CN115276764B

CN115276764B - 低轨卫星接入网系统的全面仿真系统、方法及存储介质

Info

Publication number: CN115276764B
Application number: CN202210796607.XA
Authority: CN
Inventors: 刘宁
Original assignee: Sichuan Innogence Technology Co Ltd
Current assignee: Sichuan Innogence Technology Co Ltd
Priority date: 2022-07-06
Filing date: 2022-07-06
Publication date: 2023-07-04
Anticipated expiration: 2042-07-06
Also published as: CN115276764A

Abstract

本发明公开了一种低轨卫星接入网系统的全面仿真系统、方法及存储介质，涉及卫星通信技术领域，系统包括卫星波位图案设计及控制单元、GPS信号模拟单元、星历模拟单元、GPS模块、卫星基站协议栈单元、卫星基站基带单元、卫星基站射频单元、多通道卫星信道模拟单元、波束模拟器、卫星终端以及屏蔽箱；卫星基站协议栈单元、卫星基站基带单元和卫星基站射频单元依次通信连接；卫星波位图案设计及控制单元与卫星基站协议栈单元通信连接；GPS信号模拟单元与卫星基站射频单元通信连接。本发明能在实验室(地面)建立一套非常真实的、接入网级别全系统的仿真环境，能模拟出所有的信道特点，从而全面准确的验证卫星通信接入网是否能满足真实场景下的需求。

Description

低轨卫星接入网系统的全面仿真系统、方法及存储介质

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，具体而言，涉及一种低轨卫星接入网系统的全面仿真系统、方法及存储介质。

背景技术

低轨卫星通信系统，需要在实验室(地面)具有尽量真实的仿真测试系统，在卫星发射到太空中之前，就进行大量尽量真实的测试和验证。而由于卫星通信的环境十分特殊，在地面能进行的仿真往往只能是部分的。比如只能模拟在一颗卫星和地面终端始终保持连接的一段时间内的，由于距离和高速移动产生的大时延、大时延变化、大多普勒频移，大多普勒频移变化等影响下，在接入网侧，卫星基站和终端是否能保持同步、数传以及性能等等。

在低轨卫星系统中，真实场景更加复杂：

1、一颗卫星往往会有N个波束，但是需要覆盖M个波位。而M往往远大于N，比如10个波束覆盖1000个波位。这就需要波束以一定的规律在波位之间跳动。对于终端用户，就需要在有限的机会里，去捕捉、申请无线资源，然后在得到卫星基站的分配后，高效的使用被分配的无线资源。

2、低轨卫星系统，往往有一个特殊波束，来做广播、接入等功能，此波束需要始终都能覆盖到所有波位，但是速率要求不高。而还有很多业务波束，业务波速只打想需要做业务的波位。特别波束和业务波束的跳动规律、配合等等，往往不同，所以更需要尽量真实地模拟出不同类型波束如何在波位中的服务时间和效果。

3、卫星相对地面运动很快，一颗卫星只能服务一个地面终端一段时间，终端需要在不同的卫星间做切换。

上述场景，对于接入网的性能，会有更多的需求。如果地面测试验证系统，只是停留在高层次的系统仿真，以及上述的单次固定连接的测试，那么就很难发现链路级的各种问题，最后导致卫星发射后，性能远远不及预期。比如一个波束需要服务多个波位，是以时分的方式，在不同的波位之间跳动。这是靠波束的射频模块中的相控阵实现的，不同的时刻，通过调整相控阵，就可以将波束往不同的角度发射，从而覆盖不同的区域。这种方法，在真实环境是没有问题的，但是在实验室环境，由于空间太小，必然不能打出那么相互隔离的区域。终端设备设置在每个地方都能收到每个波位的信号。不同波束在覆盖相邻波位时，必然会产生一定的相互干扰，在全系统场景下，模拟这种干扰并做测试也是非常重要。这也是传统环境很难去做全面仿真的关键点。

除了上述的波位信号控制的问题外，低轨卫星通信系统还有以下的特点导致难以真实模拟。低轨卫星基站和低轨卫星终端之间的信号存在大时延、大动态时延、大频偏，大动态频偏等因素，这些因素已经无法由普通的数字信号同步技术来克服，必须依靠星历克服。

低轨卫星的绝对位置、运动方向、运动速度，是可以提前知道的，所以对于一个服务区域的低轨卫星终端，其在一个绝对时间的卫星信道参数，是可以大概知道的。这个就是星历信息。低轨卫星终端先通过GPS卫星，获取绝对时间，然后通过预存的星历表，就可以知道当前服务自己的低轨卫星的大概的信道参数，对这个信道参数做了预处理后，残余的时偏和频偏，就比较小了，就可以通过常规的数字信号同步技术来处理了。所以，在模拟卫星系统时，这个星历部分就很难来模拟，这个需要卫星基站、信道模拟仪以及卫星终端这三个完全独立的部门，完全同步的工作，才能模拟出真实的低轨卫星信道以及预处理部分。往往这部分都是靠预设值，只测试固定的模式来实现，缺乏真实性和可变性。

发明内容

本发明在于提供一种低轨卫星接入网系统的全面仿真系统、方法及存储介质，其能缓解上述问题。

为了缓解上述的问题，本发明采取的技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种低轨卫星接入网系统的全面仿真系统，包括卫星波位图案设计及控制单元、GPS信号模拟单元、星历模拟单元、GPS模块、卫星基站协议栈单元、卫星基站基带单元、卫星基站射频单元、多通道卫星信道模拟单元、波束模拟器、卫星终端以及屏蔽箱；

所述卫星基站协议栈单元、卫星基站基带单元和卫星基站射频单元依次通信连接；

所述卫星波位图案设计及控制单元与所述卫星基站协议栈单元通信连接；

所述星历模拟单元与所述卫星波位图案设计及控制单元、GPS信号模拟单元、多通道卫星信道模拟单元和波束模拟器通信连接；

所述GPS信号模拟单元通过所述GPS模块与所述卫星基站射频单元通信连接；

所述GPS信号模拟单元与所述卫星终端通信连接；

所述卫星基站射频单元、多通道卫星信道模拟单元、波束模拟器以及卫星终端依次通信连接；

所述卫星终端置于所述屏蔽箱，所述波束模拟器和屏蔽箱之间具有能屏蔽外部信号的信号通道。

在本发明的一较佳实施方式中，所述多通道卫星信道模拟单元为多通道信道模拟仪，且通过设置信道参数实现信道模拟。

在本发明的一较佳实施方式中，所述屏蔽箱为带有厢门的方体结构。

第二方面，本发明根据第一方面所述全面仿真系统实现的仿真方法，包括以下步骤：

S1、测试人员在卫星波位图案设计以及控制单元，设置好需要测试的低轨卫星通信参数；

S2、卫星波位图案设计以及控制单元，将低轨卫星通信参数发送至卫星基站；

S3、卫星波位图案设计以及控制单元，将低轨卫星通信参数发送至星历模拟单元，星历模拟单元将低轨卫星通信参数，转化模块控制参数，包括波束跳转及干扰相关参数、GPS信号相关参数、波束卫星信道相关参数；

S4、星历模拟单元将GPS信号相关参数发送给GPS信号模拟单元，GPS信号模拟单元根据GPS信号相关参数模拟出对应的GPS信号，并发送给卫星基站和卫星终端。

S5、星历模拟单元将波束卫星信道相关参数，发送给多通道卫星信道模拟单元，多通道卫星信道模拟单元按照波束卫星信道相关参数工作，模拟对应的卫星信道，将来自卫星基站射频单元的波束信号传输至波束模拟器；

S6、星历模拟单元将波束跳转及干扰相关参数，发送给波束模拟器，波束模拟器按照波束跳转及干扰相关参数，对各波束信号进行混合，之后发送至卫星终端。

在本发明的一较佳实施方式中，需要测试的低轨卫星通信参数包括轨道高度、卫星星历和卫星基站波束服务图案。

在本发明的一较佳实施方式中，在进行单颗卫星模拟测试时，所述波束模拟器的波束进口组能接收来自所述多通道卫星信道模拟单元的N路波束信号，波束出口组具有M个出口，每个出口通过信号通道连接一个屏蔽箱。

在本发明的一较佳实施方式中，在步骤S6中，所述波束模拟器通过控制M*N的信道矩阵的参数，控制每路波束信号到达对应的屏蔽箱中，并发送至卫星终端。

在本发明的一较佳实施方式中，在进行X＞1颗卫星的模拟测试时，所述波束模拟器的波束进口组能接收来自所述多通道卫星信道模拟单元的X*N路波束信号，波束出口组具有M个出口，每个出口通过信号通道连接一个屏蔽箱。

在本发明的一较佳实施方式中，在步骤S6中，所述波束模拟器通过控制M*XN的信道矩阵的参数，控制每路波束信号到达对应的屏蔽箱中，并发送至对应的卫星终端。

第三方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行第二方面所述的方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：能在实验室(地面)建立一套非常真实的、在接入网级别全系统的仿真环境，能模拟出所有的信道特点，从而全面、准确的验证卫星通信接入网是否能满足真实场景下的需求和性能；

特别是对于如何让信道模拟仪和终端的星历计算，保持严格同步的方法上，采用了最真实，且最可靠的“假”GPS信号的方法，不需要终端去实现额外的同步方法。

并且该方法和模型，能完美的模拟星间切换的场景，使得在实验中的小场地里，就能完美测试卫星基站和地面终端的切换性能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明所述仿真方法的流程图；

图2是实施例1中用于单颗卫星模拟测试的全面仿真系统；

图3是实施例2中用于两颗卫星模拟测试的全面仿真系统。

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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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。

请参照图2和图3，本发明提供了一种低轨卫星接入网系统的全面仿真系统，包括卫星波位图案设计及控制单元、GPS信号模拟单元、星历模拟单元、GPS模块、卫星基站协议栈单元、卫星基站基带单元、卫星基站射频单元、多通道卫星信道模拟单元、波束模拟器、卫星终端以及屏蔽箱；

卫星基站协议栈单元、卫星基站基带单元和卫星基站射频单元依次通信连接；

卫星波位图案设计及控制单元与卫星基站协议栈单元通信连接；

星历模拟单元与卫星波位图案设计及控制单元、GPS信号模拟单元、多通道卫星信道模拟单元和波束模拟器通信连接；

GPS信号模拟单元通过GPS模块与卫星基站射频单元通信连接；

GPS信号模拟单元与卫星终端通信连接；

卫星基站射频单元、多通道卫星信道模拟单元、波束模拟器以及卫星终端依次通信连接；

卫星终端置于屏蔽箱，波束模拟器和屏蔽箱之间具有能屏蔽外部信号的信号通道。

在本发明中，波束模拟器通过SMA射频接口，通过射频线，直接将射频信号直接送到屏蔽箱的SMA接口，进而将信号送入屏蔽箱，即信号通道的走向，这样每个波束模拟器射频出口就不会干扰其他屏蔽箱中的信号。

在本发明中，多通道卫星信道模拟单元采用的是业内常见的多通道信道模拟仪，可以通过设置信道参数来实现模拟各种信道模型。

在本发明中，卫星终端所处的屏蔽箱为业内常见的无线信号屏蔽箱。由于实验室环境不可能太大，不同波位的信号会相互干扰，所以需要用屏蔽箱来隔离不同波位的信号。

在本发明中，卫星波位图案设计及控制单元，负责设计卫星在服务区的波束跳转图案设计，并将图案设计转换为其他各个模块所需要的参数模式，同步的通知给其他模块。此模块是整个测试测试系统的控制界面和总驱动。

如技术背景中所描述，低轨卫星通信系统中，对于快速变化的卫星信道，主要的预补偿功能，是靠卫星终端通过星历信息来计算和补偿。但是在实验室系统中，并没有真正的星历，所以需要星历模拟的装置才能驱动卫星基站、卫星终端以及信道模拟仪能同时、同步、准确的工作。在本发明中，星历模拟单元需要将即将测试的、一段时间的卫星信道参数，以及卫星波束跳转模型等，转换为以标准星历为基准的，其他模块所需要的参数，并传递给其它模块，具体如下：

1)转换为信道模拟仪所需要的参数格式，如每微妙的信道时延、频偏、衰落等等。

2)转化为GPS信号模拟单元所需要的参数格式。如每毫秒发送什么样的GPS信号，确保卫星终端、卫星基站收到这样的GPS信号后，换算出的时间，根据其预存的星历参数表，能同步、准确的推算出信道模拟仪当时产生的大致信道延迟、频偏、衰落等等。

3)转化为波束模拟器的控制参数，如每毫秒M*XN波束混合矩阵的参数等等。

在本发明中，GPS信号模拟单元负责将星历信息来产生标准的GPS信号，确保卫星终端、卫星基站收到这样的GPS信号后，换算出的时间，根据其预存的星历参数表，能同步、准确的推算出多通道卫星信道模拟单元当时产生的大致信道延迟、频偏、衰落等等。GPS信号模拟单元直接使用业内常见的GPS信号生成模块即可。

例如，卫星终端预存的星历信息表中，在北京时间2022年1月1日，13:00:00.000000微秒，卫星信道的时延是4ms，频偏是500khz，衰落是90db。而我们的实验室测试是随时在做的，比如在2022年6月1日早上8点我们做测试，此时我们需要把2022年1月1日13点以后的卫星信道变化参数配置给信道模拟仪，让信道模拟仪从2022年6月1日早上8点开始播放这个信道，同时GPS信号模拟单元需要从2022年6月1日早上8点开始准时产生和发送2022年1月1日13点的gps信号，这样所有依赖GPS和星历工作的模块(卫星基站和卫星终端)，就可以通过GPS模拟信号，准确的估计到信道模拟仪所产生的信道模型，从而准确的预纠信道并工作。

在本发明中，卫星基站载荷的内部构成部分，如卫星基站协议栈单元、卫星基站基带单元、卫星基站射频单元，整体的被看成是卫星基站接入网部分，在这个全面仿真系统下被作为被测试单元，和卫星终端一起，在这个全面仿真系统里进行测试。

实施例1

请参照图2，对于单颗卫星的服务场景，往往会有N个波束，覆盖M个波位(而M远大于N)。这就需要波束以一定的规律在波位之间跳动。每个波位上，只能覆盖一小段时间。由于前面所述，低轨卫星通信系统中，有一个特殊波束，特殊波束需要覆盖所有波位，其有其特别的跳动图案和设计。而当在特殊波束的服务下，接入了系统的用户，其业务就会承载在业务波束上。业务波束就只需要在需要做业务的波位中跳动就行了。

单颗卫星模拟测试的全面仿真系统如图2所示。

卫星基站发射出N个业务波束以及特殊波束(可以有多个)。这些波束都经过多通道卫星信道模拟单元(该单元只模拟纯卫星信道的无线特性)，到达N-M波束模拟器。

N-M波束模拟器对多通道卫星信道模拟单元的接口是N路波束，向下是M个出口，每个出口连接一个屏蔽箱，屏蔽箱里就可以真实模拟出一个物理波位下，看到来自卫星基站的真实信号。而N-M波束模拟器由上层控制(来自卫星波位图案设计及控制单元和星历模拟单元)来做信号混合控制。其本质是一个M*N的信道矩阵，通过控制信道矩阵的参数，从而控制每个波束可以到达哪些波位。

更进一步的，其还可以模拟出不同波束对同一个波位的干扰。

下面公式中的G(g11到gmn)即是M*N的信道矩阵，也就是N-M波束模拟器的数学模型。信号S(s1到sn)即是输入信号，即波束信号。信号D(d1到dm)，即输出信号，即波位信号。

假如有3个波束，要服务5个波位，输入的波束信号就是

N-M波束模拟器的瞬时信道参数为如下参数时

就可以得到输出为

即波束1指向波位1，波束2指向波位3，波束3指向波位4，而波位2和波位5没有任何信号。

N-M波束模拟器的瞬时信道参数为如下参数时

就可以得到输出为

即波束1和波束2同时指向波位1，并且波位1还收到了来自波束3的20％能量的干扰，波束3指向波位3，并且波位3还收到了来自波束1和波束2的各20％能量的干扰，而其他波位没有任何信号。

对于上行信号(终端发给卫星基站侧的信号)，也是通过此模型，只是信道变成了反向模型(M-N信号转化)。

可以看出，N-M波束模拟器可以完全模拟所有波束的指向以及相互干扰。

请参照图1，本实施例所述低轨卫星接入网系统的全面仿真系统的工作流程包括：

S1、测试人员在卫星波位图案设计以及控制单元，设置好需要测试的低轨卫星通信参数，包括轨道高度，卫星星历，卫星基站波束服务图案。

S2、卫星波位图案设计以及控制单元，将卫星星历以及卫星基站波束服务图案通知给卫星基站，卫星基站得知了需要服务的业务模型。

S3、卫星波位图案设计以及控制单元，将卫星星历以及卫星基站波束服务图案通知给星历模拟单元，星历模拟单元负责将要测试的低轨卫星通信场景，转化为星历相关的各模块控制参数，具体包括：

1)GPS信号相关参数，用于指导GPS信号模拟单元产生对应的GPS信号，并发送给卫星基站和卫星终端)。

2)各波束卫星信道相关参数，用于指导多通道卫星信道模拟单元产生对应的信道变化。

3)各波束的跳转、干扰等相关参数，用于指导N-M波束模拟器工作。

S5、星历模拟单元将各波束卫星信道相关参数，发送给多通道卫星信道模拟单元，多通道卫星信道模拟单元按照波束卫星信道相关参数工作，模拟对应的卫星信道，将来自卫星基站射频单元的波束信号传输至N-M波束模拟器；

S6、星历模拟单元将波束跳转及干扰相关参数，发送给N-M波束模拟器，N-M波束模拟器按照波束跳转及干扰相关参数，对各波束信号进行混合，之后发送至物理波位(屏蔽箱)，屏蔽箱内的卫星终端接收混合信号。

可以看出，本实施例的全面仿真系统可以完全的模拟出，低轨卫星基站系统下，一颗低轨卫星服务的区域下，每个物理波位下的真实无线信号。并且，通过GPS信号模拟单元，可以非常准确的控制卫星基站、卫星终端、多通道卫星信道模拟单元以及N-M波束模拟器完全同步的工作。

在这样的平台下，如果卫星基站的任何部分(调度单元、物理层、基带延迟、射频延迟、波束调度、波束控制等等)出了问题，最终都会导致在屏蔽箱(即模拟的物理波位)里的用户设备(卫星终端)出现网络失步或者性能不足的结果。进而给全系统，在发射上天之前，做更全面、更真实的仿真、测试及验证。

实施例2

当需要模拟至少两颗低轨卫星共同覆盖一个物理区域的场景时，全面仿真系统就需要升级，如图3所示，该系统的工作流程包括：

S2、卫星波位图案设计以及控制单元，将对应的卫星星历以及卫星基站波束服务图案通知给对应的卫星基站，每个卫星基站即得知了对应需要服务的业务模型。

S3、卫星波位图案设计以及控制单元，将各卫星星历以及卫星基站波束服务图案通知给星历模拟单元，星历模拟单元负责将要测试的低轨卫星通信场景，转化为星历相关的各模块控制参数，具体包括：

3)各波束的跳转、干扰等相关参数，用于指导XN-M波束模拟器工作。

S4、星历模拟单元将GPS信号相关参数发送给GPS信号模拟单元，GPS信号模拟单元根据GPS信号相关参数模拟出对应的GPS信号，并发送给对应的卫星基站和卫星终端。

S5、星历模拟单元将各波束卫星信道相关参数，发送给多通道卫星信道模拟单元，多通道卫星信道模拟单元按照波束卫星信道相关参数工作，模拟对应的卫星信道，将来自卫星基站射频单元的波束信号传输至XN-M波束模拟器；

S6、星历模拟单元将波束跳转及干扰相关参数，发送给XN-M波束模拟器，XN-M波束模拟器按照波束跳转及干扰相关参数，对各波束信号进行混合，之后发送至物理波位(屏蔽箱)，屏蔽箱内的卫星终端接收混合信号。

相比于单星场景，此时的波束模拟器拓展为xN-M波束混合控制

其中，Sx是第x颗卫星基站的所有波束向量。G1，G2，…Gx都是M*N的转化矩阵，[G1G2…Gx一起构成了M*xN的转换矩阵，从而可以模拟出x颗卫星的x*N个波束，对于任何一个物理波位的覆盖场景及干扰场景。

同时，所有卫星基站的同步，依然是依靠统一的GPS模拟信号来控制。保证了所有卫星基站、所有卫星终端、多通道卫星信道模拟单元和波束模拟器，可以完全同步的工作，达到最佳的仿真效果。

在这种模式下，就可以进一步的进行类似星间切换等复杂的场景。

当所有的测试用例都在此测试平台验证通过后，就有更充足的信心。将卫星系统发射上天后，其无线通信载荷部分的功能是基本可信可用的。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种低轨卫星接入网系统的全面仿真系统，其特征在于，包括卫星波位图案设计及控制单元、GPS信号模拟单元、星历模拟单元、GPS模块、卫星基站协议栈单元、卫星基站基带单元、卫星基站射频单元、多通道卫星信道模拟单元、波束模拟器、卫星终端以及屏蔽箱；

所述GPS信号模拟单元与所述卫星终端通信连接；

2.根据权利要求1所述的低轨卫星接入网系统的全面仿真系统，其特征在于，所述多通道卫星信道模拟单元为多通道信道模拟仪，且通过设置信道参数实现信道模拟。

3.根据权利要求1所述的低轨卫星接入网系统的全面仿真系统，其特征在于，所述屏蔽箱为带有厢门的方体结构。

4.一种根据权利要求1~3任一项所述全面仿真系统实现的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

S4、星历模拟单元将GPS信号相关参数发送给GPS信号模拟单元，GPS信号模拟单元根据GPS信号相关参数模拟出对应的GPS信号，并发送给卫星基站和卫星终端；

5.根据权利要求4所述的仿真方法，其特征在于，需要测试的低轨卫星通信参数包括轨道高度、卫星星历和卫星基站波束服务图案。

6.根据权利要求5所述的仿真方法，其特征在于，在进行单颗卫星模拟测试时，所述波束模拟器的波束进口组能接收来自所述多通道卫星信道模拟单元的N路波束信号，波束出口组具有M个出口，每个出口通过信号通道连接一个屏蔽箱。

7.根据权利要求6所述的仿真方法，其特征在于，在步骤S6中，所述波束模拟器通过控制M*N的信道矩阵的参数，控制每路波束信号到达对应的屏蔽箱中，并发送至卫星终端。

8.根据权利要求5所述的仿真方法，其特征在于，在进行 X 颗卫星的模拟测试时，X＞1，所述波束模拟器的波束进口组能接收来自所述多通道卫星信道模拟单元的X*N路波束信号，波束出口组具有M个出口，每个出口通过信号通道连接一个屏蔽箱。

9.根据权利要求8所述的仿真方法，其特征在于，在步骤S6中，所述波束模拟器通过控制M*XN的信道矩阵的参数，控制每路波束信号到达对应的屏蔽箱中，并发送至对应的卫星终端。

10.计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行如权利要求4至9任一项所述的仿真方法。