一种卫星通信的跨区域频率无感对星切换方法与流程

1.本发明属于低轨卫星通信技术领域，具体涉及一种卫星通信的跨区域频率无感对星切换方法。


背景技术：

2.低柜卫星通俗理解，是一种新型通信方式，多次发射数百颗乃至上千颗小型卫星，在低轨组成卫星星座，以这些卫星作为“空中基站”，来实现太空互联网。这就像把基站搬到太空，让卫星的信号像灯塔的光束那样覆盖地面。相比以地面基站为主的传统通信，这既是一种新的技术路线、服务方式，有能在信号的覆盖范围上形成补充。利用低轨道卫星实现手持机个人通信的优点在于：一方面卫星的轨道高度低，使得传输延时短。路径损耗小，多个卫星组成的星座可以实现真正的全球覆盖，频率复用更有效；另一方面蜂窝通信、多址、点波束、频率复用等技术也为低轨道卫星移动通信提供了技术保障。因此，低轨道(leo)系统被认为是最新最有前途的卫星移动通信系统。
3.传统的高通量卫星平台是基于星状vsat(very small aperture ternimal)卫星通信网络。在一颗星状网的高通量卫星覆盖范围下，vsat远端站只能接收来自于某一关口站(gateway station，亦称信关站)所发出的载波信号，如果是不同点波束下的vsat远端站之间有业务需要互通的话，则必须经由一个或多个关口站转发，通过卫星双跳才能实现。即使两个vsat远端站肩并肩地位于同一个用户波束之下，它们之间的通信也都必须经其上属关口站的转发才能实现。在传输时延、自主可控和安全可靠等方面的性能，却存在着许多不足之处。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的适用于低轨ka频段高通量卫星通信的跨区域频率无感对星切换方法解决了现有的高通量卫星通讯过程中，仅能通过上属关口站转发才能实现，存在传输时延高、难以自主控制以及安全可靠性低的问题。
5.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种适用于低轨ka频段高通卫星通信的跨区域频率无感对星切换方法，包括以下步骤：
6.s1、根据卫星星历表确定最优切换策略；
7.s2、按照最优切换策略进行跨区域频率无感对星切换；
8.在跨区域频率无感对星切换过程中，根据对星切换需求进行切换误差修正或极化方式切换。
9.进一步地，所述步骤s1具体为：
10.s11、构建包括每颗在轨卫星的频率、在轨时间、轨迹以及位置信息的卫星星历表；
11.s12、根据卫星星历表中记录的信息，确定卫星天线的对星切换策略；
12.s13、根据卫星天线对星切换时间及对星切换后的目标卫星在轨时间，确定当前卫星的最优切换策略。
13.进一步地，所述步骤s12中，所述对星策略是指当前对准卫星超过卫星天线的对星范围时，将对星天线切换至目标卫星的策略，所述目标卫星均为在轨卫星。
14.进一步地，所述步骤s13具体为：
15.s13-1、基于所有在轨卫星的卫星星历表，构建对星策略集合t＝{ξ0,ξ1,...,ξm}；
16.其中，ξi∈t，ξi为对星策略，下标i＝1,2,3,...,m，m为对星策略条数，对星策略ξi＝{(s0,a0),(s1,a1),...,(sn,an)}，(s
t
,a
t
)∈ξi，(s
t
,a
t
)为二元组，s
t
为当前对准卫星，a
t
为下一时刻进行对星切换的卫星，下标t为第t个时刻，t＝1,2,3,...,n，n为卫星在轨总时间长度；
17.s13-2、将对星策略集合t＝{ξ0,ξ1,...,ξm}作为环境模型m，将卫星作为智能体，以对星天线当前对准卫星s
t
为状态，以下一时刻进行对星切换的卫星a
t
为动作构建深度强化学习模型；
18.s13-3、对于当前对准卫星，根据卫星天线对星切换时间及对星切换后的目标卫星在轨时间，将深度强化学习模型输出最高回报值的对星策略作为最优切进一步地，所述步骤s13-3中，所述深度强化学习模型输出最优对星策略的过程具体为：
19.a1、为每个智能体设置回报缓冲池；
20.a2、对于当前对准卫星针对其他智能体依次选择一次动作a
t
修改其状态s
t
，并计算对应的回报值，存入回报缓存池中；
21.a3、基于步骤a2中的智能体动作选择，逐步更新智能体的回报缓存池；
22.所述智能体的回报缓存池中存储有其各动作及状态下的回报值；
23.a4、以卫星天线当前对准卫星为初始状态，遍历所有回报缓存池，选择最大回报值对应的智能体，作为卫星天线在下一时刻的最优切换策略。
24.进一步地，所述步骤s13-2中的深度强化学习模型的损失函数为：
[0025][0026]
式中，s为智能体的当前状态，a为在状态s下所指示的动作，s'为执行动作a后的下一个状态，a'为状态s'下回报值最高的动作，为在状态s下，执行动作a后，状态转移到s'所获得的奖励，γ为折扣因子，为目标动作价值函数网络的权值，θi为动作价值函数网络q的权值；
[0027]
所述步骤s13-3中，回报值ri的计算公式为：
[0028][0029]
式中，p为对星切换后的目标卫星在轨时间，c为卫星天线完成对星切换所需时间，ri为卫星天线对目标卫星的响应时间，i
i-1
为当前对准卫星的回报值。
[0030]
进一步地，所述步骤s2中，在对星切换过程中，当卫星天线未按照最优切换策略对准卫星时，对其进行切换误差修正，修正方法具体为：
[0031]
通过卫星天线按照扇形扫描方式将卫星星历表遍历一遍，根据得到的在轨卫星的频率和轨迹信息，通过深度强化学习模型在处理过程中修正误差，并输出新的最优切换策略。
[0032]
进一步地，所述步骤s2中，在对星切换过程中，当当前对准卫星和切换的目标卫星
的极化方式不同时，进行极化方式切换，切换方法具体为：
[0033]
b1、从卫星星历表中得到从当前对准卫星切换至目标卫星时的目标角度；
[0034]
b2、根据目标角度计算出卫星天线对准目标卫星时，卫星天线各层结构的旋转角度；
[0035]
b3、根据旋转角度驱动卫星天线的极化层转动至目标角度，完成极化方式切换。
[0036]
本发明的有益效果为：
[0037]
(1)本发明针对ka频段高通量卫星通讯过程，凭借多点波束、频率复用和高增益波束三项关键技术，不仅实现了频谱资源的高复用率，地域范围的广覆盖率，大大提升了通信容量；多点波束通过波束成形技术将空间分割为多个互不重叠的逻辑信道，点波束内部以及互不相邻的点波束之间都可以使用相同频率进行通信；
[0038]
(2)本发明中的卫星通信的跨区域频率无感对星切换方法，整个切换过程的计算在高速数字处理芯片下完成，刷新周期在5ms-10ms；天线具有瞬时频率工作帯宽(3db波束宽度)，200mhz-300mhz左右，在该频段内切换频率时，通信链路保持不中断，频率切换在几十毫秒内完成，可以在没对准卫星时降速通信，保证通信不中断。
附图说明
[0039]
图1为本发明提供的卫星通信的跨区域频率无感对星切换方法流程图。
[0040]
图2为本发明提供的高通量卫星通信系统示意图。
[0041]
图3为本发明提供的极化方式切换方法示意图。
具体实施方式
[0042]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0043]
实施例1：
[0044]
本发明实施例提供了如图1所示的卫星通信的跨区域频率无感对星切换方法，包括以下步骤：
[0045]
s1、根据卫星星历表确定最优切换策略；
[0046]
s2、按照最优切换策略进行跨区域频率无感对星切换；
[0047]
在跨区域频率无感对星切换过程中，根据对星切换需求进行切换误差修正或极化方式切换。
[0048]
本发明实施例提供的对星切换方法针对的是低轨ka频段高通量卫星通信的通讯过程，ka频段卫星采用高通量技术(hts,high throughput satellite),是指在使用相同频率资源的条件下通信容量比常规卫星通信高数倍甚至数十倍。ka hts卫星采用了频率复用、极化复用、多点波束等技术，可以同时为更多用户提供服务。
[0049]
本发明实施例的步骤s1具体为：
[0050]
s11、构建包括每颗在轨卫星的频率、在轨时间、轨迹以及位置信息的卫星星历表；
[0051]
s12、根据卫星星历表中记录的信息，确定卫星天线的对星切换策略；
[0052]
s13、根据卫星天线对星切换时间及对星切换后的目标卫星在轨时间，确定当前卫星的最优切换策略。
[0053]
在本发明实施例中，在通讯过程中，卫星在轨时间很短，以致于卫星天线有效对星时间会更短，因此在如图2所示的高通量卫星通信系统中的天线开始对星前，需要提前指定好天线对星时的切换策略，因此，本发明实施例步骤s12中的对星策略是指当前对准卫星超过卫星天线的对星范围时，将对星天线切换至目标卫星的策略，目标卫星均为在轨卫星。
[0054]
在本发明实施例的步骤s13中，我们跟已知的卫星星历表求解一个卫星切换策略的优化为，卫星星历表包括了每科在轨卫星的在轨时间、轨迹以及位置等信息。解算出优化问题后形成一个切换策略，即在当前卫星a的位置超过对星范围时，我们需要将天线在短时间内切换到卫星b；卫星b的位置超过对星范围时，在切换到卫星c，以此类推。最终形成一个以卫星星历表为基础的对星切换策略，这一部分是在对星前以及完成的最优策略。基于此，本发明实施例的步骤s13具体为：
[0055]
s13-1、基于所有在轨卫星的卫星星历表，构建对星策略集合t＝{ξ0,ξ1,...,ξm}；
[0056]
其中，ξi∈t，ξi为对星策略，下标i＝1,2,3,...,m，m为对星策略条数，对星策略ξi＝{(s0,a0),(s1,a1),...,(sn,an)}，(s
t
,a
t
)∈ξi，(s
t
,a
t
)为二元组，s
t
为当前对准卫星，a
t
为下一时刻进行对星切换的卫星，下标t为第t个时刻，t＝1,2,3,...,n，n为卫星在轨总时间长度；
[0057]
s13-2、将对星策略集合t＝{ξ0,ξ1,...,ξm}作为环境模型m，将卫星作为智能体，以对星天线当前对准卫星s
t
为状态，以下一时刻进行对星切换的卫星a
t
为动作构建深度强化学习模型；
[0058]
s13-3、对于当前对准卫星，根据卫星天线对星切换时间及对星切换后的目标卫星在轨时间，将深度强化学习模型输出最高回报值的对星策略作为最优切换策略。
[0059]
本发明实施例的步骤s13-3中，深度强化学习模型输出最优对星策略的过程具体为：
[0060]
a1、为每个智能体设置回报缓冲池；
[0061]
a2、对于当前对准卫星针对其他智能体依次选择一次动作a
t
修改其状态s
t
，并计算对应的回报值，存入回报缓存池中；
[0062]
a3、基于步骤a2中的智能体动作选择，逐步更新智能体的回报缓存池；
[0063]
智能体的回报缓存池中存储有其各动作及状态下的回报值；
[0064]
a4、以卫星天线当前对准卫星为初始状态，遍历所有回报缓存池，选择最大回报值对应的智能体，作为卫星天线在下一时刻的最优切换策略。
[0065]
本发明实施例的步骤s13-2中的深度强化学习模型的损失函数为：
[0066][0067]
式中，s为智能体的当前状态，a为在状态s下所指示的动作，s'为执行动作a后的下一个状态，a'为状态s'下回报值最高的动作，为在状态s下，执行动作a后，状态转移到s'所获得的奖励，γ为折扣因子，为目标动作价值函数网络的权值，θi为动作价值函数网络q的权值；
[0068]
步骤s13-3中，回报值ri的计算公式为：
[0069][0070]
式中，p为对星切换后的目标卫星在轨时间，c为卫星天线完成对星切换所需时间，ri为卫星天线对目标卫星的响应时间，i
i-1
为当前对准卫星的回报值。
[0071]
本发明实施例的步骤s2中，在对星切换过程中，在使用切换策略时如果存在偏差，即切换后没有按照策略对准卫星，或者没有按切换策略对星而是切换到另一颗卫星时，需要进行切换误差修正，修正方法具体为：
[0072]
通过卫星天线按照扇形扫描方式将卫星星历表遍历一遍，根据得到的在轨卫星的频率和轨迹信息，通过深度强化学习模型在处理过程中修正误差，并输出新的最优切换策略。
[0073]
本发明实施例的步骤s2中，在对星切换过程中，当当前对准卫星和切换的目标卫星的极化方式不同时(如从圆极化切换为线极化)，进行极化方式切换，切换方法具体为：
[0074]
b1、从卫星星历表中得到从当前对准卫星切换至目标卫星时的目标角度；
[0075]
b2、根据目标角度计算出卫星天线对准目标卫星时，卫星天线各层结构的旋转角度；
[0076]
b3、根据旋转角度驱动卫星天线的极化层转动至目标角度，完成极化方式切换。
[0077]
还需要说明的是，在本说明书中，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。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。