一种多星协同对地通信系统和通信方法

1.本发明属于卫星通信与网络技术领域，具体涉及一种多星协同对地通信系统和通信方法。


背景技术：

2.近年来，在商业航天方面，以“一网(oneweb)”、“星链(starlink)”、“柯伊伯(kuiper)
”ꢀ
等为代表的低轨星座网络商业计划与5g、iot、人工智能等时代概念同频共振，推动千颗万 颗规模的巨量通信星座逐步从狂想变为现实，卫星通信在人类生产和生活中的作用越来越大。 由于大规模巨星星座的蓬勃建设，全球任意地面上空均可看到大量的通信卫星。通过这些卫 星之间的协同，可以构建高增益的星地链路，为地面应用提供大容量的信息传输。
3.然而，在卫星通信过程中，由于在轨卫星受到功率体积的限制，普遍天线增益低、传输 能力弱。在加上星地传输链路通常在上千公里，甚至可达到几万公里，信号衰减较大。如何 提高星地通信的传输容量是卫星通信广泛使用的一个突出问题。
4.为解决上述问题，专利申请号为202110213278.7的中国发明专利申请提出了一种星地协 同通信系统多星多级缓存分配方法，充分利用星地协同通信系统中的多星多级缓存架构，通 过多级边缘服务器之间的协同，以及多个卫星边缘服务器之间的协同，减小星地协同通信系 统中内容服务延时，保障用户延时敏感业务的传输。但该方法并没有提高星地通信的传输容 量，也未解决或缓解在轨卫星传输能力弱的问题。


技术实现要素：

5.为解决上述现有技术中存在的技术问题，在本发明的一个方面，提供了一种多星协同对 地通信系统，包括多颗在轨卫星和地面终端。所述在轨卫星又包括星间互联单元、对地低速 接收单元、对地高速发送单元；所述地面终端包括导航定位单元、对星高速接收单元和对星 低速发送单元。其中：
6.所述星间互联单元用于多颗卫星之间的互联互通、时间同步和频率同步；
7.所述对地低速接收单元用于卫星接收来自地面终端的数据请求及状态信息；
8.所述对地高速发送单元用于卫星向地面终端发送高速数据；
9.所述导航定位单元用于获取地面终端的位置信息；
10.所述对星高速接收单元用于地面终端接收来自卫星的高速数据；
11.所述对星低速发送单元用于地面终端向卫星发送数据请求及状态信息。
12.进一步地，在上述多星协同对地通信系统中，所述多颗在轨卫星为高、中、低轨任意轨 道卫星。
13.进一步地，在上述多星协同对地通信系统中，所述地面终端为移动终端或者固定终端。
14.为解决上述现有技术中存在的技术问题，在本发明的另一个方面，提供了一种利
用上述 多星协同对地通信系统实施的多星协同对地通信方法，所述通信方法包括：
15.步骤1：地面终端向卫星发出数据请求信息和状态信息，其中，所述地面终端采用对星 低速发送单元向卫星发出数据请求信息和状态信息；所述数据请求信息包括地面终端编码标 识、目标卫星标识、数据块标识；所述状态信息包括时标信息、与时标对应的位置信息和对 星高速接收单元的信道强度标识，所述时标信息、所述与时标对应的位置信息由导航定位单 元获得，所述对星高速接收单元的信道强度标识由所述对星高速接收单元计算得到；
16.步骤2：多颗卫星之间建立时间同步，具体包括：
17.s21：多颗在轨卫星采用各自的对地低速接收单元接收并解析来自地面终端的数据请求信 息和状态信息；
18.s22：与所述地面终端数据请求的目标卫星标识一致的卫星设为主卫星，记为s0；与目标 卫星标识不一致的卫星均设为从卫星，记为s1，s2，
……
，sn；
19.s23：所述主卫星s0的星间互联单元设置为发送模式；所述从卫星s1，s2，
……
，sn的 星间互联单元设置为接收模式；
20.s24：主卫星s0采用双单向测量方法分别与从卫星s1，s2，
……
，sn建立时间同步；得 到主卫星s0与从卫星s1，s2，
……
，sn之间的相对距离r
01
,r
02
,r
03
,
…
,r
0n
和相对钟差 δt
01
,δt
02
,δt
03
,
…
,δt
0n
；
21.步骤3：多颗卫星之间建立频率同步，具体包括：
22.s31：主卫星s0向从卫星s1，s2，
……
，sn广播频率基准信号，所述基准信号的频率为 f0；
23.s32：从卫星s1，s2，
……
，sn采用锁相环跟踪主卫星s0广播的基准信号；
24.s33：从卫星s1，s2，
……
，sn通过倍频器产生对地高速发送单元下行信号，所述下行信 号的工作频率为f
t
，倍频器的倍数设置为f
t
/f0；
25.步骤4：多颗卫星与地面终端建立相位同步，具体包括：
26.s41：多颗卫星根据对地低速接收单元收到的地面终端状态信息建立相位粗同步，获得相 位粗同步的值
27.s42：多颗卫星通过对地高速发送单元向地面终端发送信道标校信号，信道标校信号的工 作频率为f
t
，相位初值为发送的信道标校信号记为
[0028][0029]
式中，表示发送的信号幅度；
[0030]
s43：地面终端接通过对星高速接收单元接收信道标校信号，并对信号强度进行实时计算， 其中
[0031]
接收到的信道标校信号表示为：
[0032][0033]
其中，为经过星地传输链路传输衰减后的信号幅度，φi为经过星地传输链路传输 后信号时延带来的相位变化；
[0034]
接收到的信道标校信号强度为：
[0035]
将此时的信道标校信号强度记为a0；
[0036]
s44：多颗卫星在发送的信道标校信号中添加随机相位扰动，随机相位扰动的大小为δi， 此时发送的信道标校信号变为：
[0037][0038]
s45：地面终端接收到添加随机相位扰动后的信道标校信号，对信号强度进行计算，得到 新的信道标校信号为：
[0039][0040]
相应的接收到的信道标校信号强度为：
[0041]
将此时的信道标校信号强度记为a1；
[0042]
s45：比较信道标校信号强度变化，并根据比较结果，记录信道强度标识，地面终端通过 对星低速发送单元将信道强度标识反馈给卫星，具体包括：
[0043]
当a0≥a1时，a0不变，信道强度标识记为0；
[0044]
当a0＜a1时，a0＝a1，信道强度标识记为1；
[0045]
s46：多颗卫星通过对地低速接收单元接收到信道强度标识后，对发送相位进行调整，具 体包括：
[0046]
若信道强度标识为0时，则不调整卫星粗同步的值
[0047]
若信道强度标识为1时，则调整卫星粗同步的值调整方法为：
[0048]
s47：选取相位同步系数λ，判定多颗卫星与地面终端建立相位同步状态，具体包括：
[0049]
若则多颗卫星与地面终端建立相位同步，进入步骤5，此时多颗卫星 对地高速发送单元的相位记为
[0050]
若则多颗卫星未与地面终端建立相位同步，重复步骤s44～s47；
[0051]
步骤5：多颗卫星之间协同对地发送在轨数据，具体包括：
[0052]
多颗卫星按照相位值发送调制信号，调制信号的数据块根据所述数据请 求信息中的数据块标识确定。
[0053]
进一步地，在上述多星协同对地通信方法中，所述步骤24包括：
[0054]
s241：主卫星s0通过星间互联单元向从卫星s1发送测距信号，主卫星s0记录测距信号 发送时刻为t1，从卫星s1记录测距信号接收时刻为t2；
[0055]
s242：从卫星s1接收完测距信号后，通过星间互联单元向主卫星s0发送测距信号，从卫 星s1记录测距信号发射时刻为t3，主卫星s1记录测距信号接收时刻为t4；
[0056]
s243：根据双单向测距原理，计算主卫星s0与从卫星s1之间的相对距离r
01
和钟差δt
01
， 计算方法为
[0057][0058][0059]
其中，c为光速；
[0060]
s244：按照s241～s243步骤，主卫星s0依次与从卫星s2，
……
，sn开展双单向测量， 获得相对距离r
02
,r
03
,
…
,r
0n
和钟差δt
02
,δt
03
,
…
,δt
0n
。
[0061]
进一步地，在上述多星协同对地通信方法中，所述步骤41包括：
[0062]
s411：各个卫星计算与地面终端的信号传输时延，记第i颗卫星与地面终端的信号传输 时延为ρi，i的取值为0,1,2,3
…
,n，ρi的计算方法为：
[0063][0064]
其中，表示卫星i的坐标，(xg，yg，zg)表示地面终端的坐标，c为光速；
[0065]
s412：各个从卫星s1，s2，
……
，sn计算与主卫星s0之间的传输延迟差，记第i颗从卫 星si与主卫星s0之间的传输延迟差为δρ
0i
，计算方法为：
[0066]
δρ
0i
＝ρ
i-ρ0[0067]
s413：对传输延迟差进行钟差校正，得到校正后的传输延迟差计算方法为：
[0068][0069]
s414：将校正后的传输延迟差转化为相位值作为相位粗同步的值
[0070]
s415：各个卫星计算各自钟差与信号传输时延的总和，记第i颗卫星的钟差与信号传输 时延总和为ηi，计算方法为：
[0071]
ηi＝ρi δt
0i
[0072]
其中，主卫星s0的钟差与信号传输时延总和η0为η0＝ρ0。
[0073]
进一步地，在上述多星协同对地通信方法中，所述随机相位扰动δi服从均匀分布 δi～uniform(-π/3,π/3)。
[0074]
本发明的多星协同对地通信系统和通信方法具有如下优点和有益效果：可以缓解在轨卫 星由于受到功率体积的限制因而普遍天线增益低、传输能力弱的问题，充分利用多颗在轨卫 星的传输资源，通过多星协同共同向地面终端传输在轨数据，提高了星地链路的传输增益， 从而有助于为地面用于提供大容量的信息传输。
附图说明
[0075]
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的前提下，还可以根据这些附 图获得其他的附图。在附图中：
[0076]
图1为本发明一实施例的多星协同对地通信系统的构造框图；
[0077]
图2为本发明一实施例的多星协同对地通信方法的流程图。
具体实施方式
[0078]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的 附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分 实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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。
[0079]
如图1所示，本发明一实施例提供的多星协同对地通信系统包括多颗在轨卫星和地面终 端，在轨卫星又包括星间互联单元、对地低速接收单元、对地高速发送单元；地面终端包括 导航定位单元、对星高速接收单元和对星低速发送单元，其中：星间互联单元用于多颗在轨 卫星之间的互联互通、时间同步和频率同步；对地低速接收单元用于卫星接收来自地面终端 的数据请求及状态信息；对地高速发送单元用于卫星向地面终端发送高速数据；导航定位单 元用于获取地面终端的位置信息；对星高速接收单元用于地面终端接收来自卫星的高速数据； 对星低速发送单元用于地面终端向卫星发送数据请求及状态信息。
[0080]
具体地，本发明实施例中，星间互联单元可采用26ghz工作频段。
[0081]
具体地，本发明实施例中，导航定位单元可采用gps/bd多模定位模块，具体可以 采用和芯星通公司的um220-iv nl模块，支持gps和北斗(bd)的多模定位。
[0082]
具体地，本发明实施例中，多颗在轨卫星可采用高、中、低轨任意轨道卫星。优选 地，多颗在轨卫星可采用低轨道通信卫星，卫星轨道可采用500公里轨道。
[0083]
具体地，本发明实施例中，地面终端可以为移动终端或者固定终端。优选地，地面 终端采用固定终端。
[0084]
此外，本发明一实施例还提供了一种利用多星协同对地通信系统实施的多星协同对 地通信方法，该通信方法包括如下内容：
[0085]
步骤1：地面终端向卫星发出数据请求信息和状态信息。
[0086]
所述地面终端采用对星低速发送单元向卫星发出数据请求信息和状态信息。
[0087]
所述数据请求信息包括地面终端编码标识、目标卫星标识、数据块标识。
[0088]
状态信息包括时标信息、与时标对应的位置信息、所述对星高速接收单元的信道强 度标识。其中时标信息、与时标对应的位置信息由导航定位单元获得，所述对星高速接 收单元的信道强度标识由所述对星高速接收单元计算得到。
[0089]
步骤2：多颗卫星之间建立时间同步。具体包括如下步骤：
[0090]
s21：多颗在轨卫星均采用各自的对地低速接收单元接收并解析来自地面终端的数据请求 信息和状态信息；
[0091]
s22：与所述地面终端数据请求的目标卫星标识一致的卫星设为主卫星，记为s0；与目标 卫星标识不一致的卫星均设为从卫星，记为s1，s2，
……
，sn；
[0092]
s23：所述主卫星s0的星间互联单元设置为发送模式；所述从卫星s1，s2，
……
，sn的 星间互联单元设置为接收模式；
[0093]
s24：主卫星s0采用双单向测量方法分别与从卫星s1，s2，
……
，sn建立时间同步；得 到主卫星s0与从卫星s1，s2，
……
，sn之间的相对距离r
01
,r
02
,r
03
,
…
,r
0n
和相对钟差 δt
01
,δt
02
,δt
03
,
…
,δt
0n
。
[0094]
步骤3：多颗卫星之间建立频率同步。具体包括如下步骤：
[0095]
s31：主卫星s0向从卫星s1，s2，
……
，sn广播频率基准信号，所述基准信号的频率为 f0；
[0096]
s32：从卫星s1，s2，
……
，sn采用锁相环跟踪主卫星s0广播的基准信号；
[0097]
s33：从卫星s1，s2，
……
，sn通过倍频器产生对地高速发送单元下行信号，所述下行信 号的工作频率为f
t
，倍频器的倍数设置为f
t
/f0。
[0098]
步骤4：多颗卫星与地面终端建立相位同步。具体包括如下步骤：
[0099]
s41：多颗卫星根据对地低速接收单元收到的地面终端状态信息建立相位粗同步，获得相 位粗同步的值其中i＝0,1,2，
……
，n；
[0100]
s42：多颗卫星通过对地高速发送单元向地面终端发送信道标校信号，信道标校信号的工 作频率为f
t
，相位初值为该信道标校信号记为
[0101][0102]
式中，表示信号幅度；
[0103]
s43：地面终端通过对星高速接收单元接收信道标校信号，并对信号强度进行实时计算， 其中
[0104]
接收到的信道标校信号可表示为：
[0105][0106]
其中，为经过星地传输链路传输衰减后的信号幅度，φi为经过星地传输链路传输 后信号时延带来的相位变化。
[0107]
接收到的信道标校信号强度为：
[0108][0109]
将此时的信道标校信号强度记为a0；
[0110]
s44：多颗卫星在发射的信道标校信号中添加随机相位扰动，随机相位扰动的大小为δi， 此时发射的信道标校信号变为：
[0111][0112]
s45：地面终端接收到添加随机相位扰动后的信道标校信号，对信号强度进行计算，得到 新的信道标校信号为：
[0113][0114]
相应的接收到的信道标校信号强度为：
[0115][0116]
将此时的信道标校信号强度记为a1；
[0117]
s45：比较信道标校信号强度变化，并根据比较结果，记录信道强度标识，地面终端通过 对星低速发送单元将信道强度标识反馈给卫星。具体包括
[0118]
当a0≥a1时，a0不变，信道强度标识记为0；
[0119]
当a0＜a1时，a0＝a1，信道强度标识记为1；
[0120]
s46：多颗卫星通过对地低速接收单元接收到信道强度标识后，对发送相位进行调整。具 体包括：
[0121]
若信道强度标识为0时，则不调整卫星粗同步的值
[0122]
若信道强度标识为1时，则调整卫星粗同步的值调整方法为：
[0123]
s47：选取相位同步系数λ，判定多颗卫星与地面终端建立相位同步状态。
[0124]
若多颗卫星与地面终端建立相位同步，进入步骤5，此时多颗卫星的 对地高速发送单元的相位记为
[0125]
若则多颗卫星未与地面终端建立相位同步，重复步骤s44～s47。
[0126]
步骤5：多颗卫星之间协同对地发送在轨数据。
[0127]
多颗卫星按照相位值发送调制信号，调制信号的数据块根据所述数据请 求信息中的数据块标识确定。
[0128]
进一步地，在上述多星协同对地通信方法中，步骤24的具体实施方式为：
[0129]
s241：主卫星s0通过星间互联单元向从卫星s1发送测距信号，主卫星s0记录测距信号 发送时刻为t1，从卫星s1记录测距信号接收时刻为t2；
[0130]
s242：从卫星s1接收完测距信号后，通过星间互联单元向主卫星s0发送测距信号，从卫 星s1记录测距信号发射时刻为t3，主卫星s0记录测距信号接收时刻为t4；
[0131]
s243：根据双单向测距原理，计算主卫星s0与从卫星s1之间的距离r
01
和钟差δt
01
，计算 方法为
[0132][0133][0134]
其中，c为光速；
[0135]
s244：按照s241～s243步骤，主卫星s0依次与从卫星s2，
……
，sn开展双单向测量， 获得相对距离r
02
,r
03
,
…
,r
0n
和钟差δt
02
,δt
03
,
…
,δt
0n
。
[0136]
进一步地，在上述多星协同对地通信方法中，步骤41的具体实施方式为：
[0137]
s411：各个卫星计算与地面终端的信号传输时延，记第i颗卫星与地面终端的信号传输 时延为ρi，i的取值为0,1,2,3
…
,n，ρi的计算方法为：
[0138][0139]
其中，表示卫星i的坐标，(xg，yg，zg)表示地面终端的坐标，c为光速。
[0140]
s412：各个从卫星s1，s2，
……
，sn计算与主卫星s0之间的传输延迟差。记第i颗从卫 星si与主卫星s0之间的传输延迟差为δρ
0i
，其计算方法为：
[0141]
δρ
0i
＝ρ
i-ρ0[0142]
s413：对传输延迟差进行钟差校正，得到校正后的传输延迟差计算方法为:
[0143][0144]
s414：将校正后的传输延迟差转化为相位值作为相位粗同步的值；
[0145][0146]
s415：各个卫星计算各自钟差与信号传输时延的总和。记第i颗卫星的钟差与信号传输 时延总和为ηi，则ηi的计算公式为
[0147]
ηi＝ρi δt
0i
[0148]
其中，主卫星s0的钟差与信号传输时延总和η0为：
[0149]
η0＝ρ0[0150]
进一步地，在上述多星协同对地通信方法中，步骤44中所述随机相位扰动δi服从均匀分 布δi～uniform(-π/3,π/3)。
[0151]
具体地，本发明实施例中，相位同步系数λ选取为0.9。
[0152]
具体地，本发明实施例中，所有卫星的经过星地传输链路传输衰减后的信号幅度相 等，均设为a0，则经过多星协同后相对于单个卫星星地传输，信号强度可增加0.9(n 1)倍。
[0153]
这样，本发明的多星协同对地通信系统和通信方法可以缓解在轨卫星由于受到功率体积 的限制从而普遍天线增益低、传输能力弱的问题，充分利用多颗在轨卫星的传输资源，通过 多星协同共同向地面终端传输在轨数据，提高了星地链路的传输增益，从而有助于为地面用 于提供大容量的信息传输。
[0154]
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个 实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存 在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖 非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素， 而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固 有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状 态为参照。
[0155]
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照 前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前 述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；
而这些修 改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。