CN108833041A - 一种基于椭圆轨道的多波束低轨卫星信道仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于椭圆轨道的多波束低轨卫星信道仿真方法，步骤：配置卫星通信工作频点、卫星轨道参数和用户终端参数，并根据精度需求修改通用参数；一次性随机生成各用户的三维坐标，或利用终端坐标系手动配置各用户的三维坐标；选择多波束卫星天线模型并配置天线参数；计算卫星天线的波束增益；计算自由空间损耗、多普勒频移与时延；计算信道系数；计算卫星对用户的有效通信时间。本发明考虑了低轨卫星处于椭圆轨道面临的相关问题，仿真最后可以输出卫星不同波束天线到地面多终端的各种参数。

Description

一种基于椭圆轨道的多波束低轨卫星信道仿真方法

技术领域

本发明属于卫星移动通信领域，特别涉及了一种基于椭圆轨道的多波束低轨卫星信道仿真方法。

背景技术

未来通信要求实现人们能在任何时间、任何地点与任何人通信。随着无处不在的通信需求和高数据率通信业务的不断增长，卫星移动通信系统所具有的无缝覆盖和通信容量大的优势将在新一代通信系统中发挥关键性的作用。目前，我国仍有较大范围的陆地与海域没有被蜂窝移动通信系统覆盖，亟需发展新的移动通信技术以实现全天候与全地域的无缝通信覆盖。卫星移动通信系统作为地面通信网和地面移动网的一种延伸和补充，尤其是特殊环境通信领域，其作用是不可替代的。

在卫星移动通信系统中，低轨卫星移动通信系统由于卫星轨道高度低，使得传输延时短、路径损耗小，多个卫星组网即可实现真正的全球覆盖；另一方面蜂窝通信、多址、多波束、频率复用等技术也为低轨卫星移动通信提供了技术保障。因此，低轨卫星移动通信系统被认为是最有前途的卫星移动通信系统。装备多波束阵列天线的低轨卫星移动通信系统即为多波束低轨卫星移动通信系统。多波束天线可以利用同一波段同时为多个用户提供移动通信服务，与单波束相比具有更大的吞吐量(系统和速率)和频谱利用率。多波束低轨卫星移动通信采用同频组网，理论上可以发挥空分复用的优势，有效地提高系统吞吐量和频谱效率。

在卫星移动通信系统的相关技术研究中，需要对卫星与地面用户之间的信道特性进行模拟。一方面卫星移动通信真实信道特性的测量远不如地面蜂窝系统方便，相关测试成本也难以被普通机构承担。另一方面对于日益发挥重要作用的低轨卫星移动通信系统而言，在实际的椭圆轨道下，卫星与地面用户之间的相对速度与加速度都非常大，其产生的多普勒频移及变化率都非常可观，这些参数的变化对于卫星移动通信的性能有很大影响。所以在实验室研究环境下，需要一种支持高动态参数变化特性的信道仿真方法来参与卫星移动通信系统的仿真模拟。

发明内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种基于椭圆轨道的多波束低轨卫星信道仿真方法，考虑低轨卫星处于椭圆轨道面临的相关问题，仿真最后可以输出卫星不同波束天线到地面多终端的各种参数。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种基于椭圆轨道的多波束低轨卫星信道仿真方法，包括以下步骤：

(1)配置卫星通信工作频点、卫星轨道参数和用户终端参数，并根据精度需求修改通用参数；

(2)一次性随机生成各用户的三维坐标，或利用终端坐标系手动配置各用户的三维坐标；

(3)选择多波束卫星天线模型并配置天线参数；

(4)根据多波束卫星天线模型及参数，计算卫星天线的波束增益；

(5)根据配置的卫星轨道参数和用户终端参数，计算自由空间损耗、多普勒频移与时延；

(6)根据上述步骤配置或计算得到的参数，考虑卫星通信过程中信号的相频特性，计算信道系数；

(7)根据配置的卫星轨道参数和天线参数，计算卫星对用户的有效通信时间。

进一步地，在步骤(1)中，所述卫星轨道参数包括卫星所处的椭圆轨道半长轴、轨道的偏心率和轨道平面倾角；所述用户终端参数包括用户个数、每个用户的三维坐标、用户的运行速度、用户端天线接收增益、用户最小仰角和接收端的噪声功率；在步骤(2)中，所述用户的三维坐标由用户到卫星星下点轨迹上参考点的地心角、用户距离参考点的水平距离以及用户自身海拔组成；在步骤(3)中，所述天线参数包括天线个数、天线的发射增益和天线的扫描下倾角。

进一步地，在步骤(3)中，所述多波束卫星天线模型包括反射面天线模型和矩形阵列天线模型。

进一步地，在步骤(4)中，在计算卫星天线的波束增益之前需要计算卫星天线的波束方向图。

进一步地，当多波束卫星天线模型选择的是反射面天线模型时，卫星天线的波束方向图如下式计算：

上式中，[f_i]_k表示第k个天线到第i个用户的波束方向图， 为第i个用户与第k个波束中心的夹角，可以通过几何算法求得；为第k个波束的3dB角，J₁与J₃分别为一阶与三阶的第一类贝塞尔函数，K为波束数。

进一步地，当多波束卫星天线模型选择的是矩形阵列天线模型时，卫星天线的波束方向图如下式计算：

上式中，表示K个天线到第i个用户的波束方向图，K＝MN，M为矩形阵列天线横向天线数目，N为矩形阵列天线纵向天线数目；W_i为第i个用户波束方向图系数矩阵，运算符vec表示矩阵拉直操作，为第i个用户的阵列流形矩阵，该矩阵第n行第m列矩阵元素定义为其中，λ为波长，θ为地面信号到天线与天线阵列z轴方向所成夹角，φ为该信号在天线阵列上投影与阵列x轴方向所成夹角，d_x和d_y分别表示矩形阵列天线横纵方向上的阵元间隔。

进一步地，在步骤(4)中，按下式计算卫星天线的波束增益：

b_i＝G_t⊙f_i

上式中，b_i为卫星天线的波束增益，G_t为天线发射增益，f_i为计算出的天线波束方向图。

进一步地，在步骤(6)中，按下式计算信道系数：

上式中，h_i(t)表示K个天线到第i个用户的信道系数，PL_FS为自由空间损耗，f_d为多普勒频移，G_r为第i个用户接收增益，N_r为第i个用户接收端噪声功率，b_i为卫星天线的波束增益，为K个波束到第i个用户经历的相位变化，e为自然常数，j为虚数单位。

进一步地，在步骤(7)中，下式为卫星运行角度θ的约束方程：

上式中，α为地面用户对卫星的仰角，β为卫星扫描的半视角，l_AB为弧AB的长度，A为卫星的星下点轨迹上一点，B为用户在海平面的正投影，θ₀为A与卫星近地点与地心连线的夹角，h为用户海拔高度，R为地球半径，r为用户终端到卫星天线的距离；

当θ满足β＜β_max且α＞α_min时，卫星可以对地面用户有效通信，从而计算出卫星对用户的有效通信时间，α_min为配置的α极小值，β_max为配置的β极大值。

采用上述技术方案带来的有益效果：

本发明考虑到低轨卫星在椭圆轨道高速运行带来的高动态多普勒频移仿真问题，支持多用户信道参数实时仿真输出。同时，考虑了卫星和各用户间的有效通信时间问题。

本发明使用的终端坐标系(如图1)可以使用几何算法快速计算多普勒频移及时延等参数，与经典的基于卫星星历与航天轨道运动学的轨道预测算法相比可以显著提升仿真效率，适合于实验室快速仿真需求。

本发明使用多波束卫星阵列天线参与仿真，并有不同的多波束天线模型供选择，模型之一的矩形阵列天线的波束方向图系数矩阵可以被修改用于设计特殊波束，为相关研究提供了便利。

附图说明

图1为本发明的流程框图；

图2为卫星过顶过程示意图；

图3为多波束反射面天线示意图；

图4为多波束矩形阵列天线示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

图1是本方法的信道仿真方法基本框图。首先配置通信工作频点、卫星轨道参数、用户终端参数、根据精度需求修改通用参数，选择卫星多波束天线模型并配置参数等。其中卫星轨道参数包括卫星所处的椭圆轨道半长轴、轨道的偏心率、轨道平面倾角；用户终端参数包括用户个数、每个用户的三维坐标、用户的运行速度、用户端天线接收增益、用户天线的最小仰角以及接收端的噪声功率；多波束卫星天线模型目前可选包括反射面天线模型和矩形阵列天线模型，两者均需要配置天线个数、天线的发射增益与卫星天线的扫描下倾角；其中反射面天线参数还包括每个天线波束的3dB角，矩形阵列天线参数还包括天线阵元的横纵间隔、波束方向图系数矩阵等。通用参数包括仿真中根据实际精度需要近似取值的各种常数，如开普勒常数、光速、地球半径、地球的自转周期等。根据用户界面配置的轨道参数，信道参数生成模块首先按照开普勒定律计算出卫星在轨道中的运行轨迹，本方法采用极坐标方程；然后模块根据卫星运行轨迹、终端参数、多波束天线模型参数及相关常量取值，根据通信过程中信号相频特性变化，使用本方法建立的参考坐标系，最终计算出信道特性参数。所述信道特性参数包括自由空间损耗、信道系数矩阵、多普勒频移与时延、卫星和终端的有效通信时间。

图2显示本方法使用的终端参考坐标系。该图显示的是终端的卫星过顶过程，图中E为地心，S为卫星，EP直线为卫星近地点与地心连线，当轨道参数确定后，卫星轨迹的近地点随之确定。A为卫星的星下点轨迹上一点，与EP直线夹角θ₀；用户C位于星下点轨迹过A点的法线方向上，海拔高度为h；C在海平面的正投影为B，弧AB长为l_AB。θ为极坐标系中卫星轨迹的角度，α为地面用户对卫星的仰角，β为卫星扫描的半视角(下倾角的一半)。则用户的位置可用通过坐标(θ₀,l_AB,h)确定，坐标中的距离参数可以用正负区分用户在星下点轨迹的两侧。该组坐标可以和经纬度与海拔组成的三维坐标实现相互转换。

图3和图4给出了信道仿真中提供的两种多波束阵列天线示意图。图3为反射面阵列天线或抛物面阵列天线，该图反映了卫星一个波束到用户的各个参数示意图。图4为矩形阵列天线，x,y轴代表矩形阵列天线的横纵方向，z轴为矩形阵列天线正对地心方向。图中的P点为地面终端，参数r为地面终端到卫星天线阵列的距离，角度θ为地面信号到天线与天线阵列z轴方向所成夹角，角度φ为该信号在天线阵列上投影与阵列x轴方向所成夹角。以上信息可以通过卫星与地面终端的几何关系求解。

本实施场景是由一颗低轨卫星、多个地面终端组成。

1.配置卫星的工作频点。卫星信道建模中雨衰的研究基本考虑工作频率在10GHz上，通常认为该频点之下影响已经较小，一般不超过1dB。本发明中信道仿真方法通常工作在10GHz以下，为简化计算，仿真方法不考虑雨衰的因素。

2.配置轨道参数：椭圆轨道的半长轴、轨道偏心率为、轨道倾角、卫星扫描的半倾角。其中卫星扫描的半倾角一般不小于60度。

3.配置多个终端参数：手动配置可以根据图2中的坐标系，直接给出用户三维坐标；其他需配置参数还有：用户速度、用户天线的最小仰角、用户端单天线的接收增益，其中用户速度认为用户处于低速或静止状态，用户天线最小仰角一般不低于10度。

4.选择卫星端多波束阵列天线模型，可选模型为反射面天线和矩形阵列天线两种。

4.1.反射面天线一共K个天线对应于K个波束。第k个天线到地表第i个用户的波束方向图为：

其中参考图3，为第i个用户与第k个波束中心的夹角，可以通过几何算法求得；为第k个波束的3dB角，J₁与J₃分别为一阶与三阶的第一类贝塞尔函数。

4.2.矩形阵列天线的天线数目为横向M根、纵向N根，同样是K个天线对于与K个波束，K＝MN。

在矩阵阵列天线上，K个天线到第i个用户的波束方向图为：

其中运算符vec表示矩阵拉直操作，为可设计的第i个用户波束方向图系数矩阵。例如配置系数矩阵W_i为DFT阵时，即可得到DFT波束的阵列天线。为第i个用户的阵列流形矩阵，矩阵元素定义为各参数如图4所示，可以通过卫星与地面用户的几何关系解出(θ,φ)；式中λ为波长，θ为地面信号到天线与天线阵列z轴方向所成夹角，φ为该信号在天线阵列上投影与阵列x轴方向所成夹角。d_x和d_y分别表示矩形阵列天线横纵方向上的阵元间隔。通过设计矩形阵列天线的波束方向图系数矩阵，可以达到全向传输或者生成特殊波束的效果。

5.计算波束增益。假设卫星天线到第i个用户的波束增益为b_i，

b_i＝G_t⊙f_i (3)

式中运算符⊙为矩阵点乘运算；为天线发射增益，[G_t]_k＝(G_t,k)_max(0＜k＜K)；(G_t,k)_max为第k个天线最大发射增益。为步骤4中得到的K个天线的波束方向图。

6.根据步骤1到步骤3中配置的轨道参数与用户位置参数，计算自由空间损耗PL_FS、多普勒频移f_d与时延。根据图2的坐标系得到卫星到用户的距离表达式为：

其中θ^*＝θ-θ₀，a为椭圆轨道半长轴，e为偏心率，R为地球半径。利用该式进行对时间求导等相关运算可以得到卫星的实时速度、多普勒频移以及时延等参数。

7.考虑卫星通信过程中信号的相频特性。例如可以认为信号相位是在(0,2π)服从均匀分布。

8.计算信道系数。假设第i个用户接收端增益为G_r，接收端噪声功率N_r，则K个天线到第i个用户的信道系数为：

其中，为K个波束到第i个用户经历的相位变化，符号T表示矩阵转置运算，相位变化特性根据步骤7确定。

9.根据配置的卫星天线扫描最大半视角β_max和地面用户最小仰角α_min计算卫星对用户的有效可视时间。当地球站天线对卫星的仰角过低时，受地形、地物及地面噪声的影响，不能进行有效的通信；当地面用户不处于卫星的扫描覆盖范围，同样不能进行通信，所以以上求得的各信道参数均只在可视时间内有效。根据图2中的几何关系可以得出关于卫星运行角度θ的约束方程为：

当θ满足(β＜β_max,α＞α_min)时，卫星可以对地面用户有效通信。式(6)可以通过MATLAB软件求解。

10.经过上述步骤，即可完成一个基于椭圆轨道的多波束卫星信道仿真，得到相关信道参数。所述信道参数包括信道系数矩阵，由天线波束数、时间采样点、用户数三维组成；多普勒频移特性、时延特性以及自由空间损耗，由用户数及时间采样点两维组成；卫星和终端间有效通信时间，由通信开始时间、结束时间、持续时间以及用户数四个维度组成。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于椭圆轨道的多波束低轨卫星信道仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)配置卫星通信工作频点、卫星轨道参数和用户终端参数，并根据精度需求修改通用参数；

(2)一次性随机生成各用户的三维坐标，或利用终端坐标系手动配置各用户的三维坐标；

(3)选择多波束卫星天线模型并配置天线参数；

(4)根据多波束卫星天线模型及参数，计算卫星天线的波束增益；

(5)根据配置的卫星轨道参数和用户终端参数，计算自由空间损耗、多普勒频移与时延；

(6)根据上述步骤配置或计算得到的参数，考虑卫星通信过程中信号的相频特性，计算信道系数；

(7)根据配置的卫星轨道参数和天线参数，计算卫星对用户的有效通信时间。

2.根据权利要求1所述基于椭圆轨道的多波束低轨卫星信道仿真方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述卫星轨道参数包括卫星所处的椭圆轨道半长轴、轨道的偏心率和轨道平面倾角；所述用户终端参数包括用户个数、每个用户的三维坐标、用户的运行速度、用户端天线接收增益、用户最小仰角和接收端的噪声功率；在步骤(2)中，所述用户的三维坐标由用户到卫星星下点轨迹上参考点的地心角、用户距离参考点的水平距离以及用户自身海拔组成；在步骤(3)中，所述天线参数包括天线个数、天线的发射增益和天线的扫描下倾角。

3.根据权利要求2所述基于椭圆轨道的多波束低轨卫星信道仿真方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述多波束卫星天线模型包括反射面天线模型和矩形阵列天线模型。

4.根据权利要求3所述基于椭圆轨道的多波束低轨卫星信道仿真方法，其特征在于，在步骤(4)中，在计算卫星天线的波束增益之前需要计算卫星天线的波束方向图。

5.根据权利要求4所述基于椭圆轨道的多波束低轨卫星信道仿真方法，其特征在于，当多波束卫星天线模型选择的是反射面天线模型时，卫星天线的波束方向图如下式计算：

上式中，[f_i]_k表示第k个天线到第i个用户的波束方向图， 为第i个用户与第k个波束中心的夹角，可以通过几何算法求得；为第k个波束的3dB角，J₁与J₃分别为一阶与三阶的第一类贝塞尔函数，K为波束数。

6.根据权利要求4所述基于椭圆轨道的多波束低轨卫星信道仿真方法，其特征在于，当多波束卫星天线模型选择的是矩形阵列天线模型时，卫星天线的波束方向图如下式计算：

上式中，表示K个天线到第i个用户的波束方向图，K＝MN，M为矩形阵列天线横向天线数目，N为矩形阵列天线纵向天线数目；W_i为第i个用户波束方向图系数矩阵，运算符vec表示矩阵拉直操作，为第i个用户的阵列流形矩阵，该矩阵第n行第m列矩阵元素定义为其中，λ为波长，θ为地面信号到天线与天线阵列z轴方向所成夹角，φ为该信号在天线阵列上投影与阵列x轴方向所成夹角，d_x和d_y分别表示矩形阵列天线横纵方向上的阵元间隔。

7.根据权利要求4所述基于椭圆轨道的多波束低轨卫星信道仿真方法，其特征在于，在步骤(4)中，按下式计算卫星天线的波束增益：

b_i＝G_t⊙f_i

上式中，b_i为卫星天线的波束增益，G_t为天线发射增益，f_i为计算出的天线波束方向图。

8.根据权利要求2-7中任意一项所述基于椭圆轨道的多波束低轨卫星信道仿真方法，其特征在于，在步骤(6)中，按下式计算信道系数：

上式中，h_i(t)表示K个天线到第i个用户的信道系数，PL_FS为自由空间损耗，f_d为多普勒频移，G_r为第i个用户接收增益，N_r为第i个用户接收端噪声功率，b_i为卫星天线的波束增益，为K个波束到第i个用户经历的相位变化，e为自然常数，j为虚数单位。

9.根据权利要求2-7中任意一项所述基于椭圆轨道的多波束低轨卫星信道仿真方法，其特征在于，在步骤(7)中，下式为卫星运行角度θ的约束方程：

上式中，α为地面用户对卫星的仰角，β为卫星扫描的半视角，l_AB为弧AB的长度，A为卫星的星下点轨迹上一点，B为用户在海平面的正投影，θ₀为A与卫星近地点与地心连线的夹角，h为用户海拔高度，R为地球半径，r为用户终端到卫星天线的距离；

当θ满足β＜β_max且α＞α_min时，卫星可以对地面用户有效通信，从而计算出卫星对用户的有效通信时间，α_min为配置的α极小值，β_max为配置的β极大值。