CN114337761A - 一种用于卫星互联网星间链路的数字波束成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于卫星互联网星间链路的数字波束成形方法，包括：确定卫星各相邻卫星的相对空间位置；确定卫星4路星间链路的波束指标；确定在一个星座运行周期内、相对于运行时间的4路星间链路的数字波位序列；形成4路路星间链路的多路通信通道的相位pha和增益amp控制序列；针对卫星互联网星座的运行周期起始时刻，确定4路星间链路的数字波位序列的序列值，加载对应的控制序列，完成4路星间链路起始时刻数字波位的数字波束成形，实现卫星互联网的同轨道面前后与相邻轨道面左右的星间链路可靠大容量通信。本发明利用数字波束成形和数字波位方法，实现卫星互联网的同轨道面前后与相邻轨道面左右的星间链路可靠大容量通信。

Description

一种用于卫星互联网星间链路的数字波束成形方法

技术领域

本发明属于卫星互联网技术领域，具体涉及一种用于卫星互联网星间链路的数字波束成形方法。

背景技术

近年来，随着卫星小型化、轻量化、发射成本下降，以及物联网、移动互联网的发展，掀起了卫星互联网建设运营的新高潮，以StarLink、Iridium Next、OneWeb、鸿雁、虹云和天象等星座为代表的卫星通信网络正在快速建设组网，部分已开始商业运营。卫星互联网已作为我国国家空间信息基础设施的重要组成部分，纳入了“新基建”范畴。

卫星互联网利用特定构型的卫星星座，通过星上处理、星间路由和星间链路，形成连续覆盖地球表面的全球可通、自主可控的互联通信网络，构建不依赖地面网络的空间互联网，提供独立于地面通信互联网的网络通信服务，通过信关站实现与地面通信网、互联网络的互联互通，在保障偏远地区、海洋、荒漠的普遍联网通信服务方面具有不可替代的重要作用。

卫星互联网的关键技术之一就是卫星星座的星间通信链路。星间链路是星间路由实现的前提，是构建全球无缝连接、不依赖地面网络的空间互联网的核心支撑技术。当前星间链路存在波束指向、干扰抑制、功耗管理和轻量设计等诸多挑战，还需要进一步研发验证。

卫星互联网星间链路主要包括同轨道面前后方向卫星的星间链路和相邻轨道面左右方向卫星的星间链路，可采用两种途径实现。一种是激光星间链路，另一种是微波星间链路。激光星间链路利用两颗卫星间安装的激光收发组件实现两颗卫星通信，具有通信容量大。但由于激光波束极窄，需要两颗卫星安装的激光收发组件高精度对准，实现难度大，目前还处于测试验证阶段。微波星间链路利用两颗卫星安装的通信收发终端实现两颗卫星通信，由于微波波束宽，实现容易，已在卫星通信系统中使用，但是相对于激光链路来说，存在通信容量不足的缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种用于卫星互联网星间链路的数字波束成形方法。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种用于卫星互联网星间链路的数字波束成形方法，所述卫星互联网星座的每颗卫星拥有4路点对点星间链路，具体为：

对于卫星互联网星座中的卫星S0，记卫星S1、S5、S7、S3分别为S0同轨道面前、后、左、右方向的相邻卫星；

则，卫星S0同轨道面前后方向有两路星间链路：S0-S1、S0-S5，相邻轨道面左右方向有两路星间链路：S0-S7、S0-S3；

所述数字波束成形方法包括：

1)利用卫星互联网星座的轨道信息和星历信息，确定卫星S0相对于卫星S1、S3、S5、S7的相对空间位置；

2)利用卫星互联网星座的轨道信息和星历信息，确定卫星S0相对于其他相邻卫星S2、S4、S6、S8的相对空间位置；

3)根据卫星互联网星座的轨道信息和1)与2)计算的相对空间位置，分别确定4路星间链路的波束指标；

4)根据卫星互联网星座的轨道信息和3)计算的波束指标，确定在一个星座运行周期内、相对于运行时间的4路星间链路的数字波位序列BF01、BF02、BF03和BF04；

5)根据4)确定的每一数字波位序列和对应的波束指标，利用数字波束成形技术与数字优化方法，分别形成4路路星间链路的多路通信通道的相位pha和增益amp控制序列CH01、CH02、CH03、CH04；

6)根据卫星互联网星座的轨道信息和星历信息，针对卫星互联网星座的运行周期起始时刻，确定4路星间链路的数字波位序列BF01、BF02、BF03和BF04的序列值BN011、BN012、BN013和BN014，加载对应的控制序列CH01、CH02、CH03、CH04，完成4路星间链路起始时刻数字波位的数字波束成形，实现卫星互联网的同轨道面前后与相邻轨道面左右的星间链路可靠大容量通信。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的1)利用卫星互联网星座的轨道信息和星历信息，确定卫星S0相对于卫星S1、S3、S5、S7的相对空间位置(距离r、方位theta、俯仰beta)，即：

(r01、theta01、beta01)、…、(r07、theta07、beta07)。

上述的2)利用卫星互联网星座的轨道信息和星历信息，确定卫星S0相对于其他相邻卫星S2、S4、S6、S8的相对空间位置：

(r02、theta02、beta02)、…、(r08、theta08、beta08)。

上述的3)根据卫星互联网星座的轨道信息和1)与2)计算的相对空间位置，分别确定4路点对点星间链路的波束指标；

所述波束指标包括波束指向、波束形状、波束宽度、主瓣增益、主旁瓣比、零陷指向和零陷深度。

上述的4)根据卫星互联网星座的轨道信息和3)计算的波束指标，确定在一个星座运行周期内、相对于运行时间的4路星间链路的数字波位序列：

BF01{BN011、…、BN01m}、BF02{BN021、…、BN02m}、BF03{BN031、…、BN03m}和BF04{BN041、…、BN04m}。

m是指在一个运行周期内，数字波位的个数。

上述的5)根据4)确定的每一数字波位序列和对应的波束指标，利用数字波束成形技术与数字优化方法，分别形成4路路星间链路的多路通信通道的相位pha和增益amp控制序列：

CH01{CH011(CN0111(pha，amp)、…、CN011n(pha，amp))、…、CH01m(CN01m1(pha，amp)、…、CN01mn(pha，amp))}；

n表示通信通道的数量；

CH02{CH021、…、CH02m}；

CH03{CH031、…、CH03m}；

CH04{CH041、…、CH04m}。

上述的6)具体包括：

6.1)根据卫星互联网星座的轨道信息和星历信息，针对卫星星座的运行周期起始时刻，确定星间链路的数字波位序列BF01的序列值BN011，加载对应的控制序列CH011，完成对应路星间链路起始时刻数字波位的数字波束成形；

6.2)进行其他3路星间链路起始时刻数字波位的数字波束成形；

6.3)数字波位序列值增加1位，即确定路星间链路的数字波位序列BF01的序列值BN012，加载对应的控制序列CH012，完成对应路星间链路时刻数字波位的数字波束成形；

6.4)进行其他3路星间链路起始时刻数字波位的数字波束成形；

6.5)数字波位在逐步增加，每次+1，直至增加到m，完成卫星互联网星座的所有数字波位的数字波束成形。

6.6)重复6.1)～6.5)，实现卫星互联网星座星间链路的正常运行。

本发明具有以下有益效果：

本发明采用微波/毫米波星间链路路线，利用数字波束成形和数字波位方法，实现卫星互联网的同轨道面前后与相邻轨道面左右的星间链路可靠大容量通信，可提供一种具有动态调整的波束形状、波束指向和空间抗干扰的卫星互联网星间链路，适用于低、中、高轨道卫星星座的卫星互联网。

附图说明

图1为卫星互联网星间链路；

图2是本发明方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

卫星互联网星座的每颗卫星(不失一般性，以图1中的卫星S0为例)拥有4路点对点星间链路，如图1所示。具体为：

对于卫星互联网星座中的卫星S0，记卫星S1、S5、S7、S3分别为S0同轨道面前、后、左、右方向的相邻卫星；

则，卫星S0同轨道面前后方向有两路星间链路：S0-S1、S0-S5，相邻轨道面左右方向有两路星间链路：S0-S7、S0-S3；

同时还需要避免对相邻卫星S2、S4、S6和S8的干扰。S2、S4、S6、S8与S0的相对关系与轨道有关。

如图2所示，本发明一种用于卫星互联网星间链路的数字波束成形方法，利用数字波束成形和数字波位方法实现微波/毫米波星间链路，包括：

1)利用卫星互联网星座的轨道信息和星历信息，确定卫星S0相对于卫星S1、S3、S5、S7的相对空间位置(距离r、方位theta、俯仰beta)，即：

(r01、theta01、beta01)、…、(r07、theta07、beta07)。

2)利用卫星互联网星座的轨道信息和星历信息，确定卫星S0相对于其他相邻卫星S2、S4、S6、S8的相对空间位置：

(r02、theta02、beta02)、…、(r08、theta08、beta08)。

3)根据卫星互联网星座的轨道信息和1)与2)计算的相对空间位置，分别确定4路点对点星间链路的波束指标；

所述波束指标包括波束指向、波束形状、波束宽度、主瓣增益、主旁瓣比、零陷指向和零陷深度。

4)卫星运行轨道具有周期性的，会重复工作。根据卫星互联网星座的轨道信息和3)计算的波束指标，确定在一个星座运行周期内、相对于运行时间的4路星间链路的数字波位序列：

BF01{BN011、…、BN01m}、BF02{BN021、…、BN02m}、BF03{BN031、…、BN03m}和BF04{BN041、…、BN04m}。

m是指在一个运行周期内，数字波位的个数。BN01m等指的是在轨道的具体点位。

5)根据4)确定的每一数字波位序列和对应的波束指标，利用数字波束成形技术与数字优化方法，分别形成4路路星间链路的多路通信通道的相位pha和增益amp控制序列：

CH01{CH011(CN0111(pha，amp)、…、CN011n(pha，amp))、…、CH01m(CN01m1(pha，amp)、…、CN01mn(pha，amp))}；

n表示通信通道的数量，CN011n(pha，amp)表示对n通信信道的相位、增益影响，其值由软件计算得到。

CH02{CH021、…、CH02m}；

CH03{CH031、…、CH03m}；

CH04{CH041、…、CH04m}。

6)根据卫星互联网星座的轨道信息和星历信息，针对卫星互联网星座的运行周期起始时刻，确定4路星间链路的数字波位序列BF01、BF02、BF03和BF04的序列值BN011、BN012、BN013和BN014，加载对应的控制序列CH01、CH02、CH03、CH04，完成4路星间链路起始时刻数字波位的数字波束成形，实现卫星互联网的同轨道面前后与相邻轨道面左右的星间链路可靠大容量通信，具体包括：

6.1)根据卫星互联网星座的轨道信息和星历信息，针对卫星星座的运行周期起始时刻，确定星间链路的数字波位序列BF01的序列值BN011，加载对应的控制序列CH011，完成对应路星间链路起始时刻数字波位的数字波束成形；

6.2)按照6.1)，完成其他3路星间链路起始时刻数字波位的数字波束成形；具体过程为：确定星间链路的数字波位序列BF02的序列值BN021，加载对应的控制序列CH021，完成对应路星间链路起始时刻数字波位的数字波束成形；确定星间链路的数字波位序列BF03的序列值BN031，加载对应的控制序列CH031，完成对应路星间链路起始时刻数字波位的数字波束成形；确定星间链路的数字波位序列BF04的序列值BN041，加载对应的控制序列CH041，完成对应路星间链路起始时刻数字波位的数字波束成形；

6.3)数字波位序列值增加1位，即确定路星间链路的数字波位序列BF01的序列值BN012，加载对应的控制序列CH012，完成对应路星间链路时刻数字波位的数字波束成形；

6.4)按照6.3)，完成其他3路星间链路起始时刻数字波位的数字波束成形；具体过程为：即确定路星间链路的数字波位序列BF02的序列值BN022，加载对应的控制序列CH022，完成对应路星间链路时刻数字波位的数字波束成形；即确定路星间链路的数字波位序列BF03的序列值BN032，加载对应的控制序列CH032，完成对应路星间链路时刻数字波位的数字波束成形；即确定路星间链路的数字波位序列BF04的序列值BN042，加载对应的控制序列CH042，完成对应路星间链路时刻数字波位的数字波束成形；

6.5)重复6.3)到6.4)，直至完成卫星互联网星座的所有数字波位的数字波束成形。在这过程中，主要是数字波位在逐步增加(每次+1)，直至增加到m，完成所有数字波位。

6.6)重复6.1)～6.5)，实现卫星互联网星座星间链路的正常运行。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于卫星互联网星间链路的数字波束成形方法，其特征在于，

所述卫星互联网星座的每颗卫星拥有4路点对点星间链路，具体为：

对于卫星互联网星座中的卫星S0，记卫星S1、S5、S7、S3分别为S0同轨道面前、后、左、右方向的相邻卫星；

则，卫星S0同轨道面前后方向有两路星间链路：S0-S1、S0-S5，相邻轨道面左右方向有两路星间链路：S0-S7、S0-S3；

所述数字波束成形方法包括：

1)利用卫星互联网星座的轨道信息和星历信息，确定卫星S0相对于卫星S1、S3、S5、S7的相对空间位置；

2)利用卫星互联网星座的轨道信息和星历信息，确定卫星S0相对于其他相邻卫星S2、S4、S6、S8的相对空间位置；

3)根据卫星互联网星座的轨道信息和1)与2)计算的相对空间位置，分别确定4路星间链路的波束指标；

4)根据卫星互联网星座的轨道信息和3)计算的波束指标，确定在一个星座运行周期内、相对于运行时间的4路星间链路的数字波位序列BF01、BF02、BF03和BF04；

5)根据4)确定的每一数字波位序列和对应的波束指标，利用数字波束成形技术与数字优化方法，分别形成4路路星间链路的多路通信通道的相位pha和增益amp控制序列CH01、CH02、CH03、CH04；

6)根据卫星互联网星座的轨道信息和星历信息，针对卫星互联网星座的运行周期起始时刻，确定4路星间链路的数字波位序列BF01、BF02、BF03和BF04的序列值BN011、BN012、BN013和BN014，加载对应的控制序列CH01、CH02、CH03、CH04，完成4路星间链路起始时刻数字波位的数字波束成形，实现卫星互联网的同轨道面前后与相邻轨道面左右的星间链路可靠大容量通信。

2.根据权利要求1所述的一种用于卫星互联网星间链路的数字波束成形方法，其特征在于，所述1)利用卫星互联网星座的轨道信息和星历信息，确定卫星S0相对于卫星S1、S3、S5、S7的相对空间位置(距离r、方位theta、俯仰beta)，即：

(r01、theta01、beta01)、…、(r07、theta07、beta07)。

3.根据权利要求1所述的一种用于卫星互联网星间链路的数字波束成形方法，其特征在于，所述2)利用卫星互联网星座的轨道信息和星历信息，确定卫星S0相对于其他相邻卫星S2、S4、S6、S8的相对空间位置(距离r、方位theta、俯仰beta)，即：

(r02、theta02、beta02)、…、(r08、theta08、beta08)。

4.根据权利要求1所述的一种用于卫星互联网星间链路的数字波束成形方法，其特征在于，所述3)根据卫星互联网星座的轨道信息和1)与2)计算的相对空间位置，分别确定4路点对点星间链路的波束指标；

所述波束指标包括波束指向、波束形状、波束宽度、主瓣增益、主旁瓣比、零陷指向和零陷深度。

5.根据权利要求1所述的一种用于卫星互联网星间链路的数字波束成形方法，其特征在于，所述4)根据卫星互联网星座的轨道信息和3)计算的波束指标，确定在一个星座运行周期内、相对于运行时间的4路星间链路的数字波位序列：

BF01{BN011、…、BN01m}、BF02{BN021、…、BN02m}、BF03{BN031、…、BN03m}和BF04{BN041、…、BN04m}；

m是指在一个运行周期内，数字波位的个数。

6.根据权利要求1所述的一种用于卫星互联网星间链路的数字波束成形方法，其特征在于，所述5)根据4)确定的每一数字波位序列和对应的波束指标，利用数字波束成形技术与数字优化方法，分别形成4路路星间链路的多路通信通道的相位pha和增益amp控制序列：

CH01{CH011(CN0111(pha，amp)、…、CN011n(pha，amp))、…、CH01m(CN01m1(pha，amp)、…、CN01mn(pha，amp))}；

n表示通信通道的数量；

CH02{CH021、…、CH02m}；

CH03{CH031、…、CH03m}；

CH04{CH041、…、CH04m}。

7.根据权利要求1所述的一种用于卫星互联网星间链路的数字波束成形方法，其特征在于，6)具体包括：

6.1)根据卫星互联网星座的轨道信息和星历信息，针对卫星星座的运行周期起始时刻，确定星间链路的数字波位序列BF01的序列值BN011，加载对应的控制序列CH011，完成对应路星间链路起始时刻数字波位的数字波束成形；

6.2)进行其他3路星间链路起始时刻数字波位的数字波束成形；

6.3)数字波位序列值增加1位，即确定路星间链路的数字波位序列BF01的序列值BN012，加载对应的控制序列CH012，完成对应路星间链路时刻数字波位的数字波束成形；

6.4)进行其他3路星间链路起始时刻数字波位的数字波束成形；

6.5)数字波位在逐步增加，每次+1，直至增加到m，完成卫星互联网星座的所有数字波位的数字波束成形；

6.6)重复6.1)～6.5)，实现卫星互联网星座星间链路的正常运行。

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