CN112996093A - 一种低轨卫星地面终端射频功率控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低轨卫星地面终端射频功率控制方法及系统，采用基于卫星星历和下行闭环控制双重功率控制方法，利用GNSS卫星提供标准的时间和位置参数，通过预存星历反算当前通信信道基础参数，从而确定上行射频基础功率值用于入网连接。在此基础上，通过下行功率控制信道进行闭环功率调整，从而确保通信全过程的精确功率控制，通过卫星的星历数据，进行卫星位置的计算，然后计算终端与卫星的距离进行初始的终端接入网的功率控制，使得卫星接收的功率在合适的范围内，加快接入网连接，使星上接收机更加稳定，有利于增加用户容量。

Description

一种低轨卫星地面终端射频功率控制方法及系统

技术领域

本发明涉及低轨卫星控制领域，具体涉及一种低轨卫星地面终端射频功率控制方法及系统。

背景技术

低轨卫星具有通信延迟小，全球覆盖等特点。在地面终端设备与卫星进行数据通信的过程中，上下行电磁波信号传输会经过对流层、平流层和电离层等复杂大气通道，最终到达对方的电磁波信号会发生诸如散射、反射等变化，引起的信号衰落会造成通信失败甚至连接断开。

有别于高轨卫星通信，低轨卫星在与地面终端传输数据过程中同时还面临着高速运动的问题。终端与卫星之间的直线距离、大气环境时刻处于变化的过程中。

仿真计算表明，在一次完整的卫星过顶的过程中，终端与卫星之间的通信链路损耗变化可以达到30dB甚至更大。在此基础上，需要对终端上行信号功率进行实时控制，确保其能够处于通信链路维系的最优发射点，从而保证卫星接收机处于较小的动态范围下，同时也能够极大地减小终端设备的能耗，提升终端续航时间。

当前采用的低轨卫星终端射频功率控制方法主要是在终端侧进行卫星下行信号测量，依据终端天线口获得的功率值来反推当前的链路情况，从而确定当前的上行发射功率。这种方案属于开环功率控制方案，存在的问题主要包括：

1、对于上下行频分的通信情况只能够判断功率变化趋势，无法精确测量功率调整值。尤其是在天线双频增益不对称情况下更容易出现控制偏差；

2、由多径造成的天线口功率变化会引起测试误差，从而造成误判；

3、为了维持链路，设计师只能将上行功率尽量增大，从而使功率控制失去意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题传统开环功率控制方案下行接收机天线端口信号快衰落造成的测量抖动问题，会造成上行目标功率同步抖动甚至发散，引起星上接收机动态范围增大，传统的开环功率控制方案终端在入网交互过程中采取最大功率发射的办法来确保入网操作鲁棒性，造成了频谱资源浪费，也不利于终端节能等问题，目的在于提供一种低轨卫星地面终端射频功率控制方法及系统，采用闭环方案使星上接收机更加稳定，有利于增加用户容量，采用功率可控方法，使得上行功率长时间在合适范围内。

本发明通过下述技术方案实现：

一种低轨卫星地面终端射频功率控制方法，包括以下步骤：

S1：用户终端通过内置的GNSS接收机，得到卫星当前的基础信息；

S2：对比所述卫星当前的基础信息和卫星自带的星历信息，进行卫星过境情况判别，得到卫星的通信频率对应的链路参数；

S3：依据卫星的通信频率自带的链路参数和用户终端与卫星的距离数据，得到当前最佳上行功率值；

S4：用户终端采用所述当前最佳上行功率值启动入网连接；

S5：在完成入网连接后，地面终端通过接收卫星的下行业务PCCH通道中的控制字信息，实施功率控制微调操作；实现闭环功率控制；

S6：用户终端通过对比步骤S5功率控制微调操作结果和当前PCCH的结果，判断是否达到控制收敛，如果达到控制收敛，则功率控制完成；如果未达到控制收敛，返回步骤S5；

传统开环功率控制方案下行接收机天线端口信号快衰落造成的测量抖动问题，会造成上行目标功率同步抖动甚至发散，引起星上接收机动态范围增大。本发明方案采用闭环方案，杜绝了这种抖动，从而使星上接收机更加稳定，有利于增加用户容量。

传统的开环功率控制方案终端在入网交互过程中采取最大功率发射的办法来确保入网操作鲁棒性，在入网之后才启动功率控制。为了应对这个操作，往往需要划分专门的入网频段供用户随机接入，从而减轻星上接收机的压力。这造成了频谱资源浪费，也不利于终端节能。本发明确保了用户在第一个发射周期就使用最合适的功率进行发射，最大程度减轻了星上接收机压力，也无需划分专用的入网频段。通过本发明方案的功率控制，使得上行功率长时间在合适范围内，同时加速了功率控制的收敛，可以实现稳定的上行传输和终端功耗降低好处。

进一步，采用基于卫星星历和下行闭环控制双重功率控制方法，利用GNSS卫星提供标准的时间和位置参数，通过预存星历反算当前通信信道基础参数，从而确定上行射频基础功率值用于入网连接；在此基础上，通过下行功率控制信道进行闭环功率调整，从而确保通信全过程的精确功率控制，所述卫星基础信息包括轨道高度、星下点位置和实时时间信息。

进一步，所述用户终端与卫星的距离数据具体通过公式

计算得到；其中，S表示用户终端与卫星的距离，r表示地球半径，h表示轨道高度，θ表示卫星当前仰角。

进一步，当θ＝0°时，表示卫星开始过境或者离境。

进一步，当θ＞0°时，表示卫星在用户终端的观测范围内，即卫星过境中。

一种低轨卫星地面终端射频功率控制系统，所述系统包括：

一个或多个处理器；

存储器，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行上述的一种低轨卫星地面终端射频功率控制方法。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明一种低轨卫星地面终端射频功率控制方法及系统，传统开环功率控制方案下行接收机天线端口信号快衰落造成的测量抖动问题，会造成上行目标功率同步抖动甚至发散，引起星上接收机动态范围增大。本发明方案采用闭环方案，杜绝了这种抖动，从而使星上接收机更加稳定，有利于增加用户容量。

传统的开环功率控制方案终端在入网交互过程中采取最大功率发射的办法来确保入网操作鲁棒性，在入网之后才启动功率控制。为了应对这个操作，往往需要划分专门的入网频段供用户随机接入，从而减轻星上接收机的压力。这造成了频谱资源浪费，也不利于终端节能。本发明确保了用户在第一个发射周期就使用最合适的功率进行发射，最大程度减轻了星上接收机压力，也无需划分专用的入网频段。通过本发明方案的功率控制，使得上行功率长时间在合适范围内，同时加速了功率控制的收敛，可以实现稳定的上行传输和终端功耗降低好处。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明控制方法和控制策略流程图；

图2是本发明卫星过境情况和卫星距离位置图；

图3是本发明地面终端的经纬度和时间信息图；

图4是星历计算的卫星位置和过境情况图；

图5是上行功率控制图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例一

如图1所示，本发明一种低轨卫星地面终端射频功率控制方法及系统，采用基于卫星星历和下行闭环控制双重功率控制方法，利用GNSS卫星提供标准的时间和位置参数，通过预存星历反算当前通信信道基础参数，从而确定上行射频基础功率值用于入网连接。在此基础上，通过下行功率控制信道进行闭环功率调整，从而确保通信全过程的精确功率控制。控制方法和策略如下图所示，具体做法如下：

S1：通过地面终端内置的GNSS接收机，获取用户当前的基础信息，包括经纬度、高度、实时时间等。

S2：核对星历，进行卫星过境情况判别，并形成地面终端与卫星的距离表。

S3：依据通信频率对应的链路参数，生成最佳功率对应表。

S4：通过核对卫星过境时间，结合当前时间，选择入网连接时间。

S5：在完成入网后，地面终端通过接收PCCH信道中的控制字信息，实施功率控制相应，实现闭环功率控制。

S6：地面终端通过对比上一次功率调整操作和下一次PCCH的结果，判断是否达到控制收敛。

步骤S2所述的的星历方法，其特征在于，通过以下方法计算过境情况和卫星距离:

1.卫星下发星历通过接收机解算后会有卫星相对于地面终端的方位角和俯仰角数据(可以参考GPS的GPGSV数据)

2.由于俯仰角和方位角是以地面终端为原点建立的坐标系得到的，那么按照方位角所在平面进行平面的截取如下图所示(A为卫星，B为地面终端，O为地心，ABO三点在方位角

所在平面内)：

由图2所示可推导：

得到卫星距离终端的通信距离。

同时由图可知当θ＝0°时，卫星开始过境或者离境，当θ>0°时，表明卫星在地面终端的观测范围内，为卫星过境中。

S2和S3步骤所述对应如图3所示；

可以理解：通过卫星的星历数据，进行卫星位置的计算，然后计算终端与卫星的距离进行初始的终端接入网的功率控制，使得卫星接收的功率在合适的范围内，加快接入网连接，使星上接收机更加稳定，有利于增加用户容量；

通过上述图5所述的功率控制表可以实现无需专门的入网频段即可完成用户的随机接入功能；

通过星历数据计算星历过境情况，形成功率控制表，然后依据功率控制表和PCCH控制字加快功率控制收敛；

实施例二

下面以鸿雁一号卫星的地面终端射频功率控制为实施案例进行具体说明。

首先通过GNSS获取自身的位置和时间，如图3所示：地面站(重庆)的经度和纬度：29.681304,106.293445；当前的UTC时间：2020年11月26号12：19：47。

然后通过鸿雁一号的卫星星历计算卫星的位置和过境情况，如图4所示：鸿雁一号卫星在2020.11.26日12:19:47时间后第一次入境的时间为2020.11.26日13:15:57，此时卫星与地面终端的距离为2584.71km；然后卫星在2020.11.26日13:22:02与地面终端的距离最近为1104.35km，最后卫星在2020.11.26日13:28:12出境，此时卫星与地面终端的距离为2582.14km。

然后计算过境情况内的时间卫星距离，同时由于卫星与地面终端的距离不同造成的路径损耗不同，根据不同的路径损耗进行卫星通信链路预算，计算出合适的上行功率并形成控制表，如图5所示：

当达到卫星的入境时间2020.11.26日13:15:57时，按照计算的上行功率为6.282dBW进行功率控制并进行入网连接，建立通信。

当终端入网连接完成建立通信后，通过下行业务PCCH通道中的功率控制得到+1dB的功率控制字，按照功率控制字提高1dB的功率，此时上行的功率为7.282dBW，并继续进行通信连接。

然后终端得到下一次下行业务的PCCH通道中的功率控制字为+0.2dB，此时功率控制字小于0.5dB，功率控制完成收敛。

同过本实施例可以发现，初次卫星接入网的功率偏差为1dB，与实际最佳的上行功率十分接近，验证了本功率控制入网操作的可行性、鲁棒性和快速性。同时，再配合PCCH通道的功率控制字能够进行快速的功率控制收敛，增加了卫星通信连接的稳定性。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种低轨卫星地面终端射频功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：用户终端通过内置的GNSS接收机，得到卫星当前的基础信息；

S2：对比所述卫星当前的基础信息和卫星自带的星历信息，进行卫星过境情况判别，得到用户终端与卫星的距离数据；

S3：依据卫星的通信频率自带的链路参数和用户终端与卫星的距离数据，得到当前最佳上行功率值；

S4：用户终端采用所述当前最佳上行功率值启动入网连接；

S5：在完成入网连接后，地面终端通过接收卫星的下行业务PCCH通道中的控制字信息，实施功率控制微调操作；

S6：用户终端通过对比步骤S5功率控制微调操作结果和当前PCCH的结果，判断是否达到控制收敛，如果达到控制收敛，则功率控制完成；如果未达到控制收敛，返回步骤S5。

2.根据权利要求1所述的一种低轨卫星地面终端射频功率控制方法，其特征在于，所述卫星基础信息包括轨道高度、星下点位置和实时时间信息。

3.根据权利要求1所述的一种低轨卫星地面终端射频功率控制方法，其特征在于，所述用户终端与卫星的距离数据具体通过公式

计算得到；其中，S表示用户终端与卫星的距离，r表示地球半径，h表示轨道高度，θ表示卫星当前仰角。

4.根据权利要求3所述的一种低轨卫星地面终端射频功率控制方法，其特征在于，当θ＝0°时，表示卫星开始过境或者离境。

5.根据权利要求3所述的一种低轨卫星地面终端射频功率控制方法，其特征在于，当θ＞0°时，表示卫星在用户终端的观测范围内，即卫星过境中。

6.一种低轨卫星地面终端射频功率控制系统，其特征在于，所述系统包括：

一个或多个处理器；

存储器，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行如权利要求1-5任一所述的一种低轨卫星地面终端射频功率控制方法。

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