低轨星座卫星通信系统中馈电链路同步切换方法与流程

1.本发明属于卫星通信技术领域，特别是一种低轨星座卫星通信系统中馈电链路同步切换方法。


背景技术：

2.1.低轨星座卫星通信系统
3.低轨星座卫星通信系统是通过低轨星座进行信号转发的卫星通信系统。目前世界上在建或已经建设完成的低轨星座卫星通信系统主要有starlink、o3b、oneweb、telesat等，我国主要有虹云、鸿雁等系统。一般来说，低轨星座卫星通信系统由空间段、地面段、应用段三部分组成，如图1所示：
4.(1)空间段
5.空间段由低轨道卫星星座组成。卫星星座是发射入轨能正常工作的卫星的集合，通常是由一些卫星环按一定的方式配置组成的一个卫星网。低轨道卫星星座是若干个低轨道卫星组成的低轨卫星网，如图2所示。
6.(2)地面段
7.地面段作为低轨星座卫星通信系统的重要组成部分，完成卫星载荷的管理和低轨星座卫星通信系统的业务处理、网络管理、运营管理、跨国业务结算等功能，同时负责低轨星座卫星通信系统与其他系统的互联互通，主要由运行控制中心、全球运营服务中心、分布在全球各地的信关站组成。a)运行控制中心：运行控制中心简称运控中心，是低轨星座卫星通信系统运维管控的核心组成部分和管理中枢，为系统管控和应用管理提供集中、统一、综合、自动化的平台，保障星座和地面信关站网安全、稳定、可靠的运行。主要完成卫星载荷管理、星地资源运行情况及星地馈电链路状态监视、信关站系统任务规划等功能。b)全球运营服务中心：全球运营服务中心是支撑低轨星座卫星通信系统全球运营的重要组成部分。全球运营服务中心连接各个国家的综合网管及运营支撑系统，主要完成全球结算和信关站网络监控等功能，保障全球网络安全稳定运营。c)信关站系统：信关站系统为低轨星座卫星通信系统提供通信、业务、运营、管理等服务，承担着系统资源管理、用户鉴权与加密、业务路由与交换、业务服务、本地网络运营等功能。主要由部署于各个建站国家或地区的信关站及信关站之间的通信网络组成，是低轨星座卫星通信系统的主要地面设施。低轨星座卫星通信系统能够与地面plmn、pstn、internet以及其他专网进行互联互通。
8.(3)应用段
9.应用段由分布在低轨星座波束覆盖范围内的各种固定及移动终端组成，终端是用户接入低轨星座卫星通信系统的门户和应用平台，用于建立用户与卫星间的数据传输链路，每个终端具备在波束间、卫星间、信关站间的切换能力，能够为用户提供持续不断的业务服务。
10.2、馈电链路
11.在卫星移动通信系统中，定义卫星终端与卫星之间的链路叫用户链路，信关站与
卫星之间的链路叫馈电链路；从信关站到卫星终端的链路叫前向链路，从卫星终端到信关站的链路为返向链路。一般来说，在低轨星座中，每颗卫星配置两套独立的馈电链路天线，在卫星相对地面高速运动过程中，实现卫星在两个信关站之间馈电链路切换，保证馈电链路数据传输不中断。
12.3、切换
13.传统的切换，是指当终端在通话过程中从一个基站覆盖区移动到另一个基站覆盖区，或者由于外界干扰而造成通信质量下降时，必须改变原有的通信信道而转接到一条新的空闲通信信道上去，以继续保持通话的过程。从地面移动通信系统到geo卫星通信系统，切换一直是用户和基站/信关站之间的操作。然而，在低轨卫星通信系统中，由于卫星相对地面高速移动，而地面信关站往往是固定在某个位置，因此，存在着卫星到信关站之间的链路切换，称为“馈电链路切换”，如图3所示。
14.在低轨卫星通信系统中，运控系统根据星历数据、信关站健康状态及负载情况、馈电干扰规避等信息综合规划卫星馈电链路切换计划，并将该计划下发到信关站和卫星，信关站根据计划时间调整地面天线指向到卫星所在轨道，卫星根据计划时间调整馈电天线指向目标信关站，待切换时刻到来，卫星和目标信关站建立馈电链路，实现馈电链路切换。根据两个信关站之间是否实现链路的时间频率同步，可将馈电链路切换分成异步切换和同步切换两种方式。异步切换是指源信关站和目标信关站与卫星之间的馈电链路信号时间频率不同步，针对透明转发卫星来说，发生馈电链路切换的卫星下的所有用户都需要与目标信关站再同步，此时，终端为了实现与信关站的上行同步，而集体发起随机接入，造成拥塞，切换用户丢失严重。同步切换是指信关站和目标信关站与卫星之间的馈电链路信号时间频率同步，该机制可有效避免用户与信关站再同步，尽可能的减少馈电链路切换带来的服务中断。
15.信关站与当前服务卫星不可见、馈电链路干扰规避、雨衰等因素，均可触发卫星馈电链路切换，由于馈电链路承载当前服务卫星的全部用户，馈电链路的切换触发全用户的切换，并进一步引入用户链路层与应用层的参数同步。如何采用高效、合理的解决群用户的切换是馈电链路需要解决的问题。专利cn 201910782564.8公开了一种馈电链路、归属卫星的用户设备切换方法、设备及装置，采用典型的馈电链路异步切换机制，切换过程中并未对信关站做任何调整，因此馈电链路切换后，大量卫星终端因上行同步导致信令拥塞。专利cn 202010105732.2公开了一种用于馈电链路切换的终端重选方法及装置，当卫星即将发生馈电链路切换前，将目标信关站的链路信息提前广播给所属终端用户，终端在馈电链路切换后，根据目标信关站的链路信息调整同步参数，从而实现与网络侧再同步，系统实现复杂。专利cn 201910675491.2公开了一种基于用户切换限制和卸载的卫星跨信关站馈电链路切换方法，当卫星即将发生馈电链路切换前，将所属用户卸载到临近卫星，从而避免馈电链路切换后，大量卫星终端因上行同步导致信令拥塞问题，但可能造成了临近卫星资源负担，当临近卫星资源不足时，终端无法正常切换到临近卫星而通信中断。
16.综上可知，现有公开的文献均属于卫星馈电链路异步切换机制，需要终端根据网络侧提供的目标信关站信息进行上下行再同步，为了保证终端再同步成功的概率，系统需要广播足够精度的信息，增加了终端设备实现复杂性及网络负担，同时大量终端上行再同步过程中，往往需要测距，导致信关站系统信令处理拥塞。


技术实现要素：

17.本发明的目的在于提供一种低轨星座卫星通信系统中馈电链路同步切换方法，避免用户与信关站再同步，减少馈电链路切换带来的服务中断，并保证卫星到达用户终端的信号特性一致。
18.实现本发明目的的技术解决方案为：一种低轨星座卫星通信系统中馈电链路同步切换方法，具体如下：
19.采用馈电链路时间同步切换机制，由信关站根据星历数据计算传输延时，实时调整收发定时，使参与馈电链路切换的两个站点在星上上下行定时对齐；
20.采用馈电链路频率同步切换机制，由信关站根据星历数据计算相对参考点的多普勒频频，实时调整收发频率偏差，使参与馈电链路切换的两个站点在相对参考点的频率一致。
21.进一步地，馈电链路切换流程如下：
22.步骤1、利用gps/北斗全球定位授时系统，实现运控系统、低轨卫星、源信关站a与目标信关站b时钟源的同步；
23.步骤2、运控系统根据星历数据、信关站健康状态及负载情况、馈电干扰规避、气象这些信息综合规划卫星馈电链路切换计划表，并将该计划表下发到信关站和卫星；
24.步骤3、信关站系统根据星历数据，计算传输延时和相对多普勒频偏，并调整信关站信号收发定时和频率，同时调整天线指向等待卫星进入视野；
25.步骤4、信关站系统捕获卫星，并根据卫星星历数据，实时计算传输延时和相对多普勒频偏，并实时调整信关站信号收发定时和频率。
26.进一步地，步骤2中所述卫星馈电链路切换计划表，包括5列，依次为序号、路线分段、运行时间、卫星所属信关站、备注，其中序号从1开始逐行顺序递增，对应的路线分段采用位置1到位置2、位置2到位置3、位置3到位置4的方式逐行排列，对应的运行时间采用t1到t2时间段、t2到t3时间段、t3到t4时间段的方式逐行排列，对应的卫星所属信关站采用a、b、c的方式逐行排列。
27.进一步地，在t1到t2时间段内，信关站a处于工作状态，接管处于位置1低轨卫星s，并通过该卫星向用户提供服务；到达时间t2’
时，从t2’
到t2时间段内，信关站b处于馈电链路切换准备状态，根据卫星s的星历信息，计算与卫星s之间的传输延时t
delay
，并调整信关站的收发起始时刻，假设当前信关站的时间基准为t
base
，其中发送起始时刻为tx
of
＝t
base
‑
t
delay
，接收起始时刻为rx
of
＝t
base
+t
delay
，计算与卫星s或者用户波束中心点之间的多普勒频偏f
offset
，并调整信关站的收发频率，此外，信关站还要调整天线指向到低轨卫星s即将到达的位置2处，等待卫星进入到天线视野内。
28.进一步地，当切换时刻到来时t2，信关站b跟踪低轨卫星，并打开收发通道，信关站b进入工作状态，根据卫星实时位置，计算传输延时和多普勒频偏，并实时调整信关站b的收发定时和频率，而信关站a则处于下一颗卫星的切换准备状态，调整收发起始时刻和天线指向准备跟踪下一个低轨卫星，等待下一颗卫星进入信关站视野内。
29.本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)采用不需要终端参与的馈电链路同步切换机制，通过网络侧卫星、信关站、运控等节点间同步，从而保证卫星到达用户终端的信号特性一致；(2)卫星馈电链路切换过程，网络侧内部相关节点之间的链路同步，用户终端
全程无感，不需要做任何操作，简化了终端实现；(3)用于到达终端的信号特征一致，用户终端不需进行上行再同步，减少信关站系统信令拥塞的可能性。
附图说明
30.图1为低轨星座卫星通信系统组成示意图。
31.图2为低轨星座示意图。
32.图3为卫星馈电链路切换示意图。
33.图4为低轨星座卫星通信系统中馈电链路同步切换示意图。
34.图5为馈电链路切换t1时刻的定时关系示意图。
35.图6为馈电链路同步切换流程图。
具体实施方式
36.信关站与当前服务卫星不可见、馈电链路干扰规避、雨衰等因素，均可触发卫星馈电链路切换，由于馈电链路承载当前服务卫星的全部用户，馈电链路的切换触发全用户的切换，并进一步引入用户链路层与应用层的参数同步，如何高效、合理的解决群用户的切换是馈电链路需要解决的问题。
37.本发明一种低轨星座卫星通信系统中馈电链路同步切换方法，具体如下：
38.采用馈电链路时间同步切换机制，由信关站根据星历数据计算传输延时，实时调整收发定时，使参与馈电链路切换的两个站点在星上上下行定时对齐；
39.采用馈电链路频率同步切换机制，由信关站根据星历数据计算相对参考点的多普勒频频，实时调整收发频率偏差，使参与馈电链路切换的两个站点在相对参考点的频率一致。
40.进一步地，馈电链路切换流程如下：
41.步骤1、利用gps/北斗全球定位授时系统，实现运控系统、低轨卫星、源信关站a与目标信关站b时钟源的同步；
42.步骤2、运控系统根据星历数据、信关站健康状态及负载情况、馈电干扰规避、气象这些信息综合规划卫星馈电链路切换计划表，并将该计划表下发到信关站和卫星；
43.步骤3、信关站系统根据星历数据，计算传输延时和相对多普勒频偏，并调整信关站信号收发定时和频率，同时调整天线指向等待卫星进入视野；
44.步骤4、信关站系统捕获卫星，并根据卫星星历数据，实时计算传输延时和相对多普勒频偏，并实时调整信关站信号收发定时和频率。
45.进一步地，步骤2中所述卫星馈电链路切换计划表，包括5列，依次为序号、路线分段、运行时间、卫星所属信关站、备注，其中序号从1开始逐行顺序递增，对应的路线分段采用位置1到位置2、位置2到位置3、位置3到位置4的方式逐行排列，对应的运行时间采用t1到t2时间段、t2到t3时间段、t3到t4时间段的方式逐行排列，对应的卫星所属信关站采用a、b、c的方式逐行排列。
46.进一步地，在t1到t2时间段内，信关站a处于工作状态，接管处于位置1低轨卫星s，并通过该卫星向用户提供服务；到达时间t2’
时，从t2’
到t2时间段内，信关站b处于馈电链路切换准备状态，根据卫星s的星历信息，计算与卫星s之间的传输延时t
delay
，并调整信关站的
收发起始时刻，假设当前信关站的时间基准为t
base
，其中发送起始时刻为tx
of
＝t
base
‑
t
delay
，接收起始时刻为rx
of
＝t
base
+t
delay
，计算与卫星s或者用户波束中心点之间的多普勒频偏f
offset
，并调整信关站的收发频率，此外，信关站还要调整天线指向到低轨卫星s即将到达的位置2处，等待卫星进入到天线视野内。
47.进一步地，当切换时刻到来时t2，信关站b跟踪低轨卫星，并打开收发通道，信关站b进入工作状态，根据卫星实时位置，计算传输延时和多普勒频偏，并实时调整信关站b的收发定时和频率，而信关站a则处于下一颗卫星的切换准备状态，调整收发起始时刻和天线指向准备跟踪下一个低轨卫星，等待下一颗卫星进入信关站视野内。
48.下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
49.实施例
50.低轨卫星运行在一个相对固定的轨道上，运控系统通过测控站能够获得低轨星座所有卫星的精确星历信息。一方面，信关站利用该星历数据可以计算卫星在某一时刻相对地面的距离、传输延时等，实时调整信关站收发起始时刻，确保馈电链路上下行信号收发起始时刻在卫星上是对齐的，从而保证卫星用户链路信号收发起始时刻对齐；另一方面，信关站也可利用星历数据计算卫星在某一时刻的相对于公共参考点(星上或者用户波束中心点)的多普勒频移，从而实时调整信关站收发频率，确保卫星用户链路上传输的信号在某个参考点(星上或者用户波束中心点)上是同步的。利用这种方式，参与卫星馈电链路切换的两个信关站的信号在卫星上就可以保持时间和频率同步，切换过程中，不需要用户进行再同步。具体方案如图4所示。
51.利用gps/北斗等全球定位授时系统，运控系统、低轨卫星、源信关站a与目标信关站b实现时钟源的同步；运控系统根据卫星星历数据、信关站健康状态及负载情况、馈电干扰规避、气象等信息综合规划卫星馈电链路切换计划表，并将该计划下发到信关站a、b和卫星。
52.表1某卫星s馈电链路资源分配计划表
53.序号路线分段运行时间卫星所属信关站备注1位置1
→
位置2t1→
t2a 2位置2
→
位置3t2→
t3b 3位置3
→
位置4t3→
t4c
ꢀ…………ꢀ
54.在t1到t2时间段内，信关站a处于工作状态，接管处于位置1低轨卫星s，并通过该卫星向用户提供服务；到达时间t2’
时，从t2’
到t2时间段内，信关站b处于馈电链路切换准备状态，根据卫星s的星历信息，计算与卫星s之间的传输延时t
delay
，并调整信关站的收发起始时刻，假设当前信关站的时间基准为t
base
，其中发送起始时刻为tx
of
＝t
base
‑
t
delay
，接收起始时刻为rx
of
＝t
base
+t
delay
，计算与卫星s或者用户波束中心点之间的多普勒频偏f
offset
，并调整信关站的收发频率，此外，信关站还要调整天线指向到低轨卫星s即将到达的位置2处，等待卫星进入到天线视野内；当切换时刻到来时t2，信关站b跟踪低轨卫星，并打开收发通道，信关站b进入工作状态，根据卫星实时位置，计算传输延时和多普勒频偏，并实时调整信关站b的收发定时和频率，而信关站a则处于下一颗卫星的切换准备状态，调整收发起始时刻和天线指向准备跟踪下一个低轨卫星，等待下一颗卫星进入信关站视野内。图5为馈电链路切换
t1时刻的定时关系示意图。
55.本发明低轨星座卫星通信系统中馈电链路同步切换方法，馈电链路切换流程如图6：
56.利用gps/北斗等全球定位授时系统，运控利用gps/北斗等全球定位授时系统，运控系统、低轨卫星、源信关站a与目标信关站b实现时钟源的同步；
57.运控系统根据星历数据、信关站健康状态及负载情况、馈电干扰规避、气象等信息综合规划卫星馈电链路切换计划表，并将该计划下发到信关站和卫星；
58.信关站系统根据星历数据，计算传输延时和相对多普勒频偏，并调整信关站信号收发定时和频率，同时调整天线指向等待卫星进入视野；
59.信关站系统捕获卫星，并根据卫星星历数据，实时计算传输延时和相对多普勒频偏，并实时调整信关站信号收发定时和频率。
60.综上可知，本发明的关键技术包括以下：1、采用馈电链路时间同步切换机制，由信关站根据星历数据计算传输延时，实时调整收发定时，确保参与馈电链路切换的两个站点在星上上下行定时对齐；2、采用馈电链路频率同步切换机制，由信关站根据星历数据计算相对参考点(星上、用户波束中心点)的多普勒频频，实时调整收发频率偏差，确保参与馈电链路切换的两个站点在相对参考点的频率一致。
61.本发明采用不需要终端参与的馈电链路同步切换机制，通过网络侧卫星、信关站、运控等节点间同步，从而保证卫星到达用户终端的信号特性一致；卫星馈电链路切换过程，网络侧内部相关节点之间的链路同步，用户终端全程无感，不需要做任何操作，简化了终端实现；用于到达终端的信号特征一致，用户终端不需进行上行再同步，减少信关站系统信令拥塞的可能性。