CN111884702B - 一种低轨卫星通信信令装置的设计方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低轨卫星通信信令装置的设计方法、装置及系统。低轨卫星通信信令装设置于卫星端，包括：发射天线开关阵列、发射天线、接收天线、接收天线开关阵列和天线控制器；发射天线与接收天线被设置为多波束天线；发射天线开关阵列用于选择发射天线覆盖的服务区范围；发射天线用于向用户端发射第一信令；接收天线用于接收用户端发射的第二信令；接收天线开关阵列用于选择接收天线覆盖的服务区范围；开关控制器用于控制发射天线开关和接收天线开关的通断，可实现卫星多重覆盖兼容共用，可规避地面少数窄带同频地面站，避免业务空洞，可实现软切换。

Description

一种低轨卫星通信信令装置的设计方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域。更具体地，涉及一种低轨卫星通信信令装置的设计方法、装置及系统。

背景技术

在低轨宽带卫星通信系统中，存在有几个难题。对于采用固定波束通信的系统，业务数据和信令数据都在固定波束中传输，每颗卫星采用相同的频率和波束数量，当卫星的覆盖重数超过2重时，会产生系统内的有害干扰，因此当干扰超过阈值时，需要选择一部分卫星或波束进行关闭，进而降低了系统的实际使用卫星数，降低了利用率；对于采用跳波束通信的系统，跳波束不是实时覆盖用户，采用跳波束做信令接入无法满足实时性要求，且利用率很低，额外配置低速固定波束作为信令接入通道能够提高系统的接入实时性和利用率，但信令波束仍然存在上述固定波束存在的问题。跳波束通信系统中，信令波束设计为不承载业务的模式，仅承担控制信息传输，因而给信令波束分配的资源偏低，导致信令波束的容量不足，最终导致系统的容量受到限制。当系统使用的频率与某些地面站无线电台数量较少的业务重频时，需要进行规避，传统一种频率设计的方式必须要在特定区域关闭波束，业务波束也就无法使用，进而导致业务空洞，造成业务服务区不连续。采用一种信令波束的情况下，还不能满足软切换(同时接收两颗卫星的信令信号)的要求，因为当需要切换卫星时，用户数量多，必然会有先后顺序，新的信关站需要通过卫星广播用户切换后的配置等信息，软切换要求原信令波束继续维持，与新的卫星信令波束同覆盖区、同频冲突。

发明内容

为解决背景技术中所提出的技术问题中的至少一个，本发明提供了一种低轨卫星通信信令装置的设计方法、装置及系统。

本发明第一方面提供一种低轨卫星通信信令装置的设计方法包括：

S1、设计覆盖地面的信令波束数量，其中信令发射的数量为Nt个，每个带宽为Bt，信令接收的数量为Nr个，每个带宽为Br，信令接收频率复用次数为Ntru，信令发射频率复用次数为Nrru，低轨卫星星座系统中的的低轨卫星之间覆盖重数为Nc，发射频段为Nt*Nc/Ntru个，接收频段为Nr*Nc/Ntru个；

S2、设计多波束发射天线和接收天线，其中发射天线能够产生Nt*Nc个波束，接收天线能够产生Nr*Nc个波束；

S3、设计变频单元的变频通道，其中第一变频单元输出频段数为Nt*Nc，第二变频单元输入频段数为Nr*Nc；

S4、设计发射天线开关阵列和接收天线开关阵列，发射天线开关阵列和接收天线开关阵列的开关均被配置为通断开关，其中发射天线开关阵列开关个数为Nt*Nc，接收天线开关阵列开关个数为Nr*Nc，发射天线开关阵列中任一开关的一端连接第一变频单元的一个变频通道，另一端连接发射天线；接收天线开关阵列中任一开关的一端连接第二变频单元的一个变频通道，另一端连接接收天线；

S5、定义以下内容：

Nt个发射波束、Nt个第一变频单元的变频通道、Nt个发射天线开关阵列开关和Nt*Bt个馈电频段组成1组信令发射硬件；

Nr个接收波束、Nr个第二变频单元的变频通道、Nr个接收天线开关阵列开关和Nr*Br个馈电频段组成1组信令接收硬件；

1组信令发射硬件和1组信令接收硬件全部之和为1组信令硬件资源；

S6、当低轨卫星星座系统内的低轨卫星均正常工作情况时，低轨卫星星座中的所有卫星均采用相同的1组硬件资源；

S7、当低轨卫星星座系统内低轨卫星的星间距离小于阈值时，部分卫星通过开关控制器关闭第1组信令硬件资源，开启其他组信令硬件资源，其余部分卫星不做变动；

在低轨卫星星座系统内的低轨卫星经过需要规避的地面信关站位置及频段时，通过开关控制器，控制开关关闭对应频段的波束，启用其他频段的通道弥补相应波束。

可选地，所述S3中的第一变频单元输出频段数和第二变频单元输入频段数均通过独立的物理接口输出。

可选地，上述低轨卫星通信信令装置的设计方法还包括：

当采用透明转发通信模式时，馈电天线被配置为需要的接收的总带宽为Nt*Nc*Bt，发射总带宽为Nr*Nc*Br，以及馈电天线需要产生两个波束

本发明第二方面提供一种由上述低轨卫星通信信令装置的设计方法设计的低轨卫星通信信令装置，其特征在于，该装置设置于卫星端，

发射天线开关阵列、发射天线、接收天线、接收天线开关阵列和天线控制器；

其中，所述发射天线与所述接收天线被设置为多波束天线；

所述发射天线开关阵列用于选择所述发射天线覆盖的服务区范围；

所述发射天线用于向用户端发射第一信令；

所述接收天线用于接收用户端发射的第二信令；

所述接收天线开关阵列用于选择所述接收天线覆盖的服务区范围；

所述开关控制器用于控制所述发射天线开关和所述接收天线开关的通断。

可选地，上述信令装置还包括：

馈电天线单元；

所述馈电天线单元被配置为收发共用天线；

所述馈电天线用于接收地面信关站发送的信令，并生成所述第一信令；

所述馈电天线还用于将所述第二信令转发至地面信关站。

可选地，上述信令装置还包括：

第一变频单元和第二变频单元：

其中，所述第一变频单元用于对所述第一信令进行变频处理；

所述第二变频单元用于对所述第二信令进行变频处理。

可选地，

所述第一变频单元包括：第一分路器、第一变频通道组和第二分路器；

所述第二变频单元包括：第一合路器组、第二变频通道组和第二合路器；

其中，所述第一分路器用于将所述第一信令分成多路输出至所述第一变频通道组进行变频处理；所述第二分路器用于将经变频处理后的第一信令分成多路输出至所述发射天线开关阵列；

所述第一合路器组用于将所述第二信令整合成一路输出至所述第二变频通道组进行变频处理；所述第二合路器用于将经过变频处理后的第二信令整合成一路输出至所述馈电天线单元；

所述第一合路器组包括多个合路器。

可选地，

所述馈电天线单元包括：

第一馈电天线开关阵列、第一放大器、第二馈电天线阵列、第二放大器和馈电天线；

所述馈电天线用于生成第一信令；

所述第一放大器用于将所述生成的第一信令进行信号放大处理

所述第一馈电天线开关阵列用于将所述信号放大处理后的第一信令输入至所述第一变频单元；

所述第二馈电天线开关阵列用于接收所述第二信令输入；

所述第二放大器用于将所述第二馈电天线开关阵列接收的第二信令进行信号放大处理；

所述馈电天线还用于接收所述经信号放大处理后的第一信令。

可选地，所述第一放大器为功率放大器；所述第二放大器为低噪放大器。

本发明的第三个方面提供一种低轨卫星通信信令系统，包括：

卫星端和地面信关站；

其中，所述卫星端包括如上述低轨卫星通信信令装置；

所述地面信关站，用于通过信令装置将第一信令转发至用户端。

本发明的有益效果如下：

本发明提供的一种低轨卫星通信信令装置的设计方法、装置及系统可实现卫星多重覆盖兼容共用，提升系统使用效率，可规避地面少数窄带同频地面站，避免业务空洞，可实现软切换，并支持数据采集等超低速、超多用户数的业务，大幅度提升系统效率，保障大规模用户在切换卫星时不掉线。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本发明实施例提供的低轨卫星通信信令装置的设计方法流程图；

图2示出本发明实施例提供的低轨卫星两重和三重覆盖信令硬件资源分配示意图；

图3示出本发明实施例提供的低轨卫星通信信令装置的结构框图；

图4示出本发明实施例提供的馈电天线结构框图；

图5示出本发明实施例提供的第一变频单元结构框图；

图6示出本发明实施例提供的第二变频单元结构框图，以及；

图7示出本发明实施例提供的低轨卫星通信信令系统结构框图。

具体实施方式

为使本发明的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明一个实施例提供一种如图1所示的低轨卫星通信信令装置的设计方法，包括：

S1、设计覆盖地面的信令波束数量，其中信令发射的数量为Nt个，每个带宽为Bt，信令接收的数量为Nr个，每个带宽为Br，信令接收频率复用次数为Ntru，信令发射频率复用次数为Nrru，低轨卫星星座系统中的的低轨卫星之间覆盖重数为Nc，发射频段为Nt*Nc/Ntru个，接收频段为Nr*Nc/Ntru个；

S2、设计多波束发射天线和接收天线，其中发射天线能够产生Nt*Nc个波束，接收天线能够产生Nr*Nc个波束；

S3、设计变频单元的变频通道，其中第一变频单元输出频段数为Nt*Nc，第二变频单元输入频段数为Nr*Nc；

具体地，所述第一变频单元输出频段数和第二变频单元输入频段数均通过独立的物理接口输出。

S4、设计发射天线开关阵列和接收天线开关阵列，发射天线开关阵列和接收天线开关阵列的开关均被配置为通断开关，其中发射天线开关阵列开关个数为Nt*Nc，接收天线开关阵列开关个数为Nr*Nc，发射天线开关阵列中任一开关的一端连接第一变频单元的一个变频通道，另一端连接发射天线；接收天线开关阵列中任一开关的一端连接第二变频单元的一个变频通道，另一端连接接收天线；

S5、定义以下内容：

Nt个发射波束、Nt个第一变频单元的变频通道、Nt个发射天线开关阵列开关和Nt*Bt个馈电频段组成1组信令发射硬件；

Nr个接收波束、Nr个第二变频单元的变频通道、Nr个接收天线开关阵列开关和Nr*Br个馈电频段组成1组信令接收硬件；

1组信令发射硬件和1组信令接收硬件全部之和为1组信令硬件资源；

S6、当低轨卫星星座系统内的低轨卫星均正常工作情况时，低轨卫星星座中的所有卫星均采用相同的1组硬件资源；

S7、当低轨卫星星座系统内低轨卫星的星间距离小于阈值时，部分卫星通过开关控制器关闭第1组信令硬件资源，开启其他组信令硬件资源，其余部分卫星不做变动；

在低轨卫星星座系统内的低轨卫星经过需要规避的地面信关站位置及频段时，通过开关控制器，控制开关关闭对应频段的波束，启用其他频段的通道弥补相应波束。

在需要软切换时，1颗卫星的馈电波束同时与地面2个信关站接通，2个信关站分别采用一组信令硬件资源，进而可以实现同一颗卫星的覆盖区两组信令波束同时存在，地面每个终端依次切换到新的信关站上，通过新的硬件资源开展控制，而还未轮到切换的终端仍然可以使用原频段。卫星需要同时接通2组信令发射和接收硬件。

需要注意的是，如果采用星上处理通信模式，则无需针对馈电侧天线进行特殊设计；如果采用透明转发通信模式，则需要对馈电天线单元侧天线进行特殊设计，其中，馈电天线需要的接收总带宽为Nt*Nc*Bt，发射总带宽为Nr*Nc*Br；馈电天线需要产生2个波束(可用2副反射面天线实现，也可用1副相控阵天线产生两个指向不同的波束)，平时仅采用1个波束，在需要软切换时，两个波束同时使用，其射频带宽相同，通过分合路器与变频通道连接。

本发明的一个具体实施中，以4个信令发射波束，每个波束2MHz带宽为例，16个信令接收波束，每个波束2MHz带宽，3重覆盖为例。

用户端信令发射规划总带宽为24MHz，用户端信令接收总带宽为24MHz，馈电侧接收总带宽为24MHz，发射总带宽为72MHz。

信令发射需要开关数量12个，信令接收需要开关数量48个，第一变频单元变频通道输出12个频段，第二变频单元变频通道输入48个频段。

每个信令发射天线实现4波束共面，则需要3个天线，信令接收天线实现8波束共面，则需要6个天线。

则指定，1个信令发射天线、1.5个信令接收天线、4个前向变频通道、16个反向变频通道、4个前向信令开关和16个反向信令开关为1组硬件资源。

如图2所示到的低轨卫星两重和三重覆盖信令硬件资源分配示意图，假定北京地区不能使用信令发射频段1，上海地区不能使用信令发射频段5，香港地区不能使用信令发射频段10，则卫星在北京上空时，应当使用第2组或第3组信令硬件资源，在上海地区使用第1组或第3组信令硬件资源，在香港地区应当使用第1或第2组信令硬件资源。由于每个通道可独立开关，因此北京地区也可使用第1组信令资源中的3个发射波束，用其他组中的1个频点来弥补。

当卫星处在低纬度地区时，覆盖重数假设仅1重，则卫星可以使用3组硬件资源中的任意一种，当卫星运动到高纬度地区时，覆盖重数增加，当达到2重覆盖时，按照矩形规律，相邻的卫星采用不同的硬件资源，当达到3重覆盖时，按照蜂窝规律，相邻的卫星采用不同的硬件资源。

当需要软切换时，2个馈电波束分别与地面2个信关站接通。假设卫星采用的第1组信令硬件资源，卫星下的用户依次从原信关站向新信关站切换，每切换一个用户，新信关站通过第二组信令硬件资源收发新的控制信息，直到把全部用户从原信关站转移到新的信关站，卫星馈电原波束断开，仅保留第二个波束。

如图3所示，本发明另一个实施例提供一种由上述低轨卫星通信信令装置的设计方法设计的低轨卫星通信信令装置，包括：发射天线开关阵列、发射天线、接收天线、接收天线开关阵列和天线控制器；

其中，所述发射天线与所述接收天线被设置为多波束天线；

所述发射天线开关阵列用于选择所述发射天线覆盖的服务区范围；

所述发射天线用于向用户端发射第一信令；

所述接收天线用于接收用户端发射的第二信令；

所述接收天线开关阵列用于选择所述接收天线覆盖的服务区范围；

所述服务区范围为发射天线或接收天线在工作时所产生的波束范围。

所述开关控制器用于控制所述发射天线开关和所述接收天线开关的通断。

具体的，上述信令系统还包括如图4所示的馈电天线单元；

所述馈电天线单元被配置为收发共用天线；

所述馈电天线用于接收地面信关站发送的信令，并生成所述第一信令；

所述馈电天线还用于将所述第二信令转发至地面信关站；

具体地，所述馈电天线单元包括：

第一馈电天线开关阵列、第一放大器、第二馈电天线阵列、第二放大器和馈电天线；

所述馈电天线用于生成第一信令；

所述第一放大器用于将所述生成的第一信令进行信号放大处理

所述第一馈电天线开关阵列用于将所述信号放大处理后的第一信令输入至所述第一变频单元；

所述第二馈电天线开关阵列用于接收所述第二信令输入；

所述第二放大器用于将所述第二馈电天线开关阵列接收的第二信令进行信号放大处理；

所述馈电天线还用于接收所述经信号放大处理后的第一信令。

本发明的一个实施例中公开了如图5和图6所示的第一变频单元和第二变频单元：

其中，所述第一变频单元用于对所述第一信令进行变频处理；

所述第二变频单元用于对所述第二信令进行变频处理；

具体地，

所述第一变频单元包括：第一分路器、第一变频通道组和第二分路器；

所述第二变频单元包括：第一合路器组、第二变频通道组和第二合路器；

其中，所述第一分路器用于将所述第一信令分成多路输出至所述第一变频通道组进行变频处理；所述第二分路器用于将经变频处理后的第一信令分成多路输出至所述发射天线开关阵列；

所述第一合路器组用于将所述第二信令整合成一路输出至所述第二变频通道组进行变频处理；所述第二合路器用于将经过变频处理后的第二信令整合成一路输出至所述馈电天线单元；

所述第一合路器组包括多个合路器；

具体地，所述第一放大器为功率放大器；所述第二放大器为低噪放大器；低噪声放大器(LNA)通常用于将小信号放大，关注的是噪声系数和增益(当然线性度等也重要)，主要用于接收链路的前端，作用是提高接收性能；而功率放大器(PA)是把信号放大到足够功率，在发射链路上靠后位置，作用主要针对效率，失真等。

如图7所示，本发明的另一个实施例提供一种低轨卫星通信信令系统，包括：

卫星端和地面信关站；

其中，所述卫星端包括如上述的低轨卫星通信信令装置；

所述地面信关站，用于通过信令装置将第一信令转发至用户端；

用户端通过所述信令装置将第二信令转发至所述地面信关站

该系统中，一方面，用户端生成的第二信令通过接收天线进入卫星端的低轨卫星通信信令中，经过变频处理后被馈电天线转发至地面信关站；另一方面，地面信关站生成的第一信令通过馈电天线进入卫星端的低轨卫星通信信令中，经过变频处理后被发射天线转发至用户端。

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 (10)

1.一种低轨卫星通信信令装置的设计方法，其特征在于，包括：

S1、设计覆盖地面的信令波束数量，其中信令发射的数量为Nt个，每个带宽为Bt，信令接收的数量为Nr个，每个带宽为Br，信令接收频率复用次数为Nrru，信令发射频率复用次数为Ntru，低轨卫星星座系统中的低轨卫星之间覆盖重数为Nc，发射频段为Nt*Nc/Ntru个，接收频段为Nr*Nc/Nrru个；

S2、设计多波束发射天线和接收天线，其中发射天线能够产生Nt*Nc个波束，接收天线能够产生Nr*Nc个波束；

S3、设计变频单元的变频通道，其中第一变频单元输出频段数为Nt*Nc，第二变频单元输入频段数为Nr*Nc；

S4、设计发射天线开关阵列和接收天线开关阵列，发射天线开关阵列和接收天线开关阵列的开关均被配置为通断开关，其中发射天线开关阵列开关个数为Nt*Nc，接收天线开关阵列开关个数为Nr*Nc，发射天线开关阵列中任一开关的一端连接第一变频单元的一个变频通道，另一端连接发射天线；接收天线开关阵列中任一开关的一端连接第二变频单元的一个变频通道，另一端连接接收天线；

S5、定义以下内容：

Nt个发射波束、Nt个第一变频单元的变频通道、Nt个发射天线开关阵列开关和Nt*Bt个馈电频段组成1组信令发射硬件；

Nr个接收波束、Nr个第二变频单元的变频通道、Nr个接收天线开关阵列开关和Nr*Br个馈电频段组成1组信令接收硬件；

1组信令发射硬件和1组信令接收硬件全部之和为1组信令硬件资源；

S6、当低轨卫星星座系统内的低轨卫星均正常工作情况时，低轨卫星星座中的所有卫星均采用相同的1组硬件资源；

S7、当低轨卫星星座系统内低轨卫星的星间距离小于阈值时，部分卫星通过开关控制器关闭第1组信令硬件资源，开启其他组信令硬件资源，其余部分卫星不做变动；

在低轨卫星星座系统内的低轨卫星经过需要规避的地面信关站位置及频段时，通过开关控制器，控制开关关闭对应频段的波束，启用其他频段的通道弥补相应波束。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3中的第一变频单元输出频段数和第二变频单元输入频段数均通过独立的物理接口输出。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

当采用透明转发通信模式时，馈电天线被配置为需要的接收的总带宽为Nt*Nc*Bt，发射总带宽为Nr*Nc*Br，以及馈电天线需要产生两个波束。

4.一种由权利要求1-3所述的低轨卫星通信信令装置的设计方法设计的低轨卫星通信信令装置，其特征在于，该装置设置于卫星端，该装置包括：

发射天线开关阵列、发射天线、接收天线、接收天线开关阵列和天线控制器；

其中，所述发射天线与所述接收天线被设置为多波束天线；

所述发射天线开关阵列用于选择所述发射天线覆盖的服务区范围；

所述发射天线用于向用户端发射第一信令；

所述接收天线用于接收用户端发射的第二信令；

所述接收天线开关阵列用于选择所述接收天线覆盖的服务区范围；

所述开关控制器用于控制所述发射天线开关和所述接收天线开关的通断。

5.根据权利要求4所述的信令装置，其特征在于，还包括：

馈电天线单元；

所述馈电天线单元被配置为收发共用天线；

所述馈电天线用于接收地面信关站发送的信令，并生成所述第一信令；

所述馈电天线还用于将所述第二信令转发至地面信关站。

6.根据权利要求5所述的信令装置，其特征在于，还包括：

第一变频单元和第二变频单元：

其中，所述第一变频单元用于对所述第一信令进行变频处理；

所述第二变频单元用于对所述第二信令进行变频处理。

7.根据权利要求6所述的信令装置，其特征在于，

所述第一变频单元包括：第一分路器、第一变频通道组和第二分路器；

所述第二变频单元包括：第一合路器组、第二变频通道组和第二合路器；

其中，所述第一分路器用于将所述第一信令分成多路输出至所述第一变频通道组进行变频处理；所述第二分路器用于将经变频处理后的第一信令分成多路输出至所述发射天线开关阵列；

所述第一合路器组用于将所述第二信令整合成一路输出至所述第二变频通道组进行变频处理；所述第二合路器用于将经过变频处理后的第二信令整合成一路输出至所述馈电天线单元；

所述第一合路器组包括多个合路器。

8.根据权利要求7所述的信令装置，其特征在于，

所述馈电天线单元包括：

第一馈电天线开关阵列、第一放大器、第二馈电天线阵列、第二放大器和馈电天线；

所述馈电天线用于生成第一信令；

所述第一放大器用于将所述生成的第一信令进行信号放大处理

所述第一馈电天线开关阵列用于将所述信号放大处理后的第一信令输入至所述第一变频单元；

所述第二馈电天线开关阵列用于接收所述第二信令输入；

所述第二放大器用于将所述第二馈电天线开关阵列接收的第二信令进行信号放大处理；

所述馈电天线还用于接收所述经信号放大处理后的第一信令。

9.根据权利要求8所述的信令装置，其特征在于，所述第一放大器为功率放大器；所述第二放大器为低噪放大器。

10.一种低轨卫星通信信令系统，其特征在于，包括：

卫星端和地面信关站；

其中，所述卫星端包括如权利要求1-5中任一项所述的低轨卫星通信信令装置；

所述地面信关站，用于通过信令装置将第一信令转发至用户端；

用户端通过所述信令装置将第二信令转发至所述地面信关站。

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