CN113949440A - 一种基于信息点播的低轨卫星通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于信息点播的低轨卫星通信方法，属于低轨卫星通信领域。本发明针对低轨卫星业务数据在传输的过程中链路时常中断特点，通过采用基于DTN协议实现业务数据的星地点播服务，解决了星地信息点播业务数据交互问题以及具有传输链路断续、大时延等特征网络的业务数据可靠传输的问题。本发明可应用于低轨卫星通信系统或其他非静止轨道卫星系统中，实现星地业务数据可靠交互，有效保障了低轨卫星系统对与地面用户间的可靠信息传输。
Description
技术领域
本发明属于低轨卫星通信技术领域，特别是指一种基于信息点播的低轨卫星通信方法。
背景技术
在商业航天、互联网星座发展的大背景下，发展低轨通信星座已经成为共识。低轨卫星对地覆盖特点是全球覆盖，不同轨道覆盖情况不同，覆盖时长多变。以卫星轨道高度400km为例，卫星对地Ka波束宽度5.5°，对地扫描宽度±45°。卫星运动轨迹方向为“西南->东北”或“西北->东南”，低轨卫星对地覆盖情况仿真如下：
选择石家庄、北京、成都、三亚等4个城市进行链路可视时长的覆盖性仿真。针对每个地点，通过仿真，统计出七天内每天可见次数(每次大于1分钟)和可见最长时间。如下表所示。
可以看出，在7天的仿真周期中，4个地点每天的可见次数都在2次以上，每次覆盖时长不同，最短时长几十秒，最大时长5分钟(318s)。
根据以上仿真可以看出，低轨卫星具有对同一地点每轨覆盖时长短，覆盖时长多变的特点。因此，为了保障用户的业务数据可靠传输，研究基于低轨卫星的星地通信流程具有很重要的现实意义。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种基于信息点播的低轨卫星通信方法。该方法采用星地信息点播流程以及DTN星地通信协议，解决了低轨卫星对某一地面站点通信时间短、通信时长多变所造成的链路中断多、大时延等业务数据可靠传输的问题。
为了实现上述目的，本发明的目的是包括以下步骤：
一种基于信息点播的低轨卫星通信方法，包括以下步骤：
(1)低轨卫星飞临某地面站，根据任务规划，判断对地覆盖时长是否大于60s，如果大于60s，进入步骤(2)，否则，低轨卫星与此地面站不开展通信业务，继续飞行等待飞临下一地面站；
(2)低轨卫星建立对地面站的星地链路，低轨卫星从存储器中读取文件名称列表，然后通过星地链路传输模块广播给地面业务终端；
(3)地面业务终端接收星地链路信息，从接收到的文件名称列表中选取所需文件名称，将所需文件的名称通过星地上行链路发送给低轨卫星；
(4)低轨卫星判断对地面站的覆盖时长是否大于60s，如大于60s则进入步骤(6)，否则，低轨卫星与地面站不开展对地业务，继续飞行等待飞临下一地面站；
(5)低轨卫星通过DTN协议处理模块将地面业务终端所需文件进行协议处理，然后经分组交换模块及星地链路传输模块下传至地面业务终端；
(6)在低轨卫星对地通信时长内，DTN协议处理模块判断是否完成全部文件下传任务，如果全部下传文件任务完成，进入步骤(8)，否则，返回步骤(5)；
(7)地面站接收低轨卫星下发文件数据，转发给地面DTN网关，地面DTN网关完成接收数据文件整合后，转发给地面业务终端，地面业务终端接收到所需的点播文件。
进一步的，所述低轨卫星的载荷系统具有CPU单元和FPGA单元；其中，CPU单元用于部署DTN协议处理模块，FPGA单元用于部署分组交换模块和星地链路传输模块，低轨卫星的存储器用于存储不同的业务文件及文件名称列表；每个低轨卫星地面站均具有射频天线、射频通道，以及跟踪低轨卫星的伺服系统。
进一步的，步骤(2)的具体方式为：
(2-1)低轨卫星飞至地面站覆盖范围内，建立上下行星地链路；
(2-2)低轨卫星的DTN协议处理模块从存储中读取业务文件名称列表；
(2-3)低轨卫星的DTN协议处理模块将文件名称列表进行以太网帧组帧，然后发送给分组交换模块；
(2-4)分组交换模块根据地址，将文件名称列表以太网帧的形式转发给已建立的星地下行链路；
(2-5)星地下行链路在低轨卫星对地有效通信时长内完成下行数据传输；
(2-6)地面站的地面信道终端接收星地下行链路数据信息，解析后经地面交换机将文件名称列表广播给多个地面业务终端。
进一步的，步骤(3)的具体方式为：
(3-1)地面业务终端接收文件名称列表，解析后根据需求确定所需文件，将所需文件的名称进行以太网组帧后，经交换机发送给地面信道终端；
(3-2)在低轨卫星对本地面站有效通信时长内，地面信道终端经星地上行链路将信息发送至低轨卫星；
(3-3)低轨卫星载荷系统接收星地信息，完成解析后将数据发送给分组交换模块，分组交换模块根据地址，转发至DTN协议处理模块；
(3-4)DTN协议处理模块完成文件列表解析，并根据列表，从存储器中读取文件并缓存。
进一步的，步骤(5)的具体方式为：
(5-1)低轨卫星飞至地面站覆盖范围内，建立上下行星地链路；
(5-2)DTN协议处理模块从缓存中读取相应文件，封装为bundle包，再分割为DTN包，进行缓存，直至收到该DTN包的确认包后将其从缓存中删除；
(5-3)DTN协议处理模块将DTN包进行以太网组帧，发送给分组交换模块，分组交换模块根据地址转发至星地链路传输模块；
(5-4)在低轨卫星对此地面站覆盖的有效通信时长内，通过星地下行链路，下传DTN包。
进一步的，步骤(6)中，若链路中断，则DTN协议处理模块中止DTN包发送，待低轨卫星飞行至下一地面站，星地建链后，DTN协议处理模块再次执行步骤(5)，继续文件下传。
进一步的，步骤(7)的具体方式为：
(7-1)通过一个或多个地面站的地面信道终端正常接收低轨卫星数据下发数据文件，解析后转发给各地面站内部署的地面DTN网关；
(7-2)各地面DTN网关完成DTN包解析后，将不同地面站业务数据经地面网络汇总后，根据文件名称及转发地址，将相应文件转发给对应地面业务终端；
(7-3)地面业务终端接收到所需点播文件。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明针引入低轨卫星星地信息按需点播交互方法，提出了星地信息点播的流程。
2、本发明针对低轨卫星通信系统对地覆盖高动态且对地覆盖时长多变的特点，引入基于DTN协议处理的星地信息点播业务数据交互流程，克服了星地信息点播方法在低轨卫星对某一地面站覆盖时长不够，链路通断频繁等情况造成的文件传输失败的问题，有效保障星地点播信息的可靠传输。
总之，本发明通过采用基于DTN协议实现业务数据的星地点播服务，解决了星地信息点播业务数据交互问题，并解决了具有传输链路断续、大时延等特征网络的业务数据可靠传输的问题。本发明可应用于低轨卫星通信系统或其他非静止轨道卫星系统中，实现星地业务数据可靠交互，有效保障了低轨卫星系统对与地面用户间的可靠信息传输。
附图说明
图1是本发明的应用场景示意图。
图2是本发明的工作流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
如图1所示为一个低轨卫星通信系统，其包含低轨卫星有效载荷系统及3个低轨卫星地面站。
低轨卫星有效载荷系统包含CPU单元、FPGA单元、存储器。其中，CPU单元部署DTN协议软件，FPGA单元部署分组交换软件及星地传输软件。存储器用于不同的业务文件及文件名称列表存储。
低轨卫星地面站包含射频天线、射频通道、跟踪低轨卫星的伺服系统。此外，为了实施该方法，还需部署地面信道终端、地面业务终端、地面DTN网关、交换机、路由器等。
仍见图1，低轨卫星对某地面站覆盖通信时长内，下发可点播文件列表，地面站的业务终端根据列表上传点播文件需求。低轨卫星载荷系统从存储读取所需文件，经DTN协议处理为DTN包后缓存，待低轨卫星对某地面站通信时长大于60s，低轨卫星载荷系统下传点播文件。如在低轨卫星对某地面站覆盖的有效通信时长内，未完成全部点播文件下传，低轨卫星携带剩余DTN包继续飞行，在低轨卫星飞临其它的几个地面站点时，完成文件下传。不同地面站通过地面网络和地面DTN网关，将接收的DTN包整合后形成完成文件，发送给相应地面业务终端。实现星地信息按需、可靠点播服务。
图2为星地点播通信的具体流程，主要步骤如下：
(1)根据任务规划，业务模拟模块从存储提取业务数据文件列表，经分组交换至信号处理模块完成信道编码后，经系统的射频通道发出，地面信道设备接收后完成信号处理译码，转发地面交换机及DTN网关及业务终端。业务终端形成点播需求上传至卫星载荷系统。
(2)低轨卫星卫星载荷系统解析点播需求，从存储读取点播文件，通过信道系统下传，
(3)如在通信时长内不能完成文件下传，利用DTN协议处理，在低轨卫星覆盖的下一站点完成文件下传。
(4)地面系统完成所有文件接收后，通过地面网络汇总后，形成完整文件给业务终端。完成点播任务。
总之，本发明独创了基于DTN协议处理的低轨卫星星地信息按需点播方法，该实施例用于低轨卫星系统，解决了低轨卫星对地满足覆盖时长短，覆盖时长多变情况下，信息可靠传输的问题。
本领域的技术人员应当理解，在本发明的技术方案的基础上进行修改或者等同替换，都不脱离本发明设计方法及技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。同时，本发明未详细说明部分属本领域技术人员的公知常识。
Claims (7)
1.一种基于信息点播的低轨卫星通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)低轨卫星飞临某地面站，根据任务规划，判断对地覆盖时长是否大于60s，如果大于60s，进入步骤(2)，否则，低轨卫星与此地面站不开展通信业务，继续飞行等待飞临下一地面站；
(2)低轨卫星建立对地面站的星地链路，低轨卫星从存储器中读取文件名称列表，然后通过星地链路传输模块广播给地面业务终端；
(3)地面业务终端接收星地链路信息，从接收到的文件名称列表中选取所需文件名称，将所需文件的名称通过星地上行链路发送给低轨卫星；
(4)低轨卫星判断对地面站的覆盖时长是否大于60s，如大于60s则进入步骤(6)，否则，低轨卫星与地面站不开展对地业务，继续飞行等待飞临下一地面站；
(5)低轨卫星通过DTN协议处理模块将地面业务终端所需文件进行协议处理，然后经分组交换模块及星地链路传输模块下传至地面业务终端；
(6)在低轨卫星对地通信时长内，DTN协议处理模块判断是否完成全部文件下传任务，如果全部下传文件任务完成，进入步骤(8)，否则，返回步骤(5)；
(7)地面站接收低轨卫星下发文件数据，转发给地面DTN网关，地面DTN网关完成接收数据文件整合后，转发给地面业务终端，地面业务终端接收到所需的点播文件。
2.如权利要求1所述的一种基于信息点播的低轨卫星通信方法，其特征在于，所述低轨卫星的载荷系统具有CPU单元和FPGA单元；其中，CPU单元用于部署DTN协议处理模块，FPGA单元用于部署分组交换模块和星地链路传输模块，低轨卫星的存储器用于存储不同的业务文件及文件名称列表；每个低轨卫星地面站均具有射频天线、射频通道，以及跟踪低轨卫星的伺服系统。
3.如权利要求1所述的一种基于信息点播的低轨卫星通信方法，其特征在于，步骤(2)的具体方式为：
(2-1)低轨卫星飞至地面站覆盖范围内，建立上下行星地链路；
(2-2)低轨卫星的DTN协议处理模块从存储中读取业务文件名称列表；
(2-3)低轨卫星的DTN协议处理模块将文件名称列表进行以太网帧组帧，然后发送给分组交换模块；
(2-4)分组交换模块根据地址，将文件名称列表以太网帧的形式转发给已建立的星地下行链路；
(2-5)星地下行链路在低轨卫星对地有效通信时长内完成下行数据传输；
(2-6)地面站的地面信道终端接收星地下行链路数据信息，解析后经地面交换机将文件名称列表广播给多个地面业务终端。
4.如权利要求1所述的一种基于信息点播的低轨卫星通信方法，其特征在于，步骤(3)的具体方式为：
(3-1)地面业务终端接收文件名称列表，解析后根据需求确定所需文件，将所需文件的名称进行以太网组帧后，经交换机发送给地面信道终端；
(3-2)在低轨卫星对本地面站有效通信时长内，地面信道终端经星地上行链路将信息发送至低轨卫星；
(3-3)低轨卫星载荷系统接收星地信息，完成解析后将数据发送给分组交换模块，分组交换模块根据地址，转发至DTN协议处理模块；
(3-4)DTN协议处理模块完成文件列表解析，并根据列表，从存储器中读取文件并缓存。
5.如权利要求1所述的一种基于信息点播的低轨卫星通信方法，其特征在于，步骤(5)的具体方式为：
(5-1)低轨卫星飞至地面站覆盖范围内，建立上下行星地链路；
(5-2)DTN协议处理模块从缓存中读取相应文件，封装为bundle包，再分割为DTN包，进行缓存，直至收到该DTN包的确认包后将其从缓存中删除；
(5-3)DTN协议处理模块将DTN包进行以太网组帧，发送给分组交换模块，分组交换模块根据地址转发至星地链路传输模块；
(5-4)在低轨卫星对此地面站覆盖的有效通信时长内，通过星地下行链路，下传DTN包。
6.如权利要求1所述的一种基于信息点播的低轨卫星通信方法，其特征在于，步骤(6)中，若链路中断，则DTN协议处理模块中止DTN包发送，待低轨卫星飞行至下一地面站，星地建链后，DTN协议处理模块再次执行步骤(5)，继续文件下传。
7.如权利要求6所述的一种基于信息点播的低轨卫星通信方法，其特征在于，步骤(7)的具体方式为：
(7-1)通过一个或多个地面站的地面信道终端正常接收低轨卫星数据下发数据文件，解析后转发给各地面站内部署的地面DTN网关；
(7-2)各地面DTN网关完成DTN包解析后，将不同地面站业务数据经地面网络汇总后，根据文件名称及转发地址，将相应文件转发给对应地面业务终端；
(7-3)地面业务终端接收到所需点播文件。
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