CN107980210B - 一种利用回归轨道实施通信的卫星星座实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用回归轨道实施通信的卫星星座实现方法，其步骤：确定回归周期和轨道半长轴，以及轨道的倾角、轨道的偏心率和近地点幅角；确定卫星个数及轨道面数均为n个；确定第一颗卫星的升交点赤经和平近点角，根据卫星的服务需求，依次确定后续卫星的升交点赤经和平近点角；确定需要协调的静止轨道卫星网络集合以及非静止卫星星座对静止卫星干扰保护带的宽度；在地面上任意位置，看到全部设置的卫星在空中均沿一条固定的相同的轨迹相继过顶，当形成多重覆盖后，地面用户能同时看到多颗卫星；如果卫星轨迹穿越对静止卫星的干扰保护带，则在当前接入卫星进入保护带时，地面用户切换到另一颗不在保护带内的卫星继续实施通信。
Description
技术领域
本发明涉及一种卫星通信技术领域，特别是关于一种在全球覆盖的非静止轨道通信星座中利用回归轨道实施通信的卫星星座实现方法。
背景技术
卫星互联网是互联网向空间进化过程中最好的可能也是唯一的选择。考虑到同步轨道轨位的限制，非静止轨道卫星星座网络将成为卫星互联网的重要组成部分。当前，全球范围内已有多个大型非静止轨道卫星星座项目投入建设或宣布计划。其中Google公司建设的O3b网络系统，采用0°倾角的赤道轨道，轨道高度8062Km，目前在轨12颗卫星，每颗卫星总吞吐量达12GBit/s。O3b星座的主要覆盖区域为南北纬40°之间的区域；OneWeb公司提出以近地轨道卫星群来提供卫星互联网业务，将发射720颗卫星完成初期构建，后期可能会再发射1972颗卫星以完成最终的星座。其轨道高度约为1200Km，轨道倾角约88°，预计2017-2020年期间建成，覆盖区域为全球覆盖；下一代铱星系统星座由66颗卫星组成，另外还有6颗在轨备用卫星和9颗地面备用卫星。其轨道高度为781Km，轨道倾角约为86.4°，覆盖区域为全球覆盖。
当前各非静止轨道通信卫星星座的设计方法面临着与静止轨道卫星同频共存的问题。空间通信频谱资源的协调和分配由国际无线电联合会(InternationalTelecommunications Union，ITU)组织和管理。按照当前ITU的协调框架和规则，静止轨道卫星系统地位均优先于非静止轨道卫星系统，后者需要与GSO卫星系统完成频域的共存分析，保证不对在轨的数千颗GSO卫星造成有害干扰。获得最终用频许可的难度极高。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种利用回归轨道实施通信的卫星星座实现方法，其利用回归轨道的回归特性，通过参数设计，实现重点区域按需覆盖和降低对静止轨道卫星同频干扰的影响，以利于非静止轨道卫星星座系统设计、建设和实施。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种利用回归轨道实施通信的卫星星座实现方法，其特征在于包括以下步骤：1)确定回归周期和轨道半长轴，以及轨道的倾角、轨道的偏心率和近地点幅角；2)根据多重覆盖需求和任务成本，确定卫星个数及轨道面数均为n个；3)根据预设期望按需设计的穿越赤道点的经度，确定第一颗卫星的升交点赤经和平近点角，根据卫星的服务需求，依次确定后续卫星的升交点赤经和平近点角；4)确定需要协调的静止轨道卫星网络集合以及非静止卫星星座对静止卫星干扰保护带的宽度；5)在地面上任意位置，看到全部设置的卫星在空中均沿一条固定的相同的轨迹相继过顶，当形成多重覆盖后，地面用户能同时看到多颗卫星；如果卫星轨迹穿越对静止卫星的干扰保护带，则在当前接入卫星进入保护带时，地面用户切换到另一颗不在保护带内的卫星继续实施通信。
优选地，所述步骤1)中，根据卫星覆盖条带的宽度和通信延迟要求，在预先设定的集合中确定回归周期和轨道半长轴。
优选地，所述预先设定的集合为回归轨道长半轴典型值集合：
优选地，所述步骤1)中，根据覆盖区域在纬度上的分布，确定轨道的倾角，使轨道倾角不低于覆盖区域最高纬度减去半波束宽度对应的地心角。
优选地，所述步骤1)中，根据期望高仰角覆盖的区域和穿越方向，确定轨道的偏心率、近地点幅角。
优选地，所述步骤4)中，设置的星座中所有卫星穿越赤道点的经度均相同，根据卫星通信系统参数和穿越赤道点附近的静止卫星通信参数，计算卫星在穿越赤道点时对静止轨道卫星产生同频共轨干扰的边界，并根据此边界确定需要协调的静止轨道卫星网络集合以及非静止卫星星座对静止卫星干扰保护带的宽度。
优选地，卫星在穿越赤道点时对静止轨道卫星产生同频共轨干扰的边界计算方法如下：4.1)根据国际电信联盟相关保护标准，得到干扰信号功率计算数学模型为：I1＝λ1 2PTX2GTX2(θ1)GRX1′(θ2)/4πd1 2，其中，I1为干扰信号功率，PTX2为非同步轨道卫星地球站的发射功率，GTX2(θ1)为非同步轨道卫星地球站的发射天线增益，GRX1′(θ2)为同步轨道卫星的接收天线增益，λ1为通信频率对应波长，d1为干扰路径距离，θ1为干扰链路与非同步轨道卫星通信系统通信链路之间的夹角，θ2为干扰链路与同步轨道卫星通信系统通信链路之间的夹角；4.2)根据已知上行干扰场景中同步轨道卫星干扰保护标准的功率阈值Ith，得到干扰信号功率的限制为I1≤Ith；4.3)根据干扰信号功率限制和干扰信号功率计算数学模型，得到干扰链路和非同步轨道卫星通信系统的通信链路之间夹角的限制范围θ1≥θth，θ1即为卫星在穿越赤道点时对静止轨道卫星产生同频共轨干扰的边界；θth为卫星对静止轨道卫星产生同频共轨干扰的边界。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明利用星下点轨迹穿越赤道点位置固定和多重覆盖特性，能够缩小对静止轨道卫星的干扰保护带，并通过简单的边界计算，形成严格的空域隔离，实现非静止轨道卫星星座网络与静止轨道卫星网络同频共存。2、本发明与已有的通信卫星星座设计方法相比，能够以简单的实现形式形成严格空域隔离，规避对静止轨道卫星网络的同频干扰。3、本发明充分利用了回归轨道星下点轨迹为闭合曲线的特点，通过调整轨道参数按需设计星下点轨迹，并将多颗卫星的星下点轨迹重合为一条曲线，达到降低对静止轨道卫星同频干扰的目的。4、由于回归轨道卫星的轨道周期为地球自转周期的整数分之一，运行在回归轨道上的卫星，其星下点轨迹在地表为一条闭合的曲线，调整回归轨道的轨道设计参数，可以改变回归轨道的星下点轨迹形状和分布，其星下点轨迹在地表的位置固定，与静止轨道卫星的相对关系也随之大大简化，本发明利用这一特性，可以显著降低非静止轨道卫星网络与静止轨道卫星网络之间协调的难度。综上所述，本发明可以广泛在移动通信中卫星通信系统领域中应用。
附图说明
图1是本发明实施例中8颗卫星沿星下点轨迹均匀分布示意图；
图2是本发明实施例中北京地区上空的卫星轨迹和静止轨道干扰保护带示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明提供一种利用回归轨道实施通信的卫星星座实现方法，其包括以下步骤：
1)确定回归周期和轨道半长轴，以及轨道的倾角、轨道的偏心率和近地点幅角；
其中，根据卫星覆盖条带的宽度和通信延迟要求，在预先设定的集合中确定回归周期和轨道半长轴；根据覆盖区域在纬度上的分布，确定轨道倾角，使轨道倾角不低于覆盖区域最高纬度减去半波束宽度对应的地心角；根据期望高仰角覆盖的区域和穿越方向，确定轨道的偏心率、近地点幅角。
2)根据多重覆盖需求和任务成本，确定卫星个数及轨道面数均为n个，n为自然数；
3)根据预设期望按需设计的穿越赤道点的经度，确定第一颗卫星的升交点赤经和平近点角，根据卫星的服务需求，确定卫星的过顶时间，使卫星过顶时间满足卫星的服务需求，依次确定后续卫星的升交点赤经和平近点角；
4)确定需要协调的静止轨道卫星网络集合以及非静止卫星星座对静止卫星干扰保护带的宽度；
由于按照上述步骤设置的星座，其所有卫星穿越赤道点的经度均相同，根据卫星通信系统参数和穿越赤道点附近的静止卫星通信参数，可以计算卫星在穿越赤道点时对静止轨道卫星产生同频共轨干扰的边界，并根据此边界确定需要协调的静止轨道卫星网络集合以及非静止卫星星座对静止卫星干扰保护带的宽度，这将大大缩减需要协调的静止轨道卫星网络数目；
其中，卫星在穿越赤道点时对静止轨道卫星产生同频共轨干扰的边界计算方法如下：
4.1)根据国际电信联盟相关保护标准，得到干扰信号功率计算数学模型为：
I1＝λ1 2PTX2GTX2(θ1)GRX1′(θ2)/4πd1 2
其中，I1为干扰信号功率，PTX2为非同步轨道卫星地球站的发射功率，GTX2(θ1)为非同步轨道卫星地球站的发射天线增益，GRX1′(θ2)为同步轨道卫星的接收天线增益，λ1为通信频率对应波长，d1为干扰路径距离，θ1为干扰链路与非同步轨道卫星通信系统通信链路之间的夹角，θ2为干扰链路与同步轨道卫星通信系统通信链路之间的夹角。
4.2)根据已知上行干扰场景中同步轨道卫星干扰保护标准的功率阈值Ith，得到干扰信号功率的限制为I1≤Ith。
4.3)根据干扰信号功率限制和干扰信号功率计算数学模型，得到干扰链路和非同步轨道卫星通信系统的通信链路之间夹角的限制范围θ1≥θth，θ1即为卫星在穿越赤道点时对静止轨道卫星产生同频共轨干扰的边界；θth为卫星对静止轨道卫星产生同频共轨干扰的边界。
回归轨道卫星在若干个固定的经度点穿越赤道上空，对这若干个经度点附近的同步轨道卫星通信系统进行上述计算，则得到卫星在穿越赤道点时对静止轨道卫星产生同频共轨干扰的边界。
5)在地面上任意位置，看到全部设置的卫星在空中均沿一条固定的相同的轨迹相继过顶。当形成多重覆盖后，地面用户可同时看到多颗卫星。如果卫星轨迹穿越对静止卫星的干扰保护带，则在当前接入卫星进入保护带时，地面用户切换到另一颗不在保护带内的卫星继续实施通信，从而通过严格的空域隔离避免了对静止轨道卫星网络的同频共线干扰。
上述步骤1)中，特定的集合是指按照回归轨道周期和地球自转周期成整数分之一的约束，轨道长半轴只能在一个预先设定的集合中选择，该集合如表1所示。
表1 回归轨道长半轴典型值集合
| 回归周期1/j(恒星日) | 轨道长半轴a(Km) |
| 1 | 42164.19 |
| 1/2 | 26561.78 |
| 1/3 | 20270.44 |
| 1/4 | 16732.88 |
| 1/5 | 14419.96 |
| 1/6 | 12769.58 |
| 1/7 | 11522.47 |
| 1/8 | 10541.06 |
| 1/9 | 9744.99 |
| 1/10 | 9083.99 |
下面通过具体实施例对本发明利用回归轨道实施通信的卫星星座实现方法做进一步介绍。
设置非静止轨道通信卫星星座，提供全球覆盖，根据通信延时、现有通信卫星的轨道分布、覆盖条带需求以及发射成本，选择表1中1/2周期回归轨道，即长半轴为26561.78Km。经过对比，选择倾角为53.13°，偏心率为0的圆轨道。结合对静止轨道通信卫星分布情况的分析，确定星下点轨迹穿越赤道的位置。最终星下点轨迹如图1所示，在α1、α2、α3和α4四个点穿越赤道。
按照本星座的通信系统参数，结合四个穿越赤道点附近的典型静止轨道卫星网络通信参数仿真和分析方法，可确定本星座与与静止轨道卫星网络之间不发生干扰的空域隔离边界，以空域隔离带宽度为±10°为例，则本星座在不采取任何规避措施的情况下，对α1±10°、α2±10°、α3±10°、α4±10°四个区间以外的静止轨道卫星网络天然具备空域隔离。
按照本实施例中设置的卫星星座，在地面上任何位置，星座中的n颗卫星在空中均沿相同的时不变的轨迹行进。若在地面该位置能够看到上述4个静止轨道区间中的1个或2个(最多为两个)，则在空中沿该区间(东西走向)向南向北各划10°作为干扰保护带。如图2所示，为北京地区看到的静止轨道卫星连线、静止轨道干扰保护带和本实例星座卫星轨迹。如图2所示，本实施例星座中S1、S2两颗卫星相继从北京上空过顶，北京地面用户M首选选择卫星S1作为接入卫星实施通信，当卫星S1进入保护带时，地面用户M调整波束指向，接入到不在保护带中的可见卫星S2继续实施通信。当卫星S2进入干扰保护带时，地面用户选择后续过顶的卫星S3继续实施通信。由于多重覆盖的设计，在多重覆盖区的绝大部分地面用户在任意时刻都可以看到不在干扰保护区的卫星，从而保证了该星座与静止轨道卫星网络的绝对空域隔离。
静止轨道卫星相对地面位置固定，本实施例星座的卫星轨迹相对地面固定，卫星在轨迹上匀速依次过境，地面用户依照星历即可快速计算出静止轨道干扰保护带和卫星运行轨迹，从而根据实际情况实施通信或跳星操作。
综上所述，本发明的通信卫星星座由分布在n个轨道面上的卫星组成，这些轨道面的长半轴、倾角、偏心率和近地点幅角均相同，每个轨道面上布设n颗卫星。n颗卫星的星下点轨迹形状相同，通过选择升交点赤经和平近点角，这些卫星的星下点轨迹在地表重合成一条闭合曲线，且在按需设计的有限经度穿越赤道。当卫星数目足够多后，可在地面形成多重覆盖，地面用户通过切换视野范围内的可用卫星，与地面用户可见的静止轨道卫星形成空域隔离，达到避免对静止轨道卫星形成同频共线干扰的目的，实现非静止轨道卫星星座网络与静止轨道卫星网络同频共存。
上述各实施例仅用于说明本发明，各个步骤都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别步骤进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (6)
1.一种利用回归轨道实施通信的卫星星座实现方法，其特征在于包括以下步骤：
1)确定回归周期和轨道半长轴，以及轨道的倾角、轨道的偏心率和近地点幅角；
2)根据多重覆盖需求和任务成本，确定卫星个数及轨道面数均为n个；
3)根据预设期望按需设计的穿越赤道点的经度，确定第一颗卫星的升交点赤经和平近点角，根据卫星的服务需求，依次确定后续卫星的升交点赤经和平近点角；
4)确定需要协调的静止轨道卫星网络集合以及非静止卫星星座对静止卫星干扰保护带的宽度；
设置的星座中所有卫星穿越赤道点的经度均相同，根据卫星通信系统参数和穿越赤道点附近的静止卫星通信参数，在以地心为球心，同步轨道半径为半径的球面上计算卫星在穿越赤道点时对静止轨道卫星产生同频共轨干扰的边界，并根据此边界确定需要协调的静止轨道卫星网络集合以及非静止卫星星座对静止卫星干扰保护带的宽度；
5)在地面上任意位置，看到全部设置的卫星在空中均沿一条固定的相同的轨迹相继过顶，当形成多重覆盖后，地面用户能同时看到多颗卫星；如果卫星轨迹穿越对静止卫星的干扰保护带，则在当前接入卫星进入保护带时，地面用户切换到另一颗不在保护带内的卫星继续实施通信。
2.如权利要求1所述的一种利用回归轨道实施通信的卫星星座实现方法，其特征在于：所述步骤1)中，根据卫星覆盖条带的宽度和通信延迟要求，在预先设定的集合中确定回归周期和轨道半长轴。
3.如权利要求2所述的一种利用回归轨道实施通信的卫星星座实现方法，其特征在于：所述预先设定的集合为回归轨道长半轴典型值集合：
4.如权利要求1所述的一种利用回归轨道实施通信的卫星星座实现方法，其特征在于：所述步骤1)中，根据覆盖区域在纬度上的分布，确定轨道的倾角，使轨道倾角不低于覆盖区域最高纬度减去半波束宽度对应的地心角。
5.如权利要求1所述的一种利用回归轨道实施通信的卫星星座实现方法，其特征在于：所述步骤1)中，根据期望高仰角覆盖的区域和穿越方向，确定轨道的偏心率、近地点幅角。
6.如权利要求1所述的一种利用回归轨道实施通信的卫星星座实现方法，其特征在于：所述步骤4)中，卫星在穿越赤道点时对静止轨道卫星产生同频共轨干扰的边界计算方法如下：
4.1)根据国际电信联盟相关保护标准，得到干扰信号功率计算数学模型为：
I1＝λ1 2PTX2GTX2(θ1)GRX1′(θ2)/4πd1 2，
其中，I1为干扰信号功率，PTX2为非同步轨道卫星地球站的发射功率，GTX2(θ1)为非同步轨道卫星地球站的发射天线增益，GRX1′(θ2)为同步轨道卫星的接收天线增益，λ1为通信频率对应波长，d1为干扰路径距离，θ1为干扰链路与非同步轨道卫星通信系统通信链路之间的夹角，θ2为干扰链路与同步轨道卫星通信系统通信链路之间的夹角；
4.2)根据已知上行干扰场景中同步轨道卫星干扰保护标准的功率阈值Ith，得到干扰信号功率的限制为I1≤Ith；
4.3)根据干扰信号功率限制和干扰信号功率计算数学模型，得到干扰链路和非同步轨道卫星通信系统的通信链路之间夹角的限制范围θ1≥θth，θth为卫星对静止轨道卫星产生同频共轨干扰的边界。
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