CN114039653A - 中低轨道卫星切换方法、装置、地面终端、卫星和信关站 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中低轨道卫星切换方法、装置、地面终端、卫星和信关站，其中所述中低轨道卫星切换方法包括：获取预切换信息，所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件；在满足所述切换触发条件时，切换至所述切换触发条件所对应的所述切换目标卫星的服务链路。

Description

中低轨道卫星切换方法、装置、地面终端、卫星和信关站

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，具体涉及一种中低轨道卫星切换方法、装置、地面终端、卫星和信关站。

背景技术

卫星通信系统以卫星作为中继站转发微波信号，在多个地面终端之间通信。基于卫星轨道的类型，一种较为成熟的卫星通信系统是利用地球同步卫星(GEO)，这种卫星能够在围绕赤道轨道上空3600千米左右的高度保持对地静止并提供无线接入服务。然而，由于轨道的限制，这种通信系统的系统容量受限、服务区域也无法覆盖到高维度地区。上个世纪提出过一种通过使用中低轨道(LEO/MEO)卫星组建星座的方式提供全球卫星通信覆盖的想法在，并且在全世界范围内掀起一波建设热潮。然而，由于过于高昂的成本以及受限的数字信号处理技术，第一次尝试均以失败告终。近年来，随着商业航天技术的发展，发射成本得到了大幅度的降低。并且数字信号处理技术的成本和算力均得到了较大的进步。因此，基于中低轨道卫星的通信卫星星座计划再次被提出。尽管中低轨道卫星无法与地球保持相对静止，但是通过星座的方式能够理论上能够实现全球的覆盖。并且由于无线通信系统的容量由频率复用系数决定，离地球表面更近的中低轨道卫星能够提供相比GEO卫星更多的通信容量。

虽然利用中低轨道星座构建全球覆盖的、高容量的通信系统能够快速向上述欠发达地区提供无线接入能力。但是在高速移动的卫星和地面终端间建立无线链路也面临诸多技术上的挑战，并且这些挑战并不是传统地面蜂窝网络中存在的，因此在现有文献中也较少的被研究过。其中一个问题是由于中低轨道卫星相对地面高速移动和波束成形带来的。由于卫星通信频率在KA或KU波段，该频段的路径损耗较大，如果不使用相控阵天线对无线电波进行波束成形，则无法在地面端无法实现有效的信噪比。波束成形意味着卫星对地覆盖面积是一个以波束中心点为中心的圆形。在一个1000Km高度的低轨道上的卫星，其飞行速度能达到7km/s，在这个速度下，低轨卫星的轨道周期大概在1.45个小时左右。如果进一步考虑轨道的相对赤道面的仰角以及地面终端所处的高纬度地区，这意味着一个中低轨道卫星在地面终端的可见窗口(Visual Window)大概在20分钟左右。如果不使用波束跟踪而是使用固定波束，则只有在部分可见窗口内波束扫描到的时间区域内通信链路才能达到满意的水平，这样中低轨道卫星能服务一个地面终端的时间进一步缩小。在公开的Starlink测试数据中，披露的链路速率并不包含持续服务的时间，这意味着可能Starlink也尚未解决多颗卫星提供持续通信服务的问题。

解决上述问题的一种方式是利用中低轨道星座的方式，如图1和图2所示，在一个轨道上部署多颗卫星，由不同卫星接力服务的方式实现持续不断的通信链路。在图2中，卫星S1、S2、S3、S4为同一轨道上的不同卫星，在T1时刻，地面终端与卫星S2保持连接关系，并与S2进行通信，卫星按如图所示方向运动，在T2时刻，随着卫星S2逐渐远离地面终端，地面终端进入卫星S2和S3重叠的服务区域，在T3时刻，地面终端移入S3的中心服务区域。由此可见，一颗中低轨道卫星与地面终端之间无法长期保持在连接的状态，地面终端必须要进行频繁的卫星切换才能实现持续的覆盖。尽管地面蜂窝通信系统里对类似的小区切换技术有非常深入的研究，但是这些技术与卫星切换之间仍然存在较大的差距。在专利文献US9681337B2中提出了一种针对卫星切换的技术，然而这个技术仍然是延续了地面蜂窝系统的小区切换技术的理念。例如，信关站与地面蜂窝系统中的移动性管理单元(MME)类似，负责进行小区切换决定，并通过低轨卫星将指令发送，地面终端在收到指令后进行从源卫星到目标卫星的连接转换，源卫星和目标卫星负责将数据中继回信关站。这种技术虽然可以满足地面终端的卫星切换的需求，但却不是一个较为优化的方法。这是由于其没有考虑到卫星运动和通信链路之间独特的特点，例如上述频繁的切换均需要引发切换决策并带来相关的信关站信令和数据缓存和转发，会对通信系统造成巨大的时延。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种中低轨道卫星切换方法、装置、地面终端、卫星和信关站，以解决现有技术中卫星切换过程中时延高的问题。

根据第一方面，本发明实施例提供了一种中低轨道卫星切换方法，适用于地面终端，包括：获取预切换信息，所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件；在满足所述切换触发条件时，切换至所述切换触发条件所对应的所述切换目标卫星的服务链路。

可选地，所述切换至所述切换触发条件所对应的所述切换目标卫星的服务链路，包括：向当前卫星发送切换信令，以使得所述当前卫星停止传输数据包；接入所述切换触发条件所对应的所述切换目标卫星的服务链路。

可选地，所述预切换信息的帧结构包括切换配置字段和至少一个卫星信息字段，所述切换配置字段用于指示所述切换触发条件，所述至少一个卫星信息字段按照扫过所述地面终端的所述切换目标卫星的顺序排列。

可选地，所述切换配置字段包括当前卫星和切换目标卫星接收功率比、相对位置信息、时间信息中的至少一个；每个所述卫星信息字段包括相应目标切换卫星的卫星ID、轨道、波束方向、随机接入资源、覆盖时间差中的至少一个。

根据第二方面，本发明实施例提供了一种中低轨道卫星切换方法，适用于卫星，包括：向地面终端发送预切换信息，所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件，用于使所述地面终端在满足所述切换触发条件时切换至所述切换触发条件所对应的所述切换目标卫星的服务链路。

可选地，在所述向地面终端发送预切换信息之前，还包括：从信关站接收所述预切换信息。

可选地，所述中低轨道卫星切换方法还包括：在接收到切换信令时，停止向所述地面终端传输数据包；其中，所述切换信令由所述地面终端在满足所述切换触发条件时发出。

可选地，所述中低轨道卫星切换方法还包括：接收所述切换目标卫星反馈的切换成功信息。

可选地，所述中低轨道卫星切换方法还包括：在满足所述切换触发条件之前，与最邻近的切换目标卫星之间建立星间链路；与所述最邻近的切换目标卫星之间同步所述地面终端的上下行数据接收状态。

根据第三方面，本发明实施例提供了一种中低轨道卫星切换方法，适用于卫星，包括：接收地面终端发出的接入请求，所述接入请求是所述地面终端在满足切换触发条件时发出的；响应于所述接入请求，使所述地面终端接入服务链路。

可选地，在所述接收地面终端发出的接入请求之前，所述中低轨道卫星切换方法还包括：接收在前卫星发出的建立星间链路请求；与所述在前卫星之间同步所述地面终端的上下行数据接收状态。

可选地，在所述地面终端接入服务链路之后，所述中低轨道卫星切换方法还包括：向所述当前卫星反馈的切换成功信息。

可选地，所述中低轨道卫星切换方法还包括：在满足所述切换触发条件之前，向所连接的信关站请求所述地面终端的下行数据；接收所述信关站发送的所述地面终端的下行数据。

可选地，在所述地面终端接入服务链路之后，所述中低轨道卫星切换方法还包括：向所述地面终端发送所述地面终端的下行数据。

根据第四方面，本发明实施例提供了一种中低轨道卫星切换方法，适用于卫星，包括：获取至少一个地面终端的预切换信息，每个所述地面终端的所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件；根据所述预切换信息预测各个所述地面终端的切换时间；根据各个所述地面终端的切换时间调整所述卫星的信号发送和接收状态。

可选地，所述根据各个所述地面终端的切换时间调整所述卫星的信号发送和接收状态，包括：调整所述卫星的波束方向、发送预定同步信号、调度随机接入资源中的至少一个。

根据第五方面，本发明实施例提供了一种中低轨道卫星切换方法，适用于信关站，包括：向卫星发送预切换信息，所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件，用于使所述卫星当前服务的地面终端在满足所述切换触发条件时切换至所述切换触发条件所对应的所述切换目标卫星的服务链路。

可选地，所述中低轨道卫星切换方法还包括：接收所述切换目标卫星发出的获取所述地面终端的下行数据的请求；根据所述请求向所述切换目标卫星发送的所述地面终端的下行数据。

根据第五方面，本发明实施例提供了一种中低轨道卫星切换装置，适用于地面终端，包括：获取单元，用于获取预切换信息，所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件；切换单元，用于在满足所述切换触发条件时，切换至所述切换触发条件所对应的所述切换目标卫星的服务链路。

根据第六方面，本发明实施例提供了一种中低轨道卫星切换装置，适用于卫星，包括：发送单元，用于向地面终端发送预切换信息，所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件，用于使所述地面终端在满足所述切换触发条件时切换至所述切换触发条件所对应的所述切换目标卫星的服务链路。

根据第七方面，本发明实施例提供了一种中低轨道卫星切换装置，适用于卫星，包括：接收单元，用于接收地面终端发出的接入请求，所述接入请求是所述地面终端在满足切换触发条件时发出的；接入单元，用于响应于所述接入请求，使所述地面终端接入服务链路。

根据第八方面，本发明实施例提供了一种中低轨道卫星切换装置，适用于卫星，包括：获取单元，用于获取至少一个地面终端的预切换信息，每个所述地面终端的所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件；预测单元，用于根据所述预切换信息预测各个所述地面终端的切换时间；调整单元，用于根据各个所述地面终端的切换时间调整所述卫星的信号发送和接收状态。

根据第九方面，本发明实施例提供了一种中低轨道卫星切换装置，适用于信关站，包括：发送单元，用于向卫星发送预切换信息，所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件，用于使所述卫星当前服务的地面终端在满足所述切换触发条件时切换至所述切换触发条件所对应的所述切换目标卫星的服务链路。

根据第十方面，本发明实施例提供了一种地面终端，包括：天线，获取预切换信息，所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件；存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，控制所述天线在满足所述切换触发条件时，切换至所述切换触发条件所对应的所述切换目标卫星的服务链路。

根据第十一方面，本发明实施例提供了一种中低轨道卫星，包括：天线，用于向地面终端发送预切换信息，所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件，用于使所述地面终端在满足所述切换触发条件时切换至所述切换触发条件所对应的所述切换目标卫星的服务链路。

根据第十二方面，本发明实施例提供了一种中低轨道卫星，包括：天线，用于接收地面终端发出的接入请求，所述接入请求是所述地面终端在满足切换触发条件时发出的；存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，控制所述天线响应于所述接入请求，使所述地面终端接入服务链路。

根据第十三方面，本发明实施例提供了一种中低轨道卫星，包括：天线，用于获取至少一个地面终端的预切换信息，每个所述地面终端的所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件；存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，根据所述预切换信息预测各个所述地面终端的切换时间；并且根据各个所述地面终端的切换时间调整所述卫星的信号发送和接收状态。

根据第十四方面，本发明实施例提供了一种信关站，包括：天线，用于向卫星发送预切换信息，所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件，用于使所述卫星当前服务的地面终端在满足所述切换触发条件时切换至所述切换触发条件所对应的所述切换目标卫星的服务链路。

根据本发明实施例的中低轨道卫星切换方法、装置、地面终端、卫星和信关站，与现有技术中由信关站作出切换决策并带来相关的信关站信令和数据缓存和转发的方案相比，本发明实施例的中低轨道卫星切换方法中地面终端预先获取到预切换信息，地面终端可以预判切换时机和切换目标，在满足切换触发条件时按预定规划进行卫星切换，无需启动繁琐的切换指令交换和数据缓存和转发，从而可以降低由于频繁卫星切换所引起的通信系统时延。

根据本发明实施例的中低轨道卫星切换方法、装置、地面终端、卫星和信关站，与现有技术中信关站或移动管理单元在决定启动切换后才执行数据的缓存和转发的方案相比，本发明实施例中在地面终端切换至切换目标卫星之前，目标切换卫星就已经与当前卫星之间同步了地面终端的上下行数据接收状态，由此获得了地面终端的上行数据的传输情况并且缓存了下行数据，这样在地面终端切换到该最邻近的切换目标卫星时，能够为地面终端快速提供连续的数据传输。

根据本发明实施例的中低轨道卫星切换方法、装置、地面终端、卫星和信关站，切换目标卫星在满足切换触发条件之前，向所连接的信关站请求地面终端的下行数据，从而切换目标卫星能够预先获取地面终端的下行数据，当地面终端接入切换目标卫星时，切换目标卫星能够立即向地面终端转发下行数据，进而为地面终端快速提供连续的数据传输。

根据本发明实施例的中低轨道卫星切换方法、装置、地面终端、卫星和信关站，卫星根据各个地面终端的预切换信息，提前预测出各个地面终端的切换时间，从而能够提前预测卫星的信号发送和接收状态的调整，因此卫星能够在运动过程中及时调整自身的信号发送和接收状态，不仅为地面终端提供了更好的信号质量和更大的吞吐量，还降低了通信系统的时延。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明实施例的中低轨道卫星星座的示意图；

图2示出了本发明实施例的多颗中低轨道卫星为地面终端提供接力服务的示意图；

图3示出了本发明实施例中多个卫星的服务区域相对于移动终端运动的示意图；

图4示出了传统地面蜂窝通信系统中移动终端在各个小区随机移动的示意图；

图5示出了根据本发明实施例的中低轨道卫星切换方法的流程图；

图6示出了根据本发明实施例的预切换信息的帧结构的一个示例；

图7示出了根据本发明另一实施例的中低轨道卫星切换方法的流程图；

图8示出了根据本发明另一实施例的中低轨道卫星切换方法的流程图；

图9示出了根据本发明另一实施例的中低轨道卫星切换方法的流程图；

图10示出了根据本发明另一实施例的中低轨道卫星切换方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如背景技术部分所述，在一个1000Km高度的低轨道上的卫星，其飞行速度能达到7km/s，这个速度并不是传统地面蜂窝通信系统所考虑的速度范围。地面蜂窝通信系统所考虑的极限是500km/h的高速列车，两者的速度差异约为50倍，难以将传统地面蜂窝通信系统的小区切换技术应用于中低轨道卫星通信系统。然而，本发明的发明人通过不断研究后发现，中低轨道卫星切换具有如下特点：

中低轨道卫星在围绕地球转动时，其运行轨道是确定的，在轨道各处的速度也是确定的。在地面终端有移动的情况下，即使是速度为500km/h的高速列车，两者的速度差异也约为50倍，因此，地面终端相对于高速移动的卫星而言可视为相对静止，在图3的示例中，若以地面终端为参照物，随着卫星的移动，各个卫星的服务区域沿着图中所例示的指向左下角的方向移动，而若以各个卫星的服务区域为参照物，则意味着地面终端沿着图中所例示的指向右上角的方向，以可预测的速度从一颗卫星的服务区域移动到另一颗卫星的服务区域，这意味着一个地面终端移入一颗卫星的服务区域和移出一颗卫星的服务区域的时间相对固定，具有可预测性。而对于地面蜂窝系统而言，如图4所示，终端可能在各小区随机移动，完全不具备可预测性。因此，中低轨道卫星通信系统与传统地面蜂窝通信系统具有完全不同的特性。

图5示出了根据本发明实施例的中低轨道卫星切换方法，可以包括如下步骤：

S11.当前卫星向地面终端发送预切换信息。

当地面终端处于当前卫星的服务区域时，地面终端可以从当前卫星获取到预切换信息，在一种可选实施方式中，预切换信息是由信关站或与信关站通信的网络单元生成，并由当前卫星转发至地面终端的。该预切换信息可以包括切换目标卫星信息和切换触发条件。以图3为例，地面终端当前接入卫星1的服务链路，卫星1可以将包括相邻的卫星2的信息和切换触发条件的预切换信息发送给地面终端。

作为一种可选实施方式，由于切换将会持续发生，仍以图3为例，由于卫星围绕地球不断转动，终端从卫星1的服务区域离开进入卫星2的服务区域后不久，还会再进入到卫星3的服务区域。为了避免反复发送预切换信息，预切换信息可以包括多个切换目标卫星信息和切换触发条件，各个切换目标卫星具有对应的切换触发条件。在本实施方式中，可选地，该多个切换目标卫星按照扫过地面终端的顺序可以构成切换目标卫星信息序列，该切换目标卫星信息序列中的每个切换目标卫星信息对应有切换触发条件，即切换触发条件也成为一个与切换目标卫星信息序列一一对应的切换触发条件序列。

S12.地面终端判断是否满足切换触发条件。

地面终端在预先获取到预切换信息时，并不会马上完成卫星切换，而是会先判断是否满足切换触发条件，只有在满足该切换触发条件时，才进行卫星切换。

在一种可选实施方式中，该切换触发条件例如可以是当前卫星和切换目标卫星接收功率比，当切换目标卫星的信号接收功率高于当前卫星时，地面终端可以从当前卫星切换至该目标卫星，以实现更好的信号质量和更大的吞吐量。对于地面终端而言，当前卫星和目标卫星的信号接收功率取决于当前卫星和相邻切换目标卫星相对于该地面终端的位置，在图3的示例中，地面终端处于卫星1的服务区域内，卫星1的信号接收功率高于卫星2，而当地面终端处于卫星2的服务区域内时，卫星2的信号接收功率会高于卫星1。由于中低轨道卫星在围绕地球转动时，其运行轨道是确定的，在轨道各处的时间也是确定的，因此卫星的位置与时间也是存在关联的，可以通过该卫星的星历信息得到。由上述分析可知，该切换触发条件可以包括能够互相推算的当前卫星和切换目标卫星接收功率比、相对位置信息或时间信息中的至少一个。

进一步地，由于信号接收功率会受到卫星的波束方向影响，因此，卫星信息还包括各个卫星的波束信息。该波束信息可以是通过波束编号的方式实现的相对编号，或者可以是地球参考系中绝对角度。

S13.在满足切换触发条件时，地面终端切换至切换触发条件所对应的切换目标卫星的服务链路。

地面终端在满足切换触发条件时，向切换目标卫星发出接入请求，切换目标卫星响应于该接入请求，使地面终端接入其服务链路。如步骤S12中所述，在满足切换触发条件时，地面终端进行卫星切换以实现更好的信号质量和更大的吞吐量。

与现有技术中由信关站作出切换决策并带来相关的信关站信令和数据缓存和转发的方案相比，本发明实施例的中低轨道卫星切换方法中地面终端预先获取到预切换信息，地面终端可以预判切换时机和切换目标，在满足切换触发条件时按预定规划进行卫星切换，无需启动繁琐的切换指令交换和数据缓存和转发，从而可以降低由于频繁卫星切换所引起的通信系统时延。

图6示出了根据本发明实施例的预切换信息的帧结构的示例，如图6所示，该预切换信息可以包括切换配置字段和至少一个卫星信息字段。

其中，切换配置字段用于指示上文所述的切换触发条件，例如可以是当前卫星和切换目标卫星接收功率比、或是相对位置信息、或是时间信息等等。在本发明实施例的一些可选实施方式中，该切换配置字段还可以包括地面终端是否自主执行切换还是汇报其识别的切换时机；进一步地，该切换配置字段还可以包括地面终端是否在执行切换前发送指示信令到当前卫星；进一步地，该切换配置字段还可以包括地面终端是否在切换至目标卫星后发送指示信令到目标卫星。

当卫星信息字段有多个时，多个卫星信息字段按照扫过地面终端的切换目标卫星的顺序排列，在图6的示例中，卫星N至卫星N+3顺序扫过地面终端，因此，在卫星信息字段中，从卫星N至卫星N+3顺序排列。以卫星N+1字段为例，卫星N+1字段可以包括卫星N+1的ID、轨道或等同位置、波束方向、随机接入资源等。卫星N+1字段排在卫星N字段的后一位，因此预切换信息指示在卫星N服务的地面终端在满足切换触发条件时，将转入卫星N+1的服务链路。需要注意的是，卫星N和卫星N+1可以不必在同一轨道，例如地面终端可以通过临近的两个轨道上的卫星交替进行服务。进一步地，当覆盖不连续时，卫星N+1字段还可以包括与卫星N覆盖之间的时间差。

图7示出了根据本发明另一实施例的中低轨道卫星切换方法，可以包括如下步骤：

S21.当前卫星向地面终端发送预切换信息。具体内容可以参考步骤S11的描述。

S22.地面终端判断是否满足切换触发条件。具体内容可以参考步骤S12的描述。

S23.在满足切换触发条件时，地面终端向当前卫星发送切换信令。

S24.当前卫星停止上行或下行数据包的传输。

当前卫星在接收到地面终端发送的切换信令时，默认停止向地面终端传输上行或下行数据包。由于预切换信息的确定性，服务卫星也默认地面终端将接入切换目标卫星。

S25.地面终端接入切换触发条件所对应的切换目标卫星的服务链路。

需要说明的是，步骤S25还可以在步骤S23之前执行。即本发明实施例的地面终端可以先断开与当前卫星的连接再接入切换目标卫星，也可以先接入切换目标卫星，然后再断开与当前卫星的连接，在此不做任何限定。

步骤S25中的接入过程可以包括调整天线指向、扫描切换目标卫星下行同步信号、测量切换目标卫星下行信道质量、向切换目标卫星发送随机接入信号等步骤。在地面终端接入切换目标卫星后，可以向切换目标卫星发送切换转入信令。在一种可选实施方式中，地面终端可以通过同步信号、物理层信令、高层信令中的一个或多个识别扫描到的卫星是否与切换触发条件所对应的切换目标卫星相符

需要注意的是，由于预切换信息包括带有顺序性的切换目标卫星信息，地面终端如果扫描到切换目标卫星以外其他卫星时，则需要启动其他的流程。也就是说，地面终端仅按照预切换信息约定的方式进行卫星切换时，才具有自主切换的权限。同理，当前卫星和切换目标卫星收到地面终端的切换信令时，默认地面终端将按预切换信息约定的方式进行切换。

图8示出了根据本发明另一实施例的中低轨道卫星切换方法，可以包括如下步骤：

S31.当前卫星向地面终端发送预切换信息。具体内容可以参考步骤S11的描述。

S32.地面终端判断是否满足切换触发条件。具体内容可以参考步骤S12的描述。

S33.当前卫星判断是否即将满足切换触发条件。

由于预切换信息是当前卫星发送给地面终端的，因此，当前卫星也可以获知预切换信息，能够从该预切换信息中获知何种条件下触发卫星切换。

S34.当前卫星在满足切换触发条件之前，与最邻近的切换目标卫星之间建立星间链路。

作为一种可选实施方式，当前卫星在即将满足切换触发条件时，与最邻近的切换目标卫星之间建立星间链路。建立星间链路的时刻与满足切换触发条件的时刻之间的时间差可以由本领域技术人员根据星间链路的通信质量和传输的数据量大小合理设定。在建立了星间链路之后，就可以与最邻近的切换目标卫星之间进行数据的缓存和转发。

S35.当前卫星与最邻近的切换目标卫星之间同步地面终端的上下行数据接收状态。

经过上述步骤S35，最邻近的切换目标卫星由此获得了地面终端的上行数据的传输情况并且缓存了下行数据。

在一种可选实施方式中，上下行数据接收状态包括一个数据包的循环计数器，用于指示数据序列中已经成功发送或接收的数据包的标识。在地面终端按预切换信息切换至切换目标卫星之后，切换目标卫星就可以进一步在本地完成重复接收数据的删除，以及丢失数据的重传调度。

S36.在满足切换触发条件时，地面终端向当前卫星发送切换信令，以使得当前卫星停止传输数据包。

S37.在满足切换触发条件时，地面终端接入切换触发条件所对应的切换目标卫星的服务链路。

同样地，上述步骤S36和步骤S37的先后关系不做限定，地面终端可以先断开与当前卫星的连接再接入切换目标卫星，也可以先接入切换目标卫星，然后再断开与当前卫星的连接。

S38.切换目标卫星向当前卫星反馈切换成功信息。

与传统地面蜂窝系统或US9681337B2所述的方案相比，现有技术中信关站或移动管理单元在决定启动切换后才执行数据的缓存和转发，这对频繁进行卫星切换而言效率较低。在本实施例中的中低轨道卫星切换方法中，在地面终端切换至切换目标卫星之前，该目标切换卫星就已经与当前卫星之间同步了地面终端的上下行数据接收状态，由此获得了地面终端的上行数据的传输情况并且缓存了下行数据，这样在地面终端切换到该最邻近的切换目标卫星时，能够为地面终端快速提供连续的数据传输。

图9示出了根据本发明另一实施例的中低轨道卫星切换方法，其展示了包括信关站在内的整个中低轨道卫星切换流程，该方法可以包括如下步骤：

S41.信关站向当前卫星发送预切换信息，该预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件，用于使该当前卫星当前服务的地面终端在满足切换触发条件时切换至切换触发条件所对应的切换目标卫星的服务链路。

S42.当前卫星向地面终端发送预切换信息。具体内容可以参考步骤S11的描述。

S43.地面终端判断是否满足切换触发条件。具体内容可以参考步骤S12的描述。

S44.当前卫星判断是否即将满足切换触发条件。具体内容可以参考步骤S33的描述。

S45.当前卫星在满足切换触发条件之前，与最邻近的切换目标卫星之间建立星间链路。具体内容可以参考步骤S34的描述。

S46.当前卫星与最邻近的切换目标卫星之间同步地面终端的上下行数据接收状态。具体内容可以参考步骤S35的描述。

S47.切换目标卫星判断是否即将满足切换触发条件。

切换目标卫星可以通过星间链路从当前卫星获取预切换信息，或是同样也从信关站获取预切换信息，因此，切换目标卫星同样也可以获知预切换信息，能够从该预切换信息中获知何种条件下触发卫星切换。

S48.切换目标卫星在满足切换触发条件之前，向所连接的信关站请求地面终端的下行数据。

作为一种可选实施方式，切换目标卫星在即将满足切换触发条件时，向所连接的信关站请求地面终端的下行数据。发送请求的时刻与满足切换触发条件的时刻之间的时间差可以由本领域技术人员根据切换目标卫星与信关站之间的通信质量和传输的数据量大小合理设定。

S49.接收信关站发送的地面终端的下行数据。

切换目标卫星在接收到地面终端的下行数据后，在本地缓存这些数据。

S50.在满足切换触发条件时，地面终端向当前卫星发送切换信令，以使得当前卫星停止传输数据包。

S51.在满足切换触发条件时，地面终端接入切换触发条件所对应的切换目标卫星的服务链路。

S52.切换目标卫星向当前卫星反馈切换成功信息。

S53.切换目标卫星向地面终端发送地面终端的下行数据。

在本实施例中，由于切换目标卫星通过上述步骤S47至步骤S49，预先获取了地面终端的下行数据，因此，当地面终端接入切换目标卫星时，切换目标卫星能够立即向地面终端转发下行数据。并且，通过上述步骤S44至步骤S46，利用星间链路也同步了当前卫星的数据收发状态，切换目标卫星可以从当前卫星最后的下行数据序列的截止数据包开始重启下行数据，从而能够为地面终端快速提供连续的数据传输。

在一种可选实施方式中，每个卫星在收到切换指令后，向所连接的信关站转发切换确认信令。该切换确认信令为指示地面终端按照预切换信息完成切换信息的指示。信关站在地面终端按预切换信息进行切换时无需进行额外的移动行管理。当地面终端接入预切换信息指示的其他卫星时，信关站可以重新根据卫星星座以及终端位置重新配置预切换信息，并通过卫星更新地面终端的预切换信息。尤其是在地面终端存在移动情况时，需要这种重新配置。

图10示出了根据本发明另一实施例的中低轨道卫星切换方法，该方法可以适用于卫星，该方法可以包括如下步骤：

S61.获取至少一个地面终端的预切换信息，每个地面终端的预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件。

这些地面终端包括卫星当前服务区域所覆盖的地面终端以及即将覆盖到的地面终端。预切换信息的具体描述可以参考步骤S11中的相应描述。

S62.根据预切换信息预测各个地面终端的切换时间。

对于每个卫星而言，可以通过这些地面终端的预切换信息获取到即将切出自身服务区域的地面终端的切换时间和即将切入自身服务区域的地面终端的切换时间。

S63.根据各个地面终端的切换时间调整卫星的信号发送和接收状态。

卫星调整自身的信号发送和接收状态例如可以包括调整波束方向、发送预定同步信号、调度随机接入资源等等。例如，即将切入自身服务区域的地面终端的分布与当前服务区域的地面终端的分布存在不同，因此，卫星需要不断调整其波束方向，以为地面终端提供更好的通信质量和更大的吞吐量。参考图8和图9所示的实施例，每个卫星对于即将切入自身服务区域的地面终端，需要与在前卫星之间同步这些地面终端的上下行数据接收状态；对于即将切出自身服务区域的地面终端，需要与在后卫星之间同步这些地面终端的上下行数据接收状态。由于卫星不断围绕地球转动，不断会有地面终端切入或切出该卫星的服务区域，因此需要不断调度随机接入资源。在本实施例中，由于各个地面终端的切换时间是可以提前预测出的，从而能够提前预测卫星的信号发送和接收状态的调整，因此卫星能够在运动过程中及时调整自身的信号发送和接收状态，不仅为地面终端提供了更好的信号质量和更大的吞吐量，还降低了通信系统的时延。

相应地，本发明实施例提供了一种中低轨道卫星切换装置，适用于地面终端，该装置可以包括：

获取单元，用于获取预切换信息，所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件；

切换单元，用于在满足所述切换触发条件时，切换至所述切换触发条件所对应的所述切换目标卫星的服务链路。

本发明实施例还提供了一种中低轨道卫星切换装置，适用于卫星，该装置可以包括：

发送单元，用于向地面终端发送预切换信息，所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件，用于使所述地面终端在满足所述切换触发条件时切换至所述切换触发条件所对应的所述切换目标卫星的服务链路。

本发明实施例还提供了一种中低轨道卫星切换装置，适用于卫星，该装置可以包括：

接收单元，用于接收地面终端发出的接入请求，所述接入请求是所述地面终端在满足切换触发条件时发出的；

接入单元，用于响应于所述接入请求，使所述地面终端接入服务链路。

本发明实施例还提供了一种中低轨道卫星切换装置，适用于卫星，该装置可以包括：

获取单元，用于获取至少一个地面终端的预切换信息，每个所述地面终端的所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件；

预测单元，用于根据所述预切换信息预测各个所述地面终端的切换时间；

调整单元，用于根据各个所述地面终端的切换时间调整所述卫星的信号发送和接收状态。

本发明实施例还提供一种中低轨道卫星切换装置，适用于信关站，该装置可以包括：

发送单元，用于向卫星发送预切换信息，所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件，用于使所述卫星当前服务的地面终端在满足所述切换触发条件时切换至所述切换触发条件所对应的所述切换目标卫星的服务链路。

根据本发明实施例的中低轨道卫星切换装置的具体细节可以对应参阅图1至图10所示的方法实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。

本发明实施例还提供了一种地面终端，可以包括：

天线，获取预切换信息，所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件；

存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，控制所述天线在满足所述切换触发条件时，切换至所述切换触发条件所对应的所述切换目标卫星的服务链路。

本发明实施例还提供了一种中低轨道卫星，可以包括：

天线，用于向地面终端发送预切换信息，所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件，用于使所述地面终端在满足所述切换触发条件时切换至所述切换触发条件所对应的所述切换目标卫星的服务链路。

本发明实施例还提供了一种中低轨道卫星，可以包括：

天线，用于接收地面终端发出的接入请求，所述接入请求是所述地面终端在满足切换触发条件时发出的；

存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，控制所述天线响应于所述接入请求，使所述地面终端接入服务链路。

本发明实施例还提供了一种中低轨道卫星，可以包括：

天线，用于获取至少一个地面终端的预切换信息，每个所述地面终端的所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件；

存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，根据所述预切换信息预测各个所述地面终端的切换时间；并且根据各个所述地面终端的切换时间调整所述卫星的信号发送和接收状态

本发明实施例还提供了一种信关站，可以包括：

天线，用于向卫星发送预切换信息，所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件，用于使所述卫星当前服务的地面终端在满足所述切换触发条件时切换至所述切换触发条件所对应的所述切换目标卫星的服务链路。

在上述各实施例中，天线用于接收或发送信号，例如可以为相阵控天线。

处理器可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)，或其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。

存储器作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块。处理器通过运行存储在存储器中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，以实现上述方法实施例中的各个方法步骤。

存储器可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。

上述天线、处理器和存储器之间例如可以通过总线或者其他方式连接。

上述实施例的地面终端、中低轨道卫星和信关站的具体细节可以对应参阅图1至图10所示的方法实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-State Drive，SSD)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (28)

1.一种中低轨道卫星切换方法，适用于地面终端，其特征在于，包括：

获取预切换信息，所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件；

在满足所述切换触发条件时，切换至所述切换触发条件所对应的所述切换目标卫星的服务链路。

2.根据权利要求1所述的中低轨道卫星切换方法，其特征在于，所述切换至所述切换触发条件所对应的所述切换目标卫星的服务链路，包括：

向当前卫星发送切换信令，以使得所述当前卫星停止传输数据包；

接入所述切换触发条件所对应的所述切换目标卫星的服务链路。

3.根据权利要求1或2所述的中低轨道卫星切换方法，其特征在于，所述预切换信息的帧结构包括切换配置字段和至少一个卫星信息字段，所述切换配置字段用于指示所述切换触发条件，所述至少一个卫星信息字段按照扫过所述地面终端的所述切换目标卫星的顺序排列。

4.根据权利要求3所述的中低轨道卫星切换方法，其特征在于，所述切换配置字段包括当前卫星和切换目标卫星接收功率比、相对位置信息、时间信息中的至少一个；

每个所述卫星信息字段包括相应目标切换卫星的卫星ID、轨道、波束方向、随机接入资源、覆盖时间差中的至少一个。

5.一种中低轨道卫星切换方法，适用于卫星，其特征在于，包括：

向地面终端发送预切换信息，所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件，用于使所述地面终端在满足所述切换触发条件时切换至所述切换触发条件所对应的所述切换目标卫星的服务链路。

6.根据权利要求5所述的中低轨道卫星切换方法，其特征在于，在所述向地面终端发送预切换信息之前，还包括：

从信关站接收所述预切换信息。

7.根据权利要求5所述的中低轨道卫星切换方法，其特征在于，还包括：

在接收到切换信令时，停止向所述地面终端传输数据包；其中，所述切换信令由所述地面终端在满足所述切换触发条件时发出。

8.根据权利要求5所述的中低轨道卫星切换方法，其特征在于，还包括：

接收所述切换目标卫星反馈的切换成功信息。

9.根据权利要求5-8中任一项所述的中低轨道卫星切换方法，其特征在于，还包括：

在满足所述切换触发条件之前，与最邻近的切换目标卫星之间建立星间链路；

与所述最邻近的切换目标卫星之间同步所述地面终端的上下行数据接收状态。

10.一种中低轨道卫星切换方法，适用于卫星，其特征在于，包括：

接收地面终端发出的接入请求，所述接入请求是所述地面终端在满足切换触发条件时发出的；

响应于所述接入请求，使所述地面终端接入服务链路。

11.根据权利要求10所述的中低轨道卫星切换方法，其特征在于，在所述接收地面终端发出的接入请求之前，还包括：

接收在前卫星发出的建立星间链路请求；

与所述在前卫星之间同步所述地面终端的上下行数据接收状态。

12.根据权利要求10所述的中低轨道卫星切换方法，其特征在于，在所述地面终端接入服务链路之后，还包括：

向所述当前卫星反馈的切换成功信息。

13.根据权利要求10-12中任一项所述的中低轨道卫星切换方法，其特征在于，还包括：

在满足所述切换触发条件之前，向所连接的信关站请求所述地面终端的下行数据；

接收所述信关站发送的所述地面终端的下行数据。

14.根据权利要求13所述的中低轨道卫星切换方法，其特征在于，在所述地面终端接入服务链路之后，还包括：

向所述地面终端发送所述地面终端的下行数据。

15.一种中低轨道卫星切换方法，适用于卫星，其特征在于，包括：

获取至少一个地面终端的预切换信息，每个所述地面终端的所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件；

根据所述预切换信息预测各个所述地面终端的切换时间；

根据各个所述地面终端的切换时间调整所述卫星的信号发送和接收状态。

16.根据权利要求15所述的中低轨道卫星切换方法，其特征在于，所述根据各个所述地面终端的切换时间调整所述卫星的信号发送和接收状态，包括：

调整所述卫星的波束方向、发送预定同步信号、调度随机接入资源中的至少一个。

17.一种中低轨道卫星切换方法，适用于信关站，其特征在于，包括：

向卫星发送预切换信息，所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件，用于使所述卫星当前服务的地面终端在满足所述切换触发条件时切换至所述切换触发条件所对应的所述切换目标卫星的服务链路。

18.根据权利要求17所述的中低轨道卫星切换方法，其特征在于，还包括：

接收所述切换目标卫星发出的获取所述地面终端的下行数据的请求；

根据所述请求向所述切换目标卫星发送的所述地面终端的下行数据。

19.一种中低轨道卫星切换装置，适用于地面终端，其特征在于，包括：

获取单元，用于获取预切换信息，所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件；

切换单元，用于在满足所述切换触发条件时，切换至所述切换触发条件所对应的所述切换目标卫星的服务链路。

20.一种中低轨道卫星切换装置，适用于卫星，其特征在于，包括：

发送单元，用于向地面终端发送预切换信息，所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件，用于使所述地面终端在满足所述切换触发条件时切换至所述切换触发条件所对应的所述切换目标卫星的服务链路。

21.一种中低轨道卫星切换装置，适用于卫星，其特征在于，包括：

接收单元，用于接收地面终端发出的接入请求，所述接入请求是所述地面终端在满足切换触发条件时发出的；

接入单元，用于响应于所述接入请求，使所述地面终端接入服务链路。

22.一种中低轨道卫星切换装置，适用于卫星，其特征在于，包括：

获取单元，用于获取至少一个地面终端的预切换信息，每个所述地面终端的所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件；

预测单元，用于根据所述预切换信息预测各个所述地面终端的切换时间；

调整单元，用于根据各个所述地面终端的切换时间调整所述卫星的信号发送和接收状态。

23.一种中低轨道卫星切换装置，适用于信关站，其特征在于，包括：

发送单元，用于向卫星发送预切换信息，所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件，用于使所述卫星当前服务的地面终端在满足所述切换触发条件时切换至所述切换触发条件所对应的所述切换目标卫星的服务链路。

24.一种地面终端，其特征在于，包括：

天线，获取预切换信息，所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件；

存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，控制所述天线在满足所述切换触发条件时，切换至所述切换触发条件所对应的所述切换目标卫星的服务链路。

25.一种中低轨道卫星，其特征在于，包括：

天线，用于向地面终端发送预切换信息，所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件，用于使所述地面终端在满足所述切换触发条件时切换至所述切换触发条件所对应的所述切换目标卫星的服务链路。

26.一种中低轨道卫星，其特征在于，包括：

天线，用于接收地面终端发出的接入请求，所述接入请求是所述地面终端在满足切换触发条件时发出的；

存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，控制所述天线响应于所述接入请求，使所述地面终端接入服务链路。

27.一种中低轨道卫星，其特征在于，包括：

天线，用于获取至少一个地面终端的预切换信息，每个所述地面终端的所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件；

存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，根据所述预切换信息预测各个所述地面终端的切换时间；并且根据各个所述地面终端的切换时间调整所述卫星的信号发送和接收状态。

28.一种信关站，其特征在于，包括：

天线，用于向卫星发送预切换信息，所述预切换信息包括至少一个切换目标卫星信息和切换触发条件，用于使所述卫星当前服务的地面终端在满足所述切换触发条件时切换至所述切换触发条件所对应的所述切换目标卫星的服务链路。

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