一种卫星通信系统和通信方法与流程

1.本发明涉及卫星通信领域。更具体地，涉及一种卫星通信系统和通信方法。


背景技术：

2.卫星互联网是国家空间信息基础设施的重要组成部分，是网络强国建设的重要内容，低轨卫星互联网和5g已纳入国家“新基建”。随着国家互联网低轨宽带卫星通信系统在未来几年卫星星座的布局日趋完善，提供商业服务。扮演“卫星热点”角色的用户终端必将成为商业航天领域的下一个风口，低成本、小型化是商业产品追逐的目标。作为系统中重要的一环，地面用户终端将直接为用户提供服务，直接占据了接入用户的流量入口的优势地位。
3.目前低轨卫星星座尚未构建完成，行业应用能力不足；高轨卫星通信速率低、资费贵；5g信号覆盖范围有限。国内高轨宽带卫星和低轨宽带卫星还处于初步发展阶段，其高轨卫星通信系统和低轨卫星通信系统在产品设计中，因技术和商业原因未能互相兼容。为了解决以上问题，设计一款“高轨、低轨+5g多模动中通用户站”可从技术层面解决上述制约，而且可以实现卫星通信系统的小型化设计，将卫星通信从现在的单一化模式向集成化模式推进。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种卫星通信系统和通信方法。
5.为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
6.一种卫星通信系统，包括：室外单元和室内单元，所述室内单元与所述室外单元耦合；
7.所述室外单元包括：相控天线阵列、高频收发组合、卫星组合惯导、和高轨调制解调器；
8.所述室内单元包括：低轨调制解调器、网络设备系统、供电电源；
9.其中，所述相控阵天线与所述高频收发组合耦合，所述高频收发组合分别与所述低轨调制解调器和高轨调制解调器耦合，所述网络设备系统分别与低轨调制解调器和所述高轨调制解调器耦合，所述卫星组合惯导与所述相控阵天线内部的波束控制板耦合。
10.优选地，所述室外单元还包括跟踪控制组合，所述跟踪控制组合，用于控制所述卫星组合惯导和相控天线阵列，并进行数据交互；还用于通过读取组合惯导输出的数据和卫星的星历预报，解算出运动载体相对于相控阵天线的波束指向。
11.优选地，所述室外单元还包括：采用蜂窝夹层结构设计的天线罩，所述天线罩，用于防止外界因素对天线性能造成影响。
12.优选地，所述低轨调制解调器耦合到所述高频收发组合并被配置为使用所述卫星高频收发组合和所述相控天线阵列将数据发送到低轨卫星，以及被配置为使用所述高频收发组合和所述相控天线阵列从所述低轨卫星接收数据；
13.所述高轨调制解调器耦合到所述高频收发组合并被配置为使用所述卫星高频收发组合和所述相控天线阵列将数据发送到高轨卫星，以及被配置为使用所述高频收发组合和所述相控天线阵列从所述高轨卫星接收数据。
14.优选地，所述高频收发组合通过自身包含的滤波器、低噪声放大器、数控衰减器、混频器和本振模块，将相控阵天线接收的射频信号下变频为中频信号发送给低轨或高轨调制解调器，并通过自身包含的放大器、数控衰减器、混频器和腔体滤波器将低轨或高轨调制解调器发送的中频信号上变频为射频信号发送给相控阵天线。
15.优选地，所述卫星组合惯导包括：
16.imu惯性测量模块，用于测量终端的姿态和加速度信息，
17.gps差分定位天线，用于接收gps或者北斗的射频信号，
18.卫星导航模块，用于产生当前时间和当下的位置信息，
19.算法处理模块，用于将imu惯性测量模块、gps差分定位天线和卫星导航模块的信息结合，进行终端导航信息解算、优化、递推和输出。
20.优选地，所述室外单元中天线、高频收发组合、卫星组合惯导和跟踪控制组合共同作用，进行载体平台下卫星信号的跟踪和通信信号的变频；
21.所述卫星跟踪和通信信号的变频包括：跟踪控制组合控制天线跟踪及捕获卫星通信信号，天线将接收的卫星通信信号转换为射频信号发送给高频收发组合，所述高频收发组合将所述射频信号下变频为中频信号发送调制解调器，所述调制解调器将所述中频信号a/d变换、解码和协议解析处理，通过网络设备系统提供用户接口发送给用户；
22.用户传输的数据通过网络设备系统传送到调制解调器，所述调制解调器将数据进行协议传送、编码和d/a变换到中频信号发送给高频收发组合，所述高频收发组合将所述中频信号上变频为射频信号发送给天线，所述天线将射频信号辐射到自由空间。
23.优选地，所述网络设备系统包括：
24.无线路由器，用于通过wlan或者wifi为用户提供接口，
25.网关路由器，用于通过网关路由器中的接入策略进行卫星通信系统多网切换策略、控制和业务数据处理。
26.一种卫星通信系统通信方法，基于上述所述卫星通信系统，包括：
27.卫星通信系统根据应用场景需求自适应切换高轨或低轨通信卫星；
28.卫星通信系统根据卫星星历和自身的位置和姿态调整相控天线阵列波束指向，并向卫星发送接入请求，卫星收到卫星通信系统的接入请求之后准许卫星通信系统入网；
29.卫星通信系统向卫星发送业务请求完成用户业务通信。
30.优选地，所述卫星通信系统根据应用场景需求自适应切换高轨或低轨通信卫星，进一步包括：
31.卫星通信系统根据卫星星历和卫星通信系统位置判断卫星通信系统是否在低轨卫星过境区域；
32.当卫星通信系统在低轨卫星过境区域，所述卫星通信系统切换到低轨调制解调器模式，若该模式正常通信即保持低轨卫星通信；若该模式接收不到数据无法正常通信则切换到高轨调制解调器模式；若高轨卫星也无法正常通信，则切换到5g模式。
33.当卫星通信系统不在低轨卫星过境区域，所述卫星通信系统切换到高轨调制解调
器模式，若高轨卫星无法正常通信，则切换到5g模式。
34.本发明的有益效果如下：
35.本发明提供的卫星通信系统，解决了需要购置两款设备分别进行配置才能实现高轨卫星和低轨卫星的融合应用；用户可选择自动模式或手动模式进行高轨卫星或低轨卫星模式切换，保证不同场景、不同速率要求下的应用能力，给用户提供高可靠不间断的卫星通信服务。
附图说明
36.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
37.图1示出本发明卫星通信系统结构框图。
38.图2示出本发明卫星通信系统室外单元布局示意图。
39.图3示出本发明卫星通信系统室内单元布局示意图。
40.图4示出本发明卫星通信系统整体形态示意图。
具体实施方式
41.为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图1-4对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
42.一种卫星通信系统，包括：室外单元和室内单元，所述室内单元与所述室外单元耦合；
43.所述室外单元包括：相控天线阵列、高频收发组合、卫星组合惯导、和高轨调制解调器；
44.所述室内单元包括：低轨调制解调器、网络设备系统、供电电源；
45.其中，所述室内单元与所述室外单元通过网线连接，进行通信信息的交互；
46.所述相控阵天线与所述高频收发组合连接，所述高频收发组合分别与所述低轨调制解调器和高轨调制解调器连接，所述网络设备系统分别与低轨调制解调器和所述高轨调制解调器连接，所述卫星组合惯导与所述相控阵天线内部的波束控制板连接。
47.优选地，所述室外单元还包括跟踪控制组合，所述跟踪控制组合，用于控制所述卫星组合惯导和相控天线阵列，并进行数据交互；还用于通过读取组合惯导输出的数据和卫星的星历预报，解算出运动载体相对于相控阵天线的波束指向。
48.优选地，所述室外单元还包括：采用蜂窝夹层结构设计的天线罩，所述天线罩，用于防止外界因素对天线性能造成影响。
49.优选地，所述低轨调制解调器耦合到所述高频收发组合并被配置为使用所述卫星高频收发组合和所述相控天线阵列将数据发送到低轨卫星，以及被配置为使用所述高频收发组合和所述相控天线阵列从所述低轨卫星接收数据；
50.所述高轨调制解调器耦合到所述高频收发组合并被配置为使用所述卫星高频收发组合和所述相控天线阵列将数据发送到高轨卫星，以及被配置为使用所述高频收发组合和所述相控天线阵列从所述高轨卫星接收数据。
51.优选地，所述高频收发组合通过自身包含的滤波器、低噪声放大器、数控衰减器、
混频器和本振模块，将相控阵天线接收的射频信号下变频为中频信号发送给低轨或高轨调制解调器，并通过自身包含的放大器、数控衰减器、混频器和腔体滤波器将低轨或高轨调制解调器发送的中频信号上变频为射频信号发送给相控阵天线。
52.优选地，所述卫星组合惯导包括：
53.imu惯性测量模块，用于测量终端的姿态和加速度信息，
54.gps差分定位天线，用于接收gps或者北斗的射频信号，
55.卫星导航模块，用于产生当前时间和当下的位置信息，
56.算法处理模块，用于将imu惯性测量模块、gps差分定位天线和卫星导航模块的信息结合，进行终端导航信息解算、优化、递推和输出。
57.优选地，所述卫星跟踪和通信信号的变频包括：跟踪控制组合控制天线跟踪及捕获卫星通信信号，天线将接收的卫星通信信号转换为射频信号发送给高频收发组合，所述高频收发组合将所述射频信号下变频为中频信号发送调制解调器，所述调制解调器将所述中频信号a/d变换、解码和协议解析处理，通过网络设备系统提供用户接口发送给用户；
58.用户传输的数据通过网络设备系统传送到调制解调器，所述调制解调器将数据进行协议传送、编码和d/a变换到中频信号发送给高频收发组合，所述高频收发组合将所述中频信号上变频为射频信号发送给天线，所述天线将射频信号辐射到自由空间。
59.优选地，所述网络设备系统包括：
60.无线路由器，用于通过wlan或者wifi为用户提供接口，
61.网关路由器，用于通过网关路由器中的接入策略进行卫星通信系统多网切换策略、控制和业务数据处理。
62.具体的一个实施例：一种卫星通信系统，包括：室外单元和室内单元，所述室内单元与所述室外单元耦合；
63.所述室外单元包括：相控天线阵列、高频收发组合、卫星组合惯导、和高轨调制解调器；
64.所述室内单元包括：低轨调制解调器、网络设备系统、供电电源。
65.相控阵天线用于卫星用户站与低轨卫星之间的信号通信，接收卫星发送的用户链路下行射频信号，发射用户链路上行射频信号给卫星，并可实现波束的电控快速切换以及方向图快速调转。
66.相控天线采用低剖面微带天线形式，相控天线采用双馈圆极化天线技术，配合旋转馈电形式，能够展宽驻波及轴比带宽，大角度扫描增益下降小，轴比性能优异。阵元两个馈电点均接到多通道芯片，芯片内部移相器产生90度相位差形成左旋和右旋圆极化，即每个天线单元连接两个发射通道，从而实现电控的左旋圆极化和右旋圆极化切换。此种馈电形式可适应不同的极化方式，从而兼容多种卫星制式，实现卫星通信的无缝切换。
67.整个相控阵天线阵列采用sip一体化布局设计，天线单元与射频接收组件通过印制板上金属化过孔相接。射频发射组件采用八通道多功能集成化芯片，多功能芯片包含信号功率放大、调幅移相、信号功率分配等功能，信号通过功分网络，经过八通道多功能芯片完成调幅移相、功率放大后辐射到空间中，形成窄波束，指向通信卫星。波控、电源与射频发射组件采用一体化布局，进行高密度集成化设计。同时，整阵采用可扩展子阵化设计，便于进行模块化拼装，针对不同技术指标可进行定制化设计。
68.天线罩用于防止环境等外界因素对天线性能造成影响，并具有良好的电磁波穿透特性。高低轨兼容的卫星通信系统采用蜂窝夹层天线罩结构设计。一般而言，低频段天线采用薄壁天线罩形式，而高频段天线如k/ka波段天线一般采用与波长相比拟厚度的蜂窝夹层天线罩形式。该天线罩由机械性能、耐腐蚀的玻璃纤维作为包覆材料，内芯采用空气蜂窝结构，外形结构强度好，经过特殊设计的透波特性好，有效介电常数低，损耗低。
69.高频收发组合采用双通道的变频模块设计，保证ka宽带信号在经过变频通道之后仍然保持良好的信号质量。
70.高频收发组合包含滤波器、低噪声放大器、本振模块等部件，通过信号滤波、低噪声放大、混频等功能实现射频信号到中频信号的下变频功能。高频收发组合还通过自身包含的放大器、数控衰减器、混频器和腔体滤波器将低轨或高轨调制解调器发送的中频信号上变频为射频信号发送给相控阵天线。
71.高频收发组合具有：双通道的射频信号的发射与接收能力；双通道的射频信号的变频处理功能；工作参数配置能力；运行状态监测能力；内外参考时钟选定能力；功率控制能力。
72.卫星组合惯导包括：imu惯性测量单元、gps差分定位天线、卫星导航单元和算法处理单元，采用多传感器数据融合技术将卫星定位与惯性测量相结合，用于提供多种导航参数。
73.卫星定位方面采用gps/glonass方案(北斗/gnss双模方案可选)，在全球卫星定位系统gnss的基础上可选择加入我国自主研发的北斗卫星定位系统，具有全天候、全球覆盖、高精度、快速省时高效率、应用广泛等优点。与此同时，针对卫星信号易受建筑物、山林等高大物体遮挡，造成卫星失锁或多路径影响定位精度，且运动载体机动过程中不易捕获和跟踪卫星信号等不足，惯性导航内置光纤陀螺和石英加速度计，支持外接里程计信息进行辅助，借助新一代精确标定技术和多传感器数据融合技术，大大提高了系统的可靠性、精确性和动态性，可提供位置、时间、航向、姿态等信息。
74.卫星组合惯导通过设备内置的高性能组合导航处理器，将内置的高精度光纤陀螺及石英加速度计信息进行捷联导航解算，同时将导航结果与gnss/bd定位信息输入内置的kalman滤波器进行组合，组合后获得更为精确的载体位置、速度以及航向、姿态等多参数导航信息。
75.跟踪控制组合主要包含星历预报、动中通跟踪指向解算、跟踪控制和主波控等计算功能，其外部需要与卫星组合惯导、波束控制板、调制解调器等完成数据交互和控制。
76.跟踪控制组合通过读取组合惯导输出的实时载体俯仰、横滚、航向、位置、速度、时间等数据，同时进行高/低轨卫星的星历预报，进而解算出运动载体相对于相控阵天线的波束指向。
77.高/低轨卫星星历预报和动中通跟踪指向部分在arm中实现，主波束控制和卫星组合惯导数据交互和控制部分在fpga中实现。外部接口包括卫星组合惯导的实时载体俯仰、横滚、航向、位置、速度、时间等输入数据；输出实时解算之后的相控阵天线相对运动载体的波束指向。
78.调制解调器包括高轨调制解调器和低轨调制解调器两种，用于支持两种制式的通信能力。
79.调制解调器是用户站通信处理的关键部分。调制解调器依托强大专用的运算及处理能力，承担了卫星宽带通信上下行链路通信所需的中频信号处理、基带信号处理和物理层及高层协议处理等核心处理功能。
80.调制解调器前端连接天线及上下变频单元，后端连接应用单元，用于宽带卫星通信基带信号及协议处理功能。
81.调制解调器主要包括中频信号处理、数字前端、基带信号处理、协议处理和系统控制等功能模块：
82.a)中频信号处理：完成宽带无线信号模数、数模转化，以及上下变频、滤波及自动增益控制功能；
83.b)数字前端：通过抽取、内插完成基带信号采样率变换与速率匹配，完成有效带宽数字滤波、自动增益控制等链路功能；
84.c)基带信号处理：完成基带信号处理相关的算法功能，包括pss和sss定时及载波同步，基于csr、dm-rs等导频信息的信道估计与均衡，信道编解码，papr抑制等，基带信号处理部分根据功能耦合度和成熟度适当选择硬件加速和矢量dsp软件加速，以满足链路实时性和业务qos需求；
85.d)协议处理：完成物理层及高层协议处理，包括收发机处理架构、物理信道抽取及解析、mcs映射和物理层处理流程控制等物理层协议软硬件处理，以及高层控制与数据面协议处理，如as层协议处理，如随机接入、逻辑信道映射、arq重传、rrc资源分配与数据处理，以及nas层身份认证、注册、会话管理及sm状态过程管理等；
86.e)系统控制：完成调制解调器板级工作流程及状态管理，包括时钟链路管理，电源管理，与星历解算、跟踪组合等板间接口通信、控制信号及数据管理等功能。
87.网络切换系统选用网关接入路由器，其中ge电接口(10/100/1000mbit/s自适应)，主要用于十兆/百兆/千兆以太网业务的接收和发送，具备poe供电功能，而且可以通过策略路由实现多网络制式的自适应切换。可根据实际网络状况选择其中的一个使用，但两者不能同时工作。当激活其中的一个接口时，另一个接口就自动处于禁用状态。
88.网络设备系统根据低轨和高轨卫星的当前星历和卫星通信系统当前所处的位置，判断卫星通信系统是否在低轨卫星过境区域。
89.若卫星通信系统在低轨卫星过境区域内，网络设备系统切换到低轨调制解调器模式，若该模式可正常通信即保持低轨卫星通信模式；若该模式接收不到数据无法正常通信，则切换到高轨调制解调器模式；若高轨卫星也无法正常通信，则切换到5g模式，使用5g进行卫星与卫星通信系统的数据交互。
90.若卫星通信系统不在低轨卫星过境区域内，网络设备系统切换到高轨调制解调器模式，若该模式可正常通信则保持高轨卫星通信模式，等待下次低轨卫星过境时切换到低轨卫星通信模式；若高轨卫星无法正常通信，则切换到5g模式，使用5g进行卫星与卫星通信系统的数据交互。
91.电源组合的电源模块完成ac220v与dc12v的转换，电源输入输出隔离，高密度继承发射多功能模组与高密度集成接收多功能模组内部分别完成所需要的电源转换。
92.其中主电源适配器完成ac220v 50hz转dc24v功能，负责分电源输出dc24v，同时负责为变频通道组件、风机提供dc电源。主电源具有低输入纹波、高输入输出隔离特性，同时
具有短路保护、过流保护、过压保护功能。高密度集成发射/接收多功能模组中的分电源则是将12v转换为分波控和tr组件所需电压。
93.一种卫星通信系统通信方法，基于上述所述卫星通信系统，包括：
94.卫星通信系统根据应用场景需求自适应切换高轨或低轨通信卫星；
95.卫星通信系统根据卫星星历和自身的位置和姿态调整相控天线阵列波束指向，并向卫星发送接入请求，卫星收到卫星通信系统的接入请求之后准许卫星通信系统入网；
96.卫星通信系统向卫星发送业务请求完成用户业务通信。
97.优选地，所述卫星通信系统根据应用场景需求自适应切换高轨或低轨通信卫星，进一步包括：
98.卫星通信系统根据卫星星历和卫星通信系统位置判断卫星通信系统是否在低轨卫星过境区域；
99.当卫星通信系统在低轨卫星过境区域，所述卫星通信系统切换到低轨调制解调器模式，若该模式正常通信即保持低轨卫星通信；若该模式接收不到数据无法正常通信则切换到高轨调制解调器模式；若高轨卫星也无法正常通信，则切换到5g模式。
100.当卫星通信系统不在低轨卫星过境区域，所述卫星通信系统切换到高轨调制解调器模式，若高轨卫星无法正常通信，则切换到5g模式。
101.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。