CN115396003B - 卫星系统用频方向性特征估计方法、系统、设备和介质 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种卫星系统用频方向性特征估计方法、系统、设备和介质，包括以下步骤：基于地面接收设备获取感知结果，并计算得到由等增益波束范围边缘位置组成的初步边缘位置集合；确定多参数待拟合关系，并基于初步边缘位置集合得到初步用频方向性特征；基于得到的初步用频方向性特征对初步边缘位置集合进行更新，并返回上一步骤继续拟合，直至满足设计精度要求后，得到最终的卫星系统用频方向性特征。本发明操作简单，能够保证在低计算复杂度情况下完成，可保证快速收敛，卫星系统、地面系统需付出的代价很小。因此，可以广泛应用于移动通信中卫星通信系统技术领域。

Description

卫星系统用频方向性特征估计方法、系统、设备和介质
技术领域
本发明涉及一种卫星系统用频方向性特征估计方法、系统、设备和介质，属于移动通信中卫星通信系统技术领域。
背景技术
当前，以OneWeb、Starlink为代表的非静止轨道通信星座快速发展，一方面，非静止轨道卫星快速运动，卫星与地面节点时空关系快速变化；另一方面，非静止轨道通信卫星大多配有相控阵天线，波束指向快速变化使得空间频率分布状态瞬息万变。上述两点卫星系统用频动态变化，并且具有方向性特征。具体而言，方向性特征包括信号源位置、波束指向、等增益波束范围等。
快速估计卫星系统用频的方向性特征具有两方面意义。一方面，有助于减缓系统间同频干扰。当前，频率资源日益紧张，卫星系统间、卫星与地面系统间共用频谱的情况在所难免。因此，在卫星系统间发生相互干扰时，对方系统频率方向性特征有助于确定干扰源和干扰范围，是卫星系统间、卫星与地面系统间开展频率协调的基础。另一方面，估计频率方向性特征可提升空间频率资源利用效率。OneWeb、Starlink等非静止轨道通信星座的网络资料涵盖了当前卫星通信常用的Ku/Ka/Q/V等全部频段资源，然而，国际电信联盟建议书等研究资料显示，各频段利用率相差很大，很多频段利用率极低。确定对方系统频率方向性特征后，可有针对性地调整自身系统带宽、天线指向等，与对方系统实现时、空、频域隔离，在不干扰对方的情况下最大化自身系统性能，提升空间系统频谱利用率。
当前确定卫星系统用频方向性特征的方法主要包括查找国际电信联盟卫星数据库、利用微纳卫星和利用方向性接收设备等。其中，查找国际电信联盟卫星数据库的方法是指利用国际电联公布的卫星网络资料数据库，根据接收机收到的信号的频率、功率等特征来在卫星数据库中筛选符合条件的卫星网络。但是，数据库中卫星数目庞大，且卫星实际用频，特别是点波束的具体情况在数据库中并未登记，因此，该方法适用性较差。利用微纳卫星的方法是指通过微纳卫星穿越波束时所收信号确定用频方向性特征，该方法对微纳卫星的姿态稳定性要求极高，而普通微纳卫星难以达到高姿态稳定性。利用方向性接收设备是指基于非全向的地面接收设备，通过移动接收天线位置、转动接收天线指向等方式确定信号源位置和其他波束特征，但是，此类方法所需的非全向地面接收设备一般尺寸较大，并且其移动速度难以匹配卫星的高速移动。因此，确定卫星系统用频方向性特征成为难题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种卫星系统用频方向性特征估计方法、系统、设备和介质，通过等增益波束范围边缘位置，以低计算复杂度的代价快速得到对方系统信号源位置、波束指向、等增益波束宽度等频率方向性特征，有效评估频率空间分布状态。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种卫星系统用频方向性特征估计方法，包括以下步骤：
基于地面接收设备获取感知结果，并计算得到由等增益波束范围边缘位置组成的初步边缘位置集合；
确定多参数待拟合关系，并基于初步边缘位置集合得到对方卫星的初步用频方向性特征；
基于得到的初步用频方向性特征对初步边缘位置集合进行更新，并返回上一步骤继续拟合，直至满足设计精度要求后，得到最终的用频方向性特征。
进一步，所述基于地面接收设备获取感知结果，并计算得到由等增益波束范围边缘位置组成的初步边缘位置集合的方法，包括：
基于地面接收设备获取感知结果；
基于感知结果进行数据融合筛选，得到由等增益波束范围边缘位置组成的初步边缘位置集合。
进一步，所述基于地面接收设备获取感知结果的方法，包括：
通过地面接收设备接收对方卫星信号；
将接收到的卫星信号强度与等增益波束范围对应的感知阈值作对比，并将对比结果作为感知结果实时传送至地面处理中心。
进一步，所述基于感知结果进行数据融合筛选，得到由等增益波束范围边缘位置组成的初步边缘位置集合的方法，包括：
根据对方卫星位置、波束指向、等增益波束宽度初始值，确定等增益波束范围边缘初值；
根据感知结果，筛选出最靠近等增益波束范围边缘初值的地面接收设备位置，组成边缘位置集合。
进一步，根据感知结果，筛选出最靠近等增益波束范围边缘的地面接收设备位置，组成边缘位置集合的方法，包括：
计算每个地面接收设备位置对应的波束离轴角，地面处理中心选择最靠近等增益范围边缘初值的位置，组成边缘位置集合。
进一步，所述确定多参数待拟合关系，并基于边缘位置集合得到初步用频方向性特征的方法，包括：
确定多参数待拟合关系；
基于初步边缘位置集合，对待拟合参数进行拟合，得到对方卫星的初步用频方向性特征。
进一步，所述多参数待拟合关系包括垂直指向波束和非垂直指向波束两种情况；
所述垂直指向波束下的多参数待拟合关系为：
所述非垂直指向波束下的多参数待拟合关系为：
其中，xSAT、ySAT和zSAT为卫星位置坐标；为地面位置坐标，且θi为第i个地面位置纬度，/>为第i个地面位置经度；γ为等增益波束范围对应的波束宽度；α为波束指向方位角；β为波束指向仰角。
第二方面，本发明提供一种卫星系统用频方向性特征估计系统，包括：
边缘位置集合确定模块，用于基于地面接收设备获取感知结果，并计算得到由等增益波束范围边缘位置组成的初步边缘位置集合；
参数拟合模块，用于确定多参数待拟合关系，并基于初步边缘位置集合得到对方卫星的初步用频方向性特征；
参数更新模块，用于基于得到的初步用频方向性特征对初步边缘位置集合进行更新，并再次拟合，直至满足设计精度要求后，得到最终的用频方向性特征。
第三方面，本发明提供一种处理设备，所述处理设备至少包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序时执行以实现所述卫星系统用频方向性特征估计方法的步骤。
第四方面，本发明提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现所述卫星系统用频方向性特征估计方法的步骤。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明通过对地面设备的感知结果进行融合，得到等增益波束边缘位置，能够快速估计卫星用频的方向性特征，对比传统空间频率状态监测方法，估计速度快，能够适用于静止轨道/非静止轨道星座场景，估计精度高；
2、本发明通过多参数拟合，能够快速确定辐射源位置、波束指向、等增益范围等关键参数；
3、本发明无需利用高成本移动设备和指向性接收设备，且全向接收设备仅需分布在包含等增益范围边缘的局部区域，所需设备数量少、成本低、适用性好；
综上，本发明操作简单，能够保证在低计算复杂度情况下完成，可快速收敛，卫星系统、地面系统需付出的代价很小。因此，可以广泛应用于移动通信中卫星通信系统技术领域。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的卫星系统用频方向性特征估计方法流程图；
图2是本发明实施例提供的场景示意图；
图3是本发明实施例提供的辐射源位置估计误差随地面设备密度变化关系；
图4是本发明实施例提供的等增益波束宽度估计误差随地面设备密度变化关系；
图5是本发明实施例提供的波束指向估计误差随地面设备密度变化关系。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
针对上述问题，本发明的一些实施例中，提供一种卫星系统用频方向性特征估计方法，首先，利用地面固定/移动的接收设备，融合各设备的感知结果，得到等增益波束范围边缘位置；然后，根据等增益波束范围边缘位置估计用频方向性特征。本发明可有效估计卫星信号源的位置、波束指向方位角、仰角、等增益离轴角等用频方向性特征。本发明操作简单、计算复杂度低、对空间频率方向性特征估计结果精确，既可满足系统间干扰协调需求，也有利于提升空间频谱利用效率。
与之相对应地，本发明的另一些实施例中提供一种卫星系统用频方向性特征估计系统、设备和介质。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种卫星系统用频方向性特征估计方法，包括以下步骤：
1)基于地面接收设备获取感知结果，并计算得到由等增益波束范围边缘位置组成的初步边缘位置集合。
优选地，上述步骤1)可以通过以下步骤实现：
1.1)基于地面接收设备获取感知结果。
包括以下步骤：
1.1.1)通过地面接收设备接收对方卫星信号。
可选地，上述地面接收设备的数量为N个，且可以采用固定或移动地面接收设备。
可选地，上述地面接收设备在接收对方卫星信号时，是在已知对方卫星系统通信频点的情况下，接收对方卫星信号源发射的同频下行信号。
本实施例中，将第i个地面接收设备接收的卫星信号表示为：其中，Re为地球半径，θi为第i个地面位置纬度，/>为第i个地面位置经度。地面存在地面处理中心，各地面接收设备可将感知结果实时发送至中心节点。
1.1.2)将接收到的卫星信号强度与等增益波束范围对应的感知阈值作对比，并将对比结果作为感知结果实时传送至地面处理中心。
对于某一地面接收设备，其感知结果状态可以表示为：
其中，ci表示接收到的卫星信号强度，cth为等增益波束范围对应的感知阈值,根据实际情况设定，H0和H1分别表示该地面接收设备所处节点处于等增益波束范围外或内。
1.2)基于感知结果进行数据融合筛选，得到由等增益波束范围边缘位置组成的初步边缘位置集合。
具体地，包括以下步骤：
1.2.1)根据对方卫星位置、波束指向、等增益波束宽度初始值，确定等增益波束范围边缘初值；
1.2.2)根据感知结果，筛选出靠近等增益波束范围边缘初值的地面接收设备位置，组成边缘位置集合。
其中，确定边缘位置集合时，首先，计算每个地面接收设备位置对应的波束离轴角；其次，地面处理中心根据确定的等增益波束范围边缘初值，选择最靠近等增益范围边缘位置初值的地面接收设备位置，组成边缘位置集合。
2)确定多参数待拟合关系，并基于初步边缘位置集合得到对方卫星系统的初步用频方向性特征。
具体地，包括以下步骤：
2.1)确定多参数待拟合关系。
具体地，本实施例在确定多参数拟合关系时，将波束分为垂直指向波束和非垂直指向波束来分别进行分析。
对于垂直指向波束，设卫星位置为其中，xSAT、ySAT和zSAT为卫星位置坐标，可以得到关于地面位置/>和待拟合参数的xSAT、ySAT、zSAT以及等增益波束范围对应的波束宽度γ的多参数待拟合关系表示为：
对于非垂直指向波束，设波束指向方位角为α，指向仰角为β，则关于地面位置和待拟合参数的xSAT、ySAT、zSAT、α、β和γ的多参数待拟合关系表示为：
2.2)基于边缘位置集合，采用非线性拟合方法，对多参数待拟合关系进行拟合，得到对方卫星的初步用频方向性特征。
其中，基于边缘位置结合进行参数拟合时，可以选择边缘位置集合中的部分或全部参数。
可选地，拟合方法可以为非线性最小二乘、粒子群算法、遗传算法等多参数拟合方法，多参数拟合方法为本领域技术人员普遍掌握的基本技术，本发明不再展开。
3)基于得到的初步用频方向性特征对边缘位置集合进行更新，重复步骤2)，直至满足设计精度要求后，得到最终的方向性特征。
其中，对边缘位置集合进行更新时，根据得到的初步用频方向性特征，更新对方卫星位置、波束指向、等增益波束宽度初始值等，并基于更新后的等增益波束边缘初值，得到更精准的等增益波束范围边缘位置。
实施例2
如图2所示，本实施例以该场景为例对实施例1进行进一步描述。该场景包括1颗NGSO卫星，估计其在某一时刻的用频方向性特征。场景参数如下表1所示。
表1场景参数
地面接收设备其中θi为第i个地面设备纬度，/>为第i个地面设备经度，Re为地球半径。波束中心点表示为(α,β)，卫星位置为波束中心可以表示为/>那么从波束中心到卫星的向量可表示为：
地面设备位置到卫星的向量可以表示为：
则：
整理可得关于的一元四次方程，具体为：
其中：
a＝(k1 2+k2 2)2
b＝2(k1 2-k2 2)(2k1k3-k4)-4k1k2(k5-2k2k3)
c＝(2k1k3-k4)2+2(k1 2-k2 2)(k2 2+k3 2-k6)-4k1 2k2 2+(k5-2k2k3)2
d＝2(2k1k3-k4)(k2 2+k3 2-k6)+4k1k2(k5-2k2k3)
e＝(k2 2+k3 2-k6)2-(k5-2k2k3)2
k1＝-Recosθi(xSAT-Recosαcosβ)
k2＝-Recosθi(ySAT-Recosαsinβ)
k3＝xSAT(xSAT-Recosαcosβ)+ySAT(ySAT-Recosαsinβ)+(zSAT-Resinθi)(zSAT-Resinα)
k4＝-2xSATRecos2γicosθi[(xSAT-Recosαcosβ)2+(ySAT-Recosαsinβ)2+(zSAT-Resinα)2]
k5＝-2ySATRecos2γicosθi[(xSAT-Recosαcosβ)2+(ySAT-Recosαsinβ)2+(zSAT-Resinα)2]
k6＝cos2γi[Re 2+(Re+h)2-2zSATResinθi]
[(xSAT-Recosαcosβ)2+(ySAT-Recosαsinβ)2+(zSAT-Resinα)2]
现在我们得到了待拟合关系下一步需要根据对的拟合，得到参数xSAT、ySAT、zSAT、γi、α和β。利用包括但不限于遗传算法、粒子群算法、非线性最小二乘等多参数拟合方法，均可解决该问题。此处使用遗传算法，可得到如下结果。
如图3所示，是对方卫星位置估计误差随着地面设备密度的变化情况，可以看出随着地面设备分布越来越密集，估计误差越来越小；
如图4所示，是等增益波束宽度估计误差随着地面设备密度的变化情况，可以看出随着地面设备分布越来越密集，等增益波束宽度估计误差越来越小；
如图5所示，是波束指向方位角、仰角估计误差随着地面设备密度的变化情况，可以看出随着地面设备分布越来越密集，波束指向方位角、仰角估计误差越来越小。
可以看出，本发明方法可以有效估计信号源位置、波束指向、等增益波束宽度等用频使用方向性特征，并且随着地面设备密度增大，估计精度越来越精确。
实施例3
上述实施例1提供了一种卫星系统用频方向性特征估计方法，与之相对应地，本实施例提供一种卫星系统用频方向性特征估计系统。本实施例提供的系统可以实施实施例1的一种卫星系统用频方向性特征估计方法，该系统可以通过软件、硬件或软硬结合的方式来实现。例如，该系统可以包括集成的或分开的功能模块或功能单元来执行实施例1各方法中的对应步骤。由于本实施例的系统基本相似于方法实施例，所以本实施例描述过程比较简单，相关之处可以参见实施例1的部分说明即可，本实施例提供的系统的实施例仅仅是示意性的。
本实施例提供的一种卫星系统用频方向性特征估计系统，包括：
边缘位置集合确定模块，用于基于地面接收设备获取感知结果，并计算得到由等增益波束范围边缘位置组成的初步边缘位置集合；
参数拟合模块，用于确定多参数待拟合关系，并基于初步边缘位置集合得到对方卫星的初步用频方向性特征；
参数更新模块，用于基于得到的初步用频方向性特征对初步边缘位置集合进行更新，并再次拟合，直至满足设计精度要求后，得到最终的用频方向性特征。
实施例4
本实施例提供一种与本实施例1所提供的卫星系统用频方向性特征估计方法对应的处理设备，处理设备可以是用于客户端的处理设备，例如手机、笔记本电脑、平板电脑、台式机电脑等，以执行实施例1的方法。
所述处理设备包括处理器、存储器、通信接口和总线，处理器、存储器和通信接口通过总线连接，以完成相互间的通信。存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序时执行本实施例1所提供的卫星系统用频方向性特征估计方法。
在一些实施例中，存储器可以是高速随机存取存储器(RAM：Random AccessMemory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
在另一些实施例中，处理器可以为中央处理器(CPU)、数字信号处理器(DSP)等各种类型通用处理器，在此不做限定。
实施例5
本实施例1的一种卫星系统用频方向性特征估计方法可被具体实现为一种计算机程序产品，计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于执行本实施例1所述的卫星系统用频方向性特征估计方法的计算机可读程序指令。
计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意组合。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种卫星系统用频方向性特征估计方法，其特征在于包括以下步骤：
基于地面接收设备获取感知结果，并计算得到由等增益波束范围边缘位置组成的初步边缘位置集合；
确定多参数待拟合关系，并基于初步边缘位置集合得到对方卫星的初步用频方向性特征；
基于得到的初步用频方向性特征对初步边缘位置集合进行更新，并返回上一步骤继续拟合，直至满足设计精度要求后，得到最终的用频方向性特征；
所述确定多参数待拟合关系，并基于边缘位置集合得到初步用频方向性特征的方法，包括：
确定多参数待拟合关系；
基于初步边缘位置集合，对待拟合参数进行拟合，得到对方卫星的初步用频方向性特征；
所述多参数待拟合关系包括垂直指向波束和非垂直指向波束两种情况；
所述垂直指向波束下的多参数待拟合关系为：
所述非垂直指向波束下的多参数待拟合关系为：
其中，xSAT、ySAT和zSAT为卫星位置坐标；为地面位置坐标，且θi为第i个地面位置纬度，/>为第i个地面位置经度；γ为等增益波束范围对应的波束宽度；α为波束指向方位角；β为波束指向仰角。
2.如权利要求1所述的一种卫星系统用频方向性特征估计方法，其特征在于：所述基于地面接收设备获取感知结果，并计算得到由等增益波束范围边缘位置组成的初步边缘位置集合的方法，包括：
基于地面接收设备获取感知结果；
基于感知结果进行数据融合筛选，得到由等增益波束范围边缘位置组成的初步边缘位置集合。
3.如权利要求2所述的一种卫星系统用频方向性特征估计方法，其特征在于：所述基于地面接收设备获取感知结果的方法，包括：
通过地面接收设备接收对方卫星信号；
将接收到的卫星信号强度与等增益波束范围对应的感知阈值作对比，并将对比结果作为感知结果实时传送至地面处理中心。
4.如权利要求2所述的一种卫星系统用频方向性特征估计方法，其特征在于：所述基于感知结果进行数据融合筛选，得到由等增益波束范围边缘位置组成的初步边缘位置集合的方法，包括：
根据对方卫星位置、波束指向、等增益波束宽度初始值，确定等增益波束范围边缘初值；
根据感知结果，筛选出最靠近等增益波束范围边缘初值的地面接收设备位置，组成边缘位置集合。
5.如权利要求4所述的一种卫星系统用频方向性特征估计方法，其特征在于：根据感知结果，筛选出最靠近等增益波束范围边缘的地面接收设备位置，组成边缘位置集合的方法，包括：
计算每个地面接收设备位置对应的波束离轴角，地面处理中心选择最靠近等增益范围边缘初值的位置，组成边缘位置集合。
6.一种卫星系统用频方向性特征估计系统，其特征在于，包括：
边缘位置集合确定模块，用于基于地面接收设备获取感知结果，并计算得到由等增益波束范围边缘位置组成的初步边缘位置集合；
参数拟合模块，用于确定多参数待拟合关系，并基于初步边缘位置集合得到对方卫星的初步用频方向性特征；所述确定多参数待拟合关系，并基于边缘位置集合得到初步用频方向性特征，包括：
确定多参数待拟合关系；
基于初步边缘位置集合，对待拟合参数进行拟合，得到对方卫星的初步用频方向性特征；
所述多参数待拟合关系包括垂直指向波束和非垂直指向波束两种情况；
所述垂直指向波束下的多参数待拟合关系为：
所述非垂直指向波束下的多参数待拟合关系为：
其中，xSAT、ySAT和zSAT为卫星位置坐标；为地面位置坐标，且θi为第i个地面位置纬度，/>为第i个地面位置经度；γ为等增益波束范围对应的波束宽度；α为波束指向方位角；β为波束指向仰角；
参数更新模块，用于基于得到的初步用频方向性特征对初步边缘位置集合进行更新，并再次拟合，直至满足设计精度要求后，得到最终的用频方向性特征。
7.一种处理设备，所述处理设备至少包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器运行所述计算机程序时执行以实现权利要求1到5任一项所述卫星系统用频方向性特征估计方法的步骤。
8.一种计算机存储介质，其特征在于，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现根据权利要求1到5任一项所述卫星系统用频方向性特征估计方法的步骤。
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