CN112332898B - 一种基于宽带存储转发模式的卫星通信方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明一个实施例公开一种基于宽带存储转发模式的卫星通信方法和系统，包括：卫星通过信令波束向用户终端发送信令和星历；用户终端接收信令和星历，对星历的解算控制其波束指向、跟踪卫星和预报卫星轨道；用户终端通过卫星的信令波束发起接入请求，卫星进行用户鉴权和认证流程；卫星认证并确认用户终端为合法用户，用户终端将业务数据文件发送给卫星，卫星存储业务数据文件；卫星飞过用户终端上空时，卫星使用用户波束发起与用户终端间的上下行数据传输流程；卫星飞过信关站上空时，卫星与信关站通过馈线波束通信；信关站设置存储转发网关服务器，业务数据文件由卫星发送给网关服务器，网关服务器解析后进行本地处理或分发给互联网的目的节点。

Description

一种基于宽带存储转发模式的卫星通信方法和系统

技术领域

本发明涉及卫星通信领域。更具体地，涉及一种基于宽带存储转发模式的卫星通信方法和系统。

背景技术

近年来，国内外多家企业都提出了能提供数据服务、实现互联网传输功能的低轨卫星互联网星座系统，这类卫星通信星座系统包括以下特点：从星座规模看，是由成百上千颗卫星组成的巨型星座；从星座构成看，多是由运行在低地球轨道(LEO)的小卫星构成。

由于低轨卫星不像地球同步轨道卫星那样可相对于地面保持静止，因此，为了提供连续不断的卫星通信服务，运营商必须构建一个由多颗卫星构成的星座系统，通过对地面形成动态的卫星波束连续覆盖，为用户提供不间断的、随时可用的互联网接入服务。即使是固定不动的地面用户终端，由于天上低轨卫星的相对运动，终端也需要实现动态波束来保持对卫星的跟踪，并且通过切换卫星来实现连续实时通信。由于构成星座的卫星数量较多(通常需要成百上千甚至上万颗，具体与星座构型有关)，但这么多的卫星不可能一次性发射入轨，必须分批次进行卫星及运载火箭的制造、测试、发射，因此构建一个真正具备服务能力的、可商业运营的星座通信系统(可以是一个大系统中由少量卫星构成的最小系统)通常需要至少2到3年的时间(从第一次发射算起)，典型的计划如OneWeb、SpaceX的星座系统。

在星座尚未构建完成或至少需实现任何时间内均对地面服务区提供一重覆盖之前，运营商均无法开展正式的互联网业务服务，这意味着至少要2-3年有多颗卫星在轨运行却无法通过商业运营实现盈利，这将对卫星互联网运营商造成极大的财务负担。

发明内容

基于星上处理体制的卫星互联网星座系统，由于卫星具有数字信号处理能力，因此可通过加装一个非易失性大容量存储器，并增设一种宽带存储转发工作模式，即可实现宽带存储转发通信功能。基于透明转发体制的卫星互联网星座系统，也可以通过增加射频开关矩阵、数字基带、非易失性大容量存储器及新工作模式，其中，大容量存储器是指配置至少上1Gbit的大容量存储，实现宽带存储转发通信功能。卫星和地面用户终端均支持实时通信和宽带存储转发两种模式的自由切换。这样，即使只发射一颗卫星，也能够通过切换至宽带存储转发模式，实现全球任意点到点之间的非实时性数据通信功能，满足全球范围内物联网及工业互联网数据采集、科学考察数据回传、海上作业平台及偏远地区视频点播及多媒体邮件交互等通信需求，有效解决低轨卫星互联网运营商所面临的“发星与盈利”的矛盾问题。

本发明的一个目的在于提供一种基于宽带存储转发模式的卫星通信方法。

本发明的另一个目的在于提供一种基于宽带存储转发模式的卫星通信系统。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明第一方面提供一种基于宽带存储转发模式的卫星通信方法，该方法包括：

S10、卫星通过信令波束向用户终端广播发送信令和星历信息；

S20、所述用户终端接收所述信令和星历信息，通过对所述星历的解算控制其波束指向、跟踪所述卫星和预报所述卫星的轨道；

S30、所述用户终端通过所述卫星的信令波束发起接入请求，卫星进行用户鉴权和认证流程；

S40、当所述卫星认证并确认所述用户终端为合法用户后，用户终端将业务数据文件发送给所述卫星，所述卫星存储所述业务数据文件；

S50、在所述卫星飞过用户终端上空时，所述卫星使用用户波束发起与所述用户终端间的上下行数据传输流程；

S60、在所述卫星飞过信关站上空时，所述卫星与所述信关站通过馈线波束进行通信；在所述信关站处设置存储转发网关服务器，业务数据文件由所述卫星发送给所述网关服务器，所述网关服务器解析后进行本地处理或分发给互联网的目的节点。

在一个具体实施例中，所述卫星使用用户波束发起与所述用户终端间的上行数据传输流程S501包括：

S5010、所述卫星等待接收所述用户终端发送的业务数据文件；

S5012、所述卫星判断是否接收到所述业务数据文件的数据包，若接收到所述数据包，进行数据校验，确认数据包接收是否正确，若不正确，所述卫星回复所述用户终端请求重传数据包；

S5014、若确认数据包接收正确，检查星上非易失性存储器的存储空间是否够用，如果存储空间够用，将所述数据包进行解包处理，提取有效数据写入非易失性存储器中与所述用户终端对应的业务数据文件，并向所述用户终端回复确认包，等待所述用户终端继续发送下一包业务数据文件，直到存储空间不足时，所述卫星向所述用户终端回复空间不足，结束上行流程。

在一个具体实施例中，所述卫星使用用户波束发起与所述用户终端间的下行数据传输流程S502包括：

S5020、所述卫星逐一查询星上非易失性存储器中的业务数据文件，检查所述业务数据文件的目的地址与当前接入用户终端的目的地址是否一致，若不一致，则查询下一个业务数据文件；若一致，则将所述业务数据文件复制至所述卫星的基带缓存中进行分包处理，发送数据包给当前接入用户终端并等待接受确认消息；

S5022、在一个时间阈值内，若所述卫星收到了确认消息，继续发送下一包数据，直至把所述业务数据文件的所有数据包全部发送完成，所述卫星删除所述非易失性存储器中的业务数据文件；

S5024、在所述时间阈值内，若所述卫星未收到确认消息，重传所述数据包，直到重传次数大于重传预定门限，将所述基带缓存中的剩余业务数据文件替换所述业务数据文件，等待下一次卫星过顶时，将所述剩余业务数据文件进行断点续传，结束下行流程。

在一个具体实施例中，所述卫星和用户终端支持重传、断点续传、数据包排序功能，确保经一次或多次传输后，完整的业务数据文件被点对点可靠分发。

本发明第二方面提供一种宽带存储转发卫星通信系统，该系统包括：

卫星、用户终端、信关站和存储转发网关服务器，

其中，所述卫星用于通过信令波束向用户终端广播发送信令和星历；

所述用户终端用于通过对所述星历的解算控制其波束指向、跟踪所述卫星和预报所述卫星的轨道，并将业务数据文件发送至其过顶卫星；

所述信关站用于与所述过顶卫星进行数据交互，接收卫星存储的需要转发至互联网的业务数据文件，同时将来自互联网、需要中转至卫星的业务数据文件发给卫星；

所述网关服务器部署于所述信关站，用于接收卫星发送的业务数据文件，进行解析后进行本地处理或分发给互联网的目的节点，或根据某用户终端发来的请求从互联网获取所需要的业务数据，将该业务数据择机转发至卫星。

在一个具体实施例中，所述卫星包括：

配置大容量非易失性存储器的载荷主控单元、基带分系统和天线射频分系统，

其中，用户终端的业务数据文件经基带分系统解调后转发到载荷主控单元进行存储。

在一个具体实施例中，所述网关服务器设置在所述信关站处，实现卫星存储转发网络与互联网的互通。

本发明的有益效果如下：

本发明提供一种基于宽带存储转发模式的卫星通信方法和系统，解决了现有低轨宽带卫星互联网星座系统必须部署对地提供连续覆盖的完整星座才能开展业务运营的问题；可实现全球任意点到点之间的非实时性数据通信功能，通过实例给出了系统架构和主要工作流程，既可适用于低轨宽带卫星互联网系统，作为其正式运营前的一种过渡状态工作模式，又可以形成一种独立的卫星通信系统，通过至少1颗在轨卫星即可开展业务运营，同时支持卫星数量的动态扩展，随着卫星数量的增多，通信的时效性逐步提升，有效降低了系统运营对于星座规模及覆盖性的要求，提高系统综合使用效能。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出实施本发明的一个实施例的基于宽带存储转发模式的卫星通信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宽带存储转发模式的卫星通信方法的流程图。

图3示出实施本发明的一个实施例的多个用户终端向带有星载链路的卫星发起接入请求的示意图。

图4示出卫星使用用户波束发起与所述用户终端间的上下行数据传输流程图。

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宽带存储转发模式的卫星通信方法的一个实施例的系统架构1。

如图1所示，系统架构1可以包括卫星10、用户终端20、信关站30和网关服务器40。卫星10和用户终端20均支持实时通信和存储转发通信两种工作模式，卫星10可通过遥控指令进行工作模式的切换，用户终端20可通过人机界面方式进行工作模式的切换。在本发明中，卫星10和用户终端20均采用存储转发通信的工作模式。

其中，卫星10相对于地面通过卫星轨道进行移动，图中分别示出了同一颗卫星移动到不同的位置A、B、和C处。需要说明的是，卫星10可以是一颗卫星，也可以是多颗卫星，多颗卫星间也可以带有星间链路或者不带星间链路(图1中未示出)，本发明对此不作限定。

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宽带存储转发模式的卫星通信方法，在一个示例中，实现在图1的系统1中，包括以下步骤：

S10、卫星通过信令波束向用户终端广播发送信令和星历信息。

S20、所述用户终端接收所述信令和星历信息，通过对所述星历的解算控制其波束指向、跟踪所述卫星和预报所述卫星的轨道。

在一个具体示例中，初始星历信息可在首次安装调试时手动设置，也可直接通过互联网下载。

S30、所述用户终端通过所述卫星的信令波束发起接入请求，卫星进行用户鉴权和认证流程。

在一个具体示例中，如图3所示，为多个用户终端向带有星载链路的卫星发起接入请求的示意图。用户终端201和用户终端202向卫星10发起接入请求，卫星用户终端201和202在卫星10的覆盖范围内，卫星10进行用户鉴权和认证流程。

在一个具体示例中，新增的用户终端信息可在卫星飞过信关站时由地面运控中心上注至星上。

S40、当所述卫星认证并确认所述用户终端为合法用户后，用户终端将业务数据文件发送给所述卫星，所述卫星存储所述业务数据文件。

在一个具体示例中，如图3所示，当卫星10位于A位置处时，认证用户终端201和用户终端202为合法用户终端，用户终端201用户终端202通过高速用户波束分别向卫星10发送需求，比如用户终端201要将业务数据文件发送给用户终端203，该业务数据文件通过高速用户波束上行传输给卫星10并在卫星10上进行存储；比如用户终端202要在互联网中点播某电影，同时要把本地采集到的监测数据发送给位于互联网上的信息中心，因此点播请求和监测数据一并被上行传输给卫星10并在卫星10上进行存储。

S50、在所述卫星飞过用户终端上空时，所述卫星使用用户波束发起与所述用户终端间的上下行数据传输流程。

在一个具体实施例中，如图4所示，为卫星使用用户波束发起与所述用户终端间的上下行数据传输流程图。所述卫星使用用户波束发起与所述用户终端间的上行数据传输流程S501包括：

S5010、所述卫星等待接收所述用户终端发送的业务数据文件。

S5012、所述卫星判断是否接收到所述业务数据文件的数据包，若接收到所述数据包，进行数据校验，确认数据包接收是否正确，若不正确，所述卫星回复所述用户终端请求重传数据包。

S5014、若确认数据包接收正确，检查星上非易失性存储器的存储空间是否够用，如果存储空间够用，将所述数据包进行解包处理，提取有效数据写入非易失性存储器中与所述用户终端对应的业务数据文件，并向所述用户终端回复确认包，等待所述用户终端继续发送下一包业务数据文件，直到存储空间不足时，所述卫星向所述用户终端回复空间不足，结束上行流程。

在一个具体实施例中，所述卫星使用用户波束发起与所述用户终端间的下行数据传输流程S502包括：

S5020、所述卫星逐一查询星上非易失性存储器中的业务数据文件，检查所述业务数据文件的目的地址与当前接入用户终端的目的地址是否一致，若不一致，则查询下一个业务数据文件；若一致，则将所述业务数据文件复制至所述卫星的基带缓存中进行分包处理，发送数据包给当前接入用户终端并等待接受确认消息。

S5022、在一个时间阈值内，若所述卫星收到了确认消息，继续发送下一包数据，直至把所述业务数据文件的所有数据包全部发送完成，所述卫星删除所述非易失性存储器中的业务数据文件。

S5024、在所述时间阈值内，若所述卫星未收到确认消息，重传所述数据包，直到重传次数大于重传预定门限，将所述基带缓存中的剩余业务数据文件替换所述业务数据文件，等待下一次卫星过顶时，将所述剩余业务数据文件进行断点续传，结束下行流程。

在一个具体示例中，如图3所示，当卫星10位于B位置处时，用户终端203接入卫星10，卫星10通过查询非易失性存储器中的每一个业务数据文件的目的地址，逐一将目的地址为用户终端203的业务数据文件复制至基带的缓存区并以数据包为单位发送给用户终端203，同时等待接收确认信息，每收到一个数据包的确认信息，将缓存区和非易失性存储器中对应该数据包的业务数据文件进行彻底删除，如果在时间阈值范围内没有收到确认信息，则重传数据包，若重传次数超过门限值，卫星10可能已经飞出用户终端203可实现通信的范围或者出现其他异常情况，保持存储剩余未发送成功的业务数据文件，直到再一次遇到用户终端203后，进行断点续传，直到重传成功为止。

其中，需要说明的是，用户终端的需求可以是给另一个用户终端发送一个业务数据文件、点播某电影或某视频、把本地采集的检测数据发送给互联网上的信息中心等。

S60、在所述卫星飞过信关站上空时，所述卫星与所述信关站通过馈线波束进行通信；在所述信关站处设置存储转发网关服务器，业务数据文件由所述卫星发送给所述网关服务器，所述网关服务器解析后进行本地处理或分发给互联网的目的节点。

在一个具体示例中，如图3所示，当卫星飞到C位置处时，卫星与所述信关站通过馈线波束实现通信。由于信关站是一种特殊的网关节点，能实现卫星存储转发网络与地面互联网间的互通，则需要在信关站处设置存储转发网关服务器。卫星存储的业务数据文件可通过信关站中的网关服务器中转至互联网上的信息中心或其他目的地址，比如可以实现：把用户终端远程监测数据发向互联网中的信息中心，或是根据点播要求，通过网关服务器中转至互联网上的信息中心预先或实时在互联网上下载点播的音视频等数据，并将这些数据经卫星中转至目的用户终端。

在一个具体实施例中，所述卫星和用户终端支持重传、断点续传、数据包排序功能，确保经一次或多次传输后，完整的业务数据文件被点对点可靠分发。

本发明针对目前现有的问题，提供一种基于宽带存储转发模式的卫星通信方法，解决了现有低轨宽带卫星互联网星座系统必须部署对地提供连续覆盖的完整星座才能开展业务运营的问题；可实现全球任意点到点之间的非实时性数据通信功能，通过实例给出了系统架构和主要工作流程，既可适用于低轨宽带卫星互联网系统，作为其正式运营前的一种过渡状态工作模式，又可以形成一种独立的卫星通信系统，通过至少1颗在轨卫星即可开展业务运营，同时支持卫星数量的动态扩展，随着卫星数量的增多，通信的时效性逐步提升，有效降低了系统运营对于星座规模及覆盖性的要求，提高系统综合使用效能。

实施例二

一种宽带存储转发卫星通信系统，该系统包括：

卫星、用户终端、信关站和存储转发网关服务器，

其中，所述卫星用于通过信令波束向用户终端广播发送信令和星历；

所述用户终端用于通过对所述星历的解算控制其波束指向、跟踪所述卫星和预报所述卫星的轨道，并将业务数据文件发送至其过顶卫星；

所述信关站用于与所述过顶卫星进行数据交互，接收卫星存储的需要转发至互联网的业务数据文件，同时将来自互联网、需要中转至卫星的业务数据文件发给卫星；

所述网关服务器部署于所述信关站，用于接收卫星发送的业务数据文件，进行解析后进行本地处理或分发给互联网的目的节点，或根据某用户终端发来的请求从互联网获取所需要的业务数据，将该业务数据择机转发至卫星。

在一个具体实施例中，所述卫星包括：

配置大容量非易失性存储器的载荷主控单元、基带分系统和天线射频分系统，

其中，用户终端的业务数据文件经基带分系统解调后转发到载荷主控单元进行存储。

在一个具体实施例中，所述网关服务器设置在所述信关站处，实现卫星存储转发网络与互联网的互通。

本发明针对目前现有的问题，提供一种基于宽带存储转发模式的卫星通信系统，解决了现有低轨宽带卫星互联网星座系统必须部署对地提供连续覆盖的完整星座才能开展业务运营的问题；可实现全球任意点到点之间的非实时性数据通信功能，通过实例给出了系统架构和主要工作流程，既可适用于低轨宽带卫星互联网系统，作为其正式运营前的一种过渡状态工作模式，又可以形成一种独立的卫星通信系统，通过至少1颗在轨卫星即可开展业务运营，同时支持卫星数量的动态扩展，随着卫星数量的增多，通信的时效性逐步提升，有效降低了系统运营对于星座规模及覆盖性的要求，提高系统综合使用效能。

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 (7)

1.一种基于宽带存储转发模式的卫星通信方法，其特征在于，该方法包括：

S10、卫星通过信令波束向用户终端广播发送信令和星历信息；

S20、所述用户终端接收所述信令和星历信息，通过对所述星历的解算控制其波束指向、跟踪所述卫星和预报所述卫星的轨道；

S30、所述用户终端通过所述卫星的信令波束发起接入请求，卫星进行用户鉴权和认证流程；

S40、当所述卫星认证并确认所述用户终端为合法用户后，用户终端将业务数据文件发送给所述卫星，所述卫星存储所述业务数据文件；

S50、在所述卫星飞过另一用户终端上空时，所述卫星使用用户波束发起与所述另一用户终端间的上下行数据传输流程；

S60、在所述卫星飞过信关站上空时，所述卫星与所述信关站通过馈线波束进行通信；在所述信关站处设置存储转发网关服务器，业务数据文件由所述卫星发送给所述网关服务器，所述网关服务器解析后进行本地处理或分发给互联网的目的节点。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卫星使用用户波束发起与所述另一用户终端间的上行数据传输流程S501包括：

S5010、所述卫星等待接收当前接入用户终端发送的业务数据文件；

S5012、所述卫星判断是否接收到所述业务数据文件的数据包，若接收到所述数据包，进行数据校验，确认数据包接收是否正确，若不正确，所述卫星回复当前接入用户终端请求重传数据包；

S5014、若确认数据包接收正确，检查星上非易失性存储器的存储空间是否够用，如果存储空间够用，将所述数据包进行解包处理，提取有效数据写入非易失性存储器中与当前接入用户终端对应的业务数据文件，并向当前接入用户终端回复确认包，等待当前接入用户终端继续发送下一包业务数据文件，直到存储空间不足时，所述卫星向当前接入用户终端回复空间不足，结束上行流程。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卫星使用用户波束发起与所述另一用户终端间的下行数据传输流程S502包括：

S5020、所述卫星逐一查询星上非易失性存储器中的业务数据文件，检查所述业务数据文件的目的地址与当前接入用户终端的目的地址是否一致，若不一致，则查询下一个业务数据文件；若一致，则将所述业务数据文件复制至所述卫星的基带缓存中进行分包处理，发送数据包给当前接入用户终端并等待接受确认消息；

S5022、在一个时间阈值内，若所述卫星收到了确认消息，继续发送下一包数据，直至把所述业务数据文件的所有数据包全部发送完成，所述卫星删除所述非易失性存储器中的业务数据文件；

S5024、在所述时间阈值内，若所述卫星未收到确认消息，重传所述数据包，直到重传次数大于重传预定门限，将所述基带缓存中的剩余业务数据文件替换所述业务数据文件，等待下一次卫星过顶时，将所述剩余业务数据文件进行断点续传，结束下行流程。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卫星和用户终端支持重传、断点续传、数据包排序功能，确保经一次或多次传输后，完整的业务数据文件被点对点可靠分发。

5.一种宽带存储转发卫星通信系统，其特征在于，该系统包括：

卫星、用户终端、信关站和存储转发网关服务器，

其中，所述卫星用于通过信令波束向用户终端广播发送信令和星历；

所述用户终端用于通过对所述星历的解算控制其波束指向、跟踪所述卫星和预报所述卫星的轨道，并将业务数据文件发送至其过顶卫星；

所述信关站用于与所述过顶卫星进行数据交互，接收卫星存储的需要转发至互联网的业务数据文件，同时将来自互联网、需要中转至卫星的业务数据文件发给卫星；

所述网关服务器部署于所述信关站，用于接收卫星发送的业务数据文件，进行解析后进行本地处理或分发给互联网的目的节点，或根据某用户终端发来的请求从互联网获取所需要的业务数据，将该业务数据择机转发至卫星。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述卫星包括：

配置大容量非易失性存储器的载荷主控单元、基带分系统和天线射频分系统，

其中，用户终端的业务数据文件经基带分系统解调后转发到载荷主控单元进行存储。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述网关服务器设置在所述信关站处，实现卫星存储转发网络与互联网的互通。

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