CN111147127B - 一种低轨卫星星座全球单重覆盖及频率复用算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及卫星通信技术领域，具体涉及一种低轨卫星星座全球单重覆盖及频率复用算法；针对低轨卫星星座的轨道及波束投影位置极其复杂所带来的同频干扰问题，采用将覆盖区离散化的思想，引入天线方向图、卫星轨位计算、斥力漂移模型等技术，将地面覆盖区离散为若干个采样点；基于波束位置计算结果和卫星位置计算结果，引入采样点判决的方式对各采样点所在波束进行统计，随后对采样点重复判决反复迭代的给出全球波束单重覆盖结果，并在此基础上对波束频率进行划分；经过反复迭代最终达成所有采样点均不存在同频干扰的结果，在保证全球覆盖不存在同频干扰的前提下最大程度的提高了低轨卫星星座的频段利用率。

Description

一种低轨卫星星座全球单重覆盖及频率复用算法

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，具体涉及一种低轨卫星星座全球单重覆盖及频率复用算法。

背景技术

低轨互联网卫星星座有着时延低、容量大、全球覆盖的优势，在带来这些优势的同时，由于卫星相对地面的高速运动，以及卫星覆盖范围下本身也会划分为若干波束，因此卫星对地的覆盖情况远比同步静止轨道卫星复杂。当轨道倾角接近于90°时，卫星轨道在南北极上空密集交汇形成多重覆盖。另外由于星座轨道存在反向缝，其两侧的卫星相向运动也会导致卫星波束发生频繁交错。在频谱资源丰富的情况下这些问题可以通过频率复用将各个卫星所占用的频段分开，但由于卫星通信的发展导致低轨卫星通信必须在有限的带宽内实现全球覆盖，因此就需要以全球单重覆盖为目标关闭掉多重覆盖的波束，再对单重覆盖的卫星波束进行频率划分。

由于随着卫星通信的发展，频谱资源日趋紧张，而数据传输需求却与日剧增，这就要求卫星通信必须在有限的带宽内实现高速的数据传输；目前已经存在的低轨卫星星座如铱星星座，对应多重覆盖导致同频干扰的办法是：卫星接近北极附近的高纬度区域时关闭奇数轨道面上卫星波束，卫星接近南极附近的高纬度区域时关闭偶数轨道面上的卫星波束，在此基础上通过波束频率划分的方式进行避免同频干扰问题，问题在于高纬度和反向缝地区仍处于多重覆盖状态下。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种低轨卫星星座全球单重覆盖及频率复用算法及装置。

一方面，本发明提供了一种低轨卫星星座全球单重覆盖及频率复用算法，所述方法包括如下述步骤：

S1：接收用户输入的卫星天线波束模型、卫星轨道模型、地球模型，根据卫星天线波束模型、卫星轨道模型、地球模型联合生成天线方向图、天线指向、星地位置关系参数，并计算波束于地面的投影，统计出波束在地面上辐射相对功率谱密度在-12dB以上的区域，将这部分区域设为该波束所能影响的地面区；其中，m个波束影响的覆盖范围B＝{B1,B2,…,Bm}；

S2：在地面建立若干采样点，采用力学排斥漂移模型迭代生成采样点集合；共生成采样点n个，得到采样点集合S＝{S1,S2,…,Sn}；

S3：将生成的采样点集合对照S1中覆盖范围B，统计出各采样点所处的波束，得到S_i∈{B_a,B_b,..,B_x}；

S4：根据采样点所在波束信息，反过来统计波束内所有的采样点集合，得到{S_a,S_b,...,S_x}∈B_i；

S5：判断Bi内的采样点集合是否全部位于排序在其之前的波束B1～Bi-1内，若判断结果为是，则判断波束Bi应处于关闭状态，若判断结果为否，则保持波束Bi的开启；直到完成对所有覆盖范围B＝{B1,B2,…,Bm}的判断，并给出低轨卫星星座所有波束在当前时刻T为满足单重覆盖所需的波束开关闭状态表C＝{C1,C2,…,Cn}，其中Cn为代表波束Bi开关闭状态的布尔值；

S6:预设低轨星座所有频段共k段，记为{F1,F2,…,Fk}，按照每个波束Bi对应一个频段Fk的原则，随机分配给所有处于开启状态的波束；

S7:统计采样点集合S＝{S1,S2,…,SN}中每个点所处于开启状态波束的频段，得到

若F_si中有重复的值，意味着该采样点存在来自不同波束的同频干扰，并记录重复波束Bi＝{R；Bi}，得到重复波束的最终统计结果R；

S8:找到R中出现最多的波束，将其频段修改，并判断新的R是否为空集；若不是，返回S7；若是，完成分配。

可选的，判断Bi内的采样点集合是否全部位于排序在其之前的波束B1～Bi-1内的步骤中，从波束投影范围B2开始判断。

可选的，波束对地投影覆盖范围，由于天线波束方向图形状极为复杂，且绝大多数波束投影方向并不指向地心，因此-12dB边界投影在地面所呈形状为复杂的非规则形状；以天线平面法线方向为轴线，相对应-12dB球坐标方位角范围为c(n)，以卫星为坐标中心，以天线指向为中心轴，通过判断地面采样点所在位置、卫星连线L、c(n)所围成的夹角来鉴别地面采样点是否位于该波束的影响范围之内。

可选的，所述采样点集合生成生成采用的力学排斥漂移模型，对于每一个点的漂移方程为：

其中，c为代表斥力大小的常数,

为采样点加速度解释，D_U为距离解释，经过多次迭代后，各采样点的运动速度趋近于0，可认为采样点模型已经构建完毕。

可选的，在接收用户输入的卫星天线波束模型、卫星轨道模型、地球模型步骤之前，还包括：根据卫星星历参数计算出卫星位置，并给出当前时刻T卫星的运动方向和速度参量。

可选的，所述卫星位置的运动方向和速度计算中，由于低轨卫星星座偏心率较小，在精度要求较低的情况下可以将其简化为圆轨道进行计算得到星下点经纬度，表达式如下：

其中，i为轨道倾角，θ为近地点角，ω为升交点赤经角。

本发明的有益效果体现在：

(1)初始阶段，联合天线方向图、卫星与地面相对位置关系、卫星运动方向分量、地球椭球面建模等模型，根据预设的干扰阈值给出了其在地面影响范围。根据以卫星为坐标原点，以天线指向为中心轴，通过比较采样点与卫星连线与中心轴的夹角与天线方向图方位角的大小，得到采样点是否落在该波束影响范围内，减少了计算量；

(2)通过在地面设置模拟采样点判断波束对地面干扰的位置区，极大地减少了以为天线方向图的复杂建模所带来的计算量；

(3)充分利用采样点判决的方法判断波束之间是否存在多重覆盖情况，该方法将复杂解析问题离散化，能够极大降低多重覆盖性问题的复杂程度；

(4)相较于传统算法，算法复杂度低，采用将解析问题离散化的思想，极大降低了复杂拓扑结构下的频率复用分配方法，并且保证全球覆盖不存在同频干扰的前提下最大程度的提高了低轨卫星星座的频段利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1是本发明低轨卫星星座全球单重覆盖及频率复用算法的流程示意图Ⅰ；

图2是本发明低轨卫星星座单重覆盖及频率复用算法的流程图Ⅱ；

图3是本发明低轨卫星星座在北极上空的波束多重覆盖状况示意图；

图4是本发明低轨卫星星座天线波束与地面采样点的相对位置关系示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

目前已经存在的低轨卫星星座如铱星星座，对应多重覆盖导致同频干扰的办法是：卫星接近北极附近的高纬度区域时关闭奇数轨道面上卫星波束，卫星接近南极附近的高纬度区域时关闭偶数轨道面上的卫星波束，在此基础上通过波束频率划分的方式进行避免同频干扰问题，但高纬度和反向缝地区仍处于多重覆盖状态下；为了解决上述问题，所以有必要，研制一种低轨卫星星座全球单重覆盖及频率复用算法，经过反复迭代最终达成所有采样点均不存在同频干扰的结果，从而在保证全球覆盖不存在同频干扰的前提下最大程度的提高了低轨卫星星座的频段利用率。

本发明设计了一种低轨卫星星座波束位置的计算方法，基于波束位置计算结果和卫星位置计算结果，引入采样点判决的方式对各采样点所在波束进行统计，随后对采样点重复判决反复迭代的给出全球波束单重覆盖结果，并在此基础上对波束频率进行划分。

本发明具体实施方式提供一种低轨卫星星座全球单重覆盖及频率复用算法，该方法如图1-4所示，包括如下步骤：

在步骤S1中，接收用户输入的卫星天线波束模型、卫星轨道模型、地球模型，根据卫星天线波束模型、卫星轨道模型、地球模型联合生成天线方向图、天线指向、星地位置关系参数，并计算波束于地面的投影，统计出波束在地面上辐射相对功率谱密度在-12dB以上的区域，将这部分区域设为该波束所能影响的地面区；其中，m个波束影响的覆盖范围B＝{B1,B2,…,Bm}。

在本发明实施例中，波束对地投影覆盖范围，由于天线波束方向图形状极为复杂，且绝大多数波束投影方向并不指向地心，因此-12dB边界投影在地面所呈形状为复杂的非规则形状；以天线平面法线方向为轴线，相对应-12dB球坐标方位角范围为c(n)，以卫星为坐标中心，以天线指向为中心轴，通过判断地面采样点所在位置、卫星连线L、c(n)所围成的夹角来鉴别地面采样点是否位于该波束的影响范围之内；若有相同频率的其它波束也投影于此区域，将对该区域的终端产生同频干扰。

在步骤S1之前，可以根据卫星星历参数计算出卫星位置，并给出当前时刻T卫星的运动方向和速度参量；所述卫星位置的运动方向和速度计算中，由于低轨卫星星座偏心率较小，在精度要求较低的情况下可以将其简化为圆轨道进行计算得到星下点经纬度，表达式如下：

其中，i为轨道倾角，θ为近地点角，ω为升交点赤经角。

在步骤S2中，在地面建立若干采样点，采用力学排斥漂移模型迭代生成采样点集合；共生成采样点n个，得到采样点集合S＝{S1,S2,…,Sn}。

在本发明实施例中，由于极坐标无法在地球样式类似椭球面上生成距离相近的采样点集合，采用力学排斥漂移模型迭代生成；所述采样点集合生成生成采用的力学排斥漂移模型，对于每一个点的漂移方程为：

其中，c为代表斥力大小的常数,

为采样点加速度解释，D_U为距离解释，经过多次迭代后，各采样点的运动速度趋近于0，可认为采样点模型已经构建完毕。

在步骤S3中，将生成的采样点集合对照S1中覆盖范围B，统计出各采样点所处的波束，得到S_i∈{B_a,B_b,..,B_x}。

在本发明实施例中，为统计采样点所在波束判决。

在步骤S4中，根据采样点所在波束信息，反过来统计波束内所有的采样点集合，得到{S_a,S_b,...,S_x}∈B_i。

在本发明实施例中，为统计波束内所有采样点。

在步骤S5中，判断Bi内的采样点集合是否全部位于排序在其之前的波束B1～Bi-1内，若判断结果为是，则判断波束Bi应处于关闭状态，若判断结果为否，则保持波束Bi的开启；直到完成对所有覆盖范围B＝{B1,B2,…,Bm}的判断，并给出低轨卫星星座所有波束在当前时刻T为满足单重覆盖所需的波束开关闭状态表C＝{C1,C2,…,Cn}，其中Cn为代表波束Bi开关闭状态的布尔值。

在本发明实施例中，从波束投影范围B2开始，判断B2内的采样点集合是否全部位于排序在其之前的波束B1内，若判断结果为是，则判断波束B2应处于关闭状态；若判断结果为否，则保持波束B2的开启；并且一一对B2～Bm进行判断。

在步骤S6中，预设低轨星座所有频段共k段，记为{F1,F2,…,Fk}，按照每个波束Bi对应一个频段Fk的原则，随机分配给所有处于开启状态的波束。

在步骤S7中，统计采样点集合S＝{S1,S2,…,SN}中每个点所处于开启状态波束的频段，得到

若F_si中有重复的值，意味着该采样点存在来自不同波束的同频干扰，并记录重复波束Bi＝{R；Bi}，得到重复波束的最终统计结果R。

在步骤S8中，找到R中出现最多的波束，将其频段修改，并判断新的R是否为空集；若不是，返回S7；若是，完成分配。

本发明设计了一种低轨卫星星座波束位置的计算方法，针对低轨卫星星座的轨道及波束投影位置极其复杂所带来的同频干扰问题，提出了一种波束单重覆以及频率分配技术，采用将覆盖区离散化的思想，引入天线方向图、卫星轨位计算、斥力漂移模型等技术，将地面覆盖区离散为若干个采样点。首先通过天线方向图的方位角关系计算各离散采样点所处的波束，此时各离散点都同时位于多个波束内；随后对上一步形成的集合进行重新排布，给出每个波束所包含的离散点，并通过重复性查找，关闭其所有的采样点都位于其它波束的波束，从而实现了全球单重覆盖；最后在此基础上进行频率分配，以随机分配频率开始，找出其内部采样点存在同频干扰最多的波束，重新对其所处的频段进行分配，经过反复迭代最终达成所有采样点均不存在同频干扰的结果，从而在保证全球覆盖不存在同频干扰的前提下最大程度的提高了低轨卫星星座的频段利用率。在初始阶段，联合天线方向图、卫星与地面相对位置关系、卫星运动方向分量、地球椭球面建模等模型，根据预设的干扰阈值给出了其在地面影响范围。根据以卫星为坐标原点，以天线指向为中心轴，通过比较采样点、卫星连线、中心轴的夹角与天线方向图方位角的大小，得到采样点是否落在该波束影响范围内，减少了计算量。通过在地面设置模拟采样点判断波束对地面干扰的位置区，极大地减少了以为天线方向图的复杂建模所带来的计算量。充分利用采样点判决的方法判断波束之间是否存在多重覆盖情况，该方法将复杂解析问题离散化，能够极大降低多重覆盖性问题的复杂程度。相较于传统算法，算法复杂度低，采用将解析问题离散化的思想，极大降低了复杂拓扑结构下的频率复用分配方法。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (6)

1.一种低轨卫星星座全球单重覆盖及频率复用算法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：接收用户输入的卫星天线波束模型、卫星轨道模型、地球模型，根据卫星天线波束模型、卫星轨道模型、地球模型联合生成天线方向图、天线指向、星地位置关系参数，并计算波束于地面的投影，统计出波束在地面上辐射相对功率谱密度在-12dB以上的区域，将这部分区域设为该波束所能影响的地面区；其中，m个波束影响的覆盖范围B＝{B₁,B₂,…,B_i, …, B_M}；

S2：在地面建立若干采样点，采用力学排斥漂移模型迭代生成采样点集合；共生成采样点n个，得到采样点集合S＝{S₁,S₂,…,S_N}；

S3：将生成的采样点集合对照步骤S1中覆盖范围B，统计出各采样点所处的波束，得到S_i∈{B_a,B_b,..,B_x}；

S4：根据采样点所在波束信息，反过来统计波束内所有的采样点集合，得到{S_a,S_b,...,S_x}∈B_i；

S5：判断Bi内的采样点集合是否全部位于排序在其之前的波束B1～Bi-1内，若判断结果为是，则判断波束Bi应处于关闭状态，若判断结果为否，则保持波束Bi的开启；直到完成对所有覆盖范围B＝{B₁,B₂,…,B_i, … , B_M}的判断，并给出低轨卫星星座所有波束在当前时刻T为满足单重覆盖所需的波束开关闭状态表C＝{C₁,C₂,…,C_i,…,C_M}，其中C_i为代表波束B_i开关闭状态的布尔值；

S6:预设低轨星座所有频段共k段，记为{F1,F2,…,Fk}，按照每个波束B_i对应一个频段Fk的原则，随机分配给所有处于开启状态的波束；

S7:统计采样点集合S＝{S₁,S₂,…,S_N}中每个点所处于开启状态波束的频段，得到F_Si∈{F_a,F_b,...,F_x}，若F_si中有重复的值，意味着该采样点存在来自不同波束的同频干扰，并记录重复波束Bi＝{R；Bi}，得到重复波束的最终统计结果R；

S8:找到R中出现最多的波束，将其频段修改，并判断新的R是否为空集；若不是，返回S7；若是，完成分配。

2.根据权利要求1所述的一种低轨卫星星座全球单重覆盖及频率复用算法，其特征在于，判断Bi内的采样点集合是否全部位于排序在其之前的波束B1～Bi-1内的步骤中，从波束投影范围B2开始判断。

3.根据权利要求1所述的一种低轨卫星星座全球单重覆盖及频率复用算法，其特征在于，波束对地投影覆盖范围，由于天线波束方向图形状极为复杂，且绝大多数波束投影方向并不指向地心，因此-12dB对应的边界投影在地面所呈形状为复杂的非规则形状；以天线平面法线方向为轴线，相对应-12dB球坐标方位角范围为c(n)，以卫星为坐标中心，以天线指向为中心轴，通过判断地面采样点所在位置、卫星连线L、c(n)所围成的夹角来鉴别地面采样点是否位于该波束的影响范围之内。

4.根据权利要求1所述的一种低轨卫星星座全球单重覆盖及频率复用算法，其特征在于，所述采样点集合生成采用的力学排斥漂移模型，对于每一个点的漂移方程为：

其中，c为代表斥力大小的常数,

为采样点加速度解释，D_U为距离解释，D_ij代表采样点集合S＝{S₁,S₂,…,S_N}中任意两个点S_i与S_j距离，其中i≠j,经过多次迭代后，各采样点的运动速度趋近于0，采样点模型已经构建完毕。

5.根据权利要求1所述的一种低轨卫星星座全球单重覆盖及频率复用算法，其特征在于，在接收用户输入的卫星天线波束模型、卫星轨道模型、地球模型步骤之前，还包括：根据卫星星历参数计算出卫星位置，并给出当前时刻T卫星的运动方向和速度参量。

6.根据权利要求5所述的一种低轨卫星星座全球单重覆盖及频率复用算法，其特征在于，所述卫星位置的运动方向和速度计算中，由于低轨卫星星座偏心率较小，在精度要求较低的情况下将其简化为圆轨道进行计算得到星下点经纬度，表达式如下：

其中，i为轨道倾角，θ为近地点角，ω为升交点赤经角。

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