一种低轨卫星星座中用户通信的方法

本发明涉及基于星间组网的低轨卫星通信技术领域。更具体地，涉及一种低轨卫星星座中用户通信的方法。

在低轨卫星互联网和低轨卫星移动通信领域，由于卫星与地面之间的相对高速运动，地面站、用户节点与卫星之间存在频繁的切换接入，如采用传统的地面网络地址管理方式，切换会带来网络地址的不断变化，从而会带来网络开销剧增，寻址错误等问题，从而带来丢包率增加，无法可靠通信。基于名址分离的卫星通信网络编址方式，将接入的端端地址与卫星星间寻址地址进行隔离，将卫星星间寻址与地面接入端点地址解耦，将端端路由寻址通过地址映射收敛到星间寻址，规避了星-端切换带来的网络地址变化的问题。由于星上资源的约束，用户地理位置地址与所接入卫星ID之间的地址映射通常选用在地面进行，在地面进行地址映射，缺点是会带来空间链路资源占用的增加和时延的增加。

为解决上述问题之一，本发明采用下述技术方案：

一种低轨卫星星座中用户通信的方法，包括：

S100、源用户向当前接入卫星提出任务申请，其中，所述任务申请携带目的用户ID；

S110、所述当前接入卫星收到任务申请后，查询本地存储用户映射表是否已存在所述目的用户ID，若是，则跳至S160,若否则跳至S120；

S120、所述当前接入卫星向信关站的中心控制站发起查询申请；

S130、所述中心控制站返回目的用户的位置信息到返回卫星；

S140、判断所述返回卫星是否还是所述源用户当前接入卫星，若是则跳至S160,若不是，则跳至S150；

S150、获取所述源用户最新接入卫星，并将所述目的用户的位置信息传送到所述最新接入卫星；

S160、按照所述目的用户的位置信息与卫星对地覆盖区域范围比对得到目的用户接入卫星ID；

S170、尝试所述源用户接入的卫星和目的用户接入卫星间的星间路由寻址；

S180、判断所述目的用户接入卫星是否改变，若没有改变，则跳至S190；若改变，则查询所述目的用户节点当前接入卫星，跳至S170；

S190、建立所述源用户和目的用户间的通信。

在一个具体实施例中，该方法还包括

星座内所有卫星在轨存储星座内所有地面站的地理位置信息并建立卫星-信关站地址映射表。

在一个具体实施例中，该方法还包括

当用户规模小于预设阈值时，所述星座内所有卫星在轨存储所有用户地理位置信息、用户ID-用户地理位置映射表以及用户ID-接入卫星ID映射表；

当用户规模不小于预设阈值时，所述星座内所有卫星在轨存储星座内所有卫星覆盖区域信息。

在一个具体实施例中，该方法包括

当用户规模小于预设阈值时，所述S160包括

查询所述当前接入卫星中用户ID-用户地理位置映射表，获得目的用户地理位置信息，通过用户地理位置与卫星对地覆盖范围比对，获得目的用户接入卫星ID。

在一个具体实施例中，该方法包括

当用户规模不小于预设阈值时，所述S160包括

返回卫星根据返回的所述目的用户的位置信息，在轨计算目的用户接入卫星-用户ID映射关系，形成目的用户接入卫星-用户ID映射表，从而得到所述目的用户接入卫星ID。

在一个具体实施例中，所述方法包括：

根据本地卫星轨道六根数，计算本地卫星星下点；

根据所述星下点位置和卫星对地波束角度，计算本地卫星覆盖区域范围；

根据所述本地卫星轨道六根数和星座构型，计算当前星座内所有卫星轨道六根数；

根据任一卫星轨道六根数和卫星对地波束覆盖角，计算相应的卫星对地覆盖区域范围；

根据卫星对地波束覆盖范围，得到返回卫星的覆盖区域经纬度范围(JX1,JX2,WX1,WX2)，其中JX1，JX2为经度，WX1，WX2为纬度；

通过用户地理位置与卫星对地覆盖范围比对，获得目的用户接入卫星ID。

在一个具体实施例中，当卫星对地天线波束覆盖范围设计为对称覆盖时，

JX2＝JX1+Δ1,WX2＝WX1+Δ2，其中，Δ1、Δ2为波束经纬度覆盖范围，Δ1＝Δ2。

在一个具体实施例中，判断所述目的用户接入卫星是否改变，若改变，则查询所述目的用户节点当前接入卫星包括：

S181、当所述目的用户的接入卫星发生改变，已经不在原接入卫星覆盖范围时，则所述原接入卫星将传送的数据包送入缓存，所述原接入卫星通过直接查询本地卫星用户切换情况或在一跳范围内寻址，从而查询所述目的用户节点当前接入卫星；

S182、当所述目的用户接入卫星即将发生切换时，设定目的用户在当前接入卫星即将切换时间的时间阈值Δt，当目的用户在小于Δt时间内即发生切换，则认为发生改变，接入卫星不再向信关站发送数据包，而将数据包存入缓存，其中，Δt取值依据：Δt≤空口传输最长时延+地面接收处理时延。

在一个具体实施例中，所述S190包括：

S1900、源用户接入卫星路由寻址，到达目的用户接入卫星；

S1901、查询目的用户是否仍位于所述目的用户接入卫星覆盖范围，若是，执行S1902；若否，执行S1903，其中，

S1902、判断目的用户是否覆盖区边缘波位，Δt0时间内准备切换，其中，若是，执行S19021；若否，执行S19022，

S19021、缓存Δt0+t时长数据，执行S1903；

S19022、将缓存的数据包发送至所述目的用户接入卫星，

S1903、获取目的用户最新接入卫星，将所述数据包发送至目的用户最新接入卫星。

在一个具体实施例中，当用户规模不小于预设阈值时，所述目的用户接入卫星-用户ID映射表被固定长度，映射表满额后，按照目的用户完成地址映射关系的时间顺序，将最先存入用户移出映射表，新查询用户列入映射表。

本发明的有益效果如下：节省星地进行信息传输的空口资源，尤其是，当卫星接入用户数较多时，会节省大量重复传输的地址映射信息；具有保密特性，目的用户的位置信息和接入信息仅在空间传输，不会在用户节点的空口链路出现，具有天然的保密防护；节省接入时延，自信关站返回的目的用户节点位置信息不需要返回到用户节点，而在接入卫星即进行地址映射，随之开始通信模式，节省了空口传输时延；当发生卫星与地面用户之间的动态切换时，可以直接在星上进行信息搬移，进一步节省空口资源占用和时延。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出根据本发明一个实施例的低轨卫星星座移动组网架构示意图。

图2示出根据本发明一个实施例的低轨卫星星座移动管理组网方法。

图3示出利用图2中所示方法进行组网后进行用户间通信的流程图。

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

图2示出根据本发明一个实施例的低轨卫星星座中用户通信的方法，包括如下步骤。

S100、源用户(例如图1中左侧卫星覆盖划分范围中的一个用户节点)向当前接入卫星(图1中的对应卫星)提出任务申请，携带目的用户(例如右侧星覆盖划分范围中的一个用户节点)唯一身份ID信息。需要说明的是，本领域技术人员可以理解任务申请可以是呼叫申请或者发数据，本申请对此不做限定。

S110、源用户的接入卫星接到源用户任务申请，以快速查询方法查询本地存储目的用户映射表目的用户ID。

在一个示例中，用户ID-用户地理位置映射表如表1所示，在轨存储用户ID-接入卫星ID映射表如表2所示。

表1在轨存储用户ID与用户地理位置地址映射表

其中UseT可由以下字节表征：M：N：D

M，N分别代表所属于覆盖区域ID编号和所属区域内的逻辑编号，其中M取值范围由星座内最大卫星数决定，N取值范围取区域内最大用户节点数决定。增加移动用户标识D，标识用户节点为固定节点还是移动节点。如移动节点则建立移动用户映射表，需要定时更新用户地理位置信息，如为固定节点，则建立固定用户映射表，不需对用户地理位置信息进行维护。

UseJX，UseWX分别代表用户地理位置的经度值和纬度值。

表2在轨存储用户ID-接入卫星ID映射表

用户ID 接入卫星ID UseT SLXY

其中X，Y分别代表卫星星座轨道编号和轨道内卫星编号。

当用户规模小于预设阈值(例如10万颗)时，所述星座内所有卫星在轨存储所有用户地理位置信息、用户ID-用户地理位置映射表以及用户ID-接入卫星ID映射表。

S120、所述当前接入卫星向信关站的中心控制站发起查询申请。

星座内所有卫星在轨存储星座内所有信关站的地理位置信息并建立卫星-信关站地址映射表。

在一个示例中，接入卫星向信关站的中心控制站发起查询申请，通过卫星-信关站地址映射表查询就近的信关站地址进行通信，卫星在轨存储星座系统内所有信关站地理位置信息，并建立维护卫星-信关站地址映射表，可直接将信关站位置信息存储在卫星上，并与其接入卫星ID形成动态映射表，映射表如表3，表4所示。

表3信关站ID与信关站地理位置地址映射表

信关站ID 信关站地理位置经度 信关站地理位置纬度 DMZT DMZJX DMZWX

信关站ID编址符合参考IPV4/IPV6编址。

表4卫星-信关站地址动态映射表

信关站ID 接入卫星ID DMZT SLXY

其中X，Y分别代表卫星星座轨道编号和轨道内卫星编号。

当用户规模不小于预设阈值时，所述星座内所有卫星在轨存储星座内所有卫星覆盖区域信息。

S130、所述中心控制站返回目的用户的位置信息到返回卫星。

S140、判断所述返回卫星是否还是所述源用户当前接入卫星，若是则跳至S160,若不是，则跳至S150。

S150、获取所述源用户最新接入卫星，并将所述目的用户的位置信息传送到所述最新接入卫星。

S160、按照所述目的用户的位置信息与卫星对地覆盖区域范围比对得到目的用户接入卫星ID。

在一个具体示例中，当用户规模小于预设阈值时，所述S160包括

查询所述当前接入卫星中用户ID-用户地理位置映射表，获得目的用户地理位置信息，通过用户地理位置与卫星对地覆盖范围比对，获得目的用户接入卫星ID。

在另一个具体示例中，当用户规模不小于预设阈值时，所述S160包括

返回卫星根据返回的所述目的用户的位置信息，在轨计算目的用户接入卫星-用户ID动态映射关系，形成目的用户接入卫星-用户ID动态映射表，从而得到所述目的用户接入卫星ID。

在一个示例中，动态映射表示如表5，表6，表7所示。

表5卫星ID与卫星覆盖范围映射表

卫星ID 卫星覆盖范围经度 卫星覆盖范围纬度 SXY SJX,SJX+Δ1 SWX,SWX+Δ2

Δ1、Δ2为表征波束经纬度覆盖范围的常数变量，且当对地波束对称覆盖时，Δ1＝Δ2。

由于卫星是移动的，因此，SJX和SWX是依据轨道和卫星特性动态改变的，取一定时间间隔Δt更新维护。

表6大规模用户ID与用户地理位置映射表

用户唯一ID 用户地理位置经度 用户地理位置纬度 DUseT UseJX UseWX

DUseT命名规则与表1中UseT相似，取值不同。

表7大规模用户ID与接入卫星映射表

动态映射关系表更新基于星座内卫星轨道外推覆盖范围变化和用户地理位置变化。接入本卫星的所有用户端都可共用此动态映射关系表。

大规模用户地理位置与用户ID存储映射表表6不做长久存储，动态映射关系表表7随着目的用户的不同而更新，由于用户规模较大，为避免映射表过大带来查询时间过长的问题，采用固定长度映射表。映射表满额后，按照目的用户完成地址映射关系的时间顺序，将最先存入用户移出映射表，新查询用户列入映射表。

在上面大规模用户的具体示例中，得到所述目的用户接入卫星ID的方法包括

根据本地卫星轨道六根数，计算本地卫星星下点；

根据所述星下点位置和卫星对地波束角度，计算本地卫星覆盖区域范围；

根据所述本地卫星轨道六根数和星座构型，计算当前星座内所有卫星轨道六根数；

根据任一卫星轨道六根数和卫星对地波束覆盖角，计算相应的卫星对地覆盖区域范围。

根据卫星对地波束覆盖范围，得到返回卫星的覆盖区域经纬度范围(JX1,JX2,WX1,WX2)，其中JX1，JX2为经度，WX1，WX2为纬度；

通过用户地理位置与卫星对地覆盖范围比对，获得目的用户接入卫星ID。

在一个优选示例中，当卫星对地天线波束覆盖范围设计为对称覆盖时，JX2＝JX1+Δ1,WX2＝WX1+Δ2，

其中，Δ1、Δ2为波束经纬度覆盖范围，Δ1＝Δ2。

如此，每颗星需要存储和计算的动态变量降低为2XY个，存储资源和计算所需资源均得到优化。

S170、尝试所述源用户接入的卫星和目的用户接入卫星间的星间路由寻址。

S180、判断所述目的用户接入卫星是否改变，若没有改变，则跳至S190；若改变，则查询所述目的用户节点当前接入卫星，跳至S170。

在一个具体示例中，获得目的用户接入卫星ID后，开启星间路由寻址通信，到达目的卫星节点，确认目的用户节点是否依然在接入状态，如果是，建立通信；如果不是，则进行周边确认，重新寻址通信，由于卫星与地面站、用户站之间的移动切换，在通信/接入过程中，发现目的用户节点不再位于源目的卫星节点覆盖范围，或目的用户节点虽然仍位于原接入卫星节点覆盖范围，但即将发生切换，不能保证本数据包在星地通信过程中不会因切换发生通信中断。考虑这两种情况，设定以下措施：

1)当所述目的用户的接入卫星发生改变，已经不在原接入卫星覆盖范围时，则所述原接入卫星将传送的数据包送入缓存，所述原接入卫星通过直接查询本地卫星用户切换情况或在一跳范围内寻址，从而查询所述目的用户节点当前接入卫星

也就是说，当目的用户节点已经不在原来接入卫星覆盖范围时，则将传送的数据包送入原来接入卫星缓存，原来接入卫星通过直接查询本地卫星用户节点切换情况或在一跳范围内寻址方式。

2)当所述目的用户接入卫星即将发生切换时，设定目的用户在当前接入卫星即将切换时间的时间阈值Δt，当目的用户在小于Δt时间内即发生切换，则认为发生改变，接入卫星不再向信关站发送数据包，而将数据包存入缓存，其中，Δt取值依据：Δt≤空口传输最长时延+地面接收处理时延。

也就是说，设定目的用户节点在当前接入卫星即将切换时间的时间阈值Δt。当目的用户节点在小于Δt时间内即发生切换，则当前目的用户接入卫星不再向地面发送数据包，而将数据包存入缓存。Δt取值依据：Δt≤空口传输最长时延+地面接收处理时延。切换完成后，告知原接入卫星，原接入卫星保存节点切换信息一个切换时隙。

S190、建立所述源用户和目的用户间的通信。

在一个具体示例中，所述S190包括：

S1900、源用户接入卫星路由寻址，到达目的用户接入卫星；

S1901、查询目的用户是否仍位于所述目的用户接入卫星覆盖范围，若是，执行S1902；若否，执行S1903，其中，

S1902、判断目的用户是否覆盖区边缘波位，Δt0时间内准备切换，其中，若是，执行S19021；若否，执行S19022，

S19021、缓存Δt0+t时长数据，执行S1903；

S19022、将缓存的数据包发送至所述目的用户接入卫星，

S1903、获取目的用户最新接入卫星，将所述数据包发送至目的用户最新接入卫星。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。