CN115835226B - 一种低轨卫星互联网系统的构建方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低轨卫星互联网系统的构建方法包括：采用近极轨道和低倾角轨道混合构成的低轨星座，构建低轨卫星互联网系统的空间段部分；根据监测管理需求，构建低轨卫星互联网系统的地面段部分；根据通信请求，确定应用终端；根据所述空间段部分、所述地面段部分以及所述应用终端，构建得到低轨卫星互联网系统。本发明构建了成熟的低轨卫星互联网系统，能够实现对全球终端用户提供宽带互联网服务，应用范围广，在低轨卫星互联网系统的构建过程中，提出了星座构型的设计，能够发挥极轨星座和低倾角星座组成的混合星座的优点。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其是一种低轨卫星互联网系统的构建方法及系统。
背景技术
卫星通信行业通过几十年的快速发展，大量新技术的应用使得通信卫星的能力发生了翻天覆地地变化，同时为用户提供的通信服务能力也越来越强。其中，低轨通信星座通信技术属于多学科交叉技术领域，需要多个技术方向的创新突破，并在组网过程中存在多个关键性技术，决定着星座系统设计成败和性能优劣。目前，还没有一套成熟的低轨卫星互联网系统。相关技术中，在一个低轨卫星互联网的系统中，极轨星座和低倾星座往往不能同时存在，因此不可避免导致现有的低轨卫星互联网系统无法同时兼具极轨星座和低倾星座所带来的优点，导致低轨卫星互联网系统的覆盖率低且构型效率低。
基于此，本发明采用近极轨轨道和低倾角轨道混合构成的低轨星座，构建低轨卫星互联网系统的空间段部分；其中，所述低倾角轨道用于实现中低纬度人口密集区的信号覆盖；所述近极轨卫星用于实现高纬度地区的信号覆盖并提供低纬度地区的增强服务；然后根据监测管理需求，构建低轨卫星互联网系统的地面段部分；接着根据通信请求，确定应用终端；最后根据所述空间段部分、所述地面段部分以及所述应用终端，构建得到低轨卫星互联网系统。本发明能够兼备近极轨道和低倾角轨道中卫星带来的优势，覆盖率高且构型效率高。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明解决的技术问题是：现有的低轨卫星互联网系统无法同时兼具极轨星座和低倾星座所带来的优点，导致低轨卫星互联网系统的覆盖率低且构型效率低，以及如何适用于电网业务的卫星星座。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种低轨卫星互联网系统的构建方法，包括：
采用近极轨道和低倾角轨道混合构成的低轨星座，构建低轨卫星互联网系统的空间段部分；根据监测管理需求，构建低轨卫星互联网系统的地面段部分；
根据通信请求，确定应用终端；
根据所述空间段部分、所述地面段部分以及所述应用终端，构建得到低轨卫星互联网系统。
作为本发明所述的基于低轨卫星互联网系统的构建方法的一种优选方案，其中：所述极轨卫星用于实现高纬度地区的信号覆盖并提供低纬度地区的增强服务；
所述低倾角轨道用于实现中低纬度人口密集区的信号覆盖。
作为本发明所述的基于低轨卫星互联网系统的构建方法的一种优选方案，其中：所述采用近极轨道和低倾角轨道混合构成的低轨星座，构建低轨卫星互联网系统的空间段部分包括：
向低倾角轨道布局卫星群，构建第一星座集合；
向近极轨道布局卫星群，构建第二星座集合；
根据所述第一星座集合和所述第二星座集合，构建得到混合低轨星座，进而构建完成低轨卫星互联网系统的空间段部分。
作为本发明所述的基于低轨卫星互联网系统的构建方法的一种优选方案，其中：所述第一星座集合和所述第二星座集合根据推进进度进行分期部署或同时部署。
作为本发明所述的基于低轨卫星互联网系统的构建方法的一种优选方案，其中：所述根据监测管理需求，构建低轨卫星互联网系统的地面段部分包括：
根据卫星星座的测运控管理需求，构建测运控中心；
根据天地融合网络的通信管理需求，构建信关站；
根据终端运营管理需求，构建全球运营中心；
根据所述测运控中心、信关站和全球运营中心，完成低轨卫星互联网系统的地面段部分的构建。
作为本发明所述的基于低轨卫星互联网系统的构建方法的一种优选方案，其中：所述根据监测管理需求，构建低轨卫星互联网系统的地面段部分还包括：
根据所述低轨卫星互联网系统构建网内之间的第一业务数据通信链路以及网内与网外之间的第二业务数据通信链路。
作为本发明所述的基于低轨卫星互联网系统的构建方法的一种优选方案，其中：所述所述第一业务数据通信链路的数据通信流向包括：
由卫星终端将业务数据发送至卫星网，由卫星网将业务数据发送至信关站，信关站根据待发送对象将业务数据返回至卫星网，由卫星网将数据发送至另一个卫星终端；
所述所述第二业务数据通信链路的数据通信流向包括：
由卫星终端将业务数据发送至卫星网，由卫星网将业务数据发送至信关站，由信关站将业务数据发送至地面网络，再由地面网络将业务数据发送至网外业务流程的终端。
作为本发明所述的基于低轨卫星互联网系统的构建方法的一种优选方案，其中：所述业务流程包括：
对于网内业务流程为卫星终端-卫星网-信关站-卫星网-卫星终端；对于网内与网外业务流程为卫星终端-卫星网-信关站-地面网络。
作为本发明所述的基于低轨卫星互联网系统的构建方法的一种优选方案，其中：所述构建得到低轨卫星互联网系统包括：
在构建低轨卫星互联网系统的空间段部分的时候，配置低轨星座的各个相邻卫星的方位和距离关系参数，以使低轨星座的各个相邻卫星的方位和距离关系满足以下条件,
南北0°-54°中低纬度覆盖，相邻卫星运动规律为,异轨俯仰方向范围7°～13°，偏航方向范围-53°～53°，星间距离1900km～3300km，同轨俯仰方向范围10°～13°，偏航方向范围-2°～2°，星间距离不大于3000km；
南北54°-90°高纬度覆盖，相邻卫星运动规律为,异轨俯仰方向范围2°～24°，偏航方向范围-80°～80°，星间距离1000km～6500km，同轨俯仰方向范围14°～16°，偏航方向范围-2°～2°，星间距离不大于4000km。
一种低轨卫星互联网系统的构建系统，其特征在于，包括：空间模块，地面模块，判断模块，终端模块；
所述空间模块是采用近极轨和低倾角轨道混合构成的低轨星座，低倾角轨道提供中低纬度人口密集区的重点覆盖，近极轨卫星提供高纬度地区的覆盖并提供低纬度地区的增强服务，两者配合实现全球无缝覆盖，采用分期部署，构建低轨卫星互联网系统的空间段部分；
所述地面模块是根据监测管理需求，通过测运控中心实现对巨型星座的运行管理，通过信关站实现终端的接入管理和与地面网络的融合管理，兼具卫星长管期间的测控功能，采用星地协同实现用户波束的动态调度与管理，构建低轨卫星互联网系统的地面段部分；
所述判断模块是根据通信请求，确定终端模块；
所述终端模块是各种用户终端，包括固定式终端、车载终端、船载终端；用于根据空间模块，地面模块以及终端模块，构建得到低轨卫星互联网系统。
本发明的有益效果：本发明提供的基于低轨卫星互联网系统的构建方法构建了成熟的低轨卫星互联网系统；能够实现对全球终端用户提供宽带互联网服务，应用范围广；在低轨卫星互联网系统的构建过程中，提出了星座构型的设计，能够发挥极轨星座和低倾角星座组成的混合星座的优点。本发明能够兼备近极轨道和低倾角轨道中卫星带来的优势，提高了覆盖率以及构型效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明一个实施例提供的一种低轨卫星互联网系统的构建方法的整体流程图；
图2为本发明第二个实施例提供的一种低轨卫星互联网系统的构建方法的整体架构示意图；
图3为本发明第三个实施例提供的一种低轨卫星互联网系统的构建方法的工作流程示意图；
图4为本发明第三个实施例提供的一种低轨卫星互联网系统的构建方法的数据走向图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1，为本发明的一个实施例，提供了一种低轨卫星互联网系统的构建方法，包括：
采用近极轨道和低倾角轨道混合构成的低轨星座，构建低轨卫星互联网系统的空间段部分；其中，所述低倾角轨道用于实现中低纬度人口密集区的信号覆盖；所述近极轨卫星用于实现高纬度地区的信号覆盖并提供低纬度地区的增强服务；
根据监测管理需求，构建低轨卫星互联网系统的地面段部分；
根据通信请求，确定应用终端；
根据所述空间段部分、所述地面段部分以及所述应用终端，构建得到低轨卫星互联网系统。
所述采用近极轨道和低倾角轨道混合构成的低轨星座，构建低轨卫星互联网系统的空间段部分，包括：
向低倾角轨道布局卫星群，构建第一星座集合；
向近极轨道布局卫星群，构建第二星座集合；
根据所述第一星座集合和所述第二星座集合，构建得到混合低轨星座，进而构建完成低轨卫星互联网系统的空间段部分；
其中，所述第一星座集合和所述第二星座集合根据推进进度进行分期部署或同时部署。
所述根据监测管理需求，构建低轨卫星互联网系统的地面段部分，包括：
根据卫星星座的测运控管理需求，构建测运控中心；
根据天地融合网络的通信管理需求，构建信关站；
根据终端运营管理需求，构建全球运营中心；
根据所述测运控中心、信关站和全球运营中心，完成低轨卫星互联网系统的地面段部分的构建。
所述方法还包括：根据所述低轨卫星互联网系统构建网内之间的第一业务数据通信链路以及网内与网外之间的第二业务数据通信链路。
所述第一业务数据通信链路的数据通信流向为：由卫星终端将业务数据发送至卫星网，由卫星网将业务数据发送至信关站，信关站根据待发送对象将业务数据返回至卫星网，由卫星网将数据发送至另一个卫星终端；
所述第二业务数据通信链路的数据通信流向为：由卫星终端将业务数据发送至卫星网，由卫星网将业务数据发送至信关站，由信关站将业务数据发送至地面网络，再由地面网络将业务数据发送至网外业务流程的终端。
所述方法还包括：在构建低轨卫星互联网系统的空间段部分的时候，配置低轨星座的各个相邻卫星的方位和距离关系参数，以使低轨星座的各个相邻卫星的方位和距离关系满足以下条件：
南北0°-54°中低纬度覆盖，相邻卫星运动规律为：异轨俯仰方向范围7°～13°，偏航方向范围-53°～53°，星间距离1900km～3300km，同轨俯仰方向范围10°～13°，偏航方向范围-2°～2°，星间距离不大于3000km；
南北54°-90°高纬度覆盖，相邻卫星运动规律为：异轨俯仰方向范围2°～24°，偏航方向范围-80°～80°，星间距离1000km～6500km，同轨俯仰方向范围14°～16°，偏航方向范围-2°～2°，星间距离不大于4000km。
实施例2
参照图2，为本发明的一个实施例，提供了一种低轨卫星互联网系统的构建系统，包括：空间模块100，地面模块200，判断模块300，终端模块400；
所述空间模块100是采用近极轨和低倾角轨道混合构成的低轨星座，低倾角轨道提供中低纬度人口密集区的重点覆盖，近极轨卫星提供高纬度地区的覆盖并提供低纬度地区的增强服务，两者配合实现全球无缝覆盖，采用分期部署，构建低轨卫星互联网系统的空间段部分；
所述地面模块200是根据监测管理需求，通过测运控中心实现对巨型星座的运行管理，通过信关站实现终端的接入管理和与地面网络的融合管理，兼具卫星长管期间的测控功能，采用星地协同实现用户波束的动态调度与管理，构建低轨卫星互联网系统的地面段部分；
所述判断模块300是根据通信请求，确定终端模块400；
所述终端模块400是各种用户终端，包括固定式终端、车载终端、船载终端；用于根据空间模块100，地面模块200以及终端模块400，构建得到低轨卫星互联网系统。
实施例3
参照图2-4，为本发明的一个实施例，提供了一种低轨卫星互联网系统的构建方法。
如图2所示，本发明的低轨卫星互联网系统可以由空间段、地面段和应用终端组成，实现对全球终端用户提供宽带互联网服务。
其中，本发明实施例的空间段由数千颗卫星组成，采用近极轨和低倾角轨道混合构成的低轨星座，低倾角轨道提供中低纬度人口密集区的重点覆盖，近极轨卫星提供高纬度地区的覆盖并提供低纬度地区的增强服务，两者配合实现全球无缝覆盖，上述星座可采用分期部署，具有良好的平滑演进能力。
地面段负责巨型星座的测运控管理、天地融合网络的通信管理和全球用户的运营管理等功能，主要由测运控中心、信关站和全球运营中心构成。通过测运控中心实现对巨型星座的运行管理，通过信关站实现终端的接入管理和与地面网络的融合管理，兼具卫星长管期间的测控功能，采用星地协同实现用户波束的动态调度与管理。为降低发射成本并考虑巨型星座快速部署需求，要求运载与卫星开展一箭多星联合设计，发射场满足组网的密集发射保障需求。
应用终端则可以是各种用户终端，主要包括固定式终端、车载终端、船载终端等。
本发明实施例的卫星互联网系统支持卫星终端的直连接入，如图3所示，本发明实施例可以构建卫星通信终端与星间链的连接，所述卫星通信终端与星间链之间通过用户链路来实现。另外，本发明的星间链通过馈电链路与地面信关站或者测运控系统连接，此处的地面信关站和测运控系统作为本发明实施例的网络控制中心，能够与卫星通信或移动通信核心网连接，实现互联网或PSTN功能。
再有，本发明实施例构建的低轨卫星互联网系统中，能够实现网内业务数据的通信以及网外业务数据的通信，如图4所示，对于网内业务流程为卫星终端-卫星网-信关站-卫星网-卫星终端；网内与网外业务流程为卫星终端-卫星网-信关站-地面网络。
本发明实施例采用了近极轨道和低倾角轨道混合构成的低轨星座，因此，在实现过程中，还提供了低轨卫星互联网系统中各个卫星的星座构型设计。
需要说明的是，针对混合低轨星座中低倾角轨道的不同倾角轨道，具有不同的优缺点，具体如下：
低倾角星座设计倾角越低，地面覆盖纬度范围越小，同时保证经度方向全覆盖所需的最少卫星数量值越小；
极轨星座数量越多，高纬度地区的重叠覆盖越严重，构型效率越低；
72°倾角星座与极轨星座重叠偏多，失去不同倾角星座特点互补的意义；
在地面终端35°仰角约束下，对于极轨+低倾角轨道混合星座，若低倾角轨道选择50°及以下倾角，则极轨星座需覆盖全球60％以上面积才能满足全球覆盖的要求，所需的卫星数量和轨道面偏多。
针对55°和60°两个选择，覆盖情况以及构型效率差距不大。考虑55°即满足优先覆盖南北纬54°间的面积，且倾角越低运载越省，因此优先推荐55°倾角。
基于我国卫星互联网发展情况，提出一种可行性方案作为研究对象，实现在南北纬±54°终端仰角35°一重覆盖；终端仰角25°，双重覆盖；高纬度地区一重覆盖。具体如表1所示：
表1
本发明实施例通过表1展示了极轨86.5°+低倾角55°星座构型。
本方案相邻卫星方位和距离关系如下：
1、南北0°-54°中低纬度覆盖，相邻卫星运动规律为：
异轨俯仰方向范围7°～13°，偏航方向范围-53°～53°，星间距离1900km～3300km，同轨俯仰方向范围10°～13°，偏航方向范围-2°～2°，星间距离不大于3000km。
2、南北54°-90°高纬度覆盖，相邻卫星运动规律为：
异轨俯仰方向范围2°～24°，偏航方向范围-80°～80°，星间距离1000km～6500km，同轨俯仰方向范围14°～16°，偏航方向范围-2°～2°，星间距离不大于4000km。
接下来，本发明实施例考虑对GSO干扰规避的星座构型仿真。
为了评估在规避对GSO干扰的情况下的覆盖情况，本发明实施例通过实验编制的仿真软件，按照国际电联的相关规则，需要27°的规避角才能规避对GSO系统的干扰。因此，星座系统的实际覆盖需要考虑波束的指向限制条件，在考虑了27°规避角，终端接入最低仰角为25°的条件下该星座构型的覆盖如下表2所示：
表2
由表2可见，考虑27°角的干扰规避后，在南北纬±25°不能满足全球的连续覆盖。为了保证连续覆盖，在保持EIRP不变的情况下，建议增大天线口径，减少发射功率，以减小规避角。
相较于现有技术，本发明构建了成熟的低轨卫星互联网系统；能够实现对全球终端用户提供宽带互联网服务，应用范围广；在低轨卫星互联网系统的构建过程中，提出了星座构型的设计，能够发挥极轨星座和低倾角星座组成的混合星座的优点。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种低轨卫星互联网系统的构建方法，其特征在于，包括：
采用近极轨道和低倾角轨道混合构成的低轨星座，构建低轨卫星互联网系统的空间段部分；根据监测管理需求，构建低轨卫星互联网系统的地面段部分；
根据通信请求，确定应用终端；
根据所述空间段部分、所述地面段部分以及所述应用终端，构建得到低轨卫星互联网系统；
所述采用近极轨道和低倾角轨道混合构成的低轨星座，构建低轨卫星互联网系统的空间段部分包括：向低倾角轨道布局卫星群，构建第一星座集合；
向近极轨道布局卫星群，构建第二星座集合；
根据所述第一星座集合和所述第二星座集合，构建得到混合低轨星座，进而构建完成低轨卫星互联网系统的空间段部分；
所述根据监测管理需求，构建低轨卫星互联网系统的地面段部分包括：根据所述低轨卫星互联网系统构建网内之间的第一业务数据通信链路以及网内与网外之间的第二业务数据通信链路；
所述第一业务数据通信链路包括：由卫星终端将业务数据发送至卫星网，由卫星网将业务数据发送至信关站，信关站根据待发送对象将业务数据返回至卫星网，由卫星网将数据发送至另一个卫星终端；
所述第二业务数据通信链路包括：由卫星终端将业务数据发送至卫星网，由卫星网将业务数据发送至信关站，由信关站将业务数据发送至地面网络，再由地面网络将业务数据发送至网外业务流程的终端；
所述构建得到低轨卫星互联网系统包括：在构建低轨卫星互联网系统的空间段部分的时候，配置低轨星座的各个相邻卫星的方位和距离关系参数，以使低轨星座的各个相邻卫星的方位和距离关系满足以下条件,
南北0°-54°中低纬度覆盖，相邻卫星运动规律为,异轨俯仰方向范围7°～13°，偏航方向范围-53°～53°，星间距离1900km～3300km，同轨俯仰方向范围10°～13°，偏航方向范围-2°～2°，星间距离不大于3000km；
南北54°-90°高纬度覆盖，相邻卫星运动规律为,异轨俯仰方向范围2°～24°，偏航方向范围-80°～80°，星间距离1000km～6500km，同轨俯仰方向范围14°～16°，偏航方向范围-2°～2°，星间距离不大于4000km。
2.如权利要求1所述的低轨卫星互联网系统的构建方法，其特征在于：
所述近极轨卫星用于实现高纬度地区的信号覆盖并提供低纬度地区的增强服务；
所述低倾角轨道用于实现中低纬度人口密集区的信号覆盖。
3.如权利要求2所述的低轨卫星互联网系统的构建方法，其特征在于：所述第一星座集合和所述第二星座集合根据推进进度进行分期部署或同时部署。
4.如权利要求3所述的低轨卫星互联网系统的构建方法，其特征在于,所述根据监测管理需求，构建低轨卫星互联网系统的地面段部分包括：
根据卫星星座的测运控管理需求，构建测运控中心；
根据天地融合网络的通信管理需求，构建信关站；
根据终端运营管理需求，构建全球运营中心；
根据所述测运控中心、信关站和全球运营中心，完成低轨卫星互联网系统的地面段部分的构建。
5.如权利要求4所述的低轨卫星互联网系统的构建方法，其特征在于，所述业务流程包括：
对于网内业务流程为卫星终端-卫星网-信关站-卫星网-卫星终端；对于网内与网外业务流程为卫星终端-卫星网-信关站-地面网络。
6.一种采用如权利要求1-5所述的低轨卫星互联网系统的构建方法的系统，其特征在于，包括：空间模块(100)，地面模块(200)，判断模块(300)，终端模块(400)；
所述空间模块(100)是采用近极轨和低倾角轨道混合构成的低轨星座，低倾角轨道提供中低纬度人口密集区的重点覆盖，近极轨卫星提供高纬度地区的覆盖并提供低纬度地区的增强服务，两者配合实现全球无缝覆盖，采用分期部署，构建低轨卫星互联网系统的空间段部分；
所述地面模块(200)是根据监测管理需求，通过测运控中心实现对巨型星座的运行管理，通过信关站实现终端的接入管理和与地面网络的融合管理，兼具卫星长管期间的测控功能，采用星地协同实现用户波束的动态调度与管理，构建低轨卫星互联网系统的地面段部分；
所述判断模块(300)是根据通信请求，确定终端模块(400)；
所述终端模块(400)是各种用户终端，包括固定式终端、车载终端、船载终端；用于根据空间模块(100)，地面模块(200)以及终端模块(400)，构建得到低轨卫星互联网系统。
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