CN109474324A - 一种利用相控阵波束重构规避极轨星座同频干扰的方法 - Google Patents

一种利用相控阵波束重构规避极轨星座同频干扰的方法 Download PDF

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Abstract

一种利用相控阵波束重构规避极轨星座同频干扰的方法，计算不同纬度情况下的平均覆盖重数；确定保证连续覆盖条件的最小平均覆盖重数；根据极轨星座运行规律和卫星波束策略，计算卫星不产生同频波束交叠的最大平均覆盖重数；根据卫星运行过程中所处于的纬度范围，确定不同纬度范围卫星所采用的对地覆盖波束；根据已确定的不同纬度范围下的卫星所采用的对地覆盖波束，生成卫星运行过程中相控阵天线对地覆盖波束控制策略，极轨星座自动根据其卫星星下点纬度按照该相控阵天线对地覆盖波束控制策略进行相控阵天线的波束控制，能够在保证连续覆盖的条件下确保高纬度地区不会产生同频波束的交叠的情况，从而避免同频波束之间的同频干扰。

Description

一种利用相控阵波束重构规避极轨星座同频干扰的方法
技术领域
本发明涉及一种利用相控阵波束重构规避极轨星座同频干扰的方法，即一种利用相控阵天线重构避免高纬度地区同频干扰的波束控制方法，属于极轨道星座两极地区同频干扰规避技术领域。
背景技术
随着卫星技术的发展，对于全球范围内的高速网络接入服务的需求不断增长。利用极轨星座实现全球范围的通信覆盖与互联网接入服务是未来卫星通信领域中的重点发展方向。极轨星座是在低轨道高度条件下满足全球覆盖的最经济星座(星座卫星数量最少)，因此其广泛应用于全球范围内通信星座的设计。相比于传统的GEO轨道通信卫星，极轨通信星座能够轻易覆盖 GEO轨道通信卫星难以覆盖的两极区域，在连续覆盖方面具有天然的优势。
随着卫星互联网时代的到来，极轨通信星座广泛采用频率复用的方式以增加系统容量。但是，考虑到极轨星座两极地区卫星密集，因此在极轨星座卫星飞越极区的过程中需要对卫星的对地覆盖波束进行开关控制，从而降低两极地区的同频干扰。
目前，国内外对极轨道星座在两极地区的波束开关策略均开展了相关研究，能够实现两级地区同频干扰的规避。但是传统的波束开关策略的使用，会导致卫星波束开关机过于频繁，不利于相控阵天线的使用。同时，不同卫星的覆盖区大小与服务时间也不相同，导致极轨星座中不同卫星的能源消耗不同，增加极轨星座卫星功率平衡策略的设计难度。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种利用相控阵波束重构规避极轨星座同频干扰的方法，实现极轨通信星座高纬度地区同频干扰规避的波束管理。该方法以平均覆盖重数作为对地覆盖波束控制的主要依据，通过相控阵天线的波束自动重构，避免同频干扰。同时，由于极轨星座中的全部卫星均采用相同的波束重构方法，能够做到星座中的全部卫星的累积覆盖区与累积覆盖时间完全相等，从而降低了后续极轨星座卫星功率平衡策略的设计难度。
本发明解决的技术方案为：一种利用相控阵天线重构避免高纬度地区同频干扰的波束控制方法，步骤如下：
(1)根据极轨星座构型与卫星对地波束覆盖面积，计算不同纬度情况下的平均覆盖重数；
(2)根据极轨星座构型与卫星对地覆盖波束面积，确定保证连续覆盖条件的最小平均覆盖重数；
(3)根据极轨星座运行规律和卫星波束策略，计算极轨星座卫星不产生同频波束交叠的最大平均覆盖重数；
(4)根据卫星运行过程中所处于的纬度范围，确定不同纬度范围极轨星座卫星所采用的对地覆盖波束(对地覆盖波束是通过重构后卫星对地的覆盖区半锥角确定。)；
(5)根据步骤(4)不同纬度范围下的卫星所采用的对地覆盖波束，生成极轨星座卫星运行过程中相控阵天线对地覆盖波束控制策略，极轨星座卫星自动根据其卫星星下点纬度按照该相控阵天线对地覆盖波束控制策略进行相控阵天线的波束控制。
极轨星座构型为采用均匀分布的若干轨道面，并在每一轨道面上均匀分布若干颗卫星所形成的空间星座。
平均覆盖重数为极轨星座中每个卫星在该纬度地区的覆盖面积的累加和与该纬度地区的总面积之比。
保证连续覆盖条件为保证极轨星座能够实现全球连续覆盖。
极轨星座运行规律为，当极轨星座中的卫星所使用的波束策略不变的情况下，平均覆盖重数将随着纬度的增加而单调增加，并满足一一映射关系。
极轨星座卫星波束策略随卫星所在纬度变化。
不同纬度范围卫星所采用的对地覆盖波束是通过求解重构后卫星对地波束的覆盖区半锥角确定。
步骤(4)根据卫星运行过程中所处于的纬度范围，确定不同纬度范围卫星所采用的对地覆盖波束，具体如下：
(4.1)设定极轨星座卫星的初始波束方案为覆盖区半锥角设定为满足极轨星座连续覆盖的最小覆盖区半锥角；
(4.2)将步骤(1)的平均覆盖重数与步骤(3)不产生同频波束交叠的最大平均覆盖重数相比较；
(4.3)如果此时步骤(1)的平均覆盖重数小于等于步骤(3)不产生同频波束交叠的最大平均覆盖重数，则步骤(4.1)的波束保持不变，如果此时步骤(1)的平均覆盖重数大于步骤(3)的不产生同频波束交叠的最大平均覆盖重数，则波束重构，将极轨星座中卫星当前对地覆盖波束调整为平均覆盖重数等于步骤(2)保证连续覆盖条件的最小平均覆盖重数对应的对地覆盖波束。
卫星运行过程中相控阵天线波束控制策略为：根据极轨星座卫星所在的纬度对覆盖区半锥角进行控制。
波束重构是指，将极轨星座中，平均覆盖重数处于最小平均覆盖重数与最大平均覆盖重数之间的卫星对地覆盖波束保持不变，平均覆盖重数不在此区间内的卫星对地覆盖波束需重构。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明适用于配备相控阵天线并采用频率复用技术的极轨星座高纬度地区的同频干扰规避。
(2)本发明利用相控阵天线的波束能够快速重构的方案，以平均覆盖重数为依据制定波束重构策略，从而实现近极轨道星座高纬度地区同频干扰的规避。
(3)本发明通过相控阵天线对地覆盖波束重构方案，能够完全避免高纬度地区星座卫星同色波束交叠产生的同频干扰问题；
(4)本发明通过相控阵天线对地覆盖波束重构方案，能够保证星座卫星对地波束对高纬度地区的连续覆盖；
(5)本发明极轨星座内不同卫星的波束重构策略完全相同，便于星座内不同卫星之间的功率平衡。
附图说明
图1为极轨星座对地覆盖示意图；
图2为极轨星座锥形点波束最小连续覆盖示意图；
图3为某极轨星座不同的覆盖区半锥角对应的平均覆盖重数随纬度变化图；
图4为极轨星座相控阵波束重构策略制定流程图；
图5为铱星星座采用本发明得到的半个轨道周期内的波束重构策略示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明一种利用相控阵波束重构规避极轨星座同频干扰的方法，根据极轨星座构型与卫星对地波束覆盖面积，计算不同纬度情况下的平均覆盖重数；根据极轨星座构型与卫星对地覆盖波束面积，确定保证连续覆盖条件的最小平均覆盖重数；根据极轨星座运行规律和卫星波束策略，计算卫星不产生同频波束交叠的最大平均覆盖重数；根据卫星运行过程中所处于的纬度范围，确定不同纬度范围卫星所采用的对地覆盖波束；根据已确定的不同纬度范围下的卫星所采用的对地覆盖波束，生成卫星运行过程中相控阵天线对地覆盖波束控制策略，极轨星座自动根据其卫星星下点纬度按照该相控阵天线对地覆盖波束控制策略进行相控阵天线的波束控制，能够在保证连续覆盖的条件下确保高纬度地区不会产生同频波束的交叠的情况，从而避免同频波束之间的同频干扰。
极轨星座作为能够满足全球连续覆盖的通信星座一直以来均是卫星通信领域的研究热点，随着卫星通信领域高通量时代的到来，极轨星座采用相控阵天线配合子波束频率复用以提高系统容量成为新的发展方向。极轨星座的特点决定了其卫星纬度越高则覆盖区重叠越大，需要进行对地覆盖波束控制以避免同频波束交叠从而出现同频干扰。传统的波束控制方法往往采用子波束开关的控制策略，即极轨星座卫星在纬度由低到高的运行过程中逐个关闭相应的子波束。这种传统的波束控制方法会造成两个问题，第一，由于子波束的每一次开关均需要由一次相控阵天线重构实现，因此极轨星座相控阵天线重构过于频繁影响使用寿命；第二，极轨星座中的不同卫星的子波束开关时长不同，造成极轨星座中各卫星能源消耗不均衡，增加极轨星座卫星能源平衡的设计难度。本发明以平均覆盖重数作为波束控制的主要依据，利用极轨星座卫星纬度与平均覆盖重数之间的一一对应关系以及平均覆盖重数与极轨星座连续覆盖条件、同频干扰条件之间的等价关系，建立了极轨星座相控阵天线波束重构策略。该策略相比于原有的极轨星座相控阵天线重构策略，其优点主要包括：第一，极轨星座相控阵天线重构次数显著降低；第二，极轨星座中全部卫星的相控阵天线波束重构策略完全相同，因此极轨星座中各卫星能源消耗均衡，降低了极轨星座卫星能源平衡的设计难度。
本发明首先根据极轨星座构型与卫星对地波束覆盖面积，计算不同纬度情况下的平均覆盖重数η，如式1所示，其中，Sn cov为极轨星座第n颗卫星在该纬度的覆盖面积，Slat为该纬度地区的总面积。
然后，根据极轨星座构型与卫星对地覆盖波束面积，确定保证连续覆盖条件的最小平均覆盖重数ηmin，如式2所示，其中，Snmin cov为满足连续覆盖条件的最小卫星覆盖面积，Slat为该纬度地区的总面积。
对于常规圆锥形子波束蜂窝拼接对地覆盖，其满足连续覆盖的地面覆盖示意图如图2所示。图2中，极轨星座卫星相控阵天线产生圆锥形子波束，并按照蜂窝规则进行覆盖区的拼接，可以按照式2计算得到连续覆盖情况所对应的最小重数ηmin为1.34。
然后，按照式(1)计算星座卫星采用不同波束策略对应不同覆盖区半锥角情况下，不同纬度地区的平均覆盖重数。为避免发生同频干扰，需要确定最大平均覆盖重数ηmax如式3所示，其中Snmax cov为不发生同频干扰情况下的极轨星座卫星最大覆盖面积，Slat为该纬度地区的总面积。
对于常规圆锥形子波束蜂窝拼接对地覆盖，其满足连续覆盖的地面覆盖示意图如图2所示。假设其全部子波束所使用的频率均不相同，则可以利用式3计算得到不发生同频干扰情况下的最大平均覆盖重数ηmax为3.13。
根据平均覆盖重数的确定极轨星座卫星的相控阵波束重构策略，其流程如图4所示。根据卫星运行过程中所处于的纬度范围，确定卫星所采用的对地覆盖波束半锥角大小从而确定波束方案。首先假设卫星对地覆盖波束为最大的覆盖区半锥角方案，然后计算平均覆盖重数。如果此时平均覆盖重数η小于等于不产生同频波束交叠的最大平均覆盖重数ηmax，则波束保持不变。如果此时平均覆盖重数η大于不产生同频波束交叠的最大平均覆盖重数ηmax，则波束重构，即极轨星座卫星覆盖区半锥角减少，将极轨星座卫星调整为平均覆盖重数η等于保证连续覆盖条件的最小平均覆盖重数ηmin的覆盖区半锥角方案。如果此时平均覆盖重数η小于保证连续覆盖最小平均覆盖重数ηmin，则波束重构，即极轨星座卫星覆盖区半锥角增加，将极轨星座卫星调整为平均覆盖重数η等于不产生同频波束交叠的最大平均覆盖重数ηmax。
本发明通过相控阵天线重构方案能够始终保持极轨星座卫星的平均覆盖重数η处于最小平均覆盖重数ηmin与最大平均覆盖重数ηmax之间，从而使得极轨星座既能够满足连续覆盖条件，同时也避免了同频率子波束交叠形成同频干扰。本发明的工作原理为：利用平均覆盖重数能够同时反映星座是否满足连续覆盖、是否发生同频干扰这一特点，将极轨星座波束控制策略问题等效为平均覆盖重数的控制问题。进而能够通过计算不同纬度范围内，极轨星座满足连续覆盖且不发生子波束同频干扰的平均覆盖重数范围，从而得到极轨星座的波束调整策略。
本发明充分利用极轨星座覆盖的均匀性，根据平均覆盖重数设计的相控阵天线对地覆盖波束控制策略对于极轨星座中的全部卫星均同样适用且规律相同。因此本发明极轨星座内不同卫星的相控阵天线对地覆盖波束控制策略完全相同，便于极轨星座内不同卫星之间的功率平衡设计。同时本发明利用极轨星座卫星平均覆盖重数将随着纬度的增加而单调增加，并满足一一映射这一条件，将极轨星座卫星纬度作为波束调整的依据，从而使得极轨星座能够自动执行本发明中的相控阵天线对地覆盖波束控制策略，而无需在卫星上计算平均覆盖重数。
如图1所示,为极轨星座对地覆盖示意图。其中，A代表极轨星座卫星， B代表极轨星座卫星波束，C代表极轨星座卫星轨道。极轨星座为保证连续覆盖，往往采用图1所示的相邻轨道面卫星相位相互交错的方式进行排布。极轨星座采用均匀分布的若干轨道面，并在每一轨道面上均匀分布若干颗卫星所形成的空间星座，极轨星座的特点决定了其高纬度地区卫星密度大，卫星地面覆盖区重叠严重。
如图2所示,为极轨星座锥形点波束最小连续覆盖示意图。其中，a代表第1轨道面，b代表第1轨道面1号卫星覆盖区域；c代表第1轨道面1号卫星星下点；d代表锥形子波束；e代表第1轨道面2号卫星覆盖区域；f 代表第1轨道面2号卫星星下点；g代表第2轨道面；h代表第2轨道面相邻卫星星下点。极轨星座锥形子波束在地面的投影为圆形，因此常采用蜂窝拼接的方式进行子波束排布设计。随着极轨星座运行过程中卫星纬度的升高，相邻的轨道面之间的距离逐渐减小，从而导致锥形子波束之间发生交叠，且交叠区域逐渐变大，表现为平均覆盖重数的逐渐增大。
如图3所示,为某极轨星座不同的覆盖区半锥角对应的平均覆盖重数随纬度变化图，其中θ代表覆盖区半锥角。从图3可以看到，对于给定的覆盖区半锥角的覆盖方案，其平均覆盖重数随纬度单调增加，满足一一对应关系。
如图4所示,为极轨星座相控阵波束重构策略制定流程图。优选的策略的制定流程为：
A.根据星座参数进行星座轨道仿真，得到当前时刻卫星星下点纬度信息，对应图4中的步骤1；
B.读取当前时刻卫星星下点纬度信息与当前时刻卫星对地波束策略，对应图4中的步骤2,3；
C.根据读取的对地波束策略，计算不发生同频波束交叠的最大平均覆盖重数ηmax与满足连续覆盖约束的最小平均覆盖重数ηmin，对应图4中的步骤5,6；
D.根据当前时刻卫星星下点位置计算当前卫星覆盖区内的覆盖重数η，对应图4中的步骤4；
E.判断覆盖重数η与ηmax之间的大小关系，如果η大于ηmax则进行波束重构，降低平均覆盖重数，对应图4中的步骤7,8；
F.判断覆盖重数η与ηmin之间的大小关系，如果η小于ηmin则进行波束重构，增加平均覆盖重数，对应图4中的步骤9,11；
G.确认当前覆盖重数η满足ηmax>η>ηmin后，记录卫星当前所用对地波束策略，对应图4中的步骤10；
H.判断当前时间是否等于仿真结束时间，如不等于，则更新时间参数(读取下一时刻时间)，如等于则完成波束的重构策略的分析流程，对应图4中的步骤12,13。
如图5所示,为典型的极轨星座，铱星星座采用本发明得到的半个轨道周期内的波束重构策略示意图。其中，①代表相控阵天线第1次波束重构；②代表相控阵天线第2次波束重构；③代表相控阵天线第3次波束重构；④代表相控阵天线第4次波束重构；⑤代表相控阵天线第5次波束重构；⑥代表相控阵天线第6次波束重构；⑦代表相控阵天线第7次波束重构；⑧代表相控阵天线第8次波束重构；⑨代表相控阵天线第9次波束重构；⑩代表相控阵天线第10次波束重构；⑪代表最大平均覆盖重数；⑫代表最小平均覆盖重数。从图5中可以看到，当卫星纬度上升时，其对应的平均覆盖重数单调上升，本发明所使用的相控阵天线对地覆盖波束控制策略通过波束重构有效的降低了极轨星座卫星的平均覆盖重数，避免了同频干扰的发生。另一方面，当卫星纬度下降时，其对应的平均覆盖重数单调下降，本发明所使用的相控阵天线对地覆盖波束控制策略通过波束重构有效的增加了极轨星座卫星的平均覆盖重数，确保极轨星座满足连续覆盖约束。
表1某极轨星座北半球波束重构列表
以优选方案铱星星座为例，利用本发明进行相控阵天线对地覆盖波束控制策略设计。铱星星座是大小的极轨星座，星座由6个轨道面每个轨道面上 11颗卫星均匀分布组成，整个铱星星座共计66颗卫星。铱星轨道高度为780km，覆盖半锥角为57.5°，单星覆盖区由48个点波束组成，采用图2 所示的极轨星座锥形点波束蜂窝规则进行覆盖区拼接。假设铱星星座48个点波束所用频率均不相同，则可以计算得到铱星星座满足连续覆盖条件的最小平均覆盖重数为ηmin＝1.34，不发生同频干扰的最大平均覆盖重数为ηmax＝3.13。如采用传统的波束控制策略，则半个轨道周期内铱星需要进行48 波束×2次/波束(波束调整频率)＝96次调整。采用本发明中的相控阵天线重构方案，可以得到半个轨道周期内需要进行10次波束调整，调整次数降低89.6％，具体的相控阵天线对地覆盖波束调整策略如表1所示，调整过程如图5所示。
本发明通过相控阵天线对地覆盖波束重构方案，能够完全避免高纬度地区星座卫星同色波束交叠产生的同频干扰问题；本发明通过相控阵天线对地覆盖波束重构方案，能够保证星座卫星对地波束对高纬度地区的连续覆盖；本发明极轨星座内不同卫星的波束重构策略完全相同，便于星座内不同卫星之间的功率平衡，适用于配备相控阵天线并采用频率复用技术的极轨星座高纬度地区的同频干扰规避。
本发明利用相控阵天线的波束能够快速重构的方案，以平均覆盖重数为依据制定波束重构策略，从而实现近极轨道星座高纬度地区同频干扰的规避。

Claims (10)

1.一种利用相控阵波束重构规避极轨星座同频干扰的方法，其特征在于步骤如下：
(1)根据极轨星座构型与卫星对地波束覆盖面积，计算不同纬度情况下的平均覆盖重数；
(2)根据极轨星座构型与卫星对地覆盖波束面积，确定保证连续覆盖条件的最小平均覆盖重数；
(3)根据极轨星座运行规律和卫星波束策略，计算极轨星座卫星不产生同频波束交叠的最大平均覆盖重数；
(4)根据卫星运行过程中所处于的纬度范围，确定不同纬度范围极轨星座卫星所采用的对地覆盖波束；
(5)根据步骤(4)不同纬度范围下的卫星所采用的对地覆盖波束，生成极轨星座卫星运行过程中相控阵天线对地覆盖波束控制策略，极轨星座卫星自动根据其卫星星下点纬度按照该相控阵天线对地覆盖波束控制策略进行相控阵天线的波束控制。
2.根据权利要求1所述的一种利用相控阵波束重构规避极轨星座同频干扰的方法，其特征在于：极轨星座构型为采用均匀分布的若干轨道面，并在每一轨道面上均匀分布若干颗卫星所形成的空间星座。
3.根据权利要求1所述的一种利用相控阵波束重构规避极轨星座同频干扰的方法，其特征在于：平均覆盖重数为极轨星座中每个卫星在该纬度地区的覆盖面积的累加和与该纬度地区的总面积之比。
4.根据权利要求1所述的一种利用相控阵波束重构规避极轨星座同频干扰的方法，其特征在于：保证连续覆盖条件为保证极轨星座能够实现全球连续覆盖。
5.根据权利要求1所述的一种利用相控阵波束重构规避极轨星座同频干扰的方法，其特征在于：极轨星座运行规律为，当极轨星座中的卫星所使用的波束策略不变的情况下，平均覆盖重数将随着纬度的增加而单调增加，并满足一一映射关系。
6.根据权利要求1所述的一种利用相控阵波束重构规避极轨星座同频干扰的方法，其特征在于：极轨星座卫星波束策略随卫星所在纬度变化。
7.根据权利要求1所述的一种利用相控阵波束重构规避极轨星座同频干扰的方法，其特征在于：不同纬度范围卫星所采用的对地覆盖波束是通过求解重构后卫星对地波束的覆盖区半锥角确定。
8.根据权利要求1所述的一种利用相控阵波束重构规避极轨星座同频干扰的方法，其特征在于：步骤(4)根据卫星运行过程中所处于的纬度范围，确定不同纬度范围卫星所采用的对地覆盖波束，具体如下：
(4.1)设定极轨星座卫星的初始波束方案为覆盖区半锥角设定为满足极轨星座连续覆盖的最小覆盖区半锥角；
(4.2)将步骤(1)的平均覆盖重数与步骤(3)不产生同频波束交叠的最大平均覆盖重数相比较；
(4.3)如果此时步骤(1)的平均覆盖重数小于等于步骤(3)不产生同频波束交叠的最大平均覆盖重数，则步骤(4.1)的波束保持不变，如果此时步骤(1)的平均覆盖重数大于步骤(3)的不产生同频波束交叠的最大平均覆盖重数，则波束重构，将极轨星座中卫星当前对地覆盖波束调整为平均覆盖重数等于步骤(2)保证连续覆盖条件的最小平均覆盖重数对应的对地覆盖波束。
9.根据权利要求1所述的一种利用相控阵波束重构规避极轨星座同频干扰的方法，其特征在于：卫星运行过程中相控阵天线波束控制策略为：根据极轨星座卫星所在的纬度对覆盖区半锥角进行控制。
10.根据权利要求1所述的一种利用相控阵波束重构规避极轨星座同频干扰的方法，其特征在于：波束重构是指，将极轨星座中，平均覆盖重数处于最小平均覆盖重数与最大平均覆盖重数之间的卫星对地覆盖波束保持不变，平均覆盖重数不在此区间内的卫星对地覆盖波束需重构。
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