一种基于空频混合多址方式的卫星互联网系统设计方法与流程

本发明涉及卫星通信技术领域，特别是涉及一种卫星互联网系统设计方法。

背景技术：

天基互联网是指利用位于地球上空的各类空基平台提供给地面和空中终端宽带互联网服务的新型网络，其中空基平台的主要类型包括卫星、高空气球、高空无人机等。在各类空基平台中，宽带卫星通信网络具有容量大、不受地域限制、受地形影响小、覆盖范围广、具备信息广播优势等特点，并且不易受自然灾害影响，因此是理想的空基互联网平台。利用宽带卫星通信网络，可向边远散、海上、空中等的用户提供持续稳定的高速网络接入能力。

现有的卫星互联网系统按其卫星轨道高度可分为四大类，即高、中、低轨卫星互联网系统，以及混合轨道卫星互联网系统。其中低轨卫星互联网系统因其系统通信容量大、网络时延小、多星组网可实现全球无缝覆盖、能保证复杂地形区域的持续通信等优点，成为了近年来卫星互联网领域的发展热点。

但是，低轨卫星互联网系统的卫星轨道低、单星覆盖范围较小，实现全球无缝覆盖往往需要成百上千颗卫星组成庞大的星座。另一方面，低轨卫星互联网系统占用的频率必须符合国际和全球各国的频率管理规定，且为保证星地链路电平余量，星上载荷需采用多波束天线，各相邻波束之间频率不能重合。因此在卫星频率资源日益紧张的情况下，在确保系统中相邻波束之间频率不重合的前提下减少整个系统占用的频率资源是低轨卫星互联网系统设计中面临的重要问题。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种通用的卫星互联网系统设计方法，能在确保系统全球覆盖能力的前提下，减少系统占用的频率资源。

一种基于空频混合多址方式的卫星互联网系统设计方法，包括以下步骤：

根据空间粒子辐射带高度和预先设置的系统性能要求，确定卫星的轨道高度参数。其中，性能要求包括对地覆盖能力、星地通讯链路延迟、卫星运载能力。

获取卫星的多波束天线覆盖张角α，根据所确定的卫星轨道高度参数和所获得的卫星多波束天线的覆盖张角，得到系统中所有卫星覆盖全球所需的卫星轨道数量参数和卫星数量参数。

设置卫星的多波束天线的子波束排列方式。根据设置的排列方式、获取到的卫星多波束天线覆盖张角α，得到卫星多波束天线的子波束数量参数和子波束覆盖张角参数。

根据设置的子波束排列方式和子波束数量参数，在相邻子波束的收发频带参数不相同且不交叠的条件下，得到系统的收发频带参数和频率复用次数参数。其中，收发频带参数是指系统使用的收发频带的个数和各个收发频带的频率范围值。频率复用次数参数表示一个卫星多波束天线占用的收发频带的频率范围值的个数。

在其中一个实施例中还包括：设置子波束排列方式为蜂窝式排列方式。子波束的蜂窝排列方式可以描述为：以一个指向地心的子波束为中心，围绕中心子波束排列的第n圈的6n个所述子波束的中心偏离星地连线的倾斜角为n×β,方位角依次为[60°/n，120°/n，180°/n，……，60°×i/n]，i＝1、2、3、……、6n。其中n＝1、2、3、……、n，n为根据多波束天线覆盖张角α和所述子波束覆盖张角参数确定的一个整数值，β为第1圈子波束的倾斜角，β小于所述子波束覆盖张角参数，且β×(2n+1)≥α。

在其中一个实施例中还包括：确定卫星轨道高度参数为高倾角轨道，包括倾角为90°的极地轨道。采用高倾角轨道的优点包括使系统的光照条件稳定，在极地地区建立单个地面站就可覆盖全部轨道，系统后期星座部署升级更加便利等。

在其中一个实施例中还包括：在保证系统全球覆盖且不发生通信干扰的情况下，得到系统的收发频带的个数为8个以上。

在其中一个实施例中还包括：设置卫星互联网系统的运行策略，该运行策略可以描述为：根据另一个实施例中的蜂窝式排列方式将子波束划分为m个子波束组，第1组子波束为蜂窝式排列子波束的中心子波束，第m个子波束组为蜂窝式排列子波束的第n圈的子波束。其中m＝2、3、……、m，且m＝n+1。根据相位差值将卫星轨道划分为p个区域。相位差值是指卫星的当前位置和距离最近的轨道交点间的相位差，其范围为0°至90°。第1个区域为包括了相位差值为0°的轨道区间，第p个区域为包括了相位差值为90°的轨道区间。当卫星运行于第p个区域时，该卫星的多波束天线开启第1个至第m个子波束组，关闭剩余子波束，其中p＝m。

在其中一个实施例中还包括：当获取卫星的多波束天线覆盖张角α为64°时，确定所述卫星互联网系统的优化参数，包括所述轨道数量参数为17，卫星数量参数为578。

一种基于空频混合多址方式的卫星互联网系统设计装置，包括星座设计模块、单颗卫星波束设计模块和多址方式设计模块。

其中，星座设计模块用于根据空间粒子辐射带高度和预先设置的对地覆盖能力、星地通讯链路延迟、卫星运载能力等系统性能要求，确定卫星的轨道高度参数。还用于获取卫星的多波束天线覆盖张角α，根据所确定的卫星轨道高度参数和所获得的卫星多波束天线的覆盖张角，得到系统中所有卫星覆盖全球所需的卫星轨道数量参数和卫星数量参数。

单颗卫星波束设计模块用于设置卫星的多波束天线的子波束排列方式，根据设置的排列方式和卫星的多波束天线覆盖张角α，得到多波束天线的子波束数量参数和子波束覆盖张角参数；

多址方式设计模块用于根据子波束排列方式和子波束数量参数，在相邻子波束的收发频带参数不相同且不交叠的条件下，得到系统的收发频带参数和频率复用次数参数。其中，收发频带参数包括收发频带的个数和各个收发频带的频率范围值；频率复用次数参数表示一个卫星多波束天线占用的收发频带的频率范围值的个数。

在其中一个实施例中，该装置的单颗卫星波束设计模块中还包括蜂窝排列方式设计模块，用于将多波束天线的子波束设置为蜂窝排列方式。具体排列方式可以描述为：以一个指向地心的子波束为中心，围绕中心子波束排列的第n圈的6n个所述子波束的中心偏离星地连线的倾斜角为n×β,方位角依次为[60°/n，120°/n，180°/n，……，60°×i/n]，i＝1、2、3、……、6n。其中n＝1、2、3、……、n，n为根据多波束天线覆盖张角α和所述子波束覆盖张角参数确定的一个整数值，β为第1圈子波束的倾斜角，β小于所述子波束覆盖张角参数，且β×(2n+1)≥α。

在其中一个实施例中，该装置的星座设计模块设定的星座的轨道高度参数为高倾角轨道，其中包括倾角为90°的极地轨道。

在其中一个实施例中，该装置还包括运行策略模块，用于设置所述卫星互联网系统的运行策略。该运行策略可以描述为：根据另一个实施例中的蜂窝式排列方式将子波束划分为m个子波束组，第1组子波束为蜂窝式排列子波束的中心子波束，第m个子波束组为蜂窝式排列子波束的第n圈的子波束。其中m＝2、3、……、m，且m＝n+1。根据相位差值将卫星轨道划分为p个区域。相位差值是指卫星的当前位置和距离最近的轨道交点间的相位差，其范围为0°至90°。第1个区域为包括了相位差值为0°的轨道区间，第p个区域为包括了相位差值为90°的轨道区间。当卫星运行于第p个区域时，该卫星的多波束天线开启第1个至第m个子波束组，关闭剩余子波束，其中p＝m。

关于一种基于空频混合多址方式的卫星互联网系统设计装置的具体限定可以参见上文中对于一种基于空频混合多址方式的卫星互联网系统设计方法的限定，在此不再赘述。上述一种基于空频混合多址方式的卫星互联网系统设计装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

上述基于空频混合多址方式的卫星互联网系统设计方法和装置考虑空间粒子辐射带等运行环境因素的影响，根据所述系统对地覆盖能力、星地通讯链路、卫星运载能力与搭载机会等性能要求，确定卫星轨道高度；根据轨道高度和卫星天线参数获得系统的卫星轨道、卫星数量等参数，确保了系统的全球覆盖能力；根据子波束排列方式，利用空分多址技术在不相邻的所述子波束上重复使用相同的频率，降低了系统占用的频率资源量，还能够提高系统的通信容量。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于空频混合多址方式的卫星互联网系统设计方法的步骤流程图；

图2为一个实施例中单颗卫星多波束天线采用蜂窝覆盖方式的示意图；

图3为一个实施例中单颗卫星对地天线的采用19波束蜂窝式设计的示意图；

图4为一个实施例中系统对地覆盖情况示意图；

图5为一个实施例中的系统运行策略示意图；

图6为一个实施例中的系统频率复用方式示意图；

图7为一个实施例中优化设计的星座局部示意图；

图8为一个实施例中优化设计的星座整体示意图；

图9为一个实施例中单颗卫星的收发频带的个数和频率复用次数示意图；

图10为一个实施例中位于同一轨道的相邻卫星的子波束频带交错分布的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

随着卫星通信技术的发展和卫星制造与发射成本的降低，低轨道卫星正在成为卫星互联网系统的主流平台。这类卫星系统具有通信容量大、通信延迟小、通信效果好等优势。为适应这类系统卫星数量大、轨道数量多、全球部署应用等特点，其系统设计必须在确保系统全球覆盖能力的同时，尽可能降低系统占用的频率资源量，以降低系统在全球部署的难度。可能用到的技术包括利用空分多址技术、频分多址等多址方式重复使用频率资源并避免系统中相邻波束频率重叠等。

本发明提供了一种基于空频混合多址方式的卫星互联网系统设计方法，其具体步骤流程如图1所示，包括：

步骤102：根据空间粒子辐射带高度和预先设置的系统性能要求，确定卫星的轨道高度参数。

其中，性能要求包括对地覆盖能力、星地通讯链路延迟、卫星运载能力。空间粒子辐射带是指在地球附近的近层宇宙空间中包围着地球的高能粒子辐射带，目前一般认为辐射带的纬度范围是南北纬40°～50°之间，高度范围分内带1500～5000km和外带13000～20000km两段。由于空间粒子辐射带会对卫星的芯片等器件会造成不利影响，从而降低卫星的性能甚至影响其运行安全，因此各类卫星系统在选择轨道时应当避开空间粒子辐射带。

步骤104：获取卫星的多波束天线覆盖张角α，根据所确定的卫星轨道高度参数和所获得的卫星多波束天线的覆盖张角，得到系统中所有卫星覆盖全球所需的卫星轨道数量参数和卫星数量参数。

步骤106：设置卫星的多波束天线的子波束排列方式。根据设置的排列方式、获取到的卫星多波束天线覆盖张角α，得到卫星多波束天线的子波束数量参数和子波束覆盖张角参数。

步骤108：根据设置的子波束排列方式和子波束数量参数，在相邻子波束的收发频带参数不相同且不交叠的条件下，得到系统的收发频带参数和频率复用次数参数。

其中，收发频带参数是指系统使用的收发频带的个数和各个收发频带的频率范围值。频率复用次数参数表示一个卫星多波束天线占用的收发频带的频率范围值的个数。

在其中一个实施例中还包括：设置子波束排列方式为蜂窝式排列方式，单颗卫星的多波束天线张角为α，在其对地天线的单星覆盖区域内，使用19个子波束，并对子波束进行蜂窝式排列，每个子波束的覆盖区域称为一个蜂窝小区，如图2和图3所示。子波束的蜂窝排列方式可以描述为：取n＝2；以一个指向地心的子波束为中心；n＝1时，围绕中心子波束排列的第1圈的6个子波束的中心偏离星地连线的倾斜角为β,方位角依次为[60°，120°，180°，240°，300°，360°]；n＝2时，第2圈12个子波束的中心偏离星地连线的倾斜角为2β,方位角依次为[30°，60°，90°，120°，150°，180°，210°，240°，270°，300°，330°，360°]。其中，β小于子波束覆盖张角参数，且5β≥α。本实施例优化设计的系统对地覆盖方式如图4所示。

在其中一个实施例中还包括：确定卫星轨道高度参数为高倾角轨道。采用高倾角轨道的优点包括使系统的光照条件稳定，在极地地区建立单个地面站就可覆盖全部轨道，系统后期星座部署升级更加便利等。

进一步地，设置所述卫星互联网系统的运行策略，如图5所示。该卫星互联网系统的运行策略可以描述为：根据另一个实施例中的蜂窝式排列方式，取n＝2、m＝3，将子波束划分为3个子波束组；m＝1时，第1组子波束为蜂窝式排列子波束的中心子波束；m＝2时，第2个子波束组为蜂窝式排列子波束的第1圈的子波束；m＝3时，第3个子波束组为蜂窝式排列子波束的第2圈的子波束。根据相位差值将卫星轨道划分为3个区域。相位差值是指卫星的当前位置和距离最近的轨道交点间的相位差，其范围为0°至90°。第1个区域为包括了相位差值为0°的轨道区间，第3个区域为包括了相位差值为90°的轨道区间。当卫星运行于第1个区域时，该卫星的多波束天线开启第1个子波束组，关闭剩余子波束；当卫星运行于第2个区域时，该卫星的多波束天线开启第1个和第2个子波束组，关闭剩余子波束；当卫星运行于第3个区域时，该卫星的多波束天线开启第1个、第2个和第3个子波束组。

进一步的，当卫星轨道为极地轨道时，卫星在向靠近极区方向运行时其覆盖域间重叠范围不断增大,易导致信号干扰。因此当卫星向靠近极区方向运动时,根据星下点纬度采取以下的运行策略：取p＝m＝3；p＝1时，第1个区域为相位差值为0°到15°的区间，当卫星在该区域范围内时,仅开启第1个子波束组，即中心波束；p＝2时，第2个区域为相位差值为15°到35°的区间，当卫星在该区域范围内时，开启第1和第2个子波束组中心波束；p＝3时，第3个区域为35°到90°的区间，开启全部3个子波束组。

进一步的，系统采用8个频段,每个频段带宽50mhz,全系统通信容量可达385gbps。

在其中一个实施例中还包括：在保证系统全球覆盖且不发生通信干扰的情况下，得到系统的收发频带的个数为8个以上。

更进一步的，由于相邻轨道面上的卫星覆盖区也有重叠部分，为避免相邻轨道卫星覆盖区干扰，对相邻轨道面的卫星采用不同的收发频带参数。即整个系统采用2组、每组4个、共8个频带实现星间频率复用，以保证波束隔离度。本实施例的频率复用方式如如图6所示。

更进一步的，频带间的间隔为50mhz。

更进一步的，采用高阶调制方式可进一步减小频带宽度和频带间的间隔。

在其中一个实施例中还包括：当获取卫星的多波束天线覆盖张角α为64°时，综合考虑对地覆盖能力、星地通讯链路、运载能力与搭载机会、空间粒子辐射带等因素，选择轨道高度为1200km，确定所述卫星互联网系统的优化参数，包括：轨道数量参数为17，各轨道面均匀分布；每个轨道上均匀分布34颗星，相邻轨道间卫星相位差为同轨道内卫星相位差的1/2,即5.29°，系统的卫星数量参数为578。本实施例优化设计的星座的局部和整体示意图分别如图7和图8所示。

进一步地，根据另一个实施例中的蜂窝式排列方式：获得卫星多波束天线覆盖张角α为64°，取n＝2，m＝3，在卫星单星覆盖区域内使用19个子波束，获得子波束覆盖张角参数为14°，根据β的取值范围要求，优化选取围绕中心子波束排列的第1圈的6个子波束的中心偏离星地连线的倾斜角β＝13°。根据波束角和天线增益的关系可计算出单波束天线增益约21dbi(天线效率0.55)。单个子波束对地覆盖范围为半径约150km的圆(边缘波束的覆盖区域呈现椭圆状，面积稍大)。单波束覆盖面积为7.0万平方公里；单星覆盖面积约为130万平方公里。

在其中一个实施例中，对单颗卫星，利用角度分集的空分多址技术为不相邻的子波束分配相同的频率，以提高频率利用率，并且满足波束之间避免干扰的要求。此外，角度分级技术在不需要增加带宽的前提下，就可以提高整个网络的通信容量。为减小同频波束间干扰，同一卫星覆盖区域采用4种不同频率，即f1,f2,f3,f4，其频率复用次数k＝4。单颗卫星的收发频带的个数和频率复用次数如图9所示。

更进一步的，轨道高度为1200km且选用极地轨道，相同频率小区中心距离(赤道附近)由式(2)计算：

其中r为覆盖小区半径，可得d＝520km。

更进一步的，位于同一轨道的相邻卫星的子波束频带交错分布,如图10所示。

一种基于空频混合多址方式的卫星互联网系统设计装置，包括星座设计模块、单颗卫星波束设计模块和多址方式设计模块。

其中，星座设计模块用于根据空间粒子辐射带高度和预先设置的对地覆盖能力、星地通讯链路延迟、卫星运载能力等系统性能要求，确定卫星的轨道高度参数。还用于获取卫星的多波束天线覆盖张角α，根据所确定的卫星轨道高度参数和所获得的卫星多波束天线的覆盖张角，得到系统中所有卫星覆盖全球所需的卫星轨道数量参数和卫星数量参数。

单颗卫星波束设计模块用于设置卫星的多波束天线的子波束排列方式，根据设置的排列方式和卫星的多波束天线覆盖张角α，得到多波束天线的子波束数量参数和子波束覆盖张角参数；

多址方式设计模块用于根据子波束排列方式和子波束数量参数，在相邻子波束的收发频带参数不相同且不交叠的条件下，得到系统的收发频带参数和频率复用次数参数。其中，收发频带参数包括收发频带的个数和各个收发频带的频率范围值；频率复用次数参数表示一个卫星多波束天线占用的收发频带的频率范围值的个数。

在其中一个实施例中还包括：单颗卫星波束设计模块中还包括蜂窝排列方式设计模块，用于将多波束天线的子波束设置为蜂窝排列方式。具体排列方式可以描述为：以一个指向地心的子波束为中心，围绕中心子波束排列的第n圈的6n个所述子波束的中心偏离星地连线的倾斜角设置为n×β,方位角依次为[60°/n，120°/n，180°/n，……，60°×i/n]，i＝1、2、3、……、6n。其中n＝1、2、3、……、n，n为根据多波束天线覆盖张角α和所述子波束覆盖张角参数确定的一个整数值，β为第1圈子波束的倾斜角，β小于所述子波束覆盖张角参数，且β×(2n+1)≥α。

在其中一个实施例中，该装置的星座设计模块设定的星座的轨道高度参数为高倾角轨道，其中包括倾角为90°的极地轨道。

在其中一个实施例中，该装置还包括运行策略模块，用于设置所述卫星互联网系统的运行策略。该运行策略可以描述为：根据另一个实施例中的蜂窝式排列方式将子波束划分为m个子波束组，第1组子波束为蜂窝式排列子波束的中心子波束，第m个子波束组为蜂窝式排列子波束的第n圈的子波束。其中m＝2、3、……、m，且m＝n+1。根据相位差值将卫星轨道划分为p个区域。相位差值是指卫星的当前位置和距离最近的轨道交点间的相位差，其范围为0°至90°。第1个区域为包括了相位差值为0°的轨道区间，第p个区域为包括了相位差值为90°的轨道区间。当卫星运行于第p个区域时，该卫星的多波束天线开启第1个至第m个子波束组，关闭剩余子波束，其中p＝m。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。