CN110198184B - 一种低轨星座系统间频谱共存星座设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种低轨星座系统间频谱共存星座设计方法,包括以下步骤:获取第一卫星星座的轨道面数、第一个轨道面和第二个轨道面的初始升交点赤经、升交点赤经散布和升交点赤经漂移率,以及第二卫星星座的轨道高度和轨道偏心率;根据第一卫星星座的轨道面数确定第二卫星星座的轨道面数;根据第一卫星星座的第一个轨道面和第二个轨道面的初始升交点赤经,升交点赤经散布,以及第二卫星星座的轨道面数获取第二卫星星座的各轨道面的初始升交点赤经;根据第一卫星星座的升交点赤经漂移率、第二卫星星座的轨道高度和轨道偏心率获取第二卫星星座的轨道倾角。根据本申请的技术方案获得的第二卫星星座,易于采用空间隔离方法实现与第一卫星星座频谱共存。
Description
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域。更具体地,涉及一种低轨星座系统间频谱共存星座设计方法。
背景技术
近年来,多个国家正在加速申报和研制低轨宽带通信星座系统。低轨宽带通信星座通常采用Walker星座,Walker星座由具有相同轨道半长轴和轨道倾角的多颗卫星组成,分为若干沿赤道均匀分布的轨道面,每个轨道面内的卫星数目相同,不同轨道面内的卫星之间的相对相位保持特定的关系。
空间隔离方法是一种比较成熟的频谱共存技术,当前的低轨宽带通信星座系统都计划采用该方法实现与对地球静止地球轨道卫星(Geostationary Earth OrbitSatellite,简称GSO)系统频谱共存。选星策略、关闭波束策略和渐进俯仰策略(Progressive pitch)是空间隔离方法的三种具体实现方案,1)选星策略:为了减小对GSO卫星系统的频率干扰,低轨系统的地球站与高度角最大的低轨卫星,通常可以采用其它跟踪策略,例如选择相对于GSO卫星夹角最大的可用低轨卫星;2)、关闭波束策略:当低轨卫星进入GSO卫星的一定角度区域时,关闭低轨卫星的部分波束;3)渐进俯仰策略:当低轨卫星经过赤道附近区域时,关闭低轨卫星的波束,同时将低轨卫星前后的卫星进行俯仰机动,从而,前后卫星的波束能够填补波束关闭卫星的星下点区域。
静止轨道卫星系统的卫星相对于地面的方位接近固定,所以,静止轨道卫星系统的卫星与其地球站连通关系固定,并且,连通过程中静止轨道卫星系统的地球站天线指向基本不变,从而易于采用空间隔离方法实现低轨卫星系统与GSO卫星系统频谱共存。通过施加以上空间隔离方法,使从任意地球站观测到的,波束覆盖该地球站附近区域的低轨卫星与GSO卫星的夹角较大,从而,在GSO卫星与低轨卫星系统的地球站同址的情况下,仍可以实现两个卫星系统频率兼容。
而低轨卫星相对于地球表面快速运动,低轨星座系统的地球站必须频繁切换卫星才能实现长期持续通信,低轨星座系统的地球站与卫星的连通关系是随时间变化的,并且,连通过程中低轨星座系统的地球站天线指向也随其连通卫星的运动而快速变化,所以,对于两个没有特定空间关系的低轨卫星星座系统,当采用空间隔离策略实现两个低轨卫星星座系统频率兼容时,空间隔离策略势必是比较复杂的。
因此,需要提供一种低轨星座系统间频谱共存星座设计方法,根据给定星座的轨道参数,设计其他星座的轨道参数,使获得的星座能够尽可能的实现与给定低轨星座的相邻轨道面的最小夹角最大,并且相邻轨道面间的夹角随着时间基本不变,获得天然的隔离角,从而,易于采用空间隔离方法实现两个低轨星座系统间频谱共存。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低轨星座系统间频谱共存星座设计方法,以使获得的星座能够尽可能的实现与给定低轨星座的相邻轨道面的最小夹角最大,并且相邻轨道面间的夹角随着时间基本不变,获得天然的隔离角。
为达到上述目的,本发明采用下述技术方案:
本发明提供了一种低轨星座系统间频谱共存星座设计方法,包括以下步骤:获取第一卫星星座的轨道面数、第一个轨道面和第二个轨道面的初始升交点赤经、升交点赤经散布和升交点赤经漂移率,以及第二卫星星座的轨道高度和轨道偏心率;根据所述第一卫星星座的轨道面数确定所述第二卫星星座的轨道面数;根据所述第一卫星星座的第一个轨道面和第二个轨道面的初始升交点赤经,升交点赤经散布,以及所述第二卫星星座的轨道面数获取所述第二卫星星座的各轨道面的初始升交点赤经;根据所述第一卫星星座的升交点赤经漂移率、所述第二卫星星座的轨道高度和轨道偏心率获取所述第二卫星星座的轨道倾角。
可选的,根据所述第一卫星星座的第一个轨道面和第二个轨道面的初始升交点赤经,升交点赤经散布,以及所述第二卫星星座的轨道面数获取所述第二卫星星座的第一个轨道面的初始升交点赤经进一步包括:根据所述第一卫星星座的第一个轨道面和第二个轨道面的初始升交点赤经确定所述第二卫星星座的第一个轨道面的初始升交点赤经;设置所述第二卫星星座的升交点赤经散布与所述第一卫星星座的升交点赤经散布相同;根据所述第二卫星星座的第一个轨道面的初始升交点赤经、升交点赤经散布和轨道面数获取所述第二卫星星座的各轨道面的初始升交点赤经。
可选的,所述根据所述第一卫星星座的第一个轨道面和第二个轨道面的初始升交点赤经确定所述第二卫星星座的第一个轨道面的初始升交点赤经进一步包括:根据下述公式计算所述第二卫星星座的第一个轨道面的初始升交点赤经:
Ω21=0.5×(Ω11+Ω12)
其中,Ω11表示所述第一卫星星座的第一个轨道面的初始升交点赤经,Ω12表示所述第一卫星星座的第二个轨道面的初始升交点赤经,Ω21表示所述第二卫星星座的第一个轨道面的初始升交点赤经。
可选的,所述根据所述第二卫星星座的第一个轨道面的初始升交点赤经、升交点赤经散布和轨道面数获取所述第二卫星星座的各轨道面的初始升交点赤经进一步包括:根据下述公式计算所述第二卫星星座的各轨道面的初始升交点赤经:
Ω2k=Ω21+(k-1)ΔΩ2/n2
其中,Ω21表示所述第二卫星星座的第一个轨道面的初始升交点赤经,k表示所述第二卫星星座的第k轨道面,ΔΩ2表示所述第二卫星星座的升交点赤经散布,n2表示所述第二卫星星座的轨道面数,Ω2k表示所述第二卫星星座的第k轨道面的初始升交点赤经。
可选的,所述根据所述第一卫星星座的升交点赤经漂移率、所述第二卫星星座的轨道高度和轨道偏心率获取所述第二卫星星座的轨道倾角包括:设置所述第二卫星星座的升交点赤经漂移率与所述第一卫星星座的升交点赤经漂移率相同;根据所述第二卫星星座的升交点赤经漂移率、轨道高度和轨道偏心率获取所述第二卫星星座的轨道倾角。
可选的,所述获取第一卫星星座的升交点赤经漂移率进一步包括:根据下述公式计算所述第一卫星星座的升交点赤经漂移率:
其中,a′表示所述第一卫星星座的轨道半长轴,e′表示所述第一卫星星座的轨道偏心率,i′表示所述第一卫星星座的轨道倾角,表示所述第一卫星星座的升交点赤经漂移率,Re表示地球的平均赤道半径,Re=6378.140km,μ表示地球的引力常数,μ=3.986×1014m3/s2,J2表示地球非球形二阶带谐项系数,J2=1082.62668355×10-6。
可选的,所述根据所述第二卫星星座的升交点赤经漂移率、轨道高度和轨道偏心率获取所述第二卫星星座的轨道倾角进一步包括:根据下述公式计算所述第二卫星星座的轨道倾角:
其中,a表示所述第二卫星星座的轨道半长轴,e表示所述第二卫星星座的轨道偏心率,表示所述第二卫星星座的升交点赤经漂移率,i表示所述第二卫星星座的轨道倾角,Re表示地球的平均赤道半径,Re=6378.140km,μ表示地球的引力常数,μ=3.986×1014m3/s2,J2表示地球非球形二阶带谐项系数,J2=1082.62668355×10-6。
可选的,所述第二卫星星座的轨道半长轴a为7528.137km。
可选的,还包括以下步骤:根据相关约束条件确定所述第二卫星星座的轨道高度;其中,所述相关约束条件包括卫星载荷的覆盖范围和与所述第一卫星星座的安全防撞约束。
本发明的有益效果如下:
根据本申请的低轨星座系统间频谱共存星座设计方法获得的低轨星座的星座参数,能够尽可能的实现与给定低轨星座的相邻轨道面的最小夹角最大,并且相邻轨道面间的夹角随着时间基本不变,获得了天然的隔离角,易于采用空间隔离方法实现两个低轨星座系统间频谱共存。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明;
图1示出根据本发明一个实施例的低轨星座系统间频谱共存星座设计方法的流程图;
图2示出根据本发明一个具体实施例的天线30cm的接收增益的示意图;
图3示出根据本发明一个具体实施例的两个星座系统相对于地球站的夹角小于相应值的时间的百分比的示意图;
图4示出根据本发明一个具体实施例的地球站接收机接收到的信号与干扰之比小于相应幅值的时间的百分比的示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明,下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解,下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的,不应以此限制本发明的保护范围。
本发明的一个实施例提供了一种低轨星座系统间频谱共存星座设计方法,包括以下步骤:获取第一卫星星座的轨道面数、第一个轨道面和第二个轨道面的初始升交点赤经、升交点赤经散布和升交点赤经漂移率,以及第二卫星星座的轨道高度和轨道偏心率;根据第一卫星星座的轨道面数确定第二卫星星座的轨道面数;根据第一卫星星座的第一个轨道面和第二个轨道面的初始升交点赤经,升交点赤经散布,以及第二卫星星座的轨道面数获取第二卫星星座的各轨道面的初始升交点赤经;根据第一卫星星座的升交点赤经漂移率、第二卫星星座的轨道高度和轨道偏心率获取第二卫星星座的轨道倾角。
如图1所示,本发明一个实施例的低轨星座系统间频谱共存星座设计方法,包括以下步骤:
S101:获取第一卫星星座的轨道面数、第一个轨道面和第二个轨道面的初始升交点赤经、升交点赤经散布和升交点赤经漂移率,以及第二卫星星座的轨道高度和轨道偏心率;
S102:根据第一卫星星座的轨道面数确定第二卫星星座的轨道面数;
S103:根据第一卫星星座的第一个轨道面和第二个轨道面的初始升交点赤经,升交点赤经散布,以及第二卫星星座的轨道面数获取第二卫星星座的各轨道面的初始升交点赤经;
S104:根据第一卫星星座的升交点赤经漂移率、第二卫星星座的轨道高度和轨道偏心率获取第二卫星星座的轨道倾角。
本申请的技术方案适用于在第一卫星星座的轨道参数给定的情况下设置第二卫星星座的轨道参数,从而使第一卫星星座和第二卫星星座的相邻轨道面的最小夹角最大,并且轨道面间的夹角随着时间基本不变,其中第一卫星星座和第二卫星星座都是圆轨道星座,即偏心率都为0。
根据第一卫星星座的轨道面数确定第二卫星星座的轨道面数,作为一种可选的实施方式,根据相关约束条件可以设置第二卫星星座的轨道面数与第一卫星星座的轨道面数相同,也可以设置第二卫星星座的轨道面数为第一卫星星座的轨道面数的其中N为正整数,相关约束条件例如可以包括卫星载荷的覆盖范围以及卫星系统对地覆盖的要求等。
根据第一卫星星座的第一个轨道面和第二个轨道面的初始升交点赤经,升交点赤经散布,以及第二卫星星座的轨道面数获取第二卫星星座的各轨道面的初始升交点赤经。
其中,可以根据第一卫星星座的第一个轨道面和第二个轨道面的初始升交点赤经确定第二卫星星座的第一个轨道面的初始升交点赤经,可选的,可以根据下述公式计算第二卫星星座的第一个轨道面的初始升交点赤经:
Ω21=0.5×(Ω11+Ω12)
其中,Ω11表示第一卫星星座的第一个轨道面的初始升交点赤经,Ω12表示第一卫星星座的第二个轨道面的初始升交点赤经,Ω21表示第二卫星星座的第一个轨道面的初始升交点赤经。
可选的,可以设置第二卫星星座的升交点赤经散布与第一卫星星座的升交点赤经散布相同。
作为一种可选的实施方式,可以根据第二卫星星座的第一个轨道面的初始升交点赤经、升交点赤经散布和轨道面数获取第二卫星星座的各轨道面的初始升交点赤经,可选的,可以根据下述公式计算第二卫星星座的各轨道面的初始升交点赤经:
Ω2k=Ω21+(k-1)ΔΩ2/n2
其中,Ω21表示第二卫星星座的第一个轨道面的初始升交点赤经,k表示第二卫星星座的第k轨道面,ΔΩ2表示第二卫星星座的升交点赤经散布,n2表示第二卫星星座的轨道面数,Ω2k表示第二卫星星座的第k轨道面的初始升交点赤经。
根据第一卫星星座的升交点赤经漂移率、第二卫星星座的轨道高度和轨道偏心率获取第二卫星星座的轨道倾角。
可选的,可以设置第二卫星星座的升交点赤经漂移率与第一卫星星座的升交点赤经漂移率相同。
作为一种可选的实施方式,可以根据第二卫星星座的升交点赤经漂移率、轨道高度和轨道偏心率获取第二卫星星座的轨道倾角,可选的,获取第一卫星星座的升交点赤经漂移率进一步包括:可以根据下述公式计算第一卫星星座的升交点赤经漂移率:
其中,a′表示第一卫星星座的轨道半长轴,e′表示第一卫星星座的轨道偏心率,i′表示第一卫星星座的轨道倾角,表示第一卫星星座的升交点赤经漂移率,Re表示地球的平均赤道半径,Re=6378.140km,μ表示地球的引力常数,μ=3.986×1014m3/s2,J2表示地球非球形二阶带谐项系数,J2=1082.62668355×10-6。
作为一种可选的实施方式,根据第二卫星星座的升交点赤经漂移率、轨道高度和轨道偏心率获取第二卫星星座的轨道倾角可以根据下述公式计算第二卫星星座的轨道倾角:
其中,a表示第二卫星星座的轨道半长轴,e表示第二卫星星座的轨道偏心率,表示第二卫星星座的升交点赤经漂移率,i表示第二卫星星座的轨道倾角,Re表示地球的平均赤道半径,Re=6378.140km,μ表示地球的引力常数,μ=3.986×1014m3/s2,J2表示地球非球形二阶带谐项系数,J2=1082.62668355×10-6。
作为一种可选的实施方式,可以根据第二卫星星座的相关约束条件确定第二卫星星座的轨道高度,相关约束条件例如可以包括卫星载荷的覆盖范围、卫星系统对地覆盖的要求以及与第一卫星星座的安全防撞约束等,从而确定第二卫星星座的轨道半长轴,例如第一卫星星座的轨道高度为1200km,轨道半长轴为7578.137km,当考虑与第一卫星星座的安全防撞约束时,可以是设置第二卫星星座的轨道高度为1150km,从而第二卫星星座的轨道半长轴为7528.137km。
作为本申请的一个具体实施例,第一卫星星座的轨道参数如下:卫星总数720,轨道面数18,面内卫星数40,相位因子9,轨道高度1200km,轨道半长轴7578.137km,偏心率为0,轨道倾角87.5°,升交点赤经散布183°,第一个轨道面的初始升交点赤经0°。
在本具体实施例中,将第一卫星星座的轨道面数与第二卫星星座的轨道面数取为1∶1,从而第二卫星星座的轨道面数为18。
设置第二卫星星座的升交点赤经散布与第一卫星星座的升交点赤经散布相同,即183°。
根据第一卫星星座的第一个轨道面的初始升交点赤经和第二个轨道面的初始升交点赤经计算第二卫星星座的第一个轨道面的初始升交点赤经:
Ω21=0.5×(Ω11+Ω12)=5.0833°,其中,Ω11=0°,Ω12=183°/18+0°=10.1667°。
从而可以计算第二卫星星座的第k轨道面的初始升交点赤经:
Ω2k=Ω21+(k-1)ΔΩ2/n2=5.0833°+(k-1).1667°,其中,Ω21=5.0833°,ΔΩ2=183°,n2=18。
计算第一卫星星座的升交点赤经漂移率,
考虑第二卫星星座与第一卫星星座的安全防撞约束,可以将第二卫星星座的轨道高度取为1150km,从而第二卫星星座的轨道半长轴为a=7528.137km,第二卫星星座的轨道偏心率e=0,Re=6378.140km,μ=3.986×1014m3/s2,J2=1082.62668355×10-6从而可以计算第二卫星星座的轨道倾角,
根据上述技术方案获得了第一卫星星座和第二卫星星座的轨道参数,根据对第一卫星星座和第二卫星星座的空间隔离效果进行仿真分析,对第一卫星星座,在纬度0°到80°,每隔10°设置一个地球站,共计设置9个地球站;对第二卫星星座,在以上9个地点分别设置9个地球站。每个地球站的接收天线采用Appendix 8辐射方向图,天线30cm的接收增益如图2所示,图中的参考频率为20GHz,由图2可知最大增益为34dBi。
每个星座系统的地球站与卫星连通序列的确定原则为:地球站选取当前时刻相对于该地球站仰角最大(距离最近)的卫星作为连通的卫星。
图3所示为两个星座系统相对于地球站的夹角小于相应值的时间的百分比的示意图,从地球站观测到的两个星座的连通卫星的夹角小于10°的时间百分比总结如表1所示。
表1
纬度 | 时间百分比,% |
0° | 0.00 |
10° | 0.02 |
20° | 0.36 |
30° | 0.48 |
40° | 0.46 |
50° | 0.18 |
60° | 0.00 |
70° | 3.60 |
80° | 39.16 |
从表1中可以看出,地球站纬度在0°到60°以内时,从地球站观测到的,两个星座的连通卫星的夹角小于10°的时间百分比均在1%以内;地球站纬度在70°到80°以内时,从地球站观测到的,两个星座的连通卫星的夹角小于10°的时间百分比大于3.6%。
假设两个星座的落地信号功率强度相同,图4所示为地球站接收机接收到的信号与干扰之比小于相应幅值的时间百分比的示意图,对于本实施例采取的天线辐射方向图,发射角为10°时,发射增益为14dBi(比最大增益小20dBi),所以表1的时间百分比也是地球站接收机接收到的信号与干扰之比小于20dBi的时间百分比。从而表明,地球站纬度在0°到60°以内时,地球站接收机接收到的信号与干扰之比小于20dBi的时间百分比均在1%以内。
因此,根据本申请的低轨星座系统间频谱共存星座设计方法获得的低轨星座,能够尽可能的实现与给定低轨星座的相邻轨道面的最小夹角最大,并且轨道面间的夹角随着时间基本不变,获得了天然的隔离角,易于采用空间隔离方法实现两个低轨星座系统间频谱共存。
需要说明的是,本申请实施例中的步骤可以同时执行,也可以先后执行,此处不做限定。
还需要说明的是,在本发明的描述中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定,对于本领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动,这里无法对所有的实施方式予以穷举,凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种低轨星座系统间频谱共存星座设计方法,其特征在于,包括以下步骤:
获取第一卫星星座的轨道面数、第一个轨道面和第二个轨道面的初始升交点赤经、升交点赤经散布和升交点赤经漂移率,以及第二卫星星座的轨道高度和轨道偏心率;
根据所述第一卫星星座的轨道面数确定所述第二卫星星座的轨道面数;
根据所述第一卫星星座的第一个轨道面和第二个轨道面的初始升交点赤经,升交点赤经散布,以及所述第二卫星星座的轨道面数获取所述第二卫星星座的各轨道面的初始升交点赤经;
根据所述第一卫星星座的升交点赤经漂移率、所述第二卫星星座的轨道高度和轨道偏心率获取所述第二卫星星座的轨道倾角;
使第一卫星星座和第二卫星星座的相邻轨道面的最小夹角最大,并且轨道面间的夹角随着时间基本不变。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述根据所述第一卫星星座的第一个轨道面和第二个轨道面的初始升交点赤经,升交点赤经散布,以及所述第二卫星星座的轨道面数获取所述第二卫星星座的各轨道面的初始升交点赤经进一步包括:
根据所述第一卫星星座的第一个轨道面和第二个轨道面的初始升交点赤经确定所述第二卫星星座的第一个轨道面的初始升交点赤经;
设置所述第二卫星星座的升交点赤经散布与所述第一卫星星座的升交点赤经散布相同;
根据所述第二卫星星座的第一个轨道面的初始升交点赤经、升交点赤经散布和轨道面数获取所述第二卫星星座的各轨道面的初始升交点赤经。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述根据所述第一卫星星座的第一个轨道面和第二个轨道面的初始升交点赤经确定所述第二卫星星座的第一个轨道面的初始升交点赤经进一步包括:
根据下述公式计算所述第二卫星星座的第一个轨道面的初始升交点赤经:
Ω21=0.5×(Ω11+Ω12)
其中,Ω11表示所述第一卫星星座的第一个轨道面的初始升交点赤经,Ω12表示所述第一卫星星座的第二个轨道面的初始升交点赤经,Ω21表示所述第二卫星星座的第一个轨道面的初始升交点赤经。
5.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述根据所述第二卫星星座的第一个轨道面的初始升交点赤经、升交点赤经散布和轨道面数获取所述第二卫星星座的各轨道面的初始升交点赤经进一步包括:
根据下述公式计算所述第二卫星星座的各轨道面的初始升交点赤经:
Ω2k=Ω21+(k-1)ΔΩ2/n2
其中,Ω21表示所述第二卫星星座的第一个轨道面的初始升交点赤经,k表示所述第二卫星星座的第k轨道面,ΔΩ2表示所述第二卫星星座的升交点赤经散布,n2表示所述第二卫星星座的轨道面数,Ω2k表示所述第二卫星星座的第k轨道面的初始升交点赤经。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述根据所述第一卫星星座的升交点赤经漂移率、所述第二卫星星座的轨道高度和轨道偏心率获取所述第二卫星星座的轨道倾角包括:
设置所述第二卫星星座的升交点赤经漂移率与所述第一卫星星座的升交点赤经漂移率相同;
根据所述第二卫星星座的升交点赤经漂移率、轨道高度和轨道偏心率获取所述第二卫星星座的轨道倾角。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,
所述第二卫星星座的轨道半长轴a为7528.137km。
10.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,还包括以下步骤:
根据相关约束条件确定所述第二卫星星座的轨道高度;
其中,所述相关约束条件包括卫星载荷的覆盖范围和与所述第一卫星星座的安全防撞约束。
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