CN115604851A - 一种基于固定截距的大规模卫星星座频率干扰规避方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于固定截距的大规模卫星星座频率干扰规避方法，涉及卫星通信领域，解决了卫星通信系统间同频干扰的问题。本发明方法包括：非静止轨道卫星在初始状态下的波束指向始终指向地心，与非静止轨道卫星通信的地球站位于赤道；在南北纬度上分别设置边界纬度，且赤道位于两条边界纬度之间；当非静止轨道卫星位于两条边界纬度之间时，非静止轨道卫星改变波束指向，指向地轴上的固定截距处，避免非静止轨道卫星和地球站的通信干扰其他卫星和地球站的通信。

Description

一种基于固定截距的大规模卫星星座频率干扰规避方法
技术领域
本发明涉及一种基于固定截距的大规模卫星星座频率干扰规避方法，涉及卫星通信领域。
背景技术
对于非静止轨道卫星星座，由于轨道的特性，卫星会沿着一定角度反复穿越赤道上空，如不采取任何措施，非静止轨道卫星与静止轨道卫星共存的场景下会持续产生共线干扰。
针对非静止轨道卫星星座与静止轨道卫星系统之间可能存在的干扰问题，OneWeb卫星系统提出了基于“Progressive Pitch(渐进俯仰)”的干扰规避控制策略，其基本原理是，当非静止轨道卫星飞越地球低纬度区及赤道的过程中，通过姿态机动调整波束指向，改变卫星信号发射的方向，从而使得非静止轨道卫星工作链路方向与静止轨道工作链路形成一定的空间夹角，从而降低了共线干扰概率，达到了与静止轨道卫星同频干扰规避的目标。OneWeb卫星系统所提该干扰规避方法，在具体操作时，每一颗卫星需要根据实时星下点纬度的不同，调整卫星姿态，在由北向南接近/远离赤道时，会逐渐地向南/北方向倾斜运行，其中，卫星姿态俯仰偏置角度为星下点纬度的函数，如图1所示。非静止轨道卫星在轨默认波束视轴指向地心，当卫星星下点位置进入低纬度地区时(纬度小于30°)，卫星开启姿态机动，通过姿态调整偏置波束视轴，波束由指向地心方向向正北方向偏置时，偏置角度为正值，波束由指向地心方向向正南方向偏置时，角度为负值，最终通过姿态俯仰偏置达到同频共线干扰规避的目的。
以上基于姿态渐进俯仰的干扰规避方案，存在两方面问题：一是控制方案复杂，非静止轨道卫星需实时感知自身星下点纬度，通过对应函数确定姿态偏置角度，最后执行姿态机动完成偏置，全过程计算步骤繁多且复杂；二是该控制方案，对星下点纬度感知精度有较高要求，星下点纬度误差容错范围较小，尤其是穿越低纬度区过程中，星下点纬度的判断偏差会引起较大的目标姿态偏置角度偏差，从而影响干扰规避效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，解决了卫星通信系统间同频干扰的问题。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种基于固定截距的大规模卫星星座频率干扰规避方法，包括：
非静止轨道卫星在初始状态下的波束指向始终指向地心，与非静止轨道卫星通信的地球站位于赤道；
在南北纬度上分别设置边界纬度，且赤道位于两条边界纬度之间；
当非静止轨道卫星位于两条边界纬度之间时，非静止轨道卫星改变波束指向，指向地轴上的固定截距处，避免非静止轨道卫星和地球站的通信干扰其他卫星和地球站的通信。
优选的，非静止轨道卫星采用如下方式中的一种或多种改变波束指向：调整卫星姿态，天线机械旋转，天线电扫描。
优选的，所述固定截距处包括两处，当地心作为地轴原点时，该两处固定截距分别位于原点的两侧。
优选的，当非静止轨道卫星位于北半球且处于两条边界纬度之间时，非静止轨道卫星改变波束指向南半球的固定截距处；反之，非静止轨道卫星改变波束指向北半球的固定截距处。
优选的，根据干扰链路之间空间隔离角度的需求，确定固定截距的值。
优选的，固定截距的确定方法包括：
确定干扰噪声比限值I/Nth；
设定初步固定截距z值，计算干扰噪声比I/N；
当I/N大于I/Nth时，增大初步固定截距z的值，直到I/N小于等于I/Nth。
优选的，干扰噪声比I/N的计算方法为：
Figure BDA0003821521240000031
其中P1为卫星发射功率，G1、G2分别为天线在工作链路对应离轴角度的发射增益及接收增益，λ为工作波长，d为干扰卫星与受扰地面站间星地距离，k为玻尔兹曼常数，T2为接收机噪声温度，W2为接收机工作带宽，π为圆周率。
一种基于固定截距的大规模卫星星座频率干扰规避装置，包括：
边界纬度模块，用于在南北纬度上分别设置边界纬度，且赤道位于两条边界纬度之间；
波束控制模块，当非静止轨道卫星位于两条边界纬度之间时，用于控制非静止轨道卫星改变波束指向，指向地轴上的固定截距处，避免非静止轨道卫星和地球站的通信干扰其他卫星和地球站的通信。
优选的，所述固定截距处包括两处，当地心作为地轴原点时，该两处固定截距分别位于原点的两侧。
优选的，当非静止轨道卫星位于北半球且处于两条边界纬度之间时，波束控制模块改变波束指向南半球的固定截距处；反之，波束控制模块改变波束指向北半球的固定截距处。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)与传统非静止轨道卫星星座干扰规避方法相比，本发明提出的基于天线波束视轴指向固定截距的方法极大简化了干扰规避方案的工程实施难度；
(2)传统基于波束控制的干扰规避方法策略复杂，非静止轨道卫星需要实时感知自身星下点纬度，通过对应函数确定姿态偏置角度，最后执行姿态机动完成偏置，全过程需要频繁与地面控制网络进行交互，计算步骤繁多且复杂；本发明提出的基于固定截距的干扰规避策略仅需要非静止轨道卫星对星下点在南半球还是北半球进行一次判断即可，判断之后即可调整天线波束视轴指向固定截距；
(3)本发明提出的基于固定截距的干扰规避策略可以在非静止轨道卫星设计之初就完成设定、发射后无需修改，非静止轨道卫星星座在轨能够自主运行干扰规避策略，无须再通过地面网络频繁发送控制指令，大幅减少对星座系统控制信令资源的占用，降低星座系统的设计复杂度；
(4)本发明提出的基于固定截距的干扰规避方法对非静止轨道卫星实时轨道参数的误差容忍度较高，只需粗略判别星下点所在半球即可，而传统规避方法对非静止轨道卫星实时轨道参数精度，尤其是星下点所在纬度信息精度有非常高的要求，若纬度信息误差过大，可能会导致错误的干扰规避策略被选择，进而引发对静止轨道卫星的有害干扰；
(5)本发明提出的基于干扰噪声比限值的计算有效截距值的迭代算法，可以根据非静止轨道卫星星座具体构型高效生成固定截距值，有限降低非静止轨道卫星星座对静止轨道卫星系统的干扰信号功率强度，避免对静止轨道卫星造成有害干扰；
(6)本发明提出的通过天线波束视轴指向固定截距的方法，可同时应用于极轨道、倾斜轨道等不同轨道构型的非静止轨道卫星星座对静止轨道卫星的同频干扰规避。
附图说明
图1为OneWeb基于渐进俯仰的干扰规避策略及其对应姿态偏置角度示意图
图2为不加载干扰规避策略时工作模式示意图
图3为基于固定截距的大规模卫星星座频率干扰规避方法示意图
图4为固定截距z值选取流程图
图5为极轨道卫星星座(当固定截距z值等于0km时)工作模式示意图
图6为极轨道卫星星座(当固定截距z值等于0km时)干扰噪声比时域仿真结果
图7为极轨道卫星星座(当固定截距z值等于0km时)累积概率分布结果
图8为极轨道卫星星座(当固定截距z值等于2000km时)工作模式示意图
图9为极轨道卫星星座(当固定截距z值等于2000km时)干扰噪声比时域仿真结果
图10为极轨道卫星星座(当固定截距z值等于2000km时)累积概率分布结果
图11为极轨道卫星星座(当固定截距z值等于4000km时)工作模式示意图
图12为极轨道卫星星座(当固定截距z值等于4000km时)干扰噪声比时域仿真结果
图13为极轨道卫星星座(当固定截距z值等于4000km时)累积概率分布结果
图14为倾斜轨道卫星星座(当固定截距z值等于0km时)工作模式示意图
图15为倾斜轨道卫星星座(当固定截距z值等于0km时)干扰噪声比时域仿真结果
图16为倾斜轨道卫星星座(当固定截距z值等于0km时)累积概率分布结果
图17为倾斜轨道卫星星座(当固定截距z值等于2000km时)工作模式示意图
图18为倾斜轨道卫星星座(当固定截距z值等于2000km时)干扰噪声比时域仿真结果
图19为倾斜轨道卫星星座(当固定截距z值等于2000km时)累积概率分布结果
附图标记：
1-静止轨道卫星
2-非静止轨道卫星
3-赤道
4-中心波束视轴指向
5-受干扰链路
6-链路间隔离角
7-共址地球站
8-地轴
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
实施方式1：
本发明针对卫星通信系统间同频干扰的问题，提出了一种基于固定截距的大规模卫星星座频率干扰规避方法。
图2为不加载任何干扰规避策略的情况下卫星系统的工作模式示意图，其中非静止轨道卫星中心波束视轴均指向地心，地球站-静止轨道卫星间链路为受扰链路，地球站-非静止轨道卫星间链路为干扰链路，假设在全球范围内存在共址地球站(即同一地点既有接入静止轨道卫星地球站，又同时存在接入非静止轨道地球站)，在共址情况下，受扰链路与干扰链路间形成的角度为空间隔离角度。对于高纬度地球站，这一链路间隔离角度较大，即使链路工作在相同频段，产生的同频干扰也相对较小，而对于低纬度地区，链路间隔离角度较小，形成近似共线链路，这种情况下，若链路工作在相同频段，则会产生较大信号干扰，造成通信中断。
图3为本发明所提基于固定截距的大规模卫星星座频率干扰规避方法示意图，图中Z轴为贯穿地球南北极的地轴，指向北极方向为正方向。基于所提方法，非静止轨道卫星需具备通过姿态调整(使用固定波束天线情况下)、天线机械旋转(使用机械可动天线情况下)或电扫描(使用相控阵天线情况下)等方法改变波束指向的能力。当非静止轨道卫星在赤道以北，即北半球时，中心波束视轴指向Z轴固定截距-z点处，相对应，当非静止轨道卫星在赤道以南，即南半球时，通过中心波束视轴指向Z轴固定截距+z点处。加载了提基于固定截距的大规模卫星星座频率干扰规避方法后，固定截距值z越大，则受干扰链路与干扰链路之间空间隔离角度越大，从而使得易产生同频干扰的低纬度地区也可保持较大的空间隔离角度，达到干扰规避的目的。
图4为固定截距z值选取流程图，第一步为依据系统参数指标确定干扰噪声比限值I/Nth，即受保护系统所能承受的最大干扰功率限值。第二步为设定固定截距z值，即非静止轨道系统中心波束固定指向截距值。第三步为计算干扰噪声比I/N，可由以下公式衡量：
Figure BDA0003821521240000071
其中P1为卫星发射功率，G1、G2分别为天线在工作链路对应离轴角度的发射增益及接收增益，λ为工作波长，d为干扰卫星与受扰地面站间星地距离，k为玻尔兹曼常数，T2为接收机噪声温度，W2为接收机工作带宽。由于系统级干扰为集总参数，需对地面站可视空域内所有干扰链路产生的干扰进行求和。
第四步为判断系统级干扰噪声比I/N是否大于干扰噪声比限值I/Nth，是，则依据z＝z+ΔzΔz>0，其中Δz为迭代算法中的截距增量值，增大固定截距z取值，并重复第二部至第四步过程，直至干扰噪声比I/N小于等于干扰噪声比限值I/Nth，则完成固定截距z值选取。
实施例：
对于极轨道卫星，选取Walker星座(N，P，F)参数为(450，15，1)，即星座卫星总数N为450颗，轨道面数P为15个，相位因子F为1。轨道高度h为海拔1150km，倾角为90°。
图5为该极轨道卫星星座(当固定截距z值等于0km时)工作模式示意图，由于中心波束指向偏置为0km，即全部指向地心，则与受干扰链路形成共线干扰概率较大。
设定干扰噪声比限值I/Nth为6％，即-12.2dB。当固定截距z值等于0km时，图6为干扰噪声比时域仿真结果，图7为累积概率分布结果。可以看出，系统级干扰噪声比有约为10％的概率超过了-12.2dB的限值，不符合干扰规避要求。
由于I/N>I/Nth，选取Δz为2000km，将固定截距z值由0km增加为2000km，图8为该极轨道卫星星座(当固定截距z值等于2000km时)工作模式示意图。
当固定截距z值等于2000km时，图9为干扰噪声比时域仿真结果，图10为累积概率分布结果。可以看出，系统级干扰噪声比有约为5％的概率超过了-12.2dB的限值，不符合干扰规避要求。
由于I/N>I/Nth，选取Δz为2000km，将固定截距z值由2000km增加为4000km，图11为该极轨道卫星星座(当固定截距z值等于4000km时)工作模式示意图。
当固定截距z值等于4000km时，图12为干扰噪声比时域仿真结果，图13为累积概率分布结果。可以看出，系统级干扰噪声比I/N<I/Nth，符合干扰规避要求。
对于倾斜轨道卫星，选取Walker星座(N，P，F)参数为(400，20，1)，即星座卫星总数N为400颗，轨道面数P为20个，相位因子F为1。轨道高度h为海拔1150km，倾角为50°。
图14为该倾斜轨道卫星星座(当固定截距z值等于0km时)工作模式示意图，由于中心波束指向偏置为0km，即全部指向地心，则与受干扰链路形成共线干扰概率较大。
设定干扰噪声比限值I/Nth为6％，即-12.2dB。当固定截距z值等于0km时，图15为干扰噪声比时域仿真结果，图16为累积概率分布结果。可以看出，系统级干扰噪声比有约为8％的概率超过了-12.2dB的限值，不符合干扰规避要求。
由于I/N>I/Nth，选取Δz为2000km，将固定截距z值由0km增加为2000km，图17为该倾斜轨道卫星星座(当固定截距z值等于2000km时)工作模式示意图。
当固定截距z值等于2000km时，图18为干扰噪声比时域仿真结果，图19为累积概率分布结果。可以看出，系统级干扰噪声比I/N<I/Nth，符合干扰规避要求。
实施方式2：
一种基于固定截距的大规模卫星星座频率干扰规避装置，包括：
边界纬度模块，用于在南北纬度上分别设置边界纬度，且赤道位于两条边界纬度之间；
波束控制模块，当非静止轨道卫星位于两条边界纬度之间时，用于控制非静止轨道卫星改变波束指向，指向地轴上的固定截距处，避免非静止轨道卫星和地球站的通信干扰其他卫星和地球站的通信。
优选的，所述固定截距处包括两处，当地心作为地轴原点时，该两处固定截距分别位于原点的两侧。
优选的，当非静止轨道卫星位于北半球且处于两条边界纬度之间时，波束控制模块改变波束指向南半球的固定截距处；反之，波束控制模块改变波束指向北半球的固定截距处。
优选的，根据干扰链路之间空间隔离角度的需求，确定固定截距的值。
优选的，固定截距的确定方法包括：
确定干扰噪声比限值I/Nth；
设定初步固定截距z值，计算干扰噪声比I/N；
当I/N大于I/Nth时，增大初步固定截距z的值，直到I/N小于等于I/Nth。
优选的，干扰噪声比I/N的计算方法为：
Figure BDA0003821521240000091
其中P1为卫星发射功率，G1、G2分别为天线在工作链路对应离轴角度的发射增益及接收增益，λ为工作波长，d为干扰卫星与受扰地面站间星地距离，k为玻尔兹曼常数，T2为接收机噪声温度，W2为接收机工作带宽，π为圆周率。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于固定截距的大规模卫星星座频率干扰规避方法，其特征在于，包括：
非静止轨道卫星在初始状态下的波束指向始终指向地心，与非静止轨道卫星通信的地球站位于赤道；
在南北纬度上分别设置边界纬度，且赤道位于两条边界纬度之间；
当非静止轨道卫星位于两条边界纬度之间时，非静止轨道卫星改变波束指向，指向地轴上的固定截距处，避免非静止轨道卫星和地球站的通信干扰其他卫星和地球站的通信。
2.根据权利要求1所述的频率干扰规避方法，其特征在于，非静止轨道卫星采用如下方式中的一种或多种改变波束指向：调整卫星姿态，天线机械旋转，天线电扫描。
3.根据权利要求1所述的频率干扰规避方法，其特征在于，所述固定截距处包括两处，当地心作为地轴原点时，该两处固定截距分别位于原点的两侧。
4.根据权利要求3所述的频率干扰规避方法，其特征在于，当非静止轨道卫星位于北半球且处于两条边界纬度之间时，非静止轨道卫星改变波束指向南半球的固定截距处；反之，非静止轨道卫星改变波束指向北半球的固定截距处。
5.根据权利要求1所述的频率干扰规避方法，其特征在于，根据干扰链路之间空间隔离角度的需求，确定固定截距的值。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的频率干扰规避方法，其特征在于，固定截距的确定方法包括：
确定干扰噪声比限值I/Nth；
设定初步固定截距z值，计算干扰噪声比I/N；
当I/N大于I/Nth时，增大初步固定截距z的值，直到I/N小于等于I/Nth。
7.根据权利要求6所述的频率干扰规避方法，其特征在于，干扰噪声比I/N的计算方法为：
Figure FDA0003821521230000021
其中P1为卫星发射功率，G1、G2分别为天线在工作链路对应离轴角度的发射增益及接收增益，λ为工作波长，d为干扰卫星与受扰地面站间星地距离，k为玻尔兹曼常数，T2为接收机噪声温度，W2为接收机工作带宽，π为圆周率。
8.一种基于固定截距的大规模卫星星座频率干扰规避装置，其特征在于，包括：
边界纬度模块，用于在南北纬度上分别设置边界纬度，且赤道位于两条边界纬度之间；
波束控制模块，当非静止轨道卫星位于两条边界纬度之间时，用于控制非静止轨道卫星改变波束指向，指向地轴上的固定截距处，避免非静止轨道卫星和地球站的通信干扰其他卫星和地球站的通信。
9.根据权利要求8所述的频率干扰规避装置，其特征在于，所述固定截距处包括两处，当地心作为地轴原点时，该两处固定截距分别位于原点的两侧。
10.根据权利要求8所述的频率干扰规避装置，其特征在于，当非静止轨道卫星位于北半球且处于两条边界纬度之间时，波束控制模块改变波束指向南半球的固定截距处；反之，波束控制模块改变波束指向北半球的固定截距处。
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Title
靳瑾等: "全球动态场景下非静止轨道通信星座干扰发生概率和系统可用性", 清华大学学报（自然科学版）, vol. 58, no. 9, 30 September 2018 (2018-09-30), pages 834 - 840 *
靳瑾等: "全球动态场景下非静止轨道通信星座干扰发生概率和系统可用性", 清华大学学报（自然科学版）, vol. 58, no. 9, pages 834 - 840 *

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