CN113595618A - 一种用于卫星通信的日凌干扰角度和日凌时间的预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于卫星应用技术领域，具体涉及一种用于卫星通信的日凌干扰角度和日凌时间的预测方法，该方法包括：采用光线追踪方法与背景光功率计算相结合的方法计算到达CCD处的太阳背景光功率；将计算出的太阳背景光功率与CCD的探测灵敏度作对比，确定日凌干扰角度；基于太阳光和星间激光链路夹角计算公式及日凌阈值角度，预测星间激光链路的日凌时间；本发明能够精准的确定卫星发生日凌干扰的位置和时间，使得能够在预测的位置和时间段上进行调整，控制终端在卫星轨道上实时智能规避日凌，提高了卫星信号传输的效率。
Description
技术领域
本发明属于卫星应用技术领域，具体涉及一种用于卫星通信的日凌干扰角度和日凌时间的预测方法。
背景技术
卫星通信在高速发展的信息时代具有重要作用，而将激光作为载波源可以更准确更快速地传送海量信息。目前已有的大多数激光通信终端是基于CCD探测成像的这种探测机制，容易受到太空中背景噪声的影响。在背景噪声中，太阳和恒星的背景光是背景噪声的主要来源。日光入射激光通信终端，在CCD上探测成像，会影响原本正在通信的两卫星之间的瞄准捕获和跟踪，对卫星通信系统的稳定性影响很大。因此为确保通信系统的正常运行，卫星通信终端要提前进行日凌规避，日凌干扰角度的确定及日凌时间的提前预测具有重要意义。
发明内容
为了提高日凌干扰角度的确定及日凌时间的提前预测的精确度，本发明提出了一种用于卫星通信的日凌干扰角度和日凌时间的预测方法，该方法包括：设置太阳光线入射干扰阈值角度；实时获取信号发射卫星、信号接收卫星以及太阳在地心赤道坐标系下的位置矢量；根据各个位置矢量计算信号接收卫星指向信号发射卫星的指向矢量和信号接收卫星指向太阳的指向矢量；计算两个指向矢量之间的夹角，该夹角为太阳光入射角度；判断太阳光入射角度与太阳光线入射干扰阈值角度的大小，若小于太阳光线入射干扰阈值角度，则此时卫星发生日凌干扰，并输出日凌干扰角度和日凌时间，否则未发生日凌干扰。
优选的，设置太阳光线入射干扰阈值角度的过程包括：将太阳光线入射到卫星光学天线口径处；根据到达光学天线口径处的太阳光能量计算太阳光在光学天线口径处的太阳背景光功率；根据光学天线口径处的太阳背景光功率计算光线在不同入射角度下到达CCD处的太阳背景光功率；判断到达CCD处的太阳背景光功率是否达到CCD探测阈值，若未达到探测阈值，则不进行处理，若达到探测阈值，则确定太阳光线入射干扰阈值角度。
进一步的，CCD安装的位置为：CCD的安装采用异轴安装的方式，在光学系统中增加了反射镜，CCD放在探测镜头的焦平面上，且探测镜头焦点在CCD中心。
进一步的，在光学天线口径处的太阳背景光功率的计算公式为：
其中，A表示终端接收天线的面积，Esun表示太阳在地球大气层外的光谱辐照度，λ表示入射光的波长，λ1和λ2表示入射光波长带宽区间的两端。
进一步的，太阳在地球大气层外的光谱辐照度的公式为：
其中，W(λ)表示太阳的辐亮度。
优选的，计算太阳光到达CCD的背景光功率的过程包括：获取卫星终端各个结构表面的光学属性，所述光学属性包括各个终端表面对太阳光反射和散射的吸收效率；获取太阳光线入射到光学天线口径处的初始信息，所述初始信息包括太阳光线的入射角度和初始能量大小；根据光学天线口径处的太阳背景光功率以及初始信息采用光线追踪法计算太阳光线到达CCD处的太阳背景光功率。
进一步的，计算光线到达CCD处的太阳背景光功率的过程包括：根据终端的表面光学属性得到在不同入射角度下的太阳背景光功率相对于正入射时的太阳背景光功率的能量衰降系数；采用太阳背景光功率的计算公式计算正入射时在光学天线口径处和CCD处的太阳背景光功率，将正入射时的太阳背景光功率乘以衰降系数，得到在不同入射角度下的太阳背景光功率。
优选的，CCD探测阈值为CCD单像元的探测灵敏度，该CCD单像元的探测灵敏度为3.16288×10-10W。
优选的，计算太阳光入射角度的过程包括：将太阳光作为平行光，将太阳和卫星作为质点，在地心赤道坐标系下根据开普勒定律和二体力学模型计算信号发射卫星、信号接收卫星和太阳的位置矢量坐标；根据信号发射卫星、信号接收卫星和太阳的位置矢量坐标计算信号接收卫星指向信号发射卫星的指向矢量和信号接收卫星指向太阳的指向矢量；在链路保持过程中，信号接收卫星指向信号发射卫星的指向矢量与信号接收卫星的天线平行，信号接收卫星指向太阳的矢量与太阳光线平行，则计算信号接收卫星指向信号发射卫星的指向矢量和信号接收卫星指向太阳的指向矢量之间的夹角，该夹角为太阳入射光线与天线中心轴的夹角，即为太阳光入射角。
优选的，日凌干扰角度为满足设置的太阳光线入射干扰阈值角度的太阳光入射角度；日凌时间为太阳光入射角度满足设置的太阳光线入射干扰阈值角度的时刻。
通过本发明的方法能够精准的确定卫星发生日凌干扰的位置和时间，使得能够在预测的位置和时间段上进行调整，控制终端在卫星轨道上实时智能规避日凌，提高了卫星信号传输的效率。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的基于天线结构的光线追踪示意图；
图3是本发明的USAP仿真模型示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例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不付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。
一种用于卫星通信的日凌干扰角度和日凌时间的预测方法，如图1所示，该方法包括：
步骤S1，采用光线追踪的方法，模拟了太阳光线进入光学天线到达CCD的过程中的反射、散射及吸收过程以及最终到达CCD处的光线；
步骤S2，计算太阳光在光学天线口径处的太阳背景光功率；
步骤S3，将太阳背景光功率的计算结合光线追踪的方法，计算到达CCD处的太阳背景光功率；
步骤S4，基于CCD的探测灵敏度，判断到达CCD处的太阳背景光功率是否达到CCD的探测阈值，以确定太阳光线入射干扰阈值角度；
步骤S5，在确定太阳光入射干扰阈值角度后，用建立的数学模型计算每一时刻下太阳入射光线与信号接收卫星天线中心轴的夹角。通过USAP软件验证：在USAP软件中建立仿真模型，当太阳光入射角度小于阈值角度时，判断此时发生日凌干扰。
由于USAP软件是一款用于航天应用和仿真的工具软件，具有强大的数据分析和仿真能力，仿真算法可靠，与美国的卫星仿真工具包(STK)具有相似的功能和用途。用USAP来仿真通信卫星在轨运行时的位置和光线入射角度，在一定程度上保证了仿真的可靠度。
在步骤S1中，CCD的安装位置采用与光学天线异轴安装的方式，不同于同轴安装的方式在于，不能直接由光学天线尺寸直接推导出不同角度的入射光线下，到达CCD处的光线范围和数量。因此采用基于光线追踪的方法，来判断在不同入射角度下，光线到达CCD处的范围和数量。
在步骤S2中，在考虑光学系统的波长带宽和接收天线面积后，终端天线口径处的太阳背景辐射功率为：
其中，A为终端接收天线面积，Esun为太阳在地球大气层外的光谱辐照度：
W(λ)为太阳的辐亮度，将太阳视为一个大体上保持理想辐射和吸收能力的黑体。激光链路工作的波长通常为近红外波段800nm～1550nm，所以这里用温度为5900K的黑体来计算太阳辐射谱。结合普朗克热辐射统计量子理论、黑体辐出度与辐亮度的关系，辐亮度的单位为W/(m2·μm)；得到太阳黑体的辐亮度表达式：
W(λ)＝3.7418×108/λ5/[exp(14388/5900λ)-1]
在步骤S3中，基于光学系统中的CCD接收光路建立系统仿真模型，用蒙特卡罗光线追踪方法结合背景光功率的公式，计算了太阳光在不同入射角度下到达CCD处的背景光功率。入射角度指太阳光线与光学天线中心轴的夹角。将太阳光入射视为平行光入射，在链路保持过程中，近似认为信号发射卫星与信号接收卫星的连线矢量与信号接收卫星的天线矢量平行，则太阳入射光线与信号接收卫星天线中心轴的夹角可由计算信号接收卫星指向太阳的矢量与信号接收卫星指向信号发射卫星之间的夹角得出。
在步骤S4中，先计算了太阳在正入射时(太阳光线与光学天线中心轴的夹角为零)在光学天线口径处的太阳背景光功率。基于光线追踪的方法，从光学天线口径处到CCD处，太阳背景光功率会有一定的损失，将光学天线口径处的太阳背景光功率乘以损失系数，即为到达CCD处的太阳背景光功率。损失系数的确定与光学天线结构、材料以及CCD在光学天线中的安装位置有关。而后计算了在不同入射角度下，太阳光在到达CCD处的背景光功率。
在步骤S5中，将太阳和卫星均视为质点，建立数学模型计算质点之间的指向矢量，并求夹角。通过USAP软件进行算法验证：在USAP软件中建立太阳和卫星的中心，做出从信号接收卫星出发，分别指向太阳和信号发射卫星的矢量。在USAP软件中设置仿真时间，从而可以确定太阳所处的位置，因为计算太阳所处的位置与赤经和赤纬有关，而赤经和赤纬是时间的函数。太阳和卫星的指向矢量由位置决定，即太阳和卫星的指向矢量也为时间的函数。由两个指向矢量可计算得到两个矢量之间的夹角，此即太阳入射光线与光学天线中心轴的夹角。太阳入射光线与光学天线中心轴的夹角随时间变化，当太阳入射光线与光学天线中心轴的夹角小于日凌干扰阈值角度时，判断此时发生日凌，导出日凌时间。
一种用于卫星通信的日凌干扰角度和日凌时间的预测方法的具体实施方式，该方法包括：设置太阳光线入射干扰阈值角度；实时获取信号发射卫星、信号接收卫星以及太阳在地心赤道坐标系下的位置矢量；根据各个位置矢量计算信号接收卫星指向信号发射卫星的指向矢量和信号接收卫星指向太阳的指向矢量；计算两个指向矢量之间的夹角，该夹角为太阳光入射角度；判断太阳光入射角度与太阳光线入射干扰阈值角度的大小，若小于太阳光线入射干扰阈值角度，则此时卫星发生日凌干扰，并输出日凌干扰角度和日凌时间，否则未发生日凌干扰。
设置太阳光线入射干扰阈值角度的过程包括：将太阳光线入射到卫星光学天线口径处；根据到达光学天线口径处的太阳光能量计算太阳光在光学天线口径处的太阳背景光功率；根据光学天线口径处的太阳背景光功率计算光线在不同入射角度下到达CCD处的太阳背景光功率；判断到达CCD处的太阳背景光功率是否达到CCD探测阈值，若未达到探测阈值，则不进行处理，若达到探测阈值，则确定太阳光线入射干扰阈值角度。
如图2所示，确定CCD安装位置的过程包括：CCD的安装位置主要根据光路布局，取决于光学系统结构设计。因为要节省光学系统内部结构空间，CCD的安装采用异轴安装的方式，在光学系统中增加了反射镜，CCD放在探测镜头的焦平面上，且探测镜头焦点在CCD中心。
可选的，CCD探测阈值为CCD单像元的探测灵敏度，该CCD单像元的探测灵敏度为3.16288×10-10W。
计算太阳光入射角度的过程包括：将太阳光视为平行光，将太阳和卫星看作质点，在地心赤道坐标系下计算信号接收卫星、信号发射卫星和太阳的位置矢量，以及信号接收卫星指向信号发射卫星的指向矢量、信号接收卫星指向太阳的指向矢量。在链路保持过程中，近似认为信号接收卫星指向信号发射卫星的指向矢量与信号接收卫星的天线平行，信号接收卫星指向太阳的矢量与太阳光线平行，则通过计算信号接收卫星指向信号发射卫星的指向矢量和信号接收卫星指向太阳的指向矢量及这两个指向矢量之间的夹角，可得到太阳入射光线与天线中心轴的夹角。由于卫星和太阳的位置是时间的函数，即通过计算所得到的太阳入射光线与天线中心轴的夹角也为时间的函数，就得到了在每一时刻下太阳光的入射角度。当太阳光的入射角度小于日凌干扰角度时，此时有一个对应的时刻，此时刻为日凌发生的时刻。在USAP软件中搭建仿真场景，建立信号接收卫星指向信号发射卫星的指向矢量和信号接收卫星指向太阳的指向矢量，输入计算得到的日凌时刻，通过仿真场景验证日凌角度与时间。
日凌干扰角度为满足设置的太阳光线入射干扰阈值角度的太阳光入射角度；日凌时间为太阳光入射角度满足设置的太阳光线入射干扰阈值角度的时刻。
图3为在USAP软件中搭建的仿真场景，两个箭头分别为信号接收卫星指向信号发射卫星的指向矢量和信号接收卫星指向太阳的指向矢量，两个矢量之间的夹角随时间变化。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于卫星通信的日凌干扰角度和日凌时间的预测方法，其特征在于，包括：设置太阳光线入射干扰阈值角度；实时获取信号发射卫星、信号接收卫星以及太阳在地心赤道坐标系下的位置矢量；根据各个位置矢量计算信号接收卫星指向信号发射卫星的指向矢量和信号接收卫星指向太阳的指向矢量；计算两个指向矢量之间的夹角，该夹角为太阳光入射角度；判断太阳光入射角度与太阳光线入射干扰阈值角度的大小，若小于太阳光线入射干扰阈值角度，则此时卫星发生日凌干扰，并输出日凌干扰角度和日凌时间，否则未发生日凌干扰。
2.根据权利要求1所述的一种用于卫星通信的日凌干扰角度和日凌时间的预测方法，其特征在于，设置太阳光线入射干扰阈值角度的过程包括：将太阳光线入射到卫星光学天线口径处；根据到达光学天线口径处的太阳光能量计算太阳光在光学天线口径处的太阳背景光功率；根据光学天线口径处的太阳背景光功率计算光线在不同入射角度下到达CCD处的太阳背景光功率；判断到达CCD处的太阳背景光功率是否达到CCD探测阈值，若未达到探测阈值，则不进行处理，若达到探测阈值，则确定太阳光线入射干扰阈值角度。
3.根据权利要求2所述的一种用于卫星通信的日凌干扰角度和日凌时间的预测方法，其特征在于，太阳背景光功率的计算公式为：
其中，A表示终端接收天线的面积，Esun表示太阳在地球大气层外的光谱辐照度，λ表示入射光的波长，λ1和λ2表示入射光波长带宽区间两端。
4.根据权利要求3所述的一种用于卫星通信的日凌干扰角度和日凌时间的预测方法，其特征在于，太阳在地球大气层外的光谱辐照度的公式为：
其中，W(λ)表示太阳的辐亮度。
5.根据权利要求2所述的一种用于卫星通信的日凌干扰角度和日凌时间的预测方法，其特征在于，计算太阳光到达CCD的背景光功率的过程包括：获取卫星终端各个结构表面的光学属性，所述光学属性包括各个终端表面对太阳光反射和散射的吸收效率；获取太阳光线入射到光学天线口径处的初始信息，所述初始信息包括太阳光线的入射角度和初始能量大小；根据光学天线口径处的太阳背景光功率以及初始信息采用光线追踪法计算太阳光线到达CCD处的太阳背景光功率。
6.根据权利要求5所述的一种用于卫星通信的日凌干扰角度和日凌时间的预测方法，其特征在于，计算光线到达CCD处的太阳背景光功率的过程包括：根据终端的表面光学属性得到在不同入射角度下的太阳背景光功率相对于正入射时的太阳背景光功率的能量衰降系数；采用太阳背景光功率的计算公式计算正入射时在光学天线口径处和CCD处的太阳背景光功率，将正入射时的太阳背景光功率乘以衰降系数，得到在不同入射角度下的太阳背景光功率。
7.根据权利要求2所述的一种用于卫星通信的日凌干扰角度和日凌时间的预测方法，其特征在于，CCD探测阈值为CCD单像元的探测灵敏度，该CCD单像元的探测灵敏度为3.16288×10-10W。
8.根据权利要求1所述的一种用于卫星通信的日凌干扰角度和日凌时间的预测方法，其特征在于，计算太阳光入射角度的过程包括：将太阳光作为平行光，将太阳和卫星作为质点，在地心赤道坐标系下根据开普勒定律和二体力学模型计算信号发射卫星、信号接收卫星和太阳的位置矢量坐标；根据信号发射卫星、信号接收卫星和太阳的位置矢量坐标计算信号接收卫星指向信号发射卫星的指向矢量和信号接收卫星指向太阳的指向矢量；在链路保持过程中，信号接收卫星指向信号发射卫星的指向矢量与信号接收卫星的天线平行，信号接收卫星指向太阳的矢量与太阳光线平行，则计算信号接收卫星指向信号发射卫星的指向矢量和信号接收卫星指向太阳的指向矢量之间的夹角，该夹角为太阳入射光线与天线中心轴的夹角，即为太阳光入射角。
9.根据权利要求1所述的一种用于卫星通信的日凌干扰角度和日凌时间的预测方法，其特征在于，日凌干扰角度为满足设置的太阳光线入射干扰阈值角度的太阳光入射角度；日凌时间为太阳光入射角度满足设置的太阳光线入射干扰阈值角度的时刻。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20211102 |