CN113078940A - 一种宽带低轨卫星通信系统的信关站选址方法及系统 - Google Patents

一种宽带低轨卫星通信系统的信关站选址方法及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN113078940A
CN113078940A CN202110332312.2A CN202110332312A CN113078940A CN 113078940 A CN113078940 A CN 113078940A CN 202110332312 A CN202110332312 A CN 202110332312A CN 113078940 A CN113078940 A CN 113078940A
Authority
CN
China
Prior art keywords
satellite
gateway station
user
satellites
gateway
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110332312.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113078940B (zh
Inventor
陈翔
熊聪
彭福洲
邱继云
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sun Yat Sen University
Original Assignee
Sun Yat Sen University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sun Yat Sen University filed Critical Sun Yat Sen University
Priority to CN202110332312.2A priority Critical patent/CN113078940B/zh
Publication of CN113078940A publication Critical patent/CN113078940A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113078940B publication Critical patent/CN113078940B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/14—Relay systems
    • H04B7/15—Active relay systems
    • H04B7/185—Space-based or airborne stations; Stations for satellite systems
    • H04B7/1851—Systems using a satellite or space-based relay
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/14—Relay systems
    • H04B7/15—Active relay systems
    • H04B7/185—Space-based or airborne stations; Stations for satellite systems
    • H04B7/1851—Systems using a satellite or space-based relay
    • H04B7/18519—Operations control, administration or maintenance

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Astronomy & Astrophysics (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Radio Relay Systems (AREA)

Abstract

本发明公开了一种宽带低轨卫星通信系统的信关站选址方法及系统，该方法包括：生成卫星网络静态拓扑；构建全球用户位置业务模型，得到所有卫星承载的业务量；以最小化通信时延和最大化数据传输速率为目标，以信关站选址范围、信关站接收机门限和单星容量上限为约束条件，构建目标函数；计算一组候选信关站其目标函数适应度的具体方法；采用遗传算法优化信关站的选址。该系统包括：卫星、信关站和用户终端。本发明考虑了单星容量限制和全球业务分布对信关站选址的影响，为宽带低轨卫星通信系统的信关站选址提供一种有效的参考方法。本发明作为一种宽带低轨卫星通信系统的信关站选址方法及系统，可广泛应用于卫星通信技术领域。

Description

一种宽带低轨卫星通信系统的信关站选址方法及系统
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种宽带低轨卫星通信系统的信关站选址方法及系统。
背景技术
信关站位置的优劣直接决定了卫星通信系统的信息传递能力，目前针对宽带低轨卫星通信系统信关站选址的基本方式有以下两种：从工程角度出发，结合当地气候条件、电磁环境和自然灾害影响进行选址；从系统角度出发，根据卫星的覆盖分布确定信关站的选址位置和数量，以低成本实现最佳通信速率。由于星上设备运算能力和存储容量有限，且地域差异、全球人口分布、经济发展等问题也会导致的业务需求分布不均匀，而常规信关站选址的过程中未考虑单星容量上限和全球业务量分布情况，存在一定的不合理性。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种宽带低轨卫星通信系统的信关站选址方法及系统，考虑单星容量上限和全球业务需求分布，利用给定数量的信关站实现最佳通信速率。
本发明所采用的第一技术方案是：一种宽带低轨卫星通信系统的信关站选址方法，包括以下步骤：
S1、将一个卫星系统周期内的卫星网络动态拓扑结构分离成静态拓扑结构，读取所有卫星星下点位置并计算每颗卫星的对地覆盖带宽；
S2、遍历所有卫星，根据卫星星下点位置计算每个时刻任意两个卫星之间能否建立星间链路，得到卫星之间的可见性；
S3、将全球用户网格化并构建全球用户位置业务模型；
S4、根据卫星星下点位置、每颗卫星的对地覆盖带宽和全球用户位置业务模型中的用户位置，计算每个时刻用户端的可视卫星，得到卫星与用户的可见性；
S5、根据全球用户位置业务模型和卫星与用户可视关系计算每颗卫星实时承载的业务量，得到卫星集合SAT_Traffick；
S6、根据预设的约束条件，以最小化通信时延和最大化馈电链路数据传输速率为目标，构建目标函数；
S7、给定一组侯选信关站位置，基于卫星与用户的可见性、卫星之间的可见性、卫星与信关站的可见性和每颗卫星承载的业务量，确定在单星最大容量和馈电链路最大容量的限制下能实现的L条通信链路，计算目标函数的适应度；
S8、给定信关站数量M，采用遗传算法优化信关站选址，搜索得到一组具有最大适应度的信关站位置。
进一步，计算每颗卫星的对地覆盖带宽Sw的公式如下：
Figure BDA0002996642470000021
Figure BDA0002996642470000022
上式中，Re为地球半径，h为卫星高度，S'为卫星星下点，O为地心，A为处于最小仰角的用户点，θ为用户最小仰角。
进一步，所述遍历所有卫星，根据卫星星下点位置计算每个时刻任意两个卫星之间能否建立星间链路，得到卫星之间的可见性这一步骤，两颗卫星建立星间链路，其位置必须满足以下条件：
Figure BDA0002996642470000023
上式中，Re为地球半径，h为卫星高度，α为两颗卫星之间的地心角，Hp为星间链路与地球表面的距离。
进一步，所述将全球用户网格化并构建全球用户位置业务模型具体为根据本地区的人口数量、经济发展程度和用户类型不同特点置以加权因子计算，得到全球用户位置业务模型，公式表示如下：
Ui＝ρ1×ρ2×popi×300kbps
上式中，Ui表示第i个用户区的业务量，popi为第i个用户区的人口数，ρ1为当地经济发展加权因子，ρ2为当地使用卫星通信的用户比例。
进一步，计算每个时刻用户端的可视卫星的计算公式如下：
Figure BDA0002996642470000024
C＝sin(MLatS)·sin(MLatB)·cos(MLonS-MLonB)+cos(MLatS)·cos(MLatB)
上式中，
Figure BDA0002996642470000025
和C分别为卫星星下点S'与用户B之间的弧长和地心角，S'的经纬度为(LatS,LonS)，B的经纬度为(LatB,LonB)。按照0°经线基准，东经取正，西经取负，北纬取90°减去纬度，南纬取90°加上纬度，经过上述处理后的星下点S'与用户B的经纬度分别表示为(MLatS,MLonS)和(MLatB,MLonB)。若
Figure BDA0002996642470000031
则认为用户B能与卫星S通信，即卫星S与用户B可视。
进一步，所述预设的约束条件具体为以信关站选址范围、信关站接收机门限和单星容量上限为约束条件，目标函数的表达式如下：
Figure BDA0002996642470000032
s.t.LGM∈R
SNRGW≥ε
CAPS≤γ
上式中，σ∈(0,1)，改变其大小可以实现调整最小化时延在目标函数中的占比权重。F为目标函数的适应值，L为在单星最大容量和馈电链路最大容量限制下能实现通信的链路条数，ε为信关站接收机门限，
Figure BDA0002996642470000033
和
Figure BDA0002996642470000034
分别为选定一组信关站位置LGM的情况下，第k个时刻点所建立的第i条通信链路中星间最小跳数和数据传输速率。R是信关站选址的限定区域，SNRGW为信关站接收机的信噪比，CAPS为单颗卫星所承载的业务量。
进一步，所述步骤给定一组侯选信关站位置，基于卫星与用户的可见性、卫星之间的可见性、卫星与信关站的可见性和每颗卫星承载的业务量，确定在单星最大容量和馈电链路最大容量的限制下能实现的L条通信链路，计算目标函数的适应度这一步骤，其具体包括：
S71、给定一组候选信关站位置，找出每个信关站的可视卫星并计算每颗可视卫星对应的信关站接收载噪比；
S72、遍历每个信关站的可视卫星，判断到对应的信关站接收载噪比大于信关站收机信噪比门限值，认为该可视卫星与对应的信关站可建立通信链路，得到每个信关站可直接通信的卫星集合，并计算集合中每颗卫星与相应信关站之间的最大传输速率，得到馈电链路的容量；
S73、遍历每个信关站可直接通信的卫星集合，判断到存在一颗卫星能与多个信关站通信的情况，选出馈电链路容量最大的唯一信关站，进而得到k时刻能与一组信关站直接通信的卫星集合SAT_LOSk，及其对应的馈电链路容量；
S74、遍历卫星集合SAT_LOSk中的卫星，与集合SAT_Traffick中的卫星进行星间路由计算，得到任意两颗卫星实现通信的最小时延路径和星间最小跳数；
S75、遍历卫星集合SAT_Traffick，在卫星集合SAT_LOSk中选出通信时延最小且单星容量未超出上限的卫星来转发该卫星的业务量，得到卫星间的最终通信连接关系表；
S76、基于每条馈电链路容量有限的条件下，按通信时延从小到大的标准，根据卫星间最终通信连接关系表，选出最终能建立的L条通信链路，读取每条通信链路的星间跳数λi,k和实际传输速率Ci,k，计算该时刻下的目标函数；
S77、返回步骤S71，循环直到遍历完所有抽样时刻，将所有时刻下目标函数适应值进行累加，得到该组信关站所具有的适应值。
进一步，所述给定信关站数量M，采用遗传算法优化信关站选址，搜索得到一组具有最大适应度的信关站位置这一步骤，其具体包括：
S81、初始化遗传算法参数，种群个体数量Ng,交叉概率Pc，变异概率Pm，最大进化代数Tm；
S82、随机生成Ng个个体作为初始种群，一个个体即为一组信关站位置信息，对每个个体进行二进制编码，得到每个个体的基因表达型；
S83、基于步骤S7计算种群中各个个体的适应值；
S84、将选择、交叉、变异算子作用于种群，得到下一代种群，更新进化代数；
S85、重复执行步骤S83-S84，直到进化代数达到Tm,则以进化过程中所得到的具有最大适应度个体作为最优解输出，终止计算。
本发明所采用的第二技术方案是：一种宽带低轨卫星通信系统的信关站选址系统，包括卫星、信关站和用户终端，其中：
一颗卫星可以转发多个用户终端的业务量；
一颗卫星只能与一个信关站建立通信；
一个信关站能与多颗卫星通信；
一颗卫星可以与其他4～7个卫星通信。。
本发明方法及系统的有益效果是：本发明从实用性角度考虑单星容量受限和业务分布特点对信关站选址的影响，以最小化通信时延和最大化用户数据传输速率为目标构建目标函数，并通过遗传算法来优化信关站的选址。
附图说明
图1是本发明一种宽带低轨卫星通信系统的信关站选址方法的步骤流程图；
图2是本发明具体实施例宽带卫星星座通信网络图；
图3是本发明具体实施例一种低轨卫星星座示意图；
图4是本发明具体实施例使用遗传算法优化信关站选址的结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
本发明所提供的信关站选址相关的低轨卫星网络，主要由卫星、信关站和用户终端组成，如图2所示，用户链路用于移动用户与卫星之间的通信，馈电链路用于信关站与卫星之间的通信，每一个卫星间通过激光链路实现星间通信。信关站不仅能同时与多颗卫星通信，还通过光纤把卫星网与地面公网连接起来，每个用户终端可以通过一颗或几颗卫星和信关站实现全球任何地区的通信。
考虑低轨卫星星座系统为Walker星座，其构型为96/12/1，轨道高度为1680Km，轨道倾角为50°，用户最大仰角为30°，如图3所示。馈电侧链路下行通信频率为20GHz，馈电侧带宽为500MHz。信关站接收机门限为5dB，单星容量上限为20Gbps。
参照图1，本发明提供了一种宽带低轨卫星通信系统的信关站选址方法，该方法包括以下步骤：
S1、将一个卫星系统周期内的卫星网络动态拓扑结构分离成静态拓扑结构，读取所有卫星星下点位置并计算每颗卫星的对地覆盖带宽；
具体地，将一个卫星系统周期内的卫星网络动态拓扑结构按时隙τ＝60s分离成一系列的静态拓扑结构，通过STK获得星下点位置，并计算所有卫星之间的可见性。
S2、遍历所有卫星，根据卫星星下点位置计算每个时刻任意两个卫星之间能否建立星间链路，得到卫星之间的可见性；
S3、将全球用户网格化并构建全球用户位置业务模型；
具体地，按1°×1°的分辨率将全球用户网格化，考虑当地人口密度和经济发展程度，建立全球用户位置业务模型。
S4、根据卫星星下点位置、每颗卫星的对地覆盖带宽和全球用户位置业务模型中的用户位置，计算每个时刻用户端的可视卫星，得到卫星与用户的可见性；
S5、根据全球用户位置业务模型和卫星与用户可视关系计算每颗卫星实时承载的业务量，得到卫星集合SAT_Traffick；
S6、根据预设的约束条件，以最小化通信时延和最大化馈电链路数据传输速率为目标，构建目标函数；
S7、给定一组侯选信关站位置，基于卫星与用户的可见性、卫星之间的可见性、卫星与信关站的可见性和每颗卫星承载的业务量，确定在单星最大容量和馈电链路最大容量的限制下能实现的L条通信链路，计算目标函数的适应度；
S8、给定信关站数量M，采用遗传算法优化信关站选址，搜索得到一组具有最大适应度的信关站位置。
进一步作为本方法的优选实施例，计算每颗卫星的对地覆盖带宽Sw的公式如下：
Figure BDA0002996642470000061
Figure BDA0002996642470000062
上式中，Re为地球半径，h为卫星高度，S'为卫星星下点，O为地心，A为处于最小仰角的用户点，θ为用户最小仰角。
进一步作为本方法的优选实施例，所述遍历所有卫星，根据卫星星下点位置计算每个时刻任意两个卫星之间能否建立星间链路，得到卫星之间的可见性这一步骤，两颗卫星建立星间链路，其位置必须满足以下条件：
Figure BDA0002996642470000063
上式中，Re为地球半径，h为卫星高度，α为两颗卫星之间的地心角，Hp为星间链路与地球表面的距离。
进一步作为本方法的优选实施例，所述将全球用户网格化并构建全球用户位置业务模型具体为根据本地区的人口数量、经济发展程度和用户类型不同特点置以加权因子计算，得到全球用户位置业务模型，公式表示如下：
Ui＝ρ1×ρ2×popi×300kbps
上式中，Ui表示第i个用户区的业务量，popi为第i个用户区的人口数，ρ1为当地经济发展加权因子，ρ2为当地使用卫星通信的用户比例。
进一步作为本方法优选实施例，计算每个时刻用户端的可视卫星的计算公式如下：
Figure BDA0002996642470000064
C＝sin(MLatS)·sin(MLatB)·cos(MLonS-MLonB)+cos(MLatS)·cos(MLatB)
上式中，
Figure BDA0002996642470000065
和C分别为卫星星下点S'与用户B之间的弧长和地心角，S'的经纬度为(LatS,LonS)，B的经纬度为(LatB,LonB)。按照0°经线基准，东经取正，西经取负，北纬取90°减去纬度，南纬取90°加上纬度，经过上述处理后的星下点S'与用户B的经纬度分别表示为(MLatS,MLonS)和(MLatB,MLonB)。若
Figure BDA0002996642470000071
则认为用户B能与卫星S通信，即卫星S与用户B可视。
进一步作为本方法优选实施例，所述预设的约束条件具体为以信关站选址范围、信关站接收机门限和单星容量上限为约束条件，目标函数的表达式如下：
Figure BDA0002996642470000072
s.t.LGM∈R
SNRGW≥ε
CAPS≤γ
上式中，σ∈(0,1)，改变其大小可以实现调整最小化时延在目标函数中的占比权重。F为目标函数的适应值，L为在单星最大容量和馈电链路最大容量限制下能实现通信的链路条数，ε为信关站接收机门限，
Figure BDA0002996642470000073
和
Figure BDA0002996642470000074
分别为选定一组信关站位置LGM的情况下，第k个时刻点所建立的第i条通信链路中星间最小跳数和数据传输速率，R是信关站选址的限定区域，SNRGW为信关站接收机的信噪比，CAPS为单颗卫星所承载的业务量。
进一步，所述步骤给定一组侯选信关站位置，基于卫星与用户的可见性、卫星之间的可见性、卫星与信关站的可见性和每颗卫星承载的业务量，确定在单星最大容量和馈电链路最大容量的限制下能实现的L条通信链路，计算目标函数的适应度这一步骤，其具体包括：
S71、给定一组候选信关站位置，找出每个信关站的可视卫星并计算每颗可视卫星对应的信关站接收载噪比；
具体地，计算每颗可视卫星所对应的信关站接收载噪比:
Figure BDA0002996642470000075
[C/kT]DL＝[EIRP]SAT-[LFS]DL+[G/T]GW-[k]
[EIRP]＝[PT]+[GT]
[LFS]＝92.45+20 log d+20 log f
[G/T]＝[GR]-[Lf]-[T]
其中，[·]表示该项用分贝表示,SNRGW表示信关站接收载噪比，单位为dB，C是进入接收系统的载波功率，T是接收机的等效噪声温度，k为玻尔兹曼常数，BW是传输信号带宽。[EIRP]SAT为卫星的有效全向辐射功率，PT是卫星发射机功率，GT是发射天下增益。[LTS]DL是馈电下行链路自由空间传播损耗，[G/T]GW为信关站接收系统品质因数，d为卫星与信关站之间的通信距离，单位为km,f为载波频率，单位为GHz。
S72、遍历每个信关站的可视卫星，判断到对应的信关站接收载噪比大于信关站收机信噪比门限值，认为该可视卫星与对应的信关站可建立通信链路，得到每个信关站可直接通信的卫星集合，并计算集合中每颗卫星与相应信关站之间的最大传输速率，得到馈电链路的容量；
具体地，馈电链路的容量：Ct＝BW×log2(1+SNRGW)。
S73、遍历每个信关站可直接通信的卫星集合，判断到存在一颗卫星能与多个信关站通信的情况，选出馈电链路容量最大的唯一信关站，进而得到k时刻能与一组信关站直接通信的卫星集合SAT_LOSk，及其对应的馈电链路容量；
S74、遍历卫星集合SAT_LOSk中的卫星，与集合SAT_Traffick中的卫星进行星间路由计算，得到任意两颗卫星实现通信的最小时延路径和星间最小跳数；
具体地，最小时延路径等效于星间跳数最小的路径，计算第k个时刻SAT_LOSk中第j个卫星Satj与卫星集合SAT_Traffick通信所需星间最小跳数的步骤如下：
S74-1、基于由步骤S2所得的第k个时刻星间链路关系表，将卫星Satj设为起点，引进两个集合S和U，S记录已求出最短路径的卫星以及对相应的最小跳数，U记录还未求出最短路径的卫星以及该卫星与Satj的最短路径，初始时，S只包含起点Satj，U包含除Satj以外的其他卫星编号；
S74-2、从U中找出路径最短的卫星编号k，将其加入到S中，从U中移除k，并更新U中各个卫星到Satj的跳数；
S74-3、重复步骤S74-2，直到遍历完U中所有的卫星。
S75、遍历卫星集合SAT_Traffick，在卫星集合SAT_LOSk中选出通信时延最小且单星容量未超出上限的卫星来转发该卫星的业务量，得到卫星间的最终通信连接关系表；
S76、基于每条馈电链路容量有限的条件下，按通信时延从小到大的标准，根据卫星间最终通信连接关系表，选出最终能建立的L条通信链路，读取每条通信链路的星间跳数λi,k和实际传输速率Ci,k，计算该时刻下的目标函数；
S77、返回步骤S71，循环直到遍历完所有抽样时刻，将所有时刻下目标函数适应值进行累加，得到该组信关站所具有的适应值。
进一步，所述给定信关站数量M，采用遗传算法优化信关站选址，搜索得到一组具有最大适应度的信关站位置这一步骤，其具体包括：
S81、初始化遗传算法参数，种群个体数量Ng,交叉概率Pc，变异概率Pm，最大进化代数Tm；
S82、随机生成Ng个个体作为初始种群，一个个体即为一组信关站位置信息，对每个个体进行二进制编码，得到每个个体的基因表达型；
S83、基于步骤S7计算种群中各个个体的适应值；
S84、将选择、交叉、变异算子作用于种群，得到下一代种群，更新进化代数；
S85、重复执行步骤S83-S84，直到进化代数达到Tm,则以进化过程中所得到的具有最大适应度个体作为最优解输出，终止计算。
具体地，信关站个数为4，设置遗传算法的参数，种群个体数量Ng＝30,交叉概率Pc＝0.6，变异概率Pm＝0.1，最大进化代数Tm＝50。随机改变信关站位置，将信关站的选址范围限制在中国境内，经过50次迭代得到最大适应值所对应的信关站位置见图4。
一种宽带低轨卫星通信系统的信关站选址系统，包括卫星、信关站和用户终端，其中：
一颗卫星可以转发多个用户终端的业务量；
一颗卫星只能与一个信关站建立通信；
一个信关站能与多颗卫星通信；
一颗卫星可以与其他4～7个卫星通信。
上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种宽带低轨卫星通信系统的信关站选址方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将一个卫星系统周期内的卫星网络动态拓扑结构分离成静态拓扑结构，读取所有卫星星下点位置并计算每颗卫星的对地覆盖带宽；
S2、遍历所有卫星，根据卫星星下点位置计算每个时刻任意两个卫星之间能否建立星间链路，得到卫星之间的可见性；
S3、将全球用户网格化并构建全球用户位置业务模型；
S4、根据卫星星下点位置、每颗卫星的对地覆盖带宽和全球用户位置业务模型中的用户位置，计算每个时刻用户端的可视卫星，得到卫星与用户的可见性；
S5、根据全球用户位置业务模型和卫星与用户的可见性计算每颗卫星实时承载的业务量，得到卫星集合SAT_Traffick；
S6、根据预设的约束条件，以最小化通信时延和最大化馈电链路数据传输速率为目标，构建目标函数；
S7、给定一组侯选信关站位置，基于卫星与用户的可见性、卫星之间的可见性、卫星与信关站的可见性和每颗卫星承载的业务量，确定在单星最大容量和馈电链路最大容量的限制下能实现的L条通信链路，计算目标函数的适应度；
S8、给定信关站数量M，采用遗传算法优化信关站选址，搜索得到一组具有最大适应度的信关站位置。
2.根据权利要求1所述一种宽带低轨卫星通信系统的信关站选址方法，其特征在于，计算每颗卫星的对地覆盖带宽Sw的公式如下：
Figure FDA0002996642460000011
Figure FDA0002996642460000012
上式中，Re为地球半径，h为卫星高度，S′为卫星星下点，O为地心，A为处于最小仰角的用户点，θ为用户最小仰角。
3.根据权利要求2所述一种宽带低轨卫星通信系统的信关站选址方法，其特征在于，所述遍历所有卫星，根据卫星星下点位置计算每个时刻任意两个卫星之间能否建立星间链路，得到卫星之间的可见性这一步骤，两颗卫星建立星间链路，其位置必须满足以下条件：
Figure FDA0002996642460000013
上式中，Re为地球半径，h为卫星高度，α为两颗卫星之间的地心角，Hp为星间链路与地球表面的距离。
4.根据权利要求3所述一种宽带低轨卫星通信系统的信关站选址方法，其特征在于，所述将全球用户网格化并构建全球用户位置业务模型具体为根据本地区的人口数量、经济发展程度和用户类型不同特点置以加权因子计算，得到全球用户位置业务模型，公式表示如下：
Ui＝ρ1×ρ2×popi×300kbps
上式中，Ui表示第i个用户区的业务量，popi为第i个用户区的人口数，ρ1为当地经济发展加权因子，ρ2为当地使用卫星通信的用户比例。
5.根据权利要求4所述一种宽带低轨卫星通信系统的信关站选址方法，其特征在于，计算每个时刻用户端的可视卫星的计算公式如下：
Figure FDA0002996642460000021
C＝sin(MLatS)·sin(MLatB)·cos(MLonS-MLonB)+cos(MLatS)·cos(MLatB)
上式中，
Figure FDA0002996642460000022
和C分别为卫星星下点S′与用户B之间的弧长和地心角，S′的经纬度为(LatS，LonS)，B的经纬度为(LatB，LonB)，按照0°经线基准，东经取正，西经取负，北纬取90°减去纬度，南纬取90°加上纬度，经过上述处理后的星下点S′与用户B的经纬度分别表示为(MLatS，MLonS)和(MLatB，MLonB)，若
Figure FDA0002996642460000023
则认为用户B能与卫星S通信，即卫星S与用户B可视。
6.根据权利要求5所述一种宽带低轨卫星通信系统的信关站选址方法，其特征在于，所述预设的约束条件具体为以信关站选址范围、信关站接收机门限和单星容量上限为约束条件，目标函数的表达式如下：
Figure FDA0002996642460000024
s.t.LGM∈R
SNRGW≥ε
CAPS≤γ
上式中，σ∈(0，1)，改变其大小可以实现调整最小化时延在目标函数中的占比权重。F为目标函数的适应值，L为在单星最大容量和馈电链路最大容量限制下能实现通信的链路条数，ε为信关站接收机门限，
Figure FDA0002996642460000025
和
Figure FDA0002996642460000026
分别为选定一组信关站位置LGM的情况下，第k个时刻点所建立的第i条通信链路中星间最小跳数和数据传输速率，R是信关站选址的限定区域，SNRGW为信关站接收机的信噪比，CAPS为单颗卫星所承载的业务量。
7.根据权利要求6所述一种宽带低轨卫星通信系统的信关站选址方法，其特征在于，所述给定一组侯选信关站位置，基于卫星与用户的可见性、卫星之间的可见性、卫星与信关站的可见性和每颗卫星承载的业务量，确定在单星最大容量和馈电链路最大容量的限制下能实现的L条通信链路，计算目标函数的适应度这一步骤，其具体包括：
S71、给定一组候选信关站位置，找出每个信关站的可视卫星并计算每颗可视卫星对应的信关站接收载噪比；
S72、遍历每个信关站的可视卫星，判断到对应的信关站接收载噪比大于信关站收机信噪比门限值，认为该可视卫星与对应的信关站可建立通信链路，得到每个信关站可直接通信的卫星集合，并计算集合中每颗卫星与相应信关站之间的最大传输速率，得到馈电链路的容量；
S73、遍历每个信关站可直接通信的卫星集合，判断到存在一颗卫星能与多个信关站通信的情况，选出馈电链路容量最大的唯一信关站，进而得到k时刻能与一组信关站直接通信的卫星集合SAT_LOSk，及其对应的馈电链路容量；
S74、遍历卫星集合SAT_LOSk中的卫星，与集合SAT_Traffick中的卫星进行星间路由计算，得到任意两颗卫星实现通信的最小时延路径和星间最小跳数；
S75、遍历卫星集合SAT_Traffick，在卫星集合SAT_LOSk中选出通信时延最小且单星容量未超出上限的卫星来转发该卫星的业务量，得到卫星间的最终通信连接关系表；
S76、基于每条馈电链路容量有限的条件下，按通信时延从小到大的标准，根据卫星间最终通信连接关系表，选出最终能建立的L条通信链路，读取每条通信链路的星间跳数λi，k和实际传输速率Ci，k，计算该时刻下的目标函数；
S77、返回步骤S71，循环直到遍历完所有抽样时刻，将所有时刻下目标函数适应值进行累加，得到该组信关站所具有的适应值。
8.根据权利要求7所述一种宽带低轨卫星通信系统的信关站选址方法，其特征在于，所述给定信关站数量M，采用遗传算法优化信关站选址，搜索得到一组具有最大适应度的信关站位置这一步骤，其具体包括：
S81、初始化遗传算法参数，种群个体数量Ng，交叉概率Pc，变异概率Pm，最大进化代数Tm；
S82、随机生成Ng个个体作为初始种群，一个个体即为一组信关站位置信息，对每个个体进行二进制编码，得到每个个体的基因表达型；
S83、基于步骤S7计算种群中各个个体的适应值；
S84、将选择、交叉、变异算子作用于种群，得到下一代种群，更新进化代数；
S85、重复执行步骤S83-S84，直到进化代数达到Tm，则以进化过程中所得到的具有最大适应度个体作为最优解输出，终止计算。
9.一种宽带低轨卫星通信系统的信关站选址系统，其特征在于，包括卫星、信关站和用户终端，其中：
一颗卫星可以转发多个用户终端的业务量；
一颗卫星只能与一个信关站建立通信；
一个信关站能与多颗卫星通信；
一颗卫星可以与其他4～7个卫星通信。
CN202110332312.2A 2021-03-29 2021-03-29 一种宽带低轨卫星通信系统的信关站选址方法及系统 Active CN113078940B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110332312.2A CN113078940B (zh) 2021-03-29 2021-03-29 一种宽带低轨卫星通信系统的信关站选址方法及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110332312.2A CN113078940B (zh) 2021-03-29 2021-03-29 一种宽带低轨卫星通信系统的信关站选址方法及系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113078940A true CN113078940A (zh) 2021-07-06
CN113078940B CN113078940B (zh) 2022-06-21

Family

ID=76610992

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110332312.2A Active CN113078940B (zh) 2021-03-29 2021-03-29 一种宽带低轨卫星通信系统的信关站选址方法及系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113078940B (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113507314A (zh) * 2021-08-17 2021-10-15 中国科学院微小卫星创新研究院 星间数据传输方法
CN114679214A (zh) * 2022-04-29 2022-06-28 中国人民解放军国防科技大学 用户可见卫星数的计算方法及系统、电子设备、存储介质
CN114727300A (zh) * 2022-02-08 2022-07-08 北京邮电大学 基于引力模型的信关站部署方法及相关设备
CN115065978A (zh) * 2022-08-18 2022-09-16 北京北斗华大科技有限公司 卫星导航系统基站选址的方法、装置及存储介质
CN115378863A (zh) * 2022-05-18 2022-11-22 鹏城实验室 基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法及相关设备
CN117394907A (zh) * 2023-12-13 2024-01-12 西安新宇航空维修工程有限公司 基于北斗卫星通信链路的空地通信系统

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6609002B1 (en) * 1999-09-15 2003-08-19 Hrl Laboratories, Llc Method and apparatus for predictive QoS routing for broad band low earth satellite networks
CN108011660A (zh) * 2017-11-21 2018-05-08 湖南瓴星空间信息技术有限公司 一种全球实时物联网星座系统
US10212610B2 (en) * 2017-03-23 2019-02-19 Thales System for telecommunications by network of stationary high-altitude platforms and drifting balloons
US20190132181A1 (en) * 2017-11-02 2019-05-02 Intelsat US LLC Methods and systems for increasing bandwidth efficiency in satellite communications
CN111601318A (zh) * 2020-05-09 2020-08-28 清华大学 考虑雨衰的Ka频段信关站选址方法和系统
CN112039575A (zh) * 2020-08-04 2020-12-04 航天科工空间工程发展有限公司 一种实现新建和已有ngso星座通信系统兼容共存的方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6609002B1 (en) * 1999-09-15 2003-08-19 Hrl Laboratories, Llc Method and apparatus for predictive QoS routing for broad band low earth satellite networks
US10212610B2 (en) * 2017-03-23 2019-02-19 Thales System for telecommunications by network of stationary high-altitude platforms and drifting balloons
US20190132181A1 (en) * 2017-11-02 2019-05-02 Intelsat US LLC Methods and systems for increasing bandwidth efficiency in satellite communications
CN108011660A (zh) * 2017-11-21 2018-05-08 湖南瓴星空间信息技术有限公司 一种全球实时物联网星座系统
CN111601318A (zh) * 2020-05-09 2020-08-28 清华大学 考虑雨衰的Ka频段信关站选址方法和系统
CN112039575A (zh) * 2020-08-04 2020-12-04 航天科工空间工程发展有限公司 一种实现新建和已有ngso星座通信系统兼容共存的方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHAOYI ZHU,ETC.: "An Optimization Method for the Gateway Station Deployment in LEO Satellite Systems", 《2020 IEEE 91ST VEHICULAR TECHNOLOGY CONFERENCE (VTC2020-SPRING)》 *
孙国滨,等: "区域性覆盖卫星移动通信系统的信关站选址", 《高技术通讯》 *

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113507314A (zh) * 2021-08-17 2021-10-15 中国科学院微小卫星创新研究院 星间数据传输方法
CN114727300A (zh) * 2022-02-08 2022-07-08 北京邮电大学 基于引力模型的信关站部署方法及相关设备
CN114727300B (zh) * 2022-02-08 2024-05-03 北京邮电大学 基于引力模型的信关站部署方法及相关设备
CN114679214A (zh) * 2022-04-29 2022-06-28 中国人民解放军国防科技大学 用户可见卫星数的计算方法及系统、电子设备、存储介质
CN114679214B (zh) * 2022-04-29 2023-12-22 中国人民解放军国防科技大学 用户可见卫星数的计算方法及系统、电子设备、存储介质
CN115378863A (zh) * 2022-05-18 2022-11-22 鹏城实验室 基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法及相关设备
CN115378863B (zh) * 2022-05-18 2023-04-25 鹏城实验室 基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法及相关设备
CN115065978A (zh) * 2022-08-18 2022-09-16 北京北斗华大科技有限公司 卫星导航系统基站选址的方法、装置及存储介质
CN115065978B (zh) * 2022-08-18 2022-10-25 北京北斗华大科技有限公司 卫星导航系统基站选址的方法、装置及存储介质
CN117394907A (zh) * 2023-12-13 2024-01-12 西安新宇航空维修工程有限公司 基于北斗卫星通信链路的空地通信系统
CN117394907B (zh) * 2023-12-13 2024-02-06 西安新宇航空维修工程有限公司 基于北斗卫星通信链路的空地通信系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN113078940B (zh) 2022-06-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113078940B (zh) 一种宽带低轨卫星通信系统的信关站选址方法及系统
Gu et al. Dynamic cooperative spectrum sharing in a multi-beam LEO-GEO co-existing satellite system
CN112399429B (zh) 一种用于卫星通信系统的通信场景建模方法及系统
CN111464225B (zh) 基于源路由的卫星路由负载均衡算法
EP0748062A3 (en) Multiple satellite repeater capacity loading with multiple spread spectrum gateway antennas
Yang Low earth orbit (LEO) mega constellations-satellite and terrestrial integrated communication networks.
CN112152695A (zh) 低轨卫星星座的测运控系统及其方法
Yahia et al. HAPS-assisted hybrid RF-FSO multicast communications: Error and outage analysis
CN113783598B (zh) 一种多用户多中继星地融合的网络传输方法
Jiang et al. Regional LEO satellite constellation design based on user requirements
CN110149140B (zh) 卫星机会式网络的转发方法
Porte et al. Sensing system for remote areas in Antarctica
Samy et al. Hybrid SAG-FSO/SH-FSO/RF transmission for next-generation satellite communication systems
Khalil et al. A comparative study of rural networking solutions for global internet access
CN104485988A (zh) 一种基于能量有效的分布式星群节点选择方法
Samy et al. Reliable terabits feeder link for very high-throughput satellite systems with SAG-FSO transmission
Dakic et al. On delay performance in mega satellite networks with inter-satellite links
Hu et al. Modeling and analysis of end-to-end leo satellite-aided shore-to-ship communications
Sidibeh et al. IEEE 802.11 optimisation techniques for inter-satellite links in LEO networks
Almalki Optimisation of a propagation model for last mile connectivity with low altitude platforms using machine learning
Xu et al. Spectrum sensing of cognitive radio for cubesat swarm network
Samy et al. Parallel FSO-RF Transmissions for High-Throughput Remote Access with Satellite Communications
Ramdani et al. The Role of High Throughput Satellite as Sky Highway Infrastructure to Support the Acceleration of Internet Entry into Villages in Indonesia
Abe et al. Traffic-control method of non-terrestrial network for actualizing concept of IOWN space integrated computing network
Cheng et al. Study on gateway station deployment for large scale LEO satellite constellation networks

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant