CN113067651B - 低轨卫星系统星座间干扰检测方法 - Google Patents

Abstract

低轨卫星系统星座间干扰检测方法，涉及电子与通信技术领域。本发明对低轨卫星系统建模获取数据，通过对星座之间的干扰分析并结合卫星的发射接收参数等，然后利用信干噪比等的计算公式，最后将获得的系统余量与ITU的干扰判别门限比较，判断各个通信系统之间是否存在干扰，本发明的干扰检测准确，填补了现有技术中缺少星座之间的干扰分析的空白。

Description

低轨卫星系统星座间干扰检测方法

技术领域

本发明涉及电子与通信技术领域。

背景技术

卫星通信作为地面通信的补充，逐渐在整个通信系统中扮演者越来越重要的角色。物联网是目前的信息技术发展的重点方向和重要的组成部分，目前的地面物联网面临着各种各样的困难，其中包括天气、容量、网络资源等的影响。因此，人们开始将目前的地面物联网进行拓展，开辟其再空中的领域，其中最大的主战场就是空间信息网。空间信息网集合了地球同步轨道卫星、中轨道卫星、和低轨道卫星等来处理空间中的网络信息。

其中，低轨卫星通信系统时延小，信号的抗衰减能力强，而且可以通过提高系统的覆盖能力，达到卫星的全球无缝覆盖。低轨卫星的频率复用因子较大时，系统的频谱利用率较低，系统的频带容量相对较小，但是此种情况下一般同频波束之间的相距较大，因此此时同频干扰情况较少。

在对低轨卫星进行仿真获得其电磁数据挖掘电磁数据特征时，需要对低轨卫星系统进行建模，构建合适的低轨卫星网络，需要获取相应的包括卫星天线参数、卫星和地面站之间的相对角度和距离以及过顶时间等相关参数。

目前主流的低轨卫星系统主要包括Starlink、OneWeb以及Telesat等的系统。但是目前的低轨卫星通信系统面临的问题主要是各个系统的使用频率范围较为集中，都基本集中在Ka/Ku频段，这就会带来同频干扰等的星间干扰问题。所以在NGSO的系统的星间，针对星间干扰并进行自适应功率控制等的方式调节系统十分重要。

但是现有的干扰分析都一般会集中在NGSO和GSO系统之间，往往对于NGSO星座之间的干扰意义不大，并且之前的分析一般都集中在单颗卫星之间的干扰分析，并没有针对两个星座之间的实时干扰分析。此外，一般的干扰分析都集中在卫星和地球站的下行链路中其他卫星对地球站的干扰，却忽略了在上行链路中可能存在的其他干扰卫星对主链路的卫星接收天线的干扰，会导致实际工作中的偏差。

发明内容

本发明是为了填补现有技术中缺少星座之间的干扰分析的问题，从而提供一种低轨卫星系统星座间干扰获取方法。

低轨卫星系统星座间干扰检测方法，它包括以下步骤：

步骤一、建立相应的NGSO卫星星座模型，并采集其中不同NGSO系统中每两个卫星之间以及所述NGSO卫星星座模型中每个卫星与地面站之间的实时距离和方向以及对应的时间和角度的数据文件；

步骤二、将步骤一获取的所有的时间段的数据文件构成一个时间连续的不同卫星之间相互对应的数据文件，在每两个两颗卫星或者卫星与地面站不相互通信的相应位置数值设置为数据集NaN；

通过设置NaN，在处理星间数据时可以将两颗卫星之间未发生通信交流时数据设置为空，可以更直观的获得星间干扰数据与时间之间的关系。

步骤三、获取NGSO系统最佳的采样时间；

步骤四、根据步骤三获取的NGSO系统的系统最佳采样时间对总的数据文件进行时间上的采样；

步骤五、设定NGSO卫星系统中的各个参数，以及确定卫星发射天线和地面站接收天线的模型与参数；

步骤六、获取NGSO系统的载噪比门限；

步骤七、根据步骤五中设定的NGSO系统的参数，获取链路的载干比；

步骤八：获取NGSO系统的干扰余量M，并判断NGSO系统的干扰余量M是否大于步预设的ITU判别门限，如果判断结果为是，则低轨卫星系统星座间存在干扰，如果判断结果为否，则低轨卫星系统星座间不存在干扰，完成一次低轨卫星系统星座间干扰检测。

本发明取得的有益效果：本发明对低轨卫星系统建模获取数据，通过对星座之间的干扰分析并结合卫星的发射接收参数等，然后利用信干噪比等的计算公式，最后将获得的系统余量与ITU的干扰判别门限比较，判断各个通信系统之间是否存在干扰，本发明的干扰检测准确，填补了现有技术中缺少星座之间的干扰分析的空白。

附图说明

图1是星座A星座图；

图2是星座B星座图；

图3是星座A系统天线放大能力；

图4是星座B系统天线放大能力；

图5是下行链路中星座B对星座A系统的干扰余量图；

图6是上行链路中星座B对星座A系统的干扰余量图；

图7是本发明的整体流程图。

具体实施方式

具体实施方式一、NGSO系统的星间干扰检测方法，其主要在于构建可能存在干扰的场景，然后按照无线电规则计算。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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。

具体实施例：本具体实施例所述的讨论NGSO星座之间的干扰情况，包括不同系统的卫星与地面之间的干扰，以及不同系统的卫星与卫星之间的干扰；

本实施例的发处理步骤包括：

步骤A1、选取星座A与星座B，建立相应的NGSO卫星星座模型，并获取所需要的星座间的相应数据。

步骤A11、A星座的星座图，如图1所示。并获取其与所选择的地面站之间的距离数据。

步骤A12、B星座的星座图，如图2所示。并获取其与所选择的地面站之间的距离数据。

步骤A13、获得所选取的两个星座中的任意两个星之间的距离数据，并利用如下的余弦定理获取两个卫星与地面站之间的夹角θ₁以及两个卫星之间的链路与其各自与地面站卫星链路之间的夹角θ₂和θ₃，公式中的a、b和c分别表示不同的两颗卫星与地球站之间的距离以及两颗卫星星座之间的距离。

步骤A2、将所有的时间和角度与各自距离的数据整合为一个完整的数据文件，其时间按照先后顺序排列。由于各个卫星与地面站之间有可能会出现不互相连通的情况，所以获得的数据文件时间不是连续的，需要将数据文件时间变为连续，在不存在数据的时间将各个数据设置为NaN。

步骤A3、之后需要计算系统的最佳采样时间，这样可以在能够正确判断系统之间的干扰情况的前提下，尽可能减少所需要的数据计算量。计算最佳采样时间需要如下公式：

在计算中，需要获取所选取的星座轨道高度以及卫星运行角速度等的数据。

在上式中，Δt_step-down表示系统的下行时间的步长，也就是系统最佳的采样时间间隔，Δt_do_wn则为干扰NGSO卫星通过地球站的天线主瓣辐射范围所需的时间，这会受到系统的天线种类和放大能力，以及卫星轨道高度等的影响。N_step-down表示受干扰系统地面站接收天线主瓣辐射面积的采样次数，其受主瓣宽度等的因素影响，是3dB宽度与是受干扰的NGSO系统地球站接收天线主瓣的离轴角采样间隔的比值。在实际工程中一般采用

代替，其中ΔR为NGSO受干扰地球站接收的干扰信号功率I的分辨率dI，根据经验可以设置其值为0.5dB。

而Δt_down的值可以用卫星通过地球站接收天线主瓣辐射面积的角度与卫星在圆轨道上的角速度的比值确定。

在本例中最终根据上法确定时间步进为6秒。

步骤A4、根据获取的所需系统的系统最佳采样时间对总的数据文件进行时间上的采样，每隔6秒，获取所需数据，构成新的数据文件。

步骤A5、需要确定本系统中的各个参数，包括A星座与B星座的发射功率、天线模型以及在系统中存在的主要损耗大小。

对于所需要的天线模型与参数，根据ITU-R S.672-4的规定，NGSO系统的卫星天线的辐射模型可以按如下公式来表示：

其中G(ψ)是方向角为ψ处的增益，G_m为主瓣的最大增益，ψ₀为3dB波束宽度的半波束角，ψ₁为第三个等式为0时的角度，L_s是相对于峰值增益内旁瓣的增益。一般来讲，按照经验L_s为-20，a为2.58，b为6.32。其A星座与B星座的卫星天线放大倍数如图3、图4所示：

另外ITU-R S.465-6则规定了NGSO系统中的地球站的天线放大能力。对于所研究的方向与主波束轴所成的角，应采用以下参考辐射图：

对于

对于

G＝-10dBi

其中：

对于D/λ≥50，

或100λ/D度，取二者中的最大值。

对于D/λ＜50，

或114(D/λ)^-1.09度，取二者中的最大值。.

G：天线的放大倍数

D：天线直径

λ：波长

天线的轴外角(度)

D/λ：归一化的反射器口面直径

步骤A6、计算邻星干扰信号对本星接收系统的等效噪声影响。

步骤A61、一般按照国际电信联盟规定，只要邻星干扰信号对本星接收系统的等效噪声影响达到6％，一般就会认定邻星系统中存在干扰需要进行调整。所以也就是将6％视作判决门限。等效噪声温度相对增量可以表示为

也就是：

也可以以分贝的形式表现为：

I-N＝-12.2dB

其中I表示干扰信号引起的系统相对噪声增量，而N表示链路自身存在的载噪比值。

步骤A62、在考虑星间干扰时，选择采用功率来进行判断。在计算过程中，需要对载干比进行数据处理。所以最终传输的载干比与星间链路本身传输的载干比之间的关系为：

其中，

是系统链路载噪比门限，可以表示为：

其中

为设备的解调门限，R_s为载波信息速率，BW₀为载波占用带宽，M为系统余量。所以为了确定是否存在星间干扰，就需要结合上述无线电要求来对链路干扰进行计算。

步骤A7、根据不同的干扰情形，计算链路的载干比。

在考虑干扰情况时，主要分为两种的主要场景，主要分为在星座链路下行时其他星座对地球站接收天线之间的干扰以及在上行链路中其他星座对星座卫星接收天线造成的影响。在考虑第一种情况时，下行链路载干比就是：

当考虑以功率谱密度来对上述进行分析时，上式可以转变为：

在计算下行链路载干比中，接收端的地球站的天线输出端的载波功率为

C_dn＝EIRP_s-L_d+G_er

其中EIRP_s为载波卫星的EIRP值，L_d为下行链路的损耗值，G_er为地面站的接收增益。在考虑第二种情况时，主体方法相同，需要注意要带入的是卫星天线数据以及考虑其相应的信号干扰。整体过程如图5所示。

步骤A8、根据无线电规则8，判断是否需要对系统进行调整，以减少星间干扰造成的影响。

在考虑系统的余量M时，可以根据之前计算的门限得到式：

根据无线电规则可知，在判断是否存在干扰时，可以利用获得的系统余量，当系统余量M大于0时，系统的干扰情况不严重，不会对主链路的信道造成影响。而当M小于0时，干扰就会对主链路的通信造成影响，需要对系统进行例如自适应功率控制等操作，来改善信道环境。

这样，就可以根据卫星星座参数等，计算等效噪声温度相对增量，并根据无线电规则附录8来对其进行判断，两系统之间是否需要进行协调。

最终下行链路中的星间干扰余量情况如图5所示，可以看出在本例中，星座B对星座A系统的干扰情况不会对系统产生明显影响。

最终上行链路中的星间干扰余量情况如图6所示，可以看出在本例中，星座B对星座A系统的干扰情况可能会产生影响。

通过以上的判断方式，就可以得知在数据挖掘对数据进行分析的时候，针对任意的时间对应的角度，星间距离，频率以及降雨量等，判断该情形下是否存在干扰。

对干扰与时间和频率的多维度分析可知，在频率从900KHz到25GHz的范围内，随着频率增加，由于自由空间损耗等的增加，最终系统的SINR也会降低，受到干扰的可能增大，而对于干扰与时间的关系来讲，跟随着时间变化，星间的角度和距离也会变化，最终干扰判决会如之前的图像所示，这就是星间数据的干扰特征。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例，因此应该理解的是，可以对示例性的实例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围，应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征，还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它实施例中。

Claims (4)

1.一种低轨卫星系统星座间干扰检测方法，其特征是：它包括以下步骤：

步骤一、建立相应的NGSO卫星星座模型，并采集其中不同NGSO系统中每两个卫星之间以及所述NGSO卫星星座模型中每个卫星与地面站之间的实时距离和方向以及对应的时间和角度的数据文件；

步骤二、将步骤一获取的所有的时间段的数据文件构成一个时间连续的不同卫星之间相互对应的数据文件，在每两个两颗卫星或者卫星与地面站不相互通信的相应位置数值设置为数据集NaN；

步骤三、获取NGSO系统最佳的采样时间；

步骤四、根据步骤三获取的NGSO系统的系统最佳采样时间对总的数据文件进行时间上的采样；

步骤五、设定NGSO卫星系统中的各个参数，以及确定卫星发射天线以及地面站接收天线的模型与参数；

步骤六、获取NGSO系统的载噪比门限；

步骤七、根据步骤五中设定的NGSO系统的参数，获取链路的载干比；

步骤八：获取NGSO系统的干扰余量M，并判断NGSO系统的干扰余量M是否大于预设的ITU判别门限，如果判断结果为是，则低轨卫星系统星座间存在干扰，如果判断结果为否，则低轨卫星系统星座间不存在干扰，完成一次低轨卫星系统星座间干扰检测；

步骤三中，获取系统最佳的采样时间的具体方法是：

根据公式：

获得系统最佳的采样时间Δt_step-down；

其中：Δt_down是干扰卫星经过的接收站天线主瓣范围内的角度，N_step-down是系统相应时间内的采样点数。

2.根据权利要求1所述的低轨卫星系统星座间干扰检测方法，其特征在于步骤八中判断NGSO系统的M是否大于预设的ITU干扰判别门限是根据无线电规则8实现的。

3.根据权利要求1所述的低轨卫星系统星座间干扰检测方法，其特征在于步骤六中，获取NGSO系统的载噪比门限的方法具体为：

根据公式：

获得NGSO系统的载噪比门限

其中：

为设备的解调门限，R_s为载波信息速率，BW₀为载波占用带宽，M为NGSO系统的干扰余量。

4.根据权利要求1所述的低轨卫星系统星座间干扰检测方法，其特征在于步骤七中，获取链路的载干比的方法是：

根据公式：

获得链路的载干比；

其中：

是下行链路载干比，C_dn是载波信号强度，I_dn是干扰信号强度，

是载波信号与相对热噪声比值，

是干扰信号与相对热噪声比值。

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