CN114900223B - 基于受扰链路夹角的星间通信链路干扰规避方法 - Google Patents

基于受扰链路夹角的星间通信链路干扰规避方法 Download PDF

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CN114900223B CN202210373108.XA CN202210373108A CN114900223B CN 114900223 B CN114900223 B CN 114900223B CN 202210373108 A CN202210373108 A CN 202210373108A CN 114900223 B CN114900223 B CN 114900223B
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Abstract

本发明公开了基于受扰链路夹角的星间通信链路干扰规避方法，用于含有星间通信链路的星座，所述方法包括：根据设定时长内的轨道外推星历数据，计算受扰链路夹角规避角限值；根据受扰链路夹角规避角限值，调整接收端邻近卫星天线指向与干扰链路的夹角以降低干扰值。本发明提出的基于受扰链路夹角的干扰规避方法能够能在不同建链策略下将系统I/N超限时长分别从5.79％和16.75％降至0％，此方法对于类似具有星间链路的大规模NGSO星座系统的干扰规避具有借鉴意义；本发明的方法能够保证星座星间链路通信效率的前提下提高通信链路的抗干扰效率。

Description

基于受扰链路夹角的星间通信链路干扰规避方法
技术领域
本发明属于空间干扰规避技术领域，尤其涉及基于受扰链路夹角的星间通信链路干扰规避方法。
背景技术
当前国际上针对近地轨道、频谱资源的争夺日益白热化。包括SpaceX，TeleSat，OneWeb等公司都宣称将来会在其星座上搭载星间链路。星间链路能够有效降低近地轨道(Low Earth Orbit，LEO)星座系统对地面站的依赖程度，也可大大降低地面站的投资成本。
当前很多研究都针对静止轨道(Geostationary Orbit，GSO)与非静止轨道(Non-Geostationary Orbit，NGSO)系统之间的干扰。Meng等人从干扰时间的角度对星间链路的干扰进行了可视化分析，结合LEO卫星参量对不同场景下的干扰进行了研究。Anzagira等人分析了小卫星集群中的可见光星间链路，在非正交多址的方案下研究了系统的吞吐量。Wang等人通过半物理仿真，降低了星间激光链路干涉的风险。Leyva-Mayorga等人提出了一种跨平面星间链路的算法，通过计算最小传输功率和天线增益，保证所有卫星在任意时刻都至少有一个可视的相邻平面卫星节点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了基于受扰链路夹角的星间通信链路干扰规避方法。
为了实现上述目的，本发明提出了一种基于受扰链路夹角的星间通信链路干扰规避方法，用于含有星间通信链路的星座，所述方法包括：
根据设定时长内的轨道外推星历数据，计算受扰链路夹角规避角限值；
根据受扰链路夹角规避角限值，调整接收端邻近卫星天线指向与干扰链路的夹角以降低干扰值。
作为上述方法的一种改进，所述星座包括：HEO轨道卫星簇、LEO轨道卫星簇，其中，HEO为发射端，LEO为接收端，HEO轨道卫星簇中的卫星Hi与LEO轨道卫星簇中的卫星Li进行星间通信时，卫星Hi波束旁瓣辐射到卫星Li邻近的第j个卫星Lij，进而造成干扰，其中j＝0表示没有邻近的卫星。
作为上述方法的一种改进，所述计算轨道外推时长内的受扰链路夹角规避角限值；具体包括：
步骤s0)获取t0～T时间段内的轨道外推星历数据，设置搜索步长为tStep，设置搜索时刻t＝起始时刻t0，设置HEO卫星簇搜索个数i＝1，获取HEO卫星簇中的卫星数m；
步骤s1)判断t<＝T是否成立，判断为是，转至步骤s2)，否则转至步骤s14)；
步骤s2)读取t时刻的轨道外推星历数据；
步骤s3)判断i<＝m是否成立，判断为是，转至步骤s4)，否则转至步骤s13)；
步骤s4)选择HEO卫星簇中的第i颗卫星Hi，基于建链策略，在LEO轨道卫星簇中寻找与Hi通信的卫星Li；
步骤s5)判断卫星Hi与卫星Li是否建链，判断为是，转至步骤s6)，否则转至步骤s13)；
步骤s6)选择卫星Li的相邻卫星集合，集合中的卫星总数为h，令LEO卫星簇搜索个数j的初值为1；
步骤s7)判断j<＝h是否成立，判断为是，转至步骤s8)，否则转至步骤s13)；
步骤s8)从Li相邻卫星集合中选择卫星Lij；
步骤s9)计算Hi到Lij的干扰强度I/N，判断I/N≤-12.2dB，判断为是，转至步骤s10)，否则转至步骤s12)；
步骤s10)基于接收增益反函数计算卫星Lij的规避角限值；
步骤s11)记录t时刻卫星Lij的位置及规避角限值；
步骤s12)将j+1赋值给j，转至步骤s7)；
步骤s13)将i+1赋值给i，转至步骤s3)；
步骤s14)将t+tStep赋值给t，转至步骤s1)；
步骤s15)获得t0～T时间段内HEO卫星簇中每个卫星对应的LEO轨道卫星簇的卫星位置及规避角限值。
作为上述方法的一种改进，所述步骤s5)的判断卫星Hi与卫星Li是否建链；具体为当同时满足可见性要求和载波噪声功率比要求，则建链。
作为上述方法的一种改进，所述可见性要求具体包括：根据下式判断两卫星是否几何可视：
β≥α或d≤r
式中，β为卫星Hi与地心O的连线和卫星Hi与卫星Li的连线构成的角；α为卫星Hi与地心O的连线和卫星Hi到地球的切线构成的角；d为卫星Hi到卫星Li间的距离；r为卫星Hi到地心O的距离。
作为上述方法的一种改进，所述载波噪声功率比要求具体包括：
根据下式计算载波噪声功率比C/N：
式中，PT,i为卫星Hi的发射功率，GT,i(θH)为卫星Hi的发射天线增益，θH为卫星Hi发射端天线指向与两通信节点连线方向的夹角，且θH取0，GR,i(θL)为接收端天线增益，θL为接收端天线指向与两通信节点连线方向的夹角，且θL取0，λ为通信信号的波长，k为玻尔兹曼常数，di为卫星Hi与接收端通信链路的欧几里得距离，W为信号带宽，TN为等效噪声温度；
当C/N高于最低阈值(C/N)th，满足要求。
作为上述方法的一种改进，所述步骤s9)的计算Hi到Lij的干扰强度I/N具体包括：
根据下式计算干扰噪声功率比I/N：
式中，θ1为星间链路与干扰链路之间的夹角，GR,ij(θ2)为受扰卫星Lij的接收天线增益，θ2为受扰卫星Lij接收端天线指向与干扰链路的夹角，λij为受扰卫星Lij接收信号波长，dij为卫星Hi到卫星Lij的欧几里得距离。
作为上述方法的一种改进，所述步骤s10)具体包括：
根据卫星Lij接收天线方向图函数GR,ij的反函数由下式反推得到规避角限值φij：
其中，为设定的规避角限值的最大值，g为卫星Lij在I/N＝-12.2dB时的接收天线增益值。
作为上述方法的一种改进，所述根据受扰链路夹角规避角限值，调整接收端邻近卫星天线指向与干扰链路的夹角以降低干扰值；具体包括：
根据t0～T时间段内HEO轨道卫星簇中每个卫星对应的LEO轨道卫星簇的卫星位置及规避角限值φij，在设定时刻，调整卫星Lij接收端天线指向与干扰链路的夹角θ2，使得θ2＞φij。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、本发明提出的基于受扰链路夹角的干扰规避方法能够能在不同建链策略下将系统I/N超限时长分别从5.79％和16.75％降至0％，此方法对于类似具有星间链路的大规模NGSO星座系统的干扰规避具有借鉴意义；
2、本发明提出的基于受扰链路夹角的干扰规避方法能够保证星座星间链路通信效率的前提下提高通信链路的抗干扰效率。
附图说明
图1是星间链路可视示意图；
图2(a)是Starlink-5的HEO和LEO星座节点示意图；
图2(b)HEO与LEO星间链路干扰场景示意图；
图3是Starlink天线增益随离轴角的变化曲线；
图4是两种方法星座鲁棒性对比，其中图4(a)是基于干扰链路夹角的干扰规避，图4(b)是本发明采取的受扰链路夹角规避；
图5是本发明的方法流程图，其中图5(a)是受扰链路的规避角计算流程，图5(b)是卫星Lij的规避角φij计算流程；
图6是HEO与LEO间星间链路可视角随半长轴变化；
图7是不同建链策略下I/N概率密度分布，其中图7(a)是固定节点映射星间链路，图7(b)是最近距离映射星间链路。
具体实施方式
一种基于受扰链路夹角的星间通信链路干扰规避方法，用于含有星间通信链路的星座，星座包括：HEO轨道卫星簇、LEO轨道卫星簇，其中，HEO为发射端，LEO为接收端，HEO轨道卫星簇中的卫星Hi与LEO轨道卫星簇中的卫星Li进行星间通信时，卫星Hi波束旁瓣辐射到卫星Li邻近的第j个卫星Lij，进而造成干扰，其中j＝0表示没有邻近的卫星。
本方法包括以下步骤：
根据设定时长内的轨道外推星历数据，计算受扰链路夹角规避角限值；
根据受扰链路夹角规避角限值，调整接收端邻近卫星天线指向与干扰链路的夹角以降低干扰值。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例1
本发明的实施例提出了一种基于受扰链路夹角的星间通信链路干扰规避方法。以SpaceX公司向国际电联(International Telecommunication Union，ITU)申请的含有星间链路的星座为例，分析其卫星间业务的建链情况与干扰规避方法。
1HEO与LEO星间链路建链约束
HEO与LEO星间链路如图1所示。其中，Hi表示第i颗HEO卫星，Li表示与Hi通信的HEO卫星，α为卫星Hi与地心O的连线和卫星Hi到地球的切线构成的角，β为卫星Hi与地心O的连线和卫星Hi与卫星Li的连线构成的角，O是地心，Re为地球半径，r为卫星Hi到地心的距离，卫星Hi与Li几何可视的约束为：
β≥α或d≤r (1)
2链路预算与干扰建模
2.1链路预算及干扰评估指标
链路预算用于评估建链所需功率情况，基于载波噪声功率比C/N是否大于卫星系统最低通信要求进行判断，而干扰则是评估链路间同频串扰严重程度的参量，采用干扰噪声功率比I/N进行评估，公式如下：
式中，PT,i为卫星Hi的发射功率，GT,i(θH)为卫星Hi的发射天线增益，θH为卫星Hi发射端天线指向与两通信节点连线方向的夹角，且θH取0，GR,i(θL)为接收端天线增益，θL为接收端天线指向与两通信节点连线方向的夹角，且θL取0，λ为通信信号的波长，k为玻尔兹曼常数，di为卫星Hi与接收端通信链路的欧几里得距离，W为信号带宽，TN为接收端等效噪声温度；θ1为星间链路与干扰链路之间的夹角，GR,ij(θ2)为受扰卫星Lij的接收天线增益，θ2为受扰卫星Lij接收端天线指向与干扰链路的夹角，λij为受扰卫星Lij接收信号波长，dij为卫星Hi到Lij的欧几里得距离。
2.2仿真输入参量
依据SpaceX在ITU所申报的资料USASAT-NGSO-2A，USASAT-NGSO-5星座的轨道参数作为输入，其中5系列有三种轨道，此处以5A，5B，5C区分，如表1所示：
表1 Starlink轨道输入参量
其中Starlink-5期有三种轨道，本文中以Starlink-5A，5B，5C区分，其在ITU官网上都呈现在一份申报资料中。天线方向图为ITU-REC-1528，空口参数如表2所示：
表2天线空口参数
2.3干扰场景建模
以Starlink-5B对Starlink-5A的星间链路，即HEO对LEO的干扰为例，其星座节点如图2(a)所示，外层即为5B星座，内层即为5A星座。图2(b)展示了星间链路干扰示意。Hi位于5B轨道(HEO)，Li、Lij都处于低轨5A轨道(LEO)。工作链路为Hi到Li，干扰链路为Hi到Lij，当Hi星与Li星进行通信时，其波束也会辐射到邻近卫星Lij的接收端，进而造成干扰。
在此干扰场景中，设定干扰链路夹角为θ1，表示了发射端天线指向与干扰链路的夹角；受扰链路夹角为θ2，表示了接收端天线指向与干扰链路的夹角。由式(3)可知，影响卫星间链路干噪比的参量有发射天线功率PT,i，发射天线增益GT,i(θ1)，接收天线增益GR,ij(θ2)，干扰链路欧几里得距离dij，通信频率f，信号带宽W。
其中，通信频率与信号带宽在所申请的卫星系统中都是固定值，而链路欧几里得距离呈周期性变化。此外，在表2中可见，收发天线的主瓣增益都大于45dBi，而发射天线峰值功率仅有18.5dBW，可见在此系统中，收发天线增益是主要的影响因素，即干扰链路夹角和受扰链路夹角对干扰的规避至关重要。
3基于链路夹角的干扰规避方法
本文所涉及的Starlink星座采用ITU-REC-1528型天线方向图，其天线增益随离轴角的变化如图3所示：
图中Gt和Gr分别为发射天线增益和接收天线增益，当离轴角达到3°时，二者会降低约16dBi，对应的I/N也会降低16dB，因此可通过卫星姿态调整或天线机动进行干扰规避。
本文重点研究基于干扰链路夹角和受扰链路夹角的星间链路干扰规避方法。
3.1基于干扰链路夹角的干扰规避方法
在下行链路中，通过调整发射端的干扰链路夹角的干扰规避方法流程包括：
工作链路判断是否建链(取(C/N)th＝10dB)，若正常建链，则继续判别发射端(Hi星)对接收端(Li星)的相邻节点Lij(j>＝0)的干扰强度是否超限(I/N＞-12.2dB)，若干扰超限，若干扰超限，则通过卫星姿态调整或天线机动等形式让θ1大于规避角，从而降低干扰值。
在t时刻，设定星座系统中满足建链约束的可视链路共有n个，计算所有可视链路通信余量C/N，以及这些链路对其相邻链路的干扰程度I/N，其中C/N高于最低阈值10dB的链路数量记为k1，I/N低于超限阈值-12.2dB的链路数量记为k2。
为衡量星座系统的鲁棒性，设定星座瞬时工作效率为：
星座瞬时抗干扰效率为：
在总仿真时长T中，星座的工作效率为：
星座的抗干扰效率为：
当采用基于干扰链路夹角的干扰规避方法时，星座系统的鲁棒性如图4(a)所示，在图中能看出，随着干扰链路夹角从0°增大至3°，星座系统的抗干扰效率可以从最初的94.15％提升至100％；然而系统的工作效率却遭受了更为严重的影响，当达到0.5°时，工作链路的C/N就会低于10dB，原因是发射端天线的机动降低了工作链路方向的天线增益，进而导致了载噪比C/N降低。这会影响星座系统的正常工作。
3.2基于受扰链路夹角的干扰规避方法
工作链路判断是否建链(取(C/N)th＝10dB)，若正常建链，则继续判别发射端(Hi星)对接收端(Li星)的相邻节点Lij(j>＝0)的干扰强度是否超限(I/N＞-12.2dB)，若干扰超限，则Lij星通过同轨道星间链路对相邻星Lij发送识别码，相邻星收到识别码之后通过卫星姿态调整或天线机动等形式让θ2大于规避角，从而降低干扰值。
当采用基于受扰链路夹角的干扰规避方法时，星座系统的鲁棒性如图4(b)所示，在图中能看出，随着受扰链路夹角从0°增大至3°，星座系统的抗干扰效率可以从最初的94.15％提升至100％；而星座系统的工作效率却并没有受到多大的影响；原因是在干扰链路的接收端天线的机动对工作链路的通信余量影响较小。
图5(a)是受扰链路的规避角计算流程，图5(b)是卫星Lij的规避角φij计算流程。
在图2(b)所示场景中，Hi星处于HEO轨道，而Li、Lij星等处于LEO轨道，并且LEO星座节点多达132个，而HEO节点仅有10个。由于LEO星座相对于HEO星座节点数量多，调整HEO的干扰链路夹角的干扰规避方法牺牲了系统的工作效率，相比之下，调整LEO的受扰链路夹角的干扰规避方法能够在保证星座系统工作效率受影响较小的前提下提升系统的抗干扰效率，因此本文采用基于受扰链路夹角的干扰规避方法，对不同建链策略下的星座系统鲁棒性进行分析研究。
4实验结果与分析
4.1天线最大可视角
根据第1节的建链约束，评估HEO轨道半长轴对天线最大可视角度的函数影响。
图6展示了天线最大可视角度与轨道半长轴的函数关系，图中虚线为地球半径，可以看出，随着轨道半长轴的增大，天线最大可视角随之减小。
4.2固定节点映射星间链路
根据2.3节的干扰模型，选取干扰噪声比I/N为评估参量。评估Starlink-5期B系列星座与Starlink-5期A系列星座星间链路在不同建链策略下的系统鲁棒性。
在图2(b)所示场景中，假定Li星具有信道优先权，只要工作链路满足建链条件，此链路必须保持通信。分析工作链路对Li星相邻节点的干扰情况，其I/N的累计概率分布(CDF)如图7(a)所示。仿真时长一个恒星日，步长1s，干扰阈值为-12.2dB(图中虚线)。
可以看出，在未进行干扰规避前，工作链路在可建链的时间内有5.79％的时长对相邻星干扰超限，当采取了受扰链路夹角的干扰规避方法后，若设定的规避角限值的最大值取不同值时，对应的干扰规避效果也有所差异。
当干扰超限时长会降至2.08％；
当干扰超限时长会降至0.35％；
当干扰超限时长会降至0％；
4.3最近距离映射星间链路
在图2(b)所示场景中，设定Hi星始终与LEO星座中距离最近的一颗星建立星间链路，即Li星是随着时间推移动态变化的节点。分析工作链路对Li星相邻节点的干扰情况，其I/N的累计概率分布(CDF)如图7(b)所示。仿真时长一个恒星日，步长1s，干扰阈值为-12.2dB(图中虚线)。
可以看出，在未进行干扰规避前，工作链路在可建链的时间内有16.75％的时长对相邻星干扰超限，当采取了受扰链路夹角的干扰规避方法后，若设定的规避角限值的最大值取不同值时，不同规避角对应的效果也有所差异。
当干扰超限时长会降至1.40％；
当干扰超限时长会降至0％；
5结论
本文选取Starlink所申报的搭载有Q/V波段卫星间业务的5期星座为例，定义了系统工作效率与抗干扰效率，提出基于干扰、受扰链路夹角的干扰规避方法，针对不同干扰规避方法与建链策略下系统的鲁棒性进行仿真分析。仿真结果表明，在不影响工作链路的前提下，基于受扰链路夹角的干扰规避方法能够能在不同建链策略下将系统I/N超限时长分别从5.79％和16.75％降至0％。此方法对于类似具有星间链路的大规模NGSO星座系统的干扰规避具有借鉴意义。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于受扰链路夹角的星间通信链路干扰规避方法，用于含有星间通信链路的星座，所述方法包括：
根据设定时长内的轨道外推星历数据，计算受扰链路夹角规避角限值；
根据受扰链路夹角规避角限值，调整接收端邻近卫星天线指向与干扰链路的夹角以降低干扰值；
所述星座包括：HEO轨道卫星簇、LEO轨道卫星簇，其中，HEO为发射端，LEO为接收端，HEO轨道卫星簇中的卫星Hi与LEO轨道卫星簇中的卫星Li进行星间通信时，卫星Hi波束旁瓣辐射到卫星Li邻近的第j个卫星Lij，进而造成干扰，其中j＝0表示没有邻近的卫星；
计算轨道外推时长内的受扰链路夹角规避角限值；具体包括：
步骤s0)获取t0～T时间段内的轨道外推星历数据，设置搜索步长为tStep，设置搜索时刻t＝起始时刻t0，设置HEO卫星簇搜索个数i＝1，获取HEO卫星簇中的卫星数m；
步骤s1)判断t<＝T是否成立，判断为是，转至步骤s2)，否则转至步骤s14)；
步骤s2)读取t时刻的轨道外推星历数据；
步骤s3)判断i<＝m是否成立，判断为是，转至步骤s4)，否则转至步骤s13)；
步骤s4)选择HEO卫星簇中的第i颗卫星Hi，基于建链策略，在LEO轨道卫星簇中寻找与Hi通信的卫星Li；
步骤s5)判断卫星Hi与卫星Li是否建链，判断为是，转至步骤s6)，否则转至步骤s13)；
步骤s6)选择卫星Li的相邻卫星集合，集合中的卫星总数为h，令LEO卫星簇搜索个数j的初值为1；
步骤s7)判断j<＝h是否成立，判断为是，转至步骤s8)，否则转至步骤s13)；
步骤s8)从Li相邻卫星集合中选择卫星Lij；
步骤s9)计算Hi到Lij的干扰强度I/N，判断I/N≤-12.2dB，判断为是，转至步骤s10)，否则转至步骤s12)；
步骤s10)基于接收增益反函数计算卫星Lij的规避角限值；
步骤s11)记录t时刻卫星Lij的位置及规避角限值；
步骤s12)将j+1赋值给j，转至步骤s7)；
步骤s13)将i+1赋值给i，转至步骤s3)；
步骤s14)将t+tStep赋值给t，转至步骤s1)；
步骤s15)获得t0～T时间段内HEO卫星簇中每个卫星对应的LEO轨道卫星簇的卫星位置及规避角限值；
所述步骤s9)的计算Hi到Lij的干扰强度I/N具体包括：
根据下式计算干扰噪声功率比I/N：
式中，PT,i为卫星Hi的发射功率，GT,i(θ1)为发射天线增益，θ1为星间链路与干扰链路之间的夹角，GR,ij(θ2)为受扰卫星Lij的接收天线增益，θ2为受扰卫星Lij接收端天线指向与干扰链路的夹角，λij为受扰卫星Lij接收信号波长，dij为卫星Hi到卫星Lij的欧几里得距离，k为玻尔兹曼常数，W为信号带宽，TN为接收端等效噪声温度；
所述步骤s10)具体包括：
根据卫星Lij接收天线方向图函数GR,ij的反函数由下式反推得到规避角限值φij：
其中，为设定的规避角限值的最大值，g为卫星Lij在I/N＝-12.2dB时的接收天线增益值；
所述根据受扰链路夹角规避角限值，调整接收端邻近卫星天线指向与干扰链路的夹角以降低干扰值；具体包括：
根据t0～T时间段内HEO轨道卫星簇中每个卫星对应的LEO轨道卫星簇的卫星位置及规避角限值φij，在设定时刻，调整卫星Lij接收端天线指向与干扰链路的夹角θ2，使得θ2＞φij。
2.根据权利要求1所述的基于受扰链路夹角的星间通信链路干扰规避方法，其特征在于，所述步骤s5)的判断卫星Hi与卫星Li是否建链；具体为当同时满足可见性要求和载波噪声功率比要求，则建链。
3.根据权利要求2所述的基于受扰链路夹角的星间通信链路干扰规避方法，其特征在于，所述可见性要求具体包括：根据下式判断两卫星是否几何可视：
β≥α或d≤r
式中，β为卫星Hi与地心O的连线和卫星Hi与卫星Li的连线构成的角；α为卫星Hi与地心O的连线和卫星Hi到地球的切线构成的角；d为卫星Hi到卫星Li间的距离；r为卫星Hi到地心O的距离。
4.根据权利要求2所述的基于受扰链路夹角的星间通信链路干扰规避方法，其特征在于，所述载波噪声功率比要求具体包括：
根据下式计算载波噪声功率比C/N：
式中，PT,i为卫星Hi的发射功率，GT,i(θH)为卫星Hi的发射天线增益，θH为卫星Hi发射端天线指向与两通信节点连线方向的夹角，且θH取0，GR,i(θL)为接收端天线增益，θL为接收端天线指向与两通信节点连线方向的夹角，且θL取0，λ为通信信号的波长，k为玻尔兹曼常数，di为卫星Hi与接收端通信链路的欧几里得距离，W为信号带宽，TN为接收端等效噪声温度；
当C/N高于最低阈值(C/N)th，满足要求。
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