CN110958047A - 一种基于多重覆盖的低轨星座geo频率干扰规避方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于多重覆盖的低轨星座GEO频率干扰规避方法，针对当前低轨通信星座GEO干扰规避方法使得低轨卫星姿态周期性偏置，不利于低轨卫星其他载荷工作，不利于低轨卫星姿态控制工程实现的问题，通过低轨星座中不同低轨卫星波束的开启与关闭，实现GEO频率干扰规避，并保证低轨星座业务连续。同时在低轨卫星工作全过程中卫星姿态能够始终保持对地正常三轴稳定姿态，利于低轨卫星其他载荷的工作，也利于卫星姿态控制系统的工程实现。

Description

一种基于多重覆盖的低轨星座GEO频率干扰规避方法
技术领域
本发明涉及一种基于多重覆盖的低轨星座GEO频率干扰规避方法，属于低轨卫星频率干扰规避领域。
背景技术
随着卫星技术的发展，人类对于全球范围内的高速网络接入服务的需求不断增长，促使利用大量低轨卫星组合形成通信星座的低轨宽带通信星座得到快速发展。通信卫星接收地球表面发送的无线电信号，同时发射无线电信号到地球表面以实现与地面之间的通信。然而，随着卫星通信技术的不断发展与卫星通信需求的大幅增加，通信卫星可用频率资源越发拥挤。如何更高效的利用有限的卫星频率资源成为了卫星通信领域的研究重点。当前在ITU的无线电规则中，低轨卫星在频率协调优先级中处于低的优先级，因此需要制定对GEO卫星的频率干扰规避方法，从而确保与GEO卫星通信系统同频共存并不产生频率干扰。
当前，Oneweb公司提出了一种基于卫星俯仰姿态偏置的GEO频率干扰规避策略(专利申请号：PCT/IB2015/002383)，该方法通过低轨星座卫星的姿态连续偏置，能够实现低轨通信星座与GEO卫星之间的频率干扰规避。但是，基于卫星俯仰姿态偏置的干扰规避方法需要卫星周期性的进行姿态偏置，不利于低轨卫星其他载荷的工作，同时也不利于卫星姿态控制系统的工程实现。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，当前低轨通信星座GEO干扰规避方法使得低轨卫星姿态周期性偏置，不利于低轨卫星其他载荷工作，不利于低轨卫星姿态控制工程实现的问题，提出一种基于多重覆盖的低轨星座GEO频率干扰规避方法。
本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
一种基于多重覆盖的低轨星座GEO频率干扰规避方法，步骤如下：
(1)确定待与卫星通信的地面站位置，并根据该地面站位置选择通信链路最短的GEO卫星；
(2)于同地面站可见范围内进行通信的低轨卫星中，选取一颗低轨卫星，获取该低轨卫星的波束指向，同时计算波束星上隔离角βi，其中，所述波束星上隔离角为低轨卫星与地面站连线、GEO卫星与地面站连线夹角；
(3)预设波束星上隔离角门限值，判断波束星上隔离角是否满足门限值要求，若不小于门限值，则该低轨卫星与地面站通信链路、GEO卫星与地面站通信链路之间干扰处于合理范围内，低轨卫星波束保持通信状态不变；若小于门限值，则该低轨卫星与地面站通信链路、GEO卫星与地面站通信链路之间干扰过大，确定该低轨卫星与地面站通信波束并关闭该波束，进入步骤(4)；
(4)根据隔离角约束条件，于同地面站可见范围内的低轨卫星中选取另一颗低轨卫星作为低轨卫星，同时于低轨卫星上打开与步骤(3)中确定的通信波束对应覆盖范围的低轨卫星波束，并利用该波束与地面站进行通信；
(5)对步骤(4)选取的低轨卫星对应的波束星上隔离角进行实时计算，并返回步骤(3)再次进行判断。
还包括步骤(6)，记录所有低轨卫星波束的于一个轨道周期内的通信状态，并在之后的轨道周期内重复该波束通信状态进行通信。
所述步骤(2)中，波束星上隔离角的计算方法具体为：
Figure BDA0002231743640000021
式中，RE为地球半径，HGEO为GEO轨道高度，HL为低轨通信星座的轨道高度，lat为低轨卫星纬度，θi为第i个波束宽度，
Figure BDA0002231743640000022
为第i个波束指向角。
所述步骤(3)中，预设波束星上隔离角门限值时，波束星上隔离角门限值的具体确定方法为：
根据低轨卫星天线增益方向图，增益为天线最高增益减去低轨卫星通信载噪比要求值后得到增益所对应的角度，计算方法具体为：
G(α0)＝Gmax-C/I
式中，G为天线增益，Gmax为天线最大增益，C/I为卫星通信载噪比要求值，G(α0)为波束星上隔离角门限值对应的天线增益。
所述步骤(4)中，隔离角约束条件具体为：当与地面站通信的低轨卫星受到干扰时，选取该地面站可见范围内，星座地面隔离角最大的低轨卫星作为低轨卫星，并通过该卫星与地面站通信；其中，星座地面隔离角为受到干扰的低轨卫星与地面站连线、低轨卫星与地面站连线的夹角。
所述步骤(2)中，选取地面站可见范围内进行通信的低轨卫星的具体要求为：所选取的低轨卫星必须满足通信仰角最高。
所述步骤(4)中，所述低轨卫星打开的波束覆盖范围应覆盖原低轨卫星的关闭的波束覆盖范围，且不开启与原低轨卫星的关闭的波束覆盖范围相离的波束，低轨卫星波束数量不限。
所有低轨卫星工作全过程中卫星姿态均能够始终保持对地正常三轴稳定姿态。
所有低轨星座均满足多重覆盖要求，多重覆盖要求的具体要求为：地面站在其规定的工作仰角范围内可见大于一颗低轨卫星。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提供的一种基于多重覆盖的低轨星座GEO频率干扰规避方法，针对现有技术难以规避低轨卫星GEO通信的干扰的问题，产生干扰时通过有条件的调换低轨卫星，并通过低轨星座中不同低轨卫星波束的开启与关闭，实现GEO频率干扰规避，能够保证低轨星座的业务覆盖范围，同时利于卫星姿态控制系统的工程实现；
(2)本发明提供的基于多重覆盖的低轨星座GEO频率干扰规避方法能够针对低轨星座卫星生成周期性的波束开关策略，能够保证不同低轨卫星的同一波束开关策略完全相同，低轨卫星在运行过程中能够根据自身纬度幅角查询得到星上全部波束当前时刻的开关状态，有利于低轨星座卫星自主波束管理的实现。
附图说明
图1为发明提供的低轨卫星运行示意图；
图2为发明提供的GEO频率干扰场景示意图；
图3为发明提供的低轨星座多重覆盖示意图；
图4为发明提供的低轨星座波束开关切换实现覆盖连续示意图；
图5为发明提供的低轨星座卫星波束覆盖示意图；
图6为发明提供的星上隔离角示意图；
图7为发明提供的假定低轨星座的波束开关控制过程图；
具体实施方式
一种基于多重覆盖的低轨星座GEO频率干扰规避方法，如图1所示为正常工作状态下的低轨卫星运行示意图，图1中，1为低轨卫星轨道；2为地球；3为低轨卫星；4为低轨卫星运行方向；5为低轨卫星降交点；6为低轨卫星升交点。在低轨卫星与GEO卫星运行到贴近的相对位置时，会产生如图2所示的GEO频率干扰，其原因在于星上隔离角过低，使得地面站与GEO卫星之间的通信受到干扰。图2中，1为地面站；2为星上隔离角βi；3为低轨卫星；4为低轨卫星干扰信号；5为GEO卫星载波信号；6为GEO卫星；7为地面隔离角βe；8为赤道面。
此时可通过如图3所示的低轨星座中不同低轨卫星波束的开启与关闭，实现GEO频率干扰规避，并保证低轨星座业务连续。图3中，1为第1颗可见低轨卫星；2为第2颗可见低轨卫星；3为第n-1颗可见低轨卫星；4为第n颗可见低轨卫星；5为地面站可视区域；6为地面站最低工作仰角；7为地面站。
具体步骤如下：
(1)确定待与卫星通信的地面站位置，并根据该地面站位置选择通信链路最短的GEO卫星；
(2)于同地面站可见范围内进行通信的低轨卫星中，选取一颗低轨卫星，获取该低轨卫星的波束指向，同时计算波束星上隔离角βi，其中，所述波束星上隔离角为低轨卫星与地面站连线、GEO卫星与地面站连线夹角，其中：
波束星上隔离角的计算方法具体为：
Figure BDA0002231743640000051
式中，RE为地球半径，HGEO为GEO轨道高度，HL为低轨通信星座的轨道高度，lat为低轨卫星纬度，θi为第i个波束宽度，
Figure BDA0002231743640000052
为第i个波束指向角；
同时，选取地面站可见范围内进行通信的低轨卫星的具体要求为：所选取的低轨卫星必须满足通信仰角最高；
(3)预设波束星上隔离角门限值，判断步骤(2)所得波束星上隔离角是否满足门限值要求，若不小于门限值，则该低轨卫星与地面站通信链路、GEO卫星与地面站通信链路之间干扰处于合理范围内，低轨卫星波束保持通信状态不变；若小于门限值，则该低轨卫星与地面站通信链路、GEO卫星与地面站通信链路之间干扰过大，确定该低轨卫星与地面站通信波束并关闭该波束，进入步骤(4)，其中：
预设波束星上隔离角门限值时，波束星上隔离角门限值的具体确定方法为：
根据低轨卫星天线增益方向图，增益为天线最高增益减去低轨卫星通信载噪比要求值后得到增益所对应的角度。计算方法具体为：
G(α0)＝Gmax-C/I
式中，G为天线增益，Gmax为天线最大增益，C/I为卫星通信载噪比要求值，G(α0)为波束星上隔离角门限值对应的天线增益；
(4)根据隔离角约束条件，于同地面站可见范围内的低轨卫星中选取另一颗低轨卫星，同时于低轨卫星上打开与步骤(3)中确定的通信波束对应覆盖范围相同的低轨卫星波束，并利用该波束与地面站进行通信，其中：
隔离角约束条件具体为：当与地面站通信的低轨卫星受到干扰时，选取该地面站可见范围内，星座地面隔离角最大的低轨卫星作为低轨卫星，并通过该卫星与地面站通信；其中，星座地面隔离角为受到干扰的低轨卫星与地面站连线、低轨卫星与地面站连线的夹角；
同时，低轨卫星打开的波束覆盖范围应覆盖原低轨卫星的关闭的波束覆盖范围，且不开启与原低轨卫星的关闭的波束覆盖范围相离的波束，低轨卫星开启波束数量不限；
(5)对步骤(4)选取的低轨卫星对应的波束星上隔离角进行实时计算，并返回步骤(3)再次进行判断；
(6)记录所有低轨卫星波束的于一个轨道周期内的通信状态，并在之后的轨道周期内重复该波束通信状态进行通信；
任何低轨卫星在工作全过程中卫星姿态能够始终保持对地正常三轴稳定姿态，同时任何低轨星座均满足多重覆盖要求，具体要求为：地面站在其规定的工作仰角范围内可见大于一颗低轨卫星。
基于上述步骤，本发明的具体流程如下：
首先，全部低轨卫星姿态保持对地三轴稳定姿态，低轨卫星在飞行过程中，需要实时计算各波束的星上隔离角，并与隔离角门限值进行比较。若该波束的星上隔离角小于隔离角门限值，则该波束与地面站的通信链路与GEO卫星与地面站的通信链路之间存在频率干扰，此时需要关闭低轨卫星的该波束。
然后，为了保证低轨星座业务连续，如图4所示，需要开启低轨卫星的相应波束，以拟补关闭波束的覆盖区域。图4中1为关闭波束的低轨卫星；2为低轨卫星的关闭波束；3为低轨卫星；4为低轨卫星的相应波束。
低轨卫星的相应波束选取方法为：波束覆盖范围应覆盖原低轨卫星的关闭的波束覆盖范围，且不开启与原低轨卫星的关闭的波束覆盖范围相离的波束。
最后，按照一个轨道周期对低轨卫星的波束开关状态进行遍历求解，计算得到低轨卫星波束的开关纬度范围，生成低轨星座GEO频率干扰规避的波束控制规律，并在每一个轨道周期内重复该波束控制规律，实现GEO频率干扰的规避。
下面结合具体实施例进行进一步说明：
为便于理解，在此给出一个具体的低轨星座利用本专利进行GEO频率干扰规避的实施例。
设定低轨星座轨道高度1200km，倾角87.9°，由18个轨道面，每轨道面均匀分布49颗卫星，共计882颗低轨卫星组成。低轨卫星采用矩形覆盖区实现对地覆盖，覆盖区半锥角为36.5°(X轴方向)*26°(Y轴方向)如图5所示，图5中，1为覆盖区半锥角(Y轴方向)；2为覆盖区半锥角(X轴方向)；3为低轨卫星覆盖区；
低轨卫星形成26个条状波束，波束宽度与指向如表1所示。根据低轨卫星天线增益方向图与低轨卫星通信载噪比要求，得到星上隔离角门限值为7deg。
表1设定低轨星座波束指向及开关纬度范围列表
Figure BDA0002231743640000071
Figure BDA0002231743640000081
分析可知，该低轨星座满足全球范围内工作仰角40°约束下的二重覆盖。对应的服务区域内的任意地面站必然可见同轨两颗相邻卫星，满足本专利多重覆盖的条件。
对于设定低轨星座中卫星的某一特定波束而言，随着低轨星座卫星与GEO卫星的相对运动，该波束对应的星上隔离角发生变化，星上隔离角的计算方法入下式所示。
Figure BDA0002231743640000082
式中，RE为地球半径，HGEO为GEO轨道高度，HL为低轨通信星座的轨道高度，lat为低轨卫星纬度，θi为第i个波束宽度，
Figure BDA0002231743640000083
为第i个波束指向角。星上隔离角如图6所示；在图6中，1为第i个波束宽度角θi；2为第i个波束覆盖区域；3为第i个波束指向；4为第i个波束指向角
Figure BDA0002231743640000091
5为地心；6为低轨卫星纬度lat；7为第i个波束星上隔离角βi；8为低轨卫星；9为GEO卫星。
当计算得到的低轨卫星的波束星上隔离角小于星上隔离角门限值时，需关闭该波束，遍历一个轨道周期卫星位置，得到的低轨卫星不同波束关机的纬度范围如表1所示。根据低轨卫星之间的相对位置及几何关系，寻找与低轨卫星关闭波束相对应的低轨卫星，遍历其星上波束，得到对应被关闭波束覆盖范围的对应波束，并将对应波束开启。遍历一个轨道周期低轨星座全部卫星位置，得到低轨卫星不同波束关机的纬度与开机纬度范围如表1所示。考虑到GEO卫星的服务区为南北纬55°之间，因此表1中仅给出南北纬55°之间的控制规律，南北纬55°之外，卫星波束控制规律与GEO干扰问题无关，可以按照星座通信需求进行波束开关设计。
卫星在运行过程中，在低纬度地区按照表1给出的规律进行波束开关与波束功率控制，控制过程如图7所示。图7中波束关部分，代表卫星运行到当前纬度时，必须关闭对应波束，确保与GEO卫星之间的隔离角满足使用要求。如果此时开启波束，则不满足GEO卫星隔离角要求，会产生GEO频率干扰。图7中波束开部分，代表卫星运行到当前纬度时，必须开启对应波束，否则会产生覆盖区不连续，通信业务丢失的现象。图7中其他部分，代表星座运行到当前纬度时，对应波束可以开启，也可以关闭，波束开启会提高对应覆盖地区的通信容量，同时不会产生GEO频率干扰；波束关闭依旧可以保证覆盖区连续，不会影响通信业务的连续性。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.一种基于多重覆盖的低轨星座GEO频率干扰规避方法，其特征在于步骤如下：
(1)确定待与卫星通信的地面站位置，并根据该地面站位置选择通信链路最短的GEO卫星；
(2)于同地面站可见范围内进行通信的低轨卫星中，选取一颗低轨卫星，获取该低轨卫星的波束指向，同时计算波束星上隔离角βi，其中，所述波束星上隔离角为低轨卫星与地面站连线、GEO卫星与地面站连线夹角；
(3)预设波束星上隔离角门限值，判断波束星上隔离角是否满足门限值要求，若不小于门限值，则该低轨卫星与地面站通信链路、GEO卫星与地面站通信链路之间干扰处于合理范围内，低轨卫星波束保持通信状态不变；若小于门限值，则该低轨卫星与地面站通信链路、GEO卫星与地面站通信链路之间干扰过大，确定该低轨卫星与地面站通信波束并关闭该波束，进入步骤(4)；
(4)根据隔离角约束条件，于同地面站可见范围内的低轨卫星中选取另一颗低轨卫星作为低轨卫星，同时于低轨卫星上打开与步骤(3)中确定的通信波束对应覆盖范围的低轨卫星波束，并利用该波束与地面站进行通信；
(5)对步骤(4)选取的低轨卫星对应的波束星上隔离角进行实时计算，并返回步骤(3)再次进行判断。
2.根据权利要求1所述的一种基于多重覆盖的低轨星座GEO频率干扰规避方法，其特征在于：还包括步骤(6)，记录所有低轨卫星波束的于一个轨道周期内的通信状态，并在之后的轨道周期内重复该波束通信状态进行通信。
3.根据权利要求1所述的一种基于多重覆盖的低轨星座GEO频率干扰规避方法，其特征在于：所述步骤(2)中，波束星上隔离角的计算方法具体为：
Figure RE-FDA0002377467660000011
式中，RE为地球半径，HGEO为GEO轨道高度，HL为低轨通信星座的轨道高度，lat为低轨卫星纬度，θi为第i个波束宽度，
Figure RE-FDA0002377467660000021
为第i个波束指向角。
4.根据权利要求1所述的一种基于多重覆盖的低轨星座GEO频率干扰规避方法，其特征在于：所述步骤(3)中，预设波束星上隔离角门限值时，波束星上隔离角门限值的具体确定方法为：
根据低轨卫星天线增益方向图，增益为天线最高增益减去低轨卫星通信载噪比要求值后得到增益所对应的角度，计算方法具体为：
G(α0)＝Gmax-C/I
式中，G为天线增益，Gmax为天线最大增益，C/I为卫星通信载噪比要求值，G(α0)为波束星上隔离角门限值对应的天线增益。
5.根据权利要求1所述的一种基于多重覆盖的低轨星座GEO频率干扰规避方法，其特征在于：
所述步骤(4)中，隔离角约束条件具体为：当与地面站通信的低轨卫星受到干扰时，选取该地面站可见范围内，星座地面隔离角最大的低轨卫星作为低轨卫星，并通过该卫星与地面站通信；其中，星座地面隔离角为受到干扰的低轨卫星与地面站连线、低轨卫星与地面站连线的夹角。
6.根据权利要求3所述的一种基于多重覆盖的低轨星座GEO频率干扰规避方法，其特征在于：所述步骤(2)中，选取地面站可见范围内进行通信的低轨卫星的具体要求为：所选取的低轨卫星必须满足通信仰角最高。
7.根据权利要求5所述的一种基于多重覆盖的低轨星座GEO频率干扰规避方法，其特征在于：所述步骤(4)中，所述低轨卫星打开的波束覆盖范围应覆盖原低轨卫星的关闭的波束覆盖范围，且不开启与原低轨卫星的关闭的波束覆盖范围相离的波束，低轨卫星波束数量不限。
8.根据权利要求1所述的一种基于多重覆盖的低轨星座GEO频率干扰规避方法，其特征在于：所有低轨卫星工作全过程中卫星姿态均能够始终保持对地正常三轴稳定姿态。
9.根据权利要求8所述的一种基于多重覆盖的低轨星座GEO频率干扰规避方法，其特征在于：所有低轨星座均满足多重覆盖要求，多重覆盖要求的具体要求为：地面站在其规定的工作仰角范围内可见大于一颗低轨卫星。
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