CN105591685A - Vsat宽带卫星通信跨波束切换***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明关于一种VSAT宽带卫星通信跨波束切换***，其包括：波束地图集模块，用于生成波束地图集并存储；GPS数据模块，用于接收天线控制器/GPS接收机/北斗接收机发送来的实时GPS导航数据并存储；跨波束判断模块，根据波束地图、实时GPS导航数据、以及事先确定的跨波束判断算法，判断是否发生跨波束事件，并且当发生跨波束事件时，提取对应新卫星波束的参数；天线指向控制模块，其连接跨波束判断模块与天线控制器，用于根据跨波束判断模块的判断结果控制天线的指向。本发明可以应用于目前世界上大部分主流的VSAT卫星通信***，由于采用了独特的控制策略，可以避免在全球建设卫星主站，大大降低卫星通信运营商的建设成本。

Description

VSAT宽带卫星通信跨波束切换***及方法

技术领域

本发明是有关于VSAT宽带卫星通信技术领域，特别是关于一种用于解决航空器、船舶在全球漫游时，从一个卫星波束覆盖区漫游到另外一个卫星波束覆盖区，或者从一个卫星通信网覆盖区漫游到另外一个卫星通信网覆盖区的切换控制***及方法。

背景技术

传统的卫星通信不需要考虑波束切换。在过去几十年里，航空器和船舶在世界航行时主要依靠窄带的L波段海事卫星(INMARSAT)，或者C波段单路单载波(SCPC)卫星通信方式。由于海事卫星是全球覆盖，所以不存在波束切换问题。单路单载波通信时间通常较短，且C波段卫星覆盖通常是全球覆盖，因此对全球波束切换没有要求。但是随着Ku/Ka波段点波束卫星技术的发展，航空器和船舶在航行中需要在不同的卫星覆盖波束或者不同的卫星通信运营商覆盖区漫游，必须解决波束切换问题。

航空器和船舶在世界航行时，可能在同一卫星的不同波束覆盖区之间漫游，也可能在不同卫星的覆盖区之间漫游，也可能在同一卫星波束的不同卫星运营商范围之间漫游。不论如何，航空器和船舶都必须通过卫星与某一个卫星运营商的卫星主站建立联系，才能最终与通信目标建立联系。这类似于手机在同一城市不同基站之间、不同城市之间、以及不同国家运营商之间漫游。

目前全球主流的VSAT宽带卫星通信***对于全球漫游/波束切换并无有效的解决方案。特别是，世界所有VSAT设备厂家在进行卫星波束切换时，都要求各个卫星波束和各个卫星主站必须在同一个网管***管理下工作，否则就不能进行波束切换。这意味着，卫星终端无法在不同卫星运营商之间漫游，不同卫星运营商之间完全不能互享资源。例如，任何一个A国的卫星通信运行商，即使只有他的一个用户需要短期漫游到B国，该运营商也要在B国当地建设永久性卫星主站并长期租用当地的卫星资源；同样的，B国运营商也需要在A国建立自己的卫星主站，租用A国的卫星资源。这无疑造成巨大的资源浪费，给运营商带来巨大的成本压力。

由此可见，上述现有的VSAT宽带卫星通信***在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种VSAT宽带卫星通信跨波束切换***及方法，所要解决的技术问题是实现VSAT宽带卫星通信跨波束切换，避免在全球建设卫星主站，可以大大降低建设成本，有明显的经济效益。

本发明的目的是采用以下技术方案来实现的。本发明提供一种VSAT宽带卫星通信跨波束切换***，其包括：波束地图集模块，用于生成波束地图集并存储；GPS数据模块，其连接天线控制器/GPS接收机/北斗接收机，用于接收天线控制器/GPS接收机/北斗接收机发送来的实时GPS导航数据并存储；跨波束判断模块，其连接波束地图集模块与GPS数据模块，根据波束地图、实时GPS导航数据、以及事先确定的跨波束判断算法，判断是否发生跨波束事件，并且当发生跨波束事件时，提取对应新卫星波束的参数；天线指向控制模块，其连接跨波束判断模块与天线控制器，用于根据跨波束判断模块的判断结果控制天线的指向；卫星终端切换控制模块，其连接跨波束判断模块与卫星通信终端，用于根据跨波束判断模块的判断结果控制卫星通信终端的配置；卫星主站通信模块，通过卫星通信终端与卫星主站连接，建立卫星通信终端与卫星主站的通信。

本发明的目的还可采用以下技术措施进一步实现。

较佳的，前述的***，其还包括：卫星终端状态监测模块，其连接卫星通信终端和卫星主站通信模块，用于自动监测记录卫星通信终端的工作状态和数据，并将卫星通信终端的工作状态和数据送回卫星主站。

较佳的，前述的***，其中所述的卫星通信终端的工作状态和数据包括卫星通信终端的收发信号质量、频率、符号率、Ip路由配置、主站配置文件下载状态、波束切换状态、卫星终端异常状态代码和异常状态描述。

较佳的，前述的***，其中该***安装于所述的天线控制器内部，并且运行于独立的嵌入式***。

较佳的，前述的***，其中所述的提取对应新卫星波束的参数包括载波频率、载波符号率、极化、卫星信标频率、IP路由配置信息。

本发明的目的还采用以下技术方案来实现。本发明提供一种利用上述***实现VSAT宽带卫星通信跨波束切换的方法，其包括以下步骤：步骤S1，跨波束判断模块根据波束地图、实时GPS导航数据、以及事先确定的跨波束判断算法，判断是否发生跨波束事件；步骤S2，当发生跨波束事件时，跨波束判断模块提取对应新卫星波束的参数；步骤S3，天线指向控制模块控制天线转向新卫星；步骤S4，卫星终端切换控制模块清除卫星通信终端当前所有配置，并按照新卫星波束的参数更改卫星通信终端的参数；步骤S5，卫星通信终端按照新卫星波束的参数与卫星主站建立初始通信，并进一步接收来自卫星主站的新卫星波束全部配置数据；步骤S6，卫星终端切换控制模块调整、标校卫星通信终端的参数。

本发明的目的还可采用以下技术措施进一步实现。

较佳的，前述的方法，其中在步骤S1之前还包括根据全球卫星覆盖区域以及中国卫星运行网覆盖的分析，利用图形化软件工具编辑波束地图的步骤。

较佳的，前述的方法，其中步骤S6包括：调整卫星通信终端的发射参数，建立与卫星主站的回传信道；对卫星通信终端在新主站/新卫星/新卫星波束条件下重新标校时间同步和频率同步；标校卫星通信终端发射功率；卫星通信终端从卫星主站获取新***的秘钥、带宽池分配、QoS计划、IP路由配置；卫星通信终端接收卫星主站发送的所有参数。

借由上述技术方案，本发明VSAT宽带卫星通信跨波束切换***及方法至少具有下列优点及有益效果：

一、本发明作为一个独立***，根据GPS导航数据，采用高效的算法，判断航空器、船舶在航行中是否跨越不同的卫星波束，可以控制卫星通信终端在完全独立的卫星通信网之间切换，而无需假定这些卫星通信网在一个统一网管的管理之下工作。并且从外部控制卫星通信终端完成波束切换全部过程，无需更改目前使用中的卫星通信终端，卫星运营商也无需更改卫星主站设备，避免重复投资。

二、本发明采用常规的新用户入网注册方式实施波束切换，所以即使没有“动中通”功能的卫星通信终端也可以实现波束切换，大大拓展了本发明的适用范围。

三、本发明采用简洁的软件架构即可实现波束边界判断，因此可以降低对硬件的要求，运行更加稳定，本发明可以在普通的嵌入式***运行。

四、本发明通过卫星链路连接到卫星主站，可以在卫星主站远程管理在世界各地漫游的卫星通信终端，也可以动态更改波束地图和波束切换策略。

五、本发明除了作为卫星波束切换控制***之外，还提供了对卫星终端远程监测管理的功能，考虑到全球漫游的航空器/轮船远离本土大陆，在卫星通信终端出现故障时技术人员无法立即到现场，所以本发明增加了对卫星通信终端工作状态监测功能，包括卫星通信终端的收发信号质量、频率、Ip路由配置、波束切换状态，从而为卫星终端远程故障诊断提供依据。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明的VSAT宽带卫星通信跨波束切换***的***结构框图。

图2是本发明的VSAT宽带卫星通信跨波束切换方法的步骤框图。

图3是本发明使用的跨波束判断算法的示意图。

【主要元件符号说明】

1：波束地图集模块2：GPS数据模块

3：跨波束判断模块4：天线指向控制模块

5：卫星终端切换控制模块6：卫星主站通信模块

7：卫星终端状态监测模块8：卫星通信终端

9：卫星主站100：跨波束切换***

a～1、P1、P2、P3：点A、B、C：波束区域

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种VSAT宽带卫星通信跨波束切换***及方法的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

请参阅图1，是本发明的一种VSAT宽带卫星通信跨波束切换***100的结构框图，其包括：

波束地图集模块1，用于生成波束地图集并存储，具体的，是利用图形化软件工具编辑波束地图，生成波束地图集并存储。

GPS数据模块2，其连接天线控制器10(或独立的GPS接收机或北斗接收机，为了描述方便，图1采用天线控制器10进行举例说明)，具体的，可通过LAN端口或者RS232串口与天线控制器10连接，用于接收天线控制器10/GPS接收机/北斗接收机发送来的实时GPS导航数据(例如每秒1点)并存储。

跨波束判断模块3，其连接波束地图集模块1与GPS数据模块2，用于根据波束地图、实时GPS导航数据、以及事先确定的跨波束判断算法，判断是否发生跨波束事件。当发生跨波束事件时，跨波束判断模块3提取对应新卫星波束的参数，例如新卫星波束的载波频率、载波符号率、极化、卫星信标频率、IP路由配置等信息。

对中国、欧洲、美洲、非洲等区域性卫星覆盖区域进行分析，以及对中国卫星运行网覆盖进行分析，得出结论是主要覆盖区边界基本平滑，没有复杂的边界形状，因此可以含弃繁琐的波束边界判断逻辑，利用简洁的软件架构即可实现波束边界判断。

请参阅图3，是本发明使用的跨越波束判断算法的一实施例的示意图。在本发明中，也可采用除图3以外的其他算法，只要能够实现跨越波束判断即可，本发明并不限制跨越波束判断的算法类型。在图3中，点a、b、c、d、e、f围成一个有效波束区域A，在区域A内部，由点g、h、i、c围成的区域C不属于区域A，由点i、j、k、l围成的区域B也不属于区域A。判断点P1、P2、P3是否属于区域A，只需要分别从点P1、P2、P3出发做水平横线(如图3中的水平虚线)，并计算该横线穿越边界的次数。如果穿越次数为奇数，则该点属于区域A(没有发生跨波束事件)，否则该点不属于区域A(发生了跨波束事件)。在图3中，点P1和P3穿越边界的次数为奇数(分别为1次和3次)，因此属于区域A，没有发生跨波束事件；点P2穿越边界的次数为偶数(2次)，因此不属于区域A，发生了跨波束事件。

天线指向控制模块4，其连接跨波束判断模块3与天线控制器10，用于根据跨波束判断模块3的判断结果控制天线的指向。当判断发生了跨波束事件时，控制天线指向新的卫星，并锁定新卫星波束的载波信号。

卫星终端切换控制模块5，其连接跨波束判断模块3与卫星通信终端8，用于根据跨波束判断模块3的判断结果控制卫星通信终端8的配置。具体的，可通过LAN端口与卫星通信终端8连接，当判断发生了跨波束事件时，卫星终端切换控制模块5清除卫星通信终端8当前所有配置，并按照新卫星波束的参数更改卫星通信终端8的参数，向卫星通信终端8发出波束切换控制参数。

卫星主站通信模块6，通过卫星通信终端8与卫星主站9连接，建立卫星通信终端8与卫星主站9的通信，接收卫星主站9各种监测指令或者状态更新数据。

卫星终端状态监测模块7，其连接卫星主站通信模块6和卫星通信终端8，用于自动监测记录卫星通信终端8的工作状态和数据，卫星主站通信模块6接收卫星终端状态监测模块7送来的卫星通信终端8的工作状态和数据，并将这些数据通过卫星通信终端8转发给卫星主站9。考虑到全球漫游的航空器/轮船远离本土大陆，在卫星通信终端8出现故障时技术人员无法立即到现场，所以本发明增加了对卫星通信终端8工作状态监测功能，包括卫星通信终端8的收发信号质量、频率、符号率、Ip路由配置、主站配置文件下载状态、波束切换状态、卫星终端异常状态代码和异常状态描述，从而为卫星通信终端8远程故障诊断提供依据。这些监测数据可以通过卫星主站通信模块6和卫星通信终端8传送回卫星主站9，供主站控制人员分析监测。

本发明的VSAT宽带卫星通信跨波束切换***作为卫星通信终端8全球漫游的控制***，通常运行于嵌入式***，与卫星通信终端8以及动中通天线一起安装在航空器或者船舶上，协调工作。此外，本发明也可以安装于天线控制器10的内部。请参阅图2，其为本发明的利用图1所示的***实现VSAT宽带卫星通信跨波束切换的方法，其包括以下步骤：

步骤S1，跨波束判断模块根据波束地图、实时GPS导航数据、以及事先确定的跨波束判断算法，判断是否发生跨波束事件；

具体的，在步骤S之前，利用图形化软件工具编辑波束地图，生成波束地图集并存储在波束地图集模块。

波束地图的具体制作方法如下：根据卫星转发器供应商(SatelliteOperator)提供的卫星波束覆盖图，对所关心的覆盖区域进行数字化(注意每个覆盖区必须是封闭的多边形)，用多边形近似取代原始的卫星覆盖图，并将多边形顶点地理坐标(经纬度)以下述格式记录为文本文件，每个波束一行：

波束名称1，顶点数，顶点1经度，顶点1纬度，顶点2经度，顶点2纬度，......，顶点n1经度，顶点n1纬度；

波束名称2，顶点数，顶点1经度，顶点1纬度，顶点2经度，顶点2纬度，......，顶点n2经度，顶点n2纬度；

波束名称3，顶点数，顶点1经度，顶点1纬度，顶点2经度，顶点2纬度，......，顶点n3经度，顶点n3纬度；

随后，利用图形工具，输入上述文本文件，图形工具自动生成波束覆盖区图形(即波束地图集)，供核实和编辑。

在步骤S1中，根据波束地图和天线控制器转发来的实时GPS导航数据判断是否发生跨波束事件，是根据设定的波束切换策略，每秒一次判断是否发生跨波束事件。经过对中国、欧洲、美洲、非洲等区域性卫星覆盖区域进行分析，以及对中国卫星运行网覆盖进行分析，得出结论是主要覆盖区边界基本平滑，没有复杂的边界形状，因此可以舍弃繁琐的波束边界判断逻辑，利用简洁的软件架构即可实现波束边界判断。

本发明使用的跨越波束判断算法请参阅图3，在前述内容中已经举例详细说明，在此不再赘述。

步骤S2，当确认发生跨波束事件时，跨波束判断模块提取对应新卫星波束的参数；

具体的，当判断发生跨波束事件时，跨波束判断模块提取对应新卫星波束的参数，例如新卫星波束的载波频率、载波符号率、卫星信标频率、极化、IP路由配置等信息。

步骤S3，天线指向控制模块控制天线转向新卫星。根据天线的接口要求，本发明将新卫星波束的载波频率、载波符号率、卫星信标频率、卫星信号极化等数据传送给天线，天线根据这些数据转向新的卫星，自动搜索新的卫星下行信号。天线指向控制模块自动监测天线的搜索过程，当天线锁定新卫星波束时，转入步骤S4。

步骤S4，卫星终端切换控制模块清除卫星通信终端当前所有配置，并按照新卫星波束的参数更改卫星通信终端的参数，向卫星通信终端发出波束切换控制参数。

步骤S5，卫星通信终端按照新卫星波束的参数与卫星主站建立初始通信，并进一步接收来自卫星主站的新卫星波束全部配置数据。具体的，卫星通信终端接收到本发明送来的新卫星波束参数后，首先根据频率、符号率、极化搜索新卫星波束的下行信号，建立与新卫星下行信号的同步，并从中提取主站广播的***信息，这些信息中包括卫星通信终端允许使用的发射频率、符号率等信息。卫星通信终端利用接收到的主站***信息，建立卫星上行信道，并向卫星主站发出本卫星通信终端的注册信息。卫星主站接收到卫星通信终端的注册信息后，建立与卫星通信终端正式通信信道。

步骤S6，卫星终端切换控制模块调整、标校卫星通信终端的参数。

具体的，步骤S6包括：调整卫星通信终端的发射参数，用大尺寸时间片尝试建立与卫星主站的回传信道；对卫星通信终端在新主站/新卫星/新卫星波束条件下重新标校时间同步和频率同步；标校卫星通信终端发射功率；卫星通信终端从卫星主站获取新***的秘钥、带宽池分配、QoS计划、IP路由配置；卫星通信终端接收卫星主站发送的所有参数。这些参数是卫星通信终端作为新用户注册加入时，卫星主站必须提供并自动传送给相关卫星通信终端的。

一个卫星通信运营商可能建有1个或者多个卫星主站，这些卫星主站可能分布在世界各地。一个运营商的多个卫星主站可能由一个网管***统一管理(多个主站之间用光纤连接)，也可能互为独立。任何一个卫星通信终端都必须首先在某个卫星主站注册，才能与该主站进行通信，进而与***内或者***外的其他用户通信。由于所有***都支持新用户入网注册，所以目标覆盖区和目标主站可以是完全独立的运行商。本发明中，航空器/轮船漫游到外国波束覆盖时，只需要作为临时新用户注册加入对方网络就可以保持通信正常。

如果上述某一步控制出现异常，择情重新开始或者返回上述某一中间步骤。

最后，本发明自动核实切换过程是否全部正确完成，以保证波束顺利切换、***正常工作。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种VSAT宽带卫星通信跨波束切换***，其特征在于包括：

波束地图集模块，用于生成波束地图集并存储；

GPS数据模块，其连接天线控制器/GPS接收机/北斗接收机，用于接收天线控制器/GPS接收机/北斗接收机发送来的实时GPS导航数据并存储；

跨波束判断模块，其连接波束地图集模块与GPS数据模块，根据波束地图、实时GPS导航数据、以及事先确定的跨波束判断算法，判断是否发生跨波束事件，并且当发生跨波束事件时，提取对应新卫星波束的参数；

天线指向控制模块，其连接跨波束判断模块与天线控制器，用于根据跨波束判断模块的判断结果控制天线的指向；

卫星终端切换控制模块，其连接跨波束判断模块与卫星通信终端，用于根据跨波束判断模块的判断结果控制卫星通信终端的配置；

卫星主站通信模块，通过卫星通信终端与卫星主站连接，建立卫星通信终端与卫星主站的通信。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于还包括：卫星终端状态监测模块，其连接卫星通信终端和卫星主站通信模块，用于自动监测记录卫星通信终端的工作状态和数据，并将卫星通信终端的工作状态和数据送回卫星主站。

3.根据权利要求2所述的***，其特征在于所述的卫星通信终端的工作状态和数据包括卫星通信终端的收发信号质量、频率、符号率、Ip路由配置、主站配置文件下载状态、波束切换状态、卫星终端异常状态代码和异常状态描述。

4.根据权利要求1所述的***，其特征在于该***安装于所述的天线控制器内部，并且运行于独立的嵌入式***。

5.根据权利要求1所述的***，其特征在于所述的提取对应新卫星波束的参数包括载波频率、载波符号率、极化、卫星信标频率、IP路由配置信息。

6.一种利用权利要求1所述的***实现VSAT宽带卫星通信跨波束切换的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤S1，跨波束判断模块根据波束地图、实时GPS导航数据、以及事先确定的跨波束判断算法，判断是否发生跨波束事件；

步骤S2，当发生跨波束事件时，跨波束判断模块提取对应新卫星波束的参数；

步骤S3，天线指向控制模块控制天线转向新卫星；

步骤S4，卫星终端切换控制模块清除卫星通信终端当前所有配置，并按照新卫星波束的参数更改卫星通信终端的参数；

步骤S5，卫星通信终端按照新卫星波束的参数与卫星主站建立初始通信，并进一步接收来自卫星主站的新卫星波束全部配置数据；

步骤S6，卫星终端切换控制模块调整、标校卫星通信终端的参数。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于在步骤S1之前还包括根据全球卫星覆盖区域以及中国卫星运行网覆盖的分析，利用图形化软件工具编辑波束地图的步骤。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于步骤S6包括：调整卫星通信终端的发射参数，建立与卫星主站的回传信道；对卫星通信终端在新主站/新卫星/新卫星波束条件下重新标校时间同步和频率同步；标校卫星通信终端发射功率；卫星通信终端从卫星主站获取新***的秘钥、带宽池分配、QoS计划、IP路由配置；卫星通信终端接收卫星主站发送的所有参数。