天地一体化电信级卫星移动通信系统体系架构和实现方法

摘要

本发明公开了一种天地一体化电信级卫星移动通信系统体系架构和实现方法，系统由空间段的多颗卫星，地面段的一个运维管控中心和多个信关站，用户段多个部署于陆地、海上、空中的用户终端组成；空间段多颗卫星对地面目标覆盖范围进行拼接覆盖，多个信关站按需分散部署且支持关键设备交叉热备，运维管控中心对卫星、信关站、用户终端进行星地一体化运行维护和管理控制；针对多类复杂使用场景，按不同应用预案模式灵活建网为用户提供高质量综合保障，并支持应用预案的持续学习更新。本发明支持使用多颗卫星资源综合组网，可扩展性好；支持多个信关站设备级互备，可靠性高；支持多种应用模式的持续更新，复杂场景适应性好。

权利要求

1.一种天地一体化电信级卫星移动通信系统体系架构，其特征在于，所述的天地一体化电信级卫星移动通信系统体系架构包括空间段，地面段和用户段，所述的卫星移动通信系统包括空间段的多颗卫星，地面段的一个运维管控中心和多个信关站，用户段的多个部署于陆地、海上、空中的用户终端组成，其具体包括：空间段的每颗卫星采用星载多波束天线实现对地面区域的多波束连续覆盖，并通过对多颗卫星的覆盖范围进行相互拼接，实现对目标覆盖范围的覆盖；

地面段的多个信关站根据包括降雨规律和业务分布在内的区域属性特点，按需在地面不同区域进行分散式部署，多个信关站之间相互进行重点设备的交叉热备份，其具体包括，对发生故障后将会导致卫星移动通信系统不能正常运行的重点设备进行备份，在多个信关站上均布设多个重点设备，所布设的重点设备中，其中一个重点设备作为主设备，其余的重点设备作为从设备，卫星移动通信系统正常工作时，主设备和从设备同时加电运行，当主设备故障时，卫星移动通信系统自动选择一个从设备，将其切换为主设备，从而实现热备份；

地面段的运维管控中心按照用户终端的实时业务需求实现对卫星、地面信关站、用户终端的星地一体化运行维护和管理控制，以及对全系统资源的动态分配与调配；

卫星移动通信系统针对航空航海、抢险救灾、野外勘探、森林/海洋监控复杂应用场景特点，为用户按需提供多种典型应用模式，具体包括移动热点、即时话音、远程接入和广域物联，支持话音、短消息、数据、视频、传真业务；

所述的空间段的每颗卫星采用星载多波束天线实现对地面区域的多波束连续覆盖，并通过对多颗卫星的覆盖范围进行相互拼接，实现对目标覆盖范围的覆盖，其具体为，假设卫星移动通信系统空间段共有N颗卫星，单颗卫星的最大覆盖面积为S0，最大覆盖面积的内切矩形面积记为S0′，目标覆盖范围总面积记为Smax，其外接矩形面积记为S′max；

计算卫星移动通信系统实现对目标覆盖范围全覆盖所需的最小卫星数量N0，N0的取值范围为 N0在该范围内的具体数值由实际的目标覆盖范围需求决定；

按照N0个卫星对目标覆盖范围进行全覆盖的布局，将目标覆盖范围按照各个卫星的覆盖范围划分为N0个区域，将各区域按照区域内用户数量值的大小以从高到低的方式排序，将排序后的区域分别记为

将空间段N颗卫星的覆盖范围依次设置为排序后的N0个区域的范围，即第i颗卫星所覆盖的区域为 当N≤N0时，卫星移动通信系统仅覆盖前N个区域，当N＞N0时，从第N0+1颗卫星起，按照区域排序依次重复对各区域进行覆盖，从而实现对目标覆盖范围的拼接覆盖；

所述的卫星移动通信系统的地面段共包括M个信关站，M≥2，每个信关站设置有1套核心网和jm套接入网设备，m为信关站序号，m＝1,2,……，M，其中每套接入网设备可用于空间段的任意1颗卫星的业务处理；

各信关站通过地面高速光纤链路进行数据互联，同时也通过地面高速光纤链路与运维管控中心进行数据互联，各信关站共同接受运维管控中心管理；

卫星移动通信系统设置1个序号为a的主信关站，所设置的主信关站须满足ja≥N，卫星移动通信系统正常工作时，主信关站的核心网处于运行状态，其他信关站的核心网处于热备份状态，其他信关站的核心网通过地面高速光纤链路保持与主信关站的核心网数据同步；主信关站从ja套接入网设备中任意选择N套设为工作状态，分别用于N颗卫星的业务处理，从而实现正常状态下主信关站单站支撑全卫星移动通信系统运行，主信关站其余的(ja‑N)套接入网设备和其他信关站的接入网设备处于热备份状态；

当主信关站核心网出现异常状况而无法工作时，卫星移动通信系统任意选择其他某个信关站，设所选择的信关站序号为x，将序号为x的信关站的核心网切换至工作状态，除序号为a和x的信关站外，其他信关站仍处于热备份状态，并保持与序号为x的信关站数据同步；

当主信关站处于工作状态的接入网设备中有y套出现异常状况而无法工作时，1≤y≤N，卫星移动通信系统首先从该主信关站处于备份状态的接入网设备中选择接替者，将其切换至工作状态，如果该主信关站处于备份状态的接入网设备数量不足，即ja‑N＜y，则继续从其他信关站中随机选择y‑ja+N套处于备份状态的接入网设备，并将这些接入网设备全部切换至工作状态；

所述的地面段的运维管控中心按照用户终端的实时业务需求实现对卫星、地面信关站、用户终端的星地一体化运行维护和管理控制，以及对全系统资源的动态分配与调配，其具体包括：

地面段的运维管控中心包括测控设备、应用管理设备和决策支持设备，通过对卫星、地面信关站和用户终端进行综合统筹的决策规划、资源调配、运行管理，实现星地一体化运行维护和管理控制；

测控设备与卫星之间建立无线测控链路，卫星包括卫星平台和卫星载荷，测控设备用于接收卫星平台和卫星载荷的遥控数据，再将经过其处理后的遥测数据发送给应用管理设备，应用管理设备收到上述数据后向测控设备发出相应的控制指令，测控设备根据应用管理设备发出的控制指令，向卫星发送卫星平台和卫星载荷的遥控数据，卫星收到遥控指令后，根据遥控指令调整卫星姿态、波束指向和转发器状态；

应用管理设备用于完成卫星移动通信系统中星地一体化资源的管理和调配、配置管理、性能管理、故障管理功能，应用管理设备接收来自测控设备的载荷状态信息，对卫星资源进行统一管理和规划，向测控设备发送卫星载荷控制指令；应用管理设备向决策支持设备发起决策支持请求，并向决策支持设备发送决策支持所需要的数据，并接收决策支持设备生成的包括网络规划预案、网络调整方案在内的辅助决策结果作为组织和优化卫星移动通信系统运行的参考；应用管理设备通过测控设备向主信关站发送网络规划和星地一体化资源分配信息，同时通过测控设备接收主信关站上报的星地一体化资源请求和运行状态信息；

决策支持设备用于完成卫星移动通信系统运行评估和网络规划功能；决策支持设备获取卫星载荷使用状况、信关站运行状态，结合不同卫星通信任务的组网需求为卫星通信任务的保障生成和提供网络规划预案；

决策支持设备生成网络规划预案的具体过程为：获取卫星通信任务组网需求，卫星通信任务组网需求包括网络覆盖范围需求Dreq＝{1,

2，…,c,…,C0}，通信功率需求Preq，通信带宽需求 其中c＝1,2,…,C0，为对网络覆盖范围需求进行栅格化划分后得到的栅格区域的编号，对网络覆盖范围需求共划分为C0个栅格区域；

获取卫星移动通信系统中各卫星的载荷使用状况，对于第i颗卫星，其最大发射功率为第i颗卫星的第l个波束的可用带宽为 该波束能够覆盖的栅格区域的编号集合为

进行网络规划，在满足卫星组网需求的前提下，以使用最少的功率资源、带宽资源、波束数量为目标，建立多目标优化模型：i i

其中，B表示第i颗卫星的全部波束的标号集合，A表示第i颗卫星为卫星通信任务分配i i

的波束的标号集合；Pl为第i颗卫星的第l个波束为卫星通信任务分配的发射功率值；Wl 为第i颗卫星的第l个波束为任务分配的带宽；card(·)表示计算集合中元素的总数；求解该多目标优化模型，得到网络规划预案；

用户段的用户终端进行业务通信时，首先通过其空中通信接口向主信关站申请信道资源，若主信关站管理的剩余资源能满足用户终端需求，则主信关站向用户终端分配其所需的信道资源；若主信关站管理的剩余资源无法满足用户终端需求，则主信关站向运维管控中心申请资源，如运维管控中心的可用资源能满足用户终端需求，则运维管控中心通过主信关站向用户终端分配其所需的信道资源，如运维管控中心可用资源无法满足用户终端需求，则运维管控中心通过主信关站向用户反馈资源不足，当前用户终端的业务通信失败。

说明书

天地一体化电信级卫星移动通信系统体系架构和实现方法

技术领域

[0001] 本发明涉及卫星移动通信技术领域，尤其涉及一种天地一体化电信级卫星移动通信系统体系架构和实现方法。

背景技术

[0002] 与地面移动通信系统相比，卫星移动通信系统具有覆盖范围广和不受地形条件限制的显著优势，在服务空中、海上、沙漠、山地和偏远、无人区域用户方面以及应对地震、洪
水等自然灾害导致地面通信基础设施损坏方面，发挥着不可替代的作用。然而，单颗卫星覆
盖范围有限，为提供大地域范围的移动通信保障，实际卫星通信系统往往采用多星联合覆
盖和组网的方式提供通信服务(如Thuraya系统、海事卫星系统)。同时，为提供与地面移动
通信系统相似的服务质量，需要卫星移动通信系统具备电信级高可靠性，具有先进的冗余
备份手段。此外，卫星移动通信系统往往用于地面移动通信系统无法覆盖的场景，因此其面
临的应用环境复杂多样，其业务特点与地面移动通信系统相比也有所差异。为满足多星联
合组网、电信级服务质量、星地资源管控和复杂场景应用等需求，急需开展天地一体化的电
信级卫星移动通信系统体系架构设计，支撑构建可扩展、高可靠、按需保障的卫星移动通信
系统。

[0003] 中国专利CN110493791A中提出了一种基于临近空间平台的空天地一体网络体系架构及设计方法，通过将临近空间平台飞行器引入网络体系架构，实现了全球覆盖，但是未
考虑卫星通信系统在天地一体通信网络中的作用；中国专利CN105553711A中提出了一种实
现陆、海、空、天网络一体化的网络体系架构及方法，通过将网络划分为核心网和接入网，实
现一体化的网间互联互通，上述专利主要在网络层面针对网络标识和管理系统进行研究，
未涉及具体的通信系统和应用场景。

发明内容

[0004] 本发明公开了一种天地一体化电信级卫星移动通信系统体系架构，所述的天地一体化电信级卫星移动通信系统体系架构包括空间段，地面段和用户段，所述的卫星移动通
信系统包括空间段的多颗卫星，地面段的一个运维管控中心和多个信关站，用户段的多个
部署于陆地、海上、空中的用户终端组成，其具体包括：

[0005] 空间段的每颗卫星采用星载多波束天线实现对地面区域的多波束连续覆盖，并通过对多颗卫星的覆盖范围进行相互拼接，实现对目标覆盖范围的覆盖；

[0006] 地面段的多个信关站根据包括降雨规律和业务分布在内的区域属性特点，按需在地面不同区域进行分散式部署，多个信关站之间相互进行重点设备的交叉热备份，其具体
包括，对发生故障后将会导致卫星移动通信系统不能正常运行的重点设备进行备份，在多
个信关站上均布设多个重点设备，所布设的重点设备中，其中一个重点设备作为主设备，其
余的重点设备作为从设备，卫星移动通信系统正常工作时，主设备和从设备同时加电运行，
当主设备故障时，卫星移动通信系统自动选择一个从设备，将其切换为主设备，从而实现热
备份；地面段的运维管控中心按照用户的实时业务需求实现对卫星、地面信关站、用户终端
的星地一体化运行维护和管理控制，以及对全系统资源的动态分配与调配；

[0007] 卫星移动通信系统针对航空航海、抢险救灾、野外勘探、森林/海洋监控复杂应用场景特点，为用户按需提供多种典型应用模式，具体包括移动热点、即时话音、远程接入和
广域物联，支持话音、短消息、数据、视频、传真业务。

[0008] 所述的空间段的每颗卫星采用星载多波束天线实现对地面区域的多波束连续覆盖，并通过对多颗卫星的覆盖范围进行相互拼接，实现对目标覆盖范围的覆盖，其具体为，

[0009] 假设卫星移动通信系统空间段共有N颗卫星，单颗卫星的最大覆盖面积为S0，最大覆盖面积的内切矩形面积记为S0′，目标覆盖范围总面积记为Smax，其外接矩形面积记为
S′max；

[0010] 计算卫星移动通信系统实现对目标覆盖范围全覆盖所需的最小卫星数量N0，N0的取值范围为 N0在该范围内的具体数值由实际的目标覆盖范围需求
决定；

[0011] 按照N0个卫星对目标覆盖范围进行全覆盖的布局，将目标覆盖范围按照各个卫星的覆盖范围划分为N0个区域，将各区域按照区域内用户数量值的大小以从高到低的方式排
序，将排序后的区域分别记为

[0012] 将空间段N颗卫星的覆盖范围依次设置为排序后的N0个区域的范围，即第i颗卫星所覆盖的区域为 1N＞N0时，从第N0+1颗卫星起，按照区域排序依次重复对各区域进行覆盖，从而实现对目标覆
盖范围的拼接覆盖。

[0013] 所述的地面段的多个信关站根据包括降雨规律和业务分布在内的区域属性特点，按需在地面不同区域进行分散式部署，多个信关站之间相互进行重点设备的交叉热备份，
其具体包括，对发生故障后将会导致卫星移动通信系统不能正常运行的重点设备进行备
份，在多个信关站上均布设多个重点设备，所布设的重点设备中，其中一个重点设备作为主
设备，其余的重点设备作为从设备，卫星移动通信系统正常工作时，主设备和从设备同时加
电运行，当主设备故障时，卫星移动通信系统自动选择一个从设备，将其切换为主设备，从
而实现热备份，其具体包括：

[0014] 卫星移动通信系统的地面段共包括M个信关站，M≥2，每个信关站设置有1套核心网和jm套接入网设备，m为信关站序号，m＝1,2,……，M，其中每套接入网设备可用于空间段
的任意1颗卫星的业务处理；

[0015] 各信关站通过地面高速光纤链路进行数据互联，同时也与通过地面高速光纤链路与运维管控中心进行数据互联，各信关站共同接受运维管控中心管理；

[0016] 卫星移动通信系统设置1个序号为a的主信关站，所设置的主信关站须满足ja≥N，卫星移动通信系统正常工作时，主信关站的核心网处于运行状态，其他信关站的核心网处
于热备份状态，其他信关站的核心网通过地面高速光纤链路保持与主信关站的核心网数据
同步；主信关站从ja套接入网设备中任意选择N套设为工作状态，分别用于N颗卫星的业务
处理，从而实现正常状态下主信关站单站支撑全卫星移动通信系统运行，主信关站其余的
(ja‑N)套接入网设备和其他信关站的接入网设备处于热备份状态；

[0017] 当主信关站核心网出现异常状况而无法工作时，卫星移动通信系统任意选择其他某个信关站，设所选择的信关站序号为x，将序号为x的信关站的核心网切换至工作状态，除
序号为a和x的信关站外，其他信关站仍处于热备份状态，并保持与序号为x的信关站数据同
步；

[0018] 当主信关站处于工作状态的接入网设备中有y套出现异常状况而无法工作时，1≤y≤N，卫星移动通信系统首先从该主信关站处于备份状态的接入网设备中选择接替者，将
其切换至工作状态，如果该主信关站处于备份状态的接入网设备数量不足，即ja‑N＜y，则
继续从其他信关站中随机选择y‑ja+N套处于备份状态的接入网设备，并将这些接入网设备
全部切换至工作状态。

[0019] 所述的地面段的运维管控中心按照用户终端的实时业务需求实现对卫星、地面信关站、用户终端的星地一体化运行维护和管理控制，以及对全系统资源的动态分配与调配，
其具体包括：

[0020] 地面段的运维管控中心包括测控设备、应用管理设备和决策支持设备，通过对卫星、地面信关站和用户终端进行综合统筹的决策规划、资源调配、运行管理，实现星地一体
化运行维护和管理控制；

[0021] 测控设备与卫星之间建立无线测控链路，卫星包括卫星平台和卫星载荷，测控设备用于接收卫星平台和卫星载荷的遥控数据，再将经过其处理后的遥测数据发送给应用管
理设备，应用管理设备收到上述数据后向测控设备发出相应的控制指令，测控设备根据应
用管理设备发出的控制指令，向卫星发送卫星平台和卫星载荷的遥控数据，卫星收到遥控
指令后，根据遥控指令调整卫星姿态、波束指向和转发器状态等；

[0022] 应用管理设备用于完成卫星移动通信系统中星地一体化资源的管理和调配、配置管理、性能管理、故障管理功能，应用管理设备接收来自测控设备的载荷状态信息，对卫星
资源进行统一管理和规划，向测控设备发送卫星载荷控制指令；应用管理设备向决策支持
设备发起决策支持请求，并向决策支持设备发送决策支持所需要的数据，并接收决策支持
设备生成的包括网络规划预案、网络调整方案等在内的辅助决策结果作为组织和优化卫星
移动通信系统运行的参考；应用管理设备通过测控设备向主信关站发送网络规划和星地一
体化资源分配信息，同时通过测控设备接收主信关站上报的星地一体化资源请求和运行状
态信息；

[0023] 决策支持设备用于完成卫星移动通信系统运行评估和网络规划功能；决策支持设备获取卫星载荷使用状况、信关站运行状态，结合不同卫星通信任务的组网需求为卫星通
信任务的保障生成和提供网络规划预案；

[0024] 决策支持设备生成网络规划预案的具体过程为：

[0025] 获取卫星通信任务组网需求，卫星通信任务组网需求包括网络覆盖范围需求Dreq＝{1,2，…,c,…,C0}，通信功率需求Preq，通信带宽需求 其中c＝1,2,…,C0，为对网络
覆盖范围需求进行栅格化划分后得到的栅格区域的编号，对网络覆盖范围需求共划分为C0
个栅格区域；

[0026] 获取卫星移动通信系统中各卫星的载荷使用状况，对于第i颗卫星，其最大发射功率为 第i颗卫星的第l个波束的可用带宽为 该波束能够覆盖的栅格区域的编号
集合为

[0027] 进行网络规划，在满足卫星组网需求的前提下，以使用最少的功率资源、带宽资源、波束数量为目标，建立多目标优化模型：

[0028]

[0029]

[0030]

[0031]

[0032]

[0033] 其中，Bi表示第i颗卫星的全部波束的标号集合，Ai表示第i颗卫星为卫星通信任务i
分配的波束的标号集合；Pl为第i颗卫星的第l个波束为卫星通信任务分配的发射功率值；
i
Wl为第i颗卫星的第l个波束为任务分配的带宽；card(·)表示计算集合中元素的总数；求
解该多目标优化模型，得到网络规划预案；

[0034] 用户段的用户终端进行业务通信时，首先通过其空中通信接口向主信关站申请信道资源，若主信关站管理的剩余资源能满足用户终端需求，则主信关站向用户终端分配其
所需的信道资源；若主信关站管理的剩余资源无法满足用户终端需求，则主信关站向运维
管控中心申请资源，如运维管控中心的可用资源能满足用户终端需求，则运维管控中心通
过主信关站向用户终端分配其所需的信道资源，如运维管控中心可用资源无法满足用户终
端需求，则运维管控中心通过主信关站向用户反馈资源不足，当前用户终端的业务通信失
败。

[0035] 卫星移动通信系统针对航空航海、抢险救灾、野外勘探、森林/海洋监控复杂应用场景特点，为用户按需提供多种典型应用模式，具体包括移动热点、即时话音、远程接入和
广域物联，支持话音、短消息、数据、视频、传真业务，其具体包括：

[0036] 针对航空航海应用场景，采用移动热点模式保障；首先，在地面移动平台上部署若干个具有无线WiFi接入功能的卫星移动通信终端，简称卫星终端，卫星终端开机接入卫星
移动通信系统后，与主信关站之间建立数据传输通道，卫星终端在地面移动平台的周围空
间内建立WiFi网络；然后，航空或航海平台用户使用自身携带的具有WiFi功能的通信终端
接入WiFi网络；最后，卫星终端通过与主信关站之间的数据传输通道与主信关站进行数据
业务通信，并通过主信关站访问地面互联网，从而实现航空或航海平台用户的互联网访问
服务；

[0037] 针对抢险救灾应用场景，采用即时话音模式保障；首先，灾区用户配备卫星终端或同时具有卫星移动通信功能和地面移动通信功能的双模终端，其卫星终端或双模终端在开
机入网后处于待机状态；然后，灾区用户需要进行话音通信时，作为主叫用户使用卫星终端
或双模终端呼叫被叫用户，其中，双模终端优先使用地面移动通信系统呼叫被叫用户，以减
轻卫星通信资源占用，仅当地面移动通信系统容量超载时，双模终端再使用卫星移动通信
系统呼叫被叫用户；最后，信关站收到主叫用户呼叫申请后，根据被叫用户所属通信网络，
分别在本卫星移动通信系统、地面固定电话网、地面移动通信系统中寻呼被叫用户，并建立
主被叫用户话音通信链路；

[0038] 针对野外勘探应用场景，采用远程接入模式保障；首先，野外勘探用户配备卫星终端，其卫星终端开机入网后处于待机状态；然后，野外勘探用户需要进行数据通信时，使用
卫星终端向主信关站发起数据通信申请，卫星终端与主信关站之间建立数据传输通道；最
后，卫星终端通过与主信关站直接的数据传输通道与主信关站进行数据业务通信，并通过
主信关站访问地面互联网或专用网络；

[0039] 针对森林/海域监控应用场景，采用广域物联模式保障；首先，在任务区域内部署可无人值守的卫星物联网终端，卫星物联网终端开机入网后处于低功耗工作状态，按森林/
海域监控用户预设的规则，卫星物联网终端每隔一定时间或发生特定事件后向主信关站发
起低速数据回传业务；然后，当卫星物联网终端需要进行低速数据回传时，卫星物联网终端
向主信关站发起申请，卫星物联网终端与主信关站之间建立数据传输通道；最后，卫星物联
网终端通过与主信关站的数据传输通道向主信关站回传低速数据，主信关站接收该低速数
据后，将该低速数据转发至相关用户。

[0040] 本发明具有如下优点：

[0041] 1、本发明支持使用多颗卫星资源综合组网，可针对任意目标覆盖区域、任意数量卫星，以服务用户容量最大化为目标实现最优覆盖，系统可扩展性好；针对任意目标覆盖区
域、单行覆盖区域，可估算实现全覆盖所需的卫星数量；

[0042] 2、本发明支持多个信关站设备级交叉热备份，任意一个信关站的设备可由其他多个信关站的设备提供备份，相比于站内设备备份和信关站两两备份，系统可靠性更高；

[0043] 3、本发明可针对航空航海、抢险救灾、野外勘探、森林/海洋监控等多类复杂应用场景特点，为用户按需提供移动热点、即时话音、远程接入和广域物联等与场景相匹配的典
型应用模式，实现资源的高效利用，且支持多种应用模式的持续学习更新，复杂场景适应性
好。

附图说明

[0044] 图1为本发明中天地一体化的电信级卫星移动通信系统体系架构示意图；

[0045] 图2为本发明中多星多波束联合赋形覆盖示意图；

[0046] 图3为本发明中多信关站设备级交叉热备份示意图；

[0047] 图4为本发明中星地一体运维管控示意图；

[0048] 图5为本发明中卫星移动通信系统移动热点保障模式示意图；

[0049] 图6为本发明中卫星移动通信系统即时话音模式保障示意图；

[0050] 图7为本发明中卫星移动通信系统远程接入模式保障示意图；

[0051] 图8为本发明中卫星移动通信系统广域物联模式保障示意图。

具体实施方式

[0052] 下面结合附图，对本发明进行详细描述。

[0053] 如图1所示，本发明公开了一种天地一体化电信级卫星移动通信系统体系架构，所述的天地一体化电信级卫星移动通信系统体系架构包括空间段，地面段和用户段，所述的
卫星移动通信系统包括空间段的多颗卫星，地面段的一个运维管控中心和多个信关站，用
户段的多个部署于陆地、海上、空中的用户终端组成，其具体包括：

[0054] 空间段的每颗卫星采用星载多波束天线实现对地面区域的多波束连续覆盖，并通过对多颗卫星的覆盖范围进行相互拼接，实现对目标覆盖范围的覆盖；

[0055] 地面段的多个信关站根据包括降雨规律和业务分布在内的区域属性特点，按需在地面不同区域进行分散式部署，多个信关站之间相互进行重点设备的交叉热备份，其具体
包括，对发生故障后将会导致卫星移动通信系统不能正常运行的重点设备进行备份，在多
个信关站上均布设多个重点设备，所布设的重点设备中，其中一个重点设备作为主设备，其
余的重点设备作为从设备，卫星移动通信系统正常工作时，主设备和从设备同时加电运行，
当主设备故障时，卫星移动通信系统自动选择一个从设备，将其切换为主设备，从而实现热
备份；地面段的运维管控中心按照用户终端的实时业务需求实现对卫星、地面信关站、用户
终端的星地一体化运行维护和管理控制，以及对全系统资源的动态分配与调配；

[0056] 卫星移动通信系统针对航空航海、抢险救灾、野外勘探、森林/海洋监控复杂应用场景特点，为用户按需提供多种典型应用模式，具体包括移动热点、即时话音、远程接入和
广域物联，支持话音、短消息、数据、视频、传真业务。

[0057] 所述的空间段的每颗卫星采用星载多波束天线实现对地面区域的多波束连续覆盖，并通过对多颗卫星的覆盖范围进行相互拼接，实现对目标覆盖范围的覆盖，其具体为，

[0058] 假设卫星移动通信系统空间段共有N颗卫星，单颗卫星的最大覆盖面积为S0，最大覆盖面积的内切矩形面积记为S0′，目标覆盖范围总面积记为Smax，其外接矩形面积记为
S′max；

[0059] 计算卫星移动通信系统实现对目标覆盖范围全覆盖所需的最小卫星数量N0，N0的取值范围为 N0在该范围内的具体数值由实际的目标覆盖范围需求
决定；

[0060] 按照N0个卫星对目标覆盖范围进行全覆盖的布局，将目标覆盖范围按照各个卫星的覆盖范围划分为N0个区域，将各区域按照区域内用户数量值的大小以从高到低的方式排
序，将排序后的区域分别记为

[0061] 将空间段N颗卫星的覆盖范围依次设置为排序后的N0个区域的范围，即第i颗卫星所覆盖的区域为 1N＞N0时，从第N0+1颗卫星起，按照区域排序依次重复对各区域进行覆盖，从而实现对目标覆
盖范围的拼接覆盖。

[0062] 所述的地面段的多个信关站根据包括降雨规律和业务分布在内的区域属性特点，按需在地面不同区域进行分散式部署，多个信关站之间相互进行重点设备的交叉热备份，
其具体包括，对发生故障后将会导致卫星移动通信系统不能正常运行的重点设备进行备
份，在多个信关站上均布设多个重点设备，所布设的重点设备中，其中一个重点设备作为主
设备，其余的重点设备作为从设备，卫星移动通信系统正常工作时，主设备和从设备同时加
电运行，当主设备故障时，卫星移动通信系统自动选择一个从设备，将其切换为主设备，从
而实现热备份，其具体包括：

[0063] 卫星移动通信系统的地面段共包括M个信关站，M≥2，每个信关站设置有1套核心网和jm套接入网设备，m为信关站序号，m＝1,2,……，M，其中每套接入网设备可用于空间段
的任意1颗卫星的业务处理；

[0064] 各信关站通过地面高速光纤链路进行数据互联，同时也与通过地面高速光纤链路与运维管控中心进行数据互联，各信关站共同接受运维管控中心管理；

[0065] 卫星移动通信系统设置1个序号为a的主信关站，所设置的主信关站须满足ja≥N，卫星移动通信系统正常工作时，主信关站的核心网处于运行状态，其他信关站的核心网处
于热备份状态，其他信关站的核心网通过地面高速光纤链路保持与主信关站的核心网数据
同步；主信关站从ja套接入网设备中任意选择N套设为工作状态，分别用于N颗卫星的业务
处理，从而实现正常状态下主信关站单站支撑全卫星移动通信系统运行，主信关站其余的
(ja‑N)套接入网设备和其他信关站的接入网设备处于热备份状态；

[0066] 当主信关站核心网出现异常状况而无法工作时，卫星移动通信系统任意选择其他某个信关站，设所选择的信关站序号为x，将序号为x的信关站的核心网切换至工作状态，除
序号为a和x的信关站外，其他信关站仍处于热备份状态，并保持与序号为x的信关站数据同
步；

[0067] 当主信关站处于工作状态的接入网设备中有y套出现异常状况而无法工作时，1≤y≤N，卫星移动通信系统首先从该主信关站处于备份状态的接入网设备中选择接替者，将
其切换至工作状态，如果该主信关站处于备份状态的接入网设备数量不足，即ja‑N＜y，则
继续从其他信关站中随机选择y‑ja+N套处于备份状态的接入网设备，并将这些接入网设备
全部切换至工作状态。

[0068] 所述的地面段的运维管控中心按照用户终端的实时业务需求实现对卫星、地面信关站、用户终端的星地一体化运行维护和管理控制，以及对全系统资源的动态分配与调配，
其具体包括：

[0069] 地面段的运维管控中心包括测控设备、应用管理设备和决策支持设备，通过对卫星、地面信关站和用户终端进行综合统筹的决策规划、资源调配、运行管理，实现星地一体
化运行维护和管理控制；

[0070] 测控设备与卫星之间建立无线测控链路，卫星包括卫星平台和卫星载荷，测控设备用于接收卫星平台和卫星载荷的遥控数据，再将经过其处理后的遥测数据发送给应用管
理设备，应用管理设备收到上述数据后向测控设备发出相应的控制指令，测控设备根据应
用管理设备发出的控制指令，向卫星发送卫星平台和卫星载荷的遥控数据，卫星收到遥控
指令后，根据遥控指令调整卫星姿态、波束指向和转发器状态等；

[0071] 应用管理设备用于完成卫星移动通信系统中星地一体化资源的管理和调配、配置管理、性能管理、故障管理功能，应用管理设备接收来自测控设备的载荷状态信息，对卫星
资源进行统一管理和规划，向测控设备发送卫星载荷控制指令；应用管理设备向决策支持
设备发起决策支持请求，并向决策支持设备发送决策支持所需要的数据，并接收决策支持
设备生成的包括网络规划预案、网络调整方案等在内的辅助决策结果作为组织和优化卫星
移动通信系统运行的参考；应用管理设备通过测控设备向主信关站发送网络规划和星地一
体化资源分配信息，同时通过测控设备接收主信关站上报的星地一体化资源请求和运行状
态信息；

[0072] 决策支持设备用于完成卫星移动通信系统运行评估和网络规划功能；决策支持设备获取卫星载荷使用状况、信关站运行状态，结合不同卫星通信任务的组网需求为卫星通
信任务的保障生成和提供网络规划预案；

[0073] 决策支持设备生成网络规划预案的具体过程为：

[0074] 获取卫星通信任务组网需求，卫星通信任务组网需求包括网络覆盖范围需求Dreq＝{1,2，…,c,…,C0}，通信功率需求Preq，通信带宽需求 其中c＝1,2,…,C0，为对网络
覆盖范围需求进行栅格化划分后得到的栅格区域的编号，对网络覆盖范围需求共划分为C0
个栅格区域；

[0075] 获取卫星移动通信系统中各卫星的载荷使用状况，对于第i颗卫星，其最大发射功率为 第i颗卫星的第l个波束的可用带宽为 该波束能够覆盖的栅格区域的编号
集合为

[0076] 进行网络规划，在满足卫星组网需求的前提下，以使用最少的功率资源、带宽资源、波束数量为目标，建立多目标优化模型：

[0077]

[0078]

[0079]

[0080]

[0081]

[0082] 其中，Bi表示第i颗卫星的全部波束的标号集合，Ai表示第i颗卫星为卫星通信任务i
分配的波束的标号集合；Pl为第i颗卫星的第l个波束为卫星通信任务分配的发射功率值；
i
Wl为第i颗卫星的第l个波束为任务分配的带宽；card(·)表示计算集合中元素的总数；求
解该多目标优化模型，得到网络规划预案；

[0083] 用户段的用户终端进行业务通信时，首先通过其空中通信接口向主信关站申请信道资源，若主信关站管理的剩余资源能满足用户终端需求，则主信关站向用户终端分配其
所需的信道资源；若主信关站管理的剩余资源无法满足用户终端需求，则主信关站向运维
管控中心申请资源，如运维管控中心的可用资源能满足用户终端需求，则运维管控中心通
过主信关站向用户终端分配其所需的信道资源，如运维管控中心可用资源无法满足用户终
端需求，则运维管控中心通过主信关站向用户反馈资源不足，当前用户终端的业务通信失
败。

[0084] 卫星移动通信系统针对航空航海、抢险救灾、野外勘探、森林/海洋监控复杂应用场景特点，为用户按需提供多种典型应用模式，具体包括移动热点、即时话音、远程接入和
广域物联，支持话音、短消息、数据、视频、传真业务，其具体包括：

[0085] 针对航空航海应用场景，采用移动热点模式保障；首先，在地面移动平台上部署若干个具有无线WiFi接入功能的卫星移动通信终端，简称卫星终端，卫星终端开机接入卫星
移动通信系统后，与主信关站之间建立数据传输通道，卫星终端在地面移动平台的周围空
间内建立WiFi网络；然后，航空或航海平台用户使用自身携带的具有WiFi功能的通信终端
接入WiFi网络；最后，卫星终端通过与主信关站之间的数据传输通道与主信关站进行数据
业务通信，并通过主信关站访问地面互联网，从而实现航空或航海平台用户的互联网访问
服务；

[0086] 针对抢险救灾应用场景，采用即时话音模式保障；首先，灾区用户配备卫星终端或同时具有卫星移动通信功能和地面移动通信功能的双模终端，其卫星终端或双模终端在开
机入网后处于待机状态；然后，灾区用户需要进行话音通信时，作为主叫用户使用卫星终端
或双模终端呼叫被叫用户，其中，双模终端优先使用地面移动通信系统呼叫被叫用户，以减
轻卫星通信资源占用，仅当地面移动通信系统容量超载时，双模终端再使用卫星移动通信
系统呼叫被叫用户；最后，信关站收到主叫用户呼叫申请后，根据被叫用户所属通信网络，
分别在本卫星移动通信系统、地面固定电话网、地面移动通信系统中寻呼被叫用户，并建立
主被叫用户话音通信链路；

[0087] 针对野外勘探应用场景，采用远程接入模式保障；首先，野外勘探用户配备卫星终端，其卫星终端开机入网后处于待机状态；然后，野外勘探用户需要进行数据通信时，使用
卫星终端向主信关站发起数据通信申请，卫星终端与主信关站之间建立数据传输通道；最
后，卫星终端通过与主信关站直接的数据传输通道与主信关站进行数据业务通信，并通过
主信关站访问地面互联网或专用网络；

[0088] 针对森林/海域监控应用场景，采用广域物联模式保障；首先，在任务区域内部署可无人值守的卫星物联网终端，卫星物联网终端开机入网后处于低功耗工作状态，按森林/
海域监控用户预设的规则，卫星物联网终端每隔一定时间或发生特定事件后向主信关站发
起低速数据回传业务；然后，当卫星物联网终端需要进行低速数据回传时，卫星物联网终端
向主信关站发起申请，卫星物联网终端与主信关站之间建立数据传输通道；最后，卫星物联
网终端通过与主信关站的数据传输通道向主信关站回传低速数据，主信关站接收该低速数
据后，将该低速数据转发至相关用户。

[0089] 本发明还公开了利用所述的天地一体化电信级卫星移动通信系统体系架构实现天地一体化电信级卫星移动通信的方法，其具体包括：

[0090] 如图2所示，所述的空间段的每颗卫星采用星载多波束天线实现对地面区域的多波束连续覆盖，并通过对多颗卫星的覆盖范围进行相互拼接，实现对目标覆盖范围的覆盖，
其具体为，

[0091] 假设卫星移动通信系统空间段共有N颗卫星，单颗卫星的最大覆盖面积为S0，最大覆盖面积的内切矩形面积记为S0′，目标覆盖范围总面积记为Smax，其外接矩形面积记为
S′max；

[0092] 计算卫星移动通信系统实现对目标覆盖范围全覆盖所需的最小卫星数量N0，N0的取值范围为 N0在该范围内的具体数值由实际的目标覆盖范围需求
决定；

[0093] 按照N0个卫星对目标覆盖范围进行全覆盖的布局，将目标覆盖范围按照各个卫星的覆盖范围划分为N0个区域，将各区域按照区域内用户数量值的大小以从高到低的方式排
序，将排序后的区域分别记为

[0094] 将空间段N颗卫星的覆盖范围依次设置为排序后的N0个区域的范围，即第i颗卫星所覆盖的区域为 1N＞N0时，从第N0+1颗卫星起，按照区域排序依次重复对各区域进行覆盖，从而实现对目标覆
盖范围的拼接覆盖。

[0095] 如图3所示，地面段的多个信关站根据包括降雨规律和业务分布在内的区域属性特点，按需在地面不同区域进行分散式部署，多个信关站之间相互进行重点设备的交叉热
备份，其具体包括，对发生故障后将会导致卫星移动通信系统不能正常运行的重点设备进
行备份，在多个信关站上均布设多个重点设备，所布设的重点设备中，其中一个重点设备作
为主设备，其余的重点设备作为从设备，卫星移动通信系统正常工作时，主设备和从设备同
时加电运行，当主设备故障时，卫星移动通信系统自动选择一个从设备，将其切换为主设
备，从而实现热备份，其具体包括：

[0096] 卫星移动通信系统的地面段共包括M个信关站，M≥2，每个信关站设置有1套核心网和jm套接入网设备，m为信关站序号，m＝1,2,……，M，其中每套接入网设备可用于空间段
的任意1颗卫星的业务处理；

[0097] 各信关站通过地面高速光纤链路进行数据互联，同时也与通过地面高速光纤链路与运维管控中心进行数据互联，各信关站共同接受运维管控中心管理；

[0098] 卫星移动通信系统设置1个序号为a的主信关站，所设置的主信关站须满足ja≥N，卫星移动通信系统正常工作时，主信关站的核心网处于运行状态，其他信关站的核心网处
于热备份状态，其他信关站的核心网通过地面高速光纤链路保持与主信关站的核心网数据
同步；主信关站从ja套接入网设备中任意选择N套设为工作状态，分别用于N颗卫星的业务
处理，从而实现正常状态下主信关站单站支撑全卫星移动通信系统运行，主信关站其余的
(ja‑N)套接入网设备和其他信关站的接入网设备处于热备份状态；

[0099] 当主信关站核心网出现异常状况而无法工作时，卫星移动通信系统任意选择其他某个信关站，设所选择的信关站序号为x，将序号为x的信关站的核心网切换至工作状态，除
序号为a和x的信关站外，其他信关站仍处于热备份状态，并保持与序号为x的信关站数据同
步；

[0100] 当主信关站处于工作状态的接入网设备中有y套出现异常状况而无法工作时，1≤y≤N，卫星移动通信系统首先从该主信关站处于备份状态的接入网设备中选择接替者，将
其切换至工作状态，如果该主信关站处于备份状态的接入网设备数量不足，即ja‑N＜y，则
继续从其他信关站中随机选择y‑ja+N套处于备份状态的接入网设备，并将这些接入网设备
全部切换至工作状态。

[0101] 如图4所示，地面段的运维管控中心按照用户终端的实时业务需求实现对卫星、地面信关站、用户终端的星地一体化运行维护和管理控制，以及对全系统资源的动态分配与
调配，其具体包括：

[0102] 地面段的运维管控中心包括测控设备、应用管理设备和决策支持设备，通过对卫星、地面信关站和用户终端进行综合统筹的决策规划、资源调配、运行管理，实现星地一体
化运行维护和管理控制；

[0103] 测控设备与卫星之间建立无线测控链路，卫星包括卫星平台和卫星载荷，测控设备用于接收卫星平台和卫星载荷的遥控数据，再将经过其处理后的遥测数据发送给应用管
理设备，应用管理设备收到上述数据后向测控设备发出相应的控制指令，测控设备根据应
用管理设备发出的控制指令，向卫星发送卫星平台和卫星载荷的遥控数据，卫星收到遥控
指令后，根据遥控指令调整卫星姿态、波束指向和转发器状态等；

[0104] 应用管理设备是运维管控中心的核心设备，用于完成卫星移动通信系统中星地一体化资源的管理和调配、配置管理、性能管理、故障管理功能，应用管理设备接收来自测控
设备的载荷状态信息，对卫星资源进行统一管理和规划，向测控设备发送卫星载荷控制指
令；应用管理设备向决策支持设备发起决策支持请求，并向决策支持设备发送决策支持所
需要的数据，并接收决策支持设备生成的包括网络规划预案、网络调整方案等在内的辅助
决策结果作为组织和优化卫星移动通信系统运行的参考；应用管理设备通过测控设备向主
信关站发送网络规划和星地一体化资源分配信息，同时通过测控设备接收主信关站上报的
星地一体化资源请求和运行状态信息；

[0105] 决策支持设备用于完成卫星移动通信系统运行评估和网络规划功能；决策支持设备获取卫星载荷使用状况、信关站运行状态，结合不同卫星通信任务的组网需求为卫星通
信任务的保障生成和提供网络规划预案；在网络规划过程中，决策支持设备生成的网络规
划预案可以起到参考作用，即提供辅助决策支持；

[0106] 决策支持设备生成网络规划预案的具体过程为：

[0107] 获取卫星通信任务组网需求，卫星通信任务组网需求包括网络覆盖范围需求Dreq＝{1,2，…,c,…,C0}，通信功率需求Preq，通信带宽需求 其中c＝1,2,…,C0，为对网络
覆盖范围需求进行栅格化划分后得到的栅格区域的编号，对网络覆盖范围需求共划分为C0
个栅格区域；

[0108] 获取卫星移动通信系统中各卫星的载荷使用状况，对于第i颗卫星，其最大发射功率为 第i颗卫星的第l个波束的可用带宽为 该波束能够覆盖的栅格区域的编号
集合为

[0109] 进行网络规划，在满足卫星组网需求的前提下，以使用最少的功率资源、带宽资源、波束数量为目标，建立多目标优化模型：

[0110]

[0111]

[0112]

[0113]

[0114]

[0115] 其中，Bi表示第i颗卫星的全部波束的标号集合，Ai表示第i颗卫星为卫星通信任务i
分配的波束的标号集合；Pl为第i颗卫星的第l个波束为卫星通信任务分配的发射功率值；
i
Wl为第i颗卫星的第l个波束为任务分配的带宽；card(·)表示计算集合中元素的总数；求
解该多目标优化模型，得到网络规划预案；

[0116] 用户段的用户终端进行业务通信时，首先通过其空中通信接口向主信关站申请信道资源，若主信关站管理的剩余资源能满足用户终端需求，则主信关站向用户终端分配其
所需的信道资源；若主信关站管理的剩余资源无法满足用户终端需求，则主信关站向运维
管控中心申请资源，如运维管控中心的可用资源能满足用户终端需求，则运维管控中心通
过主信关站向用户终端分配其所需的信道资源，如运维管控中心可用资源无法满足用户终
端需求，则运维管控中心通过主信关站向用户反馈资源不足，当前用户终端的业务通信失
败。

[0117] 卫星移动通信系统针对航空航海、抢险救灾、野外勘探、森林/海洋监控复杂应用场景特点，为用户按需提供多种典型应用模式，具体包括移动热点、即时话音、远程接入和
广域物联，支持话音、短消息、数据、视频、传真业务，其具体包括：

[0118] 如图5所示，针对航空航海应用场景，其特点是大量用户集中位于某个地面移动通信系统无法覆盖的平台，用户业务以数据业务为主，采用移动热点模式保障；首先，在地面
移动平台上部署若干个具有无线WiFi接入功能的卫星移动通信终端，简称卫星终端，卫星
终端开机接入卫星移动通信系统后，与主信关站之间建立数据传输通道，卫星终端在地面
移动平台的周围空间内建立WiFi网络；然后，航空或航海平台用户使用自身携带的具有
WiFi功能的通信终端接入WiFi网络；最后，卫星终端通过与主信关站之间的数据传输通道
与主信关站进行数据业务通信，并通过主信关站访问地面互联网，从而实现航空或航海平
台用户的互联网访问服务；

[0119] 如图6所示，针对抢险救灾应用场景，其特点是大量用户集中位于某处地面移动通信系统毁坏或容量超载的区域，其用户业务以话音业务为主，采用即时话音模式保障；首
先，灾区用户配备卫星终端或同时具有卫星移动通信功能和地面移动通信功能的双模终
端，其卫星终端或双模终端在开机入网后处于待机状态；然后，灾区用户需要进行话音通信
时，作为主叫用户使用卫星终端或双模终端呼叫被叫用户，其中，双模终端优先使用地面移
动通信系统呼叫被叫用户，以减轻卫星通信资源占用，仅当地面移动通信系统容量超载时，
双模终端再使用卫星移动通信系统呼叫被叫用户；最后，信关站收到主叫用户呼叫申请后，
根据被叫用户所属通信网络，分别在本卫星移动通信系统、地面固定电话网、地面移动通信
系统中寻呼被叫用户，并建立主被叫用户话音通信链路；

[0120] 如图7所示，针对野外勘探应用场景，其特点是少量用户稀疏位于无地面移动通信系统覆盖的区域，用户业务以专业性较强的数据业务为主，采用远程接入模式保障；首先，
野外勘探用户配备卫星终端，其卫星终端开机入网后处于待机状态；然后，野外勘探用户需
要进行数据通信时，使用卫星终端向主信关站发起数据通信申请，卫星终端与主信关站之
间建立数据传输通道；最后，卫星终端通过与主信关站直接的数据传输通道与主信关站进
行数据业务通信，并通过主信关站访问地面互联网或专用网络；

[0121] 如图8所示，针对森林/海域监控应用场景，其特点是海量无人用户稀疏位于无地面移动通信系统覆盖的区域，业务以低速数据回传为主，采用广域物联模式保障；首先，在
任务区域内部署可无人值守的卫星物联网终端，卫星物联网终端开机入网后处于低功耗工
作状态，按森林/海域监控用户预设的规则，卫星物联网终端每隔一定时间或发生特定事件
后向主信关站发起低速数据回传业务；然后，当卫星物联网终端需要进行低速数据回传时，
卫星物联网终端向主信关站发起申请，卫星物联网终端与主信关站之间建立数据传输通
道；最后，卫星物联网终端通过与主信关站的数据传输通道向主信关站回传低速数据，主信
关站接收该低速数据后，将该低速数据转发至相关用户；

[0122] 卫星移动通信系统在向不同应用场景的用户提供通信服务的同时，根据各应用场景的用户需求，输出业务种类及优先级、通信资源分配情况，以最优化用户服务质量和通信
资源利用率为目标，持续对其采用的强化学习算法进行训练，以利用强化学习算法实现适
用于各类复杂场景的典型应用模式的智能生成与更新。

[0123] 以上结合附图详细说明了本发明，但是本领域的普通技术人员应当明白，说明书是用于解释权利要求的，本发明的保护范围以权利要求为准，在本发明的基础上，任何所做
的修改、等同替换和改进等都应当在所要求的保护范围内。