波束切换方法及装置与流程
本发明涉及卫星通信技术领域，尤其是涉及一种波束切换方法及装置。
背景技术：
对于地球静止卫星而言，由于其相对于地面始终静止，其星上固定多波束天线的覆盖也是固定的，类似于地面的蜂窝通信系统。针对移动通信终端可参照地面技术实施波束切换。将固定多波束天线应用到非静止轨道卫星通信系统上，由于非静止轨道卫星相对于地面是运动的，且姿态随时间变化，其多波束天线在地面的覆盖波位也会随之移动和旋转。尤其对于低轨卫星，由于其运动速度较快，地面通信终端会频繁切换波束。对于固定多波束的卫星系统，地面通信终端在波束切换时往往位于多重覆盖区域，有多个可选波束。通常情况下地面通信终端都会选择离波束中心较近的波束接入，可能会出现短暂接入某波束的情况，使得波束切换次数增加。为了提升卫星通信系统的性能，增加通信终端在单个波束中的驻留时间，减少波束切换次数有着重要的研究意义，而目前，尚未提出较优方案。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种波束切换方法及装置，以增加通信终端在单个波束中的驻留时间，减少波束切换次数。
第一方面，本发明实施例提供了一种波束切换方法，该方法包括：当通信终端位于多个波束的覆盖范围内时，分别确定多个波束与卫星的第一相对位置关系、通信终端与卫星的第二相对位置关系；根据第一相对位置关系及第二相对位置关系，分别计算通信终端与多个波束之间的相对位置关系矢量；确定通信终端相对于卫星的切向速度矢量；分别计算切向速度矢量与相对位置关系矢量之间的夹角，并选择最小的夹角对应的波束接入。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，分别确定多个波束与卫星的第一相对位置关系、通信终端与卫星的第二相对位置关系的步骤，包括：建立卫星坐标系；卫星坐标系以卫星的质心为原点，z轴指向地心，x轴为卫星的速度方向，y轴方向根据z轴和x轴的方向确定；根据俯仰角和方位角分别确定多个波束与卫星的第一相对位置关系、确定通信终端与卫星的第二相对位置关系；俯仰角为波束或通信终端与z轴夹角的余角，方位角为波束或通信终端在x轴和y轴所在平面上的投影与x轴的夹角。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，根据第一相对位置关系及第二相对位置关系，分别计算通信终端与多个波束之间的相对位置关系矢量的步骤，包括：
根据以下公式分别计算通信终端与多个波束之间的相对位置关系矢量：
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，确定通信终端相对于卫星的切向速度矢量的步骤，包括：根据卫星和通信终端当前时刻的速度计算通信终端相对卫星的相对运动速度；将相对运动速度在通信终端和卫星连线上的切向分量作为通信终端相对于卫星的切向速度矢量。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，确定通信终端相对于卫星的切向速度矢量的步骤，包括：根据当前时刻之前的多个时刻点通信终端与卫星的相对位置关系计算得到通信终端相对于卫星的切向速度矢量。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，分别计算切向速度矢量与相对位置关系矢量之间的夹角，并选择最小的夹角对应的波束接入的步骤，包括：根据以下公式计算夹角：
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，当通信终端位于多个波束的覆盖范围内时，分别确定多个波束与卫星的第一相对位置关系、确定通信终端与卫星的第二相对位置关系的步骤之前，还包括：获取当前时刻的第一相对位置关系和第二相对位置关系；根据第一相对位置关系和第二相对位置关系计算通信终端与波束的波束中心的角距；角距用于描述通信终端与波束的波束中心之间的相对位置关系；根据角距和波束的形状和张角判断通信终端是否在上一时刻接入的波束的覆盖范围内：如果是，不发生波束切换，仍接入波束；如果否，根据覆盖通信终端的波束个数确定波束切换方法。
结合第一方面及其第六种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，根据第一相对位置关系和所di(tk)第二相对位置关系计算通信终端与波束的波束中心的角距的步骤，包括：根据以下公式计算角距：
第二方面，本发明实施例还提供一种波束切换装置，包括：位置关系模块，用于当通信终端位于多个波束的覆盖范围内时，分别确定多个波束与卫星的第一相对位置关系、通信终端与卫星的第二相对位置关系；相对位置关系矢量模块，用于根据第一相对位置关系及第二相对位置关系，分别计算通信终端与多个波束之间的相对位置关系矢量；切向速度矢量模块，用于确定通信终端相对于卫星的切向速度矢量；切换模块，分别用于计算切向速度矢量与相对位置关系矢量之间的夹角，并选择最小的夹角对应的波束接入。
结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，该装置还包括判断模块，用于：获取当前时刻的第一相对位置关系和第二相对位置关系；根据第一相对位置关系和第二相对位置关系计算通信终端与波束的角距；角距用于描述通信终端与波束之间的相对位置关系；根据角距和波束的形状和张角判断通信终端是否在上一时刻接入的波束的覆盖范围内：如果是，不发生波束切换，仍接入波束；如果否，根据覆盖通信终端的波束个数确定波束切换方法。
本发明实施例带来了以下有益效果：本发明实施例提供了一种波束切换方法及装置，当通信终端进入到多个被多个波束覆盖的范围内时，通过分别计算覆盖通信终端的各个波束与卫星的第一相对位置关系、通信终端与卫星的第二相对位置关系来得到通信终端与各个波束之间的相对位置关系矢量，通过计算切向速度矢量及切向速度矢量与各个相对位置关系矢量之间的夹角，最终，选择最小的夹角对应的波束接入。本发明可以通过考虑卫星和通信终端的相对运动情况，选择合适的波束接入，从而增加波束驻留时间，减少切换次数。
本公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本公开的上述技术即可得知。
为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的波束切换方法流程图；
图2为本发明实施例提供的波束切换方法的波束中心位置描述示意图；
图3为本发明实施例提供的波束切换方法的波束切换示意图；
图4为本发明实施例提供的波束切换方法的考虑通信终端运动方向与波束中心指向平行度的波束切换策略流程图；
图5为本发明实施例提供的波束切换方法的地球站波束切换实例示意图；
图6为本发明实施例提供的波束切换装置结构示意框图。
图标：
1-卫星覆盖区域；2-星下点；3-波束中心投影；4-通信终端相对卫星运动的映射轨迹；5-地球站相对卫星的运动轨迹；9-部分波束放大图；61-位置关系模块；62-相对位置关系矢量模块；63-切向速度矢量模块；64-切换模块。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前，随着无线通信系统的日益成熟，频谱资源越来越紧张。在卫星通信技术的发展过程中，频谱资源受限这一问题尤为突出。如何在频谱资源有限的前提下合理地高效地的分配资源、提高卫星通信系统的容量、提高频谱利用率成为了亟待解决的问题。卫星多波束通信技术应运而生。
传统的卫星单波束天线技术具有单一波束、大张角覆盖的特点，系统较为简单，存在信号功率比密度低、信噪比低、频谱利用率低下等问题。区别于卫星单波束天线技术，卫星多波束天线是由若干个高增益的窄波束组成的，多个波束一起形成对较大范围的高增益覆盖。其中，根据实际需求可对单个窄波束赋形。卫星多波束天线具有波束间空间隔离、频率复用的特点，能够有效地提高系统通信容量、增大可用带宽和频谱利用效率。
基于此，本发明实施例提供的一种波束切换方法及装置，可以对于采用固定多波束的卫星系统，当地面通信终端在波束切换时存在多种选择时，考虑卫星和通信终端的相对运动关系，选择地面通信终端运动方向与波束中心指向平行度最高的波束。该策略能够显著地增加通信终端在单个波束中的驻留时间，减少波束切换次数。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种波束切换方法进行详细介绍。
实施例1
本发明实施例1提供了一种波束切换方法，参见图1所示的波束切换方法流程图，该方法包括以下步骤：
本发明实施例所设计的波束切换方法主要考虑卫星与通信终端相对运动关系，可应用于采用固定多波束天线的非静止轨道卫星系统，以及为高速运动的通信终端提供服务的固定多波束地球静止卫星通信系统。该策略对卫星的波束的形状和波束排布没有特殊要求，适用于各种波束排布情况。
步骤s102，当通信终端位于多个波束的覆盖范围内时，分别确定多个波束与卫星的第一相对位置关系、通信终端与卫星的第二相对位置关系。
通信终端可以为卫星用户终端或地球站。为了避免当通信终端在穿越波束交叠区域时可能出现的频繁来回切换波束的问题，规定通信终端在当前波束的覆盖范围内始终接入此波束，直至离开该波束的覆盖区域，再切换到其它波束。以波束#i为例，假设当前时刻tk通信终端接入波束#i，若下一个时刻通信终端仍在该波束的覆盖范围内，则通信终端仍然接入波束#i，否则通信终端需要切换至其他波束。在通信终端发生波束切换时，如果仅有一个波束覆盖该通信终端，通信终端切换至唯一可以接入的波束，当通信终端位于多个波束的覆盖范围内时，需计算第一相对位置关系和第二相对位置关系。
第一相对位置关系用于描述波束与卫星间的相对位置关系，对于多个波束一起形成对通信终端覆盖的情况，可以分别计算各个波束与卫星的第一相对位置关系，第二相对位置关系用于描述通信终端与卫星的相对位置关系。
由于通信终端相对卫星是运动的，其位置也随时间相应变化，为了更好地描述波束与通信终端之间的位置关系，上述步骤s102中，分别确定多个波束与卫星的第一相对位置关系、通信终端与卫星的第二相对位置关系的步骤，包括：
(1)建立卫星坐标系；卫星坐标系以卫星的质心为原点，z轴指向地心，x轴为卫星的速度方向，y轴方向根据z轴和x轴的方向确定。
针对固定多波束卫星系统，在卫星体坐标系下建立相应的波束中心和通信终端位置的描述机制。参见图2所示的波束中心位置描述示意图，以卫星的质心为原点建立卫星体坐标系，其中z轴指向地心，z轴在卫星覆盖区域1上的投影点o'为星下点2，pi为波束中心投影3，x轴为卫星的速度方向，通过“右手定则”结合z轴和x轴的方向得到y轴的方向。
(2)根据俯仰角和方位角分别确定多个波束与卫星的第一相对位置关系、确定通信终端与卫星的第二相对位置关系；俯仰角为波束或通信终端与z轴夹角的余角，方位角为波束或通信终端在x轴和y轴所在平面上的投影与x轴的夹角。
卫星的星上波束#i的波束中心的指向可用俯仰角和方位角来表示：俯仰角eli为波束中心轴线与z轴正方向夹角的余角(取值范围为0-90°)，而方位角azi则是波束中心轴线在xoy平面上的投影与x轴正方向的夹角(取值范围为0-360°)。
已知卫星星上波束#i的波束中心轴线在卫星体坐标系下的俯仰角eli和方位角azi，波束中心轴线与卫星间的相对位置关系也就得以确定，即第一相对位置关系得以确定。同理，也可以用相同的描述机制来描述通信终端与卫星的相对位置关系，即第二相对位置关系也得以确定。由于通信终端相对卫星是运动的，其位置也随时间相应变化。在tk时刻，通信终端相对于卫星的位置方向可以用该时刻“卫星-通信终端”视线方向在卫星体坐标系下的俯仰角el(tk)和方位角az(tk)来描述。参见图3所示的波束切换示意图，p0、p1、p2分别为波束#0、#1、#2的波束中心，此前通信终端一直接入波束#0。在tk时刻，通信终端位于
步骤s104，根据第一相对位置关系及第二相对位置关系，分别计算通信终端与多个波束之间的相对位置关系矢量。
根据第一相对位置关系及第二相对位置关系，分别计算通信终端与多个波束之间的相对位置关系矢量的步骤，包括：
根据以下公式分别计算通信终端与多个波束之间的相对位置关系矢量：
例如：计算表征tk时刻通信终端与波束#1、#2波束中心轴线相对位置关系的矢量
步骤s106，确定通信终端相对于卫星的切向速度矢量。
确定通信终端在tk时刻的相对卫星的切向速度矢量
确定通信终端相对于卫星的切向速度矢量的步骤，可以包括：根据卫星和通信终端当前时刻的速度计算通信终端相对卫星的相对运动速度；将相对运动速度在通信终端和卫星连线上的切向分量作为通信终端相对于卫星的切向速度矢量。
确定通信终端相对于卫星的切向速度矢量的步骤，也可以包括：根据当前时刻之前的多个时刻点通信终端与卫星的相对位置关系计算得到通信终端相对于卫星的切向速度矢量。
例如，可以根据通信终端在tk时刻之前若干个时刻点通信终端与卫星的相对位置关系作差分处理获得切向速度矢量。
步骤s108，分别计算切向速度矢量与相对位置关系矢量之间的夹角，并选择最小的夹角对应的波束接入。
如图3所示的波束切换示意图，参见通信终端相对卫星运动的映射轨迹4，
在得到矢量
分别计算切向速度矢量与相对位置关系矢量之间的夹角，并选择最小的夹角对应的波束接入的步骤，包括：
根据以下公式计算夹角：
分别计算通信终端与波束#1、#2之间的相对位置关系矢量与通信终端相对于卫星的切向速度矢量之间的夹角，经计算可以得到：
本发明实施例提供了一种波束切换方法，当通信终端进入到被多个波束覆盖的区域内时，通过分别计算覆盖通信终端的各个波束与卫星的第一相对位置关系、通信终端与卫星的第二相对位置关系来得到通信终端与各个波束之间的相对位置关系矢量，通过计算切向速度矢量及切向速度矢量与各个相对位置关系矢量之间的夹角，最终，选择最小的夹角对应的波束接入。本发明可以通过考虑卫星和通信终端的相对运动情况，选择合适的波束接入，从而增加波束驻留时间，减少切换次数。
为了确定波束切换开始的时刻，当通信终端位于多个波束的覆盖范围内时，分别确定多个波束与卫星的第一相对位置关系、确定通信终端与卫星的第二相对位置关系的步骤之前，还包括：
(1)获取当前时刻的第一相对位置关系和第二相对位置关系。
(2)根据第一相对位置关系和第二相对位置关系计算通信终端与波束的波束中心的角距；角距用于描述通信终端与波束的波束中心之间的相对位置关系。
已知波束#i的波束中心指向以及通信终端相对于卫星的位置指向，可以通过计算角距di(tk)来描述通信终端在tk时刻与波束#i的相对位置关系。
该步骤包括：根据以下公式计算角距：
(3)根据角距和波束的形状和张角判断通信终端是否在上一时刻接入的波束的覆盖范围内：如果是，不发生波束切换，仍接入波束；如果否，根据覆盖通信终端的波束个数确定波束切换方法。
如果波束为圆形点波束，假设波束#i的张角为θ，若di(tk)<θ则认为通信终端在tk时刻处于波束#i的覆盖范围内，否则，波束#i在tk时刻无法覆盖该通信终端。如果是波束投影为非圆形的赋形波束，则根据当前时刻通信终端相对波束中心的方位以及波束在相应方位的波束范围来判断该波束能否覆盖通信终端。
根据覆盖通信终端的波束个数确定波束切换方法可以为：如果覆盖通信终端的波束个数唯一，那么通信终端切换至唯一可以接入的波束；如果通信终端位于两个及以上波束的覆盖范围内，即存在多种选择时，考虑卫星和通信终端间的相对运动关系，选择通信终端运动方向与波束中心指向平行度最高的波束接入。
参见图4所示的考虑通信终端运动方向与波束中心指向平行度的波束切换策略流程图，本发明提出了考虑卫星与通信终端相对运动关系的波束切换策略，针对在固定多波束卫星系统中，通信终端切换波束时存在多种波束选择的情况，考虑卫星和通信终端的相对运动，选择通信终端运动方向与波束中心指向平行度最高的波束。与已有的波束切换策略相比，本发明考虑了卫星和通信终端的相对运动情况，能够有效地避免通信终端短暂接入某一波束的情况，显著地增加通信终端在单个波束中的驻留时间，减少波束切换次数。
实施例2
本发明实施例2提供了一种波束切换方法，参见图5所示的地球站波束切换实例示意图，该方法的具体实施步骤如下：
非静止轨道卫星通信系统的星座轨道参数为：共8颗卫星，长半轴为26561.78km，轨道周期为1/2个恒星日，倾角为53.13°，偏心率均为0，升交点赤经间隔为45°，平近点角差为90°；全球用等面积分割法均匀分布了642个地球站，地球站的最小工作仰角为10°，且每个地球站始终选择仰角最好的一颗卫星中的一个波束接入，每颗卫星星上均有121个圆形固定点波束。
选取一个轨道周期的时间作为仿真总时长，采用本发明的策略，按照下述步骤完成相应的仿真(以一个地球站为例)：
(1)根据121个固定波束的排布，得到各波束中心相对于卫星的方位角
-俯仰角序列[eli,azi],i＝1,2,…,121(固定波束，指向不随时间变化)，通信终端描述各波束中心和卫星的相对位置关系。
(2)对于tk时刻，根据地球站和所接入卫星在地球固连坐标系下的位置坐标，即可计算得到地球站在卫星体坐标下的方位角和俯仰角[el(tk),az(tk)]，从而用于描述地球站和卫星的相对位置关系。
(3)利用上述相对位置关系，计算地球站到各波束中心轴线的角距，与波束张角比较，从而判断地球站在哪些波束的覆盖范围内。
(4)如果地球站处于tk-1时刻接入的波束的覆盖范围内，则当前时刻地球站仍接入该波束，即地球站未发生波束切换；若地球站不处于tk-1时刻接入的波束的覆盖范围内，即地球站需要切换波束，则：
①如果当前时刻地球站仅在一个波束的覆盖范围内，则地球站直接切换至该波束；
②如果当前时刻地球站位于两个及以上波束的覆盖范围内，即存在多种选择时(假设有m种选择)，考虑卫星和地球站间的相对运动关系，选择通信终端运动方向与波束中心指向平行度最高的波束接入。具体地：首先，分别计算表征地球站与这m个波束中心相对位置关系的矢量；接着，根据卫星在地球固连坐标系下的速度矢量(假设地球站始终与地球保持相对静止)，求得地球站相对卫星的速度矢量，再根据地球站和所接入卫星在地球固连坐标系下的位置坐标，将速度矢量投影到地球站和卫星连线的切平面上，得到切向分量
(5)k←k+1，重复步骤(2)直至仿真结束。
此外，以“选择离波束中心最近的波束接入”这一策略作为对比，完成时长为一个轨道周期的仿真，统计采用不同方案时每个地球站最短的波束驻留时长，比较两种方案的性能。
首先分析单个地球站的波束切换情况。参见图5所示的地球站波束切换实例示意图，所分析的地球站设置于[90°e,74.1413°s]，在仿真过程中的1:04:51这一时刻，参见地球站相对卫星的运动轨迹5，地球站离开第6颗卫星的波束#14，需要切换波束，存在两种选择。如图5所示，参见部分波束放大示意部分9，采用对比方案，由于地球站离开波束#14边缘时，距离波束#5的波束中心更近，地球站会先短暂接入波束#5，直至离开其覆盖范围后再接入波束#15，即接入波束的顺序为14→5→15，共发生了2次波束切换；采用本发明所提出的方案时，由于地球站的相对卫星运动方向与波束#15的波束中心指向平行度更高，故切换至波束#15直至离开其波束覆盖范围，即接入波束的顺序为14→15，共发生了1次波束切换。
分析全球地球站最短波束驻留时长的统计结果可知，采用本发明所提方案与采用对比方案的情况相比，各地球站的最短波束驻留时间有整体的提升；其中，采用对比方案时所有地球站最短驻留时间的最小值为36s，采用本发明所提方案时，所有地球站最短驻留时间的最小值为73s，提高了近1倍。
通过上述分析可知，本发明提出的考虑卫星与通信终端相对运动关系的波束切换策略，能够有效地避免通信终端短暂接入某一波束的情况，显著地增加通信终端在单个波束中的驻留时间，从而减少波束切换次数。
实施例3
本发明实施例3提供了一种波束切换装置，参见图6所示的波束切换装置结构示意框图，该装置包括以下模块：
位置关系模块61，用于当通信终端位于多个波束的覆盖范围内时，分别确定多个波束与卫星的第一相对位置关系、通信终端与卫星的第二相对位置关系；相对位置关系矢量模块62，用于根据第一相对位置关系及第二相对位置关系，分别计算通信终端与多个波束之间的相对位置关系矢量；切向速度矢量模块63，用于确定通信终端相对于卫星的切向速度矢量；切换模块64，分别用于计算切向速度矢量与相对位置关系矢量之间的夹角，并选择最小的夹角对应的波束接入。
该装置还包括判断模块，用于：获取当前时刻的第一相对位置关系和第二相对位置关系；根据第一相对位置关系和第二相对位置关系计算通信终端与波束的角距；角距用于描述通信终端与波束之间的相对位置关系；根据角距和波束的形状和张角判断通信终端是否在上一时刻接入的波束的覆盖范围内：如果是，不发生波束切换，仍接入波束；如果否，根据覆盖通信终端的波束个数确定波束切换方法。
本发明实施例所提供的波束切换装置，其实现原理及产生的技术效果和前述波束切换方法实施例相同，为简要描述，波束切换装置实施例部分未提及之处，可参考前述波束切换方法实施例中相应内容。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
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