CN112803983B - 一种基于编队卫星分布式波束成形的高低轨频谱共享方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于编队卫星分布式波束成形的高低轨频谱共享方法，针对高低轨卫星通信系统之间频谱共享的场景，考虑上行链路中GEO卫星通信系统主用户和LEO卫星通信系统次级用户共用同一频率，提出了一种基于编队卫星协作波束成形技术的新型频谱共享方法，利用低轨编队飞行的卫星簇从空域角度解决高低轨卫星通信系统频率共享场景下的干扰问题，确保次级用户的通信性能；通过分析高低轨卫星系统共存时的同频干扰，采用线性约束最小方差准则的自适应波束成形方法，调整编队卫星的接收方向图指向，使波束主瓣方向对准与其通信的低轨卫星用户，零陷方向对准GEO地面站，从而提高低轨卫星系统的信干噪比，从空域维度上来缓解双卫星系统间的同频干扰。

Description

一种基于编队卫星分布式波束成形的高低轨频谱共享方法

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，主要涉及一种基于编队卫星分布式波束成形的高低轨频谱共享方法。

背景技术

目前，空间网络频率资源主要由国际电信联盟(InternationalTelecommunication Union，ITU)根据业务类型以及地理区域进行统一划分。随着各国对空间信息网络建设重视程度日益加深，L/S等移动业务的黄金频段早已被瓜分殆尽，Ku/Ka等固定宽带业务的频段也即将耗尽，可用的频率资源十分紧张。传统的、静态的、单一的频率分配方式已然难以满足日益增长的服务需求，因此当前空间信息领域亟需解决的问题之一就是探索更加高效并且可靠的频率分配方式。

将认知无线电技术与卫星通信相结合被认为是解决未来空间信息网络频谱资源供需矛盾的一大有效途径，已逐渐获得了卫星行业的认同。认知卫星通信是以频谱认知为基础，在频谱接入的控制下，应用频谱资源动态调度，可以有效规避各卫星系统之间的相互干扰，从而实现不同卫星系统之间的频谱资源动态共享。具体而言，就是通过多个系统共享同一频率，充分发掘并利用空闲的频谱资源，从而改善频谱资源利用效率，缓解空间信息网络中频谱资源紧缺的问题。认知卫星网络一般可以分为星地混合认知网络和双卫星共存网络(Dual Satellite System，DSS)。其中，双卫星共存网络是指两个卫星网络共用一个频率对各自用户进行服务。目前的研究主要集中为双地球同步轨道 (Geosynchronous EarthOrbit，GEO)卫星系统共存的DSS、GEO和非对地静止轨道 (Non-GeoStationary Orbit，NGSO)卫星共存的DSS。对于双GEO卫星系统共存的场景，由于GEO卫星相对地面保持静止状态，因而在两个GEO卫星系统之间实现频谱共享相对而言难度较低。近年来互联网星座发展趋势甚好，未来将会有愈来愈多的NGSO卫星将被发射至太空，实现全球范围覆盖。因此在GEO和NGSO卫星系统之间探寻适用的频谱共享策略显得尤为重要。对于固定宽带业务而言，用频频率较高，卫星和用户的天线均具有较强的指向性，考虑到NGSO卫星高速在轨运动，NGSO对GEO的干扰随着卫星的运动而发生变化，干扰最为严重的场景即GEO卫星、NGSO卫星和地面站三者共线，此时会产生非常严重的共线(In-line)干扰，此时频率共享系统的传输性能急剧下降甚至瘫痪无法进行工作。为了应对GEO和低轨(Low Earth Orbit，LEO)卫星通信系统之间存在的共视干扰，OneWeb系统引入了一种“渐进倾斜”的技术，在卫星运行至赤道附近时通过逐渐地倾斜卫星来避免与GEO系统之间的干扰。但是，调整卫星姿态需要消耗大量燃料，因此会减短卫星的在轨寿命。学者Sharma S K在“Inline interferencemitigation techniques for spectral coexistence of GEO and NGEO satellites”一文中提出了一种自适应功率控制技术，主要用于保障GEO和NGSO卫星系统之间频率共存。学者Wang C在“A novel cognitive satellite network with GEO and LEO broadbandsystems in the downlink case”一文中提出了一种自适应功率控制和跳波束技术相结合的认知宽带卫星网络。可见，自适应功率控制技术是空间信息网络中不同轨道卫星系统之间进行频率共享的常用技术。但是在采用自适应功率控制技术时，通常为了确保主用户能够正常工作，需要牺牲次级用户的性能，因此不可避免地造成次级用户频谱效率的下降。低轨卫星是一个资源受限系统，卫星功率资源以及携带的天线资源都受到卫星体积和制造发射成本的制约，难以携带复杂的数字相控阵天线系统。而采用多颗卫星组成一定的构型，相互之间保存一定的距离，共同协作完成同一空间任务的空间系统，称之为卫星编队飞行。编队中的各颗卫星通过一定的协同策略，共同承担信号处理、通信导航和控制，整个编队卫星协同完成空间任务。与传统的单颗大卫星相比，小卫星编队可以将多个载荷分散至多颗不同的卫星，提高系统的可靠性。并且可以完成一些单颗大卫星不能实现的功能和性能的提升，拓展了航天器的应用领域。小卫星编队在合成孔径雷达、分布式气象卫星三维立体成像、电子侦查等领域已经有实际的应用。

发明内容

发明目的：本发明针对高低轨卫星通信系统之间频谱共享的场景，考虑上行链路中 GEO卫星通信系统主用户和LEO卫星通信系统次级用户共用同一频率，提出了一种基于编队卫星协作波束成形技术的新型频谱共享方法，利用低轨编队飞行的卫星簇从空域角度解决高低轨卫星通信系统频率共享场景下的干扰问题，确保低轨卫星通信系统次级用户的通信性能。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于编队卫星分布式波束成形的高低轨频谱共享方法，包括以下步骤：

步骤S1、低轨编队卫星用户信号同步检测；

在低轨编队卫星对用户信号进行干扰检测时，依据报头的独特码判断是否正确接收信号；当低轨编队卫星接收信号中的独特码能够被正确解调时，表示此信号被正确捕获并且信号可以同步，此时不存在干扰，低轨编队卫星采用最大比合并的方式对用户信号进行接收；

步骤S2、当低轨编队卫星接收信号中的独特码不能被正确解调时，采用低轨编队卫星协作波束成形进行干扰抑制；具体地，

步骤S2.1、设计同频干扰场景如下：

由M颗低轨卫星组成的低轨编队卫星簇逐渐运动到地球同步轨道卫星通信系统主用户上行波束范围内时，各颗分布式编队卫星作为中继，将接收到的地面用户信号加权转发到中心卫星进行合并；低轨卫星编队不仅接收到低轨卫星通信系统次级用户的发送信号，同时还会接收来自地球同步轨道卫星主用户的同频信号；所述地球同步轨道卫星通信系统主用户对低轨卫星通信系统次级用户产生干扰；

在k时刻下，低轨卫星通信系统次级用户信号和地球同步轨道卫星通信系统主用户信号的俯仰角和方位角分别表示为(θ₀(k),φ₀(k))和(θ₁(k),φ₁(k))，对低轨编队卫星的接收信号进行采样，则第k次采样信号可以表示为：

其中，i表示第i路地面用户信号。i＝0时，s₀(k)为期望接收到的低轨卫星通信系统次级用户的发送信号，i＝1时，s₁(k)为低轨编队卫星运行过程中接收到来自地球同步轨道卫星通信系统主用户的上行信号；

表示第i个信号的导向矢量；其中，τ₁(θ_i(k),φ_i(k)),τ₂(θ_i(k),φ_i(k))...τ_M(θ_i(k),φ_i(k))表示第i个信号到各颗卫星的传输时延，N(k)为低轨编队卫星的噪声矢量；

第m颗组阵卫星的导向矢量可表示为如下形式：

其中，

λ为波长，r_m为各低轨编队卫星到中心卫星的距离，且

cosψ_m(k)＝sinθsinθ_m(k)cos(φ-φ_m(k))+cosθcosθ_m(k)

步骤S2.2、低轨编队卫星接收信号的自相关矩阵表示如下：

其中：

和

分别表示低轨卫星通信系统次级用户发送信号功率和地球同步轨道卫星通信系统主用户发送信号功率；R_s,R₁,R_N分别表示低轨卫星通信系统次级用户发送信号、地球同步轨道卫星通信系统主用户发送信号和噪声的相关矩阵；

对低轨编队卫星接收信号进行加权合并如下：

y(k)＝w^Hx(k)

w＝[w₁(k),w₂(k)...w_M(k)]为编队卫星接收信号的加权矢量；加权合并后输出信号功率P表示为：

P＝E[|y(k)|²]＝E[w^Hx(k)(w^Hx(k))^*]＝w^HR_xxw

步骤S2.3、采用基于线性约束最小方差准则的自适应波束成形方法建立如下所示的优化问题：

min w^HR_xxw

s.t.w^Ha(θ₀(k),φ₀(k))＝1

构建拉格朗日代价函数如下：

L(w,λ)＝w^HR_xxw+λ(w^Ha(θ₀(k),φ₀(k))-1)

求解得到最优加权：

根据上式获得的加权矢量，可以得到低轨卫星通信系统对次级用户信号的接收增益如下：

卫星的接收功率可以表示如下：

其中，EIRP_s＝P_s·G_s为发射天线的等效全向辐射功率，G_R表示接收天线增益，L_f为链路的自由空间损耗，P_s表示LEO用户发射信号功率，G_s表示LEO用户的天线增益，下标s表示低轨编队卫星与LEO次级用户之间的通信链路；低轨编队卫星组阵接收到的低轨卫星通信系统次级用户发送信号功率的计算公式为：

有益效果：

本发明通过分析高低轨卫星系统共存时的同频干扰，采用线性约束最小方差准则的自适应波束成形方法，完成对低轨卫星编队加权值的优化设计，从而调整编队卫星的接收方向图指向，使波束主瓣方向对准与其通信的低轨卫星用户，零陷方向对准GEO地面站，从而提高低轨卫星系统的信干噪比，从空域维度上来缓解双卫星系统间的同频干扰。传统的频谱共享方法通常采用自适应功率控制技术，通过对次用户发射功率的自适应控制来保证主用户的正常工作，但是采用APC技术时，为了确保主用户正常工作，通常要牺牲次用户的性能，不可避免地会造成次用户频谱效率的下降。本发明利用多颗低轨卫星以卫星编队的方式，通过LCMV自适应波束成形技术，解决了高低轨卫星系统共用频谱资源可能产生的上行链路频谱干扰的问题。相比于传统的自适应功率控制技术，本说明在进行频谱共享时，不损失次用户的传输性能，从空域维度上有效地缓解了空间信息网络中的频谱资源紧缺问题。

附图说明

图1为本发明提供的地球同步轨道卫星通信系统和低轨卫星通信系统上行链路频率共享场景图；

图2为本发明设计的低轨编队卫星自适应波束成形算法流程图；

图3为本发明设计的分布式低轨编队卫星波束成形模型图；

图4为本发明设计的分布式低轨编队卫星组阵模型图；

图5为不同组阵半径下的接收增益方向图；

图6为不同时刻下的二维接收信号增益方向图；

图7为地球同步轨道卫星通信系统主用户方向接收增益随时间变化的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明针对如图1所示的地球同步轨道卫星通信系统和低轨卫星通信系统上行链路频率共享场景，提出了一种基于编队卫星分布式波束成形技术的高低轨频谱共享方法。目的在于提供了一种基于低轨编队卫星协作波束成形技术的新型频谱共享方法，针对空间信息网络中高轨卫星网络和低轨卫星网络频率共享引起的同频干扰问题，以频谱认知为基础，结合宽带卫星业务使用频率较高，波束宽度较窄，天线指向性较强等特点，对高低轨卫星通信系统频率共享场景进行分析、建模，如图3所示，本发明采用多颗功能相似的微小卫星作为中继，将接收到的地面用户信号加权转发到中心卫星进行合并，以协同合作的方式编队飞行，共同完成空间任务，提高信号传输性能，增强卫星系统的可靠性。具体方法如图2所示：

步骤S1、低轨编队卫星用户信号同步检测；

卫星通信系统同步主要分为两个阶段：捕获阶段和同步阶段。捕获阶段主要解决如何使消息突发进入分配给它的时隙；同步阶段主要解决如何使消息保持在时隙内。独特码是一种特殊的不容易为随机比特所仿制而造成错误检测的码组，在低轨卫星进行信号干扰检测时，通常通过判断独特码能否被正确解调，来判断系统是否正确接收信号。在低轨编队卫星对用户信号进行干扰检测时，依据报头的独特码判断是否正确接收信号；当低轨编队卫星接收信号中的独特码能够被正确解调时，表示此信号被正确捕获并且信号可以同步，此时不存在干扰，低轨编队卫星采用最大比合并的方式对用户信号进行接收。

步骤S2、当低轨编队卫星接收信号中的独特码不能被正确解调时，采用低轨编队卫星协作波束成形进行干扰抑制；具体地，

步骤S2.1、设计同频干扰场景如下：

由M颗低轨卫星组成的低轨编队卫星簇逐渐运动到地球同步轨道卫星通信系统主用户上行波束范围内时，各颗分布式编队卫星作为中继，将接收到的地面用户信号加权转发到中心卫星进行合并；低轨卫星编队不仅接收到低轨卫星通信系统次级用户的发送信号，同时还会接收来自地球同步轨道卫星主用户的同频信号；所述地球同步轨道卫星通信系统主用户对低轨卫星通信系统次级用户产生干扰；

在k时刻下，低轨卫星通信系统次级用户信号和地球同步轨道卫星通信系统主用户信号的俯仰角和方位角分别表示为(θ₀(k),φ₀(k))和(θ₁(k),φ₁(k))，对低轨编队卫星的接收信号进行采样，则第k次采样信号可以表示为：

上式中，i表示第i路地面用户信号。i＝0时，s₀(k)为期望接收到的低轨卫星通信系统次级用户的发送信号，i＝1时，s₁(k)为低轨编队卫星运行过程中接收到来自地球同步轨道卫星通信系统主用户的上行信号；

表示第i个信号的导向矢量；其中，τ₁(θ_i(k),φ_i(k)),τ₂(θ_i(k),φ_i(k))...τ_M(θ_i(k),φ_i(k))表示第i个信号到各颗卫星的传输时延，N(k)为低轨编队卫星的噪声矢量；

第m颗组阵卫星的导向矢量可表示为如下形式：

其中，

λ为波长，r_m为各低轨编队卫星到中心卫星的距离，且

cosψ_m(k)＝sinθsinθ_m(k)cos(φ-φ_m(k))+cosθcosθ_m(k)

步骤S2.2、低轨编队卫星接收信号的自相关矩阵表示如下：

其中：

和

分别表示低轨卫星通信系统次级用户发送信号功率和地球同步轨道卫星通信系统主用户发送信号功率；R_s,R₁,R_N分别表示低轨卫星通信系统次级用户发送信号、地球同步轨道卫星通信系统主用户发送信号和噪声的相关矩阵；

对低轨编队卫星接收信号进行加权合并如下：

y(k)＝w^Hx(k)

w＝[w₁(k),w₂(k)...w_M(k)]为编队卫星接收信号的加权矢量；加权合并后输出信号功率P表示为：

P＝E[|y(k)|²]＝E[w^Hx(k)(w^Hx(k))^*]＝w^HR_xxw

步骤S2.3、采用基于线性约束最小方差准则的自适应波束成形方法建立如下所示的优化问题：

min w^HR_xxw

s.t.w^Ha(θ₀(k),φ₀(k))＝1

构建拉格朗日代价函数如下：

L(w,λ)＝w^HR_xxw+λ(w^Ha(θ₀(k),φ₀(k))-1)

求解得到最优加权：

根据上式获得的加权矢量，可以得到低轨卫星通信系统对LEO用户信号的接收增益如下：

卫星的接收功率可以表示如下：

其中，EIRP_s＝P_s·G_s为发射天线的等效全向辐射功率，G_R表示接收天线增益，L_f为链路的自由空间损耗，P_s表示LEO用户发射信号功率，G_s表示LEO用户的天线增益，下标s表示低轨编队卫星与LEO次级用户之间的通信链路；低轨编队卫星组阵接收到的低轨卫星通信系统次级用户发送信号功率的计算公式为：

为了评估本发明性能，我们设置仿真参数如下表1所示：

表1仿真参数表

十颗卫星采用一种典型的星形编队队形，仿真初始时刻在图4极坐标系下的确定轨道信息依次为：

r＝[0,50,50,50,50,50,50,50,50,50]

θ＝[0,69,63,92,47,142,57,51,76,27]

以该编队队形形成分布式编队卫星组阵，在组阵卫星数目、卫星俯仰角和方位角不变的条件下，改变其他卫星离中心卫星的距离，图5给出了不同r_n下组阵的接收增益方向图。可以看出接收信号方向图均在LEO用户方向获得了最大增益，并且在GEO用户方向上形成了较深的零陷。且随着组阵卫星离主星的距离增加，方向图的主瓣逐渐变窄，这是由于增加距离相当于增大了阵列的虚拟天线口径。

不失一般性，我们取方位角平面(即θ＝90°)观察分布式编队卫星组阵的接收增益方向图。取卫星在轨运动过程中的三个时刻，得到地面用户相对于卫星编队的位置信息如下表2所示：

表2地面用户相对于卫星编队的位置信息

图6给出了仿真时刻t＝0s，t＝30s，t＝60s时，以上编队队形下的二维接收信号增益方向图。可以看到在不同时刻下，该卫星编队的接收信号增益方向图在低轨用户方向上形成了主瓣且获得了最大增益，并且在高轨用户来波方向上形成了较深的零陷。代入以上参数进行计算，LEO卫星编队的接收信干噪比SINR＝12dB，达到了信号正确解调的信噪比阈值。随着低轨编队卫星运动，采用本说明中提出的自适应波束成形算法，可以时刻调整波束方向图的指向，使LEO用户方向增益最大的同时，极大地抑制GEO卫星通信系统主用户对于LEO卫星通信系统次级用户的干扰。因而可从空域角度有效缓解高低轨卫星通信系统的用频干扰问题。

图7为观测时间10分钟内，GEO用户方向的波束增益。可以看到，在卫星编队飞行过程中，GEO用户方向的接收增益始终在-38dB左右，经计算编队卫星的信干噪比约等于12dB,超过了系统接收信干噪比的门限值，低轨用户信号可以被正确解调。验证了本发明所提方法，可以大大降低上行链路中GEO用户对LEO卫星系统的同频干扰，实现了频谱资源的高效利用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于编队卫星分布式波束成形的高低轨频谱共享方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、低轨编队卫星用户信号同步检测；

在低轨编队卫星对用户信号进行干扰检测时，依据报头的独特码判断是否正确接收信号；当低轨编队卫星接收信号中的独特码能够被正确解调时，表示此信号被正确捕获并且信号可以同步，此时不存在干扰，低轨编队卫星采用最大比合并的方式对用户信号进行接收；

步骤S2、当低轨编队卫星接收信号中的独特码不能被正确解调时，采用低轨编队卫星协作波束成形进行干扰抑制；具体地，

步骤S2.1、设计同频干扰场景如下：

由M颗低轨卫星组成的低轨编队卫星簇逐渐运动到地球同步轨道卫星通信系统主用户上行波束范围内时，各颗分布式编队卫星作为中继，将接收到的地面用户信号加权转发到中心卫星进行合并；低轨卫星编队不仅接收到低轨卫星通信系统次级用户的发送信号，同时还会接收来自地球同步轨道卫星主用户的同频信号；所述地球同步轨道卫星通信系统主用户对低轨卫星通信系统次级用户产生干扰；

在k时刻下，低轨卫星通信系统次级用户信号和地球同步轨道卫星通信系统主用户信号的俯仰角和方位角分别表示为(θ₀(k),φ₀(k))和(θ₁(k),φ₁(k))，对低轨编队卫星的接收信号进行采样，则第k次采样信号可以表示为：

其中，i表示第i路地面用户信号；i＝0时，s₀(k)为期望接收到的低轨卫星通信系统次级用户的发送信号，i＝1时，s₁(k)为低轨编队卫星运行过程中接收到来自地球同步轨道卫星通信系统主用户的上行信号；

表示第i个信号的导向矢量；其中，τ₁(θ_i(k),φ_i(k)),τ₂(θ_i(k),φ_i(k))...τ_M(θ_i(k),φ_i(k))表示第i个信号到各颗卫星的传输时延，N(k)为低轨编队卫星的噪声矢量；

第m颗组阵卫星的导向矢量可表示为如下形式：

其中，

λ为波长，r_m为各低轨编队卫星到中心卫星的距离，且

cosψ_m(k)＝sinθsinθ_m(k)cos(φ-φ_m(k))+cosθcosθ_m(k)

步骤S2.2、低轨编队卫星接收信号的自相关矩阵表示如下：

其中：

和

分别表示低轨卫星通信系统次级用户发送信号功率和地球同步轨道卫星通信系统主用户发送信号功率；R_s,R₁,R_N分别表示低轨卫星通信系统次级用户发送信号、地球同步轨道卫星通信系统主用户发送信号和噪声的相关矩阵；

对低轨编队卫星接收信号进行加权合并如下：

y(k)＝w^Hx(k)

w＝[w₁(k),w₂(k)...w_M(k)]为编队卫星接收信号的加权矢量；加权合并后输出信号功率P表示为：

P＝E[|y(k)|²]＝E[w^Hx(k)(w^Hx(k))^*]＝w^HR_xxw

步骤S2.3、采用基于线性约束最小方差准则的自适应波束成形方法建立如下所示的优化问题：

min w^HR_xxw

s.t.w^Ha(θ₀(k),φ₀(k))＝1

构建拉格朗日代价函数如下：

L(w,λ)＝w^HR_xxw+λ(w^Ha(θ₀(k),φ₀(k))-1)

求解得到最优加权：

根据上式获得的加权矢量，可以得到低轨卫星通信系统对次级用户的接收增益如下：

卫星的接收功率可以表示如下：

其中，EIRP_s＝P_s·G_s为发射天线的等效全向辐射功率，G_R表示接收天线增益，L_f为链路的自由空间损耗，P_s表示LEO用户发射信号功率，G_s表示LEO用户的天线增益，下标s表示低轨编队卫星与LEO次级用户之间的通信链路；低轨编队卫星组阵接收到的低轨卫星通信系统次级用户发送信号功率的计算公式为：

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