低轨通信星座星间传输功率控制方法
阅读说明：本技术 低轨通信星座星间传输功率控制方法 (Low-orbit communication constellation inter-satellite transmission power control method ) 是由 李献斌 杨志玺 王凯 覃江毅 王建 姜勇 于 2021-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种低轨通信星座星间传输功率控制方法,包括：信源卫星和信宿卫星默认状态设为信道预评估模式；星间通信开始时,信源卫星进入信道评估模式,发送信道评估信号,信宿卫星接收到信道评估信号后将信道评估信号透明转发给信源卫星,而后转入星间通信接收模式；信源卫星接收到转发后的信道评估信号并进行传输信道评估,进入星间通信传输配置模式,配置星间传输速率和最小发送功率；信源卫星进入星间通信发送模式,根据所配置的星间传输速率和最小发送功率向信宿卫星发射星间通信信号,星间通信信号传输结束后,信源卫星和信宿卫星返回默认的信道预评估模式。本发明能够以最小传输功率完成星间通信,有效降低卫星功耗。(The invention discloses a method for controlling the inter-satellite transmission power of a low-orbit communication constellation, which comprises the following steps: setting default states of an information source satellite and an information sink satellite into a channel pre-evaluation mode; when the inter-satellite communication starts, the information source satellite enters a channel evaluation mode and sends a channel evaluation signal, the information sink satellite receives the channel evaluation signal and then transparently forwards the channel evaluation signal to the information source satellite, and then the information sink satellite switches to an inter-satellite communication receiving mode; the information source satellite receives the forwarded channel evaluation signal and carries out transmission channel evaluation, enters an inter-satellite communication transmission configuration mode, and configures inter-satellite transmission rate and minimum transmission power; and the information source satellite enters an inter-satellite communication sending mode, an inter-satellite communication signal is sent to the information sink satellite according to the configured inter-satellite transmission rate and the minimum sending power, and after the transmission of the inter-satellite communication signal is finished, the information source satellite and the information sink satellite return to a default channel pre-evaluation mode. The invention can complete the inter-satellite communication with the minimum transmission power and effectively reduce the power consumption of the satellite.)
技术领域
本发明涉及卫星通信
技术领域
，尤其涉及一种低轨通信星座星间传输功率控制方法。背景技术
随着商业低轨卫星星座井喷式发展，在可以预见的将来，巨型卫星星座将为大众带来更加廉价、方便、快捷、稳定的宽带服务。以太空探索公司(SpaceX)、一网公司(OneWeb)、电信卫星公司(Telesat)为代表的典型商业航天企业陆续公布了各自的中低轨卫星星座计划，并快速推进星座部署进程。全球低轨卫星星座具有可批量研制、快速部署、大容量、低延时、全球覆盖等特点，使得具备无比广泛的应用前景。
为了卫星间的网络化，卫星之间必须采用星间链路的通信方式，否则必须在全球范围内建设大量的地面站进行中继。低轨通信卫星通过星间通信链路在卫星间交互信息，可以离开地面圆弧的束缚，增加了传输距离，有利于减小卫星通信时所造成的信息传输时延，增加系统容量。
通信卫星在轨工作时，供电来自于太阳能，降低功耗可以有效减少电源负担，因此在进行星间通信时，需要尽可能降低星间通信的功率，提高传输效能。为了提高星间链路传输效率，公开号为CN107508659A、名称为《面向卫星导航系统星间链路数传的自适应编码调制方法》的中国专利文献公开了一种面向卫星导航系统星间链路数传的自适应编码调制方法，该方法根据导航卫星星座星间距离的不同，采用基于连续相位调制的自适应编码调制数传方法，来提高星间自适应编码调制系统的可靠性和有效性，但该方法需要利用导航星座自有的导航电文测算两颗卫星之间的距离，因此只能适用于导航星座。公开号为CN110708111B、名称为《星间自适应通信系统及通信方法》的中国专利文献公开了一种星间自适应通信系统及其通信方法，通过利用配备有SX1280芯片单元的测距通信模块，能够实现星间测距和星间通信功能，且星间测距和星间通信的实现只需对测距通信模块进行参数配置即可，无需进行单独的开发工作，设计开发简单；且能根据星间测距结果进行适应性配置，提高星上能源利用率。该方法是根据对SX1280芯片进行工作模式、通信编码和通信速率的配置，而SX1280芯片工作在L频段，频点较低，难以应用于高速星间通信。
因此，设计一种低轨通信星座星间传输功率控制方法，成为了本领域的技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种低轨通信星座星间传输功率控制方法。
为此，本发明公开了一种低轨通信星座星间传输功率控制方法，包括步骤：
S1：星间信道评估，所述星间信道评估包括(1)低轨通信星座的信源卫星和信宿卫星在星间通信开始前默认状态设为信道预评估模式；(2)星间通信开始时，信源卫星进入信道评估模式，向信宿卫星发送信道评估信号；(3)信宿卫星接收到信道评估信号后，将信道评估信号透明转发给信源卫星，而后转入星间通信接收模式；(4)信源卫星接收到信宿卫星转发后的信道评估信号，进行传输信道评估；
S2：星间通信传输配置，所述星间通信传输配置包括完成传输信道评估后的信源卫星进入星间通信传输配置模式，配置星间传输速率和最小发送功率；
S3：星间通信传输，所述星间通信传输包括(1)星间通信传输配置完成后，信源卫星进入星间通信发送模式，根据所配置的星间传输速率和最小发送功率向处于星间通信接收模式的信宿卫星发射星间通信信号，进行星间通信信号传输；(2)在星间通信信号传输结束后，信源卫星和信宿卫星返回默认的信道预评估模式。
进一步地，在上述低轨通信星座星间传输功率控制方法中，所述星间信道评估包括：
S11：检测星间通信开始指令，信源卫星检测是否接收到星间通信开始指令，如信源卫星接收到星间通信开始指令，则信源卫星进入信道评估模式；如信源卫星未接收到星间通信开始指令，则进入下述S12；
S12：检测信道评估信号，信宿卫星采用匹配滤波方式检测是否接收到来自信源卫星的信道评估信号，如信宿卫星未检测到来自信源卫星的信道评估信号，则返回所述S11，信源卫星继续检测是否接收到星间通信开始指令；如信宿卫星检测到来自信源卫星的信道评估信号，则进入下述S13；
S13：透明转发信道评估信号，信宿卫星将接收到的信道评估信号不做任何处理，直接透明转发给信源卫星，转发结束后信宿卫星转为星间通信接收模式。
进一步地，在上述低轨通信星座星间传输功率控制方法中，所述星间通信开始指令设计为32bit，包括：4bit的任务标识符，用于判断是否是星间传输任务；8bit的信源卫星编号；8bit的信宿卫星编号；4bit的星间传输速率；4bit的星间传输质量，所述星间传输质量由星间通信所要求的传输误码率表示；4bit的校验码，用于对所述任务标识符、信源卫星编号、信宿卫星编号、星间传输速率、星间传输质量共计28bit进行校验。
进一步地，在上述低轨通信星座星间传输功率控制方法中，所述信道评估信号采用直接序列扩频调制，低轨通信星座内的每个卫星各分配一个互不相同的扩频码，信源卫星向信宿卫星发送的信道评估信号所采用的直接序列扩频调制的扩频码为分配给从所述信源卫星接收信道评估信号的所述信宿卫星的扩频码。
进一步地，在上述低轨通信星座星间传输功率控制方法中，所述扩频码的码型采用 Gold码，采用码长为1024的短码。
进一步地，在上述低轨通信星座星间传输功率控制方法中，信源卫星接收到信宿卫星转发后的信道评估信号后，按如下方式进行传输信道评估：
(4.1)计算信道评估信号的传输时延td，具体计算方法为：
其中，t1为所述信源卫星发出信道评估信号的时刻，t2为所述信源卫星接收到转发后的信道评估信号的时刻；
(4.2)计算空间自由衰减Lp，具体计算方法为：
Lp＝20lg(4πftd)
其中，f为星间通信信号频率；
(4.3)评估传输信道，得出信道传输增益Ach，具体计算方法为：
Ach＝Atr+Are-Lp
式中，Atr和Are分别为信源卫星的发射增益和信宿卫星的接收增益。
进一步地，在上述低轨通信星座星间传输功率控制方法中，所述星间通信信号频率与信源卫星发送的信道评估信号的工作频率一致。
进一步地，在上述低轨通信星座星间传输功率控制方法中，所述星间通信信号频率为30GHz。
进一步地，在上述低轨通信星座星间传输功率控制方法中，所述星间通信传输配置步骤中配置的星间传输速率Rs通过星间通信传输任务的指定而得到，星间通信传输配置步骤中配置的最小发射功率Pmin按照以下公式计算：
其中，η为星间传输质量，由星间通信所要求的传输误码率表示，用误码率来表示；k 为玻尔兹曼常数，T为接收机噪声温度，ε为星间通信传输链路裕量，Q-1(η)为Q(η)函数的反函数，Q(η)函数表达式为：
本发明的低轨通信星座星间传输功率控制方法的有益效果包括：本发明提供的技术方案采用先星间信道评估后星间通信传输的方式，根据星间信道传输特性和星间传输速率要求，采用最小传输功率完成星间通信，可以在满足星间通信要求的情况下有效降低卫星功耗，节约星上能源，提高传输效能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明一个实施例的低轨通信星座星间传输功率控制方法的流程图；
图2为本发明一个实施例的低轨通信星座星间传输功率控制方法中星间信道评估的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。
如图1所示，本发明实施例提供的低轨通信星座星间传输功率控制方法包括如下步骤：
S1：星间信道评估，该星间信道评估包括(1)低轨通信星座的信源卫星和信宿卫星在星间通信开始前默认状态设为信道预评估模式；(2)星间通信开始时，信源卫星进入信道评估模式，向信宿卫星发送信道评估信号；(3)信宿卫星接收到信道评估信号后，将信道评估信号透明转发给信源卫星，而后转入星间通信接收模式；(4)信源卫星接收到信宿卫星转发后的信道评估信号，进行传输信道评估；
S2：星间通信传输配置，该星间通信传输配置包括完成传输信道评估后的信源卫星进入星间通信传输配置模式，配置星间传输速率和最小发送功率；
S3：星间通信传输，该星间通信传输包括(1)星间通信传输配置完成后，信源卫星进入星间通信发送模式，根据所配置的星间传输速率和最小发送功率向处于星间通信接收模式的信宿卫星发射星间通信信号，进行星间通信信号传输；(2)在星间通信信号传输结束后，信源卫星和信宿卫星返回默认的信道预评估模式。
如图2所示，本发明实施利的低轨通信星座星间传输功率控制方法中的S1星间信道评估包括：
S11、检测星间通信开始指令：信源卫星检测是否接收到星间通信开始指令，如信源卫星接收到星间通信开始指令，则信源卫星进入信道评估模式；如信源卫星未接收到星间通信开始指令，则进入S12、检测信道评估信号：信宿卫星采用匹配滤波方式检测是否接收到来自信源卫星的信道评估信号，如信宿卫星未检测到来自信源卫星的信道评估信号，则返回S11，信源卫星继续检测是否接收到星间通信开始指令；如信宿卫星检测到来自信源卫星的信道评估信号，则进入S13、透明转发信道评估信号：信宿卫星将接收到的信道评估信号不做任何处理，直接透明转发给信源卫星，转发结束后信宿卫星转为星间通信接收模式。
进一步地，如表1所示，本发明实施利的低轨通信星座星间传输功率控制方法中的星间通信开始指令可以设计为32bit，包括：4bit的任务标识符，用于判断是否是星间传输任务；8bit的信源卫星编号和8bit的信宿卫星编号，由此可最大支持256颗卫星编号； 4bit的星间传输速率，星间传输速率的单位为Mbps；4bit的星间传输质量，星间传输质量由星间通信所要求的传输误码率表示；4bit的校验码，用于对任务标识符、信源卫星编号、信宿卫星编号、星间传输速率、星间传输质量共计28bit进行校验，优选地在本发明实施例中采用CRC校验的方式进行校验。
表1星间通信开始指令组成表
任务标识符
信源卫星编号
信宿卫星编号
星间传输速率
星间传输质量
校验码
4bit
8bit
8bit
4bit
4bit
4bit
进一步地，本发明实施利的低轨通信星座星间传输功率控制方法中的信道评估信号采用直接序列扩频调制，低轨通信星座内的每个卫星各分配一个互不相同的扩频码。信源卫星向信宿卫星发送的信道评估信号所采用的直接序列扩频调制的扩频码为分配给从所述信源卫星接收信道评估信号的所述信宿卫星的扩频码，因此只有唯一的一个信宿卫星才能检测和识别到信道评估信号。
优选地，本发明实施利的低轨通信星座星间传输功率控制方法中，信道评估信号扩频码的码型采用Gold码，采用码长为1024的短码，以便于信宿卫星识别。
进一步地，本发明实施利的低轨通信星座星间传输功率控制方法中，信源卫星接收到信宿卫星转发后的信道评估信号后，按如下方式进行传输信道评估：
(4.1)计算信道评估信号的传输时延td，具体计算方法为：
其中，t1为所述信源卫星发出信道评估信号的时刻，t2为所述信源卫星接收到转发后的信道评估信号的时刻。
(4.2)计算空间自由衰减Lp，具体计算方法为：
Lp＝20lg(4πftd)
其中，f为星间通信信号频率。
优选地，在本发明实施利的低轨通信星座星间传输功率控制方法中，星间通信信号频率与信源卫星发送的信道评估信号的工作频率一致，均选取为30GHz。
(4.3)评估传输信道，得出信道传输增益Ach，具体计算方法为：
Ach＝Atr+Are-Lp
式中，Atr和Are分别为信源卫星的发射增益和信宿卫星的接收增益，均可通过卫星自身的设计值获得。
进一步地，本发明实施利的低轨通信星座星间传输功率控制方法中，星间通信传输配置步骤中配置的星间传输速率Rs通过星间通信传输任务的指定而得到，星间通信传输配置步骤中配置的最小发射功率Pmin按照以下公式计算：
其中，η为星间传输质量，由星间通信所要求的传输误码率表示，用误码率来表示；k 为玻尔兹曼常数，T为接收机噪声温度，该接收机即为信宿卫星的星间通信终端，ε为星间通信传输链路裕量，Q-1(η)为Q(η)函数的反函数，Q(η)函数表达式为：
式中，t为Q函数的中间变量。
综上所述，本发明实施例提供的低轨通信星座星间传输功率控制方法采用先星间信道评估后星间通信传输的方式，根据星间信道传输特性和星间传输速率要求，采用最小传输功率完成星间通信，可以在满足星间通信要求的情况下有效降低卫星功耗，节约星上能源，提高传输效能。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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