一種低軌衛星星座的星間鏈路通信方法與流程

本發明涉及衛星通信領域，尤其涉及一種低軌衛星星座的星間鏈路通信方法。

背景技術：

LEO通信衛星星座實現通信路由有兩種途徑，一是通過建立星間鏈路，二是通過全球范圍內的地面站布站。由于我國地面布站存在很大的區域性限制，同時地面站在特殊情況下容易受到損毀，所以我國發展LEO通信衛星系統，必須建立星間鏈路，以減少對地面站的依賴，同時減小信號傳輸延遲，提高整個系統的頑存性和機動性。

LEO星間鏈路的建立有兩種實現方式：(1)FDD方式；(2)TDD方式。FDD方式是實現星間鏈路的傳統方式，這種方式中，收發頻點不同，系統控制簡單，易于實現，但是也有非常明顯的缺點，比如：收發需要對稱的頻率資源；采用兩套天線系統，從而設備體積、重量和功耗都大大增加。而TDD方式采用一個頻點，分時收發，就可以克服FDD方式的固有缺點。

傳統的TDD模式中，通信雙方為主從同步關系，發送方在時刻T₀發送信號，信號經過T₀+Δ(傳輸時延)到達接收方，接收方根據一定的搜索窗范圍搜索同步，以和發送方取得定時同步，然后接收信號；接收方接收信號后，再經過一個收發轉換間隔，然后發送信號。也就是說，在發送時隙中，發送方發送信號，接收方在一定的搜索窗范圍進行信號同步搜索，接收信號；在接收時隙中，發送方改為接收，接收方改為發送。可以看出，傳統的TDD模式比較復雜，對定時、同步、搜索窗機制要求較高，假如用傳統的TDD模式實現星間鏈路這種遠距離傳輸的通信，隨著傳輸時延的增加，頻譜利用的效率將會顯著降低。

因此需要提出一種新的TDD模式的星間鏈路通信方法，希望該方法適用于衛星通信的遠距離傳輸，具有TDD模式的采用一個頻點的優點同時，定時要求和同步機制更簡單。

技術實現要素：

為了解決背景技術的問題，本發明提出一種基于TDD的低軌衛星星座的星間鏈路通信方法，星間鏈路傳輸時延大于發送時隙長度，所述方法包括：

星座內所有衛星收發時隙嚴格同步，即：在發送時隙，星座內所有衛星同時向建立星間鏈路的衛星發送信號；在接收時隙，星座內所有衛星同步接收信號。本發明相比于傳統TDD模式，同步機制、定時要求更簡單，同時大大減少了同步窗搜索運算量，實時性高，占用頻譜資源少。

優選的，整個星座使用同一個頻點。

進一步優選的，根據星間鏈路的傳輸時延設置接收時隙長度。特別的，當星間鏈路的距離小于4500km時，設置TDD時隙長度為25ms，其中發送時隙長度為10ms，接收時隙長度為15ms。

本發明利用星際鏈路傳輸距離大，傳輸時延大于發送時間的星座構型特點，設計出“收發分時、同時收發”的TDD機制，其優點在于：1，收發共用一套射頻系統，簡化了系統設計，減輕了星上設備的體積、重量和功耗；2，相比于傳統TDD模式，同步機制、定時要求更簡單，同時大大減少了同步窗搜索運算量，實時性高，占用頻譜資源少；3，星座內所有衛星收發可以采用相同的頻點，占用頻點資源低；4，鏈路通信系統可靠性高。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為實施例的星座與星間鏈路結構圖；

圖2為實施例的星間鏈路TDD模式收發時序圖；

圖3為實施例的低軌通信衛星向星座中其它衛星發送信息的示意圖；

圖4為實施例的低軌通信衛星接收星座中其它衛星發送的信息的示意圖。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例；需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

本實施例的LEO衛星星座的基本情況為：衛星軌道高度850km，軌道面傾角86°，每個軌道面內10顆星均勻分布，相鄰兩星之間的地心夾角為36°。軌道周期約102m。星座包括6個軌道面，共60顆衛星。相鄰軌道面夾角30°。衛星標以編號xyy，其中x表示軌道面，1～6；yy表示軌道面內衛星的序號，01～10。其星間鏈路結構如圖1所示，星間鏈路包括：同軌星間鏈路(Intra plane ISL)和異軌星間鏈路(Inter plane ISL)，異軌星間鏈路是指鄰軌星間鏈路(Adjacent plane ISL)。同軌星間鏈路建立在同軌道面內前后兩顆衛星之間，它們的相對位置和距離保持固定，俯仰角為-18°，直線距離約為4500km，信號傳輸時延約15ms。鄰軌星間鏈路建立在同向飛行的相鄰軌道同序號衛星之間(第一與第六軌道面間的衛星逆向飛行，所以不建立通信鏈路)。對于相鄰軌道同序號衛星，它們之間的相對位置和距離都隨著緯度位置而變化。可以看出，星間鏈路傳輸與地面傳輸有一個明顯的區別，就是空間段衛星間的距離已經遠遠大于地面網絡的傳輸距離，一般在幾千km的量級。

通常慣用的TDD發送時隙長度為10ms。假設上述LEO衛星星座的星間鏈路采用傳統的TDD模式，由于星間傳輸距離為3000～4500km，則傳輸時延為10～15ms，即通信一方發送信號時，信號經過10ms到15ms才會到達接收方，那么接收方進入接收模式，對信號進行同步、搜索時，不僅運算量大，而且造成一定的資源浪費。為了避免這些問題，本實施例在設計星間鏈路TDD機制時，從另一角度出發，充分利用傳輸時延來簡化了TDD設計模式。其基本思想是：接收方將發送方的發送時隙也作為發送時隙，在時間軸上，統一的發送時隙正好與傳輸時延錯開，發送時隙結束后，再進入接收模式。

以兩顆衛星為例，發送方為A，接收方為B。傳統TDD模式中，在發送時隙，發送方A發送，接收方B根據搜索窗范圍進行信號搜索、接收。而本 實施例中，如圖2所示，在發送時隙，通信雙方A和B均可以發送信號，由于二者傳輸距離遠，傳輸距離大于發送時隙的等效距離(即傳輸時延大于發送時隙的長度)，信號的接收時間實際落在了發送時隙外面，所以可以在發送時隙后，再同步進入接收模式。

本發明采用的TDD模式相比于傳統TDD模式，信號搜索窗的范圍不是依賴于通信雙方的絕對距離，而是雙方的通信距離相對變化量，可以大大減小搜索窗的范圍，減小運算量；同時對收發時隙定時同步的要求也大大降低，從而整體上降低了復雜度。

將以上兩方的TDD模式延伸到整個星座，需要整個星座時隙嚴格同步。由于所有衛星是“同發同收”的模式，所以整個星座可以使用同一個頻點實現星際鏈路通信。

本實施例設置每個TDD時隙長度為25ms，發送時隙TxTs＝10ms，接收時隙RxTs＝15ms，即前10ms發送數據，后15ms接收經過時間延遲的鄰星數據。因為星間距離小于4500km，傳輸時延小于15ms，所以接收時隙設置為15ms足夠信號到達，不會與下一個時隙發送信號沖突，這樣就利用信號的傳輸時延避免了收發干擾。

為了使得信號傳輸時延足夠大，兩顆衛星之間的距離也必須足夠大。本實施例的同軌星間鏈路的直線距離足夠大，所以在衛星飛行過程中可以一直保持連接；而對于鄰軌星間鏈路，在兩極附近不建立鄰軌星間鏈路，僅限定在南緯52°到北緯52°之間建立鄰軌星間鏈路，兩星之間的距離范圍是3100km～4100km，信號傳輸時延約10.3～13.7ms；方位角范圍是右前方40°～70°，以及左后方-110°～-140°,俯仰角范圍為-12°～-17°。如圖1所示，這樣每顆衛星通常有四個星間鏈路，根據所處位置，也可能只有兩個或三個。圖1中左側上行衛星在南半球飛行到-52°位置時開始與右前方衛星建立星間鏈路，飛行到-40°位置時開始與左后方衛星建立星間鏈路；衛星在北半球飛行到40°位置時停止與右前方衛星的連接，飛行到52°位置時停止與左后方衛星的連接。衛星越過北極下行飛行時同理。以衛星201的星間鏈路建立為例：

衛星201在軌運行一圈的過程中，與同軌前星202、后星210之間的通信鏈路始終保持連接；衛星201在從南極附近向北飛行，到達南緯52°時，開始與第三軌道面衛星301建立星間鏈路，到達南緯40°時，開始與第一軌道面衛 星101建立星間鏈路；到達北緯40°時，斷開與衛星301的星間鏈路；達北緯52°時，斷開與衛星101的星間鏈路；衛星201在從北極附近向南飛行，到達北緯52°時，再次與衛星301建立星間鏈路；到達北緯40°時，再次與衛星101建立星間鏈路；到達南緯40°時，斷開與衛星301的星間鏈路；到達南緯52°時，斷開與衛星101的星間鏈路。

星座內所有衛星在時隙的前10ms內，同時向建立星間鏈路的衛星發送信號，如圖3所示；而在時隙的后15ms內，同時接收信號，如圖4所示。

本領域普通技術人員可以理解：實現上述方法實施例的全部或部分步驟可以通過程序指令相關的硬件來完成，前述的程序可以存儲于一計算機可讀取存儲介質中，該程序在執行時，執行包括上述方法實施例的步驟；而前述的存儲介質包括：ROM、RAM、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質。

最后應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和范圍。