CN115396005A - 多波束卫星的波束间干扰及用户信道向量确定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多波束卫星的波束间干扰及用户信道向量确定方法及装置，所述方法包括：获取低轨多波束卫星相控阵天线的结构参数，结构参数包括所述相控阵天线的阵元数量及阵元间距；基于获取到的相控阵天线的结构参数通过波束成形算法确定天线方向图；获取所述低轨多波束卫星的轨道六根数、目标波束中心以及所述目标波束的相邻波束中心的经纬度坐标；基于轨道六根数以及各波束中心的经纬度坐标计算各波束对应的相控阵天线的第一时变俯仰角；基于天线方向图及各波束对应的相控阵天线的第一时变俯仰角确定波束间干扰及用户信道向量。该方法及装置可准确且方便的获取到低轨多波束卫星波束间的干扰大小及用户信道向量，从而便于实现后期的干扰消除。

Description

多波束卫星的波束间干扰及用户信道向量确定方法及装置

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种多波束卫星的波束间干扰及用户信道向量确定方法及装置。

背景技术

近年来为了满足用户宽带接入的需求，低轨卫星互联网发展迅速，已成为实现全球用户宽带接入和无缝通信的重要基础设施。多波束卫星能够通过卫星上搭载的天线产生很多密布的波束来服务地面目标区域，相比于单波束卫星而言，其覆盖区域更大，且能够以更高的速率服务更多的用户，是低轨宽带卫星的理想实现方式，所以将大范围推广应用于下一代低轨卫星互联网建设中。其中多个波束由相控阵天线产生，相控阵天线是一种单个天线可提供不同相移馈电的阵列天线，其天线方向图中的主瓣指向可以通过改变阵元间的相位来实现，结合波束成型算法更能够显著降低旁瓣电平提高天线性能。

低轨卫星与中轨道卫星和同步轨道卫星相比处于与地面的高速运动状态，如果采用卫星上下发固定方向波束的方式服务用户，则低轨卫星无法像静止轨道卫星一样凝视某个固定的地面区域，这样无法适用于一些紧急情况下的接入服务，并且用户会频繁被不同的波束服务，波束切换的过程中也同样会影响用户的通信体验，因此低轨卫星互联网中的多波束卫星需要研究在卫星运动过程中将波束凝视于固定地面区域；此时地面用户信道向量具有时变性。

目前，尚未存在一种方法可准确的获取到低轨多波束卫星中的波束间干扰大小以及用户的信道向量；为了便于实现后续的干扰消除，如何准确且方便的获取到低轨多波束卫星波束间的干扰大小及用户信道向量是亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种多波束卫星的波束间干扰及用户信道向量确定方法及装置，以解决现有技术中存在的一个或多个问题。

根据本发明的一个方面，本发明公开了一种多波束卫星的波束间干扰及用户信道向量确定方法，所述方法包括：

获取低轨多波束卫星相控阵天线的结构参数，所述结构参数包括所述相控阵天线的阵元数量及阵元间距；

基于获取到的所述相控阵天线的结构参数通过波束成形算法确定天线方向图；

获取所述低轨多波束卫星的轨道六根数、目标波束中心以及所述目标波束的相邻波束中心的经纬度坐标；

基于所述轨道六根数以及各波束中心的经纬度坐标计算各波束对应的相控阵天线的第一时变俯仰角；

基于所述天线方向图及各波束对应的相控阵天线的第一时变俯仰角确定波束间干扰及用户信道向量。

在本发明的一些实施例中，所述波束成型算法为LCMV算法。

在本发明的一些实施例中，所述相控阵天线的第一时变俯仰角的计算公式为：

其中r’为卫星位置矢量，α为轨道半长轴，e为轨道离心率，i为轨道倾角，Ω为升交点位置，ω为近地点幅角，v为时间t的函数，R_e为地球半径，R₁(-i)表示轨道平面绕参考坐标系x轴转过-i，R₃(-ω)表示轨道平面绕参考坐标系z轴转过-ω，R₃(-Ω)表示轨道平面绕参考坐标系z轴转过-Ω，

J_A为星下点经度坐标，J_B为波束中心经度坐标，W_A为星下点纬度坐标，W_B为波束中心纬度坐标。

在本发明的一些实施例中，基于所述天线方向图及各波束对应的相控阵天线的第一时变俯仰角确定波束间干扰及用户信道向量，包括：

基于所述天线方向图及目标波束对应的相控阵天线的第一时变俯仰角确定主波束增益；

基于所述天线方向图及各目标波束的相邻波束对应的相控阵天线的第一时变俯仰角确定各干扰波束增益；

将各干扰波束增益进行叠加得到所述目标波束对应的干扰波束总增益。

在本发明的一些实施例中，所述方法还包括：

计算所述干扰波束总增益与所述主波束增益的比值，基于所述比值确定所述低轨多波束卫星的波束间干扰大小。

在本发明的一些实施例中，基于所述天线方向图及各波束对应的相控阵天线的第一时变俯仰角确定波束间干扰及用户信道向量，包括：

获取用户的经纬度坐标；

基于所述轨道六根数以及所述用户的经纬度坐标计算用户对应的第二时变俯仰角；

基于各所述第一时变俯仰角及第二时变俯仰角计算用户信道向量。

在本发明的一些实施例中，基于各所述第一时变俯仰角及第二时变俯仰角计算用户信道向量，包括：

计算各所述第一时变俯仰角及第二时变俯仰角的差值；

基于所述天线方向图及所述第一时变俯仰角及第二时变俯仰角的差值确定用户在各波束下的增益值；

计算用户和卫星之间的距离；

基于用户和卫星之间的距离以及所述用户在各波束下的增益值计算所述用户信道向量。

在本发明的一些实施例中，用户m在第k个波束下时的用户信道值的计算公式为：

其中，

表示卫星和用户m之间的距离；λ表示信号的载波波长；G_R表示接收天线增益；

表示用户m从波束j接收到的增益；κ表示常量波耳兹曼常数，其取值为1.380649×10^-23J/K；T_R表示接收机噪声温度；B_W表示信号带宽；θ_m,j表示波束j与用户m之间的相位变化效应，θ_m,j在0～2π之间随机取值。

根据本发明的另一方面，还公开了一种低轨多波束卫星波束间干扰及用户信道向量确定系统，该系统包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器用于执行所述存储器中存储的计算机指令，当所述计算机指令被处理器执行时该系统实现如上任一实施例所述方法的步骤。

相应的，本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上任一实施例所述方法的步骤。

本发明所公开的多波束卫星的波束间干扰及用户信道向量确定方法及装置，首先确定各波束对应的相控阵天线的第一时变俯仰角，进而基于天线方向图及各波束对应的相控阵天线的第一时变俯仰角确定波束间干扰及用户信道向量；该方法可准确且方便的获取到的多波束卫星的波束间干扰大小及用户信道向量，从而利于后续干扰消除。

本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。

本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本发明的原理。为了便于示出和描述本发明的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本发明实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：

图1为本发明一实施例的低轨多波束卫星波束间干扰及用户信道向量确定方法的流程示意图。

图2为本发明另一实施例的低轨多波束卫星波束间干扰及用户信道向量确定方法的流程示意图。

图3为本发明一实施例的低轨多波束卫星通信场景示意图。

图4为卫星相控阵天线与目标波束中心位置关系图。

图5为本发明一实施例的用户和点波束分布示意图。

图6为本发明一实施例的部分用户分布示意图。

图7为卫星服务过程中目标波束到地的功率分布示意图。

图8为卫星俯仰角最大时主波束增益与相邻波束增益对比示意图。

图9为卫星俯仰角最小时主波束增益与相邻波束增益对比示意图。

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明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在此，需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

应该强调，术语“包括/包含/具有”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

对于不同的相控阵天线子阵(如线形阵、矩形阵、圆阵、自定义阵等)，确定其阵元数量、间隔之后，经过混合波束赋形，就能得到一个波束的天线方向图，多个波束叠加之后任意选取一个方向角后都可以观察到其余波束对主波束的干扰，或称之为波束间干扰。在低轨多波束卫星通信场景下，随着波束数目的增多，上述波束间干扰会更加严重，特别是当实现波束间全频率复用时，相邻的所有波束之间的干扰会产生严重的累积效应，即其他相邻波束的主瓣或者旁瓣会对当前波束的主瓣造成显著的干扰，从而降低限制卫星通信系统的性能上限。

低轨多波束卫星在服务地面固定区域的过程中，随着每时每刻卫星相对于地面的位置改变，其各个波束的指向也在不断调整，相控阵天线的最大增益指向角度和波束间干扰将成为一个时变的影响因素，导致地面用户的信道矩阵也具有时变性。为了完成后续的干扰消除，则需要对这种时变的干扰和信道矩阵进行准确的数学描述；因此，本发明提供一种低轨多波束卫星波束间干扰及用户信道向量确定方法及装置以准确且方便的获得低轨多波束卫星波束间的干扰大小及用户信道向量。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

图1为本发明一实施例的低轨多波束卫星波束间干扰及用户信道向量确定方法的流程示意图，如图1所示，该方法至少包括步骤S10至S50。

步骤S10：获取低轨多波束卫星相控阵天线的结构参数，所述结构参数包括所述相控阵天线的阵元数量及阵元间距。

在该步骤中，低轨多波束卫星相控阵天线的结构参数可以是输入的，也可以为预先存储在系统中的参数。相控阵天线子阵形状可为线形阵、矩形阵、圆阵以及自定义形状阵等。

步骤S20：基于获取到的所述相控阵天线的结构参数通过波束成形算法确定天线方向图。

波束成形技术是指，对发送端的信号处理，可以通过对多天线阵元的各路信号进行加权合成，形成所需的理想信号；从天线方向图视角来看，相当于形成了规定指向上的波束；将原来全方位的发送方向图转换成了有零点、有最大指向的波瓣方向图。其中，相控阵天线的阵列排布方式确定后天线方向图就已经确定，因而在该步骤中，基于获取到的所述相控阵天线的结构参数通过波束成形算法即可确定天线方向图。

步骤S30：获取所述低轨多波束卫星的轨道六根数、目标波束中心以及所述目标波束的相邻波束中心的经纬度坐标。

为了在低轨卫星服务过程中获得时变的俯仰角，则首先需要获得卫星每时每刻的位置。图3为本发明一实施例的低轨多波束卫星通信场景示意图，如图3所示，该通信场景包括一颗搭载相控阵天线的多波束卫星、一个负责控制的地面信关站和每个波束中的大量用户。各个波束共享同一段频率，旨在为所有用户提供宽带接入服务；其中馈电链路用来保证地面信关站与卫星之间的通信，用户链路负责传送有用信息，其中波束主瓣对应的为用户链路。而由于星载相控阵天线不是理想器件，现有的波束成形技术也无法生成理想无旁瓣的功率方向图，因此相控阵天线在生成点波束的同时，旁瓣会泄漏到相邻点波束上，造成不可避免地波束间干扰，尤其是对于波束重叠区域的用户，波束间干扰就显得尤为严重。

在低轨卫星运动过程中，由于负责卫星姿态控制的信关站可以凭借星历获取卫星的准确位置，所以考虑依靠星历确定卫星与地面点波束中心的相对位置从而保证在低轨卫星从接入到离开的过程中相控阵天线的波束始终指向固定的地点。只要能够获取任意时刻的轨道六根数，就能够通过数学分析和计算得到卫星随时间变化的位置参数。在理想情况下需要的轨道六根数分别为：轨道半长轴α、轨道离心率e、轨道倾角i，升交点位置Ω、近地点幅角ω和卫星任意时刻位置ω+v。在轨道坐标系下，卫星的位置可以用位置向量r表示。

在该步骤中，目标波束中心可理解为主波束中心，如当用户位于图3所示的中间点波束范围内时，则中间点波束为目标波束，而位于中间点波束外围的六个点波束为目标波束的相邻波束；目标波束与其相邻各波束的经纬度坐标不同。

步骤S40：基于所述轨道六根数以及各波束中心的经纬度坐标计算各波束对应的相控阵天线的第一时变俯仰角。

每个点波束中心的经纬度不同，因此对应的俯仰角也不同，在该实施例中，俯仰角记为θ。θ为卫星指向地面波束中心的方向相对于阵面法向的角度偏移。

在一实施例中，以每个波束都由N＝8×8均匀矩形阵相控阵天线产生为例，其中均匀是指所有天线单元相隔的距离相同，即距离都为固定值d，考虑到各个天线阵元完全一样且卫星通信中地面距离相控阵天线足够远，就可以把所有天线单元到地面目标位置的连线当作平行来处理，目标位置可看作为在此基础上，相控阵天线辐射场强为：

其中，R表示天线单元到目标位置的距离，

表示阵内相位偏移值，阵内相位偏移值是指相邻两个辐射天线单元之间相位角度差值，N表示天线单元总数量，j表示复数计算表示，λ表示载波波长；通过上述相控阵天线辐射场强计算公式可知，若想得到相控阵天线在某个方向上的增益，只需要计算得到俯仰角θ即可。

进一步的，卫星的位置向量r的幅度为：

其中，α为轨道半长轴、e为轨道离心率、ω为近地点幅角。而对于卫星轨道，轨道坐标系经过三次方向余弦矩阵变换即可变为中心天体惯性系。第一次变换时，轨道平面绕参考坐标系z轴转过-Ω，此时升交线与参考坐标系x轴重合；第二次变换时，轨道平面绕参考坐标系x轴转过-i，此时轨道平面正法向与参考坐标系z轴重合；第三次变换时，轨道平面绕参考坐标系z轴转过-ω，此时离心率矢量与参考坐标系x轴重合。在轨道坐标系下，r＝[rcosv，rsinv，0]^T，即在中心天体惯性系下，卫星的位置矢量r可以表示为：

其中r’为卫星位置矢量，α为轨道半长轴，e为轨道离心率，i为轨道倾角，Ω为升交点位置，ω为近地点幅角，卫星在运动过程中由于轨道六根数不变，则中心天体惯性系下位置矢量r’为v的函数，而v是一个随卫星运行时间t变化的量，因而位置矢量r’为以运行时间t为变量的函数。

假设卫星从接入信关站到离开服务区域的整体运行时间是T，则t是一个以1秒为间隔的1×T维向量，此时r’是的3×T的矩阵，其每一列代表某一秒的卫星位置。卫星相控阵天线与目标波束中心位置关系如4所示，图4中O点位置代表卫星相控阵天线，A点为星下点，即卫星和地心的连线与地表的交点，B为目标波束的中心位置，其经纬度记为(J_B,W_B)是已知信息，C为地心；星下点的经纬度(J_A,W_A)和卫星的经纬度(J_O,W_O)一致，则星下点的经纬度坐标及卫星经纬度坐标基于卫星位置向量计算得到：

r’_x、r’_y和r’_z对应于r’的三维坐标，即各时刻对应r’矩阵中对应列向量的元素值。β＝∠ACB为地球表面上星下点A和目标波束中心点B构成的地心角(以°为单位)，

低轨卫星在运行过程中可以根据预设配置进行姿态控制，假设在理想状态下能够保证相控阵天线的方位角始终为0，即波束指向完全取决于俯仰角θ；此时：

则

R_e为地球半径，r’为各时刻卫星的位置向量幅度，由于r’为基于时间T的函数，因而俯仰角θ为时变俯仰角。

不难看出，在确定了轨道六根数的前提下，基于当前时刻的卫星的星下点经纬度坐标以及各波束中心的经纬度坐标可计算得到各波束对应的相控阵天线的第一时变俯仰角θ。由于r’为时变量，因而在卫星运动的过程中第j个点波束的俯仰角θ_j会随着r’更新而更新。

步骤S50：基于所述天线方向图及各波束对应的相控阵天线的第一时变俯仰角确定波束间干扰及用户信道向量。

示例性的，波束成型算法为LCMV算法，即通过LCMV算法进行波束成型以确定天线方向图，LCMV算法为线性约束最小方差波束成形算法，在该实施例中，采用LCMV算法进行波束成形仅是一种示例，在其他实施方式中，也可以采用其他波束成形算法。

目前在轨运行的低轨卫星都没有搭载数据处理单元，因此假定卫星有效载荷属于透明转发模式；卫星上装配的相控阵天线能够划分出S个子阵列，从而在地面上产生S个点波束。参考图3，网关处理K路信号后将信号发送给卫星，卫星阵列馈电反射器将K路馈电信号转换成S路发射信号，在多波束覆盖区域内辐射；多波束卫星阵列馈电反射器采用每波束多馈源结构，此时K>S；每个点波束下的用户在地表二维平面上均匀分布在该点波束的服务范围内；

表示第k个波束下的用户m，其用户信道向量可以表示为

则

S为点波束的总数量。其中，

表示卫星和用户m之间的距离；λ代表信号的载波波长，单位为米；G_R表示接收天线增益；

表示用户m从波束j接收到的增益；κ表示物理学中的常量波耳兹曼常数，其取值为1.380649×10^-23J/K；T_R表示接收机噪声温度，其单位为开尔文；B_W表示信号带宽，其单位为赫兹；θ_m,j表示波束j与用户m之间的相位变化效应，θ_m,j在0～2π之间随机取值，事实上与通信距离相比卫星天线阵列间距非常小，所以θ_m,j可以认为是与天线编号j无关，因而θ_m,1＝θ_m,2＝…＝θ_m；并且当k＝j时，

表示用户m从服务自己的点波束接收到的增益，而当k≠j时，

表示用户m从其他点波束接收到的增益，即接收到的波束间干扰。

通过上述内容可以得知，同一颗卫星服务一批用户时，在通信频段、带宽、接收机水平等因素一致的情况下，用户的信道向量主要取决于多波束卫星和用户之间的距离

和各个天线对用户的增益或干扰

而

主要由用户位置和卫星位置确定，而

取决于相控阵天线的阵列排布方式和用户到卫星再到波束中心所形成的角度β,也即

取决于相控阵天线的阵列排布方式和点波束对应的相控阵天线的第一时变俯仰角。

示例性的，基于所述天线方向图及各波束对应的相控阵天线的第一时变俯仰角确定波束间干扰及用户信道向量，包括：基于所述天线方向图及目标波束对应的相控阵天线的第一时变俯仰角确定主波束增益；基于所述天线方向图及各目标波束的相邻波束对应的相控阵天线的第一时变俯仰角确定各干扰波束增益；将各干扰波束增益进行叠加得到所述目标波束对应的干扰波束总增益。

当获取到主波束增益以及干扰波束总增益之后，通过计算所述干扰波束总增益与所述主波束增益的比值，基于所述比值可确定低轨多波束卫星的波束间干扰大小。

以下通过一个具体示例来具体量化波束间干扰大小，在该示例中，首先确定波束和用户分布情况，以10个波束下均匀分布100个用户为例，场景参数具体设为：轨道高度为1175km，地面点波束形状为圆形，点波束覆盖方式为边缘部分重叠覆盖，点波束覆盖半径为207.2km，点波束个数S＝10，总用户数N＝100；点波束及用户分布示意图如图5所示。在该示例中，每个波束都由N＝8×8矩形阵相控阵天线产生，基于本发明的波束间干扰及用户信道向量确定方法在不同卫星俯仰角状态下对各天线对目标波束增益情况进行分析。具体的，波束宽度为12.8°，相控阵天线类型为8×8矩形阵，相邻波束中心距离为179.19km，最大俯仰角为90°，最小俯仰角为5°。

以图5中所示的左下侧7个点波束为例，以中间波束为目标波束，目标波束周围存在6个相邻波束(参考图6)。为了方便比较，将位于地面的目标波束中心的对应相控阵天线接收增益设置为0dB作为参考基准，其余相控阵天线的波束均指向各自的点波束中心，此时目标波束中心(即对应于方位角为0°)依然也会受到相邻波束的增益。当卫星俯仰角最大时，多波束卫星处于目标波束中心与地心连线的正上方，通过天线方向图得知(参考图8)，此时相邻的波束呈对称分布，相邻波束的波束中心与目标波束中心所隔方位角较大，即θ_j(相邻波束对应的俯仰角)与θ₀(目标波束对应的俯仰角)相差较大，且基于LCMV算法仿真得出其中有4个相控阵天线阵列对目标波束中心点的增益大于-40dB，分别为-15.0551dB和-31.4832dB，换算后即为主波束增益的0.03122和7.1069×10^-4，此时干扰增益之和约为主波束增益的0.06382。

而当卫星俯仰角较小时，多波束卫星与目标波束中心的连线和目标波束中心与地心连线存在较大夹角，相邻波束的波束中心与目标波束中心所隔方位角较小，此时θ_j与θ₀相差较小(参考图9)，基于LCMV算法仿真得出6个相控阵天线阵列对目标波束中心点的增益都大于-30dB，分别为-5.9745dB、-7.5793dB、-12.1527dB、-15.5512dB、-20.4284dB和-22.2073dB，换算后即为主波束增益的0.2527、0.1746、0.0609、0.0279、0.0091和0.0060，此时干扰增益之和约为主波束增益的0.5312。

由此可见，在卫星在刚刚进入服务区域和过顶后即将离开服务区域时相邻波束对目标波束的干扰最为严重，此时远远大于卫星正处于过顶位置时的干扰。其原因在于当卫星处于低俯仰角状态时，星载相控阵天线对目标波束和相邻波束的指向比较接近，导致相邻波束的主瓣泄露到目标波束的覆盖区域上，且由于相邻波束数目较多，叠加起来的干扰就非常显著。另通过上述内容可知，本发明所公开的低轨多波束卫星波束间干扰及用户信道向量确定方法可准确且方便的获取到波束间干扰大小。

在另一实施例中，基于所述天线方向图及各波束对应的相控阵天线的第一时变俯仰角确定波束间干扰及用户信道向量，具体包括：获取用户的经纬度坐标；基于所述轨道六根数以及所述用户的经纬度坐标计算用户对应的第二时变俯仰角；基于各所述第一时变俯仰角及第二时变俯仰角计算用户信道向量。

进一步的，基于各所述第一时变俯仰角及第二时变俯仰角计算用户信道向量，包括：计算各所述第一时变俯仰角及第二时变俯仰角的差值；基于所述天线方向图及所述第一时变俯仰角及第二时变俯仰角的差值确定用户在各波束下的增益值；计算用户和卫星之间的距离；基于用户和卫星之间的距离以及所述用户在各波束下的增益值计算所述用户信道向量。

对于该实施例，是在对波束间干扰进行分析的基础上，进一步确定用户的信道向量。在某一确定时刻对于具体的用户m而言，其信道向量

第k列元素表示服务自身的波束(主波束)对它的增益，而其余的所有列都可以看作其余波束(主波束的相邻波束)对其的干扰项。

在用户信道向量

中，各元素的大小取决于用户m从波束j接收到的增益

而根据上述内容可知，

的大小取决于相控阵天线的阵列排布方式和用户到卫星再到波束中心所形成的角度，而此时的用户到卫星再到波束中心所形成的角度可看作为各波束中心对应的第一俯仰角与用户对应的第二俯仰角之差。第二俯仰角的计算方法与第一俯仰角的计算方法相同，仅是在计算第二俯仰角时，相控阵天线辐射场强中的r表示天线单元到用户之间的距离，而在计算第一俯仰角时，r表示天线单元到目标波束中心之间的距离。并且在计算第一俯仰角时，地心角β中的(J_B,W_B)坐标为目标波束中心位置的经纬度坐标，而在计算第二俯仰角时，地心角β中的(J_B,W_B)坐标为用户所在位置的经纬度坐标。除上述不同之外，第一俯仰角与第二俯仰角的计算方式类似，在此不做赘述。

具体的，在确定用户信道向量过程中，用户到卫星再到波束中心所形成的角度可以近似用各波束中心对应的第一俯仰角与用户对应的第二俯仰角作差求得，以用户所在波束中心增益值归一化后即可得到

则基于第一时变俯仰角及第二时变俯仰角的差值通过天线方向图即可最终确定用户在各波束下的增益值。

参考图6，令每个相控阵天线主瓣指向波束中心，每个波束有效范围即为天线在主瓣宽度上对地面的覆盖范围，则相控阵天线主瓣相控阵天线阵列对其波束中心的增益归一化为1，波束边缘用户的增益为0.5。不相邻的波束之间(例如波束①和波束⑦)，由于波束主瓣指向方向相差较大，落在彼此区域的副瓣功率极低，所以认为互相之间不存在干扰，此时认为对应的

基于该前提条件，则对用户信道向量中的各元素进行定性分析。例如，用户分布位置有两种典型状态：用户处于波束未重叠的区域内和用户处于波束重叠区域内。

通过本申请的波束间干扰及用户信道确定方法可知，当用户处于波束未重叠的区域内时，此时主波束的增益较高，根据其与波束中心的相对位置，

取值约在0.7～1之间，即用户m从服务自己的点波束接收到的增益约在0.7～1之间；应当理解的是，未重叠的区域如图6中点波束④的中间区域。相邻波束对其的干扰仅仅只有各自旁瓣部分的叠加，通过波束成形算法得知，旁瓣电平最高也相比于主瓣最大功率衰减了13dB，即

取值约为0～0.05，用户m从其他点波束接收到的增益约在0～0.05之间。此时该用户所在波束具有六个相邻波束，则干扰就会叠加六次，且

的取值互相独立。当用户处于波束未重叠的区域内时，干扰增益相对于主增益小得多，因而得知此时波束间干扰非常弱。

用户处于波束重叠的区域内时，如点波束④与点波束⑦的重合区域内，此时由于用户到自身点波束中心和相邻点波束中心的距离差不多，因而主波束④带来的增益与主波束具有重叠区域的相邻波束⑦带来的增益大体一致，取值均约为0.5～0.7。另外，此时也应考虑到其他相邻波束旁瓣部分叠加对其的干扰，且由于此时处于两个波束重叠区域，此时可以认为其相邻波束相对于用户处于波束未重叠的区域内的相邻波束更多。当用户处于波束重叠的区域内时，由于此时其中一个干扰增益与主增益接近，另外再叠加上旁瓣干扰，则用户处于波束重叠的区域内时用户信道条件比较差。

另外，在卫星运动过程中，保持卫星发送器的辐射功率和相控阵天线的增益分别为50dBm和30dBi不变，忽略馈线上的线材损耗，考虑了自由空间损耗后，目标波束中心的到地有效信号功率和波束间干扰功率如图7所示，可以看出由于自由空间损耗的存在，有效信号功率约有10dBm的波动，而波束间干扰的功率较为稳定。

通过上述实施例可以发现，本发明的低轨多波束卫星波束间干扰及用户信道向量确定方法，通过确定各波束对应的相控阵天线的第一时变俯仰角，进而基于天线方向图及各波束对应的相控阵天线的第一时变俯仰角确定波束间干扰及用户信道向量。该方法可准确且方便的获取到的多波束卫星的波束间干扰大小及用户信道向量，从而利于后续干扰消除。

相对应的，本发明还提供了一种低轨多波束卫星波束间干扰及用户信道向量确定系统，该系统包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器用于执行所述存储器中存储的计算机指令，当所述计算机指令被处理器执行时该系统实现如上任一实施例所述方法的步骤。

在采用该系统确定波束间干扰及用户信道向量时，如图2所示，首先初始化相控阵天线排布、以及初始化波束成形算法，进而输入卫星轨道六根数，并输入第就j个波束中心的经纬度坐标(J_A,W_A),并进而计算时变的俯仰角θ_j，进一步基于天线方向图得到G(θ),并对各个天线方向图进行叠加从而确定了波束间的干扰。另外，获取用户经纬度坐标(J_u,W_u)，并输入用户信道计算公式中的除

之外的参数，并计算时变的俯仰角θ_u，进而计算G(θ_j-θ_u)，从而确定用户信道向量。

另外，该发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上任一实施例所述方法的步骤。

本领域普通技术人员应该可以明白，结合本文中所公开的实施方式描述的各示例性的组成部分、系统和方法，能够以硬件、软件或者二者的结合来实现。具体究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。

还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。

本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，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 (10)

1.一种低轨多波束卫星波束间干扰及用户信道向量确定方法，其特征在于，所述方法包括：

获取低轨多波束卫星相控阵天线的结构参数，所述结构参数包括所述相控阵天线的阵元数量及阵元间距；

基于获取到的所述相控阵天线的结构参数通过波束成形算法确定天线方向图；

获取所述低轨多波束卫星的轨道六根数、目标波束中心以及所述目标波束的相邻波束中心的经纬度坐标；

基于所述轨道六根数以及各波束中心的经纬度坐标计算各波束对应的相控阵天线的第一时变俯仰角；

基于所述天线方向图及各波束对应的相控阵天线的第一时变俯仰角确定波束间干扰及用户信道向量。

2.根据权利要求1所述的低轨多波束卫星波束间干扰及用户信道向量确定方法，其特征在于，所述波束成型算法为LCMV算法。

3.根据权利要求1所述的低轨多波束卫星波束间干扰及用户信道向量确定方法，其特征在于，所述相控阵天线的第一时变俯仰角的计算公式为：

其中，r，为卫星位置矢量，α为轨道半长轴，e为轨道离心率，i为轨道倾角，Ω为升交点位置，ω为近地点幅角，v为时间t的函数，R_e为地球半径，R₁(-i)表示轨道平面绕参考坐标系x轴转过-i，R₃(-ω)表示轨道平面绕参考坐标系z轴转过-ω，R₃(-Ω)表示轨道平面绕参考坐标系z轴转过-Ω，

J_A为星下点经度坐标，J_B为波束中心经度坐标，W_A为星下点纬度坐标，W_B为波束中心纬度坐标。

4.根据权利要求1所述的低轨多波束卫星波束间干扰及用户信道向量确定方法，其特征在于，基于所述天线方向图及各波束对应的相控阵天线的第一时变俯仰角确定波束间干扰及用户信道向量，包括：

基于所述天线方向图及目标波束对应的相控阵天线的第一时变俯仰角确定主波束增益；

基于所述天线方向图及各目标波束的相邻波束对应的相控阵天线的第一时变俯仰角确定各干扰波束增益；

将各干扰波束增益进行叠加得到所述目标波束对应的干扰波束总增益。

5.根据权利要求4所述的低轨多波束卫星波束间干扰及用户信道向量确定方法，其特征在于，所述方法还包括：

计算所述干扰波束总增益与所述主波束增益的比值，基于所述比值确定所述低轨多波束卫星的波束间干扰大小。

6.根据权利要求1所述的低轨多波束卫星波束间干扰及用户信道向量确定方法，其特征在于，基于所述天线方向图及各波束对应的相控阵天线的第一时变俯仰角确定波束间干扰及用户信道向量，包括：

获取用户的经纬度坐标；

基于所述轨道六根数以及所述用户的经纬度坐标计算用户对应的第二时变俯仰角；

基于各所述第一时变俯仰角及第二时变俯仰角计算用户信道向量。

7.根据权利要求6所述的低轨多波束卫星波束间干扰及用户信道向量确定方法，其特征在于，基于各所述第一时变俯仰角及第二时变俯仰角计算用户信道向量，包括：

计算各所述第一时变俯仰角及第二时变俯仰角的差值；

基于所述天线方向图及所述第一时变俯仰角与第二时变俯仰角的差值确定用户在各波束下的增益值；

计算用户和卫星之间的距离；

基于用户和卫星之间的距离以及所述用户在各波束下的增益值计算所述用户信道向量。

8.根据权利要求7所述的低轨多波束卫星波束间干扰及用户信道向量确定方法，其特征在于，用户m在第k个波束下的用户信道值的计算公式为：

其中，

表示卫星和用户m之间的距离；λ表示信号的载波波长；G_R表示接收天线增益；

表示用户m从波束j接收到的增益，S为波束总数量；κ表示常量波耳兹曼常数，其取值为1.380649×10^-23J/K；T_R表示接收机噪声温度；B_W表示信号带宽；θ_m,j表示波束j与用户m之间的相位变化效应，θ_m,j在0～2π之间随机取值。

9.一种低轨多波束卫星波束间干扰及用户信道向量确定系统，该系统包括处理器和存储器，其特征在于，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器用于执行所述存储器中存储的计算机指令，当所述计算机指令被处理器执行时该系统实现如权利要求1至8中任意一项所述方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1至8中任意一项所述方法的步骤。

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