CN112039576B - 一种异轨星间通信链路波束指向误差计算方法和模块 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例公开一种异轨星间通信链路波束指向误差计算方法、模块、存储介质和计算机设备，所述方法包括：S10、确定天线波束指向的误差源参数，包括：天线自身指向角度精度a₁，a₂，天线安装基准角度偏差b₁，b₂，卫星姿态指向精度c₁，c₂，卫星姿态稳定精度ω_s1，ω_s2，卫星轨道数据更新周期t₀，两星相对俯仰角速度最大值ω₁，两星相对偏航角速度最大值ω₂，轨道信息传输与处理总时延Δt；S30、根据公式θ₁＝a₁+b₁+c₁+ω_s1·t₀+ω₁·Δt计算天线波束指向偏差角度在俯仰方向的分量；S50、根据公式θ₂＝a₂+b₂+c₂+ω_s2·t₀+ω₂·Δt计算天线波束指向偏差角度在偏航方向的分量θ₂；S70、将所述θ₁和所述θ₂代入公式θ＝(θ₁ ²+θ₂ ²)^1/2，计算天线波束指向偏差角度θ。

Description

一种异轨星间通信链路波束指向误差计算方法和模块

技术领域

本发明涉及卫星通信领域，更具体地，涉及一种异轨星间通信链路波束指向误差计算方法、模块、存储介质和计算机设备。

背景技术

在低轨卫星通信系统中，星座中的各卫星可通过星间通信链路(简称星间链路)实现卫星之间的数据通信和信息交互，在不依赖地面信关站的情况下实现通信业务跨区域传输。目前，以SpaceX为代表的多家公司均提出了基于星间链路组网的低轨宽带卫星通信系统，采用星间链路的卫星通信系统成为主要发展趋势之一。

卫星与相邻轨道卫星建立的星间通信链路称为异轨星间链路，由于相邻轨道的两卫星之间的相对方位角度的变化幅度较大，同时考虑尽可能降低天线功耗、提高信息传输速率，通常采用可移动点波束实现星间点对点通信。

天线波束的指向精确度是决定星间通信性能的关键因素之一，卫星发射的点波束，为获得最佳通信效果，点波束的最大增益点应位于两卫星的连线上；但实际上由于卫星存在各种姿态扰动、设备安装偏差等，位于两卫星连线上的是波束的非最大增益点，由此带来通信链路上的功率损失。

可见，分析计算星间链路波束指向偏差是系统设计中的一个重要环节，可以为通信链路计算提供理论依据，保证工程设计关键指标参数的准确性。

发明内容

有鉴于此，本发明的第一个实施例提供一种异轨星间通信链路波束指向误差计算方法，包括：

S10、确定天线波束指向的误差源参数，包括：天线自身在俯仰方向指向角度精度a₁，天线自身在偏航方向指向角度精度a₂，天线安装基准在俯仰方向角度偏差b₁，天线安装基准在偏航方向角度偏差b₂，卫星俯仰方向姿态指向精度c₁，卫星偏航方向姿态指向精度c₂，卫星俯仰姿态稳定精度ω_s1，卫星偏航姿态稳定精度ω_s2，卫星轨道数据更新周期t₀，两星相对俯仰角速度最大值ω₁，两星相对偏航角速度最大值ω₂，轨道参数传输与处理总时延Δt；

S30、根据公式(1)计算天线波束指向偏差角度在俯仰方向的分量

θ₁＝a₁+b₁+c₁+ω_s1·t₀+ω₁·Δt (1)

式中，θ₁为天线波束指向偏差角度在俯仰方向的分量；

S50、根据公式(2)计算天线波束指向偏差角度在偏航方向的分量

θ₂＝a₂+b₂+c₂+ω_s2·t₀+ω₂·Δt (2)

式中，θ₂为天线波束指向偏差角度在偏航方向的分量；

S70、将所述θ₁和所述θ₂代入公式(3)，计算天线波束指向偏差角度

θ＝(θ₁ ²+θ₂ ²)^1/2 (3)

式中，θ为天线波束指向偏差角度。

在一个具体实施例中，所述S10还包括：通过卫星总体技术指标和天线设计指标获取所述a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂、ω_s1、ω_s2和t₀。

在一个具体实施例中，所述S10还包括：根据两卫星轨道相对变化特性获取所述ω₁和ω₂。

在一个具体实施例中，获取所述Δt的步骤包括

确定发送端的轨道参数传输与处理时延t₁；确定电磁波在自由空间的传播时延t_s；确定接收端的轨道参数传输与处理时延t₂，将所述t₁、t_s和t₂代入公式(4)中

Δt＝t₁+t_s+t₂ (4)

从而得到所述轨道参数传输与处理总时延Δt。

在一个具体实施例中，所述天线波束指向偏差角度为发射点波束的卫星和实际最大增益点的连线与建立星间链路的两个异轨卫星间的连线形成的夹角。

本发明的第二个实施例提供一种异轨星间通信链路波束指向误差计算模块，其特征在于，包括：

误差源参数确定单元，用于确定天线波束指向的误差源参数；

天线波束指向偏差角度计算单元，用于计算天线波束指向偏差角度。

本发明的第三个实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如第一个实施例所述的方法。

本发明的第四个实施例提供一种计算设备，包括处理器，其特征在于，所述处理器执行程序时实现如第一个实施例所述的方法。

本发明的有益效果如下：

本发明提出一种异轨星间链路波束指向误差计算方法，获得天线波束指向角度偏差的计算公式，能够为卫星关键工程参数的设计提供理论依据，有效保证异轨星间链路设计的准确性。

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示出星间链路波束指向示意图。

图2示出两卫星构建星间链路的最小系统原理图。

图3示出本发明的一个实施例的波束指向偏差角定义图。

图4示出本发明的一个实施例的计算机设备的结构示意图。

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。

实施例1

如图1所示，一种异轨星间通信链路波束指向误差分析方法，其特征在于，两卫星为相邻轨道卫星，所述方法包括：

S10、确定天线波束指向的误差源参数，包括：天线自身在俯仰方向指向角度精度a₁，天线自身在偏航方向指向角度精度a₂，天线安装基准在俯仰方向角度偏差b₁，天线安装基准在偏航方向角度偏差b₂，卫星俯仰方向姿态指向精度c₁，卫星偏航方向姿态指向精度c₂，卫星俯仰姿态稳定精度ω_s1，卫星偏航姿态稳定精度ω_s2，卫星轨道数据更新周期t₀，两星相对俯仰角速度最大值ω₁，两星相对偏航角速度最大值ω₂，轨道参数传输与处理时延Δt；

从卫星轨道运行特性、卫星姿态控制精度、星上天线安装精度、星上数据处理能力等多方面对影响天线波束指向的因素进行分析，误差源具体项目包括：卫星姿态指向精度，卫星姿态稳定精度，天线在卫星结构本体的安装精度，天线自身的指向精度(如机械伺服指向精度)，星间轨道参数传输与处理时延，以上误差源均包含俯仰方向和偏航方向两项。

通过卫星总体技术指标、天线设计指标获得a₁为天线自身在俯仰方向指向角度精度，a₂为天线自身在偏航方向指向角度精度，b₁为天线安装基准在俯仰方向角度偏差，b₂为天线安装基准在偏航方向角度偏差，c₁为卫星俯仰方向姿态指向精度，c₂为卫星偏航方向姿态指向精度，ω_s1为卫星俯仰姿态稳定精度，ω_s2为卫星偏航姿态稳定精度。

S10还包括：

S101、通过卫星总体技术指标和天线设计指标获取所述a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂、ω_s1、ω_s2和t₀。

一个示例中，如图2所示，卫星A和卫星B为建立星间链路的两颗邻轨卫星，卫星A/B实现星间通信的最小系统包括：导航接收机、星务计算机、路由器、星间链路天线。导航接收机A/B获得本星定位信息，以固定更新周期发送给星务计算机解算轨道参数，再通过星间天线将轨道参数发送给对方卫星。通过卫星总体技术指标、天线设计指标获得卫星A/B的主要技术指标如下：

1)三轴姿态指向精度：≤0.1°；

2)三轴姿态稳定度：≤0.02°/s；

3)天线机械伺服指向精度：≤0.03°；

4)天线在卫星本体安装精度：≤0.005°

5)卫星轨道参数更新周期：200ms；

确定误差源参数：

天线机械伺服的指向精度(a1＝0.03°；a2＝0.03°)；

天线在卫星结构本体的安装精度(b1＝0.005°；b2＝0.005°)；

卫星姿态指向精度(c1＝0.1°；c2＝0.1°)；

卫星姿态稳定度(ωs1＝0.02°/s；ωs2＝0.02°/s)。

S103、根据两卫星轨道相对变化特性，获取所述两星相对俯仰角速度最大值ω₁和所述两星相对偏航角速度最大值ω₂；

一个示例中，根据两卫星轨道相对变化特性，两卫星星间相对位置及姿态关系如下：

1)星间相对距离：1500～4800km；

2)两星相对俯仰角范围：-25°～-10°；

3)两星相对偏航角范围：-60°～+60°；

4)两星相对俯仰角速度最大值：0.04°/s；

5)两星相对偏航角速度最大值：0.2°/s。

获取所述Δt的步骤包括

确定发送端的轨道参数传输与处理时延t₁；确定电磁波在自由空间的传播时延t_s；确定接收端的轨道参数传输与处理时延t₂，将所述t₁、t_s和t₂代入公式(4)中

Δt＝t₁+t_s+t₂ (4)

从而得到所述轨道参数传输与处理总时延Δt。

在一个示例中，轨道信息数据在发送端(卫星B)的传输处理时延t₁包括：数据从导航接收机B传输到星务计算机B，再传输到路由器B再传输到星间天线B的传输时延；星务计算机B、路由器B、星间天线B的处理时延，记t₁＝74ms。

轨道参数在接收端(卫星A)的传输处理时延t₂包括：数据从星间天线A传输到路由器A再传输到星务计算机A的传输时延；星间天线A、路由器A、星务计算机A的处理时延，记t₂＝60ms。

自由空间的信号传播时延t_s等于星间距离除以光速，取最大值，计算可得：t_s＝4800km/3*10⁸km/s＝16ms。

星间轨道参数传输与处理时延Δt＝t₁+t_s+t₂＝150ms。

需要说明的是，本领域人员应当理解，虽然本实施例中以卫星获取轨道参数的方式为两异轨卫星通过星间链路互传轨道参数，但本发明对此不作限定，卫星获取轨道参数的方式也可以为地面测控站向卫星上注轨道参数。

S30、根据公式(1)计算天线波束指向偏差角度在俯仰方向的分量

θ₁＝a₁+b₁+c₁+ω_s1·t₀+ω₁·Δt (1)

式中，θ₁为天线波束指向偏差角度在俯仰方向的分量。

一个示例中，将上述所得数据和误差源参数带入公式(1)得到：

θ₁＝a₁+b₁+c₁+ω_s1·t₀+ω₁·Δt＝0.145°

S50、根据公式(2)计算天线波束指向偏差角度在偏航方向的分量

θ₂＝a₂+b₂+c₂+ω_s2·t₀+ω₂·Δt(2)

式中，θ₂为天线波束指向偏差角度在俯仰方向的分量。

一个示例中，将上所得述数据和误差源参数带入公式(2)得到：

θ₂＝a₂+b₂+c₂+ω_s2·t₀+ω₂·Δt＝0.169°

S70、根据公式(3)，计算天线波束指向角度偏差

θ＝(θ₁ ²+θ₂ ²)^1/2 (3)

天线波束指向偏差角为发射点波束的卫星和实际最大增益点的连线与建立星间链路的两个卫星间的连线形成的夹角。如图3所示，卫星A发射的点波束，为获得最佳通信效果，点波束的最大增益点M应位于两卫星的连线AB上；但实际上由于存在各种姿态扰动、指向等误差，位于连线AB上的是波束的非最大增益点N。图中∠NAM即为波束指向偏差角θ。

一个示例中，将上述所得数据带入公式(3)得到：

θ＝(θ₁ ²+θ₂ ²)^1/2＝0.223°

需要说明的是，本实施例中的数据仅作为说明性内容，对本发明不起限定性作用。

本发明提出一种异轨星间链路波束指向误差计算方法，获得天线波束指向角度偏差的计算公式，能够为卫星关键工程参数的设计提供理论依据，有效保证异轨星间链路设计的准确性。

实施例2

一种异轨星间通信链路波束指向误差计算模块，其特征在于，包括：

误差源参数确定单元，用于确定天线波束指向的误差源参数；

天线波束指向偏差角度计算单元，用于计算天线波束指向偏差角度。

本领域技术人员可以理解，本实施例中的装置还可以实现实施例1中所述的其它方法步骤，在此不再赘述。

本发明提出一种异轨星间链路波束指向误差计算方法，获得天线波束指向角度偏差的计算公式，能够为卫星关键工程参数的设计提供理论依据，有效保证异轨星间链路设计的准确性。

实施例3

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现实施例1所述的方法。

在实际应用中，所述计算机可读存储介质可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本实施例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。

计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

本发明提出一种异轨星间链路波束指向误差计算方法，获得天线波束指向角度偏差的计算公式，能够为卫星关键工程参数的设计提供理论依据，有效保证异轨星间链路设计的准确性。

实施例4

如图4所示，本发明的另一个实施例提供的一种计算机设备的结构示意图。图4显示的计算机设备12仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图4所示，计算机设备12以通用计算设备的形式表现。计算机设备12的组件可以包括但不限于：一个或者多个处理器或者处理单元16，系统存储器28，连接不同系统组件(包括系统存储器28和处理单元16)的总线18。

总线18表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线或者存储器控制器，外围总线，图形加速端口，处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。举例来说，这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构(ISA)总线，微通道体系结构(MAC)总线，增强型ISA总线、视频电子标准协会(VESA)局域总线以及外围组件互连(PCI)总线。

计算机设备12典型地包括多种计算机系统可读介质。这些介质可以是任何能够被计算机设备12访问的可用介质，包括易失性和非易失性介质，可移动的和不可移动的介质。

系统存储器28可以包括易失性存储器形式的计算机系统可读介质，例如随机存取存储器(RAM)30和/或高速缓存存储器32。计算机设备12可以进一步包括其它可移动/不可移动的、易失性/非易失性计算机系统存储介质。仅作为举例，存储系统34可以用于读写不可移动的、非易失性磁介质(图4未显示，通常称为“硬盘驱动器”)。尽管图4中未示出，可以提供用于对可移动非易失性磁盘(例如“软盘”)读写的磁盘驱动器，以及对可移动非易失性光盘(例如CD-ROM，DVD-ROM或者其它光介质)读写的光盘驱动器。在这些情况下，每个驱动器可以通过一个或者多个数据介质接口与总线18相连。存储器28可以包括至少一个程序产品，该程序产品具有一组(例如至少一个)程序模块，这些程序模块被配置以执行本发明各实施例的功能。

具有一组(至少一个)程序模块42的程序/实用工具40，可以存储在例如存储器28中，这样的程序模块42包括但不限于操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模块42通常执行本发明所描述的实施例中的功能和/或方法。

计算机设备12也可以与一个或多个外部设备14(例如键盘、指向设备、显示器24等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该计算机设备12交互的设备通信，和/或与使得该计算机设备12能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口22进行。并且，计算机设备12还可以通过网络适配器20与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图4所示，网络适配器20通过总线18与计算机设备12的其它模块通信。应当明白，尽管图4中未示出，可以结合计算机设备12使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。

处理器单元16通过运行存储在系统存储器28中的程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如实现本发明实施例所提供的一种异轨星间链路波束指向误差计算方法、模块。

本发明提出一种异轨星间链路波束指向误差计算方法，获得天线波束指向角度偏差的计算公式，能够为卫星关键工程参数的设计提供理论依据，有效保证异轨星间链路设计的准确性。

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 (8)

1.一种异轨星间通信链路波束指向误差计算方法，其特征在于，包括：

S10、确定天线波束指向的误差源参数，包括：天线自身在俯仰方向指向角度精度a₁，天线自身在偏航方向指向角度精度a₂，天线安装基准在俯仰方向角度偏差b₁，天线安装基准在偏航方向角度偏差b₂，卫星俯仰方向姿态指向精度c₁，卫星偏航方向姿态指向精度c₂，卫星俯仰姿态稳定精度ω_s1，卫星偏航姿态稳定精度ω_s2，卫星轨道数据更新周期t₀，两星相对俯仰角速度最大值ω₁，两星相对偏航角速度最大值ω₂，轨道参数传输与处理总时延Δt；

S30、根据公式(1)计算天线波束指向偏差角度在俯仰方向的分量

θ₁＝a₁+b₁+c₁+ω_s1·t₀+ω₁·Δt (1)

式中，θ₁为天线波束指向偏差角度在俯仰方向的分量；

S50、根据公式(2)计算天线波束指向偏差角度在偏航方向的分量

θ₂＝a₂+b₂+c₂+ω_s2·t₀+ω₂·Δt (2)

式中，θ₂为天线波束指向偏差角度在偏航方向的分量；

S70、将所述θ₁和所述θ₂代入公式(3)，计算天线波束指向偏差角度

θ＝(θ₁ ²+θ₂ ²)^1/2 (3)

式中，θ为天线波束指向偏差角度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S10还包括：通过卫星总体技术指标和天线设计指标获取所述a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂、ω_s1、ω_s2和t₀。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S10还包括：根据两卫星轨道相对变化特性获取所述ω₁和ω₂。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取所述Δt的步骤包括

确定发送端的轨道参数传输与处理时延t₁；确定电磁波在自由空间的传播时延t_s；确定接收端的轨道参数传输与处理时延t₂，将所述t₁、t_s和t₂代入公式(4)中

Δt＝t₁+t_s+t₂ (4)

从而得到所述轨道参数传输与处理总时延Δt。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述天线波束指向偏差角为发射点波束的卫星和实际最大增益点的连线与建立星间链路的两个异轨卫星间的连线形成的夹角。

6.一种异轨星间通信链路波束指向误差计算模块，其特征在于，包括：

误差源参数确定单元，用于确定天线波束指向的误差源参数；

其中，所述误差源参数包括：天线自身在俯仰方向指向角度精度a₁，天线自身在偏航方向指向角度精度a₂，天线安装基准在俯仰方向角度偏差b₁，天线安装基准在偏航方向角度偏差b₂，卫星俯仰方向姿态指向精度c₁，卫星偏航方向姿态指向精度c₂，卫星俯仰姿态稳定精度ω_s1，卫星偏航姿态稳定精度ω_s2，卫星轨道数据更新周期t₀，两星相对俯仰角速度最大值ω₁，两星相对偏航角速度最大值ω₂，轨道参数传输与处理总时延Δt；

天线波束指向偏差角度计算单元，用于根据公式

θ＝(θ₁ ²+θ₂ ²)^1/2

计算天线波束指向偏差角度；

其中，所述θ₁为天线波束指向偏差角度在俯仰方向的分量，

θ₁＝a₁+b₁+c₁+ω_s1·t₀+ω₁·Δt；

所述θ₂为天线波束指向偏差角度在偏航方向的分量，

θ₂＝a₂+b₂+c₂+ω_s2·t₀+ω₂·Δt。

7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的方法。

8.一种计算设备，包括处理器，其特征在于，所述处理器执行程序时实现如权利要求1-5中任一项所述的方法。

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