基于导航卫星电文扩展的通信卫星接入控制方法及装置与流程

1.本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于导航卫星电文扩展的通信卫星接入控制方法及装置。


背景技术：

2.卫星通信系统具有覆盖范围广，抗毁性强等优点，基于卫星的接入网是地面移动通信网的重要补充。传统以电路域或分组域交换为基础的卫星移动通信，例如海事卫星、舒拉亚卫星以及我国的天通一号移动通信卫星，采用双向闭环控制管理每个用户端的接入，适合对链路质量要求高的对称业务。我国北斗三号卫星导航系统的短报文通信业务，支持单次1000个汉字的入站，采用出站信道广播入站接入控制信息，包含是否允许发射、发射频度控制等。
3.卫星移动通信系统的返向入站容量通常远高于前向出站容量，前向出站容量受星上功率供应和功率放大器能力限制，是全系统的资源瓶颈。点对点短信、话音是上下行对称的传统卫星移动通信业务，而以卫星物联网和应急短信为代表的新式商业航天应用，以上行发射为主，是典型的新型非对称业务，可有效挖掘卫星移动通信系统的空余返向入站容量。北斗三号短报文系统、天通一号卫星通信系统都开发了低成本低功耗，以上行入站发射为主的民用应急短信或物联网等新型非对称业务(以下简称新型业务)，这些新型业务给系统运营维护带来较大困难。
4.一方面，新型业务通常要求极低的终端成本，大量终端不具备接收正常业务前向出站信号的能力，不支持采用正常出站信号作为控制信道管控终端的发射。另一方面，配备较强接收天线的新型业务终端，若可支持正常出站信号接收，在前向出站容量方面，与各卫星正常的短消息、电话等业务产生资源抢占，而出站容量资源是全系统瓶颈。最后，如何动态调配控制民用新型业务和非民用业务的出入站容量使用比例，在特殊状态能够控制所有民用终端关闭发射，将全部容量转为保障特殊状态应用，是传统正常出站信号作为控制信道无法解决的问题。也就是说，对于存在大规模分散用户的通信卫星，如何对资源进行迅速调配、响应和及时控制，是需要解决的技术问题。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于导航卫星电文扩展的通信卫星接入控制方法及装置，所述方法及装置，用以解决现有技术中存在大规模分散用户的通信卫星，如何对资源进行迅速调配、响应和及时控制的问题。
6.根据本发明的第一方面，提供一种基于导航卫星电文扩展的通信卫星接入控制方法，所述方法包括以下步骤：
7.步骤s101：当通信卫星上行资源不足或满足预设条件需要临时关闭上行服务时，所述通信卫星控制中心向导航卫星控制中心发送上行管控指令；所述上行管控指令用于指示用户端接入操作时关闭上行发射或降低上行发射频度；
8.步骤s102：所述导航卫星控制中心生成携带所述上行管控指令信息的扩展导航电文，向所属导航卫星播报所述扩展导航电文，所述导航卫星向用户端播发所述扩展导航电文；
9.步骤s103：所述导航卫星向用户端播发所述扩展导航电文；
10.步骤s104：用户端解析扩展导航电文，按指令要求关闭或降低向通信卫星的上行发射。
11.根据本发明第二方面，提供一种基于导航卫星电文扩展的通信卫星接入控制装置，所述装置包括：
12.上行管控指令生成模块：配置为当通信卫星上行资源不足或满足预设条件需要临时关闭上行服务时，所述通信卫星控制中心向导航卫星控制中心发送上行管控指令；所述上行管控指令用于指示用户端接入操作时关闭上行发射或降低上行发射频度；
13.扩展导航电文生成模块：配置为所述导航卫星控制中心生成携带所述上行管控指令信息的扩展导航电文，向所属导航卫星播报所述扩展导航电文，所述导航卫星向用户端播发所述扩展导航电文；
14.扩展导航电文播发模块：配置为所述导航卫星向用户端播发所述扩展导航电文；
15.用户响应模块：配置为用户端解析扩展导航电文，按指令要求关闭或降低向通信卫星的上行发射。
16.根据本发明第三方面，提供一种基于导航卫星电文扩展的通信卫星接入控制系统，包括：
17.处理器，用于执行多条指令；
18.存储器，用于存储多条指令；
19.其中，所述多条指令，用于由所述存储器存储，并由所述处理器加载并执行如前所述的基于导航卫星电文扩展的通信卫星接入控制方法。
20.根据本发明第四方面，提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有多条指令；所述多条指令，用于由处理器加载并执行如前所述的基于导航卫星电文扩展的通信卫星接入控制方法。
21.根据本发明的上述方案，基于北斗三号卫星导航系统电文进行拓展，使用增加电文消息类别对电文类型进行扩展、利用帧格式中的保留未使用字段进行扩展、利用帧格式中已使用字段的未定义比特或数值进行扩展的方式，实现全球卫星导航系统(global navigation satellite system，gnss)作为上行发射的管控信道，对卫星上行发射控制实现卫星通信接入控制。本发明在卫星通信终端没有卫星通信专用下行信道时，可借助卫星导航系统导航电文的广播特性，完成通信卫星的上行接入管控，有效控制上行接入发射，实现卫星上行资源的动态管理和充分应用。对于存在大规模分散用户的通信卫星，能够对资源进行迅速调配、响应和及时控制，实现有效的上行发射管控。
22.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
23.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明提供如下附
图进行说明。在附图中：
24.图1为本发明一个实施方式的基于导航卫星电文扩展的通信卫星接入控制方法流程示意图；
25.图2为本发明一个实施方式的上行发射控制应用场景示意图；
26.图3为本发明一个实施方式的扩展b
‑
cnav1子帧类别示意图；
27.图4为本发明一个实施方式的扩展b
‑
cnav2信息类型示意图；
28.图5(a)为b
‑
cnav1子帧3页面类型1信息编排格式示意图；
29.图5(b)为b
‑
cnav1子帧3页面类型2信息编排格式示意图；
30.图5(c)为b
‑
cnav1子帧3页面类型3信息编排格式示意图；
31.图5(d)为b
‑
cnav1子帧3页面类型4信息编排格式示意图；
32.图6(a)为b
‑
cnav2信息类型30编排格式示意图；
33.图6(b)为b
‑
cnav2信息类型31编排格式示意图；
34.图6(c)为b
‑
cnav2信息类型32编排格式示意图；
35.图6(d)为b
‑
cnav2信息类型33编排格式示意图；
36.图6(e)为b
‑
cnav2信息类型34编排格式示意图；
37.图6(f)为b
‑
cnav2信息类型40编排格式示意图；
38.图7为本发明一个实施方式的扩展b
‑
cnav1/b
‑
cnav2中iode字段预留状态示意图；
39.图8为本发明一个实施方式的扩展b
‑
cnav1/b
‑
cnav2中iodc字段预留状态示意图；
40.图9为本发明一个实施方式的扩展b
‑
cnav1/b
‑
cnav2中卫星健康信息(health)字段预留状态示意图；
41.图10为本发明一个实施方式的扩展b
‑
cnav1/b
‑
cnav2中卫星健康状态(hs)字段预留状态示意图；
42.图11为本发明一个实施方式的卫星导航电文控制卫星通信接入设备结构示意图；
43.图12为本发明一个实施方式的基于导航卫星电文扩展的通信卫星接入控制装置结构框图。
具体实施方式
44.首先结合图1说明本发明一个实施方式的基于导航卫星电文扩展的通信卫星接入控制方法流程。如图1
‑
2所示，所述方法包括以下步骤：
45.步骤s101：当通信卫星上行资源不足或满足预设条件需要临时关闭上行服务时，所述通信卫星控制中心向导航卫星控制中心发送上行管控指令；所述上行管控指令用于指示用户端接入操作时关闭上行发射或降低上行发射频度；
46.步骤s102：所述导航卫星控制中心生成携带所述上行管控指令信息的扩展导航电文，向所属导航卫星播报所述扩展导航电文，所述导航卫星向用户端播发所述扩展导航电文；
47.步骤s103：所述导航卫星向用户端播发所述扩展导航电文；
48.步骤s104：用户端解析扩展导航电文，按指令要求关闭或降低向通信卫星的上行发射。
49.本实施例中，所述用户端为具有卫星通信功能的终端，具体地，所述用户端是物联
网终端或传感器、手机等集成了卫星通信功能的终端，所述用户端具有卫星导航信号接收和解调功能。所述导航卫星为北斗、gps、格洛纳斯、伽利略、准天顶系统等全球/区域卫星导航系统，以及各类天基/地基的广域/局域增强系统，每颗导航卫星用于播发具有扩展导航电文的导航信号。所述通信卫星为转发式卫星或带星上处理能力的卫星，可以是天通/海事等移动通信卫星、中星系列专用c/ku/ka频段通信卫星，也可以是北斗三号同步轨道和中轨道携带通信载荷的导航卫星，或其它携带通信载荷的卫星，通信卫星能够向下播发信标或业务/控制信号。
50.本实施例中，所述用户端不一定具备正常业务下行接收能力，但通常辅助配备有卫星导航定位设备。卫星导航是一种廉价的时间和空间传感器，并具有全天候、全天时、大地域广播的特点。
51.进一步地，所述用户端接收到所述导航卫星的信号，解调所述扩展导航电文，根据所述上行管控指令，关闭上行发射或降低上行发射频度。
52.上行管控指令可以按照通信卫星波束进行详细定义，例如北斗三号短报文服务共有18个上行波束，扩展指令中采用18个比特分别表示每个波束的覆盖区内是否允许终端上行发射的服务状态。更进一步地，可以参照现有短报文的频度控制策略，用更多比特根据用户等级控制发射频度。
53.所述导航卫星控制中心向所属导航卫星播报所述扩展导航电文，所述导航卫星向用户端播发所述扩展导航电文，包括：所述导航卫星控制中心生成通信卫星下行管控指令，所述通信卫星下行管控指令包括携带扩展类型、上行管控指令的扩展导航电文。所述扩展导航电文中具有上行管控指令信息，所述上行管控指令信息包含该导航卫星覆盖范围内卫星通信终端的上行接入发射权限控制信息、发射频度控制信息等，控制信息按通信卫星的下行波束进行编排；导航卫星发射扩展导航电文。
54.本发明基于北斗三号卫星导航系统电文进行拓展。卫星导航电文的主要作用是播发卫星星历、历书、星钟误差以及完好性、电离层校正等参数。电文的典型信息速率仅50bps，用于提升接收灵敏度。上述扩展导航电文，除播发上述导航专用信息外，仍然存在较大的余量。本发明采用三种方法扩充导航电文，分别是(1)增加电文消息类别对电文类型进行扩展；(2)利用帧格式中的保留未使用字段进行扩展；(3)利用帧格式中已使用字段的未定义比特或数值进行扩展。本发明基于电文的这三类扩展方法，播发针对其它通信卫星的上行管控信息。
55.所述生成携带所述上行管控指令信息的扩展导航电文的生成方式参考图3
‑
10。图3
‑
图4为增加电文消息类别对电文类型进行扩展；图5(a)
‑
图6(f)为利用帧格式中的保留未使用字段进行扩展；图7
‑
图10为利用帧格式中已使用字段的未定义比特或数值进行扩展。
56.如图3所示，所述携带所述上行管控指令信息的扩展导航电文的生成方式为，扩展b
‑
cnav1可变子帧3的页面类型字段的属性值，由扩展的新的页面类型表征扩展类型，由所述新的页面类型的电文信息数据字段中的若干比特表征所述上行管控指令。
57.该扩展的页面类型的电文数据表征所述上行管控指令信息。
58.以北斗卫星导航系统的b1c信号的b
‑
cnav1电文为例，该电文以固定子帧和可变子帧方式组织，可变子帧为子帧3。子帧3的前6bit是页面类型，现有定义如下表1所示。
59.pageid(二进制)页面类型
000000无效000001页面类型1000010页面类型2000011页面类型3000100页面类型4其它预留
60.表1
61.子帧3共可定义63种页面类型，目前仅使用了4种定义，通过新增一种定义，例如000101页面类型5，该类型的234比特电文数据可用于定义通信卫星上行管控指令。gps系统的l1c信号使用的cnav2电文与北斗b1c信号的b
‑
cnav1类似，可同样采用本方法扩展。
62.如图4所示，所述携带所述上行管控指令信息的扩展导航电文的生成方式为，扩展b
‑
cnav2中信息类型字段的属性值，由扩展的新的信息类型表征扩展类型，由扩展的新的信息类型的电文信息数据字段中的若干比特表征所述上行管控指令信息。
63.如下表2所示，以北斗卫星导航系统的b2信号的b
‑
cnav2电文为例，由prn伪码编号6比特、信息类型6比特、周内秒18比特、电文数据234比特和crc校验24比特组成，其中信息类型可定义63种信息，目前仅定义8种类型消息如下表所示。每扩展一种信息类型，例如定义000001信息类型1，可获得234比特电文数据容量，用于定义通信卫星上行管控指令。
64.mestype(二进制)信息类型000000无效001010信息类型10001011信息类型11011110信息类型30011111信息类型31100000信息类型32100001信息类型33100010信息类型34101000信息类型40其它预留
65.表2
66.galileo系统的e5b、e1
‑
b信号的i/nav电文、e5a信号的f/nav电文，以及gps系统l5信号、l2c信号的cnav电文，与北斗cnav
‑
2电文类似，可同样采用本方法扩展。
67.如图5(a)
‑
(d)所示，所述携带所述上行管控指令信息的扩展导航电文的生成方式为，将所述上行管控指令信息承载于b
‑
cnav1可变子帧3页面类型的保留字段或b
‑
cnav2信息类型的保留字段。
68.图5(a)为b
‑
cnav1子帧3页面类型1信息编排格式，5(b)为b
‑
cnav1子帧3页面类型2信息编排格式，5(c)为b
‑
cnav1子帧3页面类型3信息编排格式，5(d)为b
‑
cnav1子帧3页面类型4信息编排格式，图5(a)
‑
(d)为本发明实施例提供的扩展b
‑
cnav1可变子帧3页面类型1/2/3/4的未定义保留字段示意图。b
‑
cnav1的可变子帧3页面类型1在时间同步参数字段后有27比特的保留字段；b
‑
cnav1的可变子帧3页面类型2在简约历书字段后有30比特的保留字
段；b
‑
cnav1的可变子帧3页面类型3在bgto参数字段后有14比特的保留字段；b
‑
cnav1的可变子帧3页面类型4在中等精度历书字段后有47比特的保留字段。上述保留字段中的一个或多个比特，能够表征上行管控指令信息。
69.图6(a)为b
‑
cnav2信息类型30编排格式，图6(b)为b
‑
cnav2信息类型31编排格式，图6(c)为b
‑
cnav2信息类型32编排格式，图6(d)为b
‑
cnav2信息类型33编排格式，图6(e)为b
‑
cnav2信息类型34编排格式，图6(f)为b
‑
cnav2信息类型40编排格式，图6(a)
‑
(f)为本发明实施例提供的扩展b
‑
cnav2信息类型30/31/32/33/34/40示意图。b
‑
cnav2信息类型30的星上设备群时延tgdb1cp字段后有33比特保留字段；信息类型31的简约历书字段后有8比特保留字段；信息类型32的eop参数字段后有5比特保留字段；信息类型33的toa字段后有16比特保留字段；信息类型34的bdt
‑
utc时间同步参数字段后有24比特保留字段；信息类型40的中等精度历书字段后有39比特保留字段。上述保留字段中的一个或多个比特，能够表征上行管控指令信息。
70.在一个可能的实施方式中，用于指示上行管控指令的信息承载于以下未定义可扩展保留字段之一：b
‑
cnav1可变子帧3页面类型1的保留字段、b
‑
cnav1可变子帧3页面类型2的保留字段、b
‑
cnav1可变子帧3页面类型3的保留字段、b
‑
cnav1可变子帧3页面类型4的保留字段；b
‑
cnav2信息类型30的保留字段、b
‑
cnav2信息类型31的保留字段、b
‑
cnav2信息类型32的保留字段、b
‑
cnav2信息类型33的保留字段、b
‑
cnav2信息类型34的保留字段、b
‑
cnav2信息类型40的保留字段。采用所述保留字段中的一个或多个表征所述上行管控指令。
71.又一实施例中，北斗导航卫星控制中心基于北斗三号卫星导航电文的未定义可扩展的保留字段，表达通信卫星上行管控指令，包括：生成扩展保留字段的导航电文，其中扩展保留字段的导航电文表征上行管控指令。所述通信卫星上行管控指令包含该导航卫星覆盖范围内卫星通信终端的上行接入发射权限控制信息、发射频度控制信息等，控制信息按通信卫星的下行波束进行编排；导航卫星发射扩展保留字段定义的导航电文。
72.所述携带所述上行管控指令信息的扩展导航电文的生成方式为，基于已使用字段的未定义的比特或数值，表征所述上行管控指令信息。包括：生成基于已定义字段但未定义比特或数值的扩展导航电文。所述上行接入管控指令，包含该导航卫星覆盖范围内卫星通信终端的上行接入发射权限控制信息、发射频度控制信息等，控制信息按通信卫星的下行波束进行编排；导航卫星发射使用已定义字段但未定义比特或数值的扩展导航电文。
73.如图7所示，所述携带所述上行管控指令信息的扩展导航电文的生成方式为，由b
‑
cnav1或b
‑
cnav2的iode字段中未定义的预留数值中选取若干数值，用数值表征上行管控指令信息。
74.如图7所示，iode字段共8bit，当数值为180～239时未定义，可以选择其中一个或几个数值状态，表征通信卫星上行指令信息。
75.图8为本发明实施例提供的扩展b
‑
cnav1/b
‑
cnav2中iodc字段预留数值示意图。如图8所示，iodc字段共10比特，当高2比特为0低8比特在180～239时为未定义数值；高2比特为1低8比特为180～239时为未定义数值；高2比特为2低8比特为180～239时为未定义数值；高2比特为3时统一为未定义数值。所述未定义数值的一个或多个可扩展表征通信卫星上行指令信息。
76.图9为本发明实施例提供的扩展b
‑
cnav1/b
‑
cnav2中卫星健康信息(health)字段
预留数值示意图。如图9所示，该字段包含8比特，其中第5～1位表征的32种数值未定义，可选择其中一个或多个数值表征通信卫星上行指令信息。
77.图10为本发明实施例提供的扩展b
‑
cnav1/b
‑
cnav2中卫星健康状态(hs)字段预留数值示意图。如图10所示，该字段包含2比特，其中hs取值2和3的数值未定义，可选择其中一个或多个数值表征通信卫星上行指令信息。
78.本实施例中，所述上行管控指令的信息承载于以下状态中的一个或多个：b
‑
cnav1中iode字段预留取值、b
‑
cnav1中iodc字段预留取值、b
‑
cnav1中卫星健康信息(health)字段预留取值、b
‑
cnav1中卫星健康状态(hs)字段预留取值、b
‑
cnav2中iode字段预留取值、b
‑
cnav2中iodc字段预留取值、b
‑
cnav2中卫星健康信息(health)字段预留取值、b
‑
cnav2中卫星健康状态(hs)字段预留取值。采用所述预留取值中的一个或多个指示所述上行接入管控指令。
79.图11为本发明实施例提供的卫星导航电文控制卫星通信接入设备结构示意图。一个方案为，卫星通信和卫星导航功能由两个分离功能模块分别连接独立的天线完成，两个功能模块均与主控cpu连接。卫星导航模块将收到的扩展导航电文、定位、时间、可视卫星参数等信息发送至主控cpu，主控cpu完成上行管控指令解析，对卫星通信模块发出相应控制指令，例如关闭发射、降低发射频度等。又一方案为，若卫星通信频段与卫星导航频段接近，可用单个宽带天线和开关组件，同时处理卫星通信和卫星导航信号，主控cpu通过控制开关实现卫星通信信号收发和导航信号接收的调度。
80.本发明实施例进一步给出一种基于导航卫星电文扩展的通信卫星接入控制装置，如图12所示，所述装置包括：
81.上行管控指令生成模块：配置为当通信卫星上行资源不足或满足预设条件需要临时关闭上行服务时，所述通信卫星控制中心向导航卫星控制中心发送上行管控指令；所述上行管控指令用于指示用户端接入操作时关闭上行发射或降低上行发射频度；
82.扩展导航电文生成模块：配置为所述导航卫星控制中心生成携带所述上行管控指令信息的扩展导航电文，向所属导航卫星播报所述扩展导航电文，所述导航卫星向用户端播发所述扩展导航电文；
83.扩展导航电文播发模块：配置为所述导航卫星向用户端播发所述扩展导航电文；
84.用户响应模块：配置为用户端解析扩展导航电文，按指令要求关闭或降低向通信卫星的上行发射。
85.本发明实施例进一步给出一种基于导航卫星电文扩展的通信卫星接入控制系统，包括：
86.处理器，用于执行多条指令；
87.存储器，用于存储多条指令；
88.其中，所述多条指令，用于由所述存储器存储，并由所述处理器加载并执行如前所述的基于导航卫星电文扩展的通信卫星接入控制方法。
89.本发明实施例进一步给出一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有多条指令；所述多条指令，用于由处理器加载并执行如前所述的基于导航卫星电文扩展的通信卫星接入控制方法。
90.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相
互组合。
91.在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
92.所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
93.另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
94.上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机装置执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read
‑
only memory，rom)、随机存取存储器(random access memory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
95.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。