CN111934739B - 一种降低ngso卫星俯仰角度的干扰规避方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降低NGSO卫星俯仰角度的干扰规避方法，包括：根据预设波束坐标系进行卫星姿态偏航或波束相对于卫星偏航旋转，使得NGSO卫星的波束的长轴方向与赤道方向平行；对偏航后的NGSO卫星进行俯仰，以使得NGSO卫星处于预设隔离角。在相同的隔离角要求下，相对于现有技术的干扰规避方法，通过对NGSO卫星先进行偏航再进行俯仰，使得NGSO卫星满足特定的隔离角时所需的俯仰角度降低，从而降低了GSO干扰规避对NGSO卫星俯仰角度的要求。

Description

一种降低NGSO卫星俯仰角度的干扰规避方法
技术领域
本发明涉及卫星通信领域。更具体地，涉及一种降低NGSO卫星俯仰角度的干扰规避方法。
背景技术
由于GSO卫星轨道(Geostationary-Satellite Orbit，对地静止卫星轨道)相对于地球站的方位接近固定，从而GSO卫星系统对地球站的跟星要求低，目前，GSO宽带通信卫星系统国际上已经具备较强的技术积累并开始提供市场服务。但是GSO卫星系统也有明显缺点，特别是远距离带来的时延问题，越来越不能满足通信业务对实时性越来越高的要求。相对于GSO卫星系统，NGSO(Non-Geostationary-Satellite Orbit，非对地静止轨道)星座系统的主要优势是信号时延小、能够实现全球覆盖、频率资源利用率高等。
NGSO卫星系统与GSO卫星系统频谱共用时，频率共线干扰是一个突出的问题，特别是当NGSO卫星处于GSO系统的地球站(简称为“GSO地球站”)和GSO卫星连线时，这是由于处于GSO卫星和NGSO卫星连线上的地球站可能会通过其主波束接收或产生干扰(曾昱祺,杨夏青.GSO与NGSO卫星频谱共存干扰抑制技术[J].数字通信世界，2016(9):24-25.)。
图1为NGSO卫星系统运行在近极轨(轨道倾角接近90°)轨道上，不采取干扰规避策略，每颗NGSO卫星的波束覆盖区域中心为其星下点，当卫星星下点接近并穿过赤道时，赤道区域的GSO地球站将会接收到NGSO卫星的主波束，同时，GSO卫星也会接收到NGSO卫星系统地球站的主波束，从而GSO卫星系统的地球站和卫星可能会接收到不可接受的干扰，从而影响GSO卫星系统的通信质量。
CN107210805A提出了一种渐进俯仰干扰规避策略来避免NGSO卫星系统对GSO卫星的共线干扰。在该专利的实施例中，NGSO卫星沿其轨道运行时，逐渐倾斜，或者使其波束机械地或电子地逐渐倾斜；NGSO卫星越接近赤道，倾斜的角度越大，从而可以保证足够的分离角，以防止NGSO卫星的无线电信号与GSO系统的无线电信号之间的干扰，图2为采用渐进俯仰干扰规避策略的卫星波束对地投影示意图。
CN107210805A要求NGSO卫星在渐进俯仰的过程中保持相对较高的控制精度，但是不同的俯仰角度也会带来相邻卫星的落地波束强度不同等问题，基于此，CN110417453A提出了波束常值偏置策略(即波束常值俯仰策略)，图3为采用常值俯仰干扰规避策略的卫星波束对地投影示意图。
然而，无论是CN107210805A提出的“渐进俯仰干扰规避策略”，还是CN 110417453A提出的“波束常值俯仰策略”，对于极轨星座(轨道倾角为90°)，GSO弧段上的所有NGSO卫星对应的隔离角相同，而对于近极轨星座(轨道倾角接近而不是90°)，GSO弧段上的所有NGSO卫星对应的隔离角不同，以经度与NGSO卫星相同的GSO卫星为分界，一侧GSO卫星对应的隔离角随着GSO卫星与NGSO卫星的经度差越来越大，另外一侧GSO卫星的对应隔离角随着GSO卫星与NGSO卫星的经度差越来越小，这对NGSO卫星俯仰角度提出相对较高的要求，进一步也对近极轨星座系统的用户终端扫描角度提出相对较高的要求。
因此，需要一种新的降低NGSO卫星俯仰角度的干扰规避方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种降低NGSO卫星俯仰角度的干扰规避方法，以解决现有技术中存在的问题中的至少一个；
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种降低NGSO卫星俯仰角度的干扰规避方法，包括：
根据预设波束坐标系进行卫星姿态偏航或波束相对于卫星偏航旋转，使得NGSO卫星的波束的长轴方向与赤道方向平行；
对偏航后的NGSO卫星进行俯仰，以使得NGSO卫星处于预设隔离角。
一个可选实施方式为，以NGSO卫星为观测点，GSO弧段至NGSO卫星的延长线在预设波束坐标系的形成的夹角χ中的最小值χmin为隔离角。
一个可选实施方式为，所述NGSO卫星的波束为矩形波束。
一个可选实施方式为，所述预设波束坐标系的原点O为所述波束的出发点；
以所述原点O为中心且平行于波束长轴的方向为所述预设波束坐标系的Y轴；
以所述原点O为中心且垂直于所述Y轴的方向为所述预设波束坐标系的X轴；
以所述原点O为中心且垂直于所述X轴与所述Y轴形成的XOY面的方向为所述预设波束坐标系的Z轴；
所述X轴与所述Y轴和所述Z轴构成右手坐标系。
一个可选实施方式为，所述波束矢量在XOZ平面的投影与Z轴形成的夹角χ中的最小值χmin为所述隔离角。
一个可选实施方式为，所述根据预设波束坐标系偏航NGSO卫星以使得所述波束的长轴方向与赤道方向平行进一步包括：
对所述NGSO卫星进行姿态偏航或者对所述波束进行偏航以使得所述波束的长轴方向与赤道方向平行。
一个可选实施方式为，利用卫星姿态机动技术对所述NGSO卫星进行姿态偏航。
一个可选实施方式为，转动NGSO卫星的天线对所述波束进行偏航。
一个可选实施方式为，所述方法还包括：用户终端通过机械转动或电扫描的方式扫描所述波束。
本发明的有益效果如下：
通过对NGSO卫星先进行偏航再进行俯仰，使得NGSO卫星满足特定的隔离角时所需的俯仰角度降低，从而降低了GSO干扰规避对NGSO卫星俯仰角度的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出现有技术不采用干扰规避策略的NGSO卫星波束对地投影示意图；
图2示出现有技术采用渐进俯仰干扰规避策略的NGSO卫星波束对地投影示意图；
图3示出现有技术采用常值俯仰干扰规避策略的NGSO卫星波束对地投影示意图；
图4示出锥形波束的隔离角的示意图；
图5示出本发明实施例提出的预设波束坐标系的示意图；
图6示出现有技术NGSO卫星波束的对地投影示意图；
图7示出现有技术GSO卫星到NGSO卫星的延长线在预设波束坐标系中的角度χ示意图；
图8示出本发明实施例提供的偏航后，NGSO卫星波束的对地投影示意图；
图9示出本发明实施例提供的偏航后，GSO卫星到NGSO卫星的延长线在预设波束坐标系中的角度χ示意图；
图10示出现有技术的干扰规避方法，NGSO卫星在纬度幅角为5°、卫星俯仰角度为10°时，角度χ随GSO卫星与NGSO卫星之间经度差变化的曲线图；
图11示出现有技术的干扰规避方法，NGSO卫星在纬度幅角为5°、卫星俯仰角度为14.4°时，角度χ随GSO卫星与NGSO卫星之间经度差变化的曲线图；
图12示出采取本发明实施例的方法，NGSO卫星在纬度幅角为5°、卫星俯仰角度为10°时，角度χGSO卫星与NGSO卫星之间经度差变化的曲线图；
图13示出本发明实施例的干扰规避方法的流程图。
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。
针对NGSO卫星处于预设隔离角要求时，现有技术的干扰规避方法使得NGSO卫星需要较大的俯仰角度的问题。如图13所示，本发明的一个实施例公开了一种降低NGSO卫星俯仰角度的干扰规避方法，包括：
S1、根据预设波束坐标系偏航NGSO卫星以使得NGSO卫星的波束的长轴方向与赤道方向平行；
S2、对偏航后的NGSO卫星进行俯仰，以使得NGSO卫星处于预设隔离角。
本发明提出的先偏航再俯仰的措施可以降低NGSO卫星或波束的俯仰角度要求，从而降低了GSO干扰规避对NGSO卫星俯仰角度的要求，具有广泛的应用前景。
在本实施例的一些可选地实现方式中，NGSO卫星的波束为矩形波束。
无线电规则的1503建议书提供了适用于锥形波束的隔离角，示意图如图4所示。从NGSO卫星观测到的，GSO卫星到NGSO卫星延长线与NGSO卫星到地球站连线的夹角定义为分离角β；从NGSO卫星观测到的，GSO弧段到NGSO卫星延长线与NGSO卫星到地球站连线的夹角的最小值即为相应的隔离角。由于这种隔离角是基于两个矢量之间的夹角进行定义的，对于采用锥形波束天线的NGSO卫星，可以采用基于NGSO卫星的隔离角确定NGSO卫星波束在隔离角处的发射增益，从而确定GSO卫星系统的地球站接收的增益是否超过标准。
对于采用矩形(或长条形)波束天线的NGSO卫星，例如OneWeb星座系统采用该类天线，该类卫星波束的对地投影示意图如图6所示。对于采用矩形波束天线的NGSO卫星，由于天线的增益沿矩形的两条边的衰减趋势不同，采用图4所示的基于矢量之间的夹角定义的隔离角，无法充分确定隔离角处增益的衰减情况，由于增益大小决定干扰信号强度，因此，本发明实施例提供一种针对矩形波束的隔离角的定义方式，可确定隔离角处增益的衰减情况。
在本实施例的一些可选地实现方式中，所述预设波束坐标系的原点O为所述波束的出发点；
以所述原点O为中心且平行于波束长轴的方向为所述预设波束坐标系的Y轴；
以所述原点O为中心且垂直于所述Y轴的方向为所述预设波束坐标系的X轴；
以所述原点O为中心且垂直于所述X轴与所述Y轴形成的XOY面的方向为所述预设波束坐标系的Z轴；
所述X轴与所述Y轴和所述Z轴构成右手坐标系。
在一个具体示例中，通过本申请的预设波束坐标系可确定本发明实施例中的矩形波束的相关角度，具体地：
预设波束坐标系原点：波束的发出点；XOY平面：垂直于波束中心指向的平面；Z轴：沿波束中心指向；Y轴：沿波束长轴方向；X轴：与Y轴、Z轴构成右手坐标系。角度χ：某矢量方向在XOZ平面的投影与Z轴的夹角；角度δ：某矢量方向在YOZ平面的投影与Z轴的夹角，角度χ和角度δ在预设波束坐标系的定义示意图如图5所示。其中，夹角χ即为本发明实施例中所述的隔离角。
在本实施例的一些可选地实现方式中，该矩形波束的隔离角定义为从NGSO卫星观测到的，GSO弧段至NGSO卫星的延长线在预设波束坐标系的夹角χ中的最小值χmin为隔离角。
在一个具体示例中，在本发明实施例中描述的“倾斜”为绕卫星本体坐标系Y轴的转动，在姿态动力学领域通常称为“俯仰”，本发明实施例中提出的绕卫星本体坐标系Z轴的转动，在姿态动力学领域通常称为“偏航”，为了区别两种转动，本发明实施例按照姿态动力学领域的术语“俯仰”和“偏航”来描述两种转动。
在一个具体示例中，如图6所示的近极轨星座(轨道倾角接近而不是90°)，GSO弧段上的所有GSO卫星到NGSO卫星的延长线在预设波束坐标系中的角度χ示意图如图7。如图7所示，虚线在地球表面，是GSO卫星到NGSO卫星的延长线与地球表面的交点(图中未示出GSO卫星到NGSO卫星的延长线)。
由于GSO弧段与赤道平行，从而GSO弧段上的所有GSO卫星到NGSO卫星的延长线与地面的交点形成的连线基本平行于赤道；而由于近极轨星座的轨道倾角不完全等于90°，从而预设波束坐标系的Y轴方向与赤道不平行，两者之间的夹角为星座轨道倾角的余角，即该余角为预设波束坐标系的Y轴方向与赤道的夹角。所以，如图7所示，GSO弧段上的所有GSO卫星到NGSO卫星的延长线在预设波束坐标系的夹角χ不同，以经度与NGSO卫星相同的GSO卫星为分界，一侧GSO卫星对应的夹角χ的角度随着GSO卫星与NGSO卫星之间的经度差越来越大，另外一侧GSO卫星对应的夹角χ的角度随着GSO卫星与NGSO卫星之间的经度差越来越小，以上所有夹角χ的最小值χmin，即为隔离角。显然，隔离角χmin小于GSO卫星经度与NGSO卫星经度相同时GSO卫星对应的角度χ3。
在一个具体示例中，为了使得NGSO卫星处于特定的预设隔离角，这需要保证GSO弧段上的所有GSO卫星到NGSO卫星的延长线在预设波束坐标系的角度χ都不小于该预设隔离角，从而需要NGSO卫星俯仰较大的角度。而本发明实施例为了降低处于这个状态下的NGSO卫星的俯仰角度，首先根据预设波束坐标系偏航NGSO卫星以使得NGSO卫星的波束的长轴方向与赤道方向平行；进一步对偏航后的NGSO卫星进行俯仰以使得NGSO卫星符合预设隔离角。通过本发明实施例的方法，可实现降低处于预设隔离角下的NGSO卫星的俯仰角度。
在本实施例的一些可选地实现方式中，步骤S1、根据预设波束坐标系偏航NGSO卫星以使得NGSO卫星的波束的长轴方向与赤道方向平行；进一步包括：
对所述NGSO卫星进行姿态偏航或者对所述波束进行偏航以使得所述波束的长轴方向与赤道方向平行。
在一个具体示例中，采取偏航措施的情况下使得所述波束的长轴方向与赤道方向平行，一个轨道面内的NGSO卫星波束的对地投影示意图如图8所示；GSO卫星到NGSO卫星的延长线在预设波束坐标系中的夹角χ示意图如图9所示。采用偏航措施后，NGSO卫星波束长轴方向与赤道方向平行，由于GSO弧段上的所有GSO卫星到NGSO卫星的延长线与地面的交点形成的连线基本平行于赤道，所以，GSO弧段上的所有GSO卫星到NGSO卫星的延长线在预设波束坐标系的角度χ基本相同，GSO卫星经度与NGSO卫星经度相同时GSO卫星对应的夹角χ的角度值最小，即为相应的隔离角χmin。
在本实施例的一些可选地实现方式中，利用卫星姿态机动技术对所述NGSO卫星进行姿态偏航。在本实施例的一些可选地实现方式中，转动NGSO卫星的天线对所述波束进行偏航。通过本发明实施例提出的两种实施方式，可实现NGSO卫星在同等隔离角度要求下，较现有技术降低了NGSO卫星的俯仰角度。
在一个具体示例中，如图11和12所示，当NGSO卫星在纬度幅角为5°，图11为不采取偏航措施的情况下，NGSO卫星俯仰14.4°，形成的隔离角为6.01°；图12为采取偏航措施的情况下，NGSO卫星俯仰10°，形成的隔离角为6.06°，由此可见，相同的干扰规避隔离角要求下，本发明实施例的方法，可以降低NGSO卫星或波束的俯仰角度要求。
在本实施例的一些可选地实现方式中，所述方法还包括：用户终端通过机械转动或电扫描的方式扫描所述波束。用户终端通过机械转动(机械天线)或电扫描(相控阵天线)等方式进行扫描，具体取决于波束天线的形式。通过本发明实施例提出的干扰规避方法通过降低波束俯仰角度，从而减小用户终端扫描角度。
在一个具体示例中，对本发明实施例的效果进行说明，具体地：
实施例NGSO卫星星座系统的轨道高度为1100km、轨道倾角为86.2°、轨道偏心率为0。每颗NGSO卫星的包括多个天线，对地投影的图形接近矩形，最前方波束中心指向在轨道坐标系XOZ平面内，与Z轴的夹角为10°，由于波束通常对称安装，所以最后方波束中心指向在轨道坐标系XOZ平面内，与Z轴的夹角为-10°。先预设GSO卫星与NGSO卫星的经度之差范围为[-45°45°]。
图10为采取现有技术的干扰规避方法，角度χ随GSO卫星与NGSO卫星之间经度差变化的曲线图。卫星在纬度幅角为5°时俯仰10°，此时角度χ的最小值为1.61°即隔离角χ为1.61°。因此，现有技术的干扰规避方法，卫星在纬度幅角为5°时俯仰10°，对应的隔离角为1.61°。
图11为采取现有技术的干扰规避方法，角度χ随GSO卫星与NGSO卫星之间经度差变化的曲线图。卫星在纬度幅角为5°时俯仰14.4°，此时角度χ的最小值为6.01°。因此，现有技术的干扰规避方法，卫星在纬度幅角为5°时俯仰14.4°，对应的隔离角为6.01°。
图12为采取本发明实施例的干扰规避方法，角度χGSO卫星与NGSO卫星之间经度差变化的曲线图。卫星在纬度幅角为5°时俯仰10°，此时角度χ的最小值为6.06°。所以，采取偏航措施的情况下，卫星在纬度幅角为5°时俯仰10°，对应的隔离角为6.06°。
由上述可知，如果矩形波束的隔离角要求为χmin＝6°，现有技术的干扰规避方法的NGSO卫星在纬度幅角为5°时应俯仰超过14.4°；而采取本发明实施例的干扰规避方法，NGSO卫星在纬度幅角为5°时俯仰超过10°即可。所以在矩形波束的隔离角要求为χmin＝6°、卫星在纬度幅角为5°时，本发明实施例的干扰规避方法，可以将卫星波束的俯仰角度降低4.4°。
进一步地，图10所示的现有技术的干扰规避方法，NGSO卫星在纬度幅角为5°时俯仰10°，对应的隔离角为1.61°；而图12为采取本发明实施例的干扰规避方法，卫星在纬度幅角为5°时俯仰10°，此时角度χ的最小值为6.06°。此时，虽然NGSO卫星的俯仰角度相同，但本发明实施例此状态下的隔离角较现有技术的角度值更大。
本发明实施例通过对NGSO卫星进行姿态偏航，或者波束相对于卫星偏航的方式，使NGSO卫星波束长轴方向与赤道方向平行，然后再对NGSO卫星波束进行俯仰机动，使得NGSO卫星处于特定的干扰规避隔离角，从而实现NGSO卫星系统对GSO卫星系统的干扰规避。在相同的干扰规避隔离角要求下，本专利提出的先偏航再俯仰的措施可以降低NGSO卫星或波束的俯仰角度要求，进一步减小了用户终端的扫描角度要求。
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，对于所属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 (4)

1.一种降低NGSO卫星俯仰角度的干扰规避方法，其特征在于，包括：
根据预设波束坐标系进行卫星姿态偏航或波束相对于卫星偏航旋转，使得NGSO卫星的波束的长轴方向与赤道方向平行；
对偏航后的NGSO卫星进行俯仰，以使得NGSO卫星处于预设隔离角；
以NGSO卫星为观测点，GSO弧段至NGSO卫星的延长线在预设波束坐标系的形成的夹角χ中的最小值χmin为隔离角；
所述NGSO卫星的波束为矩形波束；
所述预设波束坐标系的原点O为所述波束的出发点；
以所述原点O为中心且平行于波束长轴的方向为所述预设波束坐标系的Y轴；
以所述原点O为中心且垂直于所述Y轴的方向为所述预设波束坐标系的X轴；
以所述原点O为中心且垂直于所述X轴与所述Y轴形成的XOY面的方向为所述预设波束坐标系的Z轴；
所述X轴与所述Y轴和所述Z轴构成右手坐标系；
所述波束矢量在XOZ平面的投影与Z轴形成的夹角χ中的最小值χmin为所述隔离角；
所述根据预设波束坐标系偏航NGSO卫星以使得所述波束的长轴方向与赤道方向平行进一步包括：
对所述NGSO卫星进行姿态偏航或者对所述波束进行偏航以使得所述波束的长轴方向与赤道方向平行。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用卫星姿态机动技术对所述NGSO卫星进行姿态偏航。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，转动NGSO卫星的天线对所述波束进行偏航。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：用户终端通过机械转动或电扫描的方式扫描所述波束。
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