基于全局业务分布的馈电链路切换方法技术

本发明专利技术提供了一种基于全局业务分布的馈电链路切换方法，包括：在进行馈电链路分配时，根据地面已有业务分布，将所有地面站按照所在区域的业务量进行排序，按照优先级依次为地面站的多个天线分配落地星；在为地面站分配落地星时，根据卫星可视时间、馈电链路速率、星上负载量三个参数，在优化星地间网络容量的同时，最大程度的将星上需要落地的数据进行下传，以提高馈电链路利用率。提高馈电链路利用率。提高馈电链路利用率。

【技术实现步骤摘要】
基于全局业务分布的馈电链路切换方法


[0001]本专利技术涉及LEO卫星
，特别涉及一种基于全局业务分布的馈电链路切换方法。

技术介绍

[0002]低轨道卫星网络可以覆盖全球，作为地面通信网络的绝佳补充，为世界所有地区提供互联网接入服务，是下一代空天地集成通信系统的关键部分。但是卫星与地面信关站之间的馈电链路会由于卫星相对地面的高速移动以及卫星覆盖范围的变化而频繁切换。在传统的低轨卫星网络中，由于技术与应用范围的限制，卫星数量与地面站数量有限，卫星在选择地面站时通常选择距离最近的地面站作为落地信关站。随着各类巨型低轨卫星星座的提出，地面站的数量也随之增加，如Starlink的巨型星座未来将需要超过10000个信关站作为空间信息网的地面支撑。为了实现全球无间隙覆盖，低轨卫星网络中卫星间的轨迹区域通常存在重叠，这种情况在极轨道网络的中高纬度地区更加明显。地面站的密集部署与卫星间重叠覆盖使得卫星在同一时间内与多个地面信关站可见，而信关站也同时可与多个卫星可见，在这种情况下如何为卫星合理选择落地信关站，使得空间信息网与地面信关站之间的网络容量最大，且各信关站间承载的流量均衡不阻塞亟待研究。
[0003]在星地融合网络中，卫星与地面间的切换主要分为卫星与地面固定信关站间的馈电链路切换、以及卫星与地面移动用户之间的用户链路切换，而由于现有低轨卫星星座地面信关站数量有限，故大多数研究都围绕用户链路的切换而展开。现有技术中没有研究星间链路的低轨卫星星座馈电链路切换，当卫星间可通过星间链路卸载数据、地面站数量增加、地面站可同时连接多个卫星时，现有技术没有提出较好的解决方案。
[0004]低轨卫星星座主要分布在距离地面500
‑
1500千米的低空轨道上，与GEO卫星相比，LEO卫星具有较低的传输时延和较弱的信号衰减，可以有效降低发射功率，控制成本，因此低轨卫星网络在通信系统的未来发展中占有重要地位。另一方面，LEO卫星质量、尺寸与覆盖面积都更小，建设巨型低轨卫星星座是主要的发展趋势，这样可以降低生产成本，也可以通过多星覆盖增加网络容量。在LEO网络中，当地面信关站离开卫星的星下覆盖区域，卫星与地面站间的馈电链路将断开，此时信关站必须切换到另一个(或几个)可见范围内的卫星，确保星地之间的馈电链路连接。随着LEO卫星通信系统的普及，LEO网络中卫星节点的数量与地面信关站的数量都在增加，且低轨卫星相对地面在做高速运动，卫星与地面信关站间馈电链路切换的选择更加重要。而现有技术中的上述问题导致现有的巨型极轨道LEO卫星网络馈电链路切换频繁。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种基于全局业务分布的馈电链路切换方法，以解决现有的巨型极轨道LEO卫星网络馈电链路切换频繁的问题。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于全局业务分布的馈电链路切换方法，
包括：
[0007]在进行馈电链路分配时，根据地面已有业务分布，将所有地面站按照所在区域的业务量进行排序，按照优先级依次为地面站的多个天线分配落地星；以及
[0008]在为地面站分配落地星时，根据卫星可视时间、馈电链路速率、星上负载量三个参数，在优化星地间网络容量的同时，最大程度的将星上需要落地的数据进行下传，以提高馈电链路利用率。
[0009]可选的，在所述的基于全局业务分布的馈电链路切换方法中，还包括：
[0010]在卫星工具包中建立低轨卫星网络模型与地面站模型，观测地面站与低轨卫星网络卫星节点之间的切换关系，并统计某时间段内地面信关站的可视卫星及可视时间；
[0011]以信关站部署密集的区域分布为主，并在其他大洲边缘或大陆边缘部署地面站；
[0012]低轨卫星星座的分析模型以极轨道构建空间信息网，设置单星星下扫描半锥角；
[0013]根据以上仿真条件进行仿真，获取地面站与卫星馈电链路结论。
[0014]可选的，在所述的基于全局业务分布的馈电链路切换方法中，地面站与卫星馈电链路结论包括：
[0015]在同一时间，地面站能够与多颗卫星构成馈电链路；
[0016]单个地面站的可见卫星数量与纬度、卫星轨道以及卫星星下半锥角有关；
[0017]其中卫星的轨道高度、轨道间隔以及星下半锥角决定相邻卫星间的重叠区域；
[0018]基于全局业务分布的馈电链路切换方法还包括：
[0019]根据地面站与卫星馈电链路结论，得到地面站在不同纬度上同时可见的卫星数；
[0020]根据地面站与卫星馈电链路结论，在多颗可视卫星中选择其中的几颗卫星建立馈电链路，以使星地之间的网络吞吐量达到最大且使得各地面站之间负载均衡。
[0021]可选的，在所述的基于全局业务分布的馈电链路切换方法中，还包括：
[0022]在星地间馈电链路切换模型中，低轨卫星节点间通过ISL进行通信，每个地面信关站与多个卫星节点建立馈电链路，将极轨道LEO星地切换关系建模为无向图G＝(S,U，L,F)，其中S表示卫星集合，S＝{S1,...,S
m
}，m为卫星节点个数，U表示地面信关站集合，U＝{U1,...,U
n
}，n为地面站的个数，L表示卫星间的ISL集合，F表示卫星与地面站间的馈电链路集合；
[0023]根据不同卫星相对地面站的建链时长、链路质量、切换时间、是否被其他地面站占用等因素不同，地面站对可视范围内的卫星进行优先级排序，与地面站建立馈电链路的卫星作为可落地星，其他需要跟地面核心网进行数据交互的卫星通过可落地星进行通信。
[0024]可选的，在所述的基于全局业务分布的馈电链路切换方法中，还包括：
[0025]使用自相关播报系统和自动识别系统实时采集的全球交通和海上交通数据建立全球用户数据分布模型；
[0026]根据自相关播报系统和自动识别系统实时采集的数据，分别建立飞机业务场景、船舶业务场景和混合业务场景下一个月内的数据分布；
[0027]基于全局业务分布的馈电链路切换方法还包括：
[0028]将卫星与地面信关站间馈电链路的连接时间作为衡量星地间通信能力的参数，地面控制中心与卫星节点交互的指令信息、以及卫星星下用户获取的地面核心网信息通过落地卫星进行传输。
[0029]可选的，在所述的基于全局业务分布的馈电链路切换方法中，还包括：
[0030]地面控制中心根据设计的轨道构型与卫星星座运行的规律，计算在轨道运行期间进入各地面站的可视卫星、以及其进入与离开可视区域的时间；
[0031]根据星地间馈电链路切换模型，T
i
表示地面站U
i
在轨道运行周期内与m颗卫星间的可视时间矩阵，其中T
i
的第j列表示地面站U
i
与卫星节点S
j
间的关系，表示地面站U
i
进入卫星节点S
j
覆盖区域的时间，表示地面站U
i
离开卫星节点S
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于全局业务分布的馈电链路切换方法，其特征在于，包括：在进行馈电链路分配时，根据地面已有业务分布，将所有地面站按照所在区域的业务量进行排序，按照优先级依次为地面站的多个天线分配落地星；以及在为地面站分配落地星时，根据卫星可视时间、馈电链路速率、星上负载量三个参数，在优化星地间网络容量的同时，最大程度的将星上需要落地的数据进行下传，以提高馈电链路利用率。2.如权利要求1所述的基于全局业务分布的馈电链路切换方法，其特征在于，还包括：在卫星工具包中建立低轨卫星网络模型与地面站模型，观测地面站与低轨卫星网络卫星节点之间的切换关系，并统计某时间段内地面信关站的可视卫星及可视时间；以信关站部署密集的区域分布为主，并在其他大洲边缘或大陆边缘部署地面站；低轨卫星星座的分析模型以极轨道构建空间信息网，设置单星星下扫描半锥角；根据以上仿真条件进行仿真，获取地面站与卫星馈电链路结论。3.如权利要求2所述的基于全局业务分布的馈电链路切换方法，其特征在于，地面站与卫星馈电链路结论包括：在同一时间，地面站能够与多颗卫星构成馈电链路；单个地面站的可见卫星数量与纬度、卫星轨道以及卫星星下半锥角有关；其中卫星的轨道高度、轨道间隔以及星下半锥角决定相邻卫星间的重叠区域；基于全局业务分布的馈电链路切换方法还包括：根据地面站与卫星馈电链路结论，得到地面站在不同纬度上同时可见的卫星数；根据地面站与卫星馈电链路结论，在多颗可视卫星中选择其中的几颗卫星建立馈电链路，以使星地之间的网络吞吐量达到最大且使得各地面站之间负载均衡。4.如权利要求3所述的基于全局业务分布的馈电链路切换方法，其特征在于，还包括：在星地间馈电链路切换模型中，低轨卫星节点间通过ISL进行通信，每个地面信关站与多个卫星节点建立馈电链路，将极轨道LEO星地切换关系建模为无向图G＝(S,U,L,F)，其中S表示卫星集合，S＝{S1,...,S
m
}，m为卫星节点个数，U表示地面信关站集合，U＝{U1,...,U
n
}，n为地面站的个数，L表示卫星间的ISL集合，F表示卫星与地面站间的馈电链路集合；根据不同卫星相对地面站的建链时长、链路质量、切换时间、是否被其他地面站占用等因素不同，地面站对可视范围内的卫星进行优先级排序，与地面站建立馈电链路的卫星作为可落地星，其他需要跟地面核心网进行数据交互的卫星通过可落地星进行通信。5.如权利要求4所述的基于全局业务分布的馈电链路切换方法，其特征在于，还包括：使用自相关播报系统和自动识别系统实时采集的全球交通和海上交通数据建立全球用户数据分布模型；根据自相关播报系统和自动识别系统实时采集的数据，分别建立飞机业务场景、船舶业务场景和混合业务场景下一个月内的数据分布；基于全局业务分布的馈电链路切换方法还包括：将卫星与地面信关站间馈电链路的连接时间作为衡量星地间通信能力的参数，地面控制中心与卫星节点交互的指令信息、以及卫星星下用户获取的地面核心网信息通过落地卫星进行传输。6.如权利要求5所述的基于全局业务分布的馈电链路切换方法，其特征在于，还包括：
地面控制中心根据设计的轨道构型与卫星星座运行的规律，计算在轨道运行期间进入各地面站的可视卫星、以及其进入与离开可视区域的时间；根据星地间馈电链路切换模型，T
i
表示地面站U
i
在轨道运行周期内与m颗卫星间的可视时间矩阵，其中T
i
的第j列表示地面站U
i
与卫星节点S
j
间的关系，表示地面站U
i
进入卫星节点S
j
覆盖区域的时间，表示地面站U
i
离开卫星节点S
j
覆盖区域的时间；公式(1)表示地面站U
i
与卫星节点集S在一段时间内的可见关系，地面站在卫星节点覆盖域内的可见时间不等于馈电链路的可通信时间；在地面站U
i
与卫星节点S
j
可见时间范围内，需要除去地面站U
i
将天线方向从上一颗连接的落地星转向该卫星的转向时间等，
△
t
ij
表示地面站U
i
的切换时间，
△
t
ij
与地面站U
i
前后将要连接的两颗卫星相对U
i
的位置有关，根据卫星星历数据计算得出；若U
i
在t
‑
时刻没有连接落地星，则
△
t
ij
＝0。T
ij
(t)表示在时刻t卫星S
j
与地面站U
i
的剩余可通信时间；7.如权利要求6所述的基于全局业务分布的馈电链路切换方法，其特征在于，还包括：链路状态好的卫星与地面站有更高的建链优先级，在实际的卫星场景中，卫星相对地面站距离近、仰角高时具有更好的信道质量；将星地间馈电链路的速率与距离相联系，B
ij
(t)表示在时刻t卫星S
j
...

【专利技术属性】
技术研发人员：田丰，刘宇婷，李国通，
申请(专利权)人：上海微小卫星工程中心，
类型：发明
国别省市：