一种多层低地球轨道卫星星座部署方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种多层低地球轨道卫星星座部署方法及系统。该方法包括：计算TST到单个卫星链路的链路数据速率；根据链路数据速率以及总回程容量要求确定每个TST均被覆盖的至少所需卫星数目；根据至少所需卫星数目确定初始化后的多层低地球轨道卫星星座部署；获取初始化后的多层低地球轨道卫星星座部署内所有卫星覆盖区域边界的交点，并确定每个交点被覆盖的卫星数目；基于不同纬度的卫星层，根据每个交点被覆盖的卫星数目对初始化后的多层低地球轨道卫星星座部署进行优化，确定优化后的多层低地球轨道卫星星座部署；根据优化后的多层低地球轨道卫星星座部署确定最优多层低地球轨道卫星星座部署。本发明专利技术能够避免卫星冗余覆盖情况以及降低卫星部署成本。情况以及降低卫星部署成本。情况以及降低卫星部署成本。

【技术实现步骤摘要】
一种多层低地球轨道卫星星座部署方法及系统


[0001]本专利技术涉及多层低地球轨道卫星星座部署领域，特别是涉及一种多层低地球轨道卫星星座部署方法及系统。

技术介绍

[0002]由于目前尚未平衡的基础架构部署和不稳定的无线通信环境，全球仍有将近一半的区域互联网访问状况很差甚至无法接入互联网。此外，可用带宽资源的严重不足以及十分有限的回程容量也成为了限制传统地面网络发展的两大瓶颈。多层低地球轨道卫星网络的不断发展则有望解决上述问题，可以提供大容量回程，全球覆盖以及更加灵活的网络访问服务，在多层低地球轨道卫星网络中，作为接入点的地面-卫星终端站(Terrestrial-satelliteterminal，TST)不仅可以连接多颗卫星在Ka频段上进行回传，而且还可以通过专用的C波段支持用户-TST的通信链路。为了进一步提高系统性能，星座设计是构建多层低轨卫星网络时要考虑的最重要问题之一。精心设计的低地球轨道卫星星座图可以在不浪费卫星资源的情况下，以最少的卫星数目和星座图的拓扑结构改善地面蜂窝网络的服务质量。
[0003]目前尽管已经有几种典型的卫星星座来实现全球覆盖，例如极轨道星座，WalkerDelta星座和Flower星座，但这些传统星座图只能满足基本通信需求，而没有考虑服务质量和卫星运营成本。因此，除去满足基本通信需求之外，多层低地球轨道卫星星座设计更需要兼顾地面卫星网络性能(例如TST的回程容量和覆盖率)和低地球轨道卫星部署成本。大多数现有星座设计研究工作大都没有考虑多层低地球轨道卫星星座设计中的几个关键问题。首先，现有的多层低地球轨道卫星星座设计中主要考虑的是卫星均匀分布在轨道平面上的情况而忽略了相邻轨道之间的耦合相关性，从而导致卫星冗余覆盖的情况发生。其次，一些工作主要实现低地球轨道卫星星座的静态或准静态拓扑结构的区域覆盖，却没有考虑低地球轨道卫星的高移动性。最后，大部分工作并没有同时考虑无缝全球覆盖范围和TST的回程容量要求。因此，需要研发一种有效的多层低地球轨道卫星星座部署设计方法，在任意全球覆盖率要求下，都能优化得出拥有最少卫星数目的多层低地球轨道卫星星座部署。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种多层低地球轨道卫星星座部署方法及系统，以解决现有卫星星座部署方法中存在卫星冗余覆盖情况，导致卫星部署成本高，且无法同时考虑无缝全球覆盖范围和TST的回程容量要求的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0006]一种多层低地球轨道卫星星座部署方法，包括：
[0007]利用计算机仿真计算地面-卫星终端站TST到单个卫星链路的链路数据速率；
[0008]获取每个所述TST的总回程容量要求；
[0009]根据所述链路数据速率以及所述总回程容量要求确定每个所述TST均被覆盖的至
少所需卫星数目k
min
；
[0010]根据所述至少所需卫星数目初始化多层低地球轨道卫星星座部署，确定初始化后的多层低地球轨道卫星星座部署；所述多层低地球轨道卫星星座部署为每个所述TST被覆盖的卫星数目至少为所述所需卫星覆盖数目；
[0011]获取所述初始化后的多层低地球轨道卫星星座部署内所有卫星覆盖区域边界的交点，并确定每个所述交点被覆盖的卫星数目；
[0012]基于不同纬度的卫星层，根据每个所述交点被覆盖的卫星数目对所述初始化后的多层低地球轨道卫星星座部署进行优化，确定优化后的多层低地球轨道卫星星座部署；
[0013]根据所述优化后的多层低地球轨道卫星星座部署确定最优多层低地球轨道卫星星座部署；所述最优多层低地球轨道卫星星座部署满足每个所述TST的回程容量要求。
[0014]可选的，所述利用计算机仿真计算地面-卫星终端站TST到单个卫星链路的链路数据速率，具体包括：
[0015]利用公式计算地面-卫星终端站TST到单个卫星链路的链路数据速率；其中，R为链路数据速率；B为Ka频段带宽；x为每个卫星服务的TST个数；P为TST的发射功率；G为收发天线增益；d为卫星与TST之间的距离；α为路损因子；σ2为TST-卫星链路之间加性白噪声的方差；I为使用相同信道传输的TST-卫星链路信号强度之和。
[0016]可选的，所述根据所述链路数据速率以及所述总回程容量要求确定每个所述TST均被覆盖的至少所需卫星数目，具体包括：
[0017]利用公式确定每个所述TST均被覆盖的至少所需卫星数目；其中，kmin为每个所述TST均被覆盖的至少所需卫星数；为平均链路数据速率；C
th
为总回程容量要求。
[0018]可选的，所述根据所述至少所需卫星数目初始化多层低地球轨道卫星星座部署，确定初始化后的多层低地球轨道卫星星座部署，具体包括：
[0019]利用公式初始化多层低地球轨道卫星星座部署的每一层低地球轨道卫星；其中，N0为均匀分布的极化卫星轨道；M为每个极化卫星轨道上均匀分布的卫星数量，相邻轨道上的卫星沿相同方向运动，相位差为为为卫星覆盖圆的角半径；
[0020]将所述每一层低地球轨道卫星的卫星星座在相同位置进行复制，使得所有层的复制次数之和等于所述至少所需卫星数目，并将每一层复制后的多层低地球轨道卫星星座进行旋转，确定每一层旋转后的多层低地球轨道卫星星座；
[0021]根据所述每一层旋转后的多层低地球轨道卫星星座确定初始化后的多层低地球轨道卫星星座部署。
[0022]可选的，所述基于不同纬度的卫星层，根据每个所述交点被覆盖的卫星数目对所述初始化后的多层低地球轨道卫星星座部署进行优化，确定优化后的多层低地球轨道卫星星座部署，具体包括：
[0023]获取所述初始化后的多层低地球轨道卫星星座部署的全球平均覆盖率初始要求；
[0024]根据所述全球平均覆盖率初始要求确定每个所述TST均被覆盖的卫星数据范围；
所述卫星数据范围的上界值为k
M
，所述卫星数据范围的下界值为k
m
；k
M
＞k
m
；
[0025]根据所述卫星数据范围确定每个所述TST均被覆盖的至多所需卫星数目k
max
；
[0026]对于所述初始化后的多层低地球轨道卫星星座部署中处于低纬度地区上空的每颗低纬度地区卫星，判断任一所述低纬度地区卫星的覆盖区域内除所述低纬度地区卫星的剩余低纬度卫星的覆盖区域边界的交点是否均被k
min
颗卫星覆盖，得到第一判断结果；
[0027]若所述第一判断结果表示为是，移除所述低纬度地区卫星，确定移除后的第一初始化后的多层低地球轨道卫星星座；
[0028]对于所述初始化后的多层低地球轨道卫星星座部署中处于高纬度地区上空的每颗高纬度地区卫星，判断任一所述高纬度地区卫星的覆盖区域内除所述高纬度地区卫星的剩余高纬度卫星的覆盖区域边界的交点是否均被k
max
颗卫星覆盖，得到第二判断结果；
[0029]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多层低地球轨道卫星星座部署方法，其特征在于，包括：利用计算机仿真计算地面-卫星终端站TST到单个卫星链路的链路数据速率；获取每个所述TST的总回程容量要求；根据所述链路数据速率以及所述总回程容量要求确定每个所述TST均被覆盖的至少所需卫星数目k
min
；根据所述至少所需卫星数目初始化多层低地球轨道卫星星座部署，确定初始化后的多层低地球轨道卫星星座部署；所述多层低地球轨道卫星星座部署为每个所述TST被覆盖的卫星数目至少为所述所需卫星覆盖数目；获取所述初始化后的多层低地球轨道卫星星座部署内所有卫星覆盖区域边界的交点，并确定每个所述交点被覆盖的卫星数目；基于不同纬度的卫星层，根据每个所述交点被覆盖的卫星数目对所述初始化后的多层低地球轨道卫星星座部署进行优化，确定优化后的多层低地球轨道卫星星座部署；根据所述优化后的多层低地球轨道卫星星座部署确定最优多层低地球轨道卫星星座部署；所述最优多层低地球轨道卫星星座部署满足每个所述TST的回程容量要求。2.根据权利要求1所述的多层低地球轨道卫星星座部署方法，其特征在于，所述利用计算机仿真计算地面-卫星终端站TST到单个卫星链路的链路数据速率，具体包括：利用公式计算地面-卫星终端站TST到单个卫星链路的链路数据速率；其中，R为链路数据速率；B为Ka频段带宽；x为每个卫星服务的TST个数；P为TST的发射功率；G为收发天线增益；d为卫星与TST之间的距离；α为路损因子；σ2为TST-卫星链路之间加性白噪声的方差；I为使用相同信道传输的TST-卫星链路信号强度之和。3.根据权利要求2所述的多层低地球轨道卫星星座部署方法，其特征在于，所述根据所述链路数据速率以及所述总回程容量要求确定每个所述TST均被覆盖的至少所需卫星数目，具体包括：利用公式确定每个所述TST均被覆盖的至少所需卫星数目；其中，k
min
为每个所述TST均被覆盖的至少所需卫星数；为平均链路数据速率；C
th
为总回程容量要求。4.根据权利要求1所述的多层低地球轨道卫星星座部署方法，其特征在于，所述根据所述至少所需卫星数目初始化多层低地球轨道卫星星座部署，确定初始化后的多层低地球轨道卫星星座部署，具体包括：利用公式初始化多层低地球轨道卫星星座部署的每一层低地球轨道卫星；其中，N0为均匀分布的极化卫星轨道；M为每个极化卫星轨道上均匀分布的卫星数量，相邻轨道上的卫星沿相同方向运动，相位差为每个极化卫星轨道上均匀分布的卫星数量，相邻轨道上的卫星沿相同方向运动，相位差为为卫星覆盖圆的角半径；将所述每一层低地球轨道卫星的卫星星座在相同位置进行复制，使得所有层的复制次数之和等于所述至少所需卫星数目，并将每一层复制后的多层低地球轨道卫星星座进行旋转，确定每一层旋转后的多层低地球轨道卫星星座；根据所述每一层旋转后的多层低地球轨道卫星星座确定初始化后的多层低地球轨道卫星星座部署。
5.根据权利要求1所述的多层低地球轨道卫星星座部署方法，其特征在于，所述基于不同纬度的卫星层，根据每个所述交点被覆盖的卫星数目对所述初始化后的多层低地球轨道卫星星座部署进行优化，确定优化后的多层低地球轨道卫星星座部署，具体包括：获取所述初始化后的多层低地球轨道卫星星座部署的全球平均覆盖率初始要求；根据所述全球平均覆盖率初始要求确定每个所述TST均被覆盖的卫星数据范围；所述卫星数据范围的上界值为k
M
，所述卫星数据范围的下界值为k
m
；k
M
＞k
m
；根据所述卫星数据范围确定每个所述TST均被覆盖的至多所需卫星数目k
max
；对于所述初始化后的多层低地球轨道卫星星座部署中处于低纬度地区上空的每颗低纬度地区卫星，判断任一所述低纬度地区卫星的覆盖区域内除所述低纬度地区卫星的剩余低纬度卫星的覆盖区域边界的交点是否均被k
min
颗卫星覆盖，得到第一判断结果；若所述第一判断结果表示为是，移除所述低纬度地区卫星，确定移除后的第一初始化后的多层低地球轨道卫星星座；对于所述初始化后的多层低地球轨道卫星星座部署中处于高纬度地区上空的每颗高纬度地区卫星，判断任一所述高纬度地区卫星的覆盖区域内除所述高纬度地区卫星的剩余高纬度卫星的覆盖区域边界的交点是否均被k
max
颗卫星覆盖，得到第二判断结果；若所述第二判断结果表示为是，移除所述高纬度地区卫星，确定移除后的第二初始化后的多层低地球轨道卫星星座；根据所述移除后的第一初始化后的多层低地球轨道卫星星座以及所述移除后的第二初始化后的多层低地球轨道卫星星座确定优化后...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋令阳，邓若琪，邸博雅，张泓亮，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：