一种多层低地球轨道卫星星座部署方法及系统

摘要

本发明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。本发明能够避免卫星冗余覆盖情况以及降低卫星部署成本。

权利要求

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kmin；

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；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kM，所述卫星数据范围的下界值为km；kM＞km；

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kmax；

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kmin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kmax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；具体包括：

获取所述优化后的多层低地球轨道卫星星座部署的全球平均覆盖率优化要求；

判断所述全球平均覆盖率优化要求小于所述全球平均覆盖率初始要求或者kmax＝kM，得到第三判断结果；

若所述第三判断结果表示为是，令km＝kmax，并返回步骤“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kmax颗卫星覆盖，得到第二判断结果”；

若所述第三判断结果表示为否，将kM＝kmax，并返回步骤“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kmax颗卫星覆盖，得到第二判断结果”；

当km≥kM时，循环结束，将所有优化后的多层低地球轨道卫星星座部署中拥有最少卫星数目的星座图为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2

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；σ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，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；Cth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。

5.一种多层低地球轨道卫星星座部署系统，其特征在于，包括：链路数据速率计算模块，用于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；

总回程容量要求获取模块，用于获取每个所述TST的总回程容量要求；

至少所需卫星数目确定模块，用于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kmin；

初始化模块，用于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数目；

交点确定模块，用于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；

优化模块，用于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kM，所述卫星数据范围的下界值为km；kM＞km；

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kmax；

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kmin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kmax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的多层低地球轨道卫星星座部署；

最优多层低地球轨道卫星星座部署确定模块，用于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；具体包括：获取所述优化后的多层低地球轨道卫星星座部署的全球平均覆盖率优化要求；

判断所述全球平均覆盖率优化要求小于所述全球平均覆盖率初始要求或者kmax＝kM，得到第三判断结果；

若所述第三判断结果表示为是，令km＝kmax，并返回步骤“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kmax颗卫星覆盖，得到第二判断结果”；

若所述第三判断结果表示为否，将kM＝kmax，并返回步骤“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kmax颗卫星覆盖，得到第二判断结果”；

当km≥kM时，循环结束，将所有优化后的多层低地球轨道卫星星座部署中拥有最少卫星数目的星座图为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。

6.根据权利要求5所述的多层低地球轨道卫星星座部署系统，其特征在于，所述链路数据速率确定模块，具体包括：

链路数据速率确定单元，用于利用公式 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2

路损因子；σ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。

7.根据权利要求6所述的多层低地球轨道卫星星座部署系统，其特征在于，所述至少所需卫星数目确定模块，具体包括：

至少所需卫星数目确定单元，用于利用公式 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；Cth为总回程容量要求。

8.根据权利要求5所述的多层低地球轨道卫星星座部署系统，其特征在于，所述初始化模块，具体包括：

每一层低地球轨道卫星初始单元，用于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 为卫星覆盖圆的角半径；

旋转单元，用于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；

初始化后的多层低地球轨道卫星星座部署确定单元，用于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。

说明书

一种多层低地球轨道卫星星座部署方法及系统

技术领域

[0001] 本发明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。

背景技术

[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。

发明内容

[0004] 本发明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，本发明提供了如下方案：

[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kmin；

[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
2
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；σ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；Cth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kM，所述卫星数据范围的下界值为km；kM＞km；

[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kmax；

[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kmin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kmax颗卫星覆盖，得到第二判断结果；

[0029] 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；

[0030] 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的多层低地球轨道卫星星座部署。

[0031] 可选的，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，具体包括：

[0032] 获取所述优化后的多层低地球轨道卫星星座部署的全球平均覆盖率优化要求；

[0033] 判断所述全球平均覆盖率优化要求小于所述全球平均覆盖率初始要求或者kmax＝kM，得到第三判断结果；

[0034] 若所述第三判断结果表示为是，令km＝kmax，并返回步骤“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kmax颗卫星覆盖，得到第二判断结果”；

[0035] 若所述第三判断结果表示为否，将kM＝kmax，并返回步骤“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kmax颗卫星覆盖，得到第二判断结果”；

[0036] 当km≥kM时，循环结束，将所有优化后的多层低地球轨道卫星星座部署中拥有最少卫星数目的星座图为最优多层低地球轨道卫星星座部署。

[0037] 一种多层低地球轨道卫星星座部署系统，包括：

[0038] 链路数据速率计算模块，用于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；

[0039] 总回程容量要求获取模块，用于获取每个所述TST的总回程容量要求；

[0040] 至少所需卫星数目确定模块，用于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kmin；

[0041] 初始化模块，用于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；

[0042] 交点确定模块，用于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；

[0043] 优化模块，用于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；

[0044] 最优多层低地球轨道卫星星座部署确定模块，用于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。

[0045] 可选的，所述链路数据速率确定模块，具体包括：

[0046] 链路数据速率确定单元，用于利用公式 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
2
离；α为路损因子；σ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。

[0047] 可选的，所述至少所需卫星数目确定模块，具体包括：

[0048] 至少所需卫星数目确定单元，用于利用公式 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；Cth为总回程容量要求。

[0049] 可选的，所述初始化模块，具体包括：

[0050] 每一层低地球轨道卫星初始单元，用于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 为卫星覆盖圆的角半径；

[0051] 旋转单元，用于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；

[0052] 初始化后的多层低地球轨道卫星星座部署确定单元，用于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。

[0053] 根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明所提供的多层低地球轨道卫星星座部署方法及系统，将TST的总回程容量需求转化为每个TST至少需要
被多少颗卫星覆盖，实现了满足TST的总回程容量需求的全球无缝覆盖；基于不同纬度的卫
星层，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，使得最终优化得到的卫星星座部署在任意时刻都能保持较高的覆盖率。
因此，在任意覆盖率要求下，本发明均能够得到拥有最少卫星数目的多层低地球轨道卫星
星座部署，避免了卫星冗余覆盖情况，降低了卫星部署成本。

附图说明

[0054] 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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图
获得其他的附图。

[0055] 图1为本发明所提供的多层低地球轨道卫星星座部署方法流程图；

[0056] 图2为初始化的多层低地球轨道卫星星座部署示意图；

[0057] 图3为本发明所提供的多层低地球轨道卫星星座部署系统结构图。

具体实施方式

[0058] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，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。

[0059] 本发明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，能够避免卫星冗余覆盖情况以及降低卫星部署成本。

[0060] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0061] 图1为本发明所提供的多层低地球轨道卫星星座部署方法流程图，如图1所示，一种多层低地球轨道卫星星座部署方法，包括：

[0062] 步骤101：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。

[0063] 利用仿真软件(如MATLAB)在球表面进行撒点模拟TST，撒点服从密度为λ的泊松分布，其中λ取值根据实际情况而定，同时在球面上空多个高度均匀撒点模拟多层低地球轨道
卫星，高度取值根据实际情况而定，根据链路数据速率计算公式：

[0064] 计算出TST到单个卫星链路的链路数据速率R，上式中B为Ka频段带宽，x为每个卫星可以服务的TST个数(由卫星高度，TST仰角和密度决定)，P为TST的发射功率，G为收发天
2
线增益，d为卫星与TST之间的距离，α为路损因子，σ为TST‑卫星链路之间加性白噪声的方
差，I为其他链路的干扰，即使用相同信道传输的TST‑卫星链路信号强度之和，上述变量在
模拟撒点之后均为已知值。

[0065] 步骤102：获取每个所述TST的总回程容量要求。

[0066] 步骤103：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kmin。

[0067] 根据仿真所得的TST‑卫星链路的链路数据速率和TST对卫星服务质量的要求，即每个TST总回程容量的要求Cth，每个TST至少所需卫星覆盖的数目kmin为：

[0068] 步骤104：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。

[0069] 图2为初始化的多层低地球轨道卫星星座部署示意图，如图2所示，其中，Re为地球与卫星层的距离，利用计算机根据kmin初始化多层低地球轨道卫星星座部署：

[0070] 假设低地球轨道卫星层数为J。首先根据经典极化轨道卫星部署理论使得所有TST都能被一个卫星所覆盖，其覆盖方案为有N0个均匀分布的极化卫星轨道，每个轨道上有M个
均匀分布的卫星，相邻轨道上的卫星沿相同方向运动，相位差为 卫星覆盖圆的角半径
M，N0满足的关系式为：

[0071]

[0072] 对每层不同高度的低地球轨道卫星都采取上述方法进行经典极化轨道全球单覆盖初始部署；其次，将每层低地球轨道卫星星座在相同位置分别复制kj‑1(j＝1，2，...，J)
次，然后将每层低地球轨道卫星星座第i次复制得到的星座以南北方向为轴旋转iπ/kj，kj满
足k1+...+kj+...+kJ＝kmin。

[0073] 按照上述方法，便可以得到保证每个TST都能被至少kmin卫星覆盖的初始低地球轨道卫星星座，该初始星座包含N0kmin个轨道，每个轨道上有M颗均匀分布的卫星。

[0074] M，N0，三个变量只需满足一个约束条件，因此可以根据实际情况灵活选择初始卫星星座部署。

[0075] 步骤105：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。

[0076] 步骤106：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。

[0077] 多层低地球轨道卫星星座优化原理：如果低地球轨道卫星的覆盖区域边界之间存在交点，并且所有交点都被k颗卫星覆盖，则地球表面任意一点可以被k颗卫星覆盖。

[0078] 由上述优化原理确定多层低地球轨道卫星星座优化准则：

[0079] 对于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卫星，若在其覆盖范围内所有其他卫星覆盖区域边界的交点若都被kmin颗卫星覆盖，则该颗卫
星可以从初始卫星图中移除；

[0080] 对于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卫星，若在其覆盖范围内所有其他卫星覆盖区域边界的交点若都被kmax(kmax≥kmin)颗卫星覆
盖，则该颗卫星可以从初始卫星图中移除。

[0081] kmax≥kmin的原因是在一个固定的时隙中进行星座优化，即认为在该时隙中卫星位置保持不变，若都采用kmin进行优化判定中，飞行于高纬度地区上空的卫星的移除数量将大
于低纬度地区。

[0082] 当处于高纬度地区上空的卫星在随后的时隙中飞越低纬度地区时，很可能无法实现使每个TST都被kmin颗卫星覆盖。因此，需要减少在高纬度地区上空飞行的卫星移除的数
量，即在高纬度地区采用kmax进行优化判定。

[0083] 随着kmax的增大，被移除的卫星数目将会减少，全球平均覆盖率也会随之上升，因此，kmax的值将由全球覆盖率要求决定。

[0084] 由于全球覆盖率随kmax的增大而增大，因此可以根据实际的全球覆盖率要求，选择最佳的kmax使得最终卫星星座部署在满足全球覆盖率要求的前提下，实现卫星数量的最小
化。

[0085] 将TST的总回程容量需求转化为每个TST至少需要被多少颗卫星覆盖，并结合极化轨道实现了满足TST的总回程容量需求的全球无缝覆盖。

[0086] 利用多层低地球轨道卫星星座优化准则，分别应用于低纬度地区和高纬度地区的卫星，使得最终优化得到的卫星星座部署在任意时刻都能保持较高的覆盖率，寻找初始星
座部署中移除后不会影响卫星星座覆盖效果的卫星；通过这种方式优化得到的非对称星座
能够有效避免卫星的冗余，从而达到更好的优化效果。

[0087] 步骤107：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。

[0088] 利用计算机仿真优化多层低地球轨道卫星星座部署，使优化出来的星座图可以用最小的卫星数来满足每个TST的回程容量要求，具体优化算法如下所示：

[0089] (1)初始化：每个TST所需的卫星数目kmin，全球平均覆盖率要求η0，kmax的下界值km等于kmin，kmax的上界值kM等于kMAX；

[0090] (2)选择自然数k1，...，kj，...，kJ值使其满足k1+...+kj+...+kJ＝kmin，按照步骤2初始化低地球轨道卫星星座部署；

[0091] (3)设置kmax＝[(km+kM‑1)/2]‑1；

[0092] (4)找出所有卫星覆盖区域边界的交点，并计算每个交点被多少颗卫星覆盖，利用多层低地球轨道卫星星座优化准则对初始星座进行卫星移除优化以减少卫星数目；

[0093] (5)计算优化后的星座图的全球平均覆盖率，若η＜η0或者kmax＝kM，则设置km＝kmax，反之，则设置kM＝kmax，同时返回到第(3)步；当km≥kM时(3)‑(5)步的循环结束，记录星
座图中卫星数目最小值；

[0094] (6)返回第(2)步重新选择一组自然数k1，...，kj，...，kJ值使其满足k1+...+kj+...+kJ＝kmin，重新进行第(2)‑(5)步；

[0095] (7)找出多组k1，...，kj，...，kJ中对应得到的拥有最小卫星数目的星座图，即为最终优化的多层低地球轨道卫星星座部署。

[0096] 图3为本发明所提供的多层低地球轨道卫星星座部署系统结构图，如图3所示，一种多层低地球轨道卫星星座部署系统，包括：

[0097] 链路数据速率计算模块301，用于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。

[0098] 所述链路数据速率确定模块301，具体包括：链路数据速率确定单元，用于利用公式 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
2
为收发天线增益；d为卫星与TST之间的距离；α为路损因子；σ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。

[0099] 总回程容量要求获取模块302，用于获取每个所述TST的总回程容量要求。

[0100] 至少所需卫星数目确定模块303，用于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kmin。

[0101] 所述至少所需卫星数目确定模块303，具体包括：至少所需卫星数目确定单元，用于利用公式 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；Cth为总回程容量要求。

[0102] 初始化模块304，用于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。

[0103] 所述初始化模块304，具体包括：每一层低地球轨道卫星初始单元，用于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 为卫星覆
盖圆的角半径；旋转单元，用于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；初始化后
的多层低地球轨道卫星星座部署确定单元，用于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。

[0104] 交点确定模块305，用于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。

[0105] 优化模块306，用于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。

[0106] 最优多层低地球轨道卫星星座部署确定模块307，用于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。

[0107] 本发明在任意覆盖率要求下，都能够得到拥有最少卫星数目的多层低地球轨道卫星星座部署，避免了卫星冗余覆盖情况，降低了卫星部署成本。

[0108] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统
而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说
明即可。

[0109] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据
本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不
应理解为对本发明的限制。