一种非静止轨道卫星星座星上波束对地连续覆盖方法与流程

1.本发明属于卫星通信领域技术，尤其涉及一种非静止轨道卫星星座星上波束对地连续覆盖方法。


背景技术：

2.卫星在运行过程中，需要知道自身精确的轨道位置，此信息被称为星历。一般由地面控制中心周期性上注给卫星。
3.卫星与地面目标间连线与地平线的夹角称为地面目标对该卫星的仰角。由于非静止轨道卫星绕地球运行，因此地面目标只在有限的仰角范围内能够与卫星进行无线电通信，此仰角范围称为该卫星的可视范围。每圈次可视范围对应的时间称为可视时间。
4.卫星一般通过无线电信号与地面目标进行信息交互，覆盖一片连续区域的无线电信号称为一个波束。此区域称为此卫星此波束的覆盖块。区域内信号强度在一定门限值以上的范围为此卫星此波束的覆盖范围。如果卫星有多个波束，可以同时有多个覆盖块。
5.非静止轨道卫星由于对地相对运动，其星上波束对地覆盖块的地理位置时刻变化。当需要对地球表面某一区域进行连续覆盖时，需要通过多颗卫星形成星座，每颗卫星的波束依次覆盖该区域。
6.现有的非静止轨道卫星波束对地覆盖一般采用固定星上波束指向的方法实现。此种方法简单可行，但由于卫星移动会造成单颗卫星对地覆盖时间短，地面目标需要在多颗卫星的波束间频繁进行切换，既可能发生信号传输质量下降，又会增大切换信令开销。现有的非静止轨道卫星系统，如orbcomm、starlink等均采用此方法，starlink的地面目标最长平均3分钟就要进行一次切换。
7.其次，现有卫星系统波束切换过程的发起者都是地面目标，最常见的方法是地面目标自行检测卫星信号强度，再根据一定策略选择某颗卫星。这一方面带来地面目标复杂性的上升，另一方面不同厂家选择的切换策略不同，可能导致与卫星上切换策略的不匹配，导致切换失败。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种非静止轨道卫星星座星上波束对地连续覆盖方法，通过本发明方法降低了非静止轨道卫星星座对地连续覆盖时波束的切换频率，有效降低切换时的信令开销，并将切换过程的主体从地面目标变为卫星，降低地面目标对切换过程的参与。
9.本发明目的通过下述技术方案来实现：
10.一种非静止轨道卫星星座星上波束对地连续覆盖方法，所述星座星上波束对地连续覆盖方法包括：
11.将整个地球表面划分为若干覆盖块，每个覆盖块分别由星座内一个卫星波束覆盖，且所有覆盖块的地理位置信息用地球覆盖表的形式表示，被预置或上注到卫星；
12.星座内各卫星根据地球覆盖表并结合自身星历，控制星上波束对地面进行覆盖，各卫星在所需要覆盖的覆盖块对应的可视范围内运动时，计算星上波束指向，控制星上波束始终指向该区域；
13.当星座内前一颗卫星移动出某覆盖块的可视范围后，由下一颗卫星继续覆盖该覆盖块；此下一颗卫星在该区域的可视范围内控制星上波束始终指向该区域，多颗卫星按前后两颗卫星覆盖时间首尾相接的方式，实现对某区域在时间上的连续覆盖；
14.位于同一轨道的，覆盖属于不同覆盖组覆盖块的卫星交叉布设，依次覆盖在地理上相连的地面区域，并按以上方式对地球表面区域进行空间上的连续覆盖。
15.根据一个优选的实施方式，各个覆盖块对应两个编号：覆盖组号和覆盖块号；
16.其中，覆盖组号代表对应覆盖块所使用的无线电参数集，至少包括：频率、带宽、发射功率门限、接收灵敏度门限，拥有相同覆盖组号的覆盖块上的地面目标和正在覆盖的卫星使用相同的无线电参数集；
17.覆盖块号代表对应覆盖块在此覆盖组内的顺序编号；
18.且，覆盖组号与无线电参数集的对应关系事先预置在卫星及地面目标中。
19.根据一个优选的实施方式，所述地球覆盖表至少包含以下信息：所有覆盖块的地理坐标位置、所有覆盖块所属的覆盖组号、所有覆盖块的覆盖块号、此卫星需要覆盖哪些覆盖块、此卫星需要覆盖的覆盖块的大小、此卫星需要覆盖的覆盖块的覆盖时间起止点。
20.根据一个优选的实施方式，所述覆盖时间为：在覆盖块内的任意地点对该卫星的仰角均大于等于最低仰角门限的条件下，卫星的可视时间；其中，最低仰角门限预设为5度至15度。
21.根据一个优选的实施方式，卫星对一个覆盖块的最长覆盖时间t1为：
[0022][0023]
其中，r为地球半径，h为卫星轨道高度，α为该覆盖块的最低仰角门限，β为卫星星上波束沿卫星轨道方向的波束宽度初始值，w为卫星绕地球运行角速度。
[0024]
根据一个优选的实施方式，在覆盖时间t1内，卫星根据地球覆盖表中该覆盖块的地理坐标位置和自身星历信息控制改变星上波束指向，使得星上波束始终指向该覆盖块；星上波束宽度的初始值根据地球覆盖表中的覆盖块的大小进行设置，其后在覆盖时间内根据星历进行调整，保持对地覆盖范围始终不变。
[0025]
根据一个优选的实施方式，星座内位于同一轨道上，覆盖同一覆盖块的前后两颗卫星与地心连线的夹角小于等于：
[0026]
[0027]
其中，r为地球半径，h为卫星轨道高度，α为该覆盖块对卫星的最低仰角门限，β为卫星星上波束沿卫星轨道方向的波束宽度初始值。
[0028]
根据一个优选的实施方式，在地理上相连的两块覆盖块属于不同覆盖组，位于同一轨道的覆盖属于不同覆盖组覆盖块的卫星交叉布设，依次覆盖在地理上相连的属于不同覆盖组的覆盖块；
[0029]
且，位于同一轨道的，覆盖属于不同覆盖组的且在地理上相连的两块覆盖块的两颗卫星，与地心的夹角小于等于：
[0030][0031][0032]
其中，r为地球半径，h为卫星轨道高度，α1为前一个卫星覆盖组卫星的最低仰角门限，β1为前一个星上波束沿卫星轨道方向的波束宽度初始值，α2为后一个卫星覆盖组卫星的最低仰角门限，β2为后一个卫星星上波束沿卫星轨道方向的波束宽度初始值。
[0033]
根据一个优选的实施方式，卫星在开始覆盖某一覆盖块时以及对此覆盖块的覆盖时间内，根据地球覆盖表，周期性向该覆盖块广播发送覆盖广播消息，覆盖广播消息至少包含：此覆盖块所属的覆盖组号、此覆盖块的覆盖块号、本卫星的卫星编号；通过覆盖组号让地面目标获知所在覆盖块的无线电参数集，包括：频率、带宽、发射功率门限、接收灵敏度门限；通过覆盖块号让地面目标获知所在覆盖块的编号，通过卫星编号让地面目标获知正在与哪颗卫星通信。
[0034]
根据一个优选的实施方式，卫星在地球覆盖表中的覆盖时间截止之前，向对应覆盖块广播发送卫星切换消息，卫星切换消息至少包含：本卫星的卫星编号、本卫星的切换波束时间；地面目标在收到卫星切换消息后，暂停向卫星发送信息，直到接收到覆盖广播消息；卫星切换消息中的本卫星的切换波束时间的取值至少在卫星切换消息的实际发送时间之后2倍覆盖块最大传播时延；地面目标若在收到卫星切换消息后切换时延门限之后没有收到覆盖广播消息，则丢失卫星信号，需重新搜索卫星信号进行接入。
[0035]
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
[0036]
本发明的有益效果：通过本发明方法减少了波束切换发生的频率；减少了波束切换时的信令开销；减少了因波束切换导致的传输质量下降和传输中断问题；切换主体由地面目标变为卫星，从而降低地面目标实现切换的复杂度、提高切换成功率。
附图说明
[0037]
图1是本发明实施例中某卫星编号为a的卫星对同属于覆盖组1的覆盖块1和2的区域进行覆盖的示意图；
[0038]
图2是本发明实施例中同一卫星开始和结束覆盖同一覆盖块的位置示意图；
[0039]
图3是本发明实施例中两卫星实现对覆盖块1进行连续覆盖的示意图；
[0040]
图4是本发明实施例中两卫星进行波束切换的示意图；
[0041]
图5是本发明实施例中地理相连区域的覆盖组设置示意图；
[0042]
图6是本法是实施例中同一轨道上的属于不同覆盖组的两颗卫星与地心连线之间的夹角示意图。
具体实施方式
[0043]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0044]
需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0045]
本发明公开了一种非静止轨道卫星星座星上波束对地连续覆盖方法，所述星座星上波束对地连续覆盖方法包括：对地时间连续覆盖和对地空间连续覆盖。
[0046]
首先，将整个地球表面划分为若干覆盖块，每个覆盖块分别由星座内一个卫星波束覆盖，且所有覆盖块的地理位置信息用地球覆盖表的形式表示，被预置或上注到卫星。
[0047]
进一步地，各个覆盖块对应两个编号：覆盖组号和覆盖块号。
[0048]
其中，覆盖组号代表对应覆盖块所使用的无线电参数集，至少包括：频率、带宽、发射功率门限、接收灵敏度门限，拥有相同覆盖组号的覆盖块上的地面目标和正在覆盖的卫星使用相同的无线电参数集。覆盖块号代表对应覆盖块在此覆盖组内的顺序编号。且，覆盖组号与无线电参数集的对应关系事先预置在卫星及地面目标中。
[0049]
进一步地，所述地球覆盖表至少包含以下信息：所有覆盖块的地理坐标位置、所有覆盖块所属的覆盖组号、所有覆盖块的覆盖块号、此卫星需要覆盖哪些覆盖块、此卫星需要覆盖的覆盖块的大小、此卫星需要覆盖的覆盖块的覆盖时间起止点。
[0050]
地球覆盖表通过预置或者上注为卫星所知，卫星只能按地球覆盖表进行执行，不能修改地球覆盖表。
[0051]
覆盖块的地理坐标位置信息一般为该覆盖块中心点的坐标，可以使用经纬度坐标、大地坐标等。覆盖块的大小信息可以采用覆盖块地理半径或者星上波束宽度初始值等形式。
[0052]
覆盖时间为：在覆盖块内的任意地点对该卫星的仰角均大于等于最低仰角门限的条件下，卫星的可视时间。其中，最低仰角门限预设为5度至15度。
[0053]
卫星对一个覆盖块的最长覆盖时间t1为：
[0054]
[0055]
其中，r为地球半径，h为卫星轨道高度，α为该覆盖块的最低仰角门限，β为卫星星上波束沿卫星轨道方向的波束宽度初始值，w为卫星绕地球运行角速度。
[0056]
然后，星座内各卫星根据地球覆盖表并结合自身星历，控制星上波束对地面进行覆盖，各卫星在所需要覆盖的覆盖块对应的可视范围内运动时，计算星上波束指向，控制星上波束始终指向该区域。
[0057]
当星座内前一颗卫星移动出某覆盖块的可视范围后，由下一颗卫星继续覆盖该覆盖块；此下一颗卫星在该区域的可视范围内控制星上波束始终指向该区域，多颗卫星按前后两颗卫星覆盖时间首尾相接的方式，实现对某区域在时间上的连续覆盖。
[0058]
具体地，在覆盖时间t1内，卫星根据地球覆盖表中该覆盖块的地理坐标位置和自身星历信息控制改变星上波束指向，使得星上波束始终指向该覆盖块；星上波束宽度的初始值根据地球覆盖表中的覆盖块的大小进行设置，其后在覆盖时间内根据星历进行调整，保持对地覆盖范围始终不变。
[0059]
星座内位于同一轨道上，覆盖同一覆盖块的前后两颗卫星与地心连线的夹角小于等于：
[0060][0061]
其中，r为地球半径，h为卫星轨道高度，α为该覆盖块对卫星的最低仰角门限，β为卫星星上波束沿卫星轨道方向的波束宽度初始值。从而保证前后两颗卫星对同一覆盖块在覆盖时间上首尾相接。
[0062]
最后，位于同一轨道的，覆盖属于不同覆盖组覆盖块的卫星交叉布设，依次覆盖在地理上相连的地面区域，并按以上方式对地球表面区域进行空间上的连续覆盖。
[0063]
具体地，在地理上相连的两块覆盖块属于不同覆盖组，采用不同的频率参数。位于同一轨道的覆盖属于不同覆盖组覆盖块的卫星交叉布设，依次覆盖在地理上相连的属于不同覆盖组的覆盖块。
[0064]
且，位于同一轨道的，覆盖属于不同覆盖组的且在地理上相连的两块覆盖块的两颗卫星，与地心的夹角小于等于：
[0065][0066]
其中，r为地球半径，h为卫星轨道高度，α1为前一个卫星覆盖组卫星的最低仰角门限，β1为前一个星上波束沿卫星轨道方向的波束宽度初始值，α2为后一个卫星覆盖组卫星的最低仰角门限，β2为后一个卫星星上波束沿卫星轨道方向的波束宽度初始值。从而保证卫星星座对地球表面空间上的连续覆盖。
[0067]
优选地，卫星在开始覆盖某一覆盖块时以及对此覆盖块的覆盖时间内，根据地球覆盖表，周期性向该覆盖块广播发送覆盖广播消息，覆盖广播消息至少包含：此覆盖块所属的覆盖组号、此覆盖块的覆盖块号、本卫星的卫星编号；通过覆盖组号让地面目标获知所在覆盖块的无线电参数集，包括：频率、带宽、发射功率门限、接收灵敏度门限；通过覆盖块号
让地面目标获知所在覆盖块的编号，通过卫星编号让地面目标获知正在与哪颗卫星通信。
[0068]
进一步地，卫星编号在整个非静止轨道卫星星座内具有唯一性，通过预置确定。
[0069]
优选地，卫星在地球覆盖表中的覆盖时间截止之前，向对应覆盖块广播发送卫星切换消息，卫星切换消息至少包含：本卫星的卫星编号、本卫星的切换波束时间。地面目标在收到卫星切换消息后，暂停向卫星发送信息，直到接收到覆盖广播消息。
[0070]
其中，卫星切换消息中的本卫星的切换波束时间的取值至少在卫星切换消息的实际发送时间之后2倍覆盖块最大传播时延。
[0071]
覆盖块最大传播时延即从卫星到覆盖块内任意地点的最大无线电传播时延，设r为地球半径，h为卫星轨道高度，α为该覆盖块对卫星的最低仰角门限，c为光速，覆盖块最大传播时延等于
[0072]
地面目标若在收到卫星切换消息后切换时延门限之后没有收到覆盖广播消息，则丢失卫星信号，需重新搜索卫星信号进行接入。
[0073]
切换时延门限应大于等于2倍覆盖块最大传播时延减去1倍覆盖块最小传播时延，为前述覆盖块最大传播时延和覆盖块最小传播时延分别为从卫星到覆盖块内任意地点的最大、最小无线电传播时延。
[0074]
从而，通过本发明方法减少了波束切换发生的频率；减少了波束切换时的信令开销；减少了因波束切换导致的传输质量下降和传输中断问题；切换主体由地面目标变为卫星，从而降低地面目标实现切换的复杂度、提高切换成功率。
[0075]
实施例：
[0076]
地球表面所有需要覆盖的区域被预先分为多个覆盖块，每个区域的地理位置等预先确定。所有覆盖块的地理坐标位置、卫星需要覆盖的覆盖块的覆盖组号和覆盖块号、卫星需要覆盖的覆盖块的大小、卫星需要覆盖的覆盖块的覆盖时间起止点等信息被制作成地球覆盖表，通过预置或者上注的方式为卫星所知。
[0077]
地球覆盖表的一种表达形式如表1所示，表中具体取值仅做示意，以此类推。表中覆盖块地理坐标使用经纬度坐标，覆盖组号和覆盖块号使用数字编号，此卫星是否需要覆盖使用英文字母y或者n表示，覆盖块大小使用星上波束宽度表示，覆盖时间起和覆盖时间止使用“年.月.日，小时:分:秒”的格式表示。
[0078]
本实施例所述地面目标指地面或低空的静止或慢速移动的与卫星进行通信的目标，包括手持终端、车载终端、机载终端、船载终端、地面站等。
[0079]
表1
[0080][0081]
如图1所示，某卫星编号为a的卫星对同属于覆盖组1的覆盖块1和2的区域进行覆盖。图中卫星下的三角形区域表示卫星波束。卫星编号为a的卫星依据地球覆盖表中的“覆盖时间起”和“覆盖时间止”分别开始和结束对覆盖块号为1进行覆盖，此两个时刻覆盖块1沿卫星轨道方向距离卫星最远处的仰角正好等于最低仰角门限。
[0082]
在覆盖块1的覆盖时间内，卫星a根据自身星历控制波束指向始终指向覆盖块1。在地球覆盖表中的“覆盖时间止”之后，卫星依据地球覆盖表，调整波束指向至覆盖组号为1且覆盖块号为2的区域，即图中虚线部分。此时覆盖块2中沿卫星轨道方向上距离卫星最远处的仰角也等于最低仰角门限。
[0083]
覆盖时间的计算如图2所示，图中卫星为同一卫星开始和结束覆盖同一覆盖块的位置，卫星下实线三角区域为卫星波束，虚线为卫星轨道，点画线为卫星与地心连线。图中a点、b点分别为卫星开始和结束覆盖时，覆盖区域最远点的仰角，在覆盖区域为圆形时即为最低仰角门限。图中c点、d点为卫星在开始和结束覆盖时的星下点，卫星通过c点、d点与地心间夹角的时间即为卫星覆盖时间。
[0084]
设r为地球半径，h为卫星轨道高度，α为该覆盖块对卫星的最低仰角门限，β为卫星星上波束的波束宽度初始值，n为卫星星下点到目标点的夹角，θ1为c点到a点相对于地心的夹角，θ2为c点到b点相对于地心的夹角。θ1、θ2也分别等于为d点到b点、d点到a点相对于地心的夹角。可以计算出c点与d点间相对地心的夹角为：心的夹角。可以计算出c点与d点间相对地心的夹角为：则当卫星绕地球运行角速度为w时，覆盖时间最长为则当卫星绕地球运行角速度为w时，覆盖时间最长为
[0085]
由于星上波束的形状一般为圆形或椭圆形，因此每个覆盖块的形状为圆形或椭圆形。当覆盖块为圆形时，以上沿卫星轨道方向上距离卫星最远处的仰角即等于最低仰角门限。当覆盖块为椭圆形时，如果沿卫星轨道方向为椭圆长边时，则距离卫星最远处的仰角也等于最低仰角门限；如果沿卫星轨道方向为椭圆短边时，则距离卫星最远处的仰角应大于最低仰角门限，以保证整个覆盖块内任意处的仰角大于等于最低仰角门限。
[0086]
如图3所示。当卫星编号为a的卫星将波束指向调整至覆盖块2时，卫星编号为b的
卫星将波束指向覆盖块1，以保证对覆盖块1的在时间上连续覆盖。卫星编号为a的卫星和卫星编号为b的卫星根据地球覆盖表，对覆盖块1使用相同的频率、带宽、发射功率门限、接收灵敏度门限等无线电参数集，以使得在卫星切换过程中地面目标无需改变自身无线电参数，从而最大程度上减小卫星波束切换对地面目标的影响。
[0087]
同一覆盖组位于同一轨道上的前后两颗卫星与地心连线的夹角关系应满足一定要求才能实现覆盖时间的首尾相接，具体为：当前一颗卫星结束覆盖时后一颗卫星刚好出现在前一颗卫星开始覆盖的位置。则满足此条件的两颗卫星与地心连线的夹角应小于等于图2中c点、d点与地心连线的夹角，为
[0088]
在两颗卫星切换的过程中，前一颗卫星将向地面广播发送卫星切换消息，后一颗卫星广播发送覆盖广播消息。卫星切换消息至少包含：本卫星的卫星编号、本卫星切换波束的时间。覆盖广播消息至少包含：此覆盖块所属的覆盖组号、此覆盖块的覆盖块号、本卫星的卫星编号。地面目标在收到卫星切换消息后，根据其中的“卫星切换时间点”暂停数据发送，在收到覆盖广播消息后恢复数据发送，以此保证地面目标在卫星切换过程中不丢包。切换过程相关的信息交互过程如图4所示。图4中卫星i表示切换前覆盖地面目标的卫星，卫星i 1表示切换后覆盖地面目标的卫星。
[0089]
在地理上相连的两块覆盖块一定属于不同覆盖组，采用不同的频率参数以实现频分复用，并使用不同的卫星实现空间上的连续覆盖。如图5所示，4块在地理上相连的区域分别属于3个覆盖组，其中前三个覆盖块属于不同覆盖组，第4个覆盖块复用覆盖组号1。
[0090]
属于覆盖组号1、2、3、覆盖块号1的覆盖块分别由位于同一轨道的卫星a、b、c进行覆盖。当卫星a结束对覆盖组号1覆盖块号1的区域的覆盖，去覆盖覆盖组号1覆盖块号2的区域后，覆盖组号1覆盖块号1由如图3所述过程的下一颗卫星进行覆盖。从而，位于同一轨道的，覆盖属于不同覆盖组覆盖块的卫星一定是交叉布设，并依次覆盖在地理上相连的覆盖块。
[0091]
注意，此处强调的是“在地理上相连的覆盖块”，如果两个覆盖块在地理上相邻但并不相连，而是间隔一定距离，则也可以使用相同的覆盖组号。
[0092]
在实际中，一种情况下，卫星对地覆盖的波束的频率固定不变。因此覆盖同一个覆盖组号覆盖块的只能是具有相同星上波束的数颗卫星，覆盖另一个覆盖组号覆盖块的是使用另一频率的具有相同星上波束的其他数颗卫星。则这些具有不同频率星上波束的卫星交叉布设在相同轨道的不同位置，依次覆盖在地理上相连的属于不同覆盖组的覆盖块。
[0093]
当位于同一轨道的，属于不同覆盖组的两颗卫星与地心连线间的夹角小于一定门限值时，这两颗卫星的对地覆盖块可以实现在空间上首尾相接，既实现空间上的连续覆盖，又最大程度上的不重叠覆盖。设θa为前一颗卫星最远覆盖点到星下点与地心的夹角，θb为后一颗卫星最近覆盖点到星下点与地心的夹角。设r为地球半径，h为卫星轨道高度，α1为前一个卫星覆盖组卫星的最低仰角门限，β1为该卫星星上波束的波束宽度初始值，α2为后一个卫星覆盖组卫星的最低仰角门限，β2为该卫星星上波束的波束宽度初始值。则位于同一轨道上的属于不同覆盖组的两颗卫星与地心连线之间的夹角门限值应为图6中所示的θ
a-θb，
经计算可得经计算可得
[0094]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。