时间同步补偿的卫星通信波束捷变控制方法及系统

本发明涉及卫星通信，具体地，涉及一种时间同步补偿的卫星通信波束捷变控制方法及系统，同时涉及一种相应的计算机终端及计算机可读存储介质。

背景技术：

1、随着卫星技术、电子技术和新材料技术的迅猛发展，全球卫星互联网信息网络在民用、商业领域的建设和应用快速发展。可以说，经历了近十年的卫星通信建设低谷，卫星互联网的研制、布网已迎来全球范围的热潮。以低轨卫星通信为代表的新兴空间信息技术，正以其全球、全程、泛在的互联网接入能力，成为信息通信技术重要发展方向之一。

2、星载多波束相控阵天线技术被广泛的认可为提高低轨卫星通信系统性能的核心关键技术。然而，传统低轨卫星多采用固定波束覆盖方式，系统总的可用频段按照一定的复用因子在所有波束中进行复用，频谱效率较低。这种固定的通信资源共享机制将制约基于低轨卫星星座的太空互联网的服务能力，难以满足低轨卫星星座服务用户数、数据量及其业务类型激增的通信需求，是制约太空多媒体互联网发展的瓶颈技术难题。

3、星载多波束相控阵天线的跳波束覆盖技术是在系统资源及服务公平性约束下，针对当前星下活跃用户通信需求兼顾系统吞吐量而实时调整波束服务对象的技术。该技术不仅可以减小波束间干扰，提高频谱利用率和系统触发容量，还可利用较少的跳波束实现与更多固定波束同样的覆盖效果，从而提高卫星资源效率。但是，目前国内外还没有基于跳波束的实时通信系统相关技术在低轨卫星上得到应用的报道。该体制下的星地通信资源的管理控制暂无可参考体制协议，核心关键技术及工程实用化的研究亟需深入。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种方法及系统。

2、根据本发明的一个方面，提供了一种时间同步补偿的卫星通信波束捷变控制方法，包括：

3、获取波束跳变所要求的对齐到地面通信系统时间的跳变时间t0，并结合本地时钟误差，分别计算下行通信和上行通信的跳波束时刻tx；

4、对于下行通信，在下行通信的跳波束时刻tx提供一星上的发射波束跳变控制脉冲，该脉冲的时间用于控制信号通过相控阵发射波束传输到地面终端的时刻为t0；

5、对于上行通信，在上行通信的跳波束时刻tx提供一星上的接收波束跳变控制脉冲，该脉冲的时间用于控制t0时刻从地面站发射的信号经过空间传输后被接收相控阵的波束接收。

6、优选地，所述获取波束跳变所要求的对齐到地面通信系统时间的跳变时间t0，并结合本地时钟误差，计算上行通信的跳波束时刻tx，包括：

7、获取导航卫星信号以及当前星上时t，并解算得到卫星轨道位置b(t)＝(xb，yb，zb)；

8、提供一秒脉冲，该秒脉冲的上升沿与导航卫星系统时间对齐；

9、提供一本地指标时钟，根据所述秒脉冲以及所述本地指标时钟，得到本地时钟误差e；

10、根据所述对齐到地面通信系统时间系统的跳变时间t0、地面终端位置a＝(xa，ya，za)以及卫星在t时刻的卫星轨道位置b(t)＝(xb，yb，zb)，计算信号空间传递时延以及星上波束的跳变时间tx：

11、计算地面终端天线信号到卫星天线信号空口的粗传递时延t′2：

12、

13、其中，c为光速；

14、线性外推轨道，确定接收信号时刻轨道位置：

15、b(t0+t′2)

16、根据地球自转修正信号传输时间内轨道变化：

17、

18、其中，α＝ω·t′2，ω为地球平均自转角速度；

19、计算地面终端天线信号到卫星天线信号空口的精传递时延：

20、

21、计算跳波束时刻：

22、tx＝t0+t2。

23、优选地，在上行通信的跳波束时刻tx提供一星上的接收波束跳变控制脉冲，包括：

24、根据本地时钟误差e及星上时t，在tx时刻，产生星上的接收波束跳变控制脉冲；其中：

25、以输入的脉冲上升沿开始采用输入的本地指标时钟计数n，直到下一个脉冲上升沿清零；

26、设ta为tx的整秒部分，tb＝tx-ta为tx的非整秒部分，通过星上时t及输入的脉冲确定tx所处的整秒起点；

27、在整秒起点后，得到星上的接收波束跳变控制脉冲，该脉冲产生的时间为时钟计数到n的时间，时钟计数为时，表示向下取整，能够使得t0时刻从地面站发射的信号经过空间传输后被接收相控阵的波束接收。

28、优选地，所述获取波束跳变所要求的对齐到地面通信系统时间的跳变时间t0，并结合本地时钟误差，计算下行通信的跳波束时刻tx，包括：

29、获取导航卫星信号以及当前星上时t，并解算得到卫星轨道位置b(t)＝(xb，yb，zb)；

30、提供一秒脉冲，该秒脉冲的上升沿与导航卫星系统时间对齐；

31、提供一本地指标时钟，根据所述秒脉冲以及所述本地指标时钟，得到本地时钟误差e；

32、根据所述对齐到地面通信系统时间系统的跳变时间t0、地面终端位置a＝(xa，ya，za)以及卫星在t时刻的卫星轨道位置b(t)＝(xb，yb，zb)，计算信号空间传递时延以及星上波束的跳变时间tx：

33、计算卫星天线信号到地面终端天线信号空口的粗传递时延t′2：

34、

35、其中，c为光速；

36、线性外推轨道，确定接收信号时刻轨道位置：

37、b(t0-t′2)

38、根据地球自转修正信号传输时间内轨道变化：

39、

40、其中，α＝-ω·t′2，ω为地球平均自转角速度；

41、计算卫星天线信号到地面终端天线信号空口的精传递时延t2：

42、

43、计算跳波束时刻：

44、tx＝t0-t2。

45、优选地，所述在下行通信的跳波束时刻tx提供一星上的发射波束跳变控制脉冲，包括：

46、根据本地时钟误差e及星上时t，在tx时刻，产生星上的发射波束跳变控制脉冲；其中：

47、以输入的脉冲上升沿开始采用输入的本地指标时钟计数n，直到下一个脉冲上升沿清零；

48、设ta为tx的整秒部分，tb＝tx-ta为tx的非整秒部分，通过星上时t及输入的脉冲确定tx所处的整秒起点；

49、在整秒起点后，得到星上的发射波束跳变控制脉冲，该脉冲产生的时间为时钟计数到n的时间，时钟计数为时，表示向下取整，能够使得信号通过相控阵发射波束传输到地面终端的时刻为t0。

50、优选地，所述本地指标时钟为100mhz。

51、优选地，所述根据所述秒脉冲以及预设的本地指标时钟，得到本地时钟误差e，包括：

52、当每个秒脉冲上升沿到达时，开始依据本地指标时钟计数，直到下一个秒脉冲上升沿到达，t秒的计数为nt，累积w秒后统计本地时钟误差

53、根据本发明的另一个方面，提供了一种时间同步补偿的卫星通信波束捷变控制系统，包括：

54、波束捷变时间计算模块，该模块用于获取波束跳变所要求的对齐到地面通信系统时间的跳变时间t0，并结合本地时钟误差，分别计算下行通信和上行通信的跳波束时刻tx；

55、波束捷变控制脉冲生成模块，该模块用于在下行通信时，在下行通信的跳波束时刻tx提供一星上的发射波束跳变控制脉冲，该脉冲的时间用于控制信号通过相控阵发射波束传输到地面终端的时刻为t0；在上行通信时，在上行通信的跳波束时刻tx提供一星上的接收波束跳变控制脉冲，该脉冲的时间用于控制t0时刻从地面站发射的信号经过空间传输后被接收相控阵的波束接收。

56、优选地，上述系统，还包括：

57、gnss接收机模块，该模块用于提供导航卫星信号、当前星上时t以及秒脉冲，并根据所述导航卫星信号和当前星上时t解算得到卫星轨道位置b(t)＝(xb，yb，zb)；

58、时间维护模块，该模块用于提供一本地指标时钟，并根据所述秒脉冲以及所述本地指标时钟，得到本地时钟误差e；

59、所述波束捷变时间计算模块，根据所述对齐到地面通信系统时间系统的跳变时间t0、地面终端位置a＝(xa，ya，za)以及卫星在t时刻的卫星轨道位置b(t)＝(xb，yb，zb)，计算信号空间传输时延，进而得到下行通信和上行通信的星上波束的跳变时间tx；

60、所述波束捷变控制脉冲生成模块，根据本地时钟误差e及星上时t，在tx时刻，产生星上的发射波束跳变控制脉冲或接收波束跳变控制脉冲。

61、根据本发明的第三个方面，提供了一种计算机终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，该处理器执行该计算机程序时可用于执行本发明上述中任一项所述的方法，或，运行本发明上述中任一项所述的系统。

62、根据本发明的第四个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其该计算机程序被处理器执行时可用于执行本发明上述中任一项所述的方法，或，运行本发明上述中任一项所述的系统。

63、由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下至少一项的有益效果：

64、本发明提供的时间同步补偿的卫星通信波束捷变控制方法及系统，提高了控阵波束捷变时间的控制精度，实现星上波束跳变的时间对齐到地面终端时间。

65、本发明提供的时间同步补偿的卫星通信波束捷变控制方法及系统，联合了高稳定的星载时钟及全球导航系统，实现了星地波束跳变时间的高精度同步，降低了通信协议中时间保护间隔，提高了资源的利用率。

66、本发明提供的时间同步补偿的卫星通信波束捷变控制方法及系统，实现了星地通信时延的补偿，由于卫星运行过程中，通信时延的不断变化，带来的地面通信系统数据的大量缓存及控制开销，降低了地面系统的复杂度，提高了星地通信效率。