颗粒级配预测⽅法
⼀种圆轨道低轨卫星过顶剩余可见时长预测⽅法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及卫星通信领域，特别是涉及⼀种圆轨道低轨卫星过顶剩余可见时长预 测⽅法。
【背景技术】
[0002] 圆轨道低轨卫星是指运⾏轨道是以地⼼为圆⼼的圆形轨道，并且轨道⾼度在500 千⽶到2000千⽶之间的卫星。这种圆轨道低轨卫星具有传播时延⼩、对终端设备天线尺⼨ 和功率消耗要求低等优势，并且卫星发射成本较低，但卫星⾼度越低，其覆盖范围就越⼩， 通过地⾯卫星终端⽤户上空的时间，即过顶时间就越短，因此往往需要多颗低轨卫星组⽹ 来满⾜⽤户通信需求。
[0003] 当圆轨道低轨卫星⽤于通信时，主要存在两⽅⾯的不⾜：⼀是过顶时间有限，⽽⽤ 户的通信时长有可能⼤于单颗卫星的过顶时间；⼆是⽤户在切换时刻可以在多颗卫星之间 进⾏选择。这两⽅⾯的不⾜导致⽤户通信过程中需要在多颗低轨卫星之间进⾏切换，以保 证通信的连续性。因此，地⾯终端⽤户切
换卫星的⽅法⾮常重要，如果⽤户随机选择卫星提 供通信服务，有可能选择到当前具有最短可见时长的卫星或者较短可见时长的卫星，进⽽ 增加卫星切换的次数，增⼤了⽤户的掉话率，⽽中断当前通话相⽐阻塞新的通话会给⽤户 带来更加糟糕的⽤户体验，从降低⽤户掉话率的⾓度来看，理想的卫星选择⽅式是⽤户在 切换时刻能够从所有可见卫星中选择提供最长服务时长的卫星。因此，从⽤户观测的⾓度， 有必要对卫星相对于⽤户的剩余可见时长做出精确预测，为⽤户在切换时刻选择卫星提供 技术⽀撑。
[0004] 现有技术中，预测过顶卫星剩余可见时长的⽅法主要是通过下载卫星的星历 信息，计算卫星相对于⽤户的剩余可见时长，但该⽅法需要⽤户不断更新卫星的星历信 息。另外，Irfan Ali 等⼈在《Predicting the Visibility of LEO Satellites》(IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 35, no. 4, 1999)中提出了⼀种 预测过顶卫星剩余可见时长的⽅法，但该⽅法需要输⼊卫星轨道半径、轨道倾⾓及卫星从 南半球到北半球运⾏过程中同⾚道平⾯的交点所处的经度及对应时刻，该⽅法计算复杂性 较⾼，实时性不强，难以满⾜对卫星快速选择的需求。
【发明内容】
[0005] 本发明主要解决的技术问题是提供⼀种圆轨道低轨卫星过顶剩余可见时长预测 ⽅法，解决现有技术中过度依赖卫星星历、计算复杂度⾼、实时性不强等问题。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采⽤的⼀个技术⽅案是：提供⼀种圆轨道低轨卫星 过顶剩余可见时长预测⽅法，包括如下步骤：第⼀步，⽤户接收卫星导航信号；第⼆步，计 算卫星的仰⾓；第三步，计算卫星的迹⾓；第四步，计算卫星相对⽤户的过顶剩余可见时 长。 [0007] 在本发明圆轨道低轨卫星过顶剩余可见时长预测⽅法另⼀实施例中，该⽤户接收 卫星导航信号包括：(1)计算卫星空间位置，由地⾯控制中⼼通过轨道预报⽅法，定期计算 该卫星未来⼀段时间内的空间位置信息及其对应的时刻信息，并在该卫星经过该地⾯控制 中⼼上空时，更新该卫星的空间位置信息；(2)卫星校准时钟，该卫星利⽤⾃⾝GPS装置进 ⾏时钟校准，并根据校准的时钟信息以及存储的该卫星的空间位置信息，实时调整确定该 卫星当前覆盖范围内的星下点经炜度信息；(3)卫星发出导航信号，该卫星定期发出导航 信号，该导航信号包括该卫星在其所覆盖范围内的星下点经炜度信息及其对应的时刻信 息；(4)⽤户接收导航信号，判断该卫星是接近⽤户还是远离⽤户，该⽤户接收该卫星发送 的连续两次该导航信号，根据该导航信号中的星下点经炜度信息相对于⽤户位置的远近变 化判断该卫星接近还是远离该⽤户。
[0008] 在本发明圆轨道低轨卫星过顶剩余可见时长预测⽅法另⼀实施例中，该轨道预报 ⽅法为SGP4⽅法；该定期计算该卫星未来⼀段时间内的空间位置信息及其对应的时刻信 息的频度是每间隔1秒钟计算1次；该卫星定期发出导航信号的频度是每间隔1秒钟发送 1次。
[0009] 在本发明圆轨道低轨卫星过顶剩余可见时长预测⽅法另⼀实施例中，该计算卫星 的迹⾓的⽅法包括：(1)确定该⽤户位置信息，得到该⽤户⾃⾝的经度λ τ、炜度ητ和⾼程 κ眉息；⑵时钟校准，根据所接收导航信号中的时刻信息，将⽤户时钟同步校准与卫星时 钟⼀致；(3)实时计算迹⾓，该⽤户通过接收的该导航信号，计算该⽤户相对该卫星的迹⾓ Ym，计算⽅法如下：外用贴剂
[0012] 其中，⽯和^是该导航信号中包含的该卫星覆盖范围内的星下点的经度和炜度 向量，Ω也为向量。
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[0013] 在本发明圆轨道低轨卫星过顶剩余可见时长预测⽅法另⼀实施例中，通过该⽤户 内置的GPS设备测量得到该⽤户⾃⾝的经度λτ、炜度qT和⾼程κ ^⾔息。
[0014] 在本发明圆轨道低轨卫星过顶剩余可见时长预测⽅法另⼀实施例中，该计算卫星 的仰⾓的⽅法包括：(1)地⼼地固坐标系转换，将当前该卫星和⽤户的经炜度和⾼程坐标 统⼀转换为地⼼地固坐标系中卫星地固坐标和⽤户地固坐标；(2)本地坐标系转换，将该 卫星地固坐标和该⽤户地固坐标转换为本地坐标系中的卫星本地坐标和⽤户原点坐标； (3)实时计算仰⾓，利⽤该卫星本地坐标和该⽤户原点坐标，在该本地坐标系中计算该⽤户 相对该卫星的仰⾓Θ。
[0015] 在本发明圆轨道低轨卫星过顶剩余可见时长预测⽅法另⼀实施例中，该卫星 的空间位置信息为(A s，ns，KS)，其中As表⽰该卫星的经度，n s表⽰该卫星的炜度， Ks表⽰该卫星的⾼程，该⽤户位
置信息为(λ τ，ητ，κτ)，其中λτ表⽰该⽤户的经度， !!?!?表不该⽤户的炜度，K ^表不该⽤户的尚程，该卫星地固坐标为(Xs, Ys, Zs)，该⽤户 地固坐标为(Xu，Yu，Zu)，该地⼼地固坐标系转换⽅法是：地球是⼀个椭球体，长轴 a =生态石笼网箱
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6. 3781370e+03km，半轴 b = 6. 356752314245179e+03km，偏⼼率 定义中间值 J
则该卫星的地固坐标(XS，YS，Z S)和该 ⽤户的地固坐标(XdYdZu)分别为：
[0017] 该本地坐标系转换⽅法是：该卫星在该以⽤户为原点坐标的该本地坐标系中的卫 星本地坐标(Χ?，Υ?，Ζ?)是：
[0019] 在本发明圆轨道低轨卫星过顶剩余可见时长预测⽅法另⼀实施例中，该卫星的 空间位置是：经度25. 257000°、炜度-84. 298000°、⾼程783. 871776 (km)，该⽤户的空 间位置是：经度28.917655°、炜度-99.345589°、⾼程0.0(km)，经过该地⼼地固坐标 系转换，该卫星在该地⼼地固坐标系中的卫星地固坐标是(X s:6. 439025706247130e+05， Ys:-6.
448794085263775e+06, Zs: 3. 039310992962332e+06)，该⽤户在该地⼼地固坐标 系中的⽤户地固坐标是(Xu = -I 073090474340906e+05, Yu = -S. 513096509229902e+06， Zu:3.065915618754285e+06)，单位为⽶；经过该本地坐标系转换，该⽤户位置为该本 地坐标系的原
点，该卫星在该本地坐标系中的位置是x s: I. 682569089856995e+06， ys:-3. 479338007695247e+05，zs:5. 748030724080029e+05，单位为⽶；经过该实时计算仰⾓ Θ，得到 Θ =
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18.497377364764110°。
[0020] 在本发明圆轨道低轨卫星过顶剩余可见时长预测⽅法另⼀实施例中，该计算卫星 相对⽤户的过顶剩余可见时长的⽅法包括：(1)计算卫星已过顶时长，计算从该⽤户相对 该卫星的最⼩可见仰⾓Θ。出现的时刻到当前仰⾓为Θ (tj = Θ时所经过的时长％，计算
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