CN111817769A - 一种星地数据链传播时延补偿的时隙设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种星地数据链传播时延补偿的时隙设计方法，属于通信学科领域；步骤一、获取数据链的最远通信距离L、数据链的时隙长度T_slot、卫星轨道高度h和卫星天线半波束宽度θ，计算地心角度α；计算星地之间理论最远通信距离d_max；步骤二、根据数据链的最远通信距离L、星地之间理论最远通信距离d_max和卫星轨道高度h，确定星地数据链的通信范围；步骤三、设定卫星延迟Δt时长发送数据、提前Δt时长接收数据，计算Δt；步骤四、计算n；计算卫星发送和接收时隙长度T_satellite，完成对卫星发送和接收时隙长度的设计；本发明保证了星地之间通信可以完全按照数据链的通信协议，地面的数据链节点不用做任何改动就可以通过卫星实现跨距离通信，扩展了地面链的通信范围。

Description

一种星地数据链传播时延补偿的时隙设计方法

技术领域

本发明属于通信学科领域，涉及一种星地数据链传播时延补偿的时隙设计方法。

背景技术

针对未来远程远洋作战、武器打击协同等作战需求，地面数据链覆盖范围有限，为满足广域作战范围内数据链节点之间的互联互通，满足各军兵种广域战场联合作战的需求，研究卫星数据链的技术、通信体制、数据链装备体系，实现卫星数据链、地面数据链的无缝融合，为未来战场天基数据链体系化、智能化、一体化发展提供指导。

目前，国内外多各研究机构研究的星地数据链系统都是利用卫星通道进行消息透明转发的思路，而卫星数据链既要提供卫星通信信道，还要按照约定的数据链应用协议来封装传输规定格式的数据和控制消息，地面数据链可以支持的最远通信距离有限，在星地远距离通信的情况下，无法实现星地之间完全按照数据链协议进行通信。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种星地数据链传播时延补偿的时隙设计方法，保证了星地之间通信可以完全按照数据链的通信协议，地面的数据链节点不用做任何改动就可以通过卫星实现跨距离通信，扩展了地面链的通信范围。

本发明解决技术的方案是：

一种星地数据链传播时延补偿的时隙设计方法，包括如下步骤：

步骤一、根据任务需求确定星地之间数据传输的数据链类型，获得该数据链的最远通信距离L、数据链的时隙长度T_slot；根据任务需求确定卫星轨道高度h和卫星天线半波束宽度θ；计算地心角度α；计算星地之间理论最远通信距离 d_max；

步骤二、根据数据链的最远通信距离L、星地之间理论最远通信距离d_max和卫星轨道高度h，确定星地数据链的通信范围；

步骤三、设定卫星延迟Δt时长发送数据、提前Δt时长接收数据，计算Δt；

步骤四、设定卫星发送和接收时隙长度T_satellite为地面数据链时隙长度T_slot的 n倍；计算n；计算卫星发送和接收时隙长度T_satellite，完成对卫星发送和接收时隙长度的设计。

在上述的一种星地数据链传播时延补偿的时隙设计方法，所述步骤一中，地心角度α的计算方法为：

式中，h为卫星轨道高度；

Re为地球半径；

θ为卫星天线半波束宽度。

在上述的一种星地数据链传播时延补偿的时隙设计方法，所述步骤一中，星地之间最远通信距离d_max的计算方法为：

式中，h为卫星轨道高度，即星地之间最近通信距离；

Re为地球半径；

α为地心角度。

在上述的一种星地数据链传播时延补偿的时隙设计方法，所述步骤二中，星地数据链的通信范围的确定方法为：

当(d_max-h)≤L时，星地数据链的通信范围为：以卫星为顶点，h为轴线， d_max为母线形成的锥体所覆盖地球表面的区域；

当(d_max-h)＞L时，星地数据链的通信范围为：以卫星为顶点，h为轴线， h+L为母线形成的锥体所覆盖地球表面的区域。

在上述的一种星地数据链传播时延补偿的时隙设计方法，所述步骤三中，Δt 的计算方法为：

Δt＝h/c

式中，h为卫星轨道高度；

c为光速。

在上述的一种星地数据链传播时延补偿的时隙设计方法，所述步骤四中，n 的计算方法为：

式中，Δt为卫星延迟发送数据和提前接收数据的时长；

T_slot为地面数据链时隙长度；

为向上取整。

在上述的一种星地数据链传播时延补偿的时隙设计方法，所述步骤四中，卫星发送和接收时隙长度T_satellite的计算方法为：

T_satellite＝n*T_slot。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明通过对卫星收发时隙的设计，实现了星地之间通信可以完全按照数据链的通信协议，地面的数据链数据链节点不用做任何改动就可以通过卫星实现跨距离通信，卫星节点作为星地数据链中的一个链节点，扩展了地面数据链的通信范围；

(2)本发明实现了真正意义上的卫星数据链，即卫星既提供卫星通信信道，还要按照约定的规程和应用协议来封装并安全地传输规定格式的数据和控制消息，具有高时效的特点；

(3)本发明同时兼顾了卫星通信和数据链通信，在星地数据链通信中是有效可行的，适用于星地数据链通信系统的实际工程应用。

附图说明

图1为本发明时隙设计流程图；

图2为本发明星地数据链示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

在星地数据链系统中，通过卫星轨道高度和天线波束角度可以求出星地最远通信距离，按照星地之间最短通信距离计算出卫星节点可以提前发送、滞后接收的时间△t，通过数据链支持的最远通信距离L km可以约束得到星地之间的通信距离范围，在星地通信距离范围内，设置卫星节点提前Δt发送，滞后Δt 接收，同时为了避免卫星节点提前发送和滞后接收信号在时间上发生冲突，在系统规划时设置卫星发送与接收都要占用

个隙。基于星地数据链系统传播时延补偿的时隙设计方法保证了星地之间通信可以完全按照数据链的通信协议，地面的数据链节点不用做任何改动就可以通过卫星实现跨距离通信，卫星节点也作为星地数据链中的一个链节点，扩展了地面链的通信范围。

一种星地数据链传播时延补偿的时隙设计方法，如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤一、根据任务需求确定星地之间数据传输的数据链类型，如图2所示，获得该数据链的最远通信距离L(km)、数据链的时隙长度T_slot；根据任务需求确定卫星轨道高度h(星地之间的最近通信距离)和卫星天线半波束宽度θ；计算地心角度α；计算星地之间理论最远通信距离d_max；地心角度α的计算方法为：

式中，h为卫星轨道高度；

Re为地球半径；

θ为卫星天线半波束宽度。

星地之间最远通信距离d_max的计算方法为：

式中，h为卫星轨道高度，即星地之间最近通信距离；

Re为地球半径；

α为地心角度。

步骤二、根据步骤一中计算出的星地最远通信距离和实现星地数据链通信的约束条件，确定出星地数据链的通信范围，即根据数据链的最远通信距离L、星地之间理论最远通信距离d_max和卫星轨道高度h，确定星地数据链的通信范围；星地数据链的通信范围的确定方法为：

当(d_max-h)≤L时，星地数据链的通信范围为：以卫星为顶点，h为轴线， d_max为母线形成的锥体所覆盖地球表面的区域；

当(d_max-h)＞L时，星地数据链的通信范围为：以卫星为顶点，h为轴线， h+L为母线形成的锥体所覆盖地球表面的区域。

步骤三、为了实现星地数据链通信，需要卫星节点提前Δt发送、滞后Δt接收。设定卫星延迟Δt时长发送数据、提前Δt时长接收数据，计算Δt；Δt的计算方法为：

Δt＝h/c

式中，h为卫星轨道高度；

c为光速。

步骤四、设定卫星发送和接收时隙长度T_satellite为地面数据链时隙长度T_slot的 n倍；计算n；计算卫星发送和接收时隙长度T_satellite，完成对卫星发送和接收时隙长度的设计。n的计算方法为：

式中，Δt为卫星延迟发送数据和提前接收数据的时长；

T_slot为地面数据链时隙长度；

为向上取整。

卫星发送和接收时隙长度T_satellite的计算方法为：

T_satellite＝n*T_slot。

实施例

设卫星轨道高度500km，卫星半波束宽度57.5°，设置数据链类型为Link16，Link16数据链系统支持最远视距通信距离300mile(555.6km)，时隙长度为7.8125ms。基于星地数据链传播时延补偿的时隙设计方法设计过程如下：

计算出星地最远通信距离：

因为d_max-h＝1045-500≤555.6km，支持星地之间距离500-1045km范围内的Link16数据链通信。

计算卫星节点提前发送、滞后接收的时间：

Δt＝500km/c＝1.67ms

卫星收发时隙长度为：

T_satellite＝n*T_slot＝15.625ms

因此卫星收发时隙设置为双时隙结构。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种星地数据链传播时延补偿的时隙设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、根据任务需求确定星地之间数据传输的数据链类型，获得该数据链的最远通信距离L、数据链的时隙长度T_slot；根据任务需求确定卫星轨道高度h和卫星天线半波束宽度θ；计算地心角度α；计算星地之间理论最远通信距离d_max；

步骤二、根据数据链的最远通信距离L、星地之间理论最远通信距离d_max和卫星轨道高度h，确定星地数据链的通信范围；

步骤三、设定卫星延迟Δt时长发送数据、提前Δt时长接收数据，计算Δt；

步骤四、设定卫星发送和接收时隙长度T_satellite为地面数据链时隙长度T_slot的n倍；计算n；计算卫星发送和接收时隙长度T_satellite，完成对卫星发送和接收时隙长度的设计。

2.根据权利要求1所述的一种星地数据链传播时延补偿的时隙设计方法，其特征在于：所述步骤一中，地心角度α的计算方法为：

式中，h为卫星轨道高度；

Re为地球半径；

θ为卫星天线半波束宽度。

3.根据权利要求2所述的一种星地数据链传播时延补偿的时隙设计方法，其特征在于：所述步骤一中，星地之间最远通信距离d_max的计算方法为：

式中，h为卫星轨道高度，即星地之间最近通信距离；

Re为地球半径；

α为地心角度。

4.根据权利要求3所述的一种星地数据链传播时延补偿的时隙设计方法，其特征在于：所述步骤二中，星地数据链的通信范围的确定方法为：

当(d_max-h)≤L时，星地数据链的通信范围为：以卫星为顶点，h为轴线，d_max为母线形成的锥体所覆盖地球表面的区域；

当(d_max-h)＞L时，星地数据链的通信范围为：以卫星为顶点，h为轴线，h+L为母线形成的锥体所覆盖地球表面的区域。

5.根据权利要求4所述的一种星地数据链传播时延补偿的时隙设计方法，其特征在于：所述步骤三中，Δt的计算方法为：

Δt＝h/c

式中，h为卫星轨道高度；

c为光速。

6.根据权利要求5所述的一种星地数据链传播时延补偿的时隙设计方法，其特征在于：所述步骤四中，n的计算方法为：

式中，Δt为卫星延迟发送数据和提前接收数据的时长；

T_slot为地面数据链时隙长度；

为向上取整。

7.根据权利要求6所述的一种星地数据链传播时延补偿的时隙设计方法，其特征在于：所述步骤四中，卫星发送和接收时隙长度T_satellite的计算方法为：

T_satellite＝n*T_slot。

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