一种低轨卫星馈电链路切换方法与流程

1.本发明属于低轨卫星通信技术领域，特别是指一种低轨卫星馈电链路切换方法。


背景技术：

2.在商业航天、互联网星座发展的大背景下，发展低轨通信星座已经成为共识。低轨卫星对地覆盖特点是全球覆盖，不同轨道覆盖情况不同，覆盖时长多变。以卫星轨道高度880km为例，卫星对地qv频段波束宽度1.5
°
，对地扫描宽度
±
56
°
。卫星运动轨迹方向为“西南-》东北”或“西北-》东南”，低轨卫星对地覆盖情况仿真如下：
3.01号卫星和02号卫星分别对四个关口站的可见性(单位：min)仿真。(地面站最小仰角：5
°
；仿真时长：1天；)
4.01星与地面站可见时长仿真结果(大于10min)
[0005] 北京三亚乌鲁木齐合肥可见次数3232最短时间10.2410.8910.1810.61最长时间11.8111.3011.9011.68平均时间10.9111.0911.06711.15总时间32.7422.1833.2022.29
[0006]
02星与地面站可见时长仿真结果(大于10min)
[0007] 北京三亚乌鲁木齐合肥可见次数3222最短时间10.2510.7311.3110.15最长时间11.8111.4111.6811.75平均时间10.9111.0711.4910.95总时间32.7422.13522.9821.90
[0008]
可以看出，在1天的仿真周期中，4个地点每天大于10min可见次数都在2次以上，每次覆盖时长不同，最大时长11分钟。
[0009]
卫星馈电链路作为低轨卫星与地面信关站通信的星地通道，承担业务数据回传及上注，同时是地面系统的资源分配、路由计算、载荷管理控制及软件重构等的上注及下传的承载通道。因此，采取方法及措施保障低轨卫星与地面信关站的可靠传输及延长有效通信时长是馈电链路设计的主要目标，研究基于低轨卫星的馈电链路的星地可靠通信流程具有很重要的现实意义。
[0010]
在低轨卫星系统中，如单颗卫星对地覆盖范围只可见一个信关站时，馈电载荷某时间段只能与一个信关站间建立馈电链路，则卫星存在飞离当前信关站后，与下一可见建立链路前，必然发生链路中断。如单颗卫星对地可同时覆盖两个以上信关站，存在跨星切换过程。实现”星切站”过程中业务数据不丢失是目前低轨卫星系统研究重点。目前低轨卫星系统大多采用“硬切换”过程。
[0011]
参见图1，单颗星在两个信关站间硬切换时，低轨卫星馈电载荷配置一套馈电天线及一套馈电射频通道，其具体流程为：
[0012]
t0时刻：卫星通过q/v天线1实现与信关站1正常通信；
[0013]
t1时刻：卫星与信关站1馈电链路中断，卫星载荷将下传数据进行缓存；地面系统存储上注数据。
[0014]
t2时刻：指令控制馈电天线与信关站2建立链路。
[0015]
硬切换的整个切换过程中天线1与信关站1的通信先中断，天线1与信关站2的通信后建立，需结合信息存储，确保数据不丢失；建链过程会造成用户有感中断。此外，该方式根据切换建链时长不同，对星上存储空间有不同程度的要求。


技术实现要素：

[0016]
有鉴于此，本发明提出了一种低轨卫星馈电链路切换方法。该方法为每颗低轨卫星配置两幅馈电天线，两套射频通道，地面信关站配备多套天线及射频通道及地面接收系统。采用此切换方法，可保证每颗卫星切换信关站的数据不丢失，解决了低轨卫星对地面信关站通信时间短、链路中断、业务数据不能可靠传输的问题，能够满足低轨星座系统自主运行自主建链需求。
[0017]
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0018]
一种低轨卫星馈电链路切换方法，包括以下步骤：
[0019]
步骤1：运控中心规划低轨卫星运行计划，确定卫星跨信关站馈电切换时刻和信关站位置；
[0020]
步骤2：低轨卫星覆盖信关站a，低轨卫星第一馈电链路与信关站a建链，建立正常通信，保持凝视跟踪状态；信关站a根据任务规划通过馈电链路上注各信关站参数及低轨卫星跟踪信关站的起始时刻及切换时刻，同时通过地面系统向各信关站发送低轨卫星馈电天线参数、馈电切换时刻、信关站馈电波束指向信息；
[0021]
步骤3：低轨卫星保持与信关站a通信，当t0时刻低轨卫星能够同时覆盖信关站b时，启动馈电切换流程；
[0022]
步骤4：第二馈电链路跟踪指向信关站b；低轨卫星第二馈电链路与信关站b建链成功，并保持凝视跟踪状态；
[0023]
步骤5：地面系统根据第二馈电链路的建链情况，完成系统路由计算和路由表更新，低轨卫星系统的星地路由将信关站a所有路径切换至信关站b；
[0024]
步骤6：在满足低轨卫星第二馈电链路与信关站b建立链路的时间约束后，低轨卫星第一馈电链路与信关站a断链，完成馈电链路切换；
[0025]
步骤7：低轨卫星保持与信关站b通信，当低轨卫星能够覆盖信关站c时，启动馈电链路跟踪指向信关站c，按照步骤3～步骤6的方式进行馈电链路切换。
[0026]
进一步地，所述低轨卫星配置两套馈电链路载荷，包含2副q/v频段馈电链路天线、2套馈电微波通道、2套基带信号处理单元及2套星载路由交换单元，所述馈电微波通道包含射频与通道功放；两套馈电链路载荷独立可控，支持同时对两个信关站的指向跟踪。
[0027]
进一步地，运控中心将低轨卫星每一轨入境后可见的及最早建链的信关站的经纬高参数和使能状态参数进行上注，低轨卫星对上注的参数进行存储和调用。
[0028]
进一步地，其特征在于，步骤2和步骤4中保持凝视跟踪状态的具体方式为：
[0029]
(2-1)任务启动时刻，低轨卫星载荷管理单元发出速度模式指令，速度模式下，天线单机以指令中的速度从当前位置指向目标角度；
[0030]
(2-2)当地面关口站进入天线单机的波束范围内时，载荷管理单元发出跟踪模式指令，天线单机接收到跟踪模式指令后，以指令中的的速度从当前位置指向目标角度；天线实现对地面关口站的凝视。
[0031]
进一步地，步骤(5)的具体方式为：
[0032]
(5-1)信关站b与卫星第二馈电链路建链成功；
[0033]
(5-2)信关站b向地面系统天基网络控制器上报星地拓扑变化；
[0034]
(5-3)天基网络控制器进行星地路由计算，并对信关站a、信关站b进行最新转发表配置；完成全网路由扩散；
[0035]
(5-4)天基网络控制器向信关站b、向各卫星终端推送映射更新消息；
[0036]
(5-5)卫星终端、信关站b回复映射更新响应；
[0037]
(5-6)信关站a所有路径切换至信关站b。
[0038]
本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0039]
1、本发明针引入低轨卫星馈电“软切换”方法，提出了星地馈电软切换的流程。
[0040]
2、整个过程不需借助于缓存，可确保用户通信不中断、数据不丢失。
[0041]
3、通过配置2套独立馈电链路载荷，支持路由层切换，路由层切换时延0ms。
[0042]
4、单颗星在两个信关站间可靠切换，有效提高单颗星与信关站的通信时长及星地信息交互数据量，为系统可靠运行提供有效保障，同时提升了用户服务质量。
[0043]
5、卫星馈电“软切换”适用于低轨卫星组网后的自主运行。
[0044]
总之，本发明通过卫星配置2套独立馈电链路载荷及通过星地协同的路由层切换，解决了卫星馈电链路切换信关站过程的中断、数据丢失、星地存储资源需求大及切换时延大问题。本发明可应用于低轨卫星组网系统，实现星地数据可靠交互，尤其适用于低轨卫星组网后的自主运行。
附图说明
[0045]
图1是现有技术中常规馈电链路硬切换示意图。
[0046]
图2是本发明的馈电链路组成图。
[0047]
图3是本发明的切换原理示意图。
[0048]
图4是本发明的流程图。
[0049]
图5是本发明的路由层切换过程示意图。
具体实施方式
[0050]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
[0051]
一种低轨卫星馈电链路切换方法，包括以下步骤：
[0052]
步骤1：运控中心规划低轨卫星运行计划，确定卫星跨信关站馈电切换时刻和信关站位置；
[0053]
步骤2：低轨卫星进入国土范围，覆盖信关站a，低轨卫星第一馈电链路与信关站a
建链，建立正常通信，保持凝视跟踪状态。信关站a根据任务规划通过馈电链路上注各信关站参数及低轨卫星跟踪信关站的起始时刻及切换时刻，同时通过地面系统向各信关站发送低轨卫星馈电天线参数、馈电切换时刻、信关站馈电波束指向信息；
[0054]
步骤3：卫星保持与信关站a通信，根据任务规划，卫星在t0时刻可同时覆盖信关站b，启动馈电切换流程。
[0055]
步骤4：第二馈电链路跟踪指向信关站b；卫星第二馈电链路与信关站b建链成功，并保持凝视跟踪状态。
[0056]
步骤5：地面系统根据第二馈电链路的建链情况，完成系统路由计算和路由表更新。信关站a所有路径切换至信关站b。
[0057]
步骤6：按时间约束(第二馈电链路与信关站b建立链路后20s)，第一馈电链路与信关站a断链，完成馈电链路切换。
[0058]
步骤7：卫星保持与信关站b通信，卫星可覆盖信关站c，启动馈电链路跟踪指向信关站c，重复步骤3-步骤6。
[0059]
整个过程不需借助于缓存，可确保用户通信不中断的情况下数据可靠传输。
[0060]
进一步的，所述低轨卫星配置两套馈电链路载荷。包含2副q/v频段馈电链路天线、2套馈电微波通道(含射频与通道功放)及2套信号处理单元；两套馈电链路独立可控，支持同时对两个信关站的指向跟踪，通过路由层切换，快速实现单颗星在信关站间的切换。
[0061]
进一步的步骤2中运控中心将地面所有信关站的经纬高参数和使能状态参数(见表1)、卫星每一轨入境后可见的信关站顺序及跟踪起始时刻(见表2)进行上注，卫星进行存储和调用。
[0062]
表1信关站上注信关站参数信息
[0063][0064]
由于馈电链路载荷配置了2套独立的载荷(含基带处理、收发通道及功放、天线等)，2套馈电链路可独立控制，只需要时间上做好规划，即可实现切换。
[0065]
表2建链表(第一馈电链路与第二馈电链路配置)
[0066][0067]
步骤(2)、(4)中的天线指向跟踪、凝视的具体方式为：
[0068]
(2-1)当卫星飞行到a点时刻(距离进入天线单机波束范围内剩余δt＝tb-ta时刻，如δt＝3min)，载荷管理单元发出速度模式指令，速度模式下，天线单机以指令中的速度从当前位置指向目标角度(x轴目标角度、y轴目标角度)；
[0069]
(2-2)当δt＝3min时，即卫星飞行到b点时刻时，地面关口站进入天线单机的波束范围内，载荷管理单元发出跟踪模式指令，天线单机接收到跟踪模式指令后，以指令中的的速度从当前位置指向目标角度(x轴目标角度、y轴目标角度)；
[0070]
步骤(5)的具体方式为：
[0071]
(5-1)信关站b检测到目的卫星馈电波束；
[0072]
(5-2)信关站b向天基网络控制器上报星地拓扑变化；
[0073]
(5-3)天基网络控制器进行星地路由计算，并对信关站a、b进行转发表配置；
[0074]
(5-4)基网络控制器向信关站b、卫星终端推送映射更新消息；
[0075]
(5-5)卫星终端、信关站b回复映射更新响应；
[0076]
(5-6)信关站a所有路径切换至信关站b。
[0077]
步骤(6)的具体方式为：
[0078]
(6-1)任务规划，第二馈电链路与信关站b建立链路后20s后，启动第一馈电链路与信关站a断链。
[0079]
(6-2)当载荷管理单元发出指令；天线1接收到待机指令后，停止到当前波束指向位置，并对天线1波束指向进行归零。
[0080]
图1所示为一颗低轨卫星在两个信关站间硬切换的流程，其中，低轨卫星馈电载荷配置一套馈电天线及一套馈电射频通道。具体方式为：
[0081]
t0时刻：卫星通过q/v天线1实现与信关站1正常通信；
[0082]
t1时刻：卫星与信关站1馈电链路中断，卫星载荷将下传数据进行缓存；地面系统存储上注数据。
[0083]
t2时刻：指令控制馈电天线与信关站2建立链路。
[0084]
硬切换的整个切换过程中天线1与信关站1的通信先中断，天线1与信关站2的通信后建立，需结合信息存储，确保数据不丢失；建链过程会造成用户有感中断。根据切换建链时长不同对星上存储空间有不同程度的要求。
[0085]
如图2所示为一个低轨卫星通信系统的馈电链路组成图，其包含低轨卫星有效载荷系统的综合处理载荷和馈电载荷。
[0086]
其中，馈电载荷包含2套馈电链路射频通道、1套馈电天线控制器、2套馈电天线。
[0087]
综合处理载荷主要功能包含2套馈电链路基带处理单元、系统路由交互单元、载荷管理控制单元。
[0088]
图3为基于图2所示馈电链路的馈电切换原理示意图，其中：
[0089]
t0时刻，卫星通过q/v天线1与信关站1正常通信，q/v天线2提前指向信关站b；
[0090]
t1时刻，天线2与信关站b建立链路，路由表更新；
[0091]
t2时刻：按时间约束(天线2与信关站b建立链路后20s)，天线1与信关站断链，即完成馈电链路切换。整个过程不需借助于缓存，可确保用户通信不中断。
[0092]
图4为馈电切换的具体流程，主要步骤如下：
[0093]
(1)运控中心规划低轨卫星运行计划，确定卫星跨信关站馈电切换时刻和信关站位置；
[0094]
(2)低轨卫星进入国土范围，覆盖信关站a，低轨卫星第一馈电链路与信关站a建链，建立正常通信，保持凝视跟踪状态。信关站a根据任务规划通过馈电链路上注各信关站参数及低轨卫星跟踪信关站的起始时刻及切换时刻，同时通过地面系统向各信关站发送低轨卫星馈电天线参数、馈电切换时刻、信关站馈电波束指向信息；
[0095]
(3)卫星保持与信关站a通信，根据任务规划，卫星在t0时刻可同时覆盖信关站b，启动馈电切换流程。
[0096]
(4)第二馈电链路跟踪指向信关站b；卫星第二馈电链路与信关站b建链成功，并保持凝视跟踪状态。
[0097]
(5)地面系统根据第二馈电链路的建链情况，完成系统路由计算和路由表更新。信关站a所有路径切换至信关站b。
[0098]
(6)按时间约束(第二馈电链路与信关站b建立链路后20s)，第一馈电链路与信关站a断链，完成馈电链路切换。
[0099]
(7)卫星保持与信关站b通信，卫星可覆盖信关站c，启动馈电链路跟踪指向信关站c，重复步骤3-步骤6。
[0100]
图5为路由切换的具体流程，主要步骤如下：
[0101]
(5-1)信关站b(目的信关站)检测到目的卫星馈电波束；
[0102]
(5-2)信关站b(目的信关站)向天基网络控制器上报星地拓扑变化；
[0103]
(5-3)天基网络控制器进行星地路由计算，并对信关站a、b进行转发表配置；
[0104]
(5-4)信关站b(目的信关站)向卫星终端推送映射更新消息；
[0105]
(5-5)卫星终端向信关站b(目的信关站)回复映射更新响应；
[0106]
(5-6)信关站a所有路径切换至信关站b。
[0107]
总之，本发明通过卫星配置2套独立馈电链路载荷及通过星地协同的路由层切换，解决了卫星馈电链路切换信关站过程的中断、数据丢失、星地存储资源需求大及切换时延大问题。本发明可应用于低轨卫星组网系统，实现星地数据可靠交互，尤其适用于低轨卫星组网后的自主运行。
[0108]
本领域的技术人员应当理解，在本发明的技术方案的基础上进行修改或者等同替换，都不脱离本发明设计方法及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。同时，本发明未详细说明部分属本领域技术人员的公知常识。