一种恶劣气象环境的多波束卫星通信架构和功率分配方法

1.本发明涉及到一种多波束卫星多用户的天地通信系统的功率分配方案和系统架构，属于无线通信中无线资源分配技术和无线通信架构范畴。


背景技术：

2.随着全球极端气象的增多，维持恶劣气象中受灾区的通信是保障人民群众生命财产安全的重要措施。而leo卫星通信具有信号覆盖范围广、通信带宽大和不受地理环境限制的优点。是通信空天地通信网络中重要的一环。对于因遭受自然灾害而导致地面通信中断的区域，卫星能够更快的恢复受灾区域的通信信号，更加有力的保障人民群众的生命财产安全。
3.由于leo卫星需要从太空中向地面发射信号，因而需要穿越大气层。在穿越大气层达到地面的阶段中，leo卫星信号常常受到各种干扰，使得地面接受的信号发生衰减，造成通信质量下降。如经过含云层和雨层会使得10ghz以上频率衰减，即雨衰现象，经过雨水、冰结晶体会对c和ku频段产生去极化现象，经过对流层和电离层会使得信号发生闪烁。由于以上种种原因的叠加干扰，使得 leo卫星对每个波束分配的功率与实际需求并不相符，从而降低地面的通信质量。由香农公式可知，在噪声不能降低的时候，只能通过提高功率来保障信号质量。因此，准确的知道卫星波束照射范围的信号噪声有助于多波束卫星的功率分配。
4.此外，由于受灾区域可能导致地面站无法连接，使得leo卫星无法从地面站获得星上资源分配方案，从而按照预定方案分配，造成资源分配与实际需求严重不符。因此，需要对现有的卫星通信系统架构进行改进，使得在地面站无法连接的情况下也依然能够完成对leo卫星星上资源进行合理的调度。
5.现有的由g
·
t
·
维勒申请的专利《用于处理雨衰的卫星系统和方法》
1.中提出按照地面站所在区域的未来12小时气象预报来预测雨衰，并使用该信息分配卫星星上资源，但该方案的气象预报时间过长，所获得的雨衰信息并不准确且没有考虑地面站无法连接的情况。对于恶劣气象下，雨衰的变化剧烈，使用气象预报并不能及时的更新雨衰信息。此外a.safaai-jazi等人论文《empirical models forrain fade time on ku-and ka-band satellite links》
2.提出按照历史统计信息提出雨衰的经验模型，但该方案并没有考虑经验模型与现实之间的差异，尤其是在近几年极端气象频繁出现，导致模型逐渐偏离实际情况。
6.并且，现有的leo卫星通信系统架构直接让leo卫星与地面站建立联系，当leo卫星移出地面站的可视范围时或地面站因故无法连接的时候，leo卫星只能依靠自身预先设置的资源分配方案进行分配。
7.因此，本发明设计了气象卫星和geo卫星辅助的leo多波束卫星通信架构，用于解决因恶劣气象导致的地面站无法连接的问题，并提出使用实时的气象数据解决功率分配与实际情况不符的问题。
8.发明目的
9.本发明的目的是提出一种适用于恶劣气象环境的多波束卫星通信架构和功率分配方法，其目的是利用实时的云图、电离层检测数据等信息计算每个区域的噪声情况，从而优化卫星功率分配情况，并通过geo卫星中继，实现leo卫星从任意地面站获得星上资源分配方案，避免因地面站无法连接而造成星上资源不正确的分配。
10.本发明利用了气象卫星的实时气象数据，利用了geo卫星波束覆盖面积广、可视范围大，利用了leo卫星轨道低、信号强度大，设计了一种用于恶劣气象的多波束卫星通信架构和功率分配方法。从而更加准确的分配功率，控制leo 卫星进行星上资源的分配，减少因恶劣气象造成的通信质量下降情况，避免因地面站无法通信而造成leo卫星星上资源的分配不当情况。
11.本发明采用的技术方案为：一种恶劣气象环境的多波束卫星通信架构和功率分配方法，实现该方法的气象卫星和geo卫星辅助的leo多波束卫星通信架构中，地面站首先与其可视范围内的geo卫星建立联系，geo卫星再与其可视范围内的leo卫星建立联系。地面站通过geo卫星与leo卫星进行通信，发送星上资源的分配指令。
12.地面站与leo卫星进行关联的方法如下：
13.将地面站和leo卫星两两组合为(e,s)。对于第e个地面站和第s个leo卫星的组合为(ee,ss)。第e个地面站的经度为xe，纬度为ye，已经关联的leo卫星数量为n。第s个leo卫星的星下点的经度为xs，纬度ys。地面站和leo卫星的距离为若的值是所有包含第s个leo卫星的组合中最小的，即当前地面站是距离leo卫星最近且关联卫星数量最少的，则将第e个地面站和第s个leo卫星填入地面站leo卫星关联表。
14.地面站leo卫星关联表每分钟进行一次更新，确保每个leo卫星必定和一个地面站进行关联。当地面站被恶劣气象影响或者因为其他原因而不能和leo 卫星建立联系的时候，使用以上算法可以迅速的将leo卫星分配给另一个地面站进行星上资源的管理。地面站做出决策后，通过geo卫星将决策转发给关联的leo卫星。
15.地面站根据气象卫星数据计算噪声并管理leo卫星星上资源的方法为：通过地面站与leo卫星进行关联的方法更新地面站leo卫星关联表。气象卫星将观测数据划分区域上传到geo卫星，geo卫星将观测数据按照划分区域分发给距离分区最近的地面站。地面站使用气象数据计算该区域的噪声，并根据噪声计算该区域的功率分配方案。地面站上传功率分配方案到geo卫星，geo卫星根据关联表将方案下发给关联的leo卫星。
16.基于实时气象数据的功率分配方法如下：地面站通过搜集到的气象卫星数据，综合计算后得到每个区域中心点的噪声矩阵：
[0017][0018]
其中，n
i,j
为经度为xi，纬度为yj的区域的中心点的噪声。
[0019]
计算leo卫星波束的噪声的方法为：将波束b与每个区域噪声n组合为 (b,n)。对于波束b，其经度为xb，纬度为yb。经度为xi、纬度为yj区域的噪声为 n
i,j
。
[0020]
对于leo卫星的波束b，其经度为xb，纬度为yb。计算波束b和经度为xi、纬度为yj的
区域的距离并记录。选取其他区域计算距离并记录。从所有距离中选取距离波束b最近的8个区域，用ni表示第i近的区域的噪声。波束b的噪声为
[0021]
基于实时气象数据的功率分配方案如下：
[0022]
地面站根据计算leo卫星波束的噪声的方法计算波束b的噪声n，并根据 leo卫星的用户请求获得波束b所需的信道容量c和带宽ba。波束b所分配的功率为
[0023]
本发明的方案较已有的leo卫星通信系统架构，能够保证在地面站被恶劣气象影响或者因其他原因导致无法连接的情况下，leo卫星仍然可以接受其他地面站的星上资源分配指令。相较于现有的leo卫星功率分配方案，能够通过更加精准的噪声数据来分配更加准确的功率，从而使得通信质量上升。
附图说明
[0024]
图1气象卫星和geo卫星辅助的leo多波束卫星通信架构图；
[0025]
图2算法流程图
[0026]
图3不同噪声影响的功率分配
具体实施方式
[0027]
以下结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
[0028]
本发明的目的是提出一种适用于恶劣气象环境的多波束卫星通信架构和功率分配方法，其目的是利用实时的云图、电离层检测数据等信息计算每个区域的噪声情况，从而优化卫星功率分配情况，并通过geo卫星中继，实现leo卫星从任意地面站获得星上资源分配方案，避免因地面站无法连接而造成星上资源不正确的分配。
[0029]
气象卫星和geo卫星辅助的leo多波束卫星通信架构
[0030]
在传统的架构中，leo卫星直接与地面站建立连接并进行通信，当leo卫星移出地面站的可视范围的时候，leo便与地面站失去联系。此时，leo卫星不能够接受到地面站发出的指令，不能按照地面站的指令进行资源的分配，只能按照预定策略进行资源分配。如果地面站因遭受恶劣气象影响不能观测到leo 卫星或因其他原因无法连接，那么地面站也不能与leo卫星建立联系并指挥卫星进行资源分配。
[0031]
而geo卫星处于地球同步轨道上，能够长时间观测到leo卫星。geo卫星与leo卫星建立联系后，可以长时间的进行通信。而geo卫星波束所照射的范围远比leo卫星大，能够同时和多个地面站建立长期稳定的联系。
[0032]
因此，如图1所示，地面站首先与其可视范围内的geo卫星建立联系，geo 卫星再与其可视范围内的leo卫星建立联系。地面站通过geo卫星与leo卫星进行通信，发送星上资源的分配指令。
[0033]
由于地面站不直接与leo卫星通信，而是由geo卫星将二者匹配，geo 卫星通过地面站leo卫星关联表来决定哪些地面站关联哪些leo卫星，地面站 leo卫星关联表设计为：
[0034]
地面站1leo卫星1地面站1leo卫星2
……
地面站mleo卫星m
[0035]
地面站与leo卫星进行关联的方法如下：
[0036]
将地面站和leo卫星两两组合为(e,s)。对于第e个地面站和第s个leo卫星的组合为(ee,ss)。第e个地面站的经度为xe，纬度为ye，已经关联的leo卫星数量为n。第s个leo卫星的星下点的经度为xs，纬度ys。地面站和leo卫星的距离为若的值是所有包含第s个leo卫星的组合中最小的，即当前地面站是距离leo卫星最近且关联卫星数量最少的，则将第e个地面站和第s个leo卫星填入地面站leo卫星关联表。
[0037]
地面站leo卫星关联表每分钟进行一次更新，确保每个leo卫星必定和一个地面站进行关联。当地面站被恶劣气象影响或者因为其他原因而不能和leo 卫星建立联系的时候，使用以上算法可以迅速的将leo卫星分配给另一个地面站进行星上资源的管理。地面站做出决策后，通过geo卫星将决策转发给关联的leo卫星。地面站根据气象卫星数据计算噪声并管理leo卫星星上资源的方法为：
[0038]
通过地面站与leo卫星进行关联的方法更新地面站leo卫星关联表。气象卫星将观测数据划分区域上传到geo卫星，geo卫星将观测数据按照划分区域分发给距离分区最近的地面站。地面站使用气象数据计算该区域的噪声，并根据噪声计算该区域的功率分配方案。地面站上传功率分配方案到geo卫星，geo 卫星根据关联表将方案下发给关联的leo卫星。
[0039]
基于实时气象数据的功率分配方案
[0040]
地面站通过搜集到的气象卫星数据，综合计算后得到每个区域中心点的噪声矩阵：
[0041][0042]
其中，n
i,j
为经度为xi，纬度为yj的区域的中心点的噪声。计算leo卫星波束的噪声的方法为：
[0043]
将波束b与每个区域噪声n组合为(b,n)。对于波束b，其经度为xb，纬度为yb。经度为xi、纬度为yj区域的噪声为n
i,j
。
[0044]
对于leo卫星的波束b，其经度为xb，纬度为yb。计算波束b和经度为xi、纬度为yj的区域的距离并记录。选取其他区域计算距离并记录。从所有距离中选取距离波束b最近的8个区域，用ni表示第i近的区域的噪声。波束b的噪声为
[0045]
因此，基于实时气象数据的功率分配方案如下：
[0046]
地面站根据计算leo卫星波束的噪声的方法计算波束b的噪声n，并根据 leo卫星
的用户请求获得波束b所需的信道容量c和带宽ba。波束b所分配的功率为
[0047]
本发明的关键点在于：利用了气象卫星的实时气象数据，利用了geo卫星波束覆盖面积广、可视范围大，利用了leo卫星轨道低、信号强度大，设计了一种用于恶劣气象的多波束卫星通信架构和功率分配方法。从而更加准确的分配功率，控制leo卫星进行星上资源的分配，减少因恶劣气象造成的通信质量下降情况，避免因地面站无法通信而造成leo卫星星上资源的分配不当情况。
[0048]
本发明的方案较已有的leo卫星通信系统架构，能够保证在地面站被恶劣气象影响或者因其他原因导致无法连接的情况下，leo卫星仍然可以接受其他地面站的星上资源分配指令。相较于现有的leo卫星功率分配方案，能够通过更加精准的噪声数据来分配更加准确的功率，从而使得通信质量上升。
[0049]
实施例
[0050]
方案应用在如图1所示的天地通信系统下，多波束卫星高度500km，卫星最大发射功率30dbw，最大传输速率1000mpbs，卫星波束10个。仿真过程按照泊松过程随机生成用户数量，并随机模拟气象情况。
[0051]
在上述仿真条件下，本实例对卫星系统进行仿真，得到系统在随机气象环境下的系统中发射功率，并和使用固定噪声的功率分配方法对比系统总发射功率和实际需要发射总功率。如图3所示，为本专利和其他方案的对比，可以看出本专利相较于固定噪声的功率分配方法能够更加接近实际的功率需求。
[0052]
参考文献：
[0053]
[1]g
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t
·
维勒.用于处理雨衰的卫星系统和方法[p].美国： cn111492692a,2020-08-04.
[0054]
[2]safaai-jazi a,ajaz h,stutzman w l.empirical models for rain fade time on ku-and ka-band satellite links[j].ieee transactions on antennas and propagation,1995,43(12):1411-1415。