CN114285456B - 面向低轨卫星通信系统的跳波束通信方法及卫星荷载设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于卫星通信技术领域，公开了一种面向低轨卫星通信系统的跳波束通信方法及卫星载荷设备，面向低轨卫星通信系统的跳波束通信方法包括：跳波束载荷根据是否可见信关站分为透明跳波束载荷和处理跳波束载荷，并进行跳波束的处理；根据用户特征选择集群覆盖与单用户独立覆盖相结合的跳波束通信模式；星上周期性播发时间信息，地面高可靠接收星上时间信息并进行偏差分析及补充，进行基于地面同步星上的馈电链路跳波束同步通信。本发明将透明跳波束与处理跳波束技术相结合优化跳波束载荷的处理复杂度，提高了系统的使用灵活性；简化了低轨网络的复杂度以及星上处理载荷的复杂度及资源开销。

Description

面向低轨卫星通信系统的跳波束通信方法及卫星荷载设备

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，尤其涉及一种面向低轨卫星通信系统的跳波束通信方法及卫星荷载设备。

背景技术

目前，传统宽带卫星通信系统选择地球静止轨道(GEO)卫星实现高通量的互联网卫星通信服务，但随着以自动驾驶、工业互联等为代表的大容量、低时延业务场景对通信系统高速及低时延的需求不断加强，越来越多的商业航天企业计划和实施低轨卫星星座实现全球范围内的高速通信服务能力。例如，一网公司(ONEWEB)新系统以及太空探索技术公司(SpaceX)的星链系统等都采用LEO轨道实现宽带卫星通信服务。

为了提高星地之间的传输速率，低轨卫星通信系统一般选择Ku和Ka频段作为用户通信频段，后续将向V频段发展演进。为了适应高频段的传输损耗，一般选择窄点波束实现通信能力的增强，但导致了覆盖范围的不足；为了平衡波束覆盖和传输增益的问题，低轨卫星通信系统一般选择相控阵天线实现灵活的覆盖问题，采用跳波束的方法实现分时的覆盖目的。

跳波束卫星通信是一种有效提高卫星系统资源使用效率的通信技术，与传统的固定波束通信方式不同，跳波束通信以时分的形式，在卫星覆盖范围内按照业务需求高速动态的调整波束方向。跳波束可以根据卫星不同区域的不同业务需求量，合理分配波束资源，当某一区域业务量大时，可以分配多个时隙的波束资源，当业务量小时，可以相应减少该区域的波束时隙，由此来提高整个系统的资源使用效率。

另外，由于卫星通信面向的终端类型多样，每类终端能够承载的传输能力也差距比较大，因此系统通常配置多种类型的传输速率载波适配系统的多类型终端接入，对应的通信接入体制为上行链路为多速率多载波的MF-TDMA接入体制，下行链路为可变速率的TDMA体制。

由于低轨卫星的高速运动特性，其波束跳变的使用和管理方法与GEO卫星的跳波束管理方法存在较大的差别，同时需要支持面向多类型终端的高效接入。因此，为了提高低轨卫星的波束使用效率，面向低轨卫星通信的跳波束高效使用成为了研究热点。

在低轨跳波束卫星通信系统中，由于波束的动态跳变既增加了空间维度的同步需求，也增加了空间维度的时变特性，因此波束跳变得系统同步以及波束跳变的使用方式相对高轨系统的复杂度大大增加，传统适用于高轨系统的跳波束方式无法直接满足低轨系统的使用。

通过“低轨”、“跳波束”、“捷变波束”、“波束跳变”、“beam hopping”、“beamhopping”、“LEO”、“TDMA”等关键字进行中文数据库、英文数据库以及专利库等检索，检索到的跳波束资料相对较少，针对面向低轨跳波束系统中星地同步以及使用方法的研究内容更少。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有技术没有针对面向低轨跳波束系统中星地同步、通信方法或系统。

(2)现有的低轨卫星通信系统覆盖范围小，资源利用率不足，且复杂度高。

解决以上问题及缺陷的难度为：由于低轨卫星的高动态运动导致其覆盖区域的用户特征快速变化，其覆盖将呈现动态特性，因此其波束跳变的方法和已有的静止轨道不同；另外，低轨卫星一般为大规模的星座构成，单颗卫星的重量及功耗受限，如何高效使用卫星资源成为关键；因此，面向低轨卫星的高运动特性、动态覆盖特性以及重量功耗的限制等因素情况下实现高效的跳波束通信成为了关键和难点。

解决以上问题及缺陷的意义为：通过研究适合低轨卫星通信系统的跳波束技术可提升低轨跳波束通信资源的使用效率，提高低轨卫星通信的使用灵活性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种面向低轨卫星通信系统的跳波束通信方法及卫星荷载设备。

本发明是这样实现的，一种面向低轨卫星通信系统的跳波束通信方法，所述面向低轨卫星通信系统的跳波束通信方法包括：

步骤一，跳波束载荷根据是否可见信关站分为透明跳波束载荷和处理跳波束载荷，并进行跳波束的处理；

步骤二，根据用户特征选择集群覆盖与单用户独立覆盖相结合的跳波束通信模式；

步骤三，星上周期性播发时间信息，地面高可靠接收星上时间信息并进行偏差分析及补充，进行基于地面同步星上的馈电链路跳波束同步通信。

进一步，所述跳波束载荷包括：

星上时间基准产生及时间同步处理模块、跳波束信令处理及控制模块、馈电链路星上处理模块、用户链路星上处理模块、星间链路信号处理模块、馈电链路射频变频载荷组件、跳波束用户链路变频组件以及相控阵用户波束天线；

星上时间基准产生及时间同步处理模块，用于接收以北斗为代表的时空基准信号，自主产生星上的时间基准信号，并通过馈电链路和星间链路进行整个星座中各个卫星和地面关口站的时间基准比对和同步处理；

跳波束信令处理及控制模块，用于根据波束跳变配置信息产生整个用户波束的波束跳变计划，并实时控制相控阵用户波束天线里的波控机对用户波束天线进行跳变控制；

馈电链路星上处理模块，用于对信关站发送的馈电链路星间转发信号进行再生解调处理并发送给星间链路信号处理模块；

用户链路星上处理模块，用于对用户波束的上下行信号进行再生及交换处理，并与星间链路信号处理模块之间进行信息交互；

星间链路信号处理模块，用于对星间链路信号的再生解调，并与馈电链路星上处理模块以及用户链路星上处理模块进行数据交互；

馈电链路射频变频载荷组件，用于进行馈电链路射频信号的变频、滤波及放大，进行与基带处理的中频接口；

跳波束用户链路变频组件，用于进行用户链路的分合路、变频滤波及放大；

相控阵用户波束天线，用于通过波控机进行对不同区域的跳波束覆盖。

进一步，步骤一中，所述跳波束载荷根据是否可见信关站分为透明跳波束载荷和处理跳波束载荷，并进行跳波束的处理包括：

判断卫星是否处于信关站可见的地域；

若卫星处于陆地上空等信关站可见的地域时，星上采用透明跳波束方式进行信息交互，仅解调信关站发送的跳波束信令信号进行用户波束的控制；

若卫星处于海洋上空等其他信关站不可见的地域时，星上采用处理跳波束方式进行信息交互，星上对用户波束的业务信号进行再生解调处理。

进一步，所述星上采用透明跳波束方式进行信息交互包括：

业务信号通过星上透明转发的方式进行用户波束与馈电波束的信号交互，信关站生成波束的跳变控制指令，在每个馈电波束上行业务信号帧的初始位置的上行控制信息帧中；跳波束信令处理及控制模块对上行控制信息帧进行低延迟快速处理，提取整个用户波束的跳束跳变计划并实施对用户波束的控制；用户波束仅与馈电波束进行信息交互；

当星上采用透明跳波束方式进行信息交互时，馈电链路的信号由馈电链路星间转发信号以及馈电链路用户透明转发信号组成；馈电链路星间转发信号采用连续载波，载波内的所有信息通过星间链路进行转发；馈电链路用户透明转发信号采用与用户波束所指向的服务区相配置的载波信号，进行优化的系统业务配置。

进一步，所述星上采用处理跳波束方式进行信息交互包括：

业务信号通过星上处理转发的方式进行用户波束内以及用户波束与星间波束之间的信息交互，网络控制中心提前配置好波束的跳变控制指令，由跳波束信令处理及控制模块直接对波束实施控制，星上内部进行波束控制与信号之间的同步；用户波束与星间波束以及用户波束内部自身进行信息交互；

同时，跳波束的每个跳变时间内的载波配置模式可动态变化，每个波束的跳变时间可动态配置。

进一步，步骤二中，所述根据用户特征选择集群覆盖与单用户独立覆盖相结合的跳波束通信模式包括：

(1)星座系统的网络管理中心根据网络用户的地理位置信息、运动状态以及其他特征将用户的波位划分为集群用户波位和单用户波位；

(2)在一个跳变周期内，根据系统地需求动态配置用户集群波位和单用户波位的时间资源，采用基于用户群和单用户的混合跳波束模式进行每个星上用户波束的波位跳变；

(3)针对不同的用户波位采用不同的多址方式和载波配置模式：对于集群用户波位采用频分及时分相结合的多址模式，并按需配置具体载波的速率和载波的个数；对于单用户波位不区分多址方式，根据用户能力可配置载波速率大小。

进一步，所述进行基于地面同步星上的馈电链路跳波束同步通信包括：

星上时间基准产生及时间同步处理模块根据系统配置产生整个跳波束的波束跳变周期T以及初始基准时刻；星上时间基准产生及时间同步处理模块控制跳波束信令处理及控制模块产生馈电下行链路的下行广播信号，下行广播信号的第一个符号上升沿与波束跳变周期的起始时刻对齐；

信关站设备通过本地时钟测量两个连续时间下行广播信号之间的时间差值T1，通过计算两次TOD的时间差计算跳波束配置周期T，将本地计算的时间差T1与跳波束配置周期T进行对比，根据其差值计算本地时钟偏差与频率偏差；信关站提取下行广播信号中的卫星实时星历信息，结合本地位置计算卫星与信关站之间的距离及时间变化数据；

地面设备以收到的下行广播信号第一个符号的上升沿为时间基准，补偿星地之间的距离偏差后发送上行控制信号以及馈电上行业务数据；

星上跳波束信令处理及控制模块对馈电链路上行控制信号进行再生解调，提取得到每个跳变波位的跳变时间TOD信息和具体的波位指向信息，在相应的时间控制用户波束相控阵天线中的波位机进行波束的跳变。

进一步，所述馈电下行链路的下行广播信号由下行广播信号及来自用户的透明业务信号组成；

所述下行广播信号由跳波束信令处理及控制模块产生，所述下行广播信号包含当前TOD的计数值以及实时星历信息；

所述用户的透明业务信号来自于用户波束的上行链路信号；

所述上行控制信号包括：整个透明转发跳波束前向链路波束和反向链路波束在一个时间周期T内所有的波束跳变具体信息；

所述波束跳变具体信息包括每个跳变波位的跳变时间TOD信息和具体的波位指向信息。

本发明的另一目的在于提供一种卫星载荷设备，所述卫星载荷设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述面向低轨卫星通信系统的跳波束通信方法的步骤。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明将透明跳波束与处理跳波束技术相结合优化跳波束载荷的处理复杂度，提高了系统的使用灵活性；简化了低轨网络的复杂度以及星上处理载荷的复杂度及资源开销。

本发明提供了一种结合用户集群覆盖与单用户独立覆盖的跳波束通信方法，具有资源使用效率高，用户切换次数少等优势；提供了一种基于地面同步星上的馈电链路跳波束同步方法，相对传统的跳波束同步方法同步过程简单，同步时间快，能够有效匹配混合波位的使用模式。

本发明通过下行广播信号内包含当前TOD的计数值以及实时星历信息实现每个跳变波位的跳变时间TOD信息和具体的波位指向信息。

附图说明

图1是本发明实施例提供的面向低轨卫星通信系统的跳波束通信方法流程图。

图2是本发明实施例提供的跳波束基本原理图。

图3是本发明实施例提供的基于透明转发的跳波束功能图。

图4是本发明实施例提供的基于处理转发的跳波束功能图。

图5是本发明实施例提供的馈电链路信号示意图。

图6是本发明实施例提供的按波位划分的跳波束示意图。

图7是本发明实施例提供的按区域群划分的跳波束示意图。

图8是本发明实施例提供的按单用户划分的跳波束示意图。

图9是本发明实施例提供的混合模式跳波束示意图。

图10是本发明实施例提供的馈电链路跳波束帧设计示意图。

图11是本发明实施例提供的用户波束混合跳波束载波配置示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种面向低轨卫星通信系统的跳波束通信方法及卫星荷载设备，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的面向低轨卫星通信系统的跳波束通信方法包括：

S101，跳波束载荷根据是否可见信关站分为透明跳波束载荷和处理跳波束载荷，并进行跳波束的处理；

S102，根据用户特征选择集群覆盖与单用户独立覆盖相结合的跳波束通信模式；

S103，星上周期性播发时间信息，地面高可靠接收星上时间信息并进行偏差分析及补充，进行基于地面同步星上的馈电链路跳波束同步通信。

本发明实施例提供的跳波束载荷包括：

星上时间基准产生及时间同步处理模块，用于接收以北斗为代表的时空基准信号，自主产生星上的时间基准信号，并通过馈电链路和星间链路进行整个星座中各个卫星和地面关口站的时间基准比对和同步处理；

跳波束信令处理及控制模块，用于根据波束跳变配置信息产生整个用户波束的波束跳变计划，并实时控制相控阵用户波束天线里的波控机对用户波束天线进行跳变控制；

馈电链路星上处理模块，用于对信关站发送的馈电链路星间转发信号进行再生解调处理并发送给星间链路信号处理模块；

用户链路星上处理模块，用于对用户波束的上下行信号进行再生及交换处理，并与星间链路信号处理模块之间进行信息交互；

星间链路信号处理模块，用于对星间链路信号的再生解调，并与馈电链路星上处理模块以及用户链路星上处理模块进行数据交互；

馈电链路射频变频载荷组件，用于进行馈电链路射频信号的变频、滤波及放大，进行与基带处理的中频接口；

跳波束用户链路变频组件，用于进行用户链路的分合路、变频滤波及放大；

相控阵用户波束天线，用于通过波控机进行对不同区域的跳波束覆盖。

本发明实施例提供的跳波束载荷根据是否可见信关站分为透明跳波束载荷和处理跳波束载荷，并进行跳波束的处理包括：

判断卫星是否处于信关站可见的地域，

若卫星处于陆地或其他信关站可见的地域时，星上采用透明跳波束方式进行信息交互，仅解调信关站发送的跳波束信令信号进行用户波束的控制；

若卫星处于海洋或其他信关站不可见的地域时，星上采用处理跳波束方式进行信息交互，星上对用户波束的业务信号进行再生解调处理。

本发明实施例提供的星上采用透明跳波束方式进行信息交互包括：

业务信号通过星上透明转发的方式进行用户波束与馈电波束的信号交互，信关站生成波束的跳变控制指令，在每个馈电波束上行业务信号帧的初始位置的上行控制信息帧中；跳波束信令处理及控制模块对上行控制信息帧进行低延迟快速处理，提取整个用户波束的跳束跳变计划并实施对用户波束的控制；用户波束仅与馈电波束进行信息交互；

当星上采用透明跳波束方式进行信息交互时，馈电链路的信号由馈电链路星间转发信号以及馈电链路用户透明转发信号组成；馈电链路星间转发信号采用连续载波，载波内的所有信息通过星间链路进行转发；馈电链路用户透明转发信号采用与用户波束所指向的服务区相配置的载波信号，进行优化的系统业务配置。

本发明实施例提供的星上采用处理跳波束方式进行信息交互包括：

业务信号通过星上处理转发的方式进行用户波束内以及用户波束与星间波束之间的信息交互，网络控制中心提前配置好波束的跳变控制指令，由跳波束信令处理及控制模块直接对波束实施控制，星上内部进行波束控制与信号之间的同步；用户波束与星间波束以及用户波束内部自身进行信息交互；

同时，跳波束的每个跳变时间内的载波配置模式可动态变化，每个波束的跳变时间可动态配置。

本发明实施例提供的根据用户特征选择集群覆盖与单用户独立覆盖相结合的跳波束通信模式包括：

(1)星座系统的网络管理中心根据网络用户的地理位置信息、运动状态以及其他特征将用户的波位划分为集群用户波位和单用户波位；

(2)在一个跳变周期内，根据系统地需求动态配置用户群波位和单用户波位的时间资源，采用基于用户群和单用户的混合跳波束模式进行每个星上用户波束的波位跳变；

(3)针对不同的用户波位采用不同的多址方式和载波配置模式：对于集群用户波位采用频分及时分相结合的多址模式，并按需配置具体载波的速率和载波的个数；对于单用户波位不区分多址方式，根据用户能力可配置载波速率大小。

本发明实施例提供的进行基于地面同步星上的馈电链路跳波束同步通信包括：

星上时间基准产生及时间同步处理模块根据系统配置产生整个跳波束的波束跳变周期T以及初始基准时刻；星上时间基准产生及时间同步处理模块控制跳波束信令处理及控制模块产生馈电下行链路的下行广播信号，下行广播信号的第一个符号上升沿与波束跳变周期的起始时刻对齐；

信关站设备通过本地时钟测量两个连续时间下行广播信号之间的时间差值T1，通过计算两次TOD的时间差计算跳波束配置周期T，将本地计算的时间差T1与跳波束配置周期T进行对比，根据其差值计算本地时钟偏差与频率偏差；信关站提取下行广播信号中的卫星实时星历信息，结合本地位置计算卫星与信关站之间的距离及时间变化数据；

地面设备以收到的下行广播信号第一个符号的上升沿为时间基准，补偿星地之间的距离偏差后发送上行控制信号以及馈电上行业务数据；

星上跳波束信令处理及控制模块对馈电链路上行控制信号进行再生解调，提取得到每个跳变波位的跳变时间TOD信息和具体的波位指向信息，在相应的时间控制用户波束相控阵天线中的波位机进行波束的跳变。

本发明实施例提供的馈电下行链路的下行广播信号由下行广播信号及来自用户的透明业务信号组成；

下行广播信号由跳波束信令处理及控制模块产生，下行广播信号包含当前TOD的计数值以及实时星历信息；

用户的透明业务信号来自于用户波束的上行链路信号；

上行控制信号包括：整个透明转发跳波束前向链路波束和反向链路波束在一个时间周期T内所有的波束跳变具体信息；

波束跳变具体信息包括每个跳变波位的跳变时间TOD信息和具体的波位指向信息。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例1：

本发明针对低轨宽带卫星通信系统提出了一种跳波束通信方法，该跳波束通信方法根据卫星是否可见信关站采取不同的跳波束处理方式，当卫星可见信关站时，星上采用基于透明转发的跳波束方式，该方式下星上不对用户波束的业务信号进行再生解调处理，只对信关站发送的跳波束信令信号进行解调实现用户波束的控制；当卫星不可见信关站时，星上采用基于处理转发的跳波束方式，该方式下星上对用户波束的业务信号进行再生解调处理。基于透明转发的跳波束载荷原理框图如图2所示，基于处理转发的跳波束载荷原理框图如图3所示。整个跳波束载荷主要包括星上时间基准产生及时间同步处理模块、跳波束信令处理及控制模块、馈电链路星上处理模块、用户链路星上处理模块、星间链路信号处理模块、馈电链路射频变频载荷组件、跳波束用户链路变频组件以及相控阵用户波束天线，载荷的模块详细功能介绍如下：

(1)星上时间基准产生及时间同步处理模块：该模块主要接收以北斗为代表的时空基准信号，自主产生星上的时间基准信号，并通过馈电链路和星间链路实现各个卫星的时间基准比对和同步处理，确保整个星座中每个卫星和地面关口站实现基准时间的同步。

(2)跳波束信令处理及控制模块根据系统的波束跳变配置信息产生整个用户波束的波束跳变计划，并实时控制相控阵用户波束天线里的波控机实现对用户波束天线的跳变控制；波束跳变配置信息由整个低轨通信系统的控制中心产生，具体可通过馈电链路和星间链路进行波束跳变配置信息的传输。

(3)馈电链路星上处理模块实现对信关站发送的馈电链路星间转发信号进行再生解调处理并送给星间链路信号处理模块进行处理；用户链路星上处理模块实现对用户波束的上下行信号进行再生及交换处理，并实现与星间链路信号处理模块之间的信息交互；馈电链路星上处理模块和用户链路星上处理模块不同时工作，当地面信关站可见时馈电链路星上处理模块工作，当地面信关站不可见时用户链路星上处理模块工作，这两个模块基于一套硬件处理平台，通过加载不同软件实现功能切换。

(4)星间链路信号处理模块对星间链路信号的再生解调，并实现与馈电链路星上处理模块以及用户链路星上处理模块的数据交互。

(5)馈电链路射频变频载荷组件实现对馈电链路射频信号的变频、滤波及放大等功能，实现与基带处理的中频接口；跳波束用户链路变频组件实现用户链路的分合路、变频滤波及放大等功能；相控阵用户波束天线通过波控机实现对不同区域的跳波束覆盖。

由以上组成可知，本发明提出的面向低轨卫星通信的跳波束通信方法能够实现透明跳波束和处理跳波束之间的切换，既简化了星上网络的复杂度，同时也减小了星上处理的复杂度及资源开销。下面重点介绍低轨跳波束的载荷使用模式、跳波束使用方法以及跳波束同步流程。

(1)跳波束载荷使用方法

跳波束载荷的使用是基于整个低轨宽带网络架构的优化设计的基础上。因此，本发明提出了一种优化的星上组网架构。整个星上的组网以星间链路和馈电链路组成高速骨干网络，信关站承担复杂的交换处理任务，星上主要实现骨干节点和用户波束端口的数据包的转发工作。基于以上架构，当卫星处于陆地等信关站可见的地域时星上采用透明跳波束方式，当卫星处于海洋等信关站不可见的地域时星上采用处理跳波束方式，具体使用方式如下：

(1.1)透明跳波束方式时业务信号通过星上透明转发的方式实现用户波束与馈电波束的信号交互，波束的跳变控制指令由信关站产生，在每个馈电波束上行业务信号帧的初始位置的上行控制信息帧中，如图9所示；跳波束信令处理及控制模块对上行控制信息帧进行低延迟快速处理，提取整个用户波束的跳束跳变计划并实施对用户波束的控制；该模式时用户波束仅与馈电波束实现信息交互。

(1.2)透明跳波束方式时馈电链路的信号由2部分组成，分别是馈电链路星间转发信号以及馈电链路用户透明转发信号。馈电链路星间转发信号采用连续载波，载波内的所有信息通过星间链路实现转发；馈电链路用户透明转发信号采用与用户波束所指向的服务区相配置的载波信号，可实现优化的系统业务配置。

(1.3)处理跳波束方式时业务信号通过星上处理转发的方式实现用户波束内以及用户波束与星间波束之间的信息交互，波束的跳变控制指令由网络控制中心提前配置好，由跳波束信令处理及控制模块直接对波束实施控制，星上内部实现波束控制与信号之间的同步；该模式时用户波束与星间波束以及用户波束内部自身实现信息交互。

(1.4)跳波束的每个跳变时间内的载波配置模式可动态变化，每个波束的跳变时间可动态配置。

(2)波束跳变使用方法

传统跳波束的使用是将整个覆盖区按照波束的大小进行地理位置的分区，形成若干个通信波位，每个波位指向对应的相控阵天线权值可提前进行计算并存储，相控阵天线只需要根据系统的控制需求指向所需要通信的波位既可，图5给出了基于波位划分的跳波束示意图。但实际系统使用时，由于空间业务分布的不均匀性以及低轨卫星本身的快速移动特性等，传统基于地理空间特性划分的波位方式在资源使用层面的效率不高，且存在频繁切换的问题，需要进行优化设计。本发明提出了一种结合用户集群覆盖与单用户独立覆盖相结合的跳波束通信方法，具有资源使用效率高，用户切换次数少等优势，具体方法介绍如下。

(2.1)星座系统的网络管理中心根据整个系统的网络用户特征对用户的波位进行划分，网络用户特征主要包括用户的地理位置信息以及用户的运动状态等信息。根据用户特征，整个用户波位可划分为两类，分别是集群用户波位和单用户波位；集群用户波位主要是指空间位置相近，能够被一个波束覆盖的用户群，该波位的特点是用户位置相对固定，图6给出了按区域划分的集群用户波位示意图；单用户波位主要是指地理区域极度分散或移动速率较大的移动用户群，该波位的特点是波束动态的指向某个独立用户，根据用户的运动特征指向实时调整，图7给出了动态跟踪的单用户波位示意图。

(2.2)实际系统使用时，每个星上用户波束的波位跳变采用基于用户群和单用户的混合跳波束模式，既在一个跳变周期内，可根据系统地需求动态配置用户群波位和单用户波位的时间资源，如图8所示。

(2.3)混合跳波束不同的波位内可采用不同的多址方式和载波配置模式，如图10所示。对于集群用户波位采用频分及时分相结合的多址模式，具体载波的速率和载波的个数可按需配置；对于单用户波位不区分多址方式，载波速率大小根据用户能力可配置。

(3)基于地面同步星上的馈电链路跳波束同步方法

对于处理转发的跳波束同步主要涉及用户终端与卫星之间的同步；对于透明转发的跳波束同步既涉及用户终端与卫星之间的同步，也涉及到地面信关站与卫星之间的同步。针对处理转发的卫星与用户段的同步方法研究较多，本发明主要提出了一种地面信关站与卫星之间的馈电链路跳波束同步方法，馈电透明转发链路的帧形式如图9所示。

(3.1)星上时间基准产生及时间同步处理模块根据系统配置产生整个跳波束的波束跳变周期T以及初始基准时刻，初始基准时刻整个星座保持一致；星上时间基准产生及时间同步处理模块控制跳波束信令处理及控制模块产生馈电下行链路的下行广播信号，下行广播信号的第一个符号上升沿与波束跳变周期的起始时刻对齐。

(3.2)透明转发的馈电链路下行信号由下行广播信号及来自用户的透明业务信号组成，下行广播信号由跳波束信令处理及控制模块产生，用户的透明业务信号来自于用户波束的上行链路信号；下行广播信号内包含当前TOD的计数值以及实时星历信息，TOD的计数值以及波束跳变周期T的分辨率优于10ns。

(3.3)信关站设备通过本地时钟测量两个连续时间下行广播信号之间的时间差值T1，通过计算两次TOD的时间差计算跳波束配置周期T，将本地计算的时间差T1与跳波束配置周期T进行对比，根据其差值计算本地时钟偏差与频率偏差；信关站提取下行广播信号中的卫星实时星历信息，结合本地位置计算卫星与信关站之间的距离及时间变化数据。

(3.4)地面设备以收到的下行广播信号第一个符号的上升沿为时间基准，补偿星地之间的距离偏差后发送上行控制信号以及馈电上行业务数据。上行控制信息包括整个透明转发跳波束前向链路波束和反向链路波束在一个时间周期T内所有的波束跳变具体信息，具体包括每个跳变波位的跳变时间TOD信息和具体的波位指向信息。

(3.5)星上跳波束信令处理及控制模块对馈电链路上行控制信号进行再生解调，提取出每个跳变波位的跳变时间TOD信息和具体的波位指向信息，在相应的时间控制用户波束相控阵天线中的波位机实现波束的跳变。

综上所述，本发明提出了一种低轨卫星跳波束通信方法，将传统的数字透明跳波束转发与星上处理跳波束转发进行了融合设计，简化了低轨网络的复杂度以及星上处理载荷的复杂度及资源开销；针对具体的跳波束波位使用，提出了一种结合用户集群覆盖与单用户独立覆盖相结合的混合跳波束波位方法，具有资源使用效率高，用户切换次数少等优势；针对透明跳波束转发，提出了一种信关站同步星上的透明跳波束同步方法，该方法同步过程简单，同步时间快，能够有效匹配混合波位的使用模式。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种面向低轨卫星通信系统的跳波束通信方法，其特征在于，所述面向低轨卫星通信系统的跳波束通信方法包括：

步骤一，跳波束载荷根据是否可见信关站分为透明跳波束载荷和处理跳波束载荷，并进行跳波束的处理；

步骤二，根据用户特征选择集群覆盖与单用户独立覆盖相结合的跳波束通信模式；

步骤三，星上周期性播发时间信息，地面高可靠接收星上时间信息并进行偏差分析及补偿，进行基于地面同步星上的馈电链路跳波束同步通信；

所述跳波束载荷包括：

星上时间基准产生及时间同步处理模块、跳波束信令处理及控制模块、馈电链路星上处理模块、用户链路星上处理模块、星间链路信号处理模块、馈电链路射频变频载荷组件、跳波束用户链路变频组件以及相控阵用户波束天线；

星上时间基准产生及时间同步处理模块，用于接收以北斗为代表的时空基准信号，自主产生星上的时间基准信号，并通过馈电链路和星间链路进行整个星座中各个卫星和地面关口站的时间基准比对和同步处理；

跳波束信令处理及控制模块，用于根据波束跳变配置信息产生整个用户波束的波束跳变计划，并实时控制相控阵用户波束天线里的波控机对用户波束天线进行跳变控制；

馈电链路星上处理模块，用于对信关站发送的馈电链路星间转发信号进行再生解调处理并发送给星间链路信号处理模块；

用户链路星上处理模块，用于对用户波束的上下行信号进行再生及交换处理，并与星间链路信号处理模块之间进行信息交互；

星间链路信号处理模块，用于对星间链路信号的再生解调，并与馈电链路星上处理模块以及用户链路星上处理模块进行数据交互；

馈电链路射频变频载荷组件，用于进行馈电链路射频信号的变频、滤波及放大，与基带处理的中频接口连接；

跳波束用户链路变频组件，用于进行用户链路的分合路、变频滤波及放大；

相控阵用户波束天线，用于通过波控机进行对不同区域的跳波束覆盖。

2.如权利要求1所述的面向低轨卫星通信系统的跳波束通信方法，其特征在于，步骤一中，所述跳波束载荷根据是否可见信关站分为透明跳波束载荷和处理跳波束载荷，并进行跳波束的处理包括：

判断卫星是否处于信关站可见的地域；

若卫星处于陆地上空信关站可见的地域时，星上采用透明跳波束方式进行信息交互，仅解调信关站发送的跳波束信令信号进行用户波束的控制；

若卫星处于海洋上空信关站不可见的地域时，星上采用处理跳波束方式进行信息交互，星上对用户波束的业务信号进行再生解调处理。

3.如权利要求2所述的面向低轨卫星通信系统的跳波束通信方法，其特征在于，所述星上采用透明跳波束方式进行信息交互包括：

业务信号通过星上透明转发的方式进行用户波束与馈电波束的信号交互，信关站生成波束的跳变控制指令，在每个馈电波束上行业务信号帧的初始位置的上行控制信息帧中；跳波束信令处理及控制模块对上行控制信息帧进行低延迟快速处理，提取整个用户波束的波束跳变计划并实施对用户波束的控制；用户波束仅与馈电波束进行信息交互；

当星上采用透明跳波束方式进行信息交互时，馈电链路的信号由馈电链路星间转发信号以及馈电链路用户透明转发信号组成；馈电链路星间转发信号采用连续载波，载波内的所有信息通过星间链路进行转发；馈电链路用户透明转发信号采用与用户波束所指向的服务区相匹配的载波配置信号，进行优化的系统业务配置。

4.如权利要求2所述的面向低轨卫星通信系统的跳波束通信方法，其特征在于，所述星上采用处理跳波束方式进行信息交互包括：

业务信号通过星上处理转发的方式进行用户波束内以及用户波束与星间波束之间的信息交互，网络控制中心提前配置好波束的跳变控制指令，由跳波束信令处理及控制模块直接对波束实施控制，星上内部进行波束控制与信号之间的同步；用户波束与星间波束以及用户波束内部自身进行信息交互；

同时，跳波束的每个跳变时间内的载波配置模式可动态变化，每个波束的跳变时间可动态配置。

5.如权利要求1所述的面向低轨卫星通信系统的跳波束通信方法，其特征在于，步骤二中，所述根据用户特征选择集群覆盖与单用户独立覆盖相结合的跳波束通信模式包括：

（1）星座系统的网络管理中心根据网络用户的地理位置信息、运动状态以及其他特征将用户的波位划分为集群用户波位和单用户波位；

（2）在一个跳变周期内，根据系统地需求动态配置用户集群波位和单用户波位的时间资源，采用基于用户群和单用户的混合跳波束模式进行每个星上用户波束的波位跳变；

（3）针对不同的用户波位采用不同的多址方式和载波配置模式：对于集群用户波位采用频分及时分相结合的多址模式，并按需配置具体载波的速率和载波的个数；对于单用户波位不区分多址方式，根据用户能力可配置载波速率大小。

6.如权利要求1所述的面向低轨卫星通信系统的跳波束通信方法，其特征在于，所述进行基于地面同步星上的馈电链路跳波束同步通信包括：

星上时间基准产生及时间同步处理模块根据系统配置产生整个跳波束的波束跳变周期T以及初始基准时刻；星上时间基准产生及时间同步处理模块控制跳波束信令处理及控制模块产生馈电下行链路的下行广播信号，下行广播信号的第一个符号上升沿与波束跳变周期的起始时刻对齐；

信关站设备通过本地时钟测量两个连续时间下行广播信号之间的时间差值T1，通过计算两次TOD的时间差计算跳波束配置周期T，将本地计算的时间差值T1与跳波束配置周期T进行对比，根据其差值计算本地时钟偏差与频率偏差；信关站提取下行广播信号中的卫星实时星历信息，结合本地位置计算卫星与信关站之间的距离及时间变化数据；

地面设备以收到的下行广播信号第一个符号的上升沿为时间基准，补偿星地之间的距离偏差后发送上行控制信号以及馈电上行业务数据；

星上跳波束信令处理及控制模块对馈电链路上行控制信号进行再生解调，提取得到每个跳变波位的跳变时间TOD信息和具体的波位指向信息，在相应的时间控制用户波束相控阵天线中的波位机进行波束的跳变。

7.如权利要求6所述的面向低轨卫星通信系统的跳波束通信方法，其特征在于，所述馈电下行链路的下行广播信号由下行广播信号及来自用户的透明业务信号组成；

所述下行广播信号由跳波束信令处理及控制模块产生，所述下行广播信号包含当前TOD的计数值以及实时星历信息；

所述用户的透明业务信号来自于用户波束的上行链路信号；

所述上行控制信号包括：整个透明转发跳波束前向链路波束和反向链路波束在一个时间周期T内所有的波束跳变具体信息；

所述波束跳变具体信息包括每个跳变波位的跳变时间TOD信息和具体的波位指向信息。

8.一种卫星载荷设备，其特征在于，所述卫星载荷设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1-7任意一项所述面向低轨卫星通信系统的跳波束通信方法的步骤。

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