种面向卫星移动通信系统的高速终端切换策略方法。

背景技术

传统地面移动通信系统在满足城区用户快速增长的需求的同时，仍然存在不足。在应急救灾场景，以及偏远山村、空中、海上等区域，地面通信系统由于覆盖成本高或根本无法覆盖等因素，无法保障这些情况下的用户需求。然而，卫星移动通信系统具有覆盖范围大、组网灵活、通信费用与距离无关、不受现有地面系统的限制和受地形影响小等特点。因此，国内外研究人员提出，将卫星移动通信系统引入到未来5G第二阶段，甚至是6G的研究中来。基于此背景我国提出天地一体化信息网络，通过天基网络、地面互联网和移动通信网络的互联互通、信息服务共享，形成全球覆盖、随遇接入、按需服务、安全可信的网络。同时，卫星移动通信系统是天地一体化信息网络的重要组成部分。利用高、低不同轨道的移动通信卫星向用户提供区域乃至全球范围的短信、语音和视频等移动通信业务。

卫星移动通信系统中，终端随机分布，无处不在。按终端移动速度分为固定终端、中低速(如汽车、火车和高铁等)和高速终端(也称高动态终端)。高速终端指的是具有三维空间上机动能力的机载终端，如应用于民航飞机、无人机、战斗机、导弹以及各类航天器材等机载终端。其中，高速终端的飞行高度一般距离地面20km以上，运动速度能达到10到20马赫。高速终端和普通终端不同，高速终端因其飞行高度高和速度快，使得它在卫星移动通信系统多波束覆盖下产生频繁的切换，难以忍受和信关站的通信时延。此外，高速终端往往具有紧迫性，在卫星移动通信系统中优先级极高，为了提升切换成功率，保障高速终端完成切换后可以正常通信，当终端所在的卫星波束中信道资源可能不足时，需要提前协调和预留卫星波束中信道资源。由于高速终端运动轨迹和卫星运动情况都是可以预估的，如何基于高速终端运动轨迹，设定高速终端切换策略，提升高速终端切换成功率，具有相当高的研究价值和实际意义。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于路径规划的高速终端切换策略，根据卫星网络能够提前获得终端的起始点、目标点、运动路径等信息和预估卫星运动情况及卫星波束覆盖，提前计算终端经过的卫星波束，并对终端的波束切换准则进行规划和预留信道资源，从而提升高速终端切换成功率，保障终端在高速移动的情况下，能够顺利完成切换并保持正常通信，为卫星移动通信系统中高速终端切换策略研究提供了一种新的借鉴和参考。本发明的技术方案如下：

一种面向卫星移动通信系统的高速终端切换策略方法，包括以下步骤：

S1：终端位置计算

基于发射坐标系(O_fx_fy_fz_f)，O_fy_f延长线过地球赤道面，与赤道面形成的夹角B_T称为发射点所在位置的天文纬度，取值范围为[-90，90]度，向北为正；O_fy_f轴所在的天文子午面和起始天文子午面形成的夹角λ_T称为发射点所在位置的天文经度，取值范围为[-180,180]度，向东为正；O_fx_f轴与发射点所在的天文子午面正北方向构成的夹角A_T称为发射方位角，顺时针方向为正。

发射点和打击点的经度和纬度可测量得知，然后通过韦森特公式计算发射方位角；设发射点坐标为(L₁,B₁)，打击点坐标(L₂,B₂)，地球近似椭圆第一偏心率为e，椭圆扁率为f，韦森特公式计算过程如下：

λ＝ΔL＝L₂-L₁

循环计算以下公式至λ的变化小于10^-12：

cosσ＝sinU₁ sinU₂+cosU₁ cosU₂ cosλ

λ＝L+(1-C)fsinα{α+Csinα[cos(2σ_m)+Ccosσ(-1+2cos²(2σ_m)]}

得出发射方位角：

S2：坐标系转换

将终端坐标数据统一转换到2000国家大地坐标系(China Geodetic CoordinateSystem 2000，CGCS2000)下；卫星的位置可以根据卫星轨道参数计算得知，以及将波束模拟成点波束，给出每个波束在任意时刻的波束中心点位置和波束半功率宽度，将卫星位置、波束中心点位置转换到CGCS2000坐标系下。

S3：波束切换以终端穿出波束时间点为核心建立终端途径波束的有向图模型，当以最长服务时间为标准规划高速终端波束切换时，可将该问题转换成求该有向图的最短路径问题，其中有向图的边权重均为1。采用Dijkstra算法求解所述有向图的最短路径问题，求解出预留波束资源。

进一步，所述将发射坐标系下的数据转换到CGCS2000坐标系的转换公式为

其中，(x₀,y₀,z₀)^T为发射坐标系原点O_f在CGCS2000坐标系下的坐标，转换矩阵为：

进一步，给所述终端所有的途径波束及与终端相邻的波束都预留好信道资源，以确保切换成功。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的有益效果：本发明为了保证星移动通信系统中高速终端与卫星通信的连续性，需要提升终端在波束间和卫星间切换的成功率和降低丢包率。本发明提出一种面向卫星移动通信系统的高速终端切换策略研究方法。首先，高速终端的飞行路径往往是可预测的，通过测量得到发射点和打击点的经度和纬度，根据韦森特公式计算发射方位角，从而确定发射坐标系，计算终端位置。同时卫星和波束中心点信息是已知的，将终端、卫星、波束坐标统一转换到CGCS2000坐标系下，根据终端、卫星和波束的位置，可以计算终端每时每刻所在波束和相邻波束。然后，基于路径规划的高速终端切换策略，根据终端每时每刻所在波束和相邻波束，提前计划切换准则(服务时间、空闲信道数、距离和仰角)并固化到高速终端内，并且为途径波束预留信道资源，使高速终端进行快速测量和切换。此外，为终端切换预留资源时应该尽可能避免强行踢出波束下的低优先级终端，充分利用网络资源。与传统方法相比，该切换策略可适用卫星移动通信系统中高速终端在多波束之间频繁切换的场景，为卫星移动通信系统中高速终端切换提供指导。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1为发射坐标系；

图2为CGCS2000坐标系；

图3为终端途径波束图模型；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

1.计算途径波束

根据终端和卫星及波束的位置，可以计算终端何时处于何波束覆盖之下。

(1)终端位置计算

高速终端运动情况的观察和计算，通常是基于发射坐标系(O_fx_fy_fz_f)，该坐标系固连于地球，随地球转动而移动。如图1所示，发射坐标系的定义如下：发射坐标系原点O_f位于发射点；O_fy_f轴为过发射点的铅垂线，向上为正；O_fx_f轴与O_fy_f轴垂直，指向打击点方向；O_fz_f轴和O_fx_f、O_fy_f构成右手直角坐标系。

其中，O_fy_f延长线过地球赤道面，与赤道面形成的夹角B_T称为发射点所在位置的天文纬度，取值范围为[-90，90]度，向北为正；O_fy_f轴所在的天文子午面和起始天文子午面形成的夹角λ_T称为发射点所在位置的天文经度，取值范围为[-180,180]度，向东为正；O_fx_f轴与发射点所在的天文子午面正北方向构成的夹角A_T称为发射方位角，顺时针方向为正。

发射点和打击点的经度和纬度可测量得知，然后通过韦森特公式计算发射方位角；设发射点坐标为(L₁,B₁)，打击点坐标(L₂,B₂)，地球近似椭圆第一偏心率为e，椭圆扁率为f，韦森特公式计算过程如下：

λ＝ΔL＝L₂-L₁

循环计算以下公式至λ的变化小于10-¹²：

cosσ＝sinU₁ sinU₂+cosU₁ cosU₂ cosλ

λ＝L+(1-C)fsinα{α+Csinα[cos(2σ_m)+Ccosσ(-1+2cos²(2σ_m)]}

得出发射方位角：

当得到发射点的经度、纬度和发射方位角之后，就确定了发射坐标系，从而在发射坐标系下很容易观测到终端位置。但通信系统中还有卫星等节点存在，而这些节点的参考系并不是发射坐标系。因此，还需要将数据统一转换到2000国家大地坐标系(ChinaGeodetic Coordinate System 2000，CGCS2000)下进行计算，CGCS2000坐标系如图2所示。

CGCS2000规定了适用于我国测绘使用的地球参考椭球参数，是全球地心坐标系在我国的具体体现。其原点和轴向定义如下：

原点O_e位于地球的质量(包含海洋、大气)中心O_ez_e轴指向国际地球自转和参考系服务(International Earth Service，IERS)参考极方向O_ex_e轴为IERS参考子午面与通过原点且同O_ez_e轴正交的赤道面(历元2000.0)的交线O_ey_e轴和O_ex_e、O_ez_e构成右手直角坐标系2000国家大地坐标系采用的参考椭球简称CGCS2000椭球，其参数如下：

长半轴：α＝6378137m

扁率：f＝1/298.257222101

地心引力常数：GM＝3.986004418810¹⁴m³s^-2

地球自转角速度：ω＝7.292115*10^-5rad/s

根据发射点坐标和发射方位角，可将发射坐标系下的数据转换到CGCS2000坐标系，其公式如下：

其中，(x₀,y₀,z₀)^T为发射坐标系原点O_f在CGCS2000坐标系下的坐标，转换矩阵为：

(2)卫星的位置可以根据卫星轨道参数计算得知，只是需要将位置坐标转换到CGCS2000坐标系下。

(3)卫星天线从覆盖特性和覆盖区域的大小分为：全球波束天线、赋形区域波束天线、点波束天线和多波束天线。将波束模拟成点波束，给出每个波束在任意时刻的波束中心点位置、波束半功率宽度以及距离波束中心点不同夹角处的增益。然后将波束中心点位置坐标转换到CGCS2000坐标系下。结合波束半张角大小，就可以计算出波束在三维空间的覆盖范围及相应增益。

综上，计算出在CGCS2000坐标系下终端、卫星、卫星波束中心点的位置和波束半功率宽度，可以计算终端何时处于哪个波束覆盖之下。

2.研究波束切换

对于终端在卫星下的切换，目前已有几个经典的切换准则：服务时间、空闲信道数、距离和仰角。

基于GEO卫星移动通信系统，高速终端主要考虑在单个卫星下的点波束切换，故而可以不考虑终端和卫星的距离这一准则。

以终端穿出波束时间点为核心建立终端途径波束的有向图模型，如图3所示。横轴表示时间，节点s表示开始时间，其他节点表示穿出波束时间，如⑧表示的第64秒时终端已穿出波束8，它可以选择切换至波束3或者波束4，即终端当前处于波束3和波束4的重叠区之中。

当以最长服务时间为标准规划高速终端波束切换时，可将该问题转换成求该有向图的最短路径问题，其中有向图的边权重均为1。这个问题，可以采用Dijkstra算法计算。该例子的一个解为(4→9→10→11)。因此，计算终端途径波束，画出终端途径波束图模型，求解出预留四个波束资源，终端只需切换3次就可以到达目的地。然而，当终端实际飞行轨迹和预估有偏差或者需要改变终端飞行路径等情况时，终端可能会进入无空闲资源的卫星波束，导致终端通信中断。因此最好能给所有的途径波束甚至和相邻的波束都预留好信道资源，确保切换成功。

3.本发明技术方法说明如下：

途径波束计算算法如算法1所示。

算法1计算途径波束

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。

Claims (3)

1.一种面向卫星移动通信系统的高速终端切换策略方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：终端位置计算

基于发射坐标系(O_fx_fy_fz_f)，O_fy_f延长线过地球赤道面，与赤道面形成的夹角B_T称为发射点所在位置的天文纬度，取值范围为[-90，90]度，向北为正；O_fy_f轴所在的天文子午面和起始天文子午面形成的夹角λ_T称为发射点所在位置的天文经度，取值范围为[-180,180]度，向东为正；O_fx_f轴与发射点所在的天文子午面正北方向构成的夹角A_T称为发射方位角，顺时针方向为正。

发射点和打击点的经度和纬度可测量得知，然后通过韦森特公式计算发射方位角；设发射点坐标为(L₁,B₁)，打击点坐标(L₂,B₂)，地球近似椭圆第一偏心率为e，椭圆扁率为f，韦森特公式计算过程如下：

λ＝ΔL＝L₂-L₁

循环计算以下公式至λ的变化小于10^-12：

cosσ＝sinU₁ sinU₂+cosU₁ cosU₂ cosλ

λ＝L+(1-C)fsinα{α+Csinα[cos(2σ_m)+Ccosσ(-1+2cos²(2σ_m)]}

得出发射方位角：

S2：坐标系转换

将终端坐标数据统一转换到2000国家大地坐标系(China Geodetic CoordinateSystem 2000，CGCS2000)下；卫星的位置可以根据卫星轨道参数计算得知，以及将波束模拟成点波束，给出每个波束在任意时刻的波束中心点位置和波束半功率宽度，将卫星位置、波束中心点位置转换到CGCS2000坐标系下。

S3：波束切换

以终端穿出波束时间点为核心建立终端途径波束的有向图模型，当以最长服务时间为标准规划高速终端波束切换时，可将该问题转换成求该有向图的最短路径问题，其中有向图的边权重均为1。采用Dijkstra算法求解所述有向图的最短路径问题，求解出预留波束资源。

2.根据权利要求1所述的高速终端切换策略方法，其特征在于，所述将发射坐标系下的数据转换到CGCS2000坐标系的转换公式为

其中，(x₀,y₀,z₀)^T为发射坐标系原点O_f在CGCS2000坐标系下的坐标，转换矩阵为：

3.根据权利要求1所述的高速终端切换策略方法，其特征在于，给所述终端所有的途径波束及与终端相邻的波束都预留好信道资源，以确保切换成功。

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