CN112653507A - 低轨通信卫星星座的移动切换方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种低轨通信卫星星座的移动切换方法及系统，该方法具体为：首先，在当前连接卫星链路质量低于阈值时，进入切换流程，并依据卫星链路质量高低依次选取；其次，判断星上容量负载能否满足用户通信需求；最后，判断卫星剩余可视时间是否满足阈值要求，避免频繁乒乓切换问题。本方法灵活可靠、工程实现简单，有效提升终端在波束间和卫星间切换的成功率并减少切换次数，能够提升用户通信质量与服务体验。

Description

低轨通信卫星星座的移动切换方法及系统

技术领域

本发明涉及卫星通信领域，具体涉及一种低轨通信卫星星座的移动切换方法及系统。

背景技术

由于低轨卫星星座具有覆盖面积广、传输时延小、功耗低以及高抗毁性等特点，由低轨通信卫星组成的卫星互联网系统是未来天地一体化移动通信网的重要组成部分。

如图1所示，为保证服务质量，低轨通信卫星星座通常对地面形成多重覆盖，因此地面终端可能进入多颗低轨卫星覆盖区。由于低轨卫星移动速度很快，通常高于7km/s，同时低轨卫星星座具有高动态拓扑结构，对于地面终端而言可视时间通常仅有10分钟，需要频繁切换，容易引发呼叫阻塞、通信质量下降、频繁切换浪费资源等问题，这使得移动切换管理策略成为卫星互联网系统中亟需解决的关键问题。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种低轨通信卫星星座的移动切换方法及系统。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种低轨通信卫星星座的移动切换方法，包括以下步骤:

S1，地面终端获取卫星波束导频信号，测量通信链路质量；

S2，若当前卫星通信链路质量Q低于链路质量第一阈值Q_th1，则执行步骤S3，否则不切换卫星；

S3，计算当前星座中所有卫星通信链路的通信链路质量或暂未计算卫星通信链路，并将当前星座中的卫星按通信链路质量优劣排序得到切换卫星优先级队列，将该队列中通信质量最优的卫星作为备选切换卫星；

S4，判别备选切换卫星的通信容量是否满足终端设备通信需求以及备选切换卫星的剩余覆盖时间T是否大于可视时长阈值T_th；若备选切换卫星的通信容量满足终端设备通信需求且剩余覆盖时间T不小于可视时长阈值T_th，执行步骤S5；否则选取切换卫星优先级队列中通信质量次于备选切换卫星一级的卫星作为新的备选切换卫星，并重新执行该步骤；

S5，发送切换请求，完成卫星切换。

本方法采用通信链路质量、星上容量负载、剩余可视时间三种参数的优先级判别机制，有效提升终端在波束间和卫星间切换的成功率并减少切换次数，避免频繁乒乓切换问题，提升用户通信质量与服务体验。

本低轨通信卫星星座的移动切换方法的优选方案：步骤S4中，若备选切换卫星的通信容量满足终端设备通信需求，剩余覆盖时间T小于可视时长阈值T_th，且当前卫星通信链路质量Q大于链路质量第二阈值Q_th2，则重新执行该步骤S4；

若备选切换卫星的通信容量满足终端设备通信需求，剩余覆盖时间T小于可视时长阈值T_th，且当前卫星通信链路质量Q小于链路质量第二阈值Q_th2，则执行步骤S5。在链路质量即将不能满足通信需求的时刻必须提交切换申请，以保证用户通信服务质量。

本低轨通信卫星星座的移动切换方法的优选方案：所述步骤S4中剩余覆盖时间T＝s/v，s＝r+dcosθ，v＝v星-v地；其中，r为星下覆盖半径，d为星下点与终端的距离，v为卫星运动与地球自转合成速度，θ为星下点合成速度相对于终端的运动方向，v星为卫星运动速度，v地为自转速度；

可视时长阈值T_th＝1/2*max{T_i}，i＝1,2,…；其中，max{T_i}为当前覆盖区域卫星中最大可视时长，避免频繁切换造成造成拥塞或者资源浪费。

本申请还提出了一种低轨通信卫星星座的移动切换系统，包括地面终端和地面站管理系统，所述地面站管理系统执行上述的移动切换方法，控制地面终端与卫星之间通信链路的切换。该系统中主要由地面终端与地面站管理系统进行移动切换调配，星上能源损耗低，技术安全可靠。

本发明的有益效果是：本发明采用通信链路质量、星上容量负载、剩余可视时间三种优先级判别机制，首先，在当前连接卫星链路质量低于阈值时，进入切换流程，并依据卫星链路质量高低依次选取；其次，判断星上容量负载能否满足用户通信需求；最后，判断卫星剩余可视时间是否满足阈值要求，避免频繁乒乓切换问题。本方法灵活可靠、工程实现简单，有效提升终端在波束间和卫星间切换的成功率并减少切换次数，能够提升用户通信质量与服务体验。此外，本发明主要在地面终端与地面站管理系统进行计算与资源调配，卫星仅需接收并传送指令，因此星上能源损耗低，技术安全可靠。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是地面终端进入多个卫星覆盖区的位置示意图；

图2是本发明的流程图；

图3是卫星与地面终端之间的相对运动示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图2所示，本发明提供了一种低轨通信卫星星座的移动切换方法，包括以下步骤:

S1，地面终端获取卫星波束导频信号，测量通信链路质量。

地面终端测量处于卫星波束覆盖范围内所有卫星的通信质量，如果一重覆盖则测量一个卫星，如果被多重覆盖则测量多个卫星。

通信链路质量包括接收机输入端的载波功率与噪声的比值或者载波功率与等效噪声温度之比。

S2，若当前卫星通信链路质量Q低于链路质量第一阈值Q_th1，则执行步骤S3，否则不切换卫星。

这里的链路质量第一阈值Q_th1＝k1*Q_th0,其中Q_th0为维持通信的最低阈值，k为大于1的常数，本实施例中，k1取1.2，留有余量以保证在待切换时间内的通信链路质量。

S3，计算当前星座中所有卫星通信链路的通信链路质量或暂未计算卫星通信链路，并将当前星座中的卫星按通信链路质量优劣排序得到切换卫星优先级队列，将该队列中通信质量最优的卫星作为备选切换卫星。

S4，判别备选切换卫星的通信容量是否满足终端设备通信需求以及备选切换卫星的剩余覆盖时间T是否大于可视时长阈值T_th；若备选切换卫星的通信容量满足终端设备通信需求且剩余覆盖时间T不小于可视时长阈值T_th，执行步骤S5；否则选取切换卫星优先级队列中通信质量次于备选切换卫星一级的卫星作为新的备选切换卫星，并重新执行该步骤。

该步骤中判别备选切换卫星的通信容量是否满足终端设备通信需求的计算方法为：

获取终端的需求通信容量R_q；根据负载计算各卫星的空闲通信容量R_i。其中R_q可从终端需求的通信资源数据包里直接得到；R_i＝R_总-ΣR_ik，其中R_总为通信卫星总容量，ΣR_ik为地面用户终端已占用容量。终端需求的通信资源包括频率和时隙，地面核心网会实时计算卫星剩余频率和时隙资源，并不断广播。

若R_i<R_q，即该卫星剩余通信容量不满足终端设备通信需求；若R_i>R_q，即该卫星剩余通信容量满足终端设备通信需求。

本实施例中，利用导航信息获取终端坐标；利用GNSS信息获取卫星坐标；根据卫星通信波束覆盖范围与相对运动方向，计算卫星波束对该终端位置的剩余覆盖时间T，剩余覆盖时间T＝s/v，s＝r+dcosθ，v＝v星-v地；其中，如图3所示，r为星下覆盖半径，d为星下点与终端的距离，v为卫星运动与地球自转合成速度，θ为星下点合成速度相对于终端的运动方向，v星为卫星运动速度，v地为自转速度；可视时长阈值T_th＝1/2*max{T_i}，i＝1,2,…；其中，max{T_i}为当前覆盖区域卫星中最大可视时长，具体地，按剩余覆盖时间T的计算方法得到所有卫星的剩余覆盖时间，然后直接比较得到max{T_i}。

S5，发送切换请求，管理系统完成卫星切换。

本方法的优选方案，在步骤S4中，若备选切换卫星的通信容量满足终端设备通信需求，剩余覆盖时间T小于可视时长阈值T_th，且当前卫星通信链路质量Q大于链路质量第二阈值Q_th2，则重新执行该步骤S4；若备选切换卫星的通信容量满足终端设备通信需求，剩余覆盖时间T小于可视时长阈值T_th，且当前卫星通信链路质量Q小于链路质量第二阈值Q_th2，则执行步骤S5。

链路质量阈值Q_th2的计算方法为：Q_th2＝k2*Q_th0，k2为大于1的常数，本实施例中k2＝1.05，在链路质量即将不能满足通信需求的时刻必须提交切换申请，以保证用户通信服务质量。

本发明还公开了一种低轨通信卫星星座的移动切换系统，包括地面终端和地面站管理系统，所述地面站管理系统执行上述的移动切换方法，控制地面终端与卫星之间通信链路的切换。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种低轨通信卫星星座的移动切换方法，其特征在于，包括以下步骤:

S1，地面终端获取卫星波束导频信号，测量通信链路质量；

S2，若当前卫星通信链路质量Q低于链路质量第一阈值Q_th1，则执行步骤S3，否则不切换卫星；

S3，计算当前星座中所有卫星通信链路或暂未计算卫星通信链路的通信链路质量，并将当前星座中的卫星按通信链路质量优劣排序得到切换卫星优先级队列，将该队列中通信质量最优的卫星作为备选切换卫星；

S4，判别备选切换卫星的通信容量是否满足终端设备通信需求以及备选切换卫星的剩余覆盖时间T是否大于可视时长阈值T_th；若备选切换卫星的通信容量满足终端设备通信需求且剩余覆盖时间T不小于可视时长阈值T_th，执行步骤S5；否则选取切换卫星优先级队列中通信质量次于备选切换卫星一级的卫星作为新的备选切换卫星，并重新执行该步骤；

S5，发送切换请求，完成卫星切换。

2.根据权利要求1所述的低轨通信卫星星座的移动切换方法，其特征在于，步骤S4中，若备选切换卫星的通信容量满足终端设备通信需求，剩余覆盖时间T小于可视时长阈值T_th，且当前卫星通信链路质量Q大于链路质量第二阈值Q_th2，则重新执行该步骤S4；

若备选切换卫星的通信容量满足终端设备通信需求，剩余覆盖时间T小于可视时长阈值T_th，且当前卫星通信链路质量Q小于链路质量第二阈值Q_th2，则执行步骤S5。

3.根据权利要求1所述的低轨通信卫星星座的移动切换方法，其特征在于，步骤S1中，地面终端测量处于卫星波束覆盖范围内所有卫星的通信质量。

4.根据权利要求1所述的低轨通信卫星星座的移动切换方法，其特征在于，所述通信链路质量包括接收机输入端的载波功率与噪声的比值或者载波功率与等效噪声温度之比。

5.根据权利要求1所述的低轨通信卫星星座的移动切换方法，其特征在于，所述步骤S4中判别备选切换卫星的通信容量是否满足终端设备通信需求的计算方法为：

获取终端的需求通信容量R_q；

根据负载计算各卫星的空闲通信容量R_i；

若R_i<R_q，即该卫星剩余通信容量不满足终端设备通信需求；若R_i>R_q，即该卫星剩余通信容量满足终端设备通信需求。

6.根据权利要求1所述的低轨通信卫星星座的移动切换方法，其特征在于，所述步骤S4中剩余覆盖时间T＝s/v，s＝r+dcosθ，v＝v星-v地；其中，r为星下覆盖半径，d为星下点与终端的距离，v为卫星运动与地球自转合成速度，θ为星下点合成速度相对于终端的运动方向，v星为卫星运动速度，v地为自转速度。

7.根据权利要求1所述的低轨通信卫星星座的移动切换方法，其特征在于，所述可视时长阈值T_th＝1/2*max{T_i}，i＝1,2,…；其中，max{T_i}为当前覆盖区域卫星中最大可视时长。

8.一种低轨通信卫星星座的移动切换系统，其特征在于，包括地面终端和地面站管理系统，所述地面站管理系统执行权利要求1-7任一项所述的移动切换方法，控制地面终端与卫星之间通信链路的切换。

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