CN117544222A - 一种基于气象衰减预测的卫星用户站终端发射功率动态控制系统及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于气象衰减预测的卫星用户站终端发射功率动态控制系统及使用方法,利用信关站、同步地球卫星、用户站和信道单元等单元,由运控中心和用户站分别执行卫星接收功率参考值计算和地面终端发射功率计算,并基于降雨衰减量进行补偿,能够提高功率控制的准确性,降低极端气象条件下的通信中断概率,解决了现有技术中静态功率控制策略中缺乏终端侧精确功率控制以及星上转发资源利用率低的缺陷;用户站基于载波接收信噪比采样估算上行业务信道实时信道衰减,并在业务信道和控制信道的共同传输下,将实时降雨量作为估算媒介,能够对降雨量进行实时衰减估计,提高了对降雨衰减的估算准确率。
Description
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域,尤其涉及一种基于气象衰减预测的卫星用户站终端发射功率动态控制系统及使用方法。
背景技术
为实现天地协同的多用户宽带卫星通信,同步地球通信卫星平台的用户波束通常工作在Ka或Ku频段。该频段特征导致降雨、降雪、沙尘等恶劣天气造成的气象衰减对卫星上/下行业务信道信噪比存在显著影响,严重时将导致通信质量大幅降低甚至通信中断。
现有技术CN109765638A中公开了一种基于网络通信的气象预警系统,利用气象信息采集装置、通信模块、数据处理中心、智能终端、示警单元等单元,能够快速检测气象变化,并通过网络通信以及智能终端分析预测气象,超出正常值时进行预警。
目前的卫星通信系统均采用基于链路预算的静态功率控制策略,即由地面网控或星载网控预先存储:全部入网终端对应星地业务信道的气象衰减值;终端所在卫星站的发射机最大增益、天线等效全向辐射功率、接收机灵敏度;星上转发增益。在通信信道建立时由网控基于一定增益余量计算主叫终端的最小中频发射功率,并通过控制信道下发完成通信功率控制。
传统的静态功率控制策略在应用过程中存在以下问题:
业务信道气象衰减值为固定值,通常基于某一地区的统计气象特征、季节等因素计算得到,对于卫星通信用户站不适用。
业务信道气象衰减值计算通常以加权的当地最大降雨量(99%概率)作为雨衰因子,导致:在净空条件下到达卫星的上行用户信号功率过大,浪费星上转发资源;在强降雨环境下,预留增益余量不足,通信质量差。
因此,有必要对现有技术中的气象预测的控制系统以及使用方法进行改进,以解决上述问题。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足,提供一种基于气象衰减预测的卫星用户站终端发射功率动态控制系统及使用方法,旨在解决现有技术中静态功率控制策略中缺乏终端侧精确功率控制以及星上转发资源利用率低的缺陷。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案为:一种基于气象衰减预测的卫星用户站终端发射功率动态控制系统,包括:信关站、同步地球卫星、用户站和信道单元;
所述信道单元包括业务信道和控制信道,所述业务信道用于所述同步地球卫星和所述用户站进行数据交换,所述控制信道分别用于所述同步地球卫星和所述用户站之间、所述同步地球卫星和所述信关站之间控制信息的传输;
所述信关站包括地球站和运控中心,所述地球站用于组网控制信令的收发,所述运控中心负责计算同步地球卫星接收功率参考值,并通过控制信道下发给主叫用户站;
所述用户站通过控制信道接收到卫星接收功率参考值后,基于载波接收信噪比采样估算上行业务信道实时衰减,对衰减值序列进行异常值过滤并以此为补偿计算用户站信道终端中频发射功率。
本发明一个较佳实施例中,所述运控中心执行的卫星链路计算时将主叫用户站节点及上行星地链路排除,所述卫星链路计算以卫星接收功率参考值作为输出,并基于此实现组网控制。
本发明一个较佳实施例中,所述用户站对上行业务信道衰减估算过程依次包括:信噪比测量、降雨量估计和上行业务信道衰减估计。
本发明一个较佳实施例中,所述信噪比测量采用卫星波束下行控制、业务信道接收信噪比测量,结合所述衰减预测量值计算实时信道气象衰减。
本发明一个较佳实施例中,所述降雨量估计基于信道衰减的实时数据,通过衰减数据的实时检测和处理,拟合衰减数据的变化规律。
本发明一个较佳实施例中,所述上行业务信道衰减估计基于局部线性预测,选择一个固定的时间窗口,将历史数据划分为多个子窗口,每个所述子窗口内的衰减数据为一个局部线性过程,使用线性拟合方法对所述子窗口内进行线性拟合,并对所述子窗口的下一子窗口的衰减值进行预测。
本发明一个较佳实施例中,所述用户站对终端中频发射功率动态进行控制,控制方法包括基于数字滤波方法的异常衰减值过滤,和基于衰减补偿的中频发射功率控制。
本发明一个较佳实施例中,所述异常衰减值过滤采用数字滤波方法,将衰减值通过数字滤波器进行过滤后剔除衰减异常值;所述中频发射功率控制采用衰减补偿,用于补偿信道中衰减引起的信号损失。
为达到上述目的,本发明采用的第二套技术方案为:一种基于气象衰减预测的卫星用户站终端发射功率动态控制系统的使用方法,基于一种气象衰减预测的卫星用户站终端发射功率动态控制系统,包括以下步骤:
S1:所述同步地球卫星接收功率参考值下发与衰减预测量;
S2:所述地球站和运控中心通过控制信道向用户站下发同步地球卫星接收功率参考值;
S3:所述用户站实时接收功率监测与降雨量计算;
S4:所述用户站利用上行业务信道进行衰减估计;
S5:所述用户站信道终端中频发射功率动态调整。
本发明一个较佳实施例中,所述S3中采用双信道测量和反向信道性质推算方法,以实时降雨量作为估算媒介,对卫星上行信道进行动态雨衰估计。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷,本发明具备以下有益效果:
(1)本发明提供了一种基于气象衰减预测的卫星用户站终端发射功率动态控制系统,利用信关站、同步地球卫星、用户站和信道单元等单元,由运控中心和用户站分别执行卫星接收功率参考值计算和地面终端发射功率计算,并基于降雨衰减量进行发射功率补偿,相比于现有技术中的气象预测控制系统,能够提高功率计算的准确性,提高了星上功率转发资源的利用效率,降低极端气象条件下的通信中断概率,解决了现有技术中静态功率控制策略中缺乏终端侧精确功率控制以及星上转发资源利用率低的缺陷。
(2)本发明中,用户站基于载波接收信噪比采样估算上行业务信道实时信道衰减,并在业务信道和控制信道的共同传输下,将实时降雨量作为估算媒介,相比于现有技术,能够对降雨量进行实时衰减估计,提高了对降雨衰减的估算准确率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术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中记载的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图;
图1是本发明的优选实施例的系统结构图;
图2是本发明的优选实施例的降雨强度采样示意图;
图3是本发明的优选实施例的卫星接收信号功率变化示意图。
具体实施方式
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,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做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。
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他方式来实施,因此,本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例一
如图1所示,一种基于气象衰减预测的卫星用户站终端发射功率动态控制系统,包括:信关站、同步地球卫星、用户站和信道单元。
信道单元包括业务信道和控制信道,业务信道用于同步地球卫星和用户站进行数据交换,控制信道分别用于同步地球卫星和用户站之间、同步地球卫星和信关站之间控制信息的传输。
同步地球卫星接收功率参考值下发与衰减预测量。信关站包括地球站和运控中心,地球站用于组网控制信令收发,运控中心基于预测量的网内用户站对应星地链路净空衰减值计算同步地球卫星接收功率参考值,并通过控制信道下发给主叫用户站。
用户站通过控制信道接收到接收功率参考值后,基于载波接收信噪比采样估算上行业务信道实时信道衰减,并基于上行衰减估计和异常衰减值自动过滤的信道终端中频发射功率动态控制,并对估算的衰减量进行补偿。
利用信关站、同步地球卫星、用户站和信道单元等单元,由运控中心和用户站分别执行卫星接收功率参考值计算和用户站终端发射功率计算,用户站基于载波接收信噪比采样估算上行业务信道实时信道衰减,能够提高功率计算及控制的准确性,解决了现有技术中静态功率控制策略中缺乏终端侧精确功率控制以及星上转发资源利用率低的缺陷。
运控中心执行的卫星链路计算以卫星接收功率参考值作为输出,并基于此实现组网控制。
用户站对上行业务信道衰减估算过程依次包括:信噪比测量、降雨量估计和上行业务信道衰减估计。
信噪比测量采用卫星波束下行控制、业务信道接收信噪比测量,结合衰减预测量值计算实时信道气象衰减。
降雨量估计基于信道衰减的实时数据,通过衰减数据的实时检测和处理,得出衰减数据的变化规律。
上行业务信道衰减估计基于局部线性预测,选择一个固定的时间窗口,将历史数据划分为多个子窗口,每个子窗口内的衰减数据为一个局部线性过程,使用线性拟合方法对子窗口内进行线性拟合,并对子窗口的下一子窗口的衰减值进行预测。
用户站对终端中频发射功率动态进行控制,控制方法包括基于数字滤波方法的异常衰减值过滤,和基于衰减补偿的中频发射功率控制。
异常衰减值过滤采用数字滤波方法,将衰减值通过数字滤波器进行过滤后剔除衰减异常值;中频发射功率控制采用衰减补偿,用于补偿信道中衰减引起的信号损失。
为达到上述目的,本发明采用的第二套技术方案为:一种基于气象衰减预测的卫星用户站终端发射功率动态控制系统的使用方法,基于一种气象衰减预测的卫星用户站终端发射功率动态控制系统,包括以下步骤:
步骤S1,预先获取星上接收功率和净空信道衰减参考值是进行信道衰减估计和功率控制的前提,具体包含以下步骤:
步骤S11,运控中心通常已知全部入网终端所在用户站接收机灵敏度,根据星载天线接收增益和通信呼叫信令中包含的被叫终端用户站接收增益、下行信道衰减,可计算出主叫用户站上行接收功率(dBm):
其中Sd表示被叫用户站接收机灵敏度,Gd-r表示被叫用户站天线接收增益,Ad-l表示被叫用户站业务信道衰减,Gs-r表示星载天线接收增益,Gs-t表示星上转发增益。运控中心通过卫星控制信道将上行接收功率参考值下发给用户站。
步骤S12,用户站通常已知在轨卫星任意波束发射功率(Pctrl-si,Pusr-si)(为简化方案描述而不失一般性,假设同步卫星有N个固定点波束,用户站为固定站),在净空条件下测量所在卫星波束(波束中心经度Loi,纬度Lai;i=1,2,3,…N)下行控制信道频点(载波通常位于S频段)接收机输出信号功率(Pctrl-ri-0)和下行业务信道频点(载波通常位于Ka或Ku频段)接收机输出信号功率(Pusr-ri-0),计算净空信道衰减值(dB):
作为衰减估计参考值。
步骤S2,运行环境实时接收功率监测与降雨量计算,包含以下步骤:
步骤S21,以终端入网时刻作为测量起点,将用户站工作时间划分为M个等长测量周期(长度为t0,t0>0)。在每个测量周期起点,测量当前所在卫星波束下行控制信道频点fctrl-ri接收机输出信号功率(Pctrl-ri-j,j=1,2,3…M)、下行业务信道频点fusr-ri接收机输出信号功率(Pusr-ri-j,j=1,2,3…M)。
步骤S22,由工程经验可知降雨衰减为Ka/Ku频段卫星通信信道中的主要气象衰减来源,因此可如下计算每个测量周期的降雨衰减(在t0取值足够小时,可认为在一个测量周期内雨衰值不变):
已知雨衰有效路径为Lef,降雨强度为Rrt时的降雨衰减为:
Atrt=Lefk(Rrt)α (4)
其中k和α为与信号频率f(GHz)相关的系数,当用户站天线仰角为相对水平面极化倾角为θp时有如下关系:
kV和αV表示垂直极化系数,kH和αH表示水平极化系数,通常采用如下经验公式计算(可查表获得,这里仅以Ku频段为例说明):
由(3)(4)(5)(6)式可得当前测量周期降雨强度在频点fctrl-ri和fusr-ri上的测量值:
其中:
取(7)式两个频点测量值的几何平均值作为当前测量周期的降雨强度估计值:
步骤S3,上行业务信道衰减估计基于两个基本假设,即:
A.上行业务信道的物理参数与下行用户/控制信道完全一致,仅信息传播方向不同;
B.在t0取值足够小时,降雨强度随时间的变化曲线足够平滑;
包含以下步骤:
步骤S31,降雨强度预测。由基本假设B可知,除了少数降雨强度拐点,在可接受误差范围可以内认为降雨强度变化曲线上任意三个相邻的测量点共线,即可得如下降雨强度预测值:
Rj+1=2Rj-Rj-1 (11)
步骤S32,设当前波束上行业务信道频点为fusr-si(Ku频段),根据基本假设A和(4)(5)(6)(11)式可得上行业务信道气象衰减:
其中:
步骤S4,用户站信道终端中频发射功率动态调整,是用户站根据信道衰减估计进行发射功率补偿,实现包含以下步骤:
步骤S41,空间衰减计算,假设:用户站在当前测量时刻坐标为(Loj,Laj);同步地球卫星经度为Los;地球半径Re;同步地球轨道半径Rs。可计算上行业务信道空间衰减如下:
其中c表示光速,dj表示用户站与卫星之间的距离,计算方法如下:
步骤S42,信道终端中频发射功率补偿,对于中低速用户站,相邻两个测量周期之间的空间衰减变化可以忽略不计,因此可以直接用当前衰减计算补偿值。由(12)(13)已知下一个测量周期气象衰减预测值,给出补偿后的中频发射功率如下:
Pms-j+1=PSR+10lg(LF-j)+Atj+1-Gms (16)
其中Gms表示用户站发射增益。
实施例二
如图2中所示,一组通过周期采用获得的某地降雨强度数据,采样周期为1分钟,共70个采样点,采样过程包含一次完整的降雨过程。我们将该组测量数据作为以下不同功率控制方案的测试环境数据。
采用基于链路预算的发射功率控制策略,信道终端中频发射功率为常数。信道可用度设置为,即在地球站所在地区气象统计特征条件下,卫星通信上行信道因气象原因中断的概率小于0.01,且使用最大降雨量,绘制该策略下卫星侧接收信号功率取值变化情况如图3中方案1所示。
同理可绘制设置可用度为最大降雨量时,链路预算的发射功率控制策略下卫星侧接收信号功率取值变化情况如图3中方案3所示。
采用基于气象衰减预测的卫星用户站终端发射功率动态控制策略,为了实现简单而不失一般性,设置功率控制周期为1分钟,与降雨强度采样周期同步,绘制卫星侧接收信号功率取值变化情况如图3中方案2所示。
对比图3中三种功率控制方案的接收功率变化曲线,可知:方案1在净空条件下终端发射功率过大,造成星上功率资源浪费,限制了单星用户接入数量;方案3在降雨条件下上行接收信号功率低,通信中断概率大;采用动态功率控制策略的方案2,在测试全过程中均略高于参考功率值,在上述方面具有显著优势。
部分公共参数取值如下表所示:
以上依据本发明的理想实施例为启示,通过上述的说明内容,相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内,进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容,必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。
Claims (10)
1.一种基于气象衰减预测的卫星用户站终端发射功率动态控制系统,包括:信关站、同步地球卫星、用户站和信道单元,其特征在于:
所述信道单元包括业务信道和控制信道,所述业务信道用于所述同步地球卫星和所述用户站进行数据交换,所述控制信道分别用于所述同步地球卫星和所述用户站之间、所述同步地球卫星和所述信关站之间控制信息的传输;
所述信关站包括地球站和运控中心,所述地球站用于组网控制信令的收发,所述运控中心负责计算同步地球卫星接收功率参考值,并通过控制信道下发给主叫用户站;
所述用户站通过控制信道接收到卫星接收功率参考值后,基于载波接收信噪比采样估算上行业务信道实时衰减,对衰减值序列进行异常值过滤并以此为补偿计算用户站信道终端中频发射功率。
2.根据权利要求1所述的一种基于气象衰减预测的卫星用户站终端发射功率动态控制系统,其特征在于:所述运控中心执行的卫星链路计算时将主叫用户站节点及上行星地链路排除,所述卫星链路计算以卫星接收功率参考值作为输出,并基于此实现组网功率控制。
3.根据权利要求1所述的一种基于气象衰减预测的卫星用户站终端发射功率动态控制系统,其特征在于:所述用户站对上行业务信道衰减估算过程依次包括:信噪比测量、降雨量估计和上行业务信道衰减估计。
4.根据权利要求3所述的一种基于气象衰减预测的卫星用户站终端发射功率动态控制系统,其特征在于:所述信噪比测量采用卫星波束下行控制、业务信道接收信噪比测量,结合所述衰减预测量值计算实时信道气象衰减。
5.根据权利要求3所述的一种基于气象衰减预测的卫星用户站终端发射功率动态控制系统,其特征在于:所述降雨量估计基于信道衰减的实时数据,通过衰减数据的实时检测和处理,拟合衰减数据的变化规律。
6.根据权利要求3所述的一种基于气象衰减预测的卫星用户站终端发射功率动态控制系统,其特征在于:所述上行业务信道衰减估计基于局部线性预测,选择一个固定的时间窗口,将历史数据划分为多个子窗口,每个所述子窗口内的衰减数据为一个局部线性过程,使用线性拟合方法对所述子窗口内进行线性拟合,并对所述子窗口的下一子窗口的衰减值进行预测。
7.根据权利要求1所述的一种基于气象衰减预测的卫星用户站终端发射功率动态控制系统,其特征在于:所述用户站对终端中频发射功率动态进行控制,控制方法包括基于数字滤波方法的异常衰减值过滤,和基于衰减补偿的中频发射功率控制。
8.根据权利要求7所述的一种基于气象衰减预测的卫星用户站终端发射功率动态控制系统,其特征在于:所述异常衰减值过滤采用数字滤波方法,将衰减值序列通过数字滤波器进行过滤后剔除衰减异常值;所述中频发射功率控制采用衰减补偿,用于补偿信道中衰减引起的信号损失。
9.一种基于气象衰减预测的卫星用户站终端发射功率动态控制系统的使用方法,基于权利要求1-8中任一种所述的基于气象衰减预测的卫星用户站终端发射功率动态控制系统,其特征在于,包括以下步骤:
S1:所述同步地球卫星接收功率参考值下发与衰减预测量;
S2:所述地球站和运控中心通过控制信道向用户站下发同步地球卫星接收功率参考值;
S3:所述用户站实时接收功率监测与降雨量计算;
S4:所述用户站利用上行业务信道进行衰减估计;
S5:所述用户站信道终端中频发射功率动态调整。
10.根据权利要求9所述的一种基于气象衰减预测的卫星用户站终端发射功率动态控制系统的使用方法,其特征在于:所述S3中采用双信道测量和反向信道性质推算方法,以实时降雨量作为估算媒介,对卫星上行信道进行动态雨衰估计。
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CN117544222A true CN117544222A (zh) | 2024-02-09 |
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ID=89795089
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CN202311495076.1A Pending CN117544222A (zh) | 2023-11-09 | 2023-11-09 | 一种基于气象衰减预测的卫星用户站终端发射功率动态控制系统及使用方法 |
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Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN117544222A (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN118038290A (zh) * | 2024-02-28 | 2024-05-14 | 中国空间技术研究院 | 一种基于深度学习特征框架的天地协同抗雨衰方法及系统 |
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2023
- 2023-11-09 CN CN202311495076.1A patent/CN117544222A/zh active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN118038290A (zh) * | 2024-02-28 | 2024-05-14 | 中国空间技术研究院 | 一种基于深度学习特征框架的天地协同抗雨衰方法及系统 |
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