CN116946389A - 一种功率灵活载荷在轨资源分配方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率灵活载荷在轨资源分配方法，首先根据卫星地面运行控制系统给出的业务分配需求，计算所有波束的输入功率，然后利用功率灵活载荷的传输矩阵计算功率灵活载荷系统的功率使用量，同时评估功率灵活载荷系统的剩余容量。该方法可应用于静止轨道多波束移动通信卫星功率灵活载荷在轨资源分配，可以快速、准确的评估静止轨道多波束移动通信卫星功率资源使用情况以及剩余可用容量，为卫星地面运行控制系统提供运营支持。

Description

一种功率灵活载荷在轨资源分配方法及系统

技术领域

本发明涉及一种功率灵活载荷在轨资源分配方法及系统，属于卫星有效载荷技术领域。

背景技术

天通1号系列卫星是大容量地球同步轨道移动通信卫星，主要任务是为各类小型移动用户终端提供不间断通信业务。其包含一副大型收发共用的可展开网状反射面天线，发射时收拢在卫星的东墙板上，入轨后展开，工作在S频段，使用收发共用的馈源阵并通过波束形成网络形成100多个波束实现地区覆盖，用于实现卫星与手持终端、机载或车载移动终端等等之间的通信。

该卫星是典型的静止轨道移动通信卫星，具备业务载波数之间自适应调配的能力，即每个波束内的业务另可以根据用户分布的不同自适应的调整，波束-业务分配具有很强的灵活性。卫星载荷原理如图1所示，波束覆盖示意图如图2所示。

目前，卫星投入运行后，通过功率放大器的遥测判断功率资源的使用情况以及系统的剩余容量，从而评估是否可以继续接入新的用户。

众所周知，功率资源是卫星的核心资源，为了在有限的资源限制条件下尽可能有效的利用资源，服务更多的用户，需要精确地评估功率资源的使用情况以及卫星的剩余容量，需要研究一种准确的资源分配方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种功率灵活载荷在轨资源分配方法，解决功率灵活载荷在轨资源使用评估及分配方法的问题。

本发明采用了如下技术方案：

建立卫星系统的传输矩阵，建立卫星单个用户激励状态下功放的响应向量，根据卫星的激励与传输矩阵的关系以及功率放大器的输出功率限制，通过直接计算的方法求出当前工况下功率放大器的功率，以及新业务是否可以被接入、单个波束独立工作时的剩余容量。具体步骤如下：

Step1：运控系统读取当前每个波束的业务分布，计算信关站发射的各个波束中的功率Vin；

Step2：根据功率灵活载荷的传输矩阵T，按照如下公式计算当前功率放大器的使用量Vout；

Step3：根据当前计算得到的功率放大器使用量Vout，以及每个波束中单个用户独立接入时占用的功率放大器情况，计算在当前工况下每个波束单独增加用户时的剩余用户容量；

Step4：将当前功率放大器使用量Vout及各个波束剩余用户容量提供给运控系统，运控系统通过该数据为所有波束分配新的业务。

进一步的，功率灵活载荷包括馈电天线、馈电接收机、输入多工器、M个变频器、发射波束形成矩阵、包含N路相同的功率放大器的多端口放大器、馈源阵及其反射器；

馈电天线接收到卫星地面信关站发送的馈电信号后，首先通过馈电接收机放大，放大后的信号通过输入多工器分配到M路通道中，M路信号分别经过变频器1、变频器2，……,变频器M变频到各自使用的下行频率，然后经过发射波束形成矩阵将M路信号变换为N路馈源信号，N路馈源信号经过具有N路功率放大器的多端口放大器功率放大后，经过天线反射器形成M个覆盖目标服务区的的波束，将M个通道的信号辐射到对应的波束服务区；其中M、N均为大于3的整数。

进一步的，其中运控系统是指地面的卫星运行控制系统，运控系统根据用户通信需求，控制地面信关站将所有用户的通信信息按照用户各自要发送到的波束及其规定的馈电频率发送到卫星；

进一步的，运控系统读取当前每个波束的业务分布，计算信关站发射的各个波束中的功率Vin，具体包括：

(1.1)设当前波束m中用户数量为k_m，k_m为大于等于零的整数，则M个波束中的用户数向量表示K；

(1.2)按照如下公式计算信关站在M个波束中的发射功率向量Vin，其中p₀是单个用户工作时信关站的发射功率；

进一步的，传输矩阵T可以通过测试得到，具体包括：设信关站单独在波束m发射单位功率的信号时，所述的功率灵活载荷中N个放大器的输出功率可以通过发射前在卫星工厂测试得到，并记为t_m：

t_m＝[P_m,1 P_m,2 … P_m,n … P_m,N-1 P_m,N]

该静止轨道多波束移动通信卫星功率灵活载荷的传输矩阵T可以表示为：

进一步的，当前工况下每个波束单独增加用户时的剩余用户容量计算方法如下：

(3.1)计算当前工况下多端口放大器中N个放大器的剩余功率向量V₀：

其中，P_max是N路功率放大器的最大允许工作功率，P_max大于零；

(3.2)计算波束m中单个用户工作时多端口放大器中N个放大器的功率向量v_0m：

(3.3)计算多端口放大器中n中可以容纳的波束m中的用户数量x_m,n，形成向量X：

(3.4)取X中N个数中的最小值x_min，并向下取整为就是当前卫星功率资源使用状态下，如果只有波束m新增用户，波束中m的剩余用户容量。

进一步的，本发明还提出一种功率灵活载荷在轨资源分配系统，包括：

第一模块：运控系统读取当前每个波束的业务分布，计算地面信关站发射的各个波束中的功率Vin；

第二模块：根据功率灵活载荷的传输矩阵T，计算当前功率放大器的使用量Vout；

第三模块：根据当前计算得到的功率放大器使用量Vout，以及每个波束中单个用户独立接入时占用的功率放大器情况，计算在当前工况下每个波束单独增加用户时的剩余用户容量；

第四模块：将当前功率放大器使用量Vout及各个波束剩余用户容量提供给运控系统，运控系统为所有波束分配新的业务。

进一步的，本发明还提出一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行所述功率灵活载荷在轨资源分配方法。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

通过卫星的模型计算得到功率放大器的工作状态，可以提前预知新业务接入后功放的状态，而不是在用户接入后再去通过功放的遥测判断用户是否能够接入。这可以提前进行业务的预分配，也可以保护功放，防止不合理的业务非配方式接入后导致的功放过激励甚至损坏。

附图说明

图1一种静止轨道移动通信卫星功率灵活载荷原理框图；

图2一种静止轨道移动通信卫星功率灵活载荷形成的波束覆盖；

图3静止轨道多波束移动通信卫星功率灵活载荷工作场景；

图4某种用户分布状态下计算得到的功率放大器输出功率。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

目前，无论是常见的广播卫星还是具有功率灵活功能的移动通信卫星、高通量卫星，在轨进行资源分配的依据都是功放的功率遥测值，而功率遥测具有一定的滞后性——遥测是业务接入之后，对功放使用情况的反映，容易导致功放超限使用。

以天通为代表的功率灵活载荷，基本上都基于MPA(多端口放大器)实现，波束通过MPA实现对功率的共用，从而实现功率灵活调配，其原理框图如附图1所示，包含馈电天线、馈电接收机、输入多工器、100个变频器、发射波束形成矩阵、包含64路相同的功率放大器的多端口放大器、馈源阵及其反射器。馈电天线接收到卫星地面信关站发送的馈电信号后，首先通过馈电接收机放大，放大后的信号通过输入多工器分配到100路通道中，100路信号分别经过变频器1、变频器2，……,变频器100变频到各自使用的下行频率，然后经过发射波束形成矩阵将100路信号变换为64路馈源信号，64路馈源信号经过具有64路功率放大器的多端口放大器功率放大后，经过天线反射器形成100个覆盖目标服务区的的波束，将100个通道的信号辐射到对应的波束服务区，波束覆盖效果如图2所示。

图3给出了功率灵活载荷在轨工作场景和过程：信关站将所有用户信息按照用户各自所在波束规定的馈电频率发送到卫星，卫星馈电天线接收后经过功率灵活载荷处理，发送到相应的波束；

根据功率灵活载荷的原理，每个波束单位电平的信号单独激励的时候，其信号经过系统之后，在功率放大器激励的功率的分布是确定的，因此可以通过该映射关系，计算不同的波束激励状态(对应了波束中业务状态)下，功率放大器的使用量，从而评估功率放大器的使用情况，评估波束剩余资源和容量，即已知卫星接收天线口面上的输入向量Vin，固放输出功率就是Vout＝T·Vin。

基于该原理，本发明提出的功率放大器资源使用量评估和剩余容量计算过程如下：

Step1：运控系统读取当前每个波束的业务分布，计算信关站发射的各个波束中的功率Vin；具体过程如下：

(1.1)运控统计M个波束中的用户数向量K；

(1.2)按照如下公式计算信关站在M个波束中的发射功率向量Vin，其中p₀是单个用户工作时信关站的发射功率；

Step2：根据功率灵活载荷的传输矩阵T，按照如下公式计算当前功率放大器的使用量Vout；

Step3：根据当前计算得到的功率放大器使用量Vout，以及每个波束中单个用户独立接入时占用的功率放大器情况，附图4给出的是某时刻功率放大器的功率使用情况。计算在当前工况下每个波束单独增加用户时的剩余用户容量，具体过程如下：

(3.1)计算当前工况下多端口放大器中N个放大器的剩余功率向量V₀：

其中，P_max是N路功率放大器的最大允许工作功率，P_max大于零；

(3.2)计算波束m中单个用户工作时多端口放大器中N个放大器的功率向量v_0m：

(3.3)计算多端口放大器中n中可以容纳的波束m中的用户数量x_m,n，形成向量X：

(3.4)取X中N个数中的最小值x_min，并向下取整为就是当前卫星功率资源使用状态下，如果只有波束m新增用户，波束中m的剩余用户容量。

Step4：将当前功率放大器使用量Vout及各个波束剩余用户容量提供给运控系统，运控系统通过该数据为所有波束分配新的业务。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种功率灵活载荷在轨资源分配方法，其特征在于包括：

运控系统读取当前每个波束的业务分布，计算地面信关站发射的各个波束中的功率Vin；

根据功率灵活载荷的传输矩阵T，计算当前功率放大器的使用量Vout；

根据当前计算得到的功率放大器使用量Vout，以及每个波束中单个用户独立接入时占用的功率放大器情况，计算在当前工况下每个波束单独增加用户时的剩余用户容量；

将当前功率放大器使用量Vout及各个波束剩余用户容量提供给运控系统，运控系统为所有波束分配新的业务。

2.根据权利要求1所述的一种功率灵活载荷在轨资源分配方法，其特征在于：所述功率灵活载荷包括馈电天线、馈电接收机、输入多工器、M个变频器、发射波束形成矩阵、包含N路相同的功率放大器的多端口放大器、馈源阵及其反射器；

馈电天线接收到卫星地面信关站发送的馈电信号后，首先通过馈电接收机放大，放大后的信号通过输入多工器分配到M路通道中，M路信号分别经过变频器1、变频器2，……,变频器M变频到各自使用的下行频率，然后经过发射波束形成矩阵将M路信号变换为N路馈源信号，N路馈源信号经过具有N路功率放大器的多端口放大器功率放大后，经过天线反射器形成M个覆盖目标服务区的的波束，将M个通道的信号辐射到对应的波束服务区；其中M、N均为大于3的整数。

3.根据权利要求1所述的一种功率灵活载荷在轨资源分配方法，其特征在于：所述运控系统是指地面的卫星运行控制系统，运控系统根据用户通信需求，控制地面信关站将所有用户的通信信息按照用户各自要发送到的波束及其规定的馈电频率发送到卫星。

4.根据权利要求1所述的一种功率灵活载荷在轨资源分配方法，其特征在于：所述运控系统读取当前每个波束的业务分布，计算地面信关站发射的各个波束中的功率Vin，具体包括：

(1.1)运控系统统计当前波束m中用户数量为k_m，k_m为大于等于零的整数，则M个波束中的用户数向量表示K；

(1.2)按照如下公式计算信关站在M个波束中的发射功率向量Vin，其中p₀是单个用户工作时信关站的发射功率，v_m是第m个波束中的发射功率；

5.根据权利要求4所述的一种功率灵活载荷在轨资源分配方法，其特征在于：所述根据功率灵活载荷的传输矩阵T，计算当前功率放大器的使用量Vout，具体为：

其中，V_n是第n个功率放大器的输出功率。

6.根据权利要求5所述的一种功率灵活载荷在轨资源分配方法，其特征在于：功率灵活载荷的传输矩阵T通过测试得到，具体包括：

信关站单独在波束m发射单位功率的信号时，所述的功率灵活载荷中N个放大器的输出功率通过发射前测试得到，记为t_m：

t_m＝[P_m,1 P_m,2 … P_m,n … P_m,N-1 P_m,N]

该功率灵活载荷的传输矩阵T表示为：

其中，P_m,n是信关站单独在波束m发射单位功率的信号时第n个功率放大器的输出功率。

7.根据权利要求6所述的一种功率灵活载荷在轨资源分配方法，其特征在于：所述的计算在当前工况下每个波束单独增加用户时的剩余用户容量，具体包括：

(3.1)计算当前工况下多端口放大器中N个放大器的剩余功率向量V₀：

其中，P_max是N路功率放大器的最大允许工作功率，P_max大于零；

(3.2)计算波束m中单个用户工作时多端口放大器中N个放大器的功率向量v_0m：

(3.3)计算多端口放大器中n中可以容纳的波束m中的用户数量x_m,n，形成向量X：

(3.4)取向量X中N个数中的最小值x_min，并向下取整为 就是当前卫星功率资源使用状态下，如果只有波束m新增用户，波束中m的剩余用户容量。

8.一种功率灵活载荷在轨资源分配系统，其特征在于包括：

第一模块：运控系统读取当前每个波束的业务分布，计算地面信关站发射的各个波束中的功率Vin；

第二模块：根据功率灵活载荷的传输矩阵T，计算当前功率放大器的使用量Vout；

第三模块：根据当前计算得到的功率放大器使用量Vout，以及每个波束中单个用户独立接入时占用的功率放大器情况，计算在当前工况下每个波束单独增加用户时的剩余用户容量；

第四模块：将当前功率放大器使用量Vout及各个波束剩余用户容量提供给运控系统，运控系统为所有波束分配新的业务。

9.根据权利要求8所述的一种功率灵活载荷在轨资源分配系统，其特征在于：所述运控系统读取当前每个波束的业务分布，计算地面信关站发射的各个波束中的功率Vin，具体包括：

(1.1)运控系统统计当前波束m中用户数量为k_m，k_m为大于等于零的整数，则M个波束中的用户数向量表示K；

(1.2)按照如下公式计算信关站在M个波束中的发射功率向量Vin，其中p₀是单个用户工作时信关站的发射功率，v_m是第m个波束中的发射功率；

所述根据功率灵活载荷的传输矩阵T，计算当前功率放大器的使用量Vout，具体为：

其中，V_n是第n个功率放大器的输出功率；

功率灵活载荷的传输矩阵T通过测试得到，具体包括：

信关站单独在波束m发射单位功率的信号时，所述的功率灵活载荷中N个放大器的输出功率通过发射前测试得到，记为t_m：

t_m＝[P_m,1 P_m,2 … P_m,n … P_m,N-1 P_m,N]

该功率灵活载荷的传输矩阵T表示为：

其中，P_m,n是信关站单独在波束m发射单位功率的信号时第n个功率放大器的输出功率；

所述的计算在当前工况下每个波束单独增加用户时的剩余用户容量，具体包括：

(3.1)计算当前工况下多端口放大器中N个放大器的剩余功率向量V₀：

其中，P_max是N路功率放大器的最大允许工作功率，P_max大于零；

(3.2)计算波束m中单个用户工作时多端口放大器中N个放大器的功率向量v_0m：

(3.3)计算多端口放大器中n中可以容纳的波束m中的用户数量x_m,n，形成向量X：

(3.4)取向量X中N个数中的最小值x_min，并向下取整为就是当前卫星功率资源使用状态下，如果只有波束m新增用户，波束中m的剩余用户容量。

10.一种处理器，其特征在于，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行权利要求1到7所述的任意一项的功率灵活载荷在轨资源分配方法。