CN115118363B - 一种基于空间位置概率的ngso卫星系统干扰与信道容量获得方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于空间位置概率的NGSO卫星系统干扰与信道容量获得方法，涉及电子与通信技术领域，是为了解决解决目前无法获得NGSO卫星系统干扰与信道容量的问题。本发明对低轨卫星系统建模，计算不同倾斜角度轨道下卫星的空间位置分布概率，然后结合ITU标准中NGSO卫星及地面站天线辐射模型，利用载干比等计算公式，计算不同维度卫星地面站的受干扰程度，并结合卫星的发射接收参数等计算信道容量。本发明适用于NGSO卫星系统干扰与信道容量获得的场合。

Description

一种基于空间位置概率的NGSO卫星系统干扰与信道容量获得 方法
技术领域
本发明涉及电子与通信技术领域。
背景技术
目前，空间信息网络是国内外的研究热点，空间信息网络是以地球同步轨道卫星、中轨道卫星、低轨道卫星、无人机等为载体，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统。空间信息网络在服务远洋航行、应急救援、航天测控等重大应用上具有重要意义。近年来，在静止轨道资源饱和的状态下，国内外纷纷提出实施非静止轨道卫星星座计划。卫星系统与NGSO卫星网络均是空间网络的重要组成部分，是地面网络的补充和延伸。同时，NGSO卫星系统更具有下列优势：覆盖地域广，可实现全球覆盖；几乎不受天气、地理条件影响，可全天时全天候工作；系统抗毁性强，在自然灾害、突发事件等紧急情况下依旧能够正常工作；系统容量大，可支持海量链接，更重要的是易于向大范围运动目标(飞机、舰船等)提供无间断的网络接入服务等。NGSO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。目前主流的NGSO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。
NGSO卫星系统卫星数量庞大，且轨道相对于地球处于高速运行状态，导致NGSO卫星网络之间干扰与被干扰链路具有非固定且时变的特性，干扰场景繁多且及其复杂。虽然目前国际电联针对GSO卫星系统间形成许多较为完善的的干扰评价体系，但仍然缺少NGSO卫星系统间的干扰分析方法。现有NGSO卫星系统间的干扰分析方法主要有基于时域统计分析和基于空间位置概率两种方法。但目前的NGSO卫星通信系统干扰分析方法面临的问题主要是现有方法需要卫星系统的先验信息，对于非协作卫星系统，其系统参数均未知，无法对干扰进行定量分析。
发明内容
本发明是为了解决解决目前无法获得NGSO卫星系统干扰与信道容量的问题，从而提供一种基于空间位置概率的NGSO卫星系统干扰与信道容量获得方法。
一种基于空间位置概率的NGSO卫星系统干扰与信道容量获得方法，其特征是：它包括以下步骤：
步骤一、建立低轨卫星星座模型，确定一颗参考卫星的位置，利用空间位置概率公式计算系统中同轨道其余卫星的空间位置概率，空间位置概率公式为：
该公式是经度和纬度的函数，其中，px代表NGSO系统某轨道卫星空间位置概率分布，Φ代表经度，Θ代表纬度，δi代表不同轨道倾斜角度。
步骤二、根据《国际电信联盟ITU-RS.1428建议书》建议的GEO和NGSO的地面站天线的辐射模式：
其中：
D为天线直径，λ为电磁信号波长，表示天线离轴角度，表示在离轴角度处的天线增益，Gm表示最大天线增益，dBi是功率增益的单位；
选取天线主瓣范围作为干扰区域。
步骤三、设定步长划分门限由以下公式确定。
其中，N是干扰区域卫星个数，ρj为第j个卫星的空间位置概率。
步骤四、根据步长划分门限划分干扰严重区域和干扰轻微区域，以0.5°作为初始划分步长选取干扰区域卫星，大于的区域作为干扰严重区域，以0.1°为步长进行精细划分，小于的区域作为干扰轻微区域。
步骤五、选取不同纬度地球站，结合步骤二所述提地面站天线辐射模式和《国际电信联盟ITU-RS.1428建议书》建议的的NGSO天线辐射模式，将步骤一获取的卫星空间位置概率ρj作为权值因子来计算载干比，载干比公式为：
其中，C是载波信号强度，I是干扰信号强度，P为期望卫星发射功率，Gss为期望卫星发射增益，Gre为地面站增益，D0为期望卫星发射天线直径，Pts，j为第j个干扰卫星发射功率，ABM为系统噪声，Gts，j(θ1，j)为第j个干扰卫星天线偏离角度θ1下的发射增益，Gre，j(θ2，j)为地面站天线偏离角度θ2下对第j个干扰卫星的接收增益，Dj为第j个干扰卫星的发射天线直径，ρj为第j个卫星的空间位置概率。
步骤六、选取不同纬度地球站，利用步骤五所计算的载干比C/I，得到信道容量公式，并计算信道容量，信道容量计算公式为：
Ccap为信道容量，B为期望卫星系统带宽，C是载波信号强度，C/I为载干比，K为玻尔兹曼常数，T为接收机热噪声。
本发明取得的有益效果：对低轨卫星系统建模，计算不同倾斜角度轨道下卫星的空间位置分布概率，然后结合ITU标准中NGSO卫星及地面站天线辐射模型，利用载干比等计算公式，计算不同维度卫星地面站的受干扰程度，并结合卫星的发射接收参数等计算信道容量。
附图说明
图1是NGSO天线增益模式图
图2是GEO/NGSO地面站天线增益模式图
图3是θ＝90°时的区域干扰概率图
图4是不同轨道倾角下的的系统地面站主瓣范围内载干比曲线仿真示意图
图5是不同轨道倾角下的的系统信道容量曲线仿真示意图
图6是方法流程示意图
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1-6说明本具体实施方式，一种基于空间位置概率的NGSO卫星系统干扰与信道容量获得方法，其主要在于对低轨卫星系统建模，计算不同倾斜角度轨道下卫星的空间位置分布概率，然后结合ITU标准中低轨卫星及地面站天线辐射模型，利用载干比等计算公式，计算不同维度卫星地面站的受干扰程度，并结合卫星的发射接收参数等计算信道容量。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：一种基于空间位置概率的NGSO卫星系统干扰与信道容量获得方法，其具体实施例处理步骤包括：
步骤一、建立低轨卫星星座模型，确定一颗参考卫星的位置，利用空间位置概率公式计算系统中同轨道其余卫星的空间位置概率，空间位置概率公式为：
该公式是经度和纬度的函数，其中，px代表NGSO系统某轨道卫星空间位置概率分布，Φ代表经度，Θ代表纬度，δi代表不同轨道倾斜角度。
步骤二、根据《国际电信联盟ITU-RS.1428建议书》建议的GEO和NGSO的地面站天线的辐射模式：
其中：
D为天线直径，λ为电磁信号波长，表示天线离轴角度，表示在离轴角度处的天线增益，Gm表示最大天线增益，dBi是功率增益的单位；
选取天线主瓣范围作为干扰区域。
步骤三、设定步长划分门限由以下公式确定。
其中，N是干扰区域卫星个数，ρj为第j个卫星的空间位置概率。
步骤四、根据步长划分门限划分干扰严重区域和干扰轻微区域，以0.5°作为初始划分步长选取干扰区域卫星，大于的区域作为干扰严重区域，以0.1°为步长进行精细划分，小于的区域作为干扰轻微区域，不进行精细划分。
步骤五、选取不同纬度地球站，结合步骤二所述提地面站天线辐射模式和《国际电信联盟ITU-RS.1428建议书》建议的GEO和NGSO的地面站天线的辐射模式，将步骤一获取的卫星空间位置概率ρj作为权值因子来计算载干比，载干比公式为：
其中，C是载波信号强度，I是干扰信号强度，P为期望卫星发射功率，Gss为期望卫星发射增益，Gre为地面站增益，D0为期望卫星发射天线直径，Pts，j为第j个干扰卫星发射功率，ABM为系统噪声，Gts，j(θ1，j)为第j个干扰卫星天线偏离角度θ1下的发射增益，Gre，j(θ2，j)为地面站天线偏离角度θ2下对第j个干扰卫星的接收增益，Dj为第j个干扰卫星的发射天线直径，ρj为第j个卫星的空间位置概率。
步骤六、选取不同纬度地球站，利用步骤五所计算的载干比C/I，得到信道容量公式，并计算信道容量，信道容量计算公式为：
Ccap为信道容量，B为期望卫星系统带宽，C是载波信号强度，C/I为载干比，K为玻尔兹曼常数，T为接收机热噪声。
不同轨道倾角下的的系统地面站主瓣范围内载干比曲线仿真示意图如图4所示，可以看到，随着轨道倾角越来越大，地面站的共线干扰越来越弱；当轨道倾角减小时，主瓣范围内的干扰期望也会随着增大。此外也可以看出，采用本文的网格切分方法，可以较为精细的研究干扰与空间位置概率的关系。
不同轨道倾角下的的系统信道容量曲线仿真示意图如图5所示，可以看到，随着轨道倾角越来越大，系统信道容量越来越大；当轨道倾角减小时，由于载干比的下降，信道容量也越来越小。
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 (3)

1.一种基于空间位置概率的NGSO卫星系统干扰与信道容量获得方法，其特征是：它包括以下步骤：
步骤一、建立低轨卫星星座模型，确定一颗参考卫星的位置，利用空间位置概率公式计算系统中同轨道其余卫星的空间位置概率；所述空间位置概率公式是经度和纬度的函数，具体公式为：
其中，px代表NGSO系统某轨道卫星空间位置概率分布，Φ代表经度，Θ代表纬度，δi代表不同轨道倾斜角度；
步骤二、根据GEO和NGSO的地面站天线的辐射模式，选取天线主瓣范围作为干扰区域；
GEO和NGSO的地面站天线的辐射模式为：
其中，
式中：D为天线直径，λ为电磁信号波长，表示天线离轴角度，表示在离轴角度处的天线增益，Gm表示最大天线增益，dBi是功率增益的单位；
步骤三、设定步长划分门限
步骤四、根据步骤三设定的步长划分门限划分干扰严重区域和干扰轻微区域；
步骤五、选取不同纬度地球站，结合步骤二GEO和NGSO的地面站天线的辐射模式，计算载干比C/I；载干比的公式为：
其中，C是载波信号强度，I是干扰信号强度，P(0为期望卫星发射功率，Gss(0为期望卫星发射增益，Gre(0为地面站增益，D0为期望卫星发射天线直径，Pts,为第j个干扰卫星发射功率，ABM为系统噪声，Gts,(θ1,)为第j个干扰卫星天线偏离角度θ1下的发射增益，Gre,(θ2,)为地面站天线偏离角度θ2下对第j个干扰卫星的接收增益，Dj为第j个干扰卫星的发射天线直径，ρj为第j个卫星的空间位置概率；
步骤六、选取不同纬度地球站，利用步骤五所计算的载干比C/I，构建信道容量算式，并计算获得信道容量；构建的信道容量算式为：
Ccap为信道容量，B为期望卫星系统带宽，C是载波信号强度，K为玻尔兹曼常数，T为接收机热噪声。
2.根据权利要求1所述的一种基于空间位置概率的NGSO卫星系统干扰与信道容量获得方法，其特征在于步骤三中，步长划分门限由以下公式确定：
其中，N是干扰区域卫星个数，ρj为第j个卫星的空间位置概率。
3.根据权利要求1所述一种基于空间位置概率的NGSO卫星系统干扰与信道容量获得方法，其特征在于步骤四中，以0.5°作为初始划分步长选取干扰区域卫星，大于的区域作为干扰严重区域，以0.1°为步长进行精细划分，小于的区域作为干扰轻微区域。
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