CN110212969A - 一种信标测控和信关融合的低轨星座接入与控制*** - Google Patents

Abstract

本发明***标测控和信关融合的低轨星座接入与控制***，包括用户站、信关站、卫星平台、通信载荷和测控信标一体机；测控信标一体机持续发射信标单音信号和星历信息；用户站和信关站接收信标单音信号和星历信息并控制各自天线指向通信载荷，缩短了用户接入的时间；信关站检测信标信号信噪比，判断通信载荷和信关站之间的馈电链路无线信道条件的变化，并据此变化生成对通信载荷增益控制的指令并发送给测控信标一体机；信关站计算通信载荷馈电天线开关切换时间并将其转换为开关控制指令发送给测控信标一体机；测控信标一体机将收到的指令转发给卫星平台；卫星平台执行对通信载荷的增益控制和开关控制，实现馈电链路的精准切换和信道变化快速响应。

Description

一种信标测控和信关融合的低轨星座接入与控制***

技术领域

本发明属于卫星通信的技术领域，具体涉及一种信标测控和信关融合的低轨星座接入与控制***。

背景技术

在低轨宽带卫星通信***中，卫通终端波束角通常较小(低于10°)，很难直接对准卫星，即使通过空域搜索+信号搜索(单脉冲跟踪)的方法，也需要较长的时间(长达数分钟，由于卫星移动，甚至可能找不到卫星)，不能满足用户快速接入的要求。在初始对准方面，传统卫通***设计中，信标机本身仅仅是一个标准单音信号，并不包含卫星星历等信息。实际上，目前还没有在轨的低轨宽带通信卫星，没有具体的实施方法。

卫星业务测控用于控制通信载荷在轨工作模式，包括对通信载荷的天线切换等实施指令控制、对卫星进行软件更新等。信关站用于实施对卫通终端的管理、传输用户的业务，并与卫星天线共同完成馈线链路切换。通常低轨宽带卫通***中，业务测控与信关站功能分离、物理实体分离，在一些精度要求高、实时性要求强的载荷控制方面缺乏优势，主要带来的问题包括：业务测控和信关站分离，导致控制指令存在较大的延时，进而导致时间控制精度较差，用户掉线率大大升高，当信道条件发生变化时，响应速度慢，也将导致速率降低甚至掉线。

在传统设计中，信标、星上测控、地面测控、地面信关站4个部分分别设计实施，没有相互融合，其结果是代价高(星上两套设备)、精度差(控制指令延时大)、接入慢(搜索时间长)。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种信标测控和信关融合的低轨星座接入与控制***，能够实现用户站快速对准卫星，并且将地面测控与信关站融合设计，实现信关站对通信载荷准实时、精确控制的同时降低地面终端代价。

实现本发明的技术方案如下：

一种信标测控和信关融合的低轨星座接入与控制***，包括用户站、信关站、卫星平台、通信载荷和测控信标一体机；

卫星平台将自身GPS信息、卫星编号和卫星姿态标志位发给测控信标一体机；

测控信标一体机将接收到的GPS信息、卫星编号和卫星姿态标志位融合为星历信息，持续发射信标单音信号和星历信息；

用户站和信关站根据需要接收信标单音信号和星历信息，并结合自身定位和姿态信息得到各自的天线指向并控制各自天线指向通信载荷；

当信关站天线指向通信载荷后，信关站检测信标信号信噪比，根据信噪比判断通信载荷和信关站之间的馈电链路无线信道条件的变化，并据此变化生成对通信载荷增益控制的指令并发送给测控信标一体机；所述信标信号包括信标单音信号和星历信息；

当信关站天线指向通信载荷后，信关站根据自身位置分布计算通信载荷馈电天线开关切换的时间并将其转换为开关控制指令，然后发送给测控信标一体机；

测控信标一体机将收到的指令转发给卫星平台；

卫星平台执行对通信载荷的增益控制指令和开关控制指令；

通信载荷受增益控制指令的控制调整自身增益控制模块的衰减量，并根据开关切换指令切换馈电天线。

进一步地，所述测控信标一体机包括星载信号处理机、发射机和天线，卫星平台上的卫星导航接收机和星载信号处理机线缆连接，星载信号处理机将导航接收机传来的自身GPS信息、卫星编号和卫星姿态标志位转换格式为星历信息，并对星历信息进行编码后调制到选定频点发送给发射机，星载信号处理机还输出信标单音信号，与调制信号频率存在间隔地发送给发射机，发射机将接收到的调制信号和信标单音信号放大并发送给天线，天线将接收到的信号辐射出去。

进一步地，所述通信载荷馈电天线开关为铁氧体开关。

进一步地，当信关站天线指向通信载荷后，若通信载荷馈电天线开关的响应时间大于星地时分通信协议的时隙间保护间隔：信关站选定一个时隙或帧用于切换，一方面后续分配资源时剔除该时隙或帧，一方面将该时间信息转换为测控指令发送给测控信标一体机；若通信载荷馈电天线开关的响应时间小于或等于所述时隙间保护间隔：信关站分配用户频率和时隙资源，信关站在分配资源时保证所有频率的时隙和帧对齐；选定一个保护间隔或一个时隙或一帧用于切换，并将该时间信息转换为测控指令发送给测控信标一体机。

有益效果：

1、本发明***中的测控信标一体机有别于传统信标机，将传统的信标机、星上业务测控融合为一体，减少了星上硬件进而降低代价，其发射的信号中还包含了卫星实时星历信息，有助于大幅缩短用户接入时间。

2、本发明***中将地面业务测控和信关站融合，有别于传统业务测控和信关站资源分配各自独立开展的情况，有助于实现馈电链路的精准切换和信道变化快速响应。

附图说明

图1为本发明***示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种信标测控和信关融合的低轨星座接入与控制***，包括用户站、信关站、卫星平台、通信载荷和测控信标一体机；测控信标一体机有别于传统信标机，其发射的信号中还包含了卫星实时星历信息，有助于大幅缩短用户接入时间；本发明***有别于传统信标机、业务测控完全不相关的情况，有助于减少星上硬件进而降低成本；本发明***中将业务测控和信关站融合，有别于传统业务测控和信关站资源分配各自独立开展的情况，有助于实现馈线链路的精准切换和信道变化快速响应。

本发明***具体如下：

如图1所示，一种信标测控和信关融合的低轨星座接入与控制***，包括用户站、信关站、卫星平台、通信载荷和测控信标一体机；

卫星平台保障通信载荷的供电、监测通信载荷的状态，实施对通信载荷的热控，卫星平台将自身GPS信息发给测控信标一体机，通信载荷接收用户站的信号，并透明转发给信关站，接收信关站的信号，并透明转发给用户站；并时刻接受卫星平台的控制。

卫星平台将自身GPS信息、卫星编号和卫星姿态标志位发给测控信标一体机；

测控信标一体机将接收到的GPS信息、卫星编号和卫星姿态标志位融合为星历信息，持续发射信标单音信号和星历信息；

对于信标单音信号和星历信息：选定一个与通信卫星业务频段相近的频点，卫星信标机发射该频点的单音信号，卫通终端、信关站均可以根据该信号强度确定卫星的大致位置、测定信道条件，即为信标。卫星星历信息包括多种表达形式：①时间、位置矢量坐标和速度矢量坐标共7个参数；②时间、半长轴、偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角、真近点角/平近点角。卫星通常携带导航接收机，从导航接收机获得自身的定位、速度及其对应的时间信息，将这些信息进行格式转换、编码后，用测控信标一体机的频率作为载波进行调制后发射出去，地面卫通终端接收到该信号后，可进行解调、解码，从而获得卫星的准确位置。卫通终端基于该准确位置，同时提取出自身携带的定位装置、姿态测量装置中的数据，解算出天线的指向矢量，即可控制天线指向卫星。由于测控信标一体机发射卫星星历信息的周期短(例如可设置为1s一个周期)，终端解算快(公式简单、计算量小)，并可通过软件算法消除传输、处理的时间差，因而终端将快速、准确指向卫星当前位置。

通常信标机和业务测控终端均包含信号处理机、发射机、天线三个主要部分，测控终端的信号选择与信标机的信号相近(也可相同)的频段，本发明采用测控信标一体机完成信标信息和业务测控信息的处理，采用同一个发射机发射两个信号，采用同一个天线发射两个信号，实现硬件共用。为实现两个信号的区分，两个信号可采用相近频段进行频率隔离(由于星历信息量小、测控信息量小，占用带宽均很窄，因而发射机、天线的带宽能够兼容两个信号)，也可采用同一个频段进行码分隔离，信标信号和测控信号采用不同的扩频码进行区分。

用户站和信关站根据需要接收信标单音信号和星历信息，并结合自身定位和姿态信息得到各自的天线指向并控制各自天线指向通信载荷，即具备了用户站和信关站之间通信的条件。

当信关站天线指向通信载荷后，信关站接收信标信号并检测信标信号信噪比，根据信噪比判断通信载荷和信关站之间的馈电链路无线信道条件的变化，并据此变化生成对通信载荷增益控制的指令，并通过信关站的测控通道发送给测控信标一体机；所述信标信号包括信标单音信号和星历信息。

当信关站天线指向通信载荷后，信关站根据自身位置分布计算通信载荷馈电天线开关切换的时间并将其转换为控制指令，然后通过信关站的测控通道发送给测控信标一体机。

在通信载荷馈电链路天线切换时，必须采用开关从天线A切换到天线B，开关的反应延时将导致信号中断。为避免该问题，在信关站进行用户通信资源分配时，需要为馈电天线切换预留一定的时间(根据开关反应时间长短，信关站选择在资源分配时指定数个时隙或通信帧不用于通信而用于天线切换)。由于低轨卫星与信关站的连通时间复杂，长时间预报准确度较低，因而需要采用信关站临时指定、业务测控快速准确实施的方式。

本发明中，若业务测控和信关站频率相隔较远，业务测控站和信关站共址建设，通过线缆直接连接，中间不再增设任何的网关设施和人为确认等环节，若业务测控和信关站频率相近，业务测控和信关站还可共用天线、馈源、发射机、处理机等所有部分，软件处理过程中同样不增设网关、人为确认等环节，进一步缩短测控和信关站资源分配之间的时延。信关站在进行通信资源分配时指定用于馈线天线的切换时间段后立即通过信关站的测控通道发给测控信标一体机，测控信标一体机将收到的指令转发给卫星平台，卫星平台即时响应，在指定的时间内准确执行控制指令。

在卫星通信***通信协议设计和卫星馈线天线开关设计时，需要采用能够快速、准确切换的开关(本发明建议优选采用铁氧体开关)。在通信协议设计时需要与开关的开关时间进行匹配，例如若采用的开关响应时间为十微秒以内，则可在通信协议的帧间保护时间内进行开关切换，若采用的开关响应时间为毫秒级，则可在通信协议中指定一些时隙或帧(具体选择需要根据帧结构设计中时隙长短、帧长短进行设定)用以进行开关切换。

测控信标一体机将受到的指令转发给卫星平台，卫星平台执行对通信载荷的增益控制指令和开关控制指令，通信载荷受增益控制指令的控制调整自身增益控制模块的衰减量，并根据开关切换指令切换馈电天线。

(1)设计信标和测控融合的单机

选定星历格式，选定测控体制，估计数据速率，根据天线增益要求、覆盖要求、传输距离等完成链路预算，基于此确定需要的带宽、调制解调方式、编解码方式等，完成频率排布，为信标信号、测控信号、单音信号选定频点。

开发一个星载信号处理机，将卫星导航接收机与该信号处理机直接线缆连接，星载信号处理机将导航接收机传来的卫星位置、速度、时间信息进行格式转换，转换为选定的星历格式。对星历数据进行编码(若还有其它需要广播的数据，也可顺序加入到星历数据后面)，处理机将编码后的数据调制到选定频点后发送给发射机进行放大，放大后的信号送到天线进行辐射。在处理机输出调制信号的同时，还输出一个单音信号，与调制信号频率存在一定间隔，共同输出到发射机、天线。

信号处理机对测控指令、遥测参数进行处理，对于发射链路，将遥测信息编码后，调制到选定的频点后与前述星历信号、单音信号共同通过发射机送到天线辐射出去，对于接收链路，将来自天线、接收机的信号进行解调、解码后传输给星载计算机或者通信载荷管理单元进行处理。

(2)设计精准的馈线天线切换和响应机制

完成馈线侧空口通信协议设计，确定时隙间保护间隔、帧间保护间隔，确定时隙长度、帧长度等基本信息。

选定卫星馈线天线开关，本发明建议选择铁氧体开关，测试其开关响应时间，例如铁氧体开关时间低于10微秒。

若采用的开关响应时间大于时隙间保护间隔：当信关站预测未来短时间内(最短秒级)需要馈线天线切换，选定一个时隙或帧用于切换，一方面后续分配资源时剔除该时隙或帧，一方面将该时间信息转换为测控指令，通过业务测控通道发送到测控信标一体机，测控信标一体机解调解码后将其传输给卫星平台或通信载荷控制单元，卫星平台或通信载荷控制单元接收到该时间信息后，将对应时间的处理线程留出，等待时间到后准确执行。

若采用的开关响应时间小于等于时隙间保护间隔：信关站分配用户频率和时隙资源，信关站在分配资源时保证所有频率的时隙和帧对齐。当预测未来短时间内(最短秒级)需要馈线天线切换，选定一个保护间隔或一个时隙或一帧用于切换，将该时间信息转换为测控指令，通过业务测控通道发送到测控信标一体机，测控信标一体机解调解码后将其传输给卫星平台或通信载荷控制单元，卫星平台或通信载荷控制单元接收到该时间信息后，将对应时间的处理线程留出，等待时间到后准确执行。

馈线链路连通、信关站工作时，信关站接收机可通过接收到的信噪比变化情况，实时判断馈线链路信道条件情况，判断是否需要进行功率控制、是否需要对通信载荷的可变衰减器进行增益控制，当需要对卫星载荷进行增益控制时，可即刻生成遥控指令，通过测控通道即刻上注卫星执行，达到快速响应信道条件变化的目标，从而应对雨衰、云雾遮挡等时变场景。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种信标测控和信关融合的低轨星座接入与控制***，其特征在于，包括用户站、信关站、卫星平台、通信载荷和测控信标一体机；

卫星平台将自身GPS信息、卫星编号和卫星姿态标志位发给测控信标一体机；

测控信标一体机将接收到的GPS信息、卫星编号和卫星姿态标志位融合为星历信息，持续发射信标单音信号和星历信息；

用户站和信关站根据需要接收信标单音信号和星历信息，并结合自身定位和姿态信息得到各自的天线指向并控制各自天线指向通信载荷；

当信关站天线指向通信载荷后，信关站检测信标信号信噪比，根据信噪比判断通信载荷和信关站之间的馈电链路无线信道条件的变化，并据此变化生成对通信载荷增益控制的指令并发送给测控信标一体机；所述信标信号包括信标单音信号和星历信息；

当信关站天线指向通信载荷后，信关站根据自身位置分布计算通信载荷馈电天线开关切换的时间并将其转换为开关控制指令，然后发送给测控信标一体机；

测控信标一体机将收到的指令转发给卫星平台；

卫星平台执行对通信载荷的增益控制指令和开关控制指令；

通信载荷受增益控制指令的控制调整自身增益控制模块的衰减量，并根据开关切换指令切换馈电天线。

2.如权利要求1所述的一种信标测控和信关融合的低轨星座接入与控制***，其特征在于，所述测控信标一体机包括星载信号处理机、发射机和天线，卫星平台上的卫星导航接收机和星载信号处理机线缆连接，星载信号处理机将导航接收机传来的自身GPS信息、卫星编号和卫星姿态标志位转换格式为星历信息，并对星历信息进行编码后调制到选定频点发送给发射机，星载信号处理机还输出信标单音信号，与调制信号频率存在间隔地发送给发射机，发射机将接收到的调制信号和信标单音信号放大并发送给天线，天线将接收到的信号辐射出去。

3.如权利要求1所述的一种信标测控和信关融合的低轨星座接入与控制***，其特征在于，所述通信载荷馈电天线开关为铁氧体开关。

4.如权利要求1所述的一种信标测控和信关融合的低轨星座接入与控制***，其特征在于，当信关站天线指向通信载荷后，若通信载荷馈电天线开关的响应时间大于星地时分通信协议的时隙间保护间隔：信关站选定一个时隙或帧用于切换，一方面后续分配资源时剔除该时隙或帧，一方面将该时间信息转换为测控指令发送给测控信标一体机；若通信载荷馈电天线开关的响应时间小于或等于所述时隙间保护间隔：信关站分配用户频率和时隙资源，信关站在分配资源时保证所有频率的时隙和帧对齐；选定一个保护间隔或一个时隙或一帧用于切换，并将该时间信息转换为测控指令发送给测控信标一体机。