一种卫星通信系统的高效接入与通信方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及卫星通信领域，公开了一种卫星通信系统的高效接入与通信方法及系统，其技术方案要点是：包括如下步骤：终端通过宽波束接入卫星实现星地通信连接，并对星地通信进行时间同步；终端通过宽波束完成的星地通信连接建立跳波束的星地通信连接；对通过跳波束完成的星地通信连接进行时间同步；根据终端和卫星的运动位置变化，对跳波束和宽波束进行波位切换，在采用了高增益跳波束实现大容量通信时，提高资源利用率，缩短了终端的接入时间。

【技术实现步骤摘要】
一种卫星通信系统的高效接入与通信方法及系统
本专利技术涉及卫星通信领域，更具体地说，它涉及一种卫星通信系统的高效接入与通信方法及系统。
技术介绍
随着通信卫星需求的不断增加，为提升卫星系统通信容量，现代卫星采用大量点波束替代宽波束覆盖，以实现频率的空间复用及波束增益提升，从而有效提升系统整体通信容量，但这种固定点波束技术随着点波束数量的增加，星上硬件实现的复杂度和代价急剧增大，跳波束卫星通信技术则有效的解决了这个矛盾，也越来越多的得到应用。跳波束卫星通信是一种有效提高卫星系统资源使用效率的通信技术，与传统的固定波束通信方式不同，跳波束通信以时分的形式，在卫星覆盖范围内按照业务需求高速动态的调整波束方向。跳波束可以根据卫星不同区域的不同业务需求量，合理分配波束资源，当某一区域业务量大时，可以分配多个时隙的波束资源，当业务量小时，可以相应减少该区域的波束时隙，由此来提高整个系统的资源使用效率。现有的面向跳波束卫星通信系统的资料相对较少，地面移动通信系统中的跳波束技术结合了其特殊的系统结构和应用背景，不适合卫星系统的应用。现有CN110518956A、CN110996394A等文献研究的是跳波束卫星通信下的信道资源分配问题，而CN110289901A则是研究了基于跳波束内上下行链路如何星地同步的问题，该方法基于每个跳波束内周期广播时间同步信息和波束跳变计划信息，实现星地时间同步。现有基于每个跳波束内实现星地同步与终端接入的方法，面临几个问题：（1）需要在每个波位（跳波束每次跳变覆盖的区域）周期性广播时间同步和波束跳变计划信息，当跳波束覆盖的波位数量越多时，总的开销越大，降低了资源利用率；（2）终端需要与卫星进行多次交互才能实现星地同步与通信，而跳波束是在一定时间周期内才能覆盖每个波位一次，当跳波束覆盖的波位数量越多时，终端完成星地同步的时间越长；（3）即使有的波位上没有终端通信需求，仍然需要周期性覆盖这些波位并广播时间同步信息和波束跳变计划信息，以保证终端的同步以及随时可能出现的通信需求，这也降低了资源利用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种卫星通信系统的高效接入与通信方法及系统，在采用了高增益跳波束实现大容量通信时，提高资源利用率，缩短了终端的接入时间。本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种卫星通信系统的高效接入与通信方法，包括如下步骤：终端通过宽波束接入卫星实现星地通信连接，并对星地通信进行时间同步；终端通过宽波束完成的星地通信连接建立跳波束的星地通信连接；对通过跳波束完成的星地通信连接进行时间同步；根据终端和卫星的运动位置变化，对跳波束和宽波束进行波位切换。作为本专利技术的一种优选技术方案，所述终端通过宽波束接入卫星实现星地通信连接，并对星地通信进行时间同步，包括：宽波束管理单元生成上下行帧结构，在下行帧的广播信道中周期性插入时间同步信息发送到终端；终端通过监听宽波束的广播信道获得时间同步信息和上行同步时隙，并根据时间同步信息、上行同步时隙以及星地传输时延计算出上行信号的发送时刻，并于上行信号发送时刻在上行同步时隙中发送同步校准信号；宽波束管理单元接收到终端发出的同步校准信号，测量终端同步校准信号到达时刻与星上对应同步时隙之间的偏差，并将偏差值插入下行帧结构中发送；终端收到星上反馈的同步偏差后，调整上行同步时隙发送时刻后再发送同步校准信号，直到宽波束管理单元判断终端的同步偏差小于预设门限，星地通信的时间同步完成。作为本专利技术的一种优选技术方案，所述终端通过宽波束完成的星地通信连接建立跳波束的星地通信连接，包括：终端通过宽波束的上行信令时隙发送通信建链申请，同时上报终端位置信息；宽波束管理单元将终端建链申请和终端位置信息上报系统资源管理单元，系统资源管理单元根据终端位置信息计算终端所在跳波束波位，根据当前资源占用情况，在可用资源中分配跳波束时隙资源，并生成新的时隙资源分配表下发给宽波束管理单元和跳波束管理单元；宽波束管理单元将时隙资源分配表通过下行信令信道下发到终端，终端按照时隙分配表，在分配的频率和时隙上收发数据；跳波束管理单元根据时隙资源分配表，生成跳变计划，并控制跳波束按照跳变计划切换波位。作为本专利技术的一种优选技术方案，所述对通过跳波束完成的星地通信连接进行时间同步，包括第一同步方法和第二同步方法；所述第一同步方法为基于宽波束同步时隙进行周期性同步校准；所述第二同步方法为基于跳波束进行随路同步校准，包括如下步骤：跳波束管理单元测量终端信号到达时刻与星上对应时隙之间的时间偏差；跳波束管理单元查找终端对应的下行时隙，并将偏差值插入下行时隙中发送；终端收到星上反馈的同步偏差后，根据偏差值计算调整所分配的跳波束上行时隙对应的发送时刻；终端和星上跳波束管理单元在通信期间持续重复以上步骤，保持时间同步。作为本专利技术的一种优选技术方案，所述根据终端和卫星的运动位置变化，对跳波束和宽波束进行波位切换，包括：系统资源管理单元根据终端上报位置及卫星位置，计算终端是否从第一波位即将进入第二波位，如果是，则在第二波位内分配跳波束时隙资源，并生成第二波位时隙资源分配表下发给宽波束管理单元和跳波束管理单元；宽波束管理单元将第二波位时隙资源分配表通过下行信令信道下发至终端；跳波束管理单元根据第二波位时隙资源分配情况，生成第二波位波束跳变计划，并控制跳波束按照第二波位跳变计划切换波位；终端同时在第一波位跳波束时隙和第二波位分配的跳波束时隙上发送和接收数据；跳波束管理单元如果在第二波位分配的跳波束时隙上接收到终端发送的数据，则判断终端已经进入第二波位覆盖区，将终端的下行数据切换到第二波位分配的下行时隙上发送，在第二波位跳波束时隙对应时刻，跳波束将按照第二波位波束跳变计划跳变到终端即将进入的第二波位；终端在第二波位分配的跳波束时隙上接收到下行数据，则判断已经进入第二波位覆盖区，停止在第一波位跳波束时隙上发送数据，仅在第二波位分配的跳波束时隙上发送数据；跳波束管理单元如果在第一波位跳波束时隙上连续设定时间内未接收到终端发送的数据，则判断终端已经完成波位切换，通知系统资源管理单元终端切换完成，系统资源管理单元回收终端第一波位跳波束时隙资源。作为本专利技术的一种优选技术方案，在终端通信结束后，回收为终端分配的跳波束信道资源。作为本专利技术的一种优选技术方案，所述在终端通信结束后，回收为终端分配的跳波束信道资源，包括：终端通信结束，通知系统资源管理单元，系统资源管理单元回收为终端分配的所有跳波束时隙资源。一种卫星通信系统的高效接入与通信系统：包括终端和卫星，卫星中包括：相控阵天线：用于按照控制指令生成宽波束、跳波束以及跳波束的波位切换；时间同步控制单元：用于生成统一的时间信号，用于对所有单元进行时间同步；系统资源管理单元：用于时隙资源分配和回收管理；宽波束管理单元：用于控制宽波本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种卫星通信系统的高效接入与通信方法，其特征是：包括如下步骤：/n终端通过宽波束接入卫星实现星地通信连接，并对星地通信进行时间同步；/n终端通过宽波束完成的星地通信连接建立跳波束的星地通信连接；/n对通过跳波束完成的星地通信连接进行时间同步；/n根据终端和卫星的运动位置变化，对跳波束和宽波束进行波位切换。/n

【技术特征摘要】
1.一种卫星通信系统的高效接入与通信方法，其特征是：包括如下步骤：
终端通过宽波束接入卫星实现星地通信连接，并对星地通信进行时间同步；
终端通过宽波束完成的星地通信连接建立跳波束的星地通信连接；
对通过跳波束完成的星地通信连接进行时间同步；
根据终端和卫星的运动位置变化，对跳波束和宽波束进行波位切换。


2.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统的高效接入与通信方法，其特征是：所述终端通过宽波束接入卫星实现星地通信连接，并对星地通信进行时间同步，包括：
宽波束管理单元生成上下行帧结构，在下行帧的广播信道中周期性插入时间同步信息发送到终端；
终端通过监听宽波束的广播信道获得时间同步信息和上行同步时隙，并根据时间同步信息、上行同步时隙以及星地传输时延计算出上行信号的发送时刻，并于上行信号发送时刻在上行同步时隙中发送同步校准信号；
宽波束管理单元接收到终端发出的同步校准信号，测量终端同步校准信号到达时刻与星上对应同步时隙之间的偏差，并将偏差值插入下行帧结构中发送；终端收到星上反馈的同步偏差后，调整上行同步时隙发送时刻后再发送同步校准信号，直到宽波束管理单元判断终端的同步偏差小于预设门限，星地通信的时间同步完成。


3.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统的高效接入与通信方法，其特征是：所述终端通过宽波束完成的星地通信连接建立跳波束的星地通信连接，包括：
终端通过宽波束的上行信令时隙发送通信建链申请，同时上报终端位置信息；
宽波束管理单元将终端建链申请和终端位置信息上报系统资源管理单元，系统资源管理单元根据终端位置信息计算终端所在跳波束波位，根据当前资源占用情况，在可用资源中分配跳波束时隙资源，并生成新的时隙资源分配表下发给宽波束管理单元和跳波束管理单元；
宽波束管理单元将时隙资源分配表通过下行信令信道下发到终端，终端按照时隙分配表，在分配的频率和时隙上收发数据；
跳波束管理单元根据时隙资源分配表，生成跳变计划，并控制跳波束按照跳变计划切换波位。


4.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统的高效接入与通信方法，其特征是：所述对通过跳波束完成的星地通信连接进行时间同步，包括第一同步方法和第二同步方法；
所述第一同步方法为基于宽波束同步时隙进行周期性同步校准；
所述第二同步方法为基于跳波束进行随路同步校准，包括如下步骤：
跳波束管理单元测量终端信号到达时刻与星上对应时隙之间的时间偏差；
跳波束管理单元查找终端对应的下行时隙，并将偏差值插入下行时隙中发送；
终端收到星上...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐东元，史焱，李江华，
申请(专利权)人：南京凯瑞得信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32