低轨卫星星座动态波束关闭算法

doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2020065

通信学报 ›› 2020, Vol. 41 ›› Issue (4): 190-196.doi: 10.11959/j.issn.1000-436x.2020065

低轨卫星星座动态波束关闭算法

刘帅军¹,胡月梅²,范春石³,凌腾¹,刘立祥¹

¹ 中国科学院软件研究所，北京 100190
² 北京中科宇航探索技术有限公司，北京 101100
³ 航天东方红卫星有限公司，北京 100094

修回日期:2020-03-07 出版日期:2020-04-25 发布日期:2020-04-30
作者简介:刘帅军（1988- ），男，河北邢台人，博士，中国科学院软件研究所助理研究员，主要研究方向为卫星通信、低轨星座网络、卫星5G融合|胡月梅（1979- ），女，安徽舒城人，北京中科宇航探索技术有限公司工程师，主要研究方向为卫星网络架构和协议栈|范春石（1982- ），男，吉林辽源人，航天东方红卫星有限公司高级工程师，主要研究方向为微小卫星及其群网系统|凌腾（1994- ），男，湖北麻城人，中国科学院软件研究所助理工程师，主要研究方向为空间信息网络管控、网络资源调度、空间网络通信协议等|刘立祥（1973- ），男，安徽安庆人，博士，中国科学院软件研究所研究员，主要研究方向为卫星组网及路由、卫星网络仿真
基金资助:
国家重点研发计划基金资助项目(2016YFB0501104)

Dynamic beam shut-off algorithm for LEO satellite constellation

Shuaijun LIU¹,Yuemei HU²,Chunshi FAN³,Teng LING¹,Lixiang LIU¹

¹ Institute of Software Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China
² Beijing Zhongke Aerospace Exploration Technology Co.,Ltd.,Beijing 101100,China
³ Aerospace Dongfanghong Satellite Co.,Ltd.,Beijing 100094,China

Revised:2020-03-07 Online:2020-04-25 Published:2020-04-30
Supported by:
The National Key Research and Development Program of China(2016YFB0501104)

摘要/Abstract

摘要：

针对低轨多波束卫星星座网络中空间段卫星对地覆盖不均匀导致某些区域相对密集，造成严重的波束间干扰与不必要的波束资源开销等问题，提出了在满足覆盖等要求下的波束关闭算法。以多波束低轨星座网络为研究对象，分析并建立了低轨星座网络波束关闭的最优化问题，进而分析并论证了该问题的NP完全属性，给出了探索式求解方法。以共计3 168个波束的铱星星座网络为仿真场景，仿真分析了所提出的探索式波束关闭算法。仿真结果表明，所提算法仅需要1 913个波束即可实现对全球区域的连续覆盖，降低了39.61 %的波束资源开销。

关键词: 卫星网络, 低轨卫星星座, 波束关闭, 探索式方法

Abstract:

Aiming at the problems of the relatively dense coverage of the satellites in the space segment of the low earth orbit (LEO) multibeam satellite constellation network,which resulted in relatively dense areas in some regions,causing severe inter-beam interference and unnecessary beam resource overhead,a beam shut-off algorithm was proposed with global coverage requirements.The dynamic beam shut-off (DBSO) optimization problem was formulated in LEO multibeam satellite constellation network.Then,the problem was proved to be NP-complete and a heuristic DBSO algorithm was proposed.Simulation scenario considers the Iridium constellation network scenario with total 3 168 beams,and it shows that the number of required activated beams is only 1 913 with 39.61% beam resource reduction.

Key words: satellite network, low earth orbit satellite constellation, beam shut-off, heuristic method

中图分类号:

TN927+.2

刘帅军,胡月梅,范春石,凌腾,刘立祥. 低轨卫星星座动态波束关闭算法[J]. 通信学报, 2020, 41(4): 190-196.

Shuaijun LIU,Yuemei HU,Chunshi FAN,Teng LING,Lixiang LIU. Dynamic beam shut-off algorithm for LEO satellite constellation[J]. Journal on Communications, 2020, 41(4): 190-196.

图/表 9

图1

图2

表1

仿真参数配置"

参数名称	参数设置
LEO卫星星座	铱星星座
卫星个数	N_S=66
轨道面个数	6
顺行相邻轨道面RAAN差	31.6°
逆行相邻轨道面RAAN差	22°
轨道面内卫星个数	11
相邻轨道面平近点角差	16.4°
轨道高度/km	h=780
轨道倾角	i=86.4°
单星波束个数	N_B=48
星座总波束个数	N_B,tot=3 168
正在进行业务传输的波束	$B_{serving} = {b_{i, j} \| j = 1}$
终端分布	全球，1纬度×1经度
终端个数	N_G=86 400
终端通信最小仰角	8.2°
迭代控制门限参数	N_Th=100

表1

表2

图3

图4

图5

图6

图7

参考文献 14

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波束	波束宽度	方位角	俯仰角
波束1	22.00°	120.00°	11.00°
波束2	22.00°	100.89°	29.10°
波束3	22.00°	139.11°	29.10°
波束4	22.00°	-180.00°	22.00°
波束5	22.00°	96.59°	47.95°
波束6	22.00°	120.00°	44.00°
波束7	22.00°	143.41°	47.95°
波束8	22.00°	166.10°	39.66°
波束9	22.00°	-42.62°	39.66°
波束10	22.00°	80.00°	66.91°
波束11	22.00°	15.94°	61.25°
波束12	22.00°	-15.94°	61.25°
波束13	22.00°	-80.00°	66.91°
波束14	22.00°	-90.00°	58.21°
波束15	22.00°	-90.00°	55.00°
波束16	22.00°	-90.00°	58.21°

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低轨卫星星座动态波束关闭算法

Dynamic beam shut-off algorithm for LEO satellite constellation

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