CN112383344A - 一种ngso卫星星座系统与地面系统频谱共用的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的一个实施例公开一种NGSO卫星星座系统与地面系统频谱共用的方法和系统，通过扩大NGSO卫星波束的覆盖范围实现NGSO卫星星座波束对地面的全面覆盖，当FSS地球站的发射波束中心方向和接收波束中心方向的仰角都远超过0°且接近90°时，NGSO卫星星座系统的波束与地面系统的波束形成天然的隔离角，在NGSO卫星系统与地面系统同频的情况下，与地面系统频谱共用。

Description

一种NGSO卫星星座系统与地面系统频谱共用的方法和系统
技术领域
本发明涉及卫星通信领域，更具体地，涉及一种NGSO卫星星座系统与地面系统频谱共用的方法和系统。
背景技术
为了区分地面业务和空间业务的地面台站，将地面业务的地面台站称为“基站”；将空间业务的地面台站称为“FSS地球站”。
地面业务基站与其用户终端之间的通信距离比较近，而且高度差小，所以地面业务的基站的发射波束与接收波束的中心指向相对于地面的仰角较小，同时，基站天线为了将能量聚焦，波束的发射(接收)增益将随着仰角的增大而减小，在仰角较小处波束的发射(接收)增益较大，在仰角较大处波束的增益较小。
由于地面业务的基站以及空间业务的FSS地球站可能在全球分布，以最极端的场景，基站和FSS地球站处于同一位置为例分析地面业务和空间业务的频率干扰情况。地面系统基站天线发射(接收)增益包络与卫星的相对位置示意图如图1所示，图中，γ1是地面系统的基站波束中心方向(包括发射波束中心方向和接收波束中心方向)相对于地面的仰角；γ2是空间系统的FSS地球站波束中心方向相对于地面的仰角；α是从基站观察到的基站中心方向与FSS地球站波束中心方向的夹角。根据以上分析，基站波束中心方向的仰角γ1接近于零，从而从基站观察到的基站中心方向与FSS地球站波束中心方向的夹角α约等于FSS地球站波束中心方向的仰角γ2。
基站天线波束在仰角较小处的接收增益较大，当空间系统的卫星发射波束相对于该基站的仰角较小时，基站的接收天线接收到GSO卫星的干扰将较大；同时，基站天线波束在仰角较低处的发射增益也较大，当空间系统的接收波束相对于该基站的仰角较小时，空间系统卫星的接收天线接收到基站的干扰也将较大。所以，当空间系统的卫星发射、接收波束相对于某基站的仰角较小时，空间系统与地面系统将会发生相互干扰。
谭海峰(谭海峰.面向5G典型候选频段的兼容性分析与频谱高效利用技术研究[D].北京邮电大学，2019.)的研究表明，对于参考频率均为3.5GHz的基站与FSS地球站，在基站采用自由空间模型，不考虑周围的地物损耗，FSS地球站仰角分别为15deg和45deg，基站与FSS地球站的隔离距离分别为0.05km和0.1km的情况下，基站对FSS地球站的平均干扰余量如表1所示，表1表明，在隔离距离为50m、FSS地球站仰角为15deg时，为保证基站对FSS地球站的干扰不超过特定保护门限，干扰功率需要再降低35dB左右；而在隔离距离为50m、FSS地球站仰角为45deg时，为保证基站对FSS地球站的干扰不超过特定保护门限，干扰功率需要只降低25dB左右即可。
根据表1可以得出：在其他参数相同的情况下，仰角15deg的FSS地球站接收到基站的平均干扰强度比仰角45deg的FSS地球站接收到基站的平均干扰强度约大4.3dB～10.3dB，从而增加FSS地球站的通信仰角，可以大幅度降低从基站接收到的干扰，相应的，也会降低FSS地球站对基站的干扰。
表1不同仰角、隔离距离处的平均干扰余量
Figure BDA0002776825180000021
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种NGSO卫星星座系统与地面系统频谱共用的方法，能够满足NGSO卫星星座与地面系统频谱共用的情况下，实现NGSO卫星星座波束对地面全覆盖。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明第一方面提供一种NGSO卫星星座系统与地面系统频谱共用的方法，通过扩大NGSO卫星波束的覆盖范围实现NGSO卫星星座波束对地面的全面覆盖，当FSS地球站的发射波束中心方向和接收波束中心方向的仰角都远超过0°且接近90°时，NGSO卫星星座系统的波束与地面系统的波束形成天然的隔离角，在NGSO卫星系统与地面系统同频的情况下，与地面系统频谱共用。
在一个具体实施例中，通过增加NGSO卫星的数量来扩大NGSO卫星波束的覆盖范围。
在一个具体实施例中，当相邻NGSO卫星波束在地面的覆盖边缘相互重叠时实现NGSO卫星星座波束对地面的全面覆盖。
本发明第二方面提供一种利用本发明第一方面的方法组成的空间系统，包括：
N个轨道面；
所述N个轨道面中的每个轨道面包括M颗NGSO卫星，其中所述N*M颗卫星的波束对地面全面覆盖。
在一个具体实施例中，所述NGSO卫星在空间系统中均匀分布。
本发明的有益效果如下：
本发明的一种NGSO卫星星座系统与地面系统频谱共用的方法和系统，给出了一种空间系统的地球站FSS地球站波束方向与地面系统的地面电台基站波束方向空间隔离的设计方法，可以形成空间系统和地面系统的天然隔离角，从而可以通过空间隔离策略实现空间系统和地面系统的频率兼容，促进频谱资源的高效使用。
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示出地面系统基站天线发射(接收)增益包络与卫星的相对位置的示意图。
图2示出GSO卫星相对于基站的仰角示意图。
图3示出GSO卫星相对于FSS地球站的仰角随FSS地球站纬度的变化示意图。
图4示出根据本发明的实施例的NGSO星座系统的对地覆盖以及相对于地面台站基站的仰角示意图。
图5示出根据本发明的实施例的低轨星座相对于地球站的一重覆盖时间百分比。
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。
由于对地静止卫星轨道(Geostationary Satellite Orbit，GSO)卫星相对特定地点的FSS地球站的仰角接近固定，所以GSO卫星系统对FSS地球站的跟星要求低，目前，GSO通信卫星系统在国际上已经具备较强的技术积累并开始提供市场服务，GSO卫星相对于基站的仰角示意图如图2所示。但是，GSO卫星系统也有明显缺点，包括通信距离远、通信时延大、不同纬度的FSS地球站通信仰角差别巨大等，特别是不同纬度的FSS地球站通信仰角差别巨大对GSO卫星系统与地面系统频率兼容提出了巨大挑战。
GSO卫星与FSS地球站经度差为0°、20°、40°以及60°情况下，GSO卫星相对于FSS地球站的仰角随FSS地球站纬度的变化如图3所示，可以看出：在GSO卫星与FSS地球站经度差固定的情况下，GSO卫星相对于FSS地球站的仰角随FSS地球站纬度增加而减小，在GSO卫星与FSS地球站经度差为0°时，FSS地球站纬度从0°增加到70°，GSO卫星相对于该FSS地球站的仰角从90°减小到11.5°；在FSS地球站纬度固定的情况下，GSO卫星相对于FSS地球站的仰角随FSS地球站与GSO卫星经度差增加而减小；GSO卫星相对于纬度70度的所有FSS地球站，仰角均低于12°。
对于高纬度区域，GSO卫星的发射波束信号方向相对于地面的仰角较低，所以，GSO卫星系统与地面系统会发生相互干扰，并且干扰随着纬度的增加而增加。
因此，本发明提出一种NGSO卫星星座系统与地面系统频谱共用的方法和系统，本发明提供的方法通过增加NGSO卫星的数量来扩大NGSO卫星波束的覆盖范围，当卫星数量越多，从地面观察到的卫星数量就越多，当相邻NGSO卫星波束在地面的覆盖边缘相互重叠时，进而实现NGSO卫星星座波束对地面的全面覆盖。NGSO星座系统的对地覆盖以及相对于基站的仰角示意图如图4所示，FSS地球站通过选择仰角较大的卫星进行通信，可以实现空间系统FSS地球站的通信仰角持续较大，当FSS地球站的发射波束中心方向和接收波束中心方向的仰角都远超过0°且接近90°时，NGSO卫星星座系统的波束与地面系统的波束形成天然的隔离角，在NGSO卫星系统与地面系统同频的情况下，与地面系统频谱共用。
在一个具体实施例中，本实施例的NGSO星座系统为低轨道星座系统，星座的构型参数如表2所示。
表2星座构型参数
Figure BDA0002776825180000041
Figure BDA0002776825180000051
对于最低仰角为50deg的FSS地球站，其可视范围内(即50deg仰角以上的空间内)存在超过一颗卫星的时间百分比随FSS地球站的纬度如图5所示，因此表2参数表征的低轨星座，相对于最低仰角为50deg的FSS地球站，一重覆盖的时间百分比始终为100％，因此，对于表2参数表征的星座，可以始终保证其FSS地球站的通信仰角超过50deg，从而NGSO星座系统FSS地球站的波束与地面系统的波束可以形成天然的隔离角，在NGSO卫星系统与地面系统在同频的情况下，不会对对方造成不可接受的干扰，从而实现了空间系统与地面系统的频谱共用。
本发明的方法获得的空间系统即为NGSO星座系统，该系统采用非对地静止卫星轨道(Non-Geostationary Satellite Orbit，NGSO)，特别是中轨道和低轨道。由于单颗NGSO卫星的覆盖地面面积有限，为了实现全球服务，需要由上百颗、甚至成百上千颗NGSO卫星组网形成星座，才能实现全球覆盖，本发明提供的系统中包括N个轨道面；所述N个轨道面中的每个轨道面包括M颗NGSO卫星，其中所述N*M颗卫星的波束对地面全面覆盖。所述NGSO卫星在空间系统中均匀分布。
本发明针对目前现有的问题，提供一种NGSO卫星星座系统与地面系统频谱共用的方法和系统，给出了一种空间系统的地球站FSS地球站波束方向与地面系统的地面电台基站波束方向空间隔离的设计方法，可以形成空间系统和地面系统的天然隔离角，从而可以通过空间隔离策略实现空间系统和地面系统的频率兼容，促进频谱资源的高效使用。
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 (5)

1.一种NGSO卫星星座系统与地面系统频谱共用的方法，其特征在于，通过扩大NGSO卫星波束的覆盖范围实现NGSO卫星星座波束对地面的全面覆盖，当FSS地球站的发射波束中心方向和接收波束中心方向的仰角都远超过0°且接近90°时，NGSO卫星星座系统的波束与地面系统的波束形成天然的隔离角，在NGSO卫星系统与地面系统同频的情况下，与地面系统频谱共用。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：通过增加NGSO卫星的数量来扩大NGSO卫星波束的覆盖范围。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：当相邻NGSO卫星波束在地面的覆盖边缘相互重叠时实现NGSO卫星星座波束对地面的全面覆盖。
4.一种利用权利要求1-3中任一项所述的方法组成的空间系统，其特征在于，包括：
N个轨道面；
所述N个轨道面中的每个轨道面包括M颗NGSO卫星，其中所述N*M颗卫星的波束对地面全面覆盖。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述NGSO卫星在空间系统中均匀分布。
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