CN112929104A - 高低轨同频共存卫星通信系统的共线干扰估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高低轨同频共存卫星通信系统的共线干扰估计方法，包括如下步骤：根据高低轨卫星通信系统的星历数据、地面站经纬度，构建两者之间的干扰分析场景；根据星历数据，筛选出高低轨卫星通信系统间的共线干扰链路；根据筛选出的共线干扰链路，区分干扰链路类型；配置地面站、各卫星的通信终端参数、卫星星历及地球站位置参数；分别估计接收端收到的载波功率、噪声功率和来自干扰源的载波功率。本方法针对在不同干扰链路类型下分别给出对应的信号源载波功率、噪声功率和干扰源载波功率等参数的具体计算方法，提高了共线干扰估计的准确度和针对性，可以应用于S、Ku、Ka等多种频段卫星通信系统设计和空间频率资源的申报协调。

Description

高低轨同频共存卫星通信系统的共线干扰估计方法

技术领域

本发明属于卫星通信领域，尤其涉及一种高低轨同频共存卫星通信系统的共线(In-Line)干扰估计方法。

背景技术

随着卫星通信技术的不断发展，LEO低轨宽带卫星通信星座成为全球各国家和机构的研究热点。由于空间频率资源受限，LEO星座与高通量GEO卫星之间不可避免的存在多系统同频工作的情况。对于高低轨同频共存卫星通信系统来说，在频谱共享过程中，部分卫星或终端相距较近的情况下，会出现通信链路重合的情况，此时会产生共线(In-Line)干扰，对正常的卫星通信造成极大的影响。因此，如何针对不同的高低轨同频共存卫星通信系统应用场景，估计LEO(低轨道)卫星通信系统和GEO(高轨道)卫星通信系统之间的共线干扰，成为了当前构建大规模宽带LEO星座系统过程中亟待解决的问题。

目前，有关同频干扰估计的研究主要集中在单一卫星通信系统中多用户接入所引起的同频干扰，尚无针对高低轨同频共存卫星通信系统共线干扰的研究。公开号为CN110572192的中国专利中，提出了一种低轨卫星的频率规避方法和装置，提出了LEO与GEO卫星的共线干扰规避策略，并没有研究针对LEO与GEO系统In-Line条件下的干扰分析方法。

发明内容

针对高低轨同频共存卫星通信系统应用场景下如何估计LEO卫星通信系统和GEO卫星通信系统之间的In-Line干扰问题，本发明公开了一种高低轨同频共存卫星通信系统的共线干扰估计方法，包括如下步骤：

S1，根据高低轨卫星通信系统的星历数据、地面站经纬度，构建两者之间的干扰分析场景；

S2，根据星历数据，采样不同时刻低轨卫星的运动轨迹，筛选出高低轨卫星通信系统间的共线干扰链路；

S3，根据筛选出的共线干扰链路，区分干扰链路类型；

S4，配置地面站、LEO卫星和GEO卫星的通信终端参数、卫星星历及地球站位置参数；

S5，分别估计接收端收到的来自信号源的载波功率C、噪声功率N和来自干扰源的载波功率I；

所述共线(In-Line)干扰，为部分卫星或终端相距较近时出现的干扰链路与通信链路重合所导致的干扰，即GEO卫星地面站与LEO卫星地面站相距较近或同址时，当LEO卫星运行到地面站至GEO链路附近时，导致地面站至GEO链路与地面站至LEO链路重合，产生共线干扰。

步骤S1中所述的高低轨卫星通信系统间的干扰分析场景，高轨卫星通信系统为高轨卫星星座与其地面站构成的卫星通信系统，低轨卫星通信系统为低轨卫星星座与其地面站构成的卫星通信系统；两者之间的干扰分析场景构建，是基于两者的星历参数和地面站位置，完成卫星星历数据与地球站经纬度的转换，将卫星星历数据转换为经度、纬度、高度信息，完成轨道坐标系与J2000地球惯性坐标系之间的转换，将卫星星历所依托的轨道坐标系转换至J2000地球惯性坐标系，再完成高低轨卫星通信系统的干扰分析场景构建。

所述的将卫星星历数据转换为经度、纬度、高度信息，具体包括：

轨道坐标系六根数换算，用于将轨道六根数换算为轨道坐标系中的坐标值。建立轨道坐标系，该坐标系是空间直角坐标系，该坐标系的坐标原点位于地心，X轴和Y轴位于轨道平面上，Z轴和轨道平面的法线矢量

重合，估计平近点角M，M＝n(t-t₀)，其中t₀为卫星过近地点的时刻，t为当前时刻，n为卫星的平均角速度，其单位为rad/s，其计算公式为：

a为轨道椭圆的长半径，G引力常数，M₀为地球质量；求解开普勒方程E＝M+e_orbit·sinE，估计偏近点角E，e_orbit为轨道离心率，采用迭代法解开普勒方程，直至相邻两次迭代得到的偏近点角差值|E_i+1-E_i|＜ε时为止，i为估计次数，ε为差值阈值，获得偏近点角E的估计值，其中E_i和E_i+1为相邻两次迭代得到偏近点角的估计值；估计卫星至地心的距离r，其公式为r＝a(1-e_orbit cos E)；估计真近点角θ，其公式为

估计卫星在轨道坐标系中的坐标(X,Y,Z)，其中，X＝a cos E-ae_orbit，

Z＝0；

所述的完成轨道坐标系与J2000地球惯性坐标系之间的转换，将卫星星历所依托的轨道坐标系转换至J2000地球惯性坐标系，具体是完成用J2000地球惯性坐标系所表示的坐标点，与经纬度和大地高坐标系所表示点之间的换算；轨道坐标系坐标轴经三次旋转即可和大地坐标系的三个坐标轴

重合，首先将轨道坐标系坐标轴绕其Z轴逆时针旋转ω角，使其X轴旋转至大地坐标系

轴，即指向升交点，再绕其X轴逆时针旋转i角，使得其Z轴与大地坐标系

轴重合；再绕大地坐标系

轴逆时针旋转(Ω-α_G)角，从而使得两个坐标系重合，其中α_G角是大地坐标系

轴与春分点方向的夹角，即为格林尼治恒星时角α_G，Ω角为卫星的升交点赤经，轨道坐标系的三次旋转表示为：

其中：

所述的完成J2000地球惯性坐标系与地球站位置所依托的地理经纬度坐标系间之间的转换，其具体过程为，

对于将地理经纬度坐标系转换为J2000地球惯性坐标系，其公式为：

其中，

为卫星在J2000地球惯性坐标系中的坐标，B,L,H_D分别为卫星的经度、维度和高度，N为地球半径，e为地球偏心率。

对于将J2000地球惯性坐标系转换为地理经纬度坐标系，其公式为：

步骤S2所述的根据星历数据，采样不同时刻低轨卫星的运动轨迹，筛选出高低轨卫星卫星通信系统间的共线干扰链路，其具体包括：

S21，根据地面站位置及GEO卫星星历参数，设定地面站至GEO链路参数；

S22，根据地面站至GEO链路的链路类型及其链路的波束范围，估计该链路在LEO轨道所在高度上的投影区域，其过程具体为：

S221，基于J2000地球惯性坐标系，假设GEO卫星坐标为(x_G，y_G，z_G)，z_G＝H₂+H，H为地球半径，H₂为GEO卫星距离地面的高度，该卫星在地面的覆盖区域的边界点坐标为(x_i，y_i，z_i)，O≤i≤M，z_i＝H，M为边界点的数量；

S222，假设LEO卫星高度为H₁，则地面站至GEO链路的链路在LEO轨道所在高度上的投影区域的边界点坐标(x_i′,y_i′,z_i′)为：

S23，估计当前时刻的LEO卫星位置，判断是否有LEO卫星出现在步骤S222所述的覆盖范围内；

S24，若LEO卫星出现在所述覆盖范围内，则估计共线干扰，并估计下一时刻的LEO卫星位置，重新进行步骤S23的判断；

S25，若LEO卫星未出现在所述覆盖范围内，则估计下一时刻的LEO卫星位置，重新进行步骤S23的判断。

步骤S3所述的干扰链路类型，包括地面站至LEO卫星上行链路、地面站至GEO卫星上行链路、LEO卫星至地面站下行链路和GEO至地面站下行链路。

对于地面站至LEO卫星上行链路，信号源为地面站通信终端，接收端为LEO卫星通信终端，干扰源为地面站；

对于地面站至GEO卫星上行链路，信号源为地面站通信终端，接收端为GEO卫星通信终端，干扰源为地面站；

对于LEO卫星至地面站下行链路，信号源为LEO卫星通信终端，接收端为地面站通信终端，干扰源为GEO卫星；

对于GEO卫星至地面站下行链路，信号源为GEO卫星通信终端，接收端为地面站通信终端，干扰源为LEO卫星。

步骤S4所述的地面站、LEO卫星和GEO卫星的通信终端参数和卫星星历及地球站位置参数具体为，通信终端分为上行链路通信终端和下行链路通信终端，下行链路通信终端参数包括其工作频率(GHz)、卫星天线口径(m)、卫星发射功率(W)、天线效率(％)、用户天线口径(m)、用户热噪声温度(K)、信号带宽(MHz)，上行链路通信终端参数包括其工作频率(GHz)、卫星天线口径(m)、卫星热噪声温度(K)、天线效率(％)、用户发射功率(W)、用户天线口径(m)、信号带宽(MHz)；卫星星历及地球站位置参数包括半长轴、偏心率、倾角、升交点赤经、近地点幅角、真近点角，地球站的经度、纬度、高度。

步骤S5所述的分别估计接收端收到的来自信号源的载波功率C、噪声功率N_noise和来自干扰源的载波功率I，具体包括：

载波功率C的估计方法为

其中P_T为信号源发射功率，G_TS为信号源发射天线增益，G_R为接收端接收天线的增益，L_f为信号源发射信号的自由空间传播损耗，EIRP为信号源发射的有效全向辐射功率；

噪声功率N_noise的估计方法为N_noise＝kTB₁，其中T为接收系统等效噪声温度，k为波尔兹曼常数，B₁为接收端的接收信号带宽；

来自干扰源的载波功率I的估计方法为，

其中，EIRP_I为干扰源发射的有效全向辐射功率。

针对地面站至LEO卫星上行链路和地面站至GEO卫星上行链路，其发射天线增益G_T的估计方法为：

其中，μ＝2.07123sin(θ)/sin(θ_3db)，J₁和J₃分别是1阶和3阶第一类贝塞尔函数，θ_3db是波束增益相对发射波束中心3db衰减处所对应的角度，θ表示发射信号指向卫星的入射方向与发射波束中心之间的夹角，G_T0为夹角θ＝0时的天线增益，

其中，D为天线口径，λ为载波波长，η为天线效率；

在不同干扰链路类型下，对应的信号源载波功率、噪声功率和干扰源载波功率的估计的具体公式如下，其中，脚标GS、LEO、GEO分别代表地面站、LEO卫星和GEO卫星：

对于地面站至LEO卫星上行链路，其信号源载波功率C₁、噪声功率N_noise1和干扰源载波功率I₁的估计方法为：

其中，P_T-GS为地面站的发射功率，G_T-GS为地面站的发射天线增益，G_R-LEO为LEO卫星接收天线的增益，L_f-LEO为地面站至LEO卫星的自由空间传播损耗，T_LEO为LEO卫星接收系统等效噪声温度，

为GEO地面站至GEO卫星链路的发射天线增益等效到地面站至LEO卫星上行链路部分的分量；

对于地面站至GEO卫星上行链路，其信号源载波功率C₂、噪声功率N_noise2和干扰源载波功率I₂的估计方法为：

其中，G_R-GEO为GEO卫星接收天线的增益，L_f-GEO为地面站至GEO卫星的自由空间传播损耗，T_GEO为GEO卫星接收系统等效噪声温度，

为LEO地面站至LEO卫星链路的发射天线增益等效到地面站至GEO卫星上行链路部分的分量；

对于LEO卫星至地面站下行链路，其信号源载波功率C₃、噪声功率N_noise3和干扰源载波功率I₃估计方法为：

其中，P_T-LEO为LEO卫星的发射功率，G_T-LEO为LEO卫星的发射天线增益，G_R-GS为地面站接收天线的增益，T_GS为地面站的接收系统等效噪声温度，P_T-GEO为GEO卫星的发射功率；

对于GEO卫星至地面站下行链路，其信号源载波功率C₄、噪声功率N_noise4和干扰源载波功率I₄估计方法为：

其中，G_T-GEO为GEO卫星的发射天线增益，

为LEO地面站至LEO卫星链路的发射天线增益等效到地面站至GEO卫星上行链路部分的分量。

进一步地，所述的在共线干扰条件下接收端的载噪比C/(N_noise+I)表示，具体估计方法如下：

本方法的有益效果为：

一是对于GEO与NGSO系统的共线干扰问题，针对性的提出了一种干扰估计方法，该方法区分了不同链路类型，并在不同干扰链路类型下分别给出对应的信号源载波功率、噪声功率和干扰源载波功率等参数的具体计算方法，提高了共线干扰估计的准确度和针对性。

二是本发明所提的计算共线干扰方法，主要应用于高低轨卫星间的干扰分析，计算卫星系统间链路共线时的干扰情况，即为最差干扰情况，准确量化了不同时刻卫星系统间的干扰程度，可以应用于S、Ku、Ka等多种频段卫星通信系统设计和空间频率资源的申报协调。

附图说明

图1为本发明提供的一种高低轨同频共存卫星通信系统的共线干扰估计方法的流程示意图；

图1中，模块101对应步骤S1，模块102对应步骤S2，模块103对应步骤S3，模块104对应步骤S4，模块105和106对应步骤S5；

图2为构建的干扰分析场景示意图；

图3为地面站至LEO卫星上行链路干扰地面站至GEO卫星上行链路示意图；

图4为筛选高低轨卫星通信系统间的共线干扰链路示意图；

图5为筛选高低轨卫星通信系统间的共线干扰链路流程图。

具体实施方式

为了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中的附图，对本发明实施例中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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种高低轨同频共存卫星通信系统的共线干扰估计方法，包括如下步骤：

S1，根据高低轨卫星通信系统的星历数据、地面站经纬度，构建两者之间的干扰分析场景；

S2，根据星历数据，采样不同时刻低轨卫星的运动轨迹，筛选出高低轨卫星通信系统间的共线干扰链路；

S3，根据筛选出的共线干扰链路，区分干扰链路类型；

S4，配置地面站、LEO卫星和GEO卫星的通信终端参数、卫星星历及地球站位置参数；

S5，分别估计接收端收到的来自信号源的载波功率C、噪声功率N和来自干扰源的载波功率I。

图1为本发明提供的一种高低轨同频共存卫星通信系统的共线干扰估计方法的流程示意图。

所述共线(In-Line)干扰，为部分卫星或终端相距较近时出现的干扰链路与通信链路重合所导致的干扰，即GEO卫星地面站与LEO卫星地面站相距较近或同址时，当LEO卫星运行到地面站至GEO链路附近时，导致地面站至GEO链路与地面站至LEO链路重合，产生共线干扰。

步骤S1中所述的高低轨卫星通信系统间的干扰分析场景，高轨卫星通信系统为高轨卫星星座与其地面站构成的卫星通信系统，低轨卫星通信系统为低轨卫星星座与其地面站构成的卫星通信系统；两者之间的干扰分析场景构建，是基于两者的星历参数和地面站位置，完成卫星星历数据与地球站经纬度的转换，将卫星星历数据转换为经度、纬度、高度信息，完成轨道坐标系与J2000地球惯性坐标系之间的转换，将卫星星历所依托的轨道坐标系转换至J2000地球惯性坐标系，再完成高低轨卫星通信系统的干扰分析场景构建。图2为构建的干扰分析场景示意图。

将卫星星历数据转换为经度、纬度、高度信息，具体包括：

轨道坐标系六根数换算，用于将轨道六根数换算为轨道坐标系中的坐标值。轨道六根数具体包括轨道半长轴、偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角和真近角。建立轨道坐标系，该坐标系是空间直角坐标系，该坐标系的坐标原点位于地心，X轴和Y轴位于轨道平面上，Z轴和轨道平面的法线矢量

重合，估计平近点角M，M＝n(t-t₀)，其中t₀为卫星过近地点的时刻，t为当前时刻，n为卫星的平均角速度，其单位为rad/s，其计算公式为：

a为轨道椭圆的长半径，G引力常数，M₀为地球质量；求解开普勒方程E＝M+e_orbit·sinE，估计偏近点角E，e_orbit为轨道离心率，采用迭代法解开普勒方程，直至相邻两次迭代得到的偏近点角差值|E_i+1-E_i|＜ε时为止，i为估计次数，ε为差值阈值，获得偏近点角E的估计值，其中E_i和E_i+1为相邻两次迭代得到偏近点角的估计值；估计卫星至地心的距离r，其公式为r＝a(1-e_orbit cos E)；估计真近点角θ，其公式为

估计卫星在轨道坐标系中的坐标(X,Y,Z)，其中，X＝a cos E-ae_orbit，

Z＝0；

所述的完成轨道坐标系与J2000地球惯性坐标系之间的转换，将卫星星历所依托的轨道坐标系转换至J2000地球惯性坐标系，具体是完成用J2000地球惯性坐标系所表示的坐标点，与经纬度和大地高坐标系所表示点之间的换算；轨道坐标系坐标轴经三次旋转即可和大地坐标系的三个坐标轴

重合，首先将轨道坐标系坐标轴绕其Z轴逆时针旋转ω角，使其X轴旋转至大地坐标系

轴，即指向升交点，再绕其X轴逆时针旋转i角，使得其Z轴与大地坐标系

轴重合；再绕大地坐标系

轴逆时针旋转(Ω-α_G)角，从而使得两个坐标系重合，其中α_G角是大地坐标系

轴与春分点方向的夹角，即为格林尼治恒星时角α_G，Ω角为卫星的升交点赤经，轨道坐标系的三次旋转表示为：

其中：

所述的完成J2000地球惯性坐标系与地球站位置所依托的地理经纬度坐标系间之间的转换，其具体过程为，

对于将地理经纬度坐标系转换为J2000地球惯性坐标系，其公式为：

其中，

为卫星在J2000地球惯性坐标系中的坐标，B,L,H_D分别为卫星的经度、维度和高度，N为地球半径，e为地球偏心率。

对于将J2000地球惯性坐标系转换为地理经纬度坐标系，其公式为：

步骤S2所述的根据星历数据，采样不同时刻低轨卫星的运动轨迹，筛选出高低轨卫星卫星通信系统间的共线干扰链路，筛选流程如图5所示，其具体包括：

S21，根据地面站位置及GEO卫星星历参数，设定地面站至GEO链路参数；

S22，根据地面站至GEO链路的链路类型及其链路的波束范围，估计该链路在LEO轨道所在高度上的投影区域，其过程具体为：

S221，基于J2000地球惯性坐标系，假设GEO卫星坐标为(x_G，y_G，z_G)，z_G＝H₂+H，H为地球半径，H₂为GEO卫星距离地面的高度，该卫星在地面的覆盖区域的边界点坐标为(x_i，y_i，z_i)，O≤i≤M，z_i＝H，M为边界点的数量；

S222，假设LEO卫星高度为H₁，则地面站至GEO链路的链路在LEO轨道所在高度上的投影区域的边界点坐标(x_i′,y_i′,z_i′)为：

S23，估计当前时刻的LEO卫星位置，判断是否有LEO卫星出现在步骤S222所述的覆盖范围内；

S24，若LEO卫星出现在所述覆盖范围内，则估计共线干扰，并估计下一时刻的LEO卫星位置，重新进行步骤S23的判断；

S25，若LEO卫星未出现在所述覆盖范围内，则估计下一时刻的LEO卫星位置，重新进行步骤S23的判断。

步骤S3所述的干扰链路类型，包括地面站至LEO卫星上行链路、地面站至GEO卫星上行链路、LEO卫星至地面站下行链路和GEO至地面站下行链路。

对于地面站至LEO卫星上行链路，信号源为地面站通信终端，接收端为LEO卫星通信终端，干扰源为地面站；

对于地面站至GEO卫星上行链路，信号源为地面站通信终端，接收端为GEO卫星通信终端，干扰源为地面站；

对于LEO卫星至地面站下行链路，信号源为LEO卫星通信终端，接收端为地面站通信终端，干扰源为GEO卫星；

对于GEO卫星至地面站下行链路，信号源为GEO卫星通信终端，接收端为地面站通信终端，干扰源为LEO卫星。

图3为地面站至LEO卫星上行链路干扰地面站至GEO卫星上行链路示意图。图4为筛选高低轨卫星通信系统间的共线干扰链路示意图；图5为筛选高低轨卫星通信系统间的共线干扰链路流程图。

步骤S4所述的地面站、LEO卫星和GEO卫星的通信终端参数和卫星星历及地球站位置参数具体为，通信终端分为上行链路通信终端和下行链路通信终端，下行链路通信终端参数包括其工作频率(GHz)、卫星天线口径(m)、卫星发射功率(W)、天线效率(％)、用户天线口径(m)、用户热噪声温度(K)、信号带宽(MHz)，上行链路通信终端参数包括其工作频率(GHz)、卫星天线口径(m)、卫星热噪声温度(K)、天线效率(％)、用户发射功率(W)、用户天线口径(m)、信号带宽(MHz)；卫星星历及地球站位置参数包括半长轴、偏心率、倾角、升交点赤经、近地点幅角、真近点角，地球站的经度、纬度、高度。

步骤S5所述的分别估计接收端收到的来自信号源的载波功率C、噪声功率N_noise和来自干扰源的载波功率I，具体包括：

载波功率C的估计方法为

其中P_T为信号源发射功率，G_TS为信号源发射天线增益，G_R为接收端接收天线的增益，L_f为信号源发射信号的自由空间传播损耗，EIRP为信号源发射的有效全向辐射功率；

噪声功率N_noise的估计方法为N_noise＝kTB₁，其中T为接收系统等效噪声温度，k为波尔兹曼常数，B₁为接收端的接收信号带宽；

接收端收到的来自干扰源的载波功率I的估计方法与估计来自信号源的载波功率C的方法一致，来自干扰源的载波功率I的估计方法为，

其中，EIRP_I为干扰源发射的有效全向辐射功率。

针对地面站至LEO卫星上行链路和地面站至GEO卫星上行链路，其发射天线增益G_T的估计方法为：

其中，μ＝2.07123sin(θ)/sin(θ_3db)，J₁和J₃分别是1阶和3阶第一类贝塞尔函数，θ_3db是波束增益相对发射波束中心3db衰减处所对应的角度，θ表示发射信号指向卫星的入射方向与发射波束中心之间的夹角，G_T0为夹角θ＝0时的天线增益，

其中，D为天线口径，λ为载波波长，η为天线效率；

在不同干扰链路类型下，对应的信号源载波功率、噪声功率和干扰源载波功率的估计的具体公式如下，其中，脚标GS、LEO、GEO分别代表地面站、LEO卫星和GEO卫星：

对于地面站至LEO卫星上行链路，其信号源载波功率C₁、噪声功率N_noise1和干扰源载波功率I₁的估计方法为：

其中，P_T-GS为地面站的发射功率，G_T-GS为地面站的发射天线增益，G_R-LEO为LEO卫星接收天线的增益，L_f-LEO为地面站至LEO卫星的自由空间传播损耗，T_LEO为LEO卫星接收系统等效噪声温度，

为GEO地面站至GEO卫星链路的发射天线增益等效到地面站至LEO卫星上行链路部分的分量；

对于地面站至GEO卫星上行链路，其信号源载波功率C₂、噪声功率N_noise2和干扰源载波功率I₂的估计方法为：

其中，G_R-GEO为GEO卫星接收天线的增益，L_f-GEO为地面站至GEO卫星的自由空间传播损耗，T_GEO为GEO卫星接收系统等效噪声温度，

为LEO地面站至LEO卫星链路的发射天线增益等效到地面站至GEO卫星上行链路部分的分量；

对于LEO卫星至地面站下行链路，其信号源载波功率C₃、噪声功率N_noise3和干扰源载波功率I₃估计方法为：

其中，P_T-LEO为LEO卫星的发射功率，G_T-LEO为LEO卫星的发射天线增益，G_R-GS为地面站接收天线的增益，T_GS为地面站的接收系统等效噪声温度，P_T-GEO为GEO卫星的发射功率；

对于GEO卫星至地面站下行链路，其信号源载波功率C₄、噪声功率N_noise4和干扰源载波功率I₄估计方法为：

其中，G_T-GEO为GEO卫星的发射天线增益，

为LEO地面站至LEO卫星链路的发射天线增益等效到地面站至GEO卫星上行链路部分的分量。

进一步地，所述的在共线干扰条件下接收端的载噪比C/(N_noise+I)表示，具体估计方法如下：

Claims (9)

1.一种高低轨同频共存卫星通信系统的共线干扰估计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，根据高低轨卫星通信系统的星历数据、地面站经纬度，构建两者之间的干扰分析场景；

S2，根据星历数据，采样不同时刻低轨卫星的运动轨迹，筛选出高低轨卫星通信系统间的共线干扰链路；

S3，根据筛选出的共线干扰链路，区分干扰链路类型；

S4，配置地面站、LEO卫星和GEO卫星的通信终端参数、卫星星历及地球站位置参数；

S5，分别估计接收端收到的来自信号源的载波功率C、噪声功率N和来自干扰源的载波功率I。

2.一种如权利要求1所述的高低轨同频共存卫星通信系统的共线干扰估计方法，其特征在于，所述共线干扰，为部分卫星或终端相距较近时出现的干扰链路与通信链路重合所导致的干扰，即GEO卫星地面站与LEO卫星地面站相距较近或同址时，当LEO卫星运行到地面站至GEO链路附近时，导致地面站至GEO链路与地面站至LEO链路重合，产生共线干扰。

3.一种如权利要求1所述的高低轨同频共存卫星通信系统的共线干扰估计方法，其特征在于，步骤S1中所述的高低轨卫星通信系统间的干扰分析场景，高轨卫星通信系统为高轨卫星星座与其地面站构成的卫星通信系统，低轨卫星通信系统为低轨卫星星座与其地面站构成的卫星通信系统；两者之间的干扰分析场景构建，是基于两者的星历参数和地面站位置，完成卫星星历数据与地球站经纬度的转换，将卫星星历数据转换为经度、纬度、高度信息，完成轨道坐标系与J2000地球惯性坐标系之间的转换，将卫星星历所依托的轨道坐标系转换至J2000地球惯性坐标系，再完成高低轨卫星通信系统的干扰分析场景构建；

所述的将卫星星历数据转换为经度、纬度、高度信息，具体包括：

轨道坐标系六根数换算，用于将轨道六根数换算为轨道坐标系中的坐标值；建立轨道坐标系，该坐标系是空间直角坐标系，该坐标系的坐标原点位于地心，X轴和Y轴位于轨道平面上，Z轴和轨道平面的法线矢量

重合，估计平近点角M，M＝n(t-t₀)，其中t₀为卫星过近地点的时刻，t为当前时刻，n为卫星的平均角速度，其单位为rad/s，其计算公式为：

a为轨道椭圆的长半径，G引力常数，M₀为地球质量；求解开普勒方程E＝M+e_orbit·sinE，估计偏近点角E，e_orbit为轨道离心率，采用迭代法解开普勒方程，直至相邻两次迭代得到的偏近点角差值|E_i+1-E_i|＜ε时为止，i为估计次数，ε为差值阈值，获得偏近点角E的估计值，其中E_i和E_i+1为相邻两次迭代得到偏近点角的估计值；估计卫星至地心的距离r，其公式为r＝a(1-e_orbitcosE)；估计真近点角θ，其公式为

估计卫星在轨道坐标系中的坐标(X,Y,Z)，其中，X＝acosE-ae_orbit，

Z＝0；

所述的完成轨道坐标系与J2000地球惯性坐标系之间的转换，将卫星星历所依托的轨道坐标系转换至J2000地球惯性坐标系，具体是完成用J2000地球惯性坐标系所表示的坐标点，与经纬度和大地高坐标系所表示点之间的换算；轨道坐标系坐标轴经三次旋转即可和大地坐标系的三个坐标轴

重合，首先将轨道坐标系坐标轴绕其Z轴逆时针旋转ω角，使其X轴旋转至大地坐标系

轴，即指向升交点，再绕其X轴逆时针旋转i角，使得其Z轴与大地坐标系

轴重合；再绕大地坐标系

轴逆时针旋转(Ω-α_G)角，从而使得两个坐标系重合，其中α_G角是大地坐标系

轴与春分点方向的夹角，即为格林尼治恒星时角α_G，Ω角为卫星的升交点赤经，轨道坐标系的三次旋转表示为：

其中：

所述的完成J2000地球惯性坐标系与地球站位置所依托的地理经纬度坐标系间之间的转换，其具体过程为，

对于将地理经纬度坐标系转换为J2000地球惯性坐标系，其公式为：

其中，

为卫星在J2000地球惯性坐标系中的坐标，B,L,H_D分别为卫星的经度、维度和高度，N为地球半径，e为地球偏心率；

对于将J2000地球惯性坐标系转换为地理经纬度坐标系，其公式为：

4.一种如权利要求1所述的高低轨同频共存卫星通信系统的共线干扰估计方法，其特征在于，步骤S2所述的根据星历数据，采样不同时刻低轨卫星的运动轨迹，筛选出高低轨卫星卫星通信系统间的共线干扰链路，其具体包括：

S21，根据地面站位置及GEO卫星星历参数，设定地面站至GEO链路参数；

S22，根据地面站至GEO链路的链路类型及其链路的波束范围，估计该链路在LEO轨道所在高度上的投影区域，其过程具体为：

S221，基于J2000地球惯性坐标系，假设GEO卫星坐标为(x_G，y_G，z_G)，z_G＝H₂+H，H为地球半径，H₂为GEO卫星距离地面的高度，该卫星在地面的覆盖区域的边界点坐标为(x_i，y_i，z_i)，0≤i≤M，z_i＝H，M为边界点的数量；

S222，假设LEO卫星高度为H₁，则地面站至GEO链路的链路在LEO轨道所在高度上的投影区域的边界点坐标(x_i′,y_i′,z_i′)为：

S23，估计当前时刻的LEO卫星位置，判断是否有LEO卫星出现在步骤S222所述的覆盖范围内；

S24，若LEO卫星出现在所述覆盖范围内，则估计共线干扰，并估计下一时刻的LEO卫星位置，重新进行步骤S23的判断；

S25，若LEO卫星未出现在所述覆盖范围内，则估计下一时刻的LEO卫星位置，重新进行步骤S23的判断。

5.一种如权利要求1所述的高低轨同频共存卫星通信系统的共线干扰估计方法，其特征在于，

步骤S3所述的干扰链路类型，包括地面站至LEO卫星上行链路、地面站至GEO卫星上行链路、LEO卫星至地面站下行链路和GEO至地面站下行链路；

对于地面站至LEO卫星上行链路，信号源为地面站通信终端，接收端为LEO卫星通信终端，干扰源为地面站；

对于地面站至GEO卫星上行链路，信号源为地面站通信终端，接收端为GEO卫星通信终端，干扰源为地面站；

对于LEO卫星至地面站下行链路，信号源为LEO卫星通信终端，接收端为地面站通信终端，干扰源为GEO卫星；

对于GEO卫星至地面站下行链路，信号源为GEO卫星通信终端，接收端为地面站通信终端，干扰源为LEO卫星。

6.一种如权利要求1所述的高低轨同频共存卫星通信系统的共线干扰估计方法，其特征在于，步骤S4所述的地面站、LEO卫星和GEO卫星的通信终端参数和卫星星历及地球站位置参数具体为，通信终端分为上行链路通信终端和下行链路通信终端，下行链路通信终端参数包括其工作频率、卫星天线口径、卫星发射功率、天线效率、用户天线口径、用户热噪声温度、信号带宽，上行链路通信终端参数包括其工作频率、卫星天线口径、卫星热噪声温度、天线效率、用户发射功率、用户天线口径、信号带宽；卫星星历及地球站位置参数包括半长轴、偏心率、倾角、升交点赤经、近地点幅角、真近点角，地球站的经度、纬度、高度。

7.一种如权利要求1所述的高低轨同频共存卫星通信系统的共线干扰估计方法，其特征在于，步骤S5所述的分别估计接收端收到的来自信号源的载波功率C、噪声功率N_noise和来自干扰源的载波功率I，具体包括：

载波功率C的估计方法为

其中P_T为信号源发射功率，G_TS为信号源发射天线增益，G_R为接收端接收天线的增益，L_f为信号源发射信号的自由空间传播损耗，EIRP为信号源发射的有效全向辐射功率；

噪声功率N_noise的估计方法为N_noise＝kTB₁，其中T为接收系统等效噪声温度，k为波尔兹曼常数，B₁为接收端的接收信号带宽；

来自干扰源的载波功率I的估计方法为，

其中，EIRP_I为干扰源发射的有效全向辐射功率。

8.一种如权利要求7所述的高低轨同频共存卫星通信系统的共线干扰估计方法，其特征在于，针对地面站至LEO卫星上行链路和地面站至GEO卫星上行链路，其发射天线增益G_T的估计方法为：

其中，μ＝2.07123sin(θ)/sin(θ_3db)，J₁和J₃分别是1阶和3阶第一类贝塞尔函数，θ_3db是波束增益相对发射波束中心3db衰减处所对应的角度，θ表示发射信号指向卫星的入射方向与发射波束中心之间的夹角，G_T0为夹角θ＝0时的天线增益，

其中，D为天线口径，λ为载波波长，η为天线效率。

9.一种如权利要求7所述的高低轨同频共存卫星通信系统的共线干扰估计方法，其特征在于，

在不同干扰链路类型下，对应的信号源载波功率、噪声功率和干扰源载波功率的估计的具体公式如下，其中，脚标GS、LEO、GEO分别代表地面站、LEO卫星和GEO卫星：

对于地面站至LEO卫星上行链路，其信号源载波功率C₁、噪声功率N_noise1和干扰源载波功率I₁的估计方法为：

其中，P_T-GS为地面站的发射功率，G_T-GS为地面站的发射天线增益，G_R-LEO为LEO 卫星接收天线的增益，L_f-LEO为地面站至LEO卫星的自由空间传播损耗，T_LEO为LEO卫星接收系统等效噪声温度，

为GEO地面站至GEO卫星链路的发射天线增益等效到地面站至LEO卫星上行链路部分的分量；

对于地面站至GEO卫星上行链路，其信号源载波功率C₂、噪声功率N_noise2和干扰源载波功率I₂的估计方法为：

其中，G_R-GEO为GEO卫星接收天线的增益，L_f-GEO为地面站至GEO卫星的自由空间传播损耗，T_GEO为GEO卫星接收系统等效噪声温度，

为LEO地面站至LEO卫星链路的发射天线增益等效到地面站至GEO卫星上行链路部分的分量；

对于LEO卫星至地面站下行链路，其信号源载波功率C₃、噪声功率N_noise3和干扰源载波功率I₃估计方法为：

其中，P_T-LEO为LEO卫星的发射功率，G_T-LEO为LEO卫星的发射天线增益，G_R-GS为地面站接收天线的增益，T_GS为地面站的接收系统等效噪声温度，P_T-GEO为GEO卫星的发射功率；

对于GEO卫星至地面站下行链路，其信号源载波功率C₄、噪声功率N_noise4和干扰源载波功率I₄估计方法为：

其中，G_T-GEO为GEO卫星的发射天线增益，

为LEO地面站至LEO卫星链路的发射天线增益等效到地面站至GEO卫星上行链路部分的分量。

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