CN116346212A - 一种卫星跳波束的捷变覆盖方法 - Google Patents

一种卫星跳波束的捷变覆盖方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种卫星跳波束的捷变覆盖方法，属于卫星通信领域网络控制领域。该方法将相控阵天线形成的波束分成接入波束和业务波束，对接入波束在卫星对地视场内逐波位扫描，保证卫星终端的随遇接入；接入成功后，分配业务波束，并根据卫星终端的所在位置和实际业务量动态生成业务波束的跳变时刻和驻留时长，实现捷变覆盖。本发明适用于具有星上处理能力并配置相控阵天线的高、低轨卫星，可实现卫星对地面终端的随遇接入和按需覆盖，保证波束资源的高效利用。

Description

一种卫星跳波束的捷变覆盖方法
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，尤其关注于卫星通信领域网络控制的相关技术，可用于高低轨卫星中实现卫星对地面终端的随遇接入和按需覆盖，解决相控阵波束资源高效利用的问题。
背景技术
卫星通信发展至今已有半个多世纪的历史。由于其具有全球覆盖、不受地面障碍物限制、能迅速布设等一系列的优点，能向跨越洲际、海洋的多用户提供稳定的通信能力，在地点、时间及强度不可预测的地区突发事件中也能提供有效地信息传输，因此，卫星通信已成为不可替代的核心通信手段之一。卫星通信技术也成为衡量一个国家核心竞争力的重要指标。
近些年来，随着星上处理技术的发展，相控阵天线搭配星载调制、解调和网控、路由、交换的组合逐渐成为通信卫星载荷的标准配置。相控阵天线因其快速波束成形的特点，相比传统的反射面天线，在扫描时间、赋形能力方面均具备一定优势，通过设计合理的跳波束策略，可在不降低天线增益和辐射功率等的情况下，通过分时覆盖，实现对卫星对地视场内广域分散用户的通信保障。
目前对卫星跳波束技术的研究，多集中在对跳波束策略的优化，而跳波束的接入主要采用预先上注方式，难以满足用户随遇接入、按需覆盖的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种卫星跳波束的捷变覆盖方法，可用于具有星上处理和相控阵天线的高、低轨卫星，实现卫星对地面终端的随遇接入和按需覆盖，保证相控阵波束资源的高效利用。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种卫星跳波束的捷变覆盖方法，应用于具有星上处理的高/低轨卫星；所述卫星配置有星载相控阵天线、星载网控、星载交换、星载解调器、星载调制器，星载相控阵天线的收、发波束各自独立控制，由星载网控控制收波束，星载调制器控制发波束，接入过程由卫星以及地面的网管中心、卫星终端联合完成。该方法包括以下步骤：
网管中心设置星载相控阵天线的一组收/发波束为接入波束，其他组份的收/发波束为业务波束；
网管中心向星载网控配置接入波束的扫描图案，由星载网控按扫描图案控制收接入波束在卫星对地视场范围内进行逐波位跳变，各波位上的驻留时间相同；
网管中心向星载调制器配置接入波束的扫描图案，由星载调制器按扫描图案控制发接入波束在卫星对地视场范围内进行逐波位跳变，各波位上的驻留时间相同。驻留期间，星载调制器向当前覆盖波位广播星地通告，星地通告中包括同步信息；
卫星终端开机后值守于发接入波束的频点，当发接入波束扫描至其所在位置后，卫星终端捕获发接入波束信号，执行下行同步，并接收星地通告；
卫星终端向卫星的星载网控发送包含该终端位置信息的接入申请；
星载网控收到接入申请后，为卫星终端分配收/发业务波束，结合接入申请中的终端位置信息和卫星终端的业务需求，生成收业务波束的扫描图案和在各波位驻留期间的时隙分配计划，按收业务波束的扫描图案控制收业务波束执行跳变；
星载网控向星载调制器下发各波位的时隙分配计划以及卫星终端地址和波位的映射关系；
星载调制器为各波位的时隙分配计划生成广播突发，以广播突发的时长作为发业务波束在对应波位的驻留时间，形成发业务波束对各波位的广播突发扫描图案；
星载调制器为当前下行队列中的业务数据生成数据突发，根据数据突发中的目的终端地址，查找卫星终端地址和波位的映射关系，确定波位，以数据突发的时长作为发业务波束在对应波位的驻留时间，形成发业务波束对各波位的数据突发扫描图案；
星载调制器将广播突发扫描图案和数据突发扫描图案组合为发业务波束的扫描图案，按发业务波束的扫描图案控制发业务波束执行跳变；
星载网控通过发接入波束，向卫星终端下发为其分配的业务波束信息，卫星终端从接入波束切换至业务波束，完成收业务波束的信号捕获、下行同步和时隙分配计划接收；
卫星终端根据时隙分配计划计算业务数据的发送时刻，在该时刻发送业务数据。
具体的，所述的各步骤中，波位是相控阵收/发波束在地表投射的一片区域；扫描图案由波位序列和驻留时间组成，相控阵收/发波束按照序列给出的顺序，在不同波位间跳变。
具体的，所述的各步骤中，相控阵天线收/发波束的扫描周期一致，扫描控制时序保持同步：发波束扫描周期的开始时刻超前于收波束扫描周期的开始时刻，相差固定的时间Delay，且Delay大于星地往返时延。
具体的，所述的各步骤中，相控阵天线收/发接入波束使用相同的扫描图案。
具体的，所述的步骤E中，卫星终端确定接入申请发送时刻的方法，包括以下步骤：
卫星终端测算其星地往返时延RTT；
卫星终端在发接入波束下完成下行同步后，等待(Delay-RTT)的时间，发送接入申请。
具体的，所述的步骤L中，卫星终端确定业务数据发送时刻的方法，包括以下步骤：
卫星终端测算其星地往返时延RTT；
卫星终端接收包含有时隙分配计划的广播突发，根据广播突发中标记的时间同步信息，确定该突发与扫描周期开始时刻的相对偏移Offset1；
卫星终端解析时隙分配计划，确定该终端业务数据发送时刻与扫描周期开始时刻的相对偏移Offset2；
卫星终端在发业务波束下收到广播突发后，等待(Offset2-Offset1+Delay-RTT)的时间，发送业务数据。
本发明与背景技术相比具有如下有益效果：
1、本发明采用扫描结合捷变的控制方法，可实现卫星终端基于相控阵天线的随遇接入，并根据卫星终端的位置分布和业务模型动态控制相控阵天线的波束跳变，实现按需覆盖。
2、该方法无需依赖其他波束配合，可有效提高相控阵波束的接入能力和资源使用效率。
附图说明
图 1是本发明实施例中一种卫星跳波束的捷变覆盖方法的应用场景示意图；
图 2是本发明实施例的随遇接入流程图；
图 3是本发明实施例的跳波束时序控制图。
实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示为一种卫星跳波束的捷变覆盖方法的应用场景，接入波束按照网管中心提前注入的扫描图案对视场内的各波位进行扫描，波位5的卫星终端在发接入波束扫描至所在位置时，接收星地通告并在随后收接入波束扫描至所在位置时发送接入申请；收、发业务波束对存在卫星终端的波位1和波位5进行按需覆盖，卫星终端在收业务波束覆盖至所在波位时，接收时隙分配计划并发送业务数据；发业务波束依据下行队列进行跳波束控制，并在数据发送时同步照射相应的波位。
如图2所示，该方法具有以下步骤：
网管中心设置星载相控阵天线的一组收/发波束为接入波束，其他组份的收/发波束为业务波束；
网管中心向星载网控配置收接入波束的扫描图案，星载网控按扫描图案控制收接入波束在卫星对地视场范围内进行逐波位跳变，各波位上的驻留时间相同；
网管中心向星载调制器配置发接入波束的扫描图案，星载调制器按扫描图案控制发接入波束在卫星对地视场范围内进行逐波位跳变，各波位上的驻留时间相同。在驻留期间星载调制器向当前覆盖波位广播星地通告，包括：同步信息、收接入波束的扫描图案等；
卫星终端开机后值守于发接入波束的频点，当发接入波束扫描至其所在位置后，卫星终端捕获发接入波束信号，执行下行同步，并接收星地通告；
卫星终端向卫星的星载网控发送包含该终端位置信息的接入申请；
星载网控收到接入申请后，为卫星终端分配收、发业务波束，结合接入申请中的终端位置信息和卫星终端的业务需求，生成收业务波束的扫描图案和在各波位驻留期间的时隙分配计划，按收业务波束的扫描图案控制收业务波束执行跳变；
星载网控向星载调制器下发各波位的时隙分配计划以及卫星终端地址和波位的映射关系；
星载调制器为各波位的时隙分配计划生成广播突发，以广播突发的时长作为发业务波束在对应波位的驻留时间，形成发业务波束对各波位的广播突发扫描图案；
星载调制器为当前下行队列中的业务数据生成数据突发，根据数据突发中的目的终端地址，查找卫星终端地址和波位的映射关系，确定波位，以数据突发的时长作为发业务波束在对应波位的驻留时间，形成发业务波束对各波位的数据突发扫描图案；
星载调制器将广播突发扫描图案和数据突发扫描图案组合为发业务波束的扫描图案，按发业务波束的扫描图案控制发业务波束执行跳变；
星载网控通过发接入波束，向卫星终端下发为其分配的业务波束信息，卫星终端从接入波束切换至业务波束，完成收业务波束的信号捕获、下行同步和时隙分配计划接收；
卫星终端根据时隙分配计划计算业务数据的发送时刻，在该时刻发送业务数据。
如图3所示，步骤E中卫星终端确定接入申请发送时刻的方法，包括以下步骤：
卫星终端测算其星地往返时延RTT；
卫星终端在发接入波束下完成下行同步后，等待(Delay-RTT)的时间，发送接入申请。
如图3所示，步骤L中卫星终端确定业务数据发送时刻的方法，包括以下步骤：
卫星终端测算其星地往返时延RTT；
卫星终端接收包含有时隙分配计划的广播突发，根据广播突发中标记的时间同步信息，确定该突发与扫描周期开始时刻的相对偏移Offset1；
卫星终端解析时隙分配计划，确定该终端业务数据发送时刻与扫描周期开始时刻的相对偏移Offset2；
卫星终端在发业务波束下收到广播突发后，等待(Offset2-Offset1+Delay-RTT)的时间，发送业务数据。
总之，本发明独创了一种卫星跳波束的捷变覆盖方法，该方法将相控阵天线形成的波束分成接入波束和业务波束，对接入波束在卫星对地视场内逐波位扫描，保证卫星终端的随遇接入；接入成功后，分配业务波束，并根据卫星终端的所在位置和实际业务量动态生成业务波束的跳变时刻和驻留时长，实现捷变覆盖。本发明适用于具有星上处理能力并配置相控阵天线的高、低轨卫星，能够实现卫星对地面终端的随遇接入和按需覆盖，保证相控阵波束资源的高效利用。
本领域内的普通技术人员可以理解：实现一种卫星跳波束的捷变覆盖方法可以通过程序指令相关的硬件或软件来完成，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤。
最后应该说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可对前述实施例的技术方案进行修改，或对其他部分技术特征进行等同替换，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 (6)

1.一种卫星跳波束的捷变覆盖方法，其特征在于，应用于具有星上处理能力的高/低轨卫星；所述卫星配置有星载相控阵天线、星载网控、星载交换、星载解调器、星载调制器，星载相控阵天线的收、发波束各自独立控制，由星载网控控制收波束，星载调制器控制发波束，接入过程由卫星以及地面的网管中心、卫星终端联合完成；该方法包括以下步骤：
网管中心设置星载相控阵天线的一组收/发波束为接入波束，其他组份的收/发波束为业务波束；
网管中心向星载网控配置接入波束的扫描图案，由星载网控按扫描图案控制收接入波束在卫星对地视场范围内进行逐波位跳变，各波位上的驻留时间相同；
网管中心向星载调制器配置接入波束的扫描图案，由星载调制器按扫描图案控制发接入波束在卫星对地视场范围内进行逐波位跳变，各波位上的驻留时间相同；驻留期间，星载调制器向当前覆盖波位广播星地通告，星地通告中包括同步信息；
卫星终端开机后值守于发接入波束的频点，当发接入波束扫描至其所在位置后，卫星终端捕获发接入波束信号，执行下行同步，并接收星地通告；
卫星终端向卫星的星载网控发送包含该终端位置信息的接入申请；
星载网控收到接入申请后，为卫星终端分配收/发业务波束，结合接入申请中的终端位置信息和卫星终端的业务需求，生成收业务波束的扫描图案和在各波位驻留期间的时隙分配计划，按收业务波束的扫描图案控制收业务波束执行跳变；
星载网控向星载调制器下发各波位的时隙分配计划以及卫星终端地址和波位的映射关系；
星载调制器为各波位的时隙分配计划生成广播突发，以广播突发的时长作为发业务波束在对应波位的驻留时间，形成发业务波束对各波位的广播突发扫描图案；
星载调制器为当前下行队列中的业务数据生成数据突发，根据数据突发中的目的终端地址，查找卫星终端地址和波位的映射关系，确定波位，以数据突发的时长作为发业务波束在对应波位的驻留时间，形成发业务波束对各波位的数据突发扫描图案；
星载调制器将广播突发扫描图案和数据突发扫描图案组合为发业务波束的扫描图案，按发业务波束的扫描图案控制发业务波束执行跳变；
星载网控通过发接入波束，向卫星终端下发为其分配的业务波束信息，卫星终端从接入波束切换至业务波束，完成收业务波束的信号捕获、下行同步和时隙分配计划接收；
卫星终端根据时隙分配计划计算业务数据的发送时刻，在该时刻发送业务数据。
2.根据权利要求1所述的一种卫星跳波束的捷变覆盖方法，其特征在于，波位是相控阵收/发波束在地表投射的一片区域；扫描图案由波位序列和驻留时间组成，星载相控阵天线的收/发波束按照序列给出的顺序，在不同波位间跳变。
3.根据权利要求2所述的一种卫星跳波束的捷变覆盖方法，其特征在于，星载相控阵天线的收/发波束的扫描周期一致，扫描控制时序保持同步，发波束扫描周期的开始时刻超前于收波束扫描周期的开始时刻，相差固定的时间Delay，且Delay大于星地往返时延。
4.根据权利要求3所述的一种卫星跳波束的捷变覆盖方法，其特征在于，星载相控阵天线的收/发接入波束使用相同的扫描图案。
5.根据权利要求4所述的一种卫星跳波束的捷变覆盖方法，其特征在于，步骤E中，卫星终端确定接入申请发送时刻的方式为：
卫星终端测算其星地往返时延RTT；
卫星终端在发接入波束下完成下行同步后，等待(Delay-RTT)的时间，发送接入申请。
6.根据权利要求1所述的一种卫星跳波束的捷变覆盖方法，其特征在于，步骤L中，卫星终端确定业务数据发送时刻的方式为：
卫星终端测算其星地往返时延RTT；
卫星终端接收包含有时隙分配计划的广播突发，根据广播突发中标记的时间同步信息，确定该突发与扫描周期开始时刻的相对偏移Offset1；
卫星终端解析时隙分配计划，确定该终端业务数据发送时刻与扫描周期开始时刻的相对偏移Offset2；
卫星终端在发业务波束下收到广播突发后，等待(Offset2-Offset1+Delay-RTT)的时间，发送业务数据。
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