CN113037359B - 一种基于LoS MIMO架构的低轨卫星馈电链路通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LoSMIMO架构的低轨卫星馈电链路通信方法，可以在不增加系统功耗的条件下大幅提高低轨卫星星座系统馈电链路的遍历信道容量。对于在低轨卫星与地面站均配备多根天线的通信系统，本方法分别从卫星侧以及地面侧对系统的馈电链路遍历信道容量进行优化设计。在地面侧，根据地面站所在位置以及低轨卫星的运动轨迹参数等信息可计算出获得最优遍历信道容量的地面天线摆放方案。在卫星侧，根据低轨卫星的运动轨迹，本方法同时还可以计算出能够获得最优遍历信道容量的卫星姿轨调整方案。

Description

一种基于LoS MIMO架构的低轨卫星馈电链路通信方法

技术领域

本发明属于卫星移动通信领域，涉及一种基于LoS MIMO架构的低轨卫星馈电链路通信方法。

背景技术

作为地面移动通信系统的补充和扩展，同时也是地面第五代(5G，5^th Generation)移动通信技术的重要组成部分，基于低轨卫星星座的通信系统目前已成为学术界和工业界的研究热点。随着人们对于卫星通信需求的不断增长，为了支持高吞吐量的数据传输，需要寻找更高效的低轨卫星馈电链路的数据传输方案以保证整个卫星通信链路的性能。

现有的大多数低轨卫星星座系统如OneWeb、SpaceX和Telesat等均采用Ka波段实现馈电链路通信，然而卫星通信数据传输速率的不断增加导致Ka波段愈发饱和，成为进一步提升馈电链路信道容量的瓶颈。基于激光链路的馈电传输虽然没有频谱利用率的限制，但它极易受到如阴雨等天气条件的影响。视距(line-of-sight，LoS)多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技术通过将天线阵元放置相距足够远以便在LoS环境中获得空间复用，从而提升信道容量同时能够增强通信链路的可靠性。目前已有研究验证了LoS MIMO技术在同步地球轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)卫星馈电链路的优良性能，但尚无将LoS MIMO应用于低轨卫星系统的相关研究。基于此背景，本发明给出了一种基于LoS MIMO架构的低轨卫星馈电链路通信方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种基于LoS MIMO架构的低轨卫星馈电链路通信方法，可以在不增加系统功耗的条件下大幅提高低轨卫星星座系统馈电链路的遍历信道容量。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于LoS MIMO架构的低轨卫星馈电链路通信方法，所述方法应用于地面侧和卫星侧均配备多根天线的低轨卫星通信系统，包括以下步骤：

步骤1，获得基于LoS MIMO架构的低轨卫星馈电链路系统工作参数；

步骤2，根据步骤1中的系统工作参数计算地面站可视区域的星地链路遍历信道容量，通过数值仿真计算求出使遍历信道容量达到最优的地面天线摆放方案；

步骤3，在卫星运动的过程中，卫星根据与地面站的实时相对位置计算出能够获得最优遍历信道容量的卫星姿轨状态，并根据计算结果进行最优姿轨的实时调整。

进一步地，所述步骤1中的基于LoS MIMO架构的低轨卫星馈电链路包括均配备多根天线的地面站和低轨卫星，地面站的多天线通过有线或无线方式进行互联。

进一步地，所述步骤1中的基于LoS MIMO架构的低轨卫星馈电链路系统工作参数包括：卫星轨道高度H、卫星运行角速度n、轨道平面倾角μ、地面站纬度坐标φ_G、地面站经度坐标θ_G、地面站天线间距d_G、地面站天线连线与正东方向夹角δ_G、卫星天线间距d_S、卫星天线连线与正东方向夹角δ_S、载波频率f_c、卫星工作最小仰角ε₀和链路信噪比σ。

进一步地，所述步骤2中的地面站可视区域是指能与给定地面站进行可靠通信的卫星运行区域，该区域由卫星工作最小仰角ε₀决定，以地面站为原点G建立地平坐标系，Gx’,Gy’和Gz’为坐标轴分别指向正东、正北和天顶方向，

表示与卫星工作最小仰角对应的最大地心角，其中R_E表示地球平均半径，则地面站可视区域为0≤β≤β₀,0≤η≤2π范围内的卫星运行穹顶区域，其中，β表示卫星和地面站之间的地心角，η表示星地连线在地平面的投影与正北方向的夹角。

进一步地，所述步骤2中地面站可视区域的星地链路遍历信道容量表达式为：

由于地面站可视区域的任意一个点可以由参数对(β,η)唯一表示，因此用C(β,η)表示位于坐标(β,η)的卫星与地面站之间的LoS MIMO信道容量，计算

公式为

C(β,η)＝log₂[(1+2σ|a(β,η)|²)²-(σ|a(β,η)|²)²Δ(r₁₁(β,η),r₁₂(β,η),r₂₁(β,η),r₂₂(β,η))]其中r_nrnt(β,η)和

分别表示位于坐标(β,η)的卫星第n_r个接收天线和地面第n_t个发送天线之间的传输距离和信号幅度衰减，其中1≤n_r≤2,1≤n_t≤2，c₀为光速，表达式Δ(r₁₁(β,η),r₁₂(β,η),r₂₁(β,η),r₂₂(β,η))为

其中

向量G₁(x_G1,y_G1,z_G1)、G₂(x_G2,y_G2,z_G2)、S₁(x_S1,y_S1,z_S1)和S₂(x_S2,y_S2,z_S2)分别表示地面站两天线和卫星两天线的位置向量，有

其中φ_S表示卫星纬度坐标，θ_S表示卫星经度坐标，地面站可视区域的星地链路遍历信道容量表达式中的ρ(β,η)表示地面站可视区域上坐标(β,η)处的卫星轨迹分布概率，当η∈[0,π]时其计算公式为

当η∈[π,2π]时ρ(β,η)＝ρ(β,2π-η)。其中φ(β,η)表示卫星纬度φ和坐标(β,η)的转换式，根据η的取值分为三种情况：当η＝0,π时，φ(β,η)＝φ_G±β₀；当η＝π/2时，有

当

时，有

其中

其中d(β)和γ(β)分别表示地心角为β处的卫星与地面站的距离和仰角，根据上述公式，即可计算出地面站可视区域的星地链路遍历信道容量。

进一步地，所述步骤2中的所述数值仿真求可获得最优遍历信道容量的地面天线摆放方案的参数，包括设定地面站天线连线与正东方向夹角δ_G、地面站天线间距值d_G，其具体步骤为：设定固定的d_S,δ_S,δ_G，将d_G设为自变量，利用计算机对可视区域的星地链路遍历信道容量表达式进行数值仿真，然后按照式

求得使遍历信道容量达到最大的地面站天线间距d_G-opt；在保证d_G≥d_G-opt的条件下，根据实际系统中地面站的所占面积大小选取地面站天线间距d_G，即可确定最优遍历信道容量的地面天线摆放方案的参数δ_G和d_G。

进一步地，所述步骤3中的卫星根据与地面站的实时相对位置计算出能够获得最优遍历信道容量的卫星姿轨状态需要经历的步骤如下：在卫星运行到地面站可视区域范围时，卫星实时获取φ_S,θ_S,r₁₁，并根据下式计算出最优卫星δ_S-opt旋转角度：

其中

κ₁＝sinφ_S cosδ_G sin(θ_S-θ_G)-sinδ_G cosφ_S cosφ_G

-sinφ_S sinδ_G sinφ_G cos(θ_S-θ_G)

κ₂＝-cosδ_G cos(θ_S-θ_G)-sinδ_G sinφ_G sin(θ_S-θ_G)；

然后卫星根据计算出的最优角度值对姿轨状态进行及时调整，即可获得实时最优遍历信道容量。

有益效果：本发明公开了一种基于LoS MIMO架构的低轨卫星馈电链路通信方法，具有如下的有益效果：

1)本发明适用于具有不同工作参数的低轨卫星通信系统，具有很强的通用性和可移植性。

2)本发明给出了给定地面站可视区域内低轨卫星运动轨迹概率分布的闭式表达计算方法，为相关研究提供了便利。

3)本发明给出的方法分别从卫星侧以及地面侧对系统的馈电链路遍历信道容量进行优化设计，解决了现有针对静态场景的LoS MIMO方案无法直接应用于动态场景的问题，且所提方案可以在不增加系统功耗的条件下将低轨卫星星座系统馈电链路的遍历信道容量提高接近一倍。

附图说明

图1为基于LoS MIMO架构的低轨卫星馈电链路系统示意图。

图2为地面站可视区域示意图。

图3为地面站地平坐标系示意图。

图4为基于LoS MIMO架构的低轨卫星馈电链路遍历信道容量与传统SISO结构对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。

本发明提供一种基于LoS MIMO架构的低轨卫星馈电链路通信方法，包括以下步骤：

步骤1，首先获得基于LoS MIMO架构的低轨卫星馈电链路系统工作参数。图1为本实施例涉及的基于LoS MIMO架构的低轨卫星馈电链路，地面站和低轨卫星均可配备多根天线，其中地面站的多根天线可通过有线或无线方式进行互联，图中P1、P2分别表示地面站两天线位置。该系统的工作参数包括：卫星轨道高度H、卫星运行角速度n、轨道平面倾角μ、地面站纬度坐标φ_G、地面站经度坐标θ_G、地面站天线间距d_G、地面站天线连线与正东方向夹角δ_G、卫星天线间距d_S、卫星天线连线与正东方向夹角δ_S、载波频率f_c、卫星工作最小仰角ε₀和链路信噪比σ。

步骤2，根据步骤1中的系统工作参数计算地面站可视区域的星地链路遍历信道容量C，然后通过数值仿真计算求出使遍历信道容量达到最优的地面天线摆放方案，包括参数地面站天线连线与正东方向夹角和地面站天线间距值。图2中的卫星轨道面上的阴影区域为地面站可视区域，表示能与给定地面站进行可靠通信的卫星运行区域，该区域大小由卫星工作最小仰角ε₀决定。如图3所示，以地面站为原点G建立地平坐标系，Gx’,Gy’和Gz’为坐标轴分别指向正东、正北和天顶方向，

表示与卫星工作最小仰角对应的最大地心角，其中R_E表示地球平均半径，则地面站可视区域为0≤β≤β₀,0≤η≤2π范围内的卫星运行穹顶区域，β表示卫星和地面站之间的地心角，ε表示卫星和地面站之间的仰角，η表示星地连线在地平面的投影与正北方向的夹角。地面站可视区域的星地链路遍历信道容量C的计算公式为：

由于地面站可视区域的任意一个点可以由参数对(β,η)唯一表示，因此用C(β,η)表示位于坐标(β,η)的卫星与地面站之间的LoSMIMO信道容量，计算公式为

C(β,η)＝log₂[(1+2σ|a(β,η)|²)²-(σ|a(β,η)|²)²Δ(r₁₁(β,η),r₁₂(β,η),r₂₁(β,η),r₂₂(β,η))]

其中r_nrnt(β,η)和

分别表示位于坐标(β,η)的卫星第n_r个接收天线和地面第n_t个发送天线之间的传输距离和信号幅度衰减，其中1≤n_r≤2,1≤n_t≤2，c₀为光速。表达式Δ(r₁₁(β,η),r₁₂(β,η),r₂₁(β,η),r₂₂(β,η))为

其中

向量G₁(x_G1,y_G1,z_G1)、G₂(x_G2,y_G2,z_G2)、S₁(x_S1,y_S1,z_S1)和S₂(x_S2,y_S2,z_S2)分别表示地面站两天线和卫星两天线的位置向量，有

其中φ_S表示卫星纬度坐标，θ_S表示卫星经度坐标。地面站可视区域的星地链路遍历信道容量表达式中的ρ(β,η)表示地面站可视区域上坐标(β,η)处的卫星轨迹分布概率，当η∈[0,π]时其计算公式为

当η∈[π,2π]时ρ(β,η)＝ρ(β,2π-η)。其中φ(β,η)表示卫星纬度φ和坐标(β,η)的转换式，根据η的取值分为三种情况：当η＝0,π时，φ(β,η)＝φ_G±β₀；当η＝π/2时，有

当

时，有

其中

其中d(β)和γ(β)分别表示地心角为β处的卫星与地面站的距离和仰角，根据上述公式，即可计算出地面站可视区域的星地链路遍历信道容量。由于地面站可视区域的星地链路遍历信道容量表达式没有闭式表达，因此可利用计算机通过数值仿真计算求出使遍历信道容量C达到最优的地面天线摆放方案参数，仿真具体步骤为：首先设定d_S,δ_S,δ_G，将d_G设为自变量，利用计算机对可视区域的星地链路遍历信道容量表达式进行数值仿真，然后按照式

求得使遍历信道容量达到最大的地面站天线间距d_G-opt；其次在保证d_G≥d_G-opt的条件下，根据实际系统中地面站的所占面积大小选取合适的地面站天线间距d_G，则δ_G和d_G即为该系统可获得最优遍历信道容量的地面天线摆放方案的参数。图4给出了本实施例所提方法与传统SISO通信架构的遍历信道容量对比曲线，从该图可以看出，本发明所提方法相比传统SISO通信架构方法有接近两倍的信道容量性能提升。

步骤3，在卫星运动的过程中，卫星根据与地面站的实时相对位置计算出能够获得最优遍历信道容量的卫星姿轨状态，并根据计算结果进行最优姿轨的实时调整。卫星根据与地面站的实时相对位置计算出能够获得最优遍历信道容量的卫星姿轨状态需要经历的步骤如下：在卫星运行到地面站可视区域范围时，卫星实时获取φ_S,θ_S,r₁₁，并根据下式计算出最优卫星δ_S-opt旋转角度：

其中

κ₁＝sinφ_S cosδ_G sin(θ_S-θ_G)-sinδ_G cosφ_S cosφ_G

-sinφ_S sinδ_G sinφ_G cos(θ_S-θ_G)

κ₂＝-cosδ_G cos(θ_S-θ_G)-sinδ_G sinφ_G sin(θ_S-θ_G)；

然后卫星根据计算出的最优角度值对姿轨状态进行及时调整，即可获得实时最优遍历信道容量。

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 (4)

1.一种基于LoS MIMO架构的低轨卫星馈电链路通信方法，所述方法应用于地面侧和卫星侧均配备多根天线的低轨卫星通信系统，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，获得基于LoS MIMO架构的低轨卫星馈电链路系统工作参数；

步骤2，根据步骤1中的系统工作参数计算地面站可视区域的星地链路遍历信道容量，通过数值仿真计算求出使遍历信道容量达到最优的地面天线摆放方案；

步骤3，在卫星运动的过程中，卫星根据与地面站的实时相对位置计算出能够获得最优遍历信道容量的卫星姿轨状态，并根据计算结果进行最优姿轨的实时调整；

其中，所述步骤2中地面站可视区域的星地链路遍历信道容量表达式为：

由于地面站可视区域的任意一个点能够由参数对(β,η)唯一表示，因此用C(β,η)表示位于坐标(β,η)的卫星与地面站之间的LoS MIMO信道容量，计算公式为

C(β,η)＝log₂[(1+2σ|a(β,η)|²)²-(σ|a(β,η)|²)²Δ(r₁₁(β,η),r₁₂(β,η),r₂₁(β,η),r₂₂(β,η))]

其中r_nrnt(β,η)和

分别表示位于坐标(β,η)的卫星第n_r个接收天线和地面第n_t个发送天线之间的传输距离和信号幅度衰减，其中1≤n_r≤2,1≤n_t≤2，c₀为光速，表达式Δ(r₁₁(β,η),r₁₂(β,η),r₂₁(β,η),r₂₂(β,η))为

其中

向量G₁(x_G1,y_G1,z_G1)、G₂(x_G2,y_G2,z_G2)、S₁(x_S1,y_S1,z_S1)和S₂(x_S2,y_S2,z_S2)分别表示地面站两天线和卫星两天线的位置向量，有

其中φ_S表示卫星纬度坐标，θ_S表示卫星经度坐标，地面站可视区域的星地链路遍历信道容量表达式中的ρ(β,η)表示地面站可视区域上坐标(β,η)处的卫星轨迹分布概率，当η∈[0,π]时其计算公式为

当η∈[π,2π]时ρ(β,η)＝ρ(β,2π-η)；其中φ(β,η)表示卫星纬度φ和坐标(β,η)的转换式，根据η的取值分为三种情况：当η＝0,π时，φ(β,η)＝φ_G±β₀；当η＝π/2时，有

当

π时，有

其中

其中d(β)和γ(β)分别表示地心角为β处的卫星与地面站的距离和仰角，根据上述公式，即计算出地面站可视区域的星地链路遍历信道容量；

所述步骤2中的所述数值仿真计算获得最优遍历信道容量的地面天线摆放方案的参数，包括设定地面站天线连线与正东方向夹角δ_G、地面站天线间距值d_G，其具体步骤为：设定固定的d_S,δ_S,δ_G，将d_G设为自变量，利用计算机对可视区域的星地链路遍历信道容量表达式进行数值仿真，然后按照式

求得使遍历信道容量达到最大的地面站天线间距d_G-opt；在保证d_G≥d_G-opt的条件下，根据实际系统中地面站的所占面积大小选取地面站天线间距d_G，即确定最优遍历信道容量的地面天线摆放方案的参数δ_G和d_G；

所述步骤3中的卫星根据与地面站的实时相对位置计算出能够获得最优遍历信道容量的卫星姿轨状态需要经历的步骤如下：在卫星运行到地面站可视区域范围时，卫星实时获取φ_S,θ_S,r₁₁，并根据下式计算出最优卫星δ_S-opt旋转角度：

其中

κ₁＝sinφ_Scosδ_Gsin(θ_S-θ_G)-sinδ_Gcosφ_Scosφ_G

-sinφ_Ssinδ_Gsinφ_Gcos(θ_S-θ_G)

κ₂＝-cosδ_Gcos(θ_S-θ_G)-sinδ_Gsinφ_Gsin(θ_S-θ_G)；

然后卫星根据计算出的最优角度值对姿轨状态进行及时调整，即获得实时最优遍历信道容量。

2.根据权利要求1所述的一种基于LoS MIMO架构的低轨卫星馈电链路通信方法，其特征在于：所述步骤1中的基于LoS MIMO架构的低轨卫星馈电链路包括均配备多根天线的地面站和低轨卫星，地面站的多天线通过有线或无线方式进行互联。

3.根据权利要求1所述的一种基于LoS MIMO架构的低轨卫星馈电链路通信方法，其特征在于：所述步骤1中的基于LoS MIMO架构的低轨卫星馈电链路系统工作参数包括：卫星轨道高度H、卫星运行角速度n、轨道平面倾角μ、地面站纬度坐标φ_G、地面站经度坐标θ_G、地面站天线间距d_G、地面站天线连线与正东方向夹角δ_G、卫星天线间距d_S、卫星天线连线与正东方向夹角δ_S、载波频率f_c、卫星工作最小仰角ε₀和链路信噪比σ。

4.根据权利要求1所述的一种基于LoS MIMO架构的低轨卫星馈电链路通信方法，其特征在于：所述步骤2中的地面站可视区域是指能与给定地面站进行可靠通信的卫星运行区域，该区域由卫星工作最小仰角ε₀决定，以地面站为原点G建立地平坐标系，Gx’,Gy’和Gz’为坐标轴分别指向正东、正北和天顶方向，

表示与卫星工作最小仰角对应的最大地心角，其中R_E表示地球平均半径，则地面站可视区域为0≤β≤β₀,0≤η≤2π范围内的卫星运行穹顶区域，其中，β表示卫星和地面站之间的地心角，η表示星地连线在地平面的投影与正北方向的夹角。

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