CN112564770A - 一种多星共位的卫星通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多星共位的卫星通信系统，包括多颗卫星和地面站，多颗卫星部署在同一轨位，由地面站对卫星进行控制，保证卫星之间的安全距离、多颗卫星之间的定时同步以及卫星与地面站之间的定时同步；地面站将系统内所有卫星的通信资源集中管理，根据地面应用需求统一调度，各卫星通信波束服从调度协同服务，支持的网络工作模式包括覆盖增强模式、功率增强模式和载波聚合模式。本发明的有益效果：1、灵活组网，根据应用需求选择相应的网络工作模式，提升了网络服务能力。2、便于按需建设，可灵活扩充，节约建设成本；3、突破单星功率、天线安装面积的局限。
Description
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，具体是一种多星共位的卫星通信系统。
背景技术
近年来，卫星通信系统受到广泛关注，随之而来的是频率资源和轨位资源的紧缺。解决频率紧缺的问题有两条途径：一种途径是，增加可用带宽，卫星通信向着更高的频率区间扩展，例如由前些年的C波段、L波段扩展到现在的Ku波段、Ka波段；另外一种途径是，提高频带利用率，使用多个点波束提供服务，非相邻波束复用相同频带。对于轨位资源的紧缺，目前尚未提出较好的解决方案，以低轨空间为例，低轨空间能够容纳的卫星总数量上限约10万颗，然而仅Space-X公司的星链(Starlink)项目就申请了1.2万余颗，可见有限的轨位资源已不能满足全球商业卫星的发展需求。
在轨位资源非常有限的前提下，增加单个轨位服务卫星的数量，提高单个轨位网络节点的服务能力必然是目前的主要研究方向。然而，在提高单颗通信卫星服务能力的过程中，存在以下局限：1、功率受限，通信卫星需要持续向地面发射电磁波信号，这将消耗较多电能，现有卫星的电能几乎全部来源于安装在卫星上的太阳能帆板，对于单颗卫星而言，太阳能帆板展开面积有限；2、天线安装位置受限，卫星对地通信天线安装在卫星朝向地面一侧的平面上，该平面上安装天线的数目及面积受平面面积限制。
发明内容
针对现有卫星通信系统存在的轨位资源紧张的问题，本发明提供一种多星共位的卫星通信系统，在轨位资源受限的前提下，提升卫星网络服务能力。
本发明保护一种多星共位的卫星通信系统，包括多颗卫星和地面站，其特征在于，多颗卫星部署在同一轨位且卫星之间的轨道偏离小于±0.1°，由地面站对卫星进行控制，保证卫星之间的安全距离、多颗卫星之间的定时同步以及卫星与地面站之间的定时同步；地面站将系统内所有卫星的通信资源集中管理，根据地面应用需求对各卫星的通信波束进行协同调度和联合处理，使得卫星网络支持覆盖增强、功率增强、载波聚合三种工作模式。
进一步的，当系统工作于覆盖增强模式，地面站控制系统内不同卫星的通信波束指向不同服务区域，优选的，将相同频率的通信波束在空间上隔离开。
进一步的，当系统工作于功率增强模式，地面站控制系统内多颗卫星的同频波束指向同一服务区域，并服务同一用户终端，为该用户终端进行返向信号联合接收和前向信号联合发送；返向信号联合接收是指多颗卫星同时接收一个用户终端的返向信号并合并解调；前向信号联合发送是指多颗卫星同时向一个用户终端发送经过预加权处理的前向信号；预加权处理为，用户终端根据卫星发送的导频信号测量其波束对应的信道系数，并通过返向链路反馈至地面站，地面站根据用户终端反馈的测量结果对该波束进行预加权处理。
进一步的，当系统工作于载波聚合模式，来自一颗或多颗卫星的多个通信波束工作在不同频段并指向同一服务区域，并服务同一用户终端，各波束工作在不同的载波频率。
进一步的，每颗卫星上安装有定位设备，卫星通过定位设备向其他共轨卫星发送测距信号，其他共轨卫星根据收到的测距信号确定与其之间的相对位置，并将相对位置信息发送至地面站，地面站根据系统内所有卫星发送的相对位置信息控制各卫星的轨位与姿态。
本发明的有益效果：
1、便于按需建设，可灵活扩充，节约建设成本；单星方案通常在卫星发射时需考虑未来十数年的应用需求，对卫星的质量及其服务能力均需要进行前瞻性部署，而多星共位方案可根据服务规模灵活调整同一轨位的卫星数量，在网络建成初期，可部署一颗小卫星，随着用户规模的增长，再在同一轨位部署更多卫星来满足用户需求即可。
2、网络可靠性更好；多星共位组网时，即使某颗卫星出现故障，地面站可以灵活调度其他卫星提供服务，提升了网络可靠性。
3、突破单星功率、天线安装面积的局限；多星共位方案中的卫星上均可以安装太阳能帆板和天线，不同卫星的天线通过调整指向角度使其互不干扰。
附图说明
图1为覆盖增强模式下的卫星通信示意图；
图2为覆盖增强模式下同频波束复用的隔离示意图；
图3为功率增强模式下的卫星通信示意图；
图4为返向信号联合接收处理流程图；
图5为载波聚合模式下的卫星通信示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
实施例1
一种多星共位的卫星通信系统，包括多颗卫星和地面站，多颗卫星部署在同一轨位，例如GEO轨道、MEO轨道或LEO轨道。对于GEO轨道，多颗卫星飞行轨道一致且卫星之间的轨道偏离小于±0.1°。由地面站对卫星进行控制，保证卫星之间的安全距离、多颗卫星之间的定时同步以及卫星与地面站之间的定时同步。
地面站与卫星之间通过馈电链路通信，用户终端与卫星之间通过用户链路通信，卫星之间配置有用于测量相对距离的测距链路，地面站与卫星之间配置有实现卫星控制的测控链路。地面站将系统内所有卫星的通信资源集中管理，根据地面应用需求统一调度，各卫星通信波束服从调度协同服务，工作在覆盖增强模式、功率增强模式或载波聚合模式。
1、针对地面用户分布较广的应用场景，系统可工作于覆盖增强模式，不同卫星的通信波束指向不同服务区域。
以图1为例，w1与w2为系统内的共轨卫星，其中w1服务于区域A中的用户终端，w2服务于区域B中的用户终端，即使得系统覆盖更大区域，服务更多用户终端。
在覆盖增强模式下，为实现频率复用，实际应用中，将相同频率的波束在空间上隔离开，以避免同频干扰。图2为10个波束复用f1、f2、f3三个频带的示意图。
2、针对弱覆盖区域(例如降雨区域)的通信需求，系统工作于功率增强模式，多颗卫星的同频波束指向同一服务区域，进行返向信号联合接收和前向信号联合发送。功率增强模式可以使得小型用户终端获得较高的通信速率。
以图3为例，w3与w4为系统内的共轨卫星，共同服务于区域C中的用户终端。多颗卫星的通信波束工作在同一频段，可同时接收同一用户终端的返向信号，再将接收到的信号合并解调，提高返向接收增益；前向信号在发射时做预加权处理，工作在相同频带的多波束并行发送，使得用户终端可以获得更大的接收信噪比，从而实现前向链路增强。
参照图4，返向信号联合接收包括以下操作：
⑴多颗卫星同时接收一个用户终端的返向信号并转发至地面站；
⑵地面站将多路射频信号变换到基带，完成基带同步后按编号进行合并，合并采用最大比合并，合并后的信号
其中rn为卫星转发至地面的射频信号，N为波束总个数，波束编号依次为0,1,…,N-1，SNRn为接收机测量的rn信噪比；
⑶地面站对信号合并后进行解调、译码处理。
前向信号联合是指多颗卫星同时向一个用户终端发送前向信号，前向信号包括导频信号和数据信号。
导频信号发送的是已知的导频序列，不携带信息，由于地面站需要在不同波束上发送相同的数据信号，为了进行区分，不同波束上发送的导频序列不同。
用户终端根据导频信号测量不同波束对应的信道系数，并通过返向链路反馈至地面站，地面站根据用户终端反馈的测量结果对不同波束进行预加权处理，以确保用户终端接收到的多波束信号的相位一致性。
3、针对用户密集分布或对于速率需求较高的用户终端，单个卫星通信波束的服务能力已不能满足其速率需求时，可以将多颗卫星的通信波束同时服务于同一用户终端，各波束工作在不同载波频率，即系统工作于载波聚合模式。当然载波聚合场景需要用户终端支持多载波同时工作。两个不同频率载波可以分配到不同卫星上，也可以分配到同一卫星上。
以图5为例，w5与w6为系统内的共轨卫星，共同服务于用户终端S，w5工作在载波c1，w6工作在载波c2，载波c1与载波c2不同频率。用户终端S至少支持载波c1、c2同时工作。
载波聚合技术核心思想是把多个连续或离散频谱划分为多个成员载波，允许用户终端在多个子频带上同时进行数据收发。载波聚合可以增加系统传输带宽，满足单用户终端对峰值速率和系统容量提升的要求。
多载波聚合模式可以有效解决用户分布较密集的区域的网络拥塞问题，也可以将单用户终端的通信速率提升数倍。
针对如何保证共轨卫星之间不发生碰撞，现有技术已给出解决方案。在本实施例中，每颗卫星上安装有定位设备，卫星通过定位设备向其他共轨卫星发送测距信号，其他共轨卫星根据收到的测距信号确定与其之间的相对位置，并将相对位置信息发送至地面站，地面站根据系统内所有卫星发送的相对位置信息控制各卫星的轨位与姿态。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
Claims (7)
1.一种多星共位的卫星通信系统，包括多颗卫星和地面站，其特征在于，多颗卫星部署在同一轨位且卫星之间的轨道偏离小于±0.1°，由地面站对卫星进行控制，保证卫星之间的安全距离、多颗卫星之间的定时同步以及卫星与地面站之间的定时同步；
地面站将系统内所有卫星的通信资源集中管理，根据地面应用需求对各卫星的通信波束进行协同调度和联合处理，使得卫星网络支持覆盖增强、功率增强、载波聚合三种工作模式。
2.根据权利要求1所述的多星共位的卫星通信系统，其特征在于，当系统工作于覆盖增强模式，地面站控制系统内不同卫星的通信波束指向不同服务区域。
3.根据权利要求2所述的多星共位的卫星通信系统，其特征在于，将相同频率的通信波束在空间上隔离开。
4.根据权利要求1所述的多星共位的卫星通信系统，其特征在于，当系统工作于功率增强模式，地面站控制系统内多颗卫星的同频波束指向同一服务区域，并服务同一用户终端，为该用户终端进行返向信号联合接收和前向信号联合发送；
返向信号联合接收是指多颗卫星同时接收一个用户终端的返向信号并合并解调；前向信号联合发送是指多颗卫星同时向一个用户终端发送经过预加权处理的前向信号。
5.根据权利要求4所述的多星共位的卫星通信系统，其特征在于，预加权处理为，用户终端根据卫星发送的导频信号测量其波束对应的信道系数，并通过返向链路反馈至地面站，地面站根据用户终端反馈的测量结果对该波束进行预加权处理。
6.根据权利要求1所述的多星共位的卫星通信系统，其特征在于，当系统工作于载波聚合模式，来自一颗或多颗卫星的多个通信波束工作在不同频段并指向同一服务区域，并服务同一用户终端，各波束工作在不同的载波频率。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的多星共位的卫星通信系统，其特征在于，每颗卫星上安装有定位设备，卫星通过定位设备向其他共轨卫星发送测距信号，其他共轨卫星根据收到的测距信号确定与其之间的相对位置，并将相对位置信息发送至地面站，地面站根据系统内所有卫星发送的相对位置信息控制各卫星的轨位与姿态。
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