CN106209207B - 一种分析各卫星通信系统之间相互干扰的方法 - Google Patents

一种分析各卫星通信系统之间相互干扰的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于卫星通信领域，尤其涉及一种分析各卫星通信系统之间相互干扰的方法。本发明通过分析相平面上所绘制相轨迹线和干扰保护区域的关系来分析不同卫星通信系统之间的相互干扰，确定超过干扰保护标准的时间、相位角度。本发明提出的分析方法适用于分析多个卫星通信系统之间的相互干扰，将轨道位置变化规律反应于相位角度变化之中，减少了中间变量数目，更加直观有效。

Description

一种分析各卫星通信系统之间相互干扰的方法
专利领域
本发明属于卫星通信领域，尤其涉及一种分析各卫星通信系统之间相互干扰的方法。
背景技术
频谱资源是不可再生的资源，国际电信联盟将频谱中的若干工作频段划分为卫星通信所用，但是这种静态的频谱资源分配方法在一定程度上会造成频谱资源的利用效率低下。认知无线电的方法应运而生，使用这种方法的前提是避免对已经存在的卫星系统造成干扰或者干扰小于相关的保护标准。因此，干扰分析是卫星系统建设过程中一个重要的步骤。
在干扰保护标准方面，对于共用频率的多个卫星系统，后建设的卫星通信系统要保证不干扰已存在的卫星通信系统，无线电规则中给出了在不同的频段内对于同步轨道卫星，非同步轨道卫星，地球站的保护标准。具体的，随着被保护对象和频段不同，无线电规则有不同的规定和建议。
使用相同频段或相近频段的两个卫星系统，它们各自进行通信时，有可能会产生相互干扰。分析两个不同的卫星系统之间的相互干扰，主要是通过计算和仿真的方法，根据卫星的轨道参数以及地球站点位置参数，在一定的时间周期内，计算一个卫星通信系统对其他卫星通信系统的干扰情况；或者在专用的仿真软件中，建立仿真场景，输入卫星系统参数，仿真在特定的时间周期内，卫星系统通信时所产生的相互干扰情况。目前的干扰分析和干扰确定的手段中，主要集中在同步轨道卫星系统，有协调弧，ΔT/T，C/I较为成熟的方法。
目前的干扰分析和确定的方法主要集中在同步轨道卫星系统，与同步轨道卫星相比，非同步轨道卫星与地球之间的相对关系并不固定，轨道高度低，运动速率快，近些年非同步轨道卫星的数量明显增多，分析非同步轨道卫星系统与同步轨道卫星系统、非同步轨道卫星系统与非同步轨道卫星系统之间的干扰场景的需求越来越来，本发明提出的方法可以有效解决这一问题。
本发明基于以上背景，提出了分析卫星通信系统之间互相干扰的方法，将卫星轨道位置变化规律反应于相位角度变化之中，通过在相平面上绘制相轨迹和干扰保护区域的方法，分析获得卫星运动过程中，一个卫星通信系统对另外一个卫星通信系统所产生的干扰超过保护标准的时段和相位角范围，此种方法减少了中间变量数目，更加直观有效。
发明内容
本发明提出了一种分析各卫星通信系统之间相互干扰的方法，其特征在于，利用在相平面上绘制相轨迹线和干扰保护区域的方法来分析不同卫星通信系统之间的相互干扰，确定超过干扰保护标准的时间、相位角度；
所述方法的具体步骤为
步骤1、确定所要分析的各卫星通信系统，包括所述的卫星通信系统中的卫星以及与该卫星进行通信的地球站；
步骤2、确定各卫星通信系统的通信链路或干扰链路；
步骤3、获得所要分析的各卫星通信系统中卫星的轨道根数，历元时刻，卫星轨道高度，轨道倾角，升交点赤经，近地点幅角，真近点角和椭圆轨道的偏心率；计算在设定的时间周期内卫星的轨道位置矢量坐标；
步骤4、获得所要分析的各卫星通信系统中的地球站的经度、纬度以及海拔高度，计算在设定的时间周期内地球站位置矢量坐标，根据计算得到的卫星的坐标位置和地球站位置计算该卫星通信系统的通信链路矢量坐标；
步骤5、根据步骤4中的所计算得到的各卫星通信系统的通信链路矢量坐标，计算各卫星通信系统中通信链路之间的相位角度；
步骤6、确定被干扰卫星通信系统的干扰保护标准，设定轨道高度，计算达到干扰保护标准的相位角范围；
步骤7、根据步骤5所计算的相位角度，在相平面内绘制设定时间周期内相位角随时间变化的曲线即卫星运动过程中相轨迹线；将步骤6中计算的相位角度范围绘制于相平面内，即得到干扰保护区域；
步骤8、根据步骤7中的相平面，观察相轨迹线穿越干扰保护区域的取值范围，获得一个卫星通信系统对另外一个卫星通信系统所产生干扰超过保护标准的时段、相位角范围和超过保护标准的时刻，根据不同的干扰避免方案，此时刻能作为卫星切换频率时刻或地面切换卫星时刻。
所述干扰链路为分析通信系统甲对于通信系统乙的干扰时，通信系统甲的通信链路被称为干扰链路。
所述相位角度为分析通信系统甲对于通信系统乙的干扰时，通信系统乙的通信链路与通信系统甲的干扰链路之间的夹角。
步骤5中计算相位角具体为
若分析通信链路“卫星2—地球站2”对通信链路“卫星1—地球站1”所产生的干扰情况，相位角度θ1和θ2的计算公式为
其中，R1(t)为卫星1在J2000坐标系下的位置矢量；R2(t)为卫星2在J2000坐标系下的位置矢量；E1(t)为地球站1在J2000坐标系下的位置坐标矢量，E2(t)为地球站2在J2000坐标系下的位置坐标矢量；θ1取值范围在区间[0,180)内，θ2取值范围在区间(-90,90)内。
所述干扰保护区域是指绘制在相平面上的，根据国际电信联盟给出的相关卫星干扰保护标准计算得到的相位角度范围。
所述保护标准是等效功率通量密度不超过某一特定阈值，卫星对地球站产生的干扰信号的等效通量密度epfd计算公式为
其中，p为卫星所发射的功率，单位为dBW，GS(θ1)为卫星的发射天线在θ1角度方向上的天线增益，GE(θ2)为地球站接收天线在θ2角度上的天线增益，d1为卫星至被干扰地球站的距离，GE,max为地球站接收天线的最大天线增益。
所述的卫星通信系统包括卫星以及与卫星进行通信的地球站；所述的地球站包括地面站、航空站、手持终端、车载终端以及舰载终端。
所述的各卫星通信系统产生相互干扰的条件为各通信链路的中心频率相同或者通信频段有重合。
有益效果
本发明提出的分析方法适用于分析多个卫星通信系统之间的相互干扰，将轨道位置变化规律反应于相位角度变化之中，减少了中间变量数目，更加直观有效。
附图说明
图1本发明步骤流程图；
图2非同步轨道卫星系统下行链路和同步轨道卫星系统下行链路示意图；
图3非同步轨道卫星系统上行链路和同步轨道卫星系统上行链路示意图；
图4非同步轨道卫星系统下行链路对同步轨道卫星系统下行链路干扰相轨迹平面分析图；
图5非同步轨道卫星系统上行链路对同步轨道卫星系统上行链路干扰相轨迹平面分析图。
具体实施方式
本发明提出了一种分析各卫星通信系统之间相互干扰的方法。本实施例分析非同步轨道卫星通信系统的通信链路对同步轨道卫星通信系统的通信链路产生的干扰。图1本发明方法的流程图。
步骤一、确定所要分析的不同卫星通信系统，包括所述的卫星通信系统中的卫星以及与卫星进行通信的地球站。
如图2及图3所示为同步轨道卫星系统和非同步轨道卫星系统的示意图。图2为下行链路示意图，图3为上行链路示意图。所述的同步轨道卫星系统和非同步轨道卫星系统卫星与地球站通信时使用相同的频率，可能产生相互干扰，其中同步轨道卫星系统，包括：位于同步轨道的同步卫星1，与同步卫星通信的地球站1，所述的地球站1位于地球表面。
非同步轨道卫星系统，包括：非轨道卫星2，与同步卫星通信的地球站2，所述的地球站2位于地球表面上。
步骤二、确定不同卫星通信系统的通信链路和干扰链路。
同步轨道卫星1与地球站1通信时，下行通信链路为“卫星1—地球站1”，上行通信链路为“地球站1—卫星1”；非同步轨道卫星2与地球站2通信时，下行通信链路为“卫星2—地球站2”，上行通信链路为“地球站2—卫星2”。
如图2中所示的下行链路示意图，所述的通信链路“卫星1—地球站1”和通信链路“卫星2—地球站2”使用相同的频率，可能产生相互干扰，干扰链路为“卫星2—地球站2”“卫星2—地球站1”；如图3中所示的上行链路示意图，所述的通信链路“地球站1—卫星1”和通信链路“地球站2—卫星2”使用相同的通信频率，可能产生相互干扰，干扰链路为“地球站2—卫星2”“地球站2—卫星1”。
步骤三、获得所要分析的卫星通信系统中卫星的轨道根数，包括历元时刻，卫星轨道高度，轨道倾角，升交点赤经，近地点幅角，真近点角和椭圆轨道的偏心率；计算在限定的时间周期内卫星的轨道位置矢量。
获得同步轨道卫星1的轨道根数，统一转化为J2000坐标系下表示，在限定的时间周期内，卫星1在J2000坐标系下的位置矢量R1(t)＝(x1(t),y1(t),z1(t))；获得非同步轨道卫星2的轨道根数，统一转化为J2000坐标系下表示，在限定的时间周期内，卫星2在J2000坐标系下的位置矢量R2(t)＝(x2(t),y2(t),z2(t))。
步骤四、获得所要分析的卫星通信系统中的地球站的经度，纬度，海拔高度；并计算在限定的时间周期内地球站位置矢量。
根据地球站的1经纬度信息，计算在J2000坐标系下的位置坐标矢量E1(t)＝(x01(t),y01(t),z01(t))，根据地球站的2经纬度信息，计算在J2000坐标系下的位置坐标矢量E2(t)＝(x02(t),y02(t),z02(t))
步骤五、根据步骤三、步骤四中的所计算得到的卫星的轨道位置矢量和地球站位置矢量，计算相位角。
对于下行链路：
如附图2所示，分析通信链路“卫星2—地球站2”对通信链路“卫星1—地球站1”所产生的干扰情况，相位角度θ1，θ2的计算公式如下
其中θ1取值范围在区间[0,180)内，θ2取值范围在区间(-90,90)内。表示矢量和的标量积，表示矢量的模。
对于上行链路：
如附图3所示，分析通信链路“地球站2—卫星2”对通信链路“地球站1—卫星1”所产生的干扰情况，相位角度θ3，θ4的计算公式如下
其中θ3取值范围在区间内(-90,90)，θ4取值范围在区间[0,90)内
步骤六、确定被干扰卫星通信系统的干扰保护标准，对于特定的轨道高度，计算达到干扰保护标准的相位角的取值范围，即为干扰保护区域。
查询国际电信联盟(ITU)关于同步轨道卫星和同步轨道卫星地球站干扰保护的标准，计算对于特定的轨道高度，达到干扰保护标准的相位角的取值范围，即为干扰保护区域
下行链路：如图4中所示，虚线内部部分为即为同步轨道卫星系统中地球站1的干扰保护区域；国际电信联盟采用的是等效功率通量密度不超过某一特定阈值，卫星2对地球站1产生的干扰信号的等效通量密度计算公式如下
其中，p1为卫星2所发射的功率，单位为dBW，GS2(θ1)为卫星2的发射天线在θ1角度方向上的天线增益，GE1(θ2)为地球站1接收天线在θ2角度上的天线增益，d1为卫星2至地球站1的距离，GE1,max为地球站1接收天线的最大天线增益。
对于上行链路：如图5中所示，虚线内部部分为即为同步轨道卫星系统中卫星1的干扰保护区域；国际电信联盟对于同步轨道卫星的干扰保护标准随着通信频段不同而变化，具体应用是应当根据所使用频段查阅相关的规定和建议，地球站2对卫星1产生的干扰信号的等效通量密度计算公式如下
其中，p2为地球站2所发射的功率，单位为dBW，GE2(θ3)为地球站2的发射天线在θ3角度方向上的天线增益，GS1(θ4)为卫星1接收天线在θ4角度上的天线增益，d2为“地球站2—卫星1”干扰链路距离，GS1,max为卫星1接收天线的最大天线增益。
步骤七、将步骤五所计算的相位角度变化绘制与相平面内，图4和图5中的蓝色曲线，即为在特定时间周期内卫星运动过程中相轨迹线；将步骤六计算的相位角度范围绘制于相平面内，如图4和图5所示，图中虚线框内部分即为干扰保护区域。
步骤八、根据步骤七所绘制的相平面图，观察相轨迹线穿越干扰保护区域的取值范围，获得一个卫星通信系统对另外一个卫星通信系统所产生的干扰超过保护标准的时段、相位角范围和超过保护标准的时刻，根据不同的干扰避免方案，此时刻可以作为卫星切换频率时刻、地面切换卫星时刻。
对于下行链路：如图4所示，观察卫星2运动过程中的相轨迹线和干扰保护区域的关系，当θ1∈[α1,α2]且θ2∈[β1,β2]时，相轨迹进入虚线内部的干扰保护区域，对应的时段为[T0,T1]，此时卫星2对地球站1所造成的干扰超过国际电信联盟的相关干扰保护标准，地球站1所受到干扰超过保护标准的时刻为T0。提出避免干扰的相关意见为：在卫星系统设计时期，通过优化轨道参数和地球站位置，减少或者避免相轨迹进入干扰保护区域；在卫星系统工作期间，在相轨迹进入干扰保护区域时，可以通过切星或通信设备停止服务的方法避免干扰。
对于上行链路：如图5所示，观察卫星2运动过程中的相轨迹线和干扰保护区域的关系，当θ3＝α3且θ4∈[β3,β4]时，相轨迹进入虚线内部的干扰保护区域，对应时间段为[T2,T3]，此时地球站2对卫星1所造成的干扰超过国际电信联盟的相关干扰保护标准，卫星1所受到的干扰超过保护标准的时刻为T2。提出避免干扰的相关意见为：在卫星系统设计时期，通过优化轨道参数和地球站位置，减少或者避免相轨迹进入干扰保护区域；在卫星系统工作期间，在相轨迹进入干扰保护区域时，可以通过切星或通信设备停止服务的方法避免干扰。

Claims (8)

1.一种分析各卫星通信系统之间相互干扰的方法，其特征在于，利用在相平面上绘制相轨迹线和干扰保护区域的方法来分析不同卫星通信系统之间的相互干扰，确定超过干扰保护标准的时间、相位角度；
所述方法的具体步骤为
步骤1、确定所要分析的各卫星通信系统，包括所述的卫星通信系统中的卫星以及与该卫星进行通信的地球站；
步骤2、确定各卫星通信系统的通信链路或干扰链路；
步骤3、获得所要分析的各卫星通信系统中卫星的轨道根数，历元时刻，卫星轨道高度，轨道倾角，升交点赤经，近地点幅角，真近点角和椭圆轨道的偏心率；计算在设定的时间周期内卫星的轨道位置矢量坐标；
步骤4、获得所要分析的各卫星通信系统中的地球站的经度、纬度以及海拔高度，计算在设定的时间周期内地球站位置矢量坐标，根据计算得到的卫星的坐标位置和地球站位置计算该卫星通信系统的通信链路的矢量坐标；
步骤5、根据步骤4中的所计算得到的各卫星通信系统的通信链路矢量坐标，计算各卫星通信系统中通信链路之间的相位角度；
步骤6、确定被干扰卫星通信系统的干扰保护标准，设定轨道高度，计算达到干扰保护标准的相位角度范围；
步骤7、根据步骤5所计算的相位角度，在相平面内绘制设定时间周期内相位角度随时间变化的曲线即卫星运动过程中相轨迹线；将步骤6中计算的相位角度范围绘制于相平面内，即得到干扰保护区域；
步骤8、根据步骤7中的相平面，观察相轨迹线穿越干扰保护区域的取值范围，获得一个卫星通信系统对另外一个卫星通信系统所产生干扰超过干扰保护标准的时段、相位角度范围，和超过干扰保护标准的时刻，根据不同的干扰避免方案，此时刻能作为卫星切换频率时刻或地面切换卫星时刻。
2.根据权利要求1中所述的一种分析各卫星通信系统之间相互干扰的方法，其特征在于，所述干扰链路为分析通信系统甲对于通信系统乙的干扰时，通信系统甲的通信链路被称为干扰链路。
3.根据权利要求1中所述的一种分析各卫星通信系统之间相互干扰的方法，其特征在于，所述相位角度为分析通信系统甲对于通信系统乙的干扰时，通信系统乙的通信链路与通信系统甲的干扰链路之间的夹角。
4.根据权利要求1中所述的一种分析各卫星通信系统之间相互干扰的方法，其特征在于，步骤5中计算相位角度具体为
若分析通信链路卫星2—地球站2对通信链路卫星1—地球站1所产生的干扰情况，相位角度θ1和θ2的计算公式为
其中，R1(t)为卫星1在J2000坐标系下的位置矢量；R2(t)为卫星2在J2000坐标系下的位置矢量；E1(t)为地球站1在J2000坐标系下的位置坐标矢量，E2(t)为地球站2在J2000坐标系下的位置坐标矢量；θ1取值范围在区间[0,180)内，θ2取值范围在区间(-90,90)内。
5.根据权利要求1中所述的一种分析各卫星通信系统之间相互干扰的方法，其特征在于，所述干扰保护区域是指绘制于相平面上的，根据国际电信联盟给出的相关卫星干扰保护标准计算得到的相位角度范围。
6.根据权利要求4中所述的一种分析各卫星通信系统之间相互干扰的方法，其特征在于，所述干扰保护标准是等效功率通量密度不超过某一特定阈值，卫星对地球站产生的干扰信号的等效通量密度epfd计算公式为
其中，p为卫星所发射的功率，单位为dBW，GS(θ1)为卫星的发射天线在θ1角度方向上的天线增益，GE(θ2)为地球站接收天线在θ2角度上的天线增益，d1为卫星至被干扰地球站的距离，GE,max为地球站接收天线的峰值增益。
7.根据权利要求1中所述的一种分析各卫星通信系统之间相互干扰的方法，其特征在于，所述的卫星通信系统包括卫星以及与卫星进行通信的地球站；所述的地球站包括地面站、航空站、手持终端、车载终端以及舰载终端。
8.根据权利要求1中所述的一种分析各卫星通信系统之间相互干扰的方法，其特征在于，所述的各卫星通信系统产生相互干扰的条件为各通信链路的通信频段有重合。
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