CN116112056B - 一种基于地面站俯仰方位角度划分的频率干扰规避方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于地面站俯仰方位角度划分的频率干扰规避方法，将任意地面站可视空域以正六边形为网格划为更小的小区单元，小区单元之间紧密排列，各区域中心呈三角形排布，方位角0°表示正北方向，90°表示正东方向，180°表示正南方向，极轴长度表示仰角范围，坐标中心点表示地面站正上方，即仰角为90°。本发明中，通信链路使用频率相同的两个卫星星座系统，若服务于同一地区，将存在较大概率的同频干扰，通过本申请中的频率干扰规避方法，可有效降低干扰概率，从地面站的角度实施干扰规避策略，避免增加卫星星座体制协议的复杂性，工程上更易实现。

Description

一种基于地面站俯仰方位角度划分的频率干扰规避方法
技术领域
本发明涉及卫星星座技术领域，尤其涉及一种基于地面站俯仰方位角度划分的频率干扰规避方法。
背景技术
近年来，随着卫星互联网技术的飞速发展，Starlink和OneWeb等非静止轨道卫星星座纷纷涌现，单个星座规模已达到数千颗甚至数万颗卫星量级。由于空间频率轨道资源有限，在大规模卫星星座系统快速部署及全球商业航天不断发展的情况下，未来必然会面临频率轨道资源愈发紧张，形成多星近轨、多星共频等局面，导致严重的频率干扰问题，影响通信卫星系统的正常使用。因此，系统开展卫星星座系统的频率干扰规避策略设计，形成标准的干扰分析方法及干扰协调机制已迫在眉睫。然而，目前国内外针对卫星星座系统之间频率干扰规避方法的相关研究还处于初级阶段，缺乏成熟可行的解决方案。
国际电信联盟(ITU)对卫星星座与静止轨道卫星之间的同频兼容共存提出了明确的要求，以设置空间隔离角为代表的对静止轨道卫星系统的干扰规避方法也已经广泛应用于卫星星座系统设计和ITU卫星网络申报的合规验证中。然而，由于卫星星座之间的干扰规避方法及频轨资源协调机制的研究进度远远滞后于SpaceX、OneWeb等优势航天企业的部署速度，所以目前ITU没有发布星座系统之间同频共用以及干扰规避方法，仅原则上要求按照“先登先占”管理，后申请卫星网络的操作者需与先申请卫星网络的操作者完成频率协调。由于缺少成熟可行的干扰规避方法，导致卫星星座操作者之间的协调缺少基线和标准，往往无法高效开展协商，特别是在大型优先卫星星座与后发小型卫星星座之间，通常不能达成合理有效的频率兼容共存方案，最终造成对后发小型星座发展的资源限制，无法最大化地实现频率轨道资源优化利用。
实用新型内容
本发明的目的在于：为了解决上述问题，而提出的一种基于地面站俯仰方位角度划分的频率干扰规避方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于地面站俯仰方位角度划分的频率干扰规避方法，包括一种基于地面站俯仰方位角度划分的频率干扰规避方法，将任意地面站可视空域以正六边形为网格划为更小的小区单元，小区单元之间紧密排列，各区域中心呈三角形排布，方位角0°表示正北方向，90°表示正东方向，180°表示正南方向，极轴长度表示仰角范围，坐标中心点表示地面站正上方，即仰角为90°，所述方法包括以下步骤：
S1.设置地面站可视空域范围及小区半径Rcell，其中小区半径Rcell需大于施扰星座系统地面终端天线主瓣半波束角；
S2.设置隔离空域，其中俯仰角初始划分范围Ele、方位角初始划分范围Azi；
S3.设置隔离空域划分后卫星最小期望值Emin；
S4.计算设置隔离空域后卫星期望值E；
S5.判断星座设置隔离空域后卫星期望值E与最小期望值Emin的关系，若E小于卫星最小期望值Emin，则继续判断俯仰划分范围是否可调，是则调整俯仰角划分范围，公式为Ele＝Ele+ΔEle，否则调整方位角划分范围，公式为Azi＝Azi+ΔAzi，并将调整后参数输入第二步参数设置；
S6.若星座设置隔离空域后卫星期望值E大于等于最小期望值Emin，则完成了基于地面站俯仰方位角度联合划分的干扰规避设计。
优选地，设所述某卫星运行在轨道半径为R、倾角为δ的圆形轨道上，若卫星轨道周期与地球自转周期互质，则卫星轨迹将逐步遍历半径为R的截断球面，形成轨道壳，该轨道壳上的卫星位置可用星下点经度ψ和纬度表示，由于围绕地球极轴的自转具有对称性，所以卫星轨道壳的经度将均匀分布，但是，卫星所处纬度的概率，与其运行轨道倾角相关，运行于圆轨道的卫星位置矢量如下式所示：
其中τ为服从[0,1]均匀分布的随机变量；
即
公式(3)中存在两个解，分别对应运行中卫星星下点纬度增大和纬度减小的两种情况，因此卫星位于纬度区间内的概率为：
则卫星在纬度方向的概率密度为：
由于卫星在轨道壳经度方向均匀分布，所以，概率密度函数可由下式表示：
优选地，所述步骤S4中计算设置隔离空域后卫星期望值E的具体方法为：计算卫星出现在小区Ci中的概率为：
其中，为小区单元中心点对应的卫星概率密度，AC为地面站可见空域小区单元的球面积，单位为rad2，若可视空域小区为圆形，则球面积AC由可视空域圆形小区半径Rcell决定，当卫星总数为N时，对某一确定地面站，其可视空域小区Ci内，卫星期望值为：
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本申请中，通信链路使用频率相同的两个卫星星座系统，若服务于同一地区，将存在较大概率的同频干扰，通过本申请中的频率干扰规避方法，可有效降低干扰概率。
2、本申请中，从地面站的角度实施干扰规避策略，避免增加卫星星座体制协议的复杂性，工程上更易实现。
3、本申请中，只需对地面站可视空间从俯仰和方位角度进行联合划分，避免在时域直接评估星地时变链路之间的干扰程度，有效降低了干扰规避算法的复杂度。
4、本申请中，对空域进行划分后，通过计算卫星在特定空域出现的期望值，可验证星座系统通信能力在设置规避策略后仍然维持在一定水平，能够确保干扰规避策略的实施不影响两个星座系统各自连续通信的需求。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例提供的地面用户可视空域示意图；
图2示出了根据本发明实施例提供的非静止轨道卫星轨道壳示意图；
图3示出了根据本发明实施例提供的倾角为45°时卫星概率密度函数；
图4示出了根据本发明实施例提供的实施步骤流程图；
图5示出了根据本发明实施例提供的空域划分参数示意图；
图6示出了根据本发明实施例提供的当俯仰角划分范围Ele＝50°、方位角划分范围Azi＝60°划分空域；
图7示出了根据本发明实施例提供的星座A卫星出现期望值分布示意图；
图8示出了根据本发明实施例提供的星座B卫星出现期望值分布示意图；
图9示出了根据本发明实施例提供的当俯仰角划分范围Ele＝50°、方位角划分范围Azi＝120°划分空域；
图10示出了根据本发明实施例提供的当俯仰角划分范围Ele＝50°、方位角划分范围Azi＝180°划分空域；
图11示出了根据本发明实施例提供的当俯仰角划分范围Ele＝50°、方位角划分范围Azi＝240°划分空域；
图12示出了根据本发明实施例提供的当俯仰角划分范围Ele＝50°、方位角划分范围Azi＝300°划分空域；
图13示出了根据本发明实施例提供的当俯仰角划分范围Ele＝50°、方位角划分范围Azi＝360°划分空域；
图14示出了根据本发明实施例提供的当俯仰角划分范围Ele＝30°、方位角划分范围Azi＝360°划分空域；
图15示出了根据本发明实施例提供的当俯仰角划分范围Ele＝30°、方位角划分范围Azi＝360°划分空域；
图16示出了根据本发明实施例提供的当俯仰角划分范围Ele＝30°、方位角划分范围Azi＝240°划分空域。
具体实施方式
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-16，本发明提供一种技术方案：
一种基于地面站俯仰方位角度划分的频率干扰规避方法，包括一种基于地面站俯仰方位角度划分的频率干扰规避方法，将任意地面站可视空域以正六边形为网格划为更小的小区单元，小区单元之间紧密排列，各区域中心呈三角形排布，方位角0°表示正北方向，90°表示正东方向，180°表示正南方向，极轴长度表示仰角范围，坐标中心点表示地面站正上方，即仰角为90°，设某卫星运行在轨道半径为R、倾角为δ的圆形轨道上，若卫星轨道周期与地球自转周期互质，则卫星轨迹将逐步遍历半径为R的截断球面，形成轨道壳，该轨道壳上的卫星位置可用星下点经度ψ和纬度表示，由于围绕地球极轴的自转具有对称性，所以卫星轨道壳的经度将均匀分布，但是，卫星所处纬度的概率，与其运行轨道倾角相关，运行于圆轨道的卫星位置矢量如下式所示：
其中τ为服从[0,1]均匀分布的随机变量；
即
公式(3)中存在两个解，分别对应运行中卫星星下点纬度增大和纬度减小的两种情况，因此卫星位于纬度区间内的概率为：
则卫星在纬度方向的概率密度为：
由于卫星在轨道壳经度方向均匀分布，所以，概率密度函数可由下式表示：
图3展示了倾角为45°的圆形轨道面上卫星的概率密度函数，其在南北纬大于45°区域概率密度为0；在小于等于45°的区域，赤道上空卫星概率密度最低，随纬度增加，概率密度单调递增；
地面站T与其可视空域小区Ci的几何关系如图2所示，计算卫星出现在小区Ci中的概率为：
其中，为小区单元中心点对应的卫星概率密度，AC为地面站可见空域小区单元的球面积，单位为rad2，若可视空域小区为圆形，则球面积AC由可视空域圆形小区半径Rcell决定，当卫星总数为N时，对某一确定地面站，其可视空域小区Ci内，卫星期望值为：
方法包括以下步骤：
S1.设置地面站可视空域范围及小区半径Rcell，其中小区半径Rcell需大于施扰星座系统地面终端天线主瓣半波束角；
S2.设置隔离空域，其中俯仰角初始划分范围Ele、方位角初始划分范围Azi；
S3.设置隔离空域划分后卫星最小期望值Emin；
S4.计算设置隔离空域后卫星期望值E；
S5.判断星座设置隔离空域后卫星期望值E与最小期望值Emin的关系，若E小于卫星最小期望值Emin，则继续判断俯仰划分范围是否可调，是则调整俯仰角划分范围，公式为Ele＝Ele+ΔEle，否则调整方位角划分范围，公式为Azi＝Azi+ΔAzi，并将调整后参数输入第二步参数设置；
S6.若星座设置隔离空域后卫星期望值E大于等于最小期望值Emin，则完成了基于地面站俯仰方位角度联合划分的干扰规避设计。
上述步骤中提到的空域划分相关参数如图5所示，包括最小预划分区域半径Rcell，即所划分正六边形的网格边长；俯仰角划分范围Ele；方位角划分范围Azi。
具体的，考虑星座A(delta型星座)与星座B(star型星座)间干扰规避策略设计，两星座均在轨道参数如表1所示。
表1非静止轨道通信星座轨道参数
星座A为倾斜轨道星座，主要服务纬度小于60°的区域，星座B为近极轨道星座，主要服务区为极区，次要服务区为中低纬度区域，两星座在纬度小于60°的区域覆盖重叠，存在同频干扰风险，以下采用地面站俯仰方位角度联合划分的干扰规避方法设计规避方案。
S1.将最小可视空域小区半径Rcell设置为5°；
S2.设置俯仰角划分初始范围Ele＝50°、方位角划分初始范围Azi＝60°，隔离空域初始划分结果如图6所示，星座A地面站可接入白色空域，星座B地面站可接入灰色空域，通过空域划分隔离地面站天线波束指向，降低同频干扰概率；
S3.设置划分隔离空域后卫星最小期望值Emin＝1，即两个卫星星座系统在各自划分的空域内卫星期望值为1；
S4.利用公式9，计算星座设置隔离空域后卫星期望值E。图7和图8分别给出了星座A和星座B的卫星出现期望值分布示意图，卫星期望值E即两系统期望值分布在各自划分空域内的积分值；
S5.判断星座设置隔离空域后卫星期望值E与最小期望值Emin的关系，若E小于卫星最小期望值Emin，则继续判断俯仰划分范围是否可调，假设俯仰角不可调，则增大方位角划分范围，公式为Azi＝Azi+ΔAzi，其中，ΔAzi＝60°，则更新后空域划分参数为Ele＝50°、Azi＝120°，如图9所示；
重复步骤S2-S5，判断星座设置隔离空域后卫星期望值E是否小于卫星最小期望值Emin，若是，则继续判断俯仰划分范围是否可调，假设俯仰角不可调，则增大方位角划分范围，公式为Azi＝Azi+ΔAzi，其中，ΔAzi＝60°，则更新后空域划分参数为Ele＝50°、Azi＝180°，如图10所示。
进一步增加方位角划分范围至240度、300°及360°，隔离空域划分范围如图11至图13所示。
实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种基于地面站俯仰方位角度划分的频率干扰规避方法，其特征在于，将任意地面站可视空域以正六边形为网格划为更小的小区单元，小区单元之间紧密排列，各区域中心呈三角形排布，方位角0°表示正北方向，90°表示正东方向，180°表示正南方向，极轴长度表示仰角范围，坐标中心点表示地面站正上方，即仰角为90°，所述方法包括以下步骤：
S1.设置地面站可视空域范围及小区半径Rcell，其中小区半径Rcel l需大于施扰星座系统地面终端天线主瓣半波束角；
S2.设置隔离空域，其中俯仰角初始划分范围Ele、方位角初始划分范围Azi；
S3.设置隔离空域划分后卫星最小期望值Emin；
S4.计算设置隔离空域后卫星期望值E；
S5.判断星座设置隔离空域后卫星期望值E与最小期望值Emin的关系，若E小于卫星最小期望值Emin，则继续判断俯仰划分范围是否可调，是则调整俯仰角划分范围，公式为Ele＝Ele+ΔEle，否则调整方位角划分范围，公式为Azi＝Azi+ΔAzi，并将调整后参数输入第二步参数设置；
S6.若星座设置隔离空域后卫星期望值E大于等于最小期望值Emin，则完成了基于地面站俯仰方位角度联合划分的干扰规避设计。
2.根据权利要求1所述的一种基于地面站俯仰方位角度划分的频率干扰规避方法，其特征在于，设所述某卫星运行在轨道半径为R、倾角为δ的圆形轨道上，若卫星轨道周期与地球自转周期互质，则卫星轨迹将逐步遍历半径为R的截断球面，形成轨道壳，该轨道壳上的卫星位置可用星下点经度ψ和纬度表示，由于围绕地球极轴的自转具有对称性，所以卫星轨道壳的经度将均匀分布，但是，卫星所处纬度的概率，与其运行轨道倾角相关，运行于圆轨道的卫星位置矢量如下式所示：
其中τ为服从[0,1]均匀分布的随机变量；
即
公式(3)中存在两个解，分别对应运行中卫星星下点纬度增大和纬度减小的两种情况，因此卫星位于纬度区间内的概率为：
则卫星在纬度方向的概率密度为：
由于卫星在轨道壳经度方向均匀分布，所以，概率密度函数可由下式表示：
3.根据权利要求2所述的一种基于地面站俯仰方位角度划分的频率干扰规避方法，其特征在于，所述步骤S4中计算设置隔离空域后卫星期望值E的具体方法为：计算卫星出现在小区Ci中的概率为：
其中，为小区单元中心点对应的卫星概率密度，AC为地面站可见空域小区单元的球面积，单位为rad2，若可视空域小区为圆形，则球面积AC由可视空域圆形小区半径Rcell决定，当卫星总数为N时，对某一确定地面站，其可视空域小区Ci内，卫星期望值为：
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