CN112653508A - 巨型星座干扰概率分布的获取方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种巨型星座干扰概率分布的计算方法及装置，涉及卫星通信的技术领域，包括：获取受扰星座分布，受扰星座地球站接入卫星；将受扰星座地球站的可视空域依据施扰星座卫星概率划分多个子空域，其中，每个子空域内存在一颗虚拟卫星；计算单个子空域内虚拟卫星对受扰通信链路的干扰值，其中，干扰值由施扰星座所包含的不同子星座产生的干扰计算得到；然后计算所有子空域虚拟卫星的干扰，进而得到当前通信链路受到的集总干扰；最后通过获取受扰星座系统接入卫星的概率，进而得到干扰概率分布。本发明缓解了现有技术中存在的利用外推方法计算效率较低的技术问题，大幅提高干扰概率分布的计算效率，且与传统方法具有相同准确度。

Description

巨型星座干扰概率分布的获取方法及装置

技术领域

本发明涉及一种移动通信中卫星通信系统技术领域，特别是关于一种巨型星座干扰概率分布的获取方法及装置。

背景技术

巨型星座是互联网星座发展方向之一，其卫星数量通常远大于传统星座，且星座构型更为复杂，通常包括多个不同轨道高度、构型的子星座。随着卫星数量的增加，星间同频干扰的问题更加突出。

干扰概率分布是干扰分析、制定干扰减缓策略的前提，是评估星座间干扰的常见评价手段，通常采用外推卫星轨道位置、统计不同干扰值出现时间占比的方法获得。在巨型星座场景下，沿用外推方法将导致计算量大幅上升，甚至出现普通PC机无法完成仿真等情况。数值法是获取干扰概率分布的另一种方式，但目前研究较少。一般通过计算卫星出现概率/概率密度的方式，在不同区域内放置基准卫星生成卫星星座，以表征不同星座分布的概率。最终，统计星座间产生干扰的概率，逼近干扰概率分布曲线。虽然数值法通过概率方式降低了计算量，无需轨道外推，但依旧需要生成卫星星座。在星座层数较少时，具有较好拟合效果，但随着卫星层数的增加，计算量增长显著。

目前，大部分研究侧重于在不同场景下获取更为准确的干扰分析模型，而简化干扰概率分布计算的研究较少。此外，由于巨型星座通常具有多个不同轨道高度、构型的子星座，因此，如何降低涉及多个轨道高度的巨型星座的计算量，将成为未来研究中需要考虑的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种巨型星座干扰概率分布的获取方法及装置，其适用于计算多种不同轨道高度的星座。将不同可视卫星对通信链路造成的干扰，表征为不同可视空域内依概率存在的卫星对通信链路造成的干扰，无需外推轨道、生成星座等过程，大幅降低计算量。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种巨型星座干扰概率分布的获取方法，其包括以下步骤：

获取受扰星座分布，受扰星座地球站接入卫星；

将受扰星座地球站的可视空域划分为多个子空域；

计算单个子空域内虚拟卫星对受扰通信链路的干扰值；

计算所有子空域虚拟卫星的干扰值，得到当前通信链路受到的集总干扰；

获取受扰星座系统接入卫星的概率，进而得到干扰概率分布。

进一步，所述可视空域的划分方法为：以施扰星座星座卫星出现概率为1时的空域面积作为子空域的面积，依据该施扰星座卫星概率将可视空域被分成多个子空域；每个子空域内存在一颗虚拟卫星。

进一步，所述单个子空域内虚拟卫星对受扰通信链路的干扰值由施扰星座所包含的不同子星座产生的干扰计算得到。

进一步，所述干扰值计算方法为：

计算子空域i内不同层轨道高度的卫星出现概率与不同轨道高度卫星对地球站与受扰卫星j之间链路产生的干扰，将两者乘积求和得到该子空域中静态虚拟卫星对受扰卫星j产生的干扰I_j,i。

进一步，所述地球站受到的集总干扰I_j为：

式中，N为子空域的个数。

进一步，所述接入卫星的方法为：判断受扰星座是否满足Walker星座条件，若满足则接入卫星；反之，若不满足Walker星座条件，则需要外推受扰星座轨道以选择接入卫星。

进一步，满足Walker星座条件时接入卫星的方法包括以下步骤：

5.1)以同轨道相邻卫星平近点角差、相邻轨道相邻卫星升交点赤经差为范围，划定一块区域，称此区域为设置区域；

5.2)在设置区域内划分子区域，每个子区域的面积需满足预设仿真精度需求；

5.3)令每个区域内存在基准卫星，计算每个子区域内卫星出现概率；

5.4)选取基准卫星S_j，其卫星出现概率为p_j，生成星座快照，在此星座快照下依据接入策略接入卫星，则得到该接入卫星的概率。

进一步，若满足Walker星座条件，则干扰概率分布的获取方法为：

循环计算受扰星座不同快照下接入卫星受到的集总干扰，得到干扰值,将不同干扰值归并至相应的干扰区间，不同干扰值所对应的概率累加为当前干扰区间的概率值；对所有干扰值与概率值重复此过程，得到干扰概率分布。

进一步，若不满足Walker星座条件，则干扰概率分布的获取方法为：

根据预先设置的外推时长和外推步长，获得所有仿真时刻，记录不同时刻集总干扰，统计所有时刻点干扰值出现频率，最终得到干扰概率分布。

一种巨型星座干扰概率分布的获取装置，其包括：接入模块、划分模块、干扰值计算模块、集总干扰获取模块和分布获取模块；

所述接入模块获取受扰星座分布，受扰星座地球站接入卫星；

所述划分模块将受扰星座地球站的可视空域划分为多个子空域；

所述干扰值计算模块用于计算单个子空域内虚拟卫星对受扰通信链路的干扰值；

所述集总干扰获取模块用于计算所有子空域虚拟卫星的干扰值，得到当前通信链路受到的集总干扰；

所述分布获取模块用于获取受扰星座系统接入卫星的概率，进而得到干扰概率分布。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、在巨型星座场景下，由于卫星数量庞大、轨道构型复杂导致传统方法计算干扰概率分布的效率很低，因此本发明通过在可视空域划分子空域，在子空域内设置虚拟卫星计算干扰，最终以更高效的方式获取涉及多轨道高度的巨型星座干扰概率分布。2、本发明通过将动态变化的卫星静态化处理，大幅提高计算干扰概率分布的效率，计算结果与外推结果具有相同的准确度，可快速计算巨型星座的干扰概率分布。

附图说明

图1是本发明方法的整体流程示意图。

图2是本发明的Walker星座场景示意图。

图3是外推场景示意图。

图4是本发明实施例中A、B星座轨道外推60天与本发明方法的干扰概率分布对比图(单层星座)。

图5是本发明实施例中A、B星座轨道外推60天与本发明法的累积干扰概率分布对比图(单层星座)。

图6是本发明实施例中划分子空域及其卫星位置与星座卫星出现概率示意图(俯仰/方位角维度)。

图7是本发明实施例中A、B星座轨道外推60天与本专利方法的干扰概率分布对比图(多种轨道构型)。

图8是本发明实施例中A、B星座轨道外推60天与本专利方法累积干扰概率分布对比图(多种轨道构型)。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种巨型星座干扰概率分布的获取方法，其包括以下步骤：

1)获取受扰星座分布，受扰星座地球站接入卫星；

2)划分可视空域：依据巨型星座B的星座卫星出现概率对地球站可视空域划分子空域；其中，每个子空域内依概率存在一颗星座B静态虚拟卫星，即以星座卫星出现概率p_c为1时的空域面积作为子空域的面积，此时，可视空域被分成N个子空域；

在本实施例中，巨型星座系统主要存在以下约束条件：

(1)巨型星座为施扰星座，星座规模通常为万颗量级；

(2)巨型星座通常涉及多个轨道高度的子星座，不同子星座构型通常不同。

基于以上约束条件，考虑一个受扰星座A，其中包括一个星座A地球站u，和巨型施扰星座B同频共存的场景，巨型施扰星座共有M个子星座，即共有M种不同轨道高度的卫星。

将星座内任意轨道高度任意一颗卫星出现在子空域内的概率定义为星座卫星出现概率p_c。星座卫星出现概率为不同轨道高度卫星出现概率的叠加，设某一子空域D内的不同轨道高度卫星出现概率为p₁,p₂,...,p_M，则星座卫星出现概率p_c为：

3)计算单个子空域内虚拟卫星对受扰通信链路的干扰值；

计算子空域D_j,i(i＝1,2,...,N)内不同层轨道高度的卫星出现概率p_j,i,1,p_j,i,2,...,p_j,i,M与不同轨道高度卫星对地球站与受扰卫星j之间链路产生的干扰I_j,i,1,...,I_j,i,M，则子空域D_j,i中静态虚拟卫星对受扰卫星j产生的干扰I_j,i为：

4)计算所有子空域虚拟卫星的干扰值，得到当前通信链路受到的集总干扰：N个子空域内所有施扰星座B的静态虚拟卫星都会对卫星j与地球站间的链路造成干扰，则地球站受到的集总干扰I_j为：

5)获取受扰星座系统接入卫星的概率，进而得到干扰概率分布；

接入卫星的方法为：判断受扰星座A是否满足Walker星座条件，若满足则接入卫星；反之，若不满足Walker星座条件，则需要外推受扰星座轨道以选择接入卫星，设当前时刻依据接入策略接入卫星j；

满足Walker星座条件时接入卫星的方法包括以下步骤：

5.1)以同轨道相邻卫星平近点角差F_d、相邻轨道相邻卫星升交点赤经差Ω_d为范围，划定一块区域，称此区域为设置基准卫星区域(下称设置区域)；

5.2)在设置区域内划分子区域，每个划分区域的面积需满足预设仿真精度(如仿真步长精度)需求，设此时共划分K个区域；

5.3)令每个区域内存在卫星(称其为基准卫星)，计算每个子区域内卫星出现概率P_K×1；

5.4)选取基准卫星S_j(j＝1,..,K)，其卫星出现概率为p_j(p_j∈P_k×1)，生成星座快照，在此星座快照下依据接入策略接入卫星j，则接入卫星j的概率为p_j；

在本实施例中，接入策略采用已有技术，在此不再赘述。

干扰概率分布获取方法为：

若满足Walker星座条件，则集总干扰I_j的概率为p(I_j)＝p_j，循环计算A星座不同快照下接入卫星受到的集总干扰，得到干扰值I_K×1,将不同干扰值归并至相应的干扰区间，不同干扰值所对应的概率累加为当前干扰区间的概率值：

其中，P(I)为干扰值在区间[I-1,I]的概率。对所有干扰值与概率值重复此过程，得到干扰概率分布；

若不满足Walker星座条件，设外推时长为T，外推步长为t,则共有n(n＝^T)个

t仿真时刻，记录不同时刻集总干扰I_n×1，统计所有时刻点干扰值出现频率，最终，得到干扰概率分布。

上述实施例中，若不同轨道高度子星座卫星的构型、数量相差较大，则需依据不同子星座构型分别划分子空域。依据子星座构型、数量，将M种子星座划分为m(m≤M)个子集，记为C_i，i＝1,2,...,m，

相同子集内子星座的构型、数量相近。参照上述方法，对子集C₁划分N₁个子空域、对子集C₂划分N₂个子空域，以此类推。分别计算所有子空域(共有

个子空域)内虚拟卫星产生的干扰，计算方法与上述相同，得到干扰概率分布。

上述实施例中，本发明的方法同样适用于GSO受扰星座。步骤1)～5)中Walker星座场景与外推场景示意图如图2、图3所示。

本发明还提供一种巨型星座干扰概率分布的获取装置，其包括：接入模块、划分模块、干扰值计算模块、集总干扰获取模块和分布获取模块；

接入模块获取受扰星座分布，受扰星座地球站接入卫星；

划分模块将受扰星座地球站的可视空域划分为多个子空域；

干扰值计算模块用于计算单个子空域内虚拟卫星对受扰通信链路的干扰值；

集总干扰获取模块用于计算所有子空域虚拟卫星的干扰值，得到当前通信链路受到的集总干扰；

分布获取模块用于获取受扰星座系统接入卫星的概率，进而得到干扰概率分布。

实施例：

在本实施例中，选用表1、表2和表4中的参数完成仿真，分析星座间下行干扰的概率分布情况。其中，A星座是受扰星座，为普通NGSO(非静止轨道)星座；B星座是干扰巨型星座，为单一轨道高度星座。表4为多轨道高度干扰巨型星座(B_n代表第n个子星座)。仿真中均采用Walker星座(具体地，Walker星座又可分为星形星座和δ星座)。A星座采用最短距离接入策略，其卫星均使用动态点波束，采用凝视服务方式；B星座为使用固定波束，采用对地定向方式。

表1NGSO星座系统仿真参数(单层星座)

表2通信仿真参数

在本实施例中，干扰计算方法如下：

当A星座接入卫星j，卫星i为B星座可视卫星之一，则卫星j受到卫星i的干扰为：

其中，G_t(θ₁)为卫星i星上波束在A星座地球站方向上的发射增益，θ₁为波束中心方向与A星座地面站方向的夹角，G_r(θ₂)为A星座地球站在卫星i方向上的接收增益，θ₂为卫星j、地面站与卫星i的夹角，λ为通信波长，d_i为卫星i到地球站的距离，p_i'为卫星i发射功率p_i折算到重叠频段的等效发射功率。设A星座系统与B星座系统的通信频点相同，则p_i'与p_i呈线性关系：

其中W_conA、W_conB为星座A、B的通信带宽。则地球站接收到来自B星座的集总干扰噪声比为：

其中，T_A为受扰星座A地球站接收端的等效噪声温度。

在本实施例中，干扰概率分布计算方法步骤如下：

1)获取受扰星座分布，受扰星座地球站接入卫星；

2)划分可视空域：依据巨型星座B的星座卫星出现概率对地球站可视空域划分子空域，以星座卫星出现概率p_c为1时的空域面积作为子空域的面积，此时，可视空域被分成317个子空域；

3)计算单个子空域干扰值：此星座为单一轨道高度，计算子空域D_j,i(i＝1,2,...,N)内的卫星出现概率p_j,i,1与干扰卫星对地球站与卫星j之间链路产生的干扰I_j,i,1，则子空域D_j,i对卫星j产生的干扰为：I_j,i＝I_j,i,1·p_j,i,1；

4)计算所有子空域干扰值：317个子空域内所有B星座卫星都会对卫星j与地球站间的链路造成干扰，则地球站受到的集总干扰I_j为：

5)获取受扰星座系统接入卫星的概率，进而得到干扰概率分布；

接入卫星的方法为：对受扰星座A，其满足Walker星座条件：

5.1)以同轨道相邻卫星平近点角差、相邻轨道相邻卫星升交点赤经差为范围，划定一块区域；

5.2)在设置区域内划分子区域，每个划分区域的面积需满足仿真5sec精度需求，设此时共划分4225个区域；

5.3)每个区域内存在基准卫星，计算每个子区域卫星出现概率P_4225×1；

5.4)选取基准卫星S_j(j＝1,..,4225)，其卫星出现概率为p_j(p_j∈P_4225×1)，生成星座快照，在此星座快照下依据接入策略接入卫星j，则接入卫星j的概率为p_j；

干扰概率分布的获取方法为：集总干扰I_j的概率为p(I_j)＝p_j，循环计算A星座不同快照下接入卫星受到的集总干扰，得到干扰值I_4225×1,将不同干扰值归并至相应的干扰区间，不同干扰值所对应的概率累加为当前干扰区间的概率值:

其中，P(I)为干扰值在区间[I-1,I]的概率。对所有干扰值与概率值重复此过程，得到干扰概率分布。

如图4、图5所示，为A、B星座通过本发明的方法和外推法仿真60天(5秒步长)的对比结果。可以看出，两种方法累积概率分布曲线几乎一致，干扰概率分布曲线在-10dB左右存在0.15左右的误差，这是由于对动态变化的卫星静态化近似造成的。

如图6所示，为仿真中划分子空域及对应卫星与概率的示意图(俯仰/方位角维度)，实线代表最低仰角，圆点代表卫星位置。由于不同子空域内限定了卫星位置，卫星分布较均匀，导致了一部分的误差，但对累计干扰分布曲线的影响很小。

表3仿真时长对比

仿真时长对比如表3所示，可以看出，本发明的方法相比外推方法在效率上有极大的提升。需要说明的是，由于计算机内存限制，本实施例仿真使用的PC机仅可仿真1天的外推情况，最终60天外推仿真结果为多次仿真结果的合并处理得到。

表4干扰星座系统仿真参数(多种轨道构型)

表4为另一组巨型干扰星座系统的仿真参数，为多轨道高度星座，包含星形星座和δ星座，具有更多卫星。多层干扰星座计算方法与前述方法类似，下面仅针对步骤中不同内容展开阐述：

1)划分可视空域：依据巨型星座B的星座卫星出现概率对地球站可视空域划分子空域，以星座卫星出现概率p_c为1时的空域面积作为子空域的面积，此时，可视空域被分成200个子空域；

2)计算单个子空域干扰值：此星座为多轨道高度星座，计算子空域D_j,i(i＝1,2,...,200)内不同层轨道高度的卫星出现概率p_j,i,1,p_j,i,2,...,p_j,i,4与不同轨道高度卫星对地球站与卫星j之间链路产生的干扰I_j,i,1,...,I_j,i,4，则计算子空域D_j,i对卫星j产生的干扰为：

3)计算所有子空域干扰值：200个子空域内所有B星座卫星都会对卫星j与地球站间的链路造成干扰，则地球站受到的集总干扰I_j为：

最终干扰概率分布仿真结果如图7所示。

如图7、图8所示，干扰概率分布曲线在干扰值较小的区域(放大区域)，存在部分干扰值概率为0的情况，误差原因与前述相同：不同子空域卫星均匀分布，导致产生较小的干扰值的情况无法仿真得到(即共线干扰方向卫星分布稀疏)。表5展示了两种方法的仿真时长对比，可以看出，虽然星座层数、卫星数量明显增加，但本专利方法的计算时长并没有显著提升，同样具有较高的计算效率，相较外推法提高2个数量级。

表5仿真时长对比

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

Claims (10)

1.一种巨型星座干扰概率分布的获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取受扰星座分布，受扰星座地球站接入卫星；

将受扰星座地球站的可视空域划分为多个子空域；

计算单个子空域内虚拟卫星对受扰通信链路的干扰值；

计算所有子空域虚拟卫星的干扰值，得到当前通信链路受到的集总干扰；

获取受扰星座系统接入卫星的概率，进而得到干扰概率分布。

2.如权利要求1所述获取方法，其特征在于，所述可视空域的划分方法为：以施扰星座星座卫星出现概率为1时的空域面积作为子空域的面积，依据该施扰星座卫星概率将可视空域被分成多个子空域；每个子空域内存在一颗虚拟卫星。

3.如权利要求1所述获取方法，其特征在于，所述单个子空域内虚拟卫星对受扰通信链路的干扰值由施扰星座所包含的不同子星座产生的干扰计算得到。

4.如权利要求3所述获取方法，其特征在于，所述干扰值计算方法为：

计算子空域i内不同层轨道高度的卫星出现概率与不同轨道高度卫星对地球站与受扰卫星j之间链路产生的干扰，将两者乘积求和得到该子空域中静态虚拟卫星对受扰卫星j产生的干扰I_j,i。

5.如权利要求4所述获取方法，其特征在于，所述地球站受到的集总干扰I_j为：

式中，N为子空域的个数。

6.如权利要求1所述获取方法，其特征在于，所述接入卫星的方法为：判断受扰星座是否满足Walker星座条件，若满足则接入卫星；反之，若不满足Walker星座条件，则需要外推受扰星座轨道以选择接入卫星。

7.如权利要求6所述获取方法，其特征在于，满足Walker星座条件时接入卫星的方法包括以下步骤：

5.1)以同轨道相邻卫星平近点角差、相邻轨道相邻卫星升交点赤经差为范围，划定一块区域，称此区域为设置区域；

5.2)在设置区域内划分子区域，每个子区域的面积需满足预设仿真精度需求；

5.3)令每个区域内存在基准卫星，计算每个子区域内卫星出现概率；

5.4)选取基准卫星S_j，其卫星出现概率为p_j，生成星座快照，在此星座快照下依据接入策略接入卫星，则得到该接入卫星的概率。

8.如权利要求6所述获取方法，其特征在于，若满足Walker星座条件，则干扰概率分布的获取方法为：

循环计算受扰星座不同快照下接入卫星受到的集总干扰，得到干扰值,将不同干扰值归并至相应的干扰区间，不同干扰值所对应的概率累加为当前干扰区间的概率值；对所有干扰值与概率值重复此过程，得到干扰概率分布。

9.如权利要求6所述获取方法，其特征在于，若不满足Walker星座条件，则干扰概率分布的获取方法为：

根据预先设置的外推时长和外推步长，获得所有仿真时刻，记录不同时刻集总干扰，统计所有时刻点干扰值出现频率，最终得到干扰概率分布。

10.一种巨型星座干扰概率分布的获取装置，其特征在于，包括：接入模块、划分模块、干扰值计算模块、集总干扰获取模块和分布获取模块；

所述接入模块获取受扰星座分布，受扰星座地球站接入卫星；

所述划分模块将受扰星座地球站的可视空域划分为多个子空域；

所述干扰值计算模块用于计算单个子空域内虚拟卫星对受扰通信链路的干扰值；

所述集总干扰获取模块用于计算所有子空域虚拟卫星的干扰值，得到当前通信链路受到的集总干扰；

所述分布获取模块用于获取受扰星座系统接入卫星的概率，进而得到干扰概率分布。

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