CN111917455B - 一种基于星载相控阵天线的信关站跟踪方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的一个实施例公开一种基于星载相控阵天线的信关站跟踪方法和装置，包括：卫星根据当前信关站的地理位置和轨道参数计算波束指向角度；相控阵天线产生一路馈电波束，通过电扫描持续跟踪当前信关站，建立通信链路；在当前信关站和下一个信关站可见范围交叠区，卫星根据下一个信关站的地理位置和轨道参数计算波束指向角度；相控阵天线同时产生第一路馈电波束和第二路馈电波束，第一路馈电波束保持与当前信关站通信，第二路馈电波束请求与下一个信关站建立通信；卫星判断第二路馈电波束与下一个信关站建立通信链路后，相控阵天线关闭第一路馈电波束；相控阵天线通过电扫描控制第二路馈电波束持续跟踪下一个信关站，直到进行下一次信关站切换。

Description

一种基于星载相控阵天线的信关站跟踪方法和装置
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域。更具体地，涉及一种基于星载相控阵天线的信关站跟踪方法、装置、计算机设备和计算机可读存储介质。
背景技术
在低轨宽带卫星通信系统中，卫星通过馈电波束与地面信关站建立通信链路(称为馈线链路)。由于低轨卫星快速移动，地面需要布置多个信关站来实现卫星与信关站通信链路的接力。当卫星从当前信关站可见范围(通信覆盖范围)移动至下一个信关站可见范围时，需要进行馈电波束切换，目前低轨卫星跟踪信关站往往采用“硬切换”方式，“硬切换”即卫星先断开与当前信关站的通信链路，再建立与下一个信关站的通信链路，通信链路出现短暂的中断。
上述“硬切换”方式需要在卫星上配置两幅机械扫描式天线和波束切换开关，往往存在以下不足：天线体积、重量较大；对卫星姿态控制精度、天线安装精度要求高；对波束切换开关切换时间精度要求高；对伺服转动机构寿命要求高；链路会短暂中断，通信协议需在中断时间及其前后包含时间间隔内停止发送数据，降低了通信效率。
为实现通信业务全球覆盖，低轨宽带通信星座系统的卫星数量从几百颗到几万颗。为适应单星轻型化、一箭多星发射等低成本建设需求，未来的低轨通信卫星向着体积小、重量轻的方向发展。减少卫星上天线的数量、伺服机构的使用、降低对卫星姿态控制精度要求，均有利于降低卫星重量、体积、成本等关键指标。
随着微电子技术和数字信号处理技术的发展，相控阵天线的重量、体积、成本将日益降低，由于其对卫星姿态控制精度要求较低，不需要伺服机构即可实现波束扫描等优势，有望广泛应用于低轨通信卫星。
发明内容
为解决上述问题中的至少一个，本发明第一方面提供一种基于星载相控阵天线的信关站跟踪方法，该方法包括：
卫星根据当前信关站的地理位置，结合轨道参数实时计算波束指向角度；
星载相控阵天线产生一路馈电波束，并通过电扫描持续跟踪所述当前信关站，建立通信链路；
在所述当前信关站和下一个信关站可见范围交叠区，所述卫星根据所述下一个信关站的地理位置，结合轨道参数实时计算波束指向角度；
所述星载相控阵天线同时产生两路馈电波束，分别为第一路馈电波束和第二路馈电波束，其中第一路馈电波束保持与当前信关站通信，第二路馈电波束请求与所述下一个信关站建立通信链路；
所述卫星判断所述第二路馈电波束与所述下一个信关站建立通信链路后，所述星载相控阵天线关闭第一路馈电波束；
所述星载相控阵天线通过电扫描控制第二路馈电波束持续跟踪下一个信关站，直到进行下一次信关站切换。
在一个具体实施例中，所述星载相控阵天线产生的馈电波束是由射频通道通过两路选通开关分别连接两路波束生成器生成，根据开关控制产生一路馈电波束，或者同时产生两路馈电波束。
在一个具体实施例中，所述下一次信关站切换与所述当前信关站和所述下一个信关站的切换方法相同。
本发明第二方面提供一种基于星载相控阵天线的信关站跟踪装置，该装置包括：
第一计算模块，卫星根据当前信关站的地理位置，结合轨道参数用于实时计算波束指向角度；
第一跟踪模块，星载相控阵天线产生一路馈电波束，并通过电扫描持续跟踪所述当前信关站，建立通信链路；
第二计算模块，在所述当前信关站和下一个信关站可见范围交叠区，所述卫星根据所述下一个信关站的地理位置，结合轨道参数实时计算波束指向角度；
通信模块，所述星载相控阵天线同时产生两路馈电波束，分别为第一路馈电波束和第二路馈电波束，其中第一路馈电波束保持与当前信关站通信，第二路馈电波束请求与所述下一个信关站建立通信链路；
判断模块，所述卫星判断所述第二路馈电波束与所述下一个信关站建立通信链路后，所述星载相控阵天线关闭第一路馈电波束；
第二跟踪模块，所述星载相控阵天线通过电扫描控制第二路馈电波束持续跟踪下一个信关站，直到进行下一次信关站切换。
在一个具体实施例中，所述星载相控阵天线产生的馈电波束是由射频通道通过两路选通开关分别连接两路波束生成器生成，根据开关控制产生一路馈电波束，或者同时产生两路馈电波束。
在一个具体实施例中，所述下一次信关站切换与所述当前信关站和所述下一个信关站的切换方法相同。
本发明第三方面提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并能在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面提供的方法。
本发明第四方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本发明第一方面提供的方法。
本发明的有益效果如下：
本发明的一种低轨卫星对地面信关站连续跟踪方法，能够有效减少卫星天线数量配置，并降低对卫星姿态控制精度的依赖、减少星上伺服机构的使用，为低轨通信卫星小型轻量化设计提供一种解决途径；能够实现卫星对地面信关站的连续跟踪，保证通信链路不中断。
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示出本发明的一个实施例的基于星载相控阵天线的信关站跟踪方法的系统架构示意图。
图2示出本发明的一个实施例的基于星载相控阵天线的信关站跟踪方法的流程图。
图3示出本发明的一个实施例的实现基于星载相控阵天线的信关站跟踪方法的示意图。
图4示出本发明的一个实施例的相控阵天线的波束生成原理的示意图。
图5示出本发明的一个实施例的基于星载相控阵天线的信关站跟踪装置的示意图。
图6示出本发明的一个实施例的实施本发明的跟踪方法的计算机设备的结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
图1示出了可以应用本发明的基于星载相控阵天线的信关站跟踪方法的实施例的示例性系统架构。
如图1所示，系统架构可以包括信关站G1、信关站G2、卫星S和用户端C。卫星S配置一副相控阵天线，产生馈电波束与信关站G1或信关站G2建立通信链路，跟踪信关站G1或信关站G2的可见范围并转发给用户端C。
需要说明的是，用户端C可以是具有显示屏的各种电子设备，包括但不限于智能手机、平板电脑和台式计算机等。一个低轨卫星通信系统对应于多个用户端C，本发明并不对用户端C的个数进行限定。
实施例一
如图2所示，本发明的一个实施例提供了一种基于星载相控阵天线的信关站跟踪方法，在一个示例中，如图3所示，包括：
地面信关站分别为信关站G1和信关站G2，沿卫星S飞行轨迹方向，信关站G1可见范围为弧段AC，信关站G2可见范围为弧段BD，其弧段BC为中两信关站可见范围的交叠区。
S100、卫星根据当前信关站的地理位置，结合轨道参数实时计算波束指向角度。
在一个具体示例中，在信关站G1可见范围的AB弧段，卫星根据信关站G1的地理位置计算波束指向角度。
卫星S配置一副相控阵天线，产生馈电波束与地面信关站建立通信链路。相控阵天线的波束生成原理如图4所示，射频通道通过两路选通开关S1、S2分别连接两路波束生成器，分别为波束形成1和波束形成2，根据开关控制产生单独一路馈电波束，或者同时产生两路馈电波束，在图3中馈电波束用beam1和beam2表示。
S102、星载相控阵天线产生一路馈电波束，并通过电扫描持续跟踪所述当前信关站，建立通信链路。
在一个具体示例中，相控阵天线通过控制开关S1通、S2断，产生馈电波束beam1，通过电扫描持续跟踪信关站G1，建立通信链路。
S104、在所述当前信关站和下一个信关站可见范围交叠区，所述卫星根据所述下一个信关站的地理位置，结合轨道参数实时计算波束指向角度。
在一个具体示例中，在信关站G1和信关站G2可见范围交叠的BC弧段，卫星根据信关站G2的地理位置计算波束指向角度。
S106、所述星载相控阵天线同时产生两路馈电波束，分别为第一路馈电波束和第二路馈电波束，其中第一路馈电波束保持与当前信关站通信，第二路馈电波束请求与所述下一个信关站建立通信链路。
在一个具体示例中，相控阵天线通过控制开关S1和S2通，同时产生馈电波束beam1和beam2。其中馈电波束beam1仍保持与信关站G1通信，馈电波束beam2指向信关站G2，与其建立通信链路。
S108、所述卫星判断所述第二路馈电波束与所述下一个信关站建立通信链路后，所述星载相控阵天线关闭第一路馈电波束。
在一个具体示例中，在信关站G1和信关站G2可见范围交叠的BC弧段，卫星S判断馈电波束beam2与信关站G2建立通信连接后，相控阵天线通过控制开关S1断、S2通，仅产生馈电波束beam2，卫星与信关站G1的通信链路断开。
S110、所述星载相控阵天线通过电扫描控制第二路馈电波束持续跟踪下一个信关站，直到进行下一次信关站切换。
在一个具体示例中，在信关站G2可见范围的CD弧段，相控阵天线通过电扫描控制馈电波束beam2持续跟踪信关站G2，直到进行下一次信关站切换。
所述下一次信关站切换与所述当前信关站和所述下一个信关站的切换方法相同。
在一个具体示例中，当有一个信关站G3，G3可见范围为EF(图3中未示出G3、EF)，G3与信关站G2可见范围交叠为DE段。在信关站G2可见范围的CD弧段，卫星根据信关站G2的地理位置计算波束指向角度；相控阵天线通过控制开关S1通、S2断，产生馈电波束beam1，通过电扫描持续跟踪信关站G2，建立通信链路。在两信关站可见范围交叠的DE弧段，卫星根据信关站G3的地理位置计算波束指向角度；相控阵天线通过控制开关S1和S1通，同时产生馈电波束beam1和beam2。其中馈电波束beam1仍保持与信关站G2通信，馈电波束beam2指向信关站G3，与其建立通信链路。在两信关站可见范围交叠的DE弧段，馈电波束beam2与信关站G3建立通信连接后，相控阵天线通过控制开关S1断、S2通，仅产生馈电波束beam2，卫星与信关站G2的通信链路断开。在信关站G3可见范围的EF弧段，相控阵天线通过电扫描控制馈电波束beam2持续跟踪信关站G3，直到进行下一次信关站切换。以此类推，建立低轨卫星跟踪信关站的不间断通信链路。
本发明针对目前现有的问题，提供一种基于星载相控阵天线的信关站跟踪方法，能够有效减少卫星天线数量配置，并降低对卫星姿态控制精度的依赖、减少星上伺服机构的使用，为低轨通信卫星小型轻量化设计提供一种解决途径；能够实现卫星对地面信关站的连续跟踪，保证通信链路不中断。
实施例二
如图5所示，作为对上述基于星载相控阵天线的信关站跟踪方法的实现，本发明的一个实施例提供一种基于星载相控阵天线的信关站跟踪装置，该装置实施例与图2所示的方法实施例相对应。
一种基于星载相控阵天线的信关站跟踪装置，包括：
第一计算模块，卫星根据当前信关站的地理位置，结合轨道参数用于实时计算波束指向角度。
第一跟踪模块，星载相控阵天线产生一路馈电波束，并通过电扫描持续跟踪所述当前信关站，建立通信链路。
第二计算模块，在所述当前信关站和下一个信关站可见范围交叠区，所述卫星根据所述下一个信关站的地理位置，结合轨道参数实时计算波束指向角度。
通信模块，所述星载相控阵天线同时产生两路馈电波束，分别为第一路馈电波束和第二路馈电波束，其中第一路馈电波束保持与当前信关站通信，第二路馈电波束请求与所述下一个信关站建立通信链路。
判断模块，所述卫星判断所述第二路馈电波束与所述下一个信关站建立通信链路后，所述星载相控阵天线关闭第一路馈电波束。
第二跟踪模块，所述星载相控阵天线通过电扫描控制第二路馈电波束持续跟踪下一个信关站，直到进行下一次信关站切换。
在一个具体实施例中，所述星载相控阵天线产生的馈电波束是由射频通道通过两路选通开关分别连接两路波束生成器生成，根据开关控制产生一路馈电波束，或者同时产生两路馈电波束。
在一个具体实施例中，所述下一次信关站切换与所述当前信关站和所述下一个信关站的切换方法相同。
本发明针对目前现有的问题，提供一种基于星载相控阵天线的信关站跟踪装置，能够有效减少卫星天线数量配置，并降低对卫星姿态控制精度的依赖、减少星上伺服机构的使用，为低轨通信卫星小型轻量化设计提供一种解决途径；能够实现卫星对地面信关站的连续跟踪，保证通信链路不中断。
实施例三
如图6所示，本发明的一个实施例提供了一种计算机设备的结构示意图，图6显示的计算机设备12仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图6所示，计算机设备12以通用计算设备的形式表现。计算机设备12的组件可以包括但不限于：一个或者多个处理器或者处理单元16，系统存储器28，连接不同系统组件(包括系统存储器28和处理单元16)的总线18。
总线18表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线或者存储器控制器，外围总线，图形加速端口，处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。举例来说，这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构(ISA)总线，微通道体系结构(MAC)总线，增强型ISA总线、视频电子标准协会(VESA)局域总线以及外围组件互连(PCI)总线。
计算机设备12典型地包括多种计算机系统可读介质。这些介质可以是任何能够被计算机设备12访问的可用介质，包括易失性和非易失性介质，可移动的和不可移动的介质。
系统存储器28可以包括易失性存储器形式的计算机系统可读介质，例如随机存取存储器(RAM)30和/或高速缓存存储器32。计算机设备12可以进一步包括其它可移动/不可移动的、易失性/非易失性计算机系统存储介质。仅作为举例，存储系统34可以用于读写不可移动的、非易失性磁介质(图6未显示，通常称为“硬盘驱动器”)。尽管图6中未示出，可以提供用于对可移动非易失性磁盘(例如“软盘”)读写的磁盘驱动器，以及对可移动非易失性光盘(例如CD-ROM，DVD-ROM或者其它光介质)读写的光盘驱动器。在这些情况下，每个驱动器可以通过一个或者多个数据介质接口与总线18相连。存储器28可以包括至少一个程序产品，该程序产品具有一组(例如至少一个)程序模块，这些程序模块被配置以执行本发明各实施例的功能。
具有一组(至少一个)程序模块42的程序/实用工具40，可以存储在例如存储器28中，这样的程序模块42包括但不限于操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模块42通常执行本发明所描述的实施例中的功能和/或方法。
计算机设备12也可以与一个或多个外部设备14(例如键盘、指向设备、显示器24等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该计算机设备12交互的设备通信，和/或与使得该计算机设备12能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口22进行。并且，计算机设备12还可以通过网络适配器20与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图6所示，网络适配器20通过总线18与计算机设备12的其它模块通信。应当明白，尽管图6中未示出，可以结合计算机设备12使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
处理器单元16通过运行存储在系统存储器28中的程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如实现本发明实施例一所提供的方法。
本发明针对目前现有的问题，提供一种计算机设备，能够有效减少卫星天线数量配置，并降低对卫星姿态控制精度的依赖、减少星上伺服机构的使用，为低轨通信卫星小型轻量化设计提供一种解决途径；能够实现卫星对地面信关站的连续跟踪，保证通信链路不中断。
实施例四
本发明的另一个实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例一所提供的方法。
在实际应用中，所述计算机可读存储介质可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本实施例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
本发明针对目前现有的问题，提供一种计算机可读存储介质，能够有效减少卫星天线数量配置，并降低对卫星姿态控制精度的依赖、减少星上伺服机构的使用，为低轨通信卫星小型轻量化设计提供一种解决途径；能够实现卫星对地面信关站的连续跟踪，保证通信链路不中断。
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 (8)

1.一种基于星载相控阵天线的信关站跟踪方法，其特征在于，该方法包括：
卫星根据当前信关站G1的地理位置，结合轨道参数实时计算波束指向角度；
星载相控阵天线在当前信关站G1可见范围AB弧段产生一路馈电波束，为第一路馈电波束，并通过电扫描持续跟踪所述当前信关站，建立通信链路；
在所述当前信关站G1和下一个信关站G2可见范围交叠区BC弧段，所述卫星根据所述下一个信关站G2的地理位置，结合轨道参数实时计算波束指向角度；
所述星载相控阵天线在所述当前信关站G1和下一个信关站G2可见范围交叠区BC弧段同时产生两路馈电波束，分别为第一路馈电波束和第二路馈电波束，其中第一路馈电波束保持与当前信关站G1通信，第二路馈电波束请求与所述下一个信关站G2建立通信链路；
所述卫星判断所述第二路馈电波束与所述下一个信关站G2建立通信链路后，所述星载相控阵天线关闭第一路馈电波束；
在信关站G2可见范围的CD弧段，所述星载相控阵天线通过电扫描控制第二路馈电波束持续跟踪下一个信关站G2，直到进行下一次信关站切换，其中，AB弧段、BC弧段与CD弧段为信关站可见范围的卫星飞行轨迹。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述星载相控阵天线产生的馈电波束是由射频通道通过两路选通开关分别连接两路波束生成器生成，根据开关控制产生一路馈电波束，或者同时产生两路馈电波束。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述下一次信关站切换与所述当前信关站和所述下一个信关站的切换方法相同。
4.一种基于星载相控阵天线的信关站跟踪装置，其特征在于，该装置包括：
第一计算模块，卫星根据当前信关站G1的地理位置，结合轨道参数用于实时计算波束指向角度；
第一跟踪模块，星载相控阵天线在当前信关站G1可见范围AB弧段产生一路馈电波束，为第一路馈电波束，并通过电扫描持续跟踪所述当前信关站，建立通信链路；
第二计算模块，在所述当前信关站G1和下一个信关站G2可见范围交叠区BC弧段，所述卫星根据所述下一个信关站G2的地理位置，结合轨道参数实时计算波束指向角度；
通信模块，所述星载相控阵天线在所述当前信关站G1和下一个信关站G2可见范围交叠区BC弧段同时产生两路馈电波束，分别为第一路馈电波束和第二路馈电波束，其中第一路馈电波束保持与当前信关站G1通信，第二路馈电波束请求与所述下一个信关站G2建立通信链路；
判断模块，所述卫星判断所述第二路馈电波束与所述下一个信关站G2建立通信链路后，所述星载相控阵天线关闭第一路馈电波束；
第二跟踪模块，在信关站G2可见范围的CD弧段，所述星载相控阵天线通过电扫描控制第二路馈电波束持续跟踪下一个信关站G2，直到进行下一次信关站切换，其中，AB弧段、BC弧段与CD弧段为信关站可见范围的卫星飞行轨迹。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述星载相控阵天线产生的馈电波束是由射频通道通过两路选通开关分别连接两路波束生成器生成，根据开关控制产生一路馈电波束，或者同时产生两路馈电波束。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述下一次信关站切换与所述当前信关站和所述下一个信关站的切换方法相同。
7.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并能在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-3中任一项所述的方法。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-3中任一项所述的方法。
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