CN114124201A - 基于北斗geo卫星的自适应全球通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于卫星跟踪技术领域，公开了一种基于北斗GEO卫星的自适应全球通信系统，该系统包括快速跟踪装置、信号采集与传输模块、数据处理模块、伺服控制模块、显控终端以及电源保护模块。其中，数据处理模块，结合卫星的信号强度以及用户站的位置信息，形成信号强度空间分布图，根据卫星自适应选择方法进行目标卫星的选取，并将选取结果实时输出给伺服控制模块，由伺服控制模块控制快速跟踪装置对目标卫星进行跟踪。本发明在全球范围内将GEO卫星和MEO卫星进行融合利用，并且从用户站载体的位置、通信质量以及链路优化等多个方面综合考虑，进行自适应通信方式的切换，从而能够在全球范围内实现基于我国自主可控的卫星资源的卫星通信能力的最大化。

Description

基于北斗GEO卫星的自适应全球通信系统

技术领域

本发明属于卫星跟踪技术领域，涉及一种基于北斗GEO卫星的自适应全球通信系统。

背景技术

当前，国内全球卫星通信市场基本被铱星系统（Iridium）、全球星系统（GlobalStar）、欧星系统（Thuraya）和国际海事通信卫星系统（Inmarsat）等国外全球卫星通信系统垄断。而北斗卫星导航系统（以下简称北斗系统）是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要，完全自主建设、独立运行的全球卫星导航系统。北斗系统创新融合了导航与通信能力，其中，通信服务是北斗系统区别于GPS、伽利略、GLONASS等其他全球卫星导航系统的特色功能。

北斗三号系统利用地球静止轨道（GEO）卫星，向用户提供区域短报文通信（RSMC）服务，利用中圆地球轨道卫星（MEO）卫星，向位于地表及其以上1000千米空间的特许用户提供全球短报文通信（GSMC）服务。其中，全球短报文通信能力可实现单次报文40个汉字传输，区域短报文通信能力可实现单次报文1000个汉字传输、准实时语音/图像传输，然而，目前现有北斗终端的RSMC通信服务授权服务范围仅限于中国及周边地区（5°N-55ºN，80ºE-140ºE），而GSMC通信服务能力有限，仅能解决通信有无的问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于北斗GEO卫星的自适应全球通信系统，以实现全球范围内基于我国自主可控的卫星资源的卫星通信能力的最大化。

本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

一种基于北斗GEO卫星的自适应全球通信系统，包括：

快速跟踪装置，用于对北斗卫星信号进行全方位快速扫描及搜索，其机械结构包括两轴伺服控制平台、双馈源抛物面天线、全向天线以及GPS天线；

信号采集与传输模块，用于在两轴伺服控制平台的驱动下，对全方位的卫星信号进行采集，并将采集到的信号数据实时传输给数据处理模块；

其中，信号采集与传输模块与双馈源抛物面天线、全向天线以及GPS天线相连；

数据处理模块，结合卫星的信号强度以及用户站的位置信息，形成信号强度空间分布图，根据卫星自适应选择方法进行目标卫星的选取，并将选取结果实时输出给伺服控制模块；

其中，利用卫星自适应选择方法进行目标卫星选取的过程如下：

步骤1. 数据处理模块根据从信号采集与传输模块接收到的用户站载体的位置信息以及用户站载体的姿态信息，选择进入GEO卫星或MEO卫星通信模式；

若用户站载体的位置处于GEO卫星通信范围内，且用户站载体的姿态变化量未超过预先设定的姿态变化量阈值，则进入GEO目标卫星选取模式，转到步骤2；

否则，若用户站载体的位置不处于GEO卫星通信范围，或者用户站载体的姿态变化量超过预先设定的姿态变化量阈值，则进入MEO卫星通信模式，转到步骤6；

步骤2. 根据用户站载体的位置信息，选取目标GEO卫星；

步骤3. 获取目标GEO卫星的波束载噪比，并与通信所需阈值进行比较；

若目标GEO卫星的波束载噪比值大于通信所需阈值，则转到步骤4，进行与目标GEO卫星的通信质量评估；否则，转到步骤6；

步骤4. 数据处理模块自动与目标GEO卫星进行固定次数的通信，数据处理模块根据接收到的回传信息的次数，判断通信成功率的高低；

若通信成功率高，进入GEO卫星跟踪模式，转到步骤5；

若通信成功率一般，则进入GEO卫星跟踪模式，并转到步骤5；同时，进入MEO卫星的搜索模式，对MEO卫星进行预选择，随时准备切换；

若通信成功率低，直接进入MEO卫星通信模式，转到步骤6，与此同时，重复执行步骤2，检测当前目标GEO卫星相邻的GEO卫星可否作为目标卫星；

步骤5. 对GEO卫星进行跟踪，实现GEO卫星通信；

步骤6. 获取MEO卫星的波束载噪比，同时对GEO卫星进行360°搜索，获取GEO卫星的波束载噪比，当出现GEO卫星的波束载噪比大于通信所需阈值时，返回步骤4；

步骤7. 选择其中最大的波束载噪比值与通信所需阈值进行对比，若最大的波束载噪比值大于通信所需阈值，则将其对应的MEO卫星作为目标MEO卫星，转到步骤8；

若最大的波束载噪比值小于通信所需阈值，则认为此处北斗信号微弱或周围存在干扰源，系统等待5分钟，待用户站载体位置更新或远离干扰源后，重新开始步骤1；

步骤8. 数据处理模块自动与目标MEO卫星进行固定次数的通信，数据处理模块根据接收到的回传信息的次数，判断通信成功率的高低；

若通信成功率高，则保持MEO卫星通信模式；否则，转到步骤9，并根据进入MEO卫星通信模式前的通信结果，判断是否返回GEO卫星通信模式；

步骤9. 若进入MEO卫星通信模式前，GEO卫星的通信成功率一般，则返回步骤5，并进入GEO卫星通信模式；若GEO卫星通信成功率低，则保持MEO卫星通信模式；

伺服控制模块，用于根据目标卫星的选取结果以及用户站的位置信息，解算目标卫星对用户站的相对方位，并且控制快速跟踪装置对目标卫星进行跟踪；

以及显控终端，用于接收并实时显示信号采集与传输模块获取到的各卫星信号强度，接收数据处理模块对目标卫星的选取结果，以及发送用户与卫星通信内容；

其中，显控终端与数据处理模块以及信号采集与传输模块分别相连。

本发明具有如下优点：

如上所述，本发明述及了一种基于北斗GEO卫星的自适应全球通信系统，该北斗GEO卫星的自适应全球通信系统能够在全球范围内将GEO卫星和MEO卫星进行融合利用，并且从用户站载体的位置、通信质量以及通信链路最优化等多个方面综合考虑，进行自适应通信方式的切换，从而在全球范围内实现基于我国自主可控的卫星资源的卫星通信能力的最大化。

附图说明

图1为本发明实施例中基于北斗GEO卫星的自适应全球通信系统的结构框图；

图2为本发明实施例中利用卫星自适应选择方法进行目标卫星选取的总体框图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

如图1所示，一种基于北斗GEO卫星的自适应全球通信系统，包括快速跟踪装置、信号采集与传输模块、数据处理模块、伺服控制模块、显控终端以及电源保护模块。

其中，快速跟踪装置，用于对北斗卫星信号进行全方位快速扫描及搜索，其机械结构包括两轴伺服控制平台、双馈源抛物面天线、全向天线以及GPS天线。

信号采集与传输模块与双馈源抛物面天线、全向天线以及GPS天线相连。

该信号采集与传输模块，用于在两轴伺服控制平台的驱动下，对全方位的卫星信号进行采集，并将采集到的信号数据实时传输给数据处理模块。此外，信号采集与传输模块，还能够采集惯导输出的用户站载体姿态信息以及用户站的载体位置信息。

数据处理模块，结合卫星的信号强度以及用户站的位置信息，形成信号强度空间分布图，根据卫星自适应选择方法进行目标卫星的选取，并将选取结果实时输出给伺服控制模块。

伺服控制模块，用于根据目标卫星的选取结果以及用户站的位置信息，解算目标卫星对用户站的相对方位，并且控制快速跟踪装置对目标卫星进行跟踪。

显控终端与数据处理模块以及信号采集与传输模块分别相连。

显控终端，用于接收并实时显示信号采集与传输模块获取到的各卫星信号强度，接收数据处理模块对目标卫星的选取结果，以及发送用户与卫星通信内容。

电源保护模块，与快速跟踪装置以及信号采集与传输模块分别相连，且用于为快速跟踪装置以及信号采集与传输模块供电及产生保护，从而避免漏电现象。

在利用卫星自适应选择方法进行目标卫星选取之前，先进行如下预备工作。

即：首先进行系统供电，用户站天线进行零位初始化；在用户站天线转至机械零位后，将该位置自动标记成初始零位。信号采集与传输模块将采集到的卫星信号强度信息、惯导的姿态信息以及用户站载体的位置信息传输给数据处理模块。

如图2所示，以上准备工作完成后，进行目标卫星选取，过程如下：

步骤1. 数据处理模块根据从信号采集与传输模块接收到的用户站载体的位置信息以及用户站载体的姿态信息，选择进入GEO卫星或MEO卫星通信模式。

若用户站载体的位置处于GEO卫星通信范围内，且用户站载体的姿态变化量未超过预先设定的姿态变化量阈值，则进入GEO目标卫星选取模式，转到步骤2。

其中，姿态变化量阈值设定如下：

设定用户站载体的横摇角幅度阈值为20°，纵摇角幅度阈值为7°。

当用户站载体的横摇角幅度小于20°，且纵摇角幅度小于7°时，则表示用户站载体的姿态变化量未超过预先设定的姿态变化量阈值，此时，用户站载体姿态变化平缓。

否则，若用户站载体的位置不处于GEO卫星通信范围，则认为无法与GEO卫星进行通信，此时需要进入MEO卫星通信模式，并转到步骤6。

另外，若用户站载体的姿态变化量超过预先设定的姿态变化量阈值，则认为无法正常跟踪GEO卫星，此时也需要进入MEO卫星通信模式，转到步骤6。

此处，用户站载体的姿态变化量超过预先设定的姿态变化量阈值，是指用户站载体的横摇角幅度超过20°，或者纵摇角幅度超过7°，此时用户站载体姿态变化剧烈。

步骤2. 根据用户站载体的位置信息，选取目标GEO卫星。伺服控制模块根据用户站载体的位置信息和目标GEO卫星的位置信息解算出双馈源抛物面天线的预置角度。

通过惯导的姿态信息，进行空间矩阵转换，转换为用户站载体坐标系下，实现用户站天线与GEO卫星的粗对准，其中天线预置角度包括俯仰角和方位角。

步骤3. 通过双馈源抛物面天线获取目标GEO卫星的波束载噪比，并与通信所需阈值进行比较，此处的通信所需阈值需要预先进行设定。

在本实施例中通信所需阈值例如设定为40，若目标GEO卫星的波束载噪比值大于通信所需阈值，则进行与目标GEO卫星的通信质量评估，并转到步骤4。

此处，通信所需阈值的大小是根据北斗接收机所发出的北斗信号强度而确定的，通常认为，当目标GEO卫星的波束载噪比值大于该值时，则认定为能够进行正常通信。

否则，若目标GEO卫星的波束载噪比值小于通信所需阈值，则转到步骤6。

步骤4. 数据处理模块自动与目标GEO卫星进行固定次数的通信，数据处理模块根据接收到的回传信息的次数，判断通信成功率的高低，其判断过程如下：

预先设定用于进行通信成功率高低判断的第一设定阈值以及第二设定阈值。

其中，第一设定阈值大于第二设定阈值。

若接收到回传信息的次数大于或等于第一设定阈值，判定为通信成功率高。

若接收到回传信息的次数在第一设定阈值与第二设定阈值之间，判定为通信成功率一般。

若接收到回传信息的次数小于第二设定阈值，判定为通信成功率低。

在本实施例步骤4中，数据处理模块与目标GEO卫星通信的次数例如设定为10次，第一设定阈值设定为9次，而第二设定阈值设定为7次。

只有当接收到的回传信息的次数大于或等于9次，才认定为通信成功率高；当接收到的回传信息的次数大于或等于7次且小于9次，认定为通信成功率一般。

而当接收到的回传信息的次数小于7次时，则认定为通信成功率低。

当然，数据处理模块与目标GEO卫星的通信次数还可以设定为其他数值，只要满足第一设定阈值与该通信次数的比值为0.9，第二设定阈值与通信次数的比值设定为0.7即可。

若通信成功率高，进入GEO卫星跟踪模式，转到步骤5。

若通信成功率一般，则进入GEO卫星跟踪模式，并转到步骤5；同时，进入MEO卫星的搜索模式，对MEO卫星进行预选择，随时准备切换。

若通信成功率低，直接进入MEO卫星通信模式，转到步骤6，与此同时，重复执行步骤2，检测当前目标GEO卫星相邻的GEO卫星可否作为目标卫星。

步骤5. 对GEO卫星进行跟踪，实现GEO卫星通信。

其中，对GEO卫星进行跟踪的控制过程如下：

步骤5.1. GEO卫星跟踪模式下，伺服控制模块驱动用户站天线在一个固定角度范围内进行精准扫描，逐步寻找到目标GEO卫星的波束载噪比值最大点；

步骤5.2. 根据两轴伺服电机反馈的信息对双馈源抛物面天线角度调整值与角度真实转动值做差，在下一时刻补偿给用户站天线；

步骤5.3. 根据惯导信息通过PID控制器驱动两轴伺服电机，对双馈源抛物面天线相对于用户站载体的误差进行实时补偿；

步骤5.4. 重复执行上述步骤5.1至步骤5.3。

步骤6. 通过全向天线获取MEO卫星的波束载噪比，同时对GEO卫星进行360°搜索，获取GEO卫星的波束载噪比，当GEO卫星的波束载噪比大于通信所需阈值时，返回步骤4。

步骤7. 选择其中最大的波束载噪比值与通信所需阈值进行对比，若最大的波束载噪比值大于通信所需阈值，则将其对应的MEO卫星作为目标MEO卫星，转到步骤8。

若最大的波束载噪比值小于通信所需阈值，则认为此处北斗信号微弱或周围存在干扰源，系统等待5分钟，待用户站载体位置更新或远离干扰源后，重新开始步骤1。

步骤8. 数据处理模块自动与目标MEO卫星进行固定次数的通信，数据处理模块根据接收到的回传信息的次数，判断通信成功率的高低，其判断过程如下：

预先设定用于进行通信成功率高低判断的第三设定阈值；

若数据处理模块接收到的回传信息的次数大于或等于第三设定阈值，判定为通信成功率高；否则，若接收到回传信息的次数小于第三设定阈值，判定为通信成功率低。

在本实施例步骤8，数据处理模块与目标MEO卫星通信的次数例如设定为10次，则第三设定阈值设定为9次，只有通信成功率大于或等于9次才认定为通信成功率高。

当然，本实施例中数据处理模块与目标MEO卫星的通信次数还可以设定为其他数值，只要满足第三设定阈值与该通信次数的比值为0.9即可。

若通信成功率高，则保持MEO卫星通信模式；否则，转到步骤9，并根据进入MEO卫星通信模式前的通信结果，判断是否返回GEO卫星通信模式。

步骤9. 若进入MEO卫星通信模式前，GEO卫星的通信成功率一般，则返回步骤5，并进入GEO卫星通信模式；若GEO卫星通信成功率低，则保持MEO卫星通信模式。

本发明以GEO卫星作为首选通信卫星，MEO为备选通信卫星，根据步骤1-9所描述的自适应通信方式，自主进行通信卫星切换，可在我国现有可用卫星资源下，实现用户站在全球的短报文通信范围最大化，同时保障用户站短报文通信质量和通信能力的最优化。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (6)

1.一种基于北斗GEO卫星的自适应全球通信系统，其特征在于，包括：

快速跟踪装置，用于对北斗卫星信号进行全方位快速扫描及搜索，其机械结构包括两轴伺服控制平台、双馈源抛物面天线、全向天线以及GPS天线；

信号采集与传输模块，用于在两轴伺服控制平台的驱动下，对全方位的卫星信号进行采集，并将采集到的信号数据实时传输给数据处理模块；

其中，信号采集与传输模块与双馈源抛物面天线、全向天线以及GPS天线相连；

数据处理模块，结合卫星的信号强度以及用户站的位置信息，形成信号强度空间分布图，根据卫星自适应选择方法进行目标卫星的选取，并将选取结果实时输出给伺服控制模块；

伺服控制模块，用于根据目标卫星的选取结果以及用户站的位置信息，解算目标卫星对用户站的相对方位，并且控制快速跟踪装置对目标卫星进行跟踪；

以及显控终端，用于接收并实时显示信号采集与传输模块获取到的各卫星信号强度，接收数据处理模块对目标卫星的选取结果，以及发送用户与卫星通信内容；

其中，显控终端与数据处理模块以及信号采集与传输模块分别相连。

2.根据权利要求1所述的基于北斗GEO卫星的自适应全球通信系统，其特征在于，

利用卫星自适应选择方法进行目标卫星选取的过程如下：

步骤1. 数据处理模块根据从信号采集与传输模块接收到的用户站载体的位置信息以及用户站载体的姿态信息，选择进入GEO卫星或MEO卫星通信模式；

若用户站载体的位置处于GEO卫星通信范围内，且用户站载体的姿态变化量未超过预先设定的姿态变化量阈值，则进入GEO目标卫星选取模式，转到步骤2；

否则，若用户站载体的位置不处于GEO卫星通信范围内，或者用户站载体的姿态变化量超过预先设定的姿态变化量阈值，则进入MEO卫星通信模式，转到步骤6；

步骤2. 根据用户站载体的位置信息，选取目标GEO卫星；

步骤3. 获取目标GEO卫星的波束载噪比，并与通信所需阈值进行比较；

若目标GEO卫星的波束载噪比值大于通信所需阈值的大小，则转到步骤4，进行与目标GEO卫星的通信质量评估；否则，转到步骤6；

步骤4. 数据处理模块自动与目标GEO卫星进行固定次数的通信，数据处理模块根据接收到的回传信息的次数，判断通信成功率的高低；

若通信成功率高，进入GEO卫星跟踪模式，转到步骤5；

若通信成功率一般，则进入GEO卫星跟踪模式，并转到步骤5；同时，进入MEO卫星的搜索模式，对MEO卫星进行预选择，随时准备切换；

若通信成功率低，直接进入MEO卫星通信模式，并转到步骤6；与此同时，重复执行步骤2，检测当前目标GEO卫星相邻的GEO卫星可否作为目标卫星；

步骤5. 对GEO卫星进行跟踪，实现GEO卫星通信；

步骤6. 获取MEO卫星的波束载噪比，并转到步骤7；

与此同时，对GEO卫星进行360°搜索，获取GEO卫星的波束载噪比，当出现GEO卫星的波束载噪比大于通信所需阈值时，返回步骤4；

步骤7. 选择其中最大的波束载噪比值与通信所需阈值进行对比，若最大的波束载噪比值大于通信所需阈值，则将其对应的MEO卫星作为目标MEO卫星，转到步骤8；

若最大的波束载噪比值小于通信所需阈值，则认为此处北斗信号微弱或周围存在干扰源，系统等待5分钟，待用户站载体位置更新或远离干扰源后，重新开始步骤1；

步骤8. 数据处理模块自动与目标MEO卫星进行固定次数的通信，数据处理模块根据接收到的回传信息的次数，判断通信成功率的高低；

若通信成功率高，则保持MEO卫星通信模式；否则，转到步骤9，并根据进入MEO卫星通信模式前的通信结果，判断是否返回GEO卫星通信模式；

步骤9. 若进入MEO卫星通信模式前，GEO卫星的通信成功率一般，则返回步骤5，并进入GEO卫星通信模式；若GEO卫星通信成功率低，则保持MEO卫星通信模式。

3.根据权利要求2所述的基于北斗GEO卫星的自适应全球通信系统，其特征在于，

所述步骤2中，伺服控制模块根据用户站载体的位置信息和目标GEO卫星的位置信息解算出双馈源抛物面天线的预置角度；

通过惯导的姿态信息，进行空间矩阵转换，转换为用户站载体坐标系下，实现用户站天线与GEO卫星的粗对准，其中天线的预置角度包括俯仰角和方位角。

4.根据权利要求2所述的基于北斗GEO卫星的自适应全球通信系统，其特征在于，

所述步骤4中，判断通信成功率的高低的过程如下：

预先设定用于进行通信成功率高低判断的第一设定阈值以及第二设定阈值；

其中，第一设定阈值大于第二设定阈值；

若接收到回传信息的次数大于或等于第一设定阈值，判定为通信成功率高；

若接收到回传信息的次数在第一设定阈值与第二设定阈值之间，判定为通信成功率一般；

若接收到回传信息的次数小于第二设定阈值，判定为通信成功率低。

5.根据权利要求2所述的基于北斗GEO卫星的自适应全球通信系统，其特征在于，

所述步骤5中，对GEO卫星进行跟踪的控制过程如下：

步骤5.1. GEO卫星跟踪模式下，伺服控制模块驱动用户站天线在一个固定角度范围内进行精准扫描，逐步寻找到目标GEO卫星的波束载噪比值最大点；

步骤5.2. 根据两轴伺服电机反馈的信息对双馈源抛物面天线角度调整值与角度真实转动值做差，在下一时刻补偿给用户站天线；

步骤5.3. 根据惯导信息通过PID控制器驱动两轴伺服电机，对双馈源抛物面天线相对于用户站载体的误差进行实时补偿；

步骤5.4. 重复执行上述步骤5.1至步骤5.3。

6.根据权利要求2所述的基于北斗GEO卫星的自适应全球通信系统，其特征在于，

所述步骤8中，判断通信成功率的高低的过程如下：

预先设定用于进行通信成功率高低判断的第三设定阈值；

若数据处理模块接收到的回传信息的次数大于或等于第三设定阈值，判定为通信成功率高；否则，若接收到回传信息的次数小于第三设定阈值，判定为通信成功率低。

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