CN117318768A - 一种基于感知引导的通感星座波束管理方法 - Google Patents

一种基于感知引导的通感星座波束管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于感知引导的通感星座波束管理方法，属于卫星互联网领域，首先在地面部署适配通感星座的通信终端；其次构建天基通信终端目标检测网络并训练；然后上传天基通信终端目标检测网络的参数至卫星；接着卫星进行在轨波束扫描和目标感知以及目标定位；最后根据定位结果进行波束指示以及后续的波束恢复。相较于以往的波束管理方法，本发明采用通信载荷和感知载荷协同工作的方式，简化了波束管理的流程，降低了波束管理的延迟。

Description

一种基于感知引导的通感星座波束管理方法
技术领域
本发明属于卫星互联网领域，更具体地涉及一种基于感知引导的通感星座波束管理方法。
背景技术
通感星座是指将通感一体化卫星、通信卫星、遥感卫星通过天基组网的方式互联，实现信息传输和协同运行功能。通感一体化卫星是指采用通信载荷、遥感载荷、感知计算载荷一体化设计方法，制造的具备通信-感知能力的单个卫星。通感一体化卫星凭借其星上计算能力、多载荷协同能力在卫星互联网领域有广阔的应用前景，通感星座作为卫星互联网的一种星座形态，将在农业调查、海洋观测、环境保护等领域发挥重要作用。
为了满足低延迟、高速率、广覆盖的卫星通信需求，通感星座采用大规模天线阵列和波束赋型技术实现通信容量的提升。由于在轨卫星和地面用户之间的相对运动，大规模天线发射的多波束需要随之调整波束角度，通常的做法是通过波束扫描、波束测量、波束报告、波束指示等多个步骤实现波束管理，但是在通感星座中，尤其是在通感一体化卫星中采用感知引导的方式将大大简化波束管理流程，降低通信延迟。
发明内容
本发明的目的是为了简化通感星座中波束管理流程，降低通信延迟，提出了一种基于感知引导的通感星座波束管理方法。
本发明采用的技术方案为：
一种基于感知引导的通感星座波束管理方法，包括以下步骤：
步骤1，地面部署适配通感星座的地面通信终端，地面通信终端包括通信天线、信号处理模块以及状态显示模块；
步骤2，利用卷积神经网络构建天基通信终端目标检测网络，将卫星平台拍摄的包含天基通信终端目标的光学遥感图像作为数据源，训练天基通信终端目标检测网络；
步骤3，将训练好的天基通信终端目标检测网络的配置文件和权重文件上传至通感卫星；其中，配置文件包括网络结构和超参数设置，权重文件为网络中卷积层、池化层、归一化层和全连接层的权重参数；
步骤4，通感卫星的多波束天线在预定方向以设定间隔重复传输波束信息，同时，通感卫星的光学载荷拍摄预定方向的遥感图像，并使用天基通信终端目标检测网络对遥感图像中的通信终端目标进行检测；
步骤5，通感卫星根据目标检测结果，协同卫星轨道高度、卫星姿态和GPS导航信息解算通信终端目标的实际地理坐标；
步骤6，通感卫星将能够覆盖地面通信终端目标的波束信息加载到通信载波中，通过波束扫描的方式传送至地面通信终端目标，地面通信终端目标根据波束信息与通感星座建立连接；
步骤7，当通信状况不稳定时，地面通信终端目标通过状态显示模块反应通信状况，通感卫星实时检测到通信状况后重复步骤4-步骤6。
进一步的，步骤2中所述的天基通信终端目标检测网络以YOLOv4-tiny模型为基础，使用自校正卷积替代YOLOv4-tiny中所有3×3卷积。
进一步的，步骤4中所述预定方向为根据通信保障任务及业务需求制定的方向。
进一步的，步骤4中所述多波束天线采用相控阵天线，检测结果包括检测通信终端目标在遥感图像中的位置、通信终端目标的类别以及用户身份确认。
进一步的，步骤7中所述通信状况不稳定包括因通信终端快速移动引起的连接迟滞的情况。
本发明相对于现有技术的优点为：
(1)本发明采用通信载荷和感知载荷协同工作的方式，降低了波束管理的延迟；
(2)本发明使用感知引导通信波束，简化了波束管理的流程，提高了波束管理的效率；
(3)本发明为地面通信终端增加状态显示模块，提升了卫星和地面终端状态交互的抗干扰能力。
附图说明
图1为本发明提出方法的总体技术流程图。
图2为波束管理流程对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式和基本原理做进一步说明。
本发明提出了一种基于感知引导的通感星座波束管理方法，具体流程图如图1所示，具体包括以下过程：
步骤1，地面部署适配通感星座的地面通信终端：地面通信终端包括通信天线、信号处理模块以及状态显示模块，通信天线为相控阵天线，支持128波束，信号处理模块包含采用FPGA+GPU架构，能够进行并行化图像处理，状态显示模块有状态指示灯组成，状态显示模块包含5个红色的直径0.5米的灯，在通信接入阶段用于用户身份确认，在通信连接阶段用于向通感星座传递通信状态信息；
步骤2，天基通信终端目标检测网络构建及训练：利用卷积神经网络构建天基通信终端目标检测网络，天基通信终端目标检测网络以YOLOv4-tiny模型为基础，使用自校正卷积替代YOLOv4-tiny中所有3×3卷积，建立距离空间和通道间依赖性的校准操作，提升目标检测网络的目标辨识能力，将卫星平台拍摄的包含天基通信终端目标的光学遥感图像作为数据源，训练天基通信终端目标检测网络；
步骤3，天基通信终端目标检测网络参数上传：将训练好的天基通信终端目标检测网络的配置文件和权重文件上传至通感卫星，其中，网络配置文件包括网络结构和超参数设置，权重文件为网络中卷积层、池化层、归一化层和全连接层的权重参数；
步骤4，波束扫描和目标感知：通感卫星的多波束相控阵天线在预定方向以5ms的间隔重复传输波束信息，多波束天线具备784个可变波束生成能力，同时，通感卫星的光学载荷拍摄预定方向的遥感图像，并使用天基通信终端目标检测网络对遥感图像中的通信终端目标进行检测，包括通信终端目标在遥感图像中的位置、通信终端目标的类别以及用户身份确认，信号预定方向为根据通信保障任务及业务需求制定的较为宽泛的方向，其地面精度为50km，即距离该预定方向中心点50km的范围内均有可能存在通信终端，需要进一步检测以确认其精确位置；
步骤5，目标定位：通感卫星根据目标检测结果，协同卫星轨道高度、卫星姿态和GPS导航信息解算通信终端目标的实际地理坐标，地理坐标采用WGS84坐标系；
步骤6，波束指示，通感卫星将能够最精确覆盖通信终端目标的波束信息加载到通信载波中通过波束扫描的方式传送至地面通信终端目标，地面通信终端目标根据波束信息与通感星座建立连接，如图2，基于感知引导的波束管理流程相较于传统波束管理流程在波束指示之前省略了波束测量和波束报告流程，提升了波束管理效率；
步骤7，波束恢复：当通信状况不稳定时，地面通信终端目标通过信号指示灯反应通信状况，指示灯亮起的数量表示信号稳定度，数量越多表示稳定度越高，通感卫星实时检测到通信状况后重新执行步骤4-步骤6，以恢复故障；其中通信状况不稳定包括因通信终端快速移动引起的连接迟滞的情况。

Claims (5)

1.一种基于感知引导的通感星座波束管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，地面部署适配通感星座的地面通信终端，地面通信终端包括通信天线、信号处理模块以及状态显示模块；
步骤2，利用卷积神经网络构建天基通信终端目标检测网络，将卫星平台拍摄的包含天基通信终端目标的光学遥感图像作为数据源，训练天基通信终端目标检测网络；
步骤3，将训练好的天基通信终端目标检测网络的配置文件和权重文件上传至通感卫星；其中，配置文件包括网络结构和超参数设置，权重文件为网络中卷积层、池化层、归一化层和全连接层的权重参数；
步骤4，通感卫星的多波束天线在预定方向以设定间隔重复传输波束信息，同时，通感卫星的光学载荷拍摄预定方向的遥感图像，并使用天基通信终端目标检测网络对遥感图像中的通信终端目标进行检测；
步骤5，通感卫星根据目标检测结果，协同卫星轨道高度、卫星姿态和GPS导航信息解算通信终端目标的实际地理坐标；
步骤6，通感卫星将能够覆盖地面通信终端目标的波束信息加载到通信载波中，通过波束扫描的方式传送至地面通信终端目标，地面通信终端目标根据波束信息与通感星座建立连接；
步骤7，当通信状况不稳定时，地面通信终端目标通过状态显示模块反应通信状况，通感卫星实时检测到通信状况后重复步骤4-步骤6。
2.根据权利要求1所述的一种基于感知引导的通感星座波束管理方法，其特征在于，步骤2中所述的天基通信终端目标检测网络以YOLOv4-tiny模型为基础，使用自校正卷积替代YOLOv4-tiny中所有3×3卷积。
3.根据权利要求1所述的一种基于感知引导的通感星座波束管理方法，其特征在于，步骤4中所述预定方向为根据通信保障任务及业务需求制定的方向。
4.根据权利要求1所述的一种基于感知引导的通感星座波束管理方法，其特征在于，步骤4中所述多波束天线采用相控阵天线，检测结果包括检测通信终端目标在遥感图像中的位置、通信终端目标的类别以及用户身份确认。
5.根据权利要求1所述的一种基于感知引导的通感星座波束管理方法，其特征在于，步骤7中所述通信状况不稳定包括因通信终端快速移动引起的连接迟滞的情况。
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