CN114666879B - 一种卫星通信系统的自适应psd控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及卫星通信技术领域，公开了一种卫星通信系统的自适应PSD控制方法及控制系统，一种卫星通信系统的自适应PSD控制方法，实时计算当前波束指向条件下卫星通信系统所能发送的最大功率谱密度，MODMAN根据计算得到的最大功率谱密度、卫通天线实际发送的功率谱密度及地面主站HUB传递的返向解调余量，综合判断及自动调整卫通天线的发射功率，使卫星通信系统PSD满足要求。本发明解决了现有技术存在的以下问题：小口径机载宽带卫星通信系统相控阵天线宽角扫描时其方向图难以实现较低的副瓣包络所引起的PSD控制难题、小口径机载宽带卫星通信系统存在的邻星干扰问题等。

Description

一种卫星通信系统的自适应PSD控制方法及控制系统

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及基于平板相控阵技术的机载宽带卫星通信系统的自适应发射功率谱密度控制，具体是一种卫星通信系统的自适应PSD控制方法及控制系统。

背景技术

近年来，随着地球同步轨道卫星数量快速增长，频率轨位资源日益紧张，当两个覆盖区有重叠的通信卫星轨位间隔较近时，覆盖区内某一地面小口径终端的上行发射信号的主瓣或旁瓣信号将会对另一颗卫星通信链路产生干扰，导致其整体通信性能出现恶化现象，即邻星干扰问题。对于卫通天线口径较小的卫星通信系统，由于其卫通天线旁瓣增益难以做到较低，大量的用户终端将使系统间邻星干扰问题的发生概率大大增加，进而导致通信链路性能恶化。邻星干扰分使用相同极化方式(单极化或双极化)和使用不同的极化方式(双线极化或双圆极化)两种情况，若极化方式相同时，通常采用更高阶的调制方式避免频率重叠，但这种方式传输每比特数据所需的能量更多，增加了系统研制成本和难度，若无法避免频率重叠，则将产生同频率的邻星干扰；若采用的极化方式不同时，全部或部分工作频率重叠，传输码率将会增加，但又面临双极化工作状态下的交叉极化问题。

民用航空机载宽带卫星通信系统利用地球同步轨道卫星实现空地互联通信，为了降低邻星干扰，美国联邦通信委员会(FCC)和欧洲电信标准化协会(ETSI)均制定了相应的规范标准(如FCC Part 25-138，ETSI 303 978)，严格限制机载卫星通信系统的发射离轴发射功率谱密度，根据应用区域不同，不同波束采用不同的规范。PSD是卫通天线发射方向图、发射功率和发射信号带宽共同作用的结果，需机载宽带卫星通信系统的调制解调管理器(MODMAN)、机载相控阵卫通天线(以下简称卫通天线)及地面主站HUB相互配合实现控制过程，其基本控制原理如下：

卫通天线的发射功率谱密度PSD_ant可由式(1)计算：

PSD_ant＝EIRP-10×log(B_s) (1)；

其中，EIRP为卫通天线发射的等效全向辐射功率，B_s为发射信号带宽，EIRP由式(2)计算：

其中，P_IF为MODMAN输出中频信号功率，L_c为MODMAN与卫通天线之间的线缆损耗，该值预先存储在MODMAN中，G_ant为卫通天线上信道发射中频激励口到卫通天线面的总增益，θ为卫通天线俯仰扫描角，

为卫通天线方位扫描角，相控阵卫通天线增益G_ant随θ与/>

变化。由式(1)与式(2)可知，在发射信号带宽一定时，可通过P_IF回退策略实现降低PSD_ant的目标。

一般来说，对于机械扫描不对称口径卫通天线，卫通天线波束扫描过程中，电口径保持不变，因此，卫通天线增益保持不变，PSD也相对于方位角和俯仰角保持不变。机械扫描抛物面卫通天线的优点是卫通天线可视角度很宽，能在高纬度地区仍与卫星保持正常连接；但在移动卫星通信中，也存在重量重、尺寸大，在高速运动平台(如飞机、高铁等)中产生的空气阻力较大，使得应用场景局限于大型低速移动平台，此外，由于卫通天线有较多的移动部件，长时间持续工作机械故障率较大、维护困难等。对于高速移动平台应用，当面临不同卫星网络互操作时，又要求卫星通信系统卫通天线具备快速波束切换和卫星跟踪能力，以满足卫星链路连接不断变化的需求，且卫通天线在波束控制和旁瓣控制方面需具备灵活性。平板卫通天线的出现将解决当前机械卫通天线面临的诸多问题，成为推动卫星互联网商业化的关键。相比于机械式卫星卫通天线，其优势主要在于，一是平板卫通天线采用电子方式控制和形成波束，能够瞬间实现波束切换以实现网络无缝连接及卫星跟踪；二是卫通天线移动部件较少，不会产生影响卫通天线寿命的移动部件磨损情况；三是卫通天线轮廓低、重量轻、尺寸小，电子控制灵活性较强，满足移动平台实现卫星移动通信的应用需求。然而，对于基于平板相控阵技术的机载宽带卫星通信系统来说，其卫通天线增益随扫描角的变化而变化，因而PSD会随偏转角和扫描角的变化而变化，此外，小口径相控阵卫通天线宽角扫描时其方向图难以实现较低的副瓣包络，使得PSD控制面临较大难题。现阶段，基于高通量卫星的机载宽带卫星通信系统还未有成熟的相控阵应用先例，特别是在国内，机载宽带卫星通信系统与高通量卫星的配合还处于探索阶段，无经验可循，若未来面向民用航空领域推广应用，PSD控制问题是亟需解决的关键问题之一。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种卫星通信系统的自适应PSD控制方法及控制系统，解决现有技术存在的以下问题：小口径机载宽带卫星通信系统相控阵天线宽角扫描时其方向图难以实现较低的副瓣包络所引起的PSD控制难题、小口径机载宽带卫星通信系统存在的邻星干扰问题等。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

一种卫星通信系统的自适应PSD控制方法，实时计算当前波束指向条件下卫星通信系统所能发送的最大功率谱密度，MODMAN根据计算得到的最大功率谱密度、卫通天线实际发送的功率谱密度及地面主站HUB传递的返向解调余量，综合判断及自动调整卫通天线的发射功率，使卫星通信系统PSD满足要求。

作为一种优选的技术方案，包括以下步骤：

S1，配置MODMAN和卫通天线：构建卫通天线的辐射参数与最大发射谱密度限值ESD_max的映射关系并存储在卫通天线中；将卫通天线的增益以及卫通天线与MODMAN之间的线缆损耗参数存储在MODMAN中；

S2，使MODMAN与卫通天线建链：MODMAN与卫通天线建立通信连接后，双方实现信息交互，卫通天线根据映射关系获取ESD_max；

S3，发送Z消息：卫通天线周期性向MODMAN发送PSD控制所需的状态消息，该状态消息记为Z消息；其中，Z消息包括卫通天线实际发送的EIRP、当前所能发送的ESD_max、温度、方位角和俯仰角，卫通天线实际发送的EIRP记为EIRP_实；

S4，计算最大EIRP及解调余量：MODMAN根据Z消息参数、卫通天线的增益以及卫通天线与MODMAN之间的线缆损耗参数、当前信号带宽计算目前所能发送的最大EIRP，记为EIRP_max；同时，地面主站计算返向解调余量M_r，然后将M_r通过前向信道传递给MODMAN；

S5，判断是否需降低功率：MODMAN根据当前EIRP_实及EIRP_max判断是否需降低功率，若判定结果为MODMAN需降低发射输出功率，则进入步骤S6；若判定结果为MODMAN无需调整发射输出功率，则进入步骤S8；

S6，判断发射功率回退量与返向解调余量关系：MODMAN判断发射功率回退量P_back与返向解调余量M_r的关系，若P_back≤M_r，则不对发射功率进行调整，然后进入步骤S8；若P_back＞M_r，则进入步骤S7；其中，Pb_ack＝EIRPM_ax–EIRP_实；

S7，判断PSD高实时性控制需求：判断卫星通信系统是否具有设定的PSD高实时性控制需求，若判定结果为是，则暂时关闭卫通天线发射；若判定结果为否，则对卫星通信系统重新优化参数配置，并通过PSD控制使链路余量保持在解调门限以上，然后进入步骤S8；

S8，判断PSD是否满足规范标准：若是，则控制卫星通信系统正常运行；若否，则控制卫通天线发射关闭。

作为一种优选的技术方案，步骤S1中，卫通天线的辐射参数包括卫通天线俯仰扫描角θ、卫通天线方位扫描角

卫通天线偏转角S_kew。

作为一种优选的技术方案，步骤S1中，卫通天线的增益包括不同指向角、不同温度、不同频率条件下的增益。

作为一种优选的技术方案，步骤S4中，地面主站计算返向解调余量M_r的具体方法为：地面主站HUB测量返向业务信道信噪比SNR_y，并根据当前返向链路MODCOD组合所需解调门限信噪比SNR_T，计算返向解调余量M_r。

作为一种优选的技术方案，步骤S1中，卫通天线的辐射参数与最大发射谱密度限值ESD_max的映射关系采用映射关系表的数据形式。

作为一种优选的技术方案，步骤S8中，规范标准包括FCC Part 25-138、ETSI 303978。

作为一种优选的技术方案，所述卫星通信系统为高通量机载宽带卫星通信系统；其中，所述高通量机载宽带卫星通信系统指工作于Ka频段的高通量机载宽带卫星通信系统。

作为一种优选的技术方案，且所述卫通天线为平板相控阵天线。

一种卫星通信系统的自适应PSD控制系统，其特征在于，基于所述的一种卫星通信系统的自适应PSD控制方法，包括以下模块：

配置MODMAN和卫通天线模块：用以构建卫通天线的辐射参数与最大发射谱密度限值ESD_max的映射关系并存储在卫通天线中；将卫通天线的增益以及卫通天线与MODMAN之间的线缆损耗参数存储在MODMAN中；

MODMAN与卫通天线建链模块：：用以MODMAN与卫通天线建立通信连接后，双方实现信息交互，卫通天线根据映射关系获取ESD_max；

Z消息发送模块：用以卫通天线周期性向MODMAN发送PSD控制所需的状态消息，该状态消息记为Z消息；其中，Z消息包括卫通天线实际发送的EIRP、当前所能发送的ESD_max、温度、方位角和俯仰角，卫通天线实际发送的EIRP记为EIRP_实；

最大EIRP及解调余量计算模块：用以MODMAN根据Z消息参数、卫通天线的增益以及卫通天线与MODMAN之间的线缆损耗参数、当前信号带宽计算目前所能发送的最大EIRP，记为EIRP_max；同时，地面主站计算返向解调余量M_r，然后将M_r通过前向信道传递给MODMAN；

是否需降低功率判断模块：用以MODMAN根据当前EIRP_实及EIRP_max判断是否需降低功率，若判定结果为MODMAN需降低发射输出功率，则进入步骤S6；若判定结果为MODMAN无需调整发射输出功率，则进入步骤S8；

发射功率回退量与返向解调余量关系判断模块：用以MODMAN判断发射功率回退量P_back与返向解调余量M_r的关系，若P_back≤M_r，则不对发射功率进行调整，然后进入步骤S8；若P_back＞M_r，则进入步骤S7；其中，Pb_ack＝EIRPM_ax–EIRP_实；

PSD高实时性控制需求判断模块：用以判断卫星通信系统是否具有设定的PSD高实时性控制需求，若判定结果为是，则暂时关闭卫通天线发射；若判定结果为否，则对卫星通信系统重新优化参数配置，并通过PSD控制使链路余量保持在解调门限以上，然后进入步骤S8；

PSD是否满足规范标准判断模块：用以判断PSD是否满足规范标准，若是，则控制卫星通信系统正常运行；若否，则控制卫通天线发射关闭。

本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：

(1)本发明解决了小口径机载宽带卫星通信系统相控阵天线宽角扫描时其方向图难以实现较低的副瓣包络所引起的PSD控制难题；

(2)本发明有效地解决了小口径机载宽带卫星通信系统存在的邻星干扰问题；

(3)本发明具有实时性高、方法简便、易于实现等特点。

附图说明

图1为本发明所述一种卫星通信系统的自适应PSD控制方法的步骤示意图；

图2为所述一种卫星通信系统的自适应PSD控制系统的结构框图；

图3为本发明所述一种卫星通信系统的自适应PSD控制方法的一个具体实施流程图；

图4为图3的局部放大图之一；

图5为图3的局部放大图之二。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1至图5所示，本发明所要解决的技术问题在于，基于PSD限值的功率控制，提出了一种自适应PSD控制方法，该方法可有效解决小口径机载宽带卫星通信系统存在的邻星干扰问题，本发明为适用于基于平板相控阵技术的机载宽带卫星通信系统的自适应发射功率谱密度(PSD，Power Spectral Density)控制方法，本发明尤其是针对平板相控阵天线时效果更佳。

本发明的目的通过以下技术流程实现：

步骤1：首先根据卫通天线增益特性和所采用的PSD控制规范，构建辐射参数(卫通天线俯仰扫描角θ、方位扫描角

偏转角S_kew统称为辐射参数)与最大发射谱密度限值(ESD_max)的映射关系表并存储在卫通天线系统；/>

步骤2：卫通天线在不同指向角、不同温度、不同频率的增益以及卫通天线和MODMAN之间的线缆损耗参数预先存储在MODMAN中；

步骤3：启动MODMAN和卫通天线，配置MODMAN和卫通天线基本参数，并选择PSD控制使能；

步骤4：MODMAN与卫通天线建立监控通信连接后，卫通天线根据当前(θ，

S_kew)通过查表获取ESD_max；

步骤5：卫通天线周期性向MODMAN发送PSD控制所需的状态消息(该消息简称“Z消息”，主要包含卫通天线实际发送的EIRP(记为EIRP_实)、卫通天线当前所能发送的ESD_max、卫通天线温度、卫通天线方位角和俯仰角等参数)；

步骤6：MODMAN根据Z消息参数、步骤2中存储的卫通天线增益参数、MODMAN和卫通天线之间线缆损耗参数、当前信号带宽计算目前所能发送的最大EIRP(记为EIRP_max)，同时，地面主站HUB测量返向业务信道信噪比SNR_y，并根据当前返向链路MODCOD(调制编码)组合所需解调门限信噪比SNR_T，计算返向解调余量M_r，并将M_r通过前向信道传递给MODMAN；

步骤7：MODMAN首先根据卫通天线Z消息所包含的当前EIRP实及EIRP_max判断是否需降低功率；

步骤8：当EIRP_实＜EIRP_Max，则MODMAN无需调整发射输出功率，机载宽带卫星通信系统正常运行，卫通天线继续周期性向MODMAN发送Z消息，机载宽带卫星通信系统循环返回HUB进行实时计算监测；

步骤9：当EIRP_实＞EIRP_Max，表明当前输出功率超过该限值，MODMAN需降低发射输出功率，根据EIRP_Max–EIRP_实确定MODMAN发射功率回退量P_back(其中P_back＝EIRP_Max–EIRP_实)；

步骤10：MODMAN再判断P_back与返向解调余量M_r的关系，若P_back≤M_r，则不对发射功率进行调整；

步骤11：若P_back＞M_r，说明当前链路不支持通过功率回退方式实现PSD控制，系统进一步判断此时是否需具备较高实时性PSD控制需求，若是，则暂时关闭卫通天线发射；

步骤12：若系统此时无较高实时性的PSD控制需求，则MODMAN综合运用调整MODCOD、扩频和功率回退等手段，对卫星通信系统重新优化参数配置以确保基本的链路需求(基本的链路需求能使卫星通信系统达到保持正常通信的标准)，并通过PSD控制使链路余量保持在解调门限以上，然后进入步骤13；

步骤13：优化参数后进一步判断PSD是否满足要求，若是，则按此条件系统正常运行；若否，则控制卫通天线发射关闭。

本发明面向高通量卫星，所涉及的基于平板相控阵技术的机载宽带卫星通信系统，提出了一种自适应PSD控制方法，该方法根据卫通天线方向图、卫通天线波束倾斜角等数据信息，实时计算当前波束指向条件下系统所能发送的最大功率谱密度，MODMAN根据当前发射信号带宽、发射增益自动调整中频发射功率，使其PSD满足要求，利用MATLAB仿真验证了流程的合理性和可执行性。

需要说明的是，高通量宽带卫星通信系统指高吞吐量的卫星通信系统，通常工作于Ku或Ka频段，本实施例所述的高通量宽带卫星通信系统工作于Ka频段。

该方法有效地解决了小口径机载宽带卫星通信系统存在的邻星干扰难题，具有实时性高、易于实现等优点。

如上所述，可较好地实现本发明。

本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种卫星通信系统的自适应PSD控制方法，其特征在于，实时计算当前波束指向条件下卫星通信系统所能发送的最大功率谱密度，MODMAN根据计算得到的最大功率谱密度、卫通天线实际发送的功率谱密度及地面主站HUB传递的返向解调余量，综合判断及自动调整卫通天线的发射功率，使卫星通信系统PSD满足要求；

包括以下步骤：

S1，配置MODMAN和卫通天线：构建卫通天线的辐射参数与最大发射谱密度限值ESD_max的映射关系并存储在卫通天线中；将卫通天线的增益以及卫通天线与MODMAN之间的线缆损耗参数存储在MODMAN中；

S2，使MODMAN与卫通天线建链：MODMAN与卫通天线建立通信连接后，双方实现信息交互，卫通天线根据映射关系获取ESD_max；

S3，发送Z消息：卫通天线周期性向MODMAN发送PSD控制所需的状态消息，该状态消息记为Z消息；其中，Z消息包括卫通天线实际发送的EIRP、当前所能发送的ESD_max、温度、方位角和俯仰角，卫通天线实际发送的EIRP记为EIRP_实；

S4，计算最大EIRP及解调余量：MODMAN根据Z消息参数、卫通天线的增益以及卫通天线与MODMAN之间的线缆损耗参数、当前信号带宽计算目前所能发送的最大EIRP，记为EIRP_max；同时，地面主站计算返向解调余量M_r，然后将M_r通过前向信道传递给MODMAN；

S5，判断是否需降低功率：MODMAN根据当前EIRP_实及EIRP_max判断是否需降低功率，若判定结果为MODMAN需降低发射输出功率，则进入步骤S6；若判定结果为MODMAN无需调整发射输出功率，则进入步骤S8；

S6，判断发射功率回退量与返向解调余量关系：MODMAN判断发射功率回退量P_back与返向解调余量M_r的关系，若P_back≤M_r，则不对发射功率进行调整，然后进入步骤S8；若P_back＞M_r，则进入步骤S7；其中，P_back＝EIRP_max–EIRP_实；

S7，判断PSD高实时性控制需求：判断卫星通信系统是否具有设定的PSD高实时性控制需求，若判定结果为是，则暂时关闭卫通天线发射；若判定结果为否，则对卫星通信系统重新优化参数配置，并通过PSD控制使链路余量保持在解调门限以上，然后进入步骤S8；

S8，判断PSD是否满足规范标准：若是，则控制卫星通信系统正常运行；若否，则控制卫通天线发射关闭；

步骤S4中，地面主站计算返向解调余量M_r的具体方法为：地面主站HUB测量返向业务信道信噪比SNR_y，并根据当前返向链路MODCOD组合所需解调门限信噪比SNR_T，计算返向解调余量M_r。

2.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统的自适应PSD控制方法，其特征在于，步骤S1中，卫通天线的辐射参数包括卫通天线俯仰扫描角θ、卫通天线方位扫描角

卫通天线偏转角S_kew。

3.根据权利要求2所述的一种卫星通信系统的自适应PSD控制方法，其特征在于，步骤S1中，卫通天线的增益包括不同指向角、不同温度、不同频率条件下的增益。

4.根据权利要求3所述的一种卫星通信系统的自适应PSD控制方法，其特征在于，步骤S1中，卫通天线的辐射参数与最大发射谱密度限值ESD_max的映射关系采用映射关系表的数据形式。

5.根据权利要求4所述的一种卫星通信系统的自适应PSD控制方法，其特征在于，步骤S8中，规范标准包括FCC Part 25-138、ETSI 303 978。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种卫星通信系统的自适应PSD控制方法，其特征在于，所述卫星通信系统为高通量机载宽带卫星通信系统；其中，所述高通量机载宽带卫星通信系统指工作于Ka频段的高通量机载宽带卫星通信系统。

7.根据权利要求6所述的一种卫星通信系统的自适应PSD控制方法，其特征在于，所述卫通天线为平板相控阵天线。

8.一种卫星通信系统的自适应PSD控制系统，其特征在于，基于权利要求1至7任一项所述的一种卫星通信系统的自适应PSD控制方法，包括以下模块：

配置MODMAN和卫通天线模块：用以构建卫通天线的辐射参数与最大发射谱密度限值ESD_max的映射关系并存储在卫通天线中；将卫通天线的增益以及卫通天线与MODMAN之间的线缆损耗参数存储在MODMAN中；

MODMAN与卫通天线建链模块：用以MODMAN与卫通天线建立通信连接后，双方实现信息交互，卫通天线根据映射关系获取ESD_max；

Z消息发送模块：用以卫通天线周期性向MODMAN发送PSD控制所需的状态消息，该状态消息记为Z消息；其中，Z消息包括卫通天线实际发送的EIRP、当前所能发送的ESD_max、温度、方位角和俯仰角，卫通天线实际发送的EIRP记为EIRP_实；

最大EIRP及解调余量计算模块：用以MODMAN根据Z消息参数、卫通天线的增益以及卫通天线与MODMAN之间的线缆损耗参数、当前信号带宽计算目前所能发送的最大EIRP，记为EIRP_max；同时，地面主站计算返向解调余量M_r，然后将M_r通过前向信道传递给MODMAN；

是否需降低功率判断模块：用以MODMAN根据当前EIRP_实及EIRP_max判断是否需降低功率，若判定结果为MODMAN需降低发射输出功率，则进入步骤S6；若判定结果为MODMAN无需调整发射输出功率，则进入步骤S8；

发射功率回退量与返向解调余量关系判断模块：用以MODMAN判断发射功率回退量P_back与返向解调余量M_r的关系，若P_back≤M_r，则不对发射功率进行调整，然后进入步骤S8；若P_back＞M_r，则进入步骤S7；其中，Pb_ack＝EIRP_max–EIRP_实；

PSD高实时性控制需求判断模块：用以判断卫星通信系统是否具有设定的PSD高实时性控制需求，若判定结果为是，则暂时关闭卫通天线发射；若判定结果为否，则对卫星通信系统重新优化参数配置，并通过PSD控制使链路余量保持在解调门限以上，然后进入步骤S8；

PSD是否满足规范标准判断模块：用以判断PSD是否满足规范标准，若是，则控制卫星通信系统正常运行；若否，则控制卫通天线发射关闭。

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