CN111953408B - 一种减小ngso系统终端离轴角的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种减小NGSO系统终端离轴角的方法，通过关闭波束，来减小渐进倾斜过程中的最大终端离轴角。首先，确定卫星在波束边沿的最大俯仰角，并根据最大俯仰角确定最大偏置角，进而根据最大偏置角和偏置需求，以及条带波束的参数，计算需要关闭的波束数量，并设计载荷以满足需求。

Description

一种减小NGSO系统终端离轴角的方法

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种减小NGSO系统终端离轴角的方法。

背景技术

宽带通信卫星系统包括GSO静止轨道卫星宽带通信卫星系统以及NGSO(Non-Geostationary Satellite Orbit，非对地静止卫星轨道)卫星系统。其中NGSO卫星系统包括在距地球表面8000-20000公里的中轨道(MEO)和距离地球表面400-2000公里的低地球轨道(LEO)上运行的通信卫星星座系统，其提供全球性的互联网服务以及全球性的物联网的数据交互。诸如美国的OneWeb和StarLink星座、LeoSat星座等，均属于NGSO卫星系统。相对于GSO通信卫星系统，NGSO宽带通信卫星星座系统的主要优势是能够实现全球覆盖、受地形影响小、信号时延小、传输损耗小、便于用户终端小型化以及卫星发射入轨成本低、频率资源利用率高等。

现有NGSO卫星系统普遍采用了KU和KA频段，因此，存在与GSO卫星系统频谱共用的现象，频率共线干扰是一个突出的问题。为了保障GSO卫星系统频率使用的安全，国际电联在无线电规则中条款22对NGSO系统在KU和KA等频段产生的等效功率通量密度EPFD进行了限制。在众多的NGSO卫星系统中，条带波束是一种流行的覆盖方式。例如，OneWeb系统就使用该覆盖波束作为其业务波束。所述条带波束的短轴方向为南北向，长轴方向为东西向。使用该覆盖波束时，采用渐进倾斜技术，通过调整卫星姿态角，使得NGSO卫星覆盖区整体向低纬度方向偏移，可以避免对GSO系统产生共线干扰。

但是，当NGSO卫星的星下点的纬度较低时，需要的卫星姿态偏置角度往往较大，而受限地面终端最大离轴角的要求，低轨卫星的偏置角度不宜过大，否则会导致卫星覆盖区域中仰角较小的终端无法与该卫星建立连接。

发明内容

为了避免在渐进倾斜过程中，卫星覆盖区域中仰角较小的终端无法与卫星建立连接，本发明提供一种减小NGSO系统终端离轴角的方法，通过引入关闭波束来减小渐进倾斜的最大离轴角，所述方法包括：

根据NGSO系统及条带波束的参数，确定卫星在波束边沿的最大俯仰角；

根据所述最大俯仰角的大小，确定卫星的最大偏置角；

根据所述最大偏置角和偏置需求之差，以及条带波束的参数，计算需要关闭的波束数量。

进一步地，所述NGSO系统的参数包括，所述NGSO系统的轨道高度以及终端离轴角限值等。

进一步地，所述条带波束的参数包括南北向张角。

本发明提供的一种减小NGSO系统终端离轴角的方法，通过关闭高纬度地区的波束，以减小渐进倾斜的终端离轴角，以保证卫星覆盖区域中仰角较小的终端仍能够与卫星建立连接，有效保障了NGSO系统的全覆盖。

附图说明

为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出本发明一个实施例的一种减小NGSO系统终端离轴角的方法的流程示意图；

图2示出某LEO星座卫星的偏置需求示意图；以及

图3示出某LEO星座卫星的最大终端离轴角示意图。

具体实施方式

以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了阐述该具体实施例，而不是限定各步骤的先后顺序。相反，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。

为了避免在渐进倾斜过程中，卫星覆盖区域中仰角较小的重度无法与卫星建立连接，本发明提供一种减小NGSO系统终端离轴角的方法，通过引入关闭波束来减小渐进倾斜的最大离轴角，下面结合实施例附图，对本发明的方案作进一步描述。

图1示出本发明一个实施例的一种减小NGSO系统终端离轴角的方法的流程示意图。如图1所示，一种减小NGSO系统终端离轴角的方法，包括：

首先，在步骤101，计算最大俯仰角。根据NGSO系统及其采用的条带波束的参数，确定卫星在波束边沿的最大俯仰角α；在本发明的一个实施例中，根据所述NGSO系统的终端最大离轴角γ以及卫星波束内对应的最大方位角β，通过二分法可以得到所述最大俯仰角α的近似解，其中β为已知参数，以及γ可根据如下公式确定：

其中，

r_n为卫星坐标，r_n＝(0,R_n cos(ψ),R_n sin(ψ))^T，其中，R_n为卫星的轨道半径，ψ为卫星纬度；

P_e＝(x_e,y_e,z_e)^T为终端坐标，满足：

其中，R_e为地球半径，以及p为卫星与终端之间的方向向量，ρ为一常量：

接下来，在步骤102，确定最大偏置角。在不考虑姿态偏置的情况下，星下点的南北两侧各有m个波束，则根据步骤101中计算得到的最大俯仰角，可以确定最大偏置角p₁：

P₁＝α-mn,

其中，n为条带波束南北方向的波束宽度；

接下来，在步骤103，确定关闭波束的数量。根据所述最大偏置角和满足偏置需求条件下的最大偏置需求之差，以及条带波束的参数，计算需要关闭的最小波束数量，并进一步确定各纬度下需要关闭的波束数量。在本发明的一个实施例中，满足偏置需求条件下的最大偏置需求记为p₂，若p₂>p₁，则可以通过关闭高纬度的波束来达到减小最大偏置角的要求，在最大偏置需求下，需要关闭的最小波束数量为满足下述不等式的最小整数：

而当卫星在任意纬度时，对应的偏置需求为p，则在该纬度，需要关闭的波束数量i满足：

以及

最后，在步骤104，设计载荷。根据所述需要关闭的最小波束数量，设计所述NGSO系统的载荷，以减小所述NGSO系统终端离轴角。在发明的一个实施例中，所述载荷设计包括，根据步骤103中计算得到的关闭波束的数量，使得卫星在卫星降轨区域，能够逐步关闭相应数量的波束，并在卫星升轨区域，做出相应开波束的操作，以满足对应纬度上，需关闭的波束数量。

为了更好地体现本发明实施例中一种减小NGSO系统终端离轴角的方法的技术效果，下面以某LEO卫星为例，具体描述该方案的过程。

某LEO卫星星座参数如下：轨道倾角为90度，轨道高度为1200千米。所述星座的单个轨道面由48颗低轨卫星，且同轨相邻卫星之间的相位差为7.5度，其地面终端的最大离轴角γ为55度。同时，所述LEO卫星星座采用的条带波束的参数如下，南北方向的波束宽度为3度，东西方向的波束宽度为52度，且卫星波束内对应最大的方位角β为26度。单颗卫星同时最多能产生16个波束。为了避免对GSO系统产生共线干扰，其在不同纬度时的偏置需求如图2所示。图中，纬度为正数时，代表所述LEO卫星在降轨区星下点的纬度，在卫星升轨区域时，卫星偏置角为负数。随着偏置角增加，卫星指向偏向更低纬度。可以看出，所述LEO卫星的起偏纬度为25度，且在卫星纬度为3.75度时，所述LEO卫星的偏置需求达到最大，最大偏置需求p₂为25度，此时，终端离轴角也达到最大值γ，如图3所示。

则，首先，根据所述LEO卫星的终端最大离轴角γ以及卫星波束内对应的最大方位角β，通过二分法可以得到所述最大俯仰角α的近似解，将α取值40，则，可以确定最大偏置角p₁为16，小于最大偏置需求p₂，因此，根据

可知当所述LEO卫星纬度为3.75度时，需要关闭高纬度地区的3个波束，其中n值等于条带波束南北方向的波束宽度3，进一步地，可以计算得到如表1所示的需要至少关闭波束的数量与纬度间的对应关系，并进一步地设计LEO卫星载荷，使得在卫星降轨区域，逐步关闭相应数量的波束，并在卫星升轨区域，做出相应开波束的操作，以满足对应纬度上，需关闭的波束数量。

纬度(deg)	11.4	8.85	6.3	3.75
					关闭波束数量	0	1	2	3

表1

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (5)

1.一种减小NGSO系统终端离轴角的方法，其特征在于，包括：

根据所述NGSO系统的终端最大离轴角γ以及卫星波束内对应的最大方位角β，确定卫星在波束边沿的最大俯仰角α；

根据所述最大俯仰角α确定最大偏置角p1：

P₁＝α-mn，

其中，m为星下点的南北两侧分别具有的波束个数，以及n为条带波束南北方向的波束宽度；

若所述最大偏置角p₁小于最大偏置需求，则根据所述最大偏置角p₁和偏置需求p，以及条带波束南北方向的波束宽度，计算需要关闭的波束数量；以及

根据所述需要关闭的波束数量，设计所述NGSO系统的载荷，以减小所述NGSO系统终端离轴角。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最大俯仰角α根据所述NGSO系统的终端最大离轴角γ以及卫星波束内对应的最大方位角p，通过二分法计算得到。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述终端最大离轴角γ可根据如下公式确定：

其中，

r_n为卫星坐标，r_n＝(O，R_ncos(ψ)，R_nsin(ψ))^T，其中，R_n为卫星的轨道半径，ψ为卫星纬度；

P_e＝(x_e，y_e，z_e)^T为终端坐标，满足：

其中，R_e为地球半径，ρ为一常量，以及p为卫星与终端之间的方向向量：

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述需要关闭的波束数量i满足：

其中，n为条带波束南北方向的波束宽度。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述NGSO系统的载荷的设计包括，根据所述需要关闭的波束数量，在卫星降轨区域，逐步关闭相应数量的波束，以及在卫星升轨区域，做出相应开波束的操作，以满足对应纬度上，需要关闭的波束数量。

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