CN116232414B - 面向星载相控阵天线的干扰规避波控策略仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了面向星载相控阵天线的干扰规避波控策略仿真方法，该方法包括：进行全球网格化处理，计算每个仿真时刻某NGSO卫星的覆盖区域，得到覆盖区域的地面网格点；对某GSO卫星弧段进行网格化，得到多个GSO网格点，并行计算每个仿真时刻该NGSO卫星波束在指向每个地面网格点时，每个地面网格点接收波束指向每个GSO网格点时受到NGSO卫星主瓣的单入干扰；按照地面网格点，整合每个仿真时刻该NGSO卫星指向某个地面网格点时，NGSO卫星旁瓣对于其他所有地面网格点的单入干扰结果；聚合得到每个仿真时刻该NGSO卫星覆盖区域内每个地面网格点的干扰结果，基于超限逻辑算法确定通信状态并采取干扰规避策略以缓解干扰。

Description

面向星载相控阵天线的干扰规避波控策略仿真方法

技术领域

本发明涉及卫星星座干扰规避技术领域，特别涉及面向星载相控阵天线的干扰规避波控策略仿真方法。

背景技术

由于空间频轨资源有限，空间信息网络及全球商业航天的不断发展，以及巨型星座系统的大量部署，空间频率轨道资源竞争愈发激烈，形成多星共轨、多星共频的发展局面，通信频带变得愈加拥挤，从而造成严重的通信干扰，甚至使现有的高轨GSO卫星系统无法正常使用。因此，针对NGSO卫星系统，提出合理且可行的干扰规避措施，既保证NGSO大规模互联网星座的业务用频，又保护GSO卫星系统的正常使用成为当前的研究热点。

目前，主要的干扰规避策略主要有空间隔离、时域隔离、极化隔离、功率控制，以及频域隔离等几种主要的方式，NGSO卫星系统干扰规避策略目的是降低或消除对于GSO卫星系统的干扰，本质是对链路若干基本参数的动态调整，或者改变了链路的通断或起点/终点(对应了空间角度隔离)，或者改变了链路的辐射能量(对应了调整发射功率)，或者改变了链路的承载频率(对应了调整使用频率)。这些动态调整的触发和映射逻辑不同，就对应了不同的干扰规避策略。其中，空间隔离与时域隔离主要是通过调整卫星姿态、波束指向等以改变星座运行规划(改变建链关系)以达到干扰规避的目的，仅OneWeb的“俯仰渐进”策略，提出了切实可行的操作方案，在干扰隔离角度分析与干扰规避操作实施上仍缺乏通用的分析模型与操作方案。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，针对近年来在低轨卫星星座领域有广泛应用的相控阵天线，提出了一种面向星载相控阵天线的高低轨卫星系统间干扰规避波控策略仿真模型与展示方法，为低轨星座系统干扰规避策略设计与系统优化提供技术支撑。

为了实现上述目的，本发明提出了一种面向星载相控阵天线的干扰规避波控策略仿真方法，所述方法包括：

步骤s1)对地球进行全球网格化处理，计算未来设定时长内的每个仿真时刻某NGSO卫星的覆盖区域，得到覆盖区域的地面网格点；

步骤s2)对某GSO卫星弧段进行网格化，得到多个GSO网格点，并行计算每个仿真时刻该NGSO卫星波束在指向每个地面网格点时，每个地面网格点接收波束指向每个GSO网格点时受到NGSO卫星主瓣的单入干扰；

步骤s3)按照地面网格点，整合每个仿真时刻该NGSO卫星指向某个地面网格点时，NGSO卫星旁瓣对于其他所有地面网格点的单入干扰结果；

步骤s4)对步骤s2)和s3)的单入干扰进行聚合，得到每个仿真时刻该NGSO卫星覆盖区域内的每个地面网格点的干扰结果，基于超限逻辑算法确定该地面网格点的通信状态，进而遍历所有GSO网格点，确定所有地面网格点的通信状态；

步骤s5)根据步骤s4)的通信状态，采取干扰规避策略以缓解干扰。

作为上述方法的一种改进，所述步骤s1)包括：

按照设定的经纬度分辨率对地球进行全球网格化处理；

根据指定NGSO卫星的轨道位置参数(x_s,y_s,z_s)，计算未来设定时长内的每个仿真时刻该NGSO卫星的覆盖区域，得到覆盖区域的地面网格点。

作为上述方法的一种改进，所述步骤s2)包括：

遍历每个仿真时刻，并行计算该仿真时刻，地面网格点i，在NGSO卫星指向地面网格点p，且地面网格点i的GSO地面站接收天线指向GSO网格点g时，受到NGSO卫星主瓣的单入干扰，所述单入干扰包括：信噪比I/N、干扰门限指标△T/T和隔离角θ。

作为上述方法的一种改进，所述干扰门限指标△T/T满足下式：

其中，P_tns0为NGSO卫星发射功率谱密度，单位为dBW/Hz；G_tns为NGSO卫星天线发射增益，单位为dBi；G_rgs(θ)为GSO卫星地面站在离隔离角为θ时的离轴增益，单位为dBi；T_eg为GSO卫星系统地面站噪声温度，单位为K；λ为通信波长，单位为m；d_D为NGSO下行干扰信号传播距离，单位为m。

作为上述方法的一种改进，所述步骤s4)具体包括：

遍历每个仿真时刻，针对每个地面网格点，将所有NGSO波束指向下的主瓣单入干扰和旁瓣单入干扰数据进行聚合，得到每个仿真时刻每个地面网格点的干扰结果；

根据干扰结果中的干扰门限指标△T/T进行判断，若ΔT/T≥6％，则针对NGSO卫星x，在仿真时刻z时，地面网格点i为超限点，通信状态s(i,x,z)＝0，否则为非超限点，通信状态s(i,x,z)＝1。

作为上述方法的一种改进，所述步骤s5)的干扰规避策略具体包括：通过调整卫星姿态或改变波束指向使得隔离角变化，进而使得对应的干扰门限指标ΔT/T＜6％

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明利用全球及同步轨道网格化的分析方法，简化了全球地面站撒点建模仿真方法，并且对干扰结果的遍历覆盖更有效；

2、本发明利用地面网格点对应星载相控阵天线的波控指向，简化了相控阵天线的建模方法；

3、本发明通过干扰指标的评估，进而反映至相控阵波控调整策略，取代了之前干扰规避利用隔离角进行分析的模式，对于工程实际可操作性有比较大的参考意义；

4、本发明的方法为低轨星座系统干扰规避策略设计与系统优化提供技术支撑；

5、本发明的方法为低轨卫星相控阵天线波控策略提供分析方法；

6、本发明的方法为大规模星座并行快速验证干扰规避策略提供理论依据。

附图说明

图1是上行场景示意图；

图2是下行场景示意图；

图3是单点干扰分析场景示意图；

图4是NGSO在覆盖范围内的对不同GSO网格点的单入干扰示意图；

图5是计算地面网格点单入干扰结果的流程示意图；

图6是根据地面网格点的单入干扰结果得到网格点通信状态的流程示意图；

图7是仿真示意图；其中图7(a)、7(b)、7(c)、7(d)和7(e)分别展示了每个时刻NGSO在覆盖区域内超限通信状态的变化过程。

具体实施方式

1.分析模型

1.1.隔离角

上行隔离角如图1所示。考虑卫星系统2对卫星系统1(GSO卫星)的干扰，当两个系统的上行工作链路存在频段重叠时，地球站2的部分发射功率会被卫星1的接收天线捕获，形成了“地球站2-卫星1”的干扰链路。其中，θ₂即卫星2上行链路相对与卫星1(GSO)的隔离角，

下行干扰场景与上行干扰场景类似。如图2所示，考虑卫星系统2对卫星系统1(GSO)的干扰，当两个系统的下行工作链路存在频段重叠时，卫星2的部分发射功率会被地球站1的接收天线捕获，形成了“卫星2-地球站1(GSO卫星地面站)”的干扰链路。由图2所示，θ₄为卫星2对于卫星1地面站的隔离角度。

地固系下，地球站1与卫星1、卫星2形成向量地球站2与卫星1、卫星2形成向量/>上下行隔离角计算如下：

1.2.干扰评价标准

根据国际电联的相关规定，受扰系统接收端干扰噪声比不得超过-12.2dB或ΔT/T不超过6％，考虑GSO系统与NGSO系统最大干扰场景，即GSO与NGSO地面站同一部署地址下进行分析，场景如图3所示，其中，θ为上下行链路隔离角度，d_U为上行干扰链路距离，d_D为下行干扰链路距离。如图3所示。

以下行场景ΔT/T为例，计算分析如下：

其中，P_tns0为NGSO系统卫星发射功率谱密度，单位：dBW/Hz；G_tns为NGSO卫星天线发射增益，单位：dBi；G_rgs(θ)为GSO卫星地面站在离轴角为θ时的离轴增益，单位dBi；T_eg为GSO卫星系统地面站噪声温度，单位：K；λ为通信波长，单位：m；d_D为NGSO下行干扰信号传播距离，单位：m。

(1)对于GSO卫星地面站与NGSO卫星地面站天线方向图以电联建议书REC.S-580为标准，其方向图模型为如下：

当D/λ≥50:

for/>

G＝G₁ for

for/>

for/>

G＝-10for

当D/λ＜50:

for/>

G＝G₁ for

for/>

G＝10-10log(D/λ)for

(2)对于GSO卫星区域赋形波束方向图一般由离轴-增益分段函数等效，其方向图模型如下：

x为地面点指向GSO卫星天线仰角，小于XN为不可视，增益等效为0dBi，X1、X2……XN为角度区间，随着仰角不断降低，天线增益不断减小。

(3)NGSO星载相控阵天线防线图以电联建议书REC.S-1528为标准，其方向图模型如下：

其中，φ为天线偏(离)轴角，G(φ)为在偏轴角φ上的天线增益；G_m为天线峰值增益，单位dBi，计算公式为：

上式中的，D为天线口径，单位m；λ为天线波长，单位m；φ_b为3dB波束宽度的一半；z为天线轴比，圆极化天线的轴比取1；L_N为相对于系统设计所要求峰值增益的近轴旁瓣电平(dB)，涉及参数可参考下表1；L_F为远旁瓣电平,可取值0dBi(理想情况下)。

表1 LN和a,b,α的计算

采取空间隔离的干扰规避策略的本质即通过调整隔离角θ以达到干扰缓解的目的，实际NGSO卫星在轨操作可通过调整卫星姿态或改变波束指向等方式。对于NGSO星载相控阵天线来说，即通过干扰最大化分析，调整其波控策略，使其在运行的任意时刻，使ΔT/T最大不超过干扰限值6％，同时，所对应的θ为最小隔离角度。

1.3.干扰分析与计算模型

波控策略的主要目的是对NGSO卫星相共振天线仰角覆盖下的地区进行干扰计算，对干扰超限地区对应下行波束进行控制的策略。

每个时刻操作流程如下：

步骤s1)对地球进行全球网格化处理，计算未来设定时长内的每个仿真时刻某NGSO卫星的覆盖区域，得到覆盖区域的地面网格点；

步骤s2)对某GSO卫星弧段进行网格化，得到多个GSO网格点，并行计算每个仿真时刻该NGSO卫星波束在指向每个地面网格点时，每个地面网格点接收波束指向每个GSO网格点时受到NGSO卫星主瓣的单入干扰；如图4所示。

步骤s3)按照地面网格点，整合每个仿真时刻该NGSO卫星指向某个地面网格点时，NGSO卫星旁瓣对于其他所有地面网格点的单入干扰结果；

步骤s4)对步骤s2)和s3)的单入干扰进行聚合，得到每个仿真时刻该NGSO卫星覆盖区域内的每个地面网格点的干扰结果，基于超限逻辑算法确定该地面网格点的通信状态，进而遍历所有GSO网格点，确定所有地面网格点的通信状态；如图5所示。

步骤s5)根据步骤s4)的通信状态，采取干扰规避策略以缓解干扰。如图6所示。

表2相关变量含义

因此，面向星载相控阵天线干扰规避波控策略仿真方法算法流程如下所示：

表3面向星载相控阵天线干扰规避波控策略仿真方法(下行)

上行链路的判断方法与上述同理。

2.干扰规避波控策略可视化展示

为形象直观的展示出某仿真时刻下，每个NGSO卫星波控策略，通过播放点选NGSO的形式，展示出所选NGSO卫星在仰角覆盖下的各网格点状态值。

仿真分析结果如下所示。

3.干扰规避波控策略可视化展示

为形象直观的展示出某仿真时刻下，每个NGSO卫星波控策略，通过播放点选NGSO的形式，展示出所选NGSO卫星在仰角覆盖下的各网格点状态值。

仿真分析结果如图7(a)、图7(b)、图7(c)、图7(d)、图7(e)所示，上述图展示了每个时刻NGSO在覆盖区域内超限通信状态的变化过程。

此外，通过播放控件，控制仿真时间流，完成播放、暂停、加速，重播，时间选择等操作。

通过环形，展示NGSO仰角覆盖区域；

通过网格点的颜色或灰度值，展示NGSO覆盖下的网格点状态值；

通过表格，展示各网格点干扰统计项I(i)，网格点经纬度、I/N最大值、△T/T最大值、最小隔离角、超限最大隔离角等内容。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例

本发明的实施例提出了一种面向星载相控阵天线的干扰规避波控策略仿真方法，所述方法包括：

步骤s1)对地球进行全球网格化处理，计算未来设定时长内的每个仿真时刻某NGSO卫星的覆盖区域，得到覆盖区域的地面网格点；具体包括：

按照设定的经纬度分辨率对地球进行全球网格化处理；

根据指定NGSO卫星的轨道位置参数(x_s,y_s,z_s)，计算未来设定时长内的每个仿真时刻该NGSO卫星的覆盖区域，得到覆盖区域的地面网格点。

步骤s2)对某GSO卫星弧段进行网格化，得到多个GSO网格点，并行计算每个仿真时刻该NGSO卫星波束在指向每个地面网格点时，每个地面网格点接收波束指向每个GSO网格点时受到NGSO卫星主瓣的单入干扰；具体包括：

遍历每个仿真时刻，并行计算该仿真时刻，地面网格点i，在NGSO卫星指向地面网格点p，且地面网格点i的GSO地面站接收天线指向GSO网格点g时，受到NGSO卫星主瓣的单入干扰，所述单入干扰包括：信噪比I/N、干扰门限指标△T/T和隔离角θ。

干扰门限指标△T/T满足下式：

其中，P_tns0为NGSO卫星发射功率谱密度，单位为dBW/Hz；G_tns为NGSO卫星天线发射增益，单位为dBi；G_rgs(θ)为GSO卫星地面站在离隔离角为θ时的离轴增益，单位为dBi；T_eg为GSO卫星系统地面站噪声温度，单位为K；λ为通信波长，单位为m；d_D为NGSO下行干扰信号传播距离，单位为m。

步骤s3)按照地面网格点，整合每个仿真时刻该NGSO卫星指向某个地面网格点时，NGSO卫星旁瓣对于其他所有地面网格点的单入干扰结果；

步骤s4)对步骤s2)和s3)的单入干扰进行聚合，得到每个仿真时刻该NGSO卫星覆盖区域内的每个地面网格点的干扰结果，基于超限逻辑算法确定该地面网格点的通信状态，进而遍历所有GSO网格点，确定所有地面网格点的通信状态；具体包括：

遍历每个仿真时刻，针对每个地面网格点，将所有NGSO波束指向下的主瓣单入干扰和旁瓣单入干扰数据进行聚合，得到每个仿真时刻每个地面网格点的干扰结果；

根据干扰结果中的干扰门限指标△T/T进行判断，若ΔT/T≥6％，则针对NGSO卫星x，在仿真时刻z时，地面网格点i为超限点，通信状态s(i,x,z)＝0，否则为非超限点，通信状态s(i,x,z)＝1。

步骤s5)根据步骤s4)的通信状态，采取干扰规避策略以缓解干扰，具体是：

通过调整卫星姿态或改变波束指向使得隔离角变化，进而使得对应的干扰门限指标ΔT/T＜6％。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种面向星载相控阵天线的干扰规避波控策略仿真方法，所述方法包括：

步骤s1)对地球进行全球网格化处理，计算未来设定时长内的每个仿真时刻某NGSO卫星的覆盖区域，得到覆盖区域的地面网格点；

步骤s2)对某GSO卫星弧段进行网格化，得到多个GSO网格点，并行计算每个仿真时刻该NGSO卫星波束在指向每个地面网格点时，每个地面网格点接收波束指向每个GSO网格点时受到NGSO卫星主瓣的单入干扰；所述单入干扰包括：信噪比I/N、干扰门限指标△T/T和隔离角θ；

步骤s3)按照地面网格点，整合每个仿真时刻该NGSO卫星指向某个地面网格点时，NGSO卫星旁瓣对于其他所有地面网格点的单入干扰结果；

步骤s4)对步骤s2)和s3)的单入干扰进行聚合，得到每个仿真时刻该NGSO卫星覆盖区域内的每个地面网格点的干扰结果，基于超限逻辑算法确定该地面网格点的通信状态，进而遍历所有GSO网格点，确定所有地面网格点的通信状态；

步骤s5)根据步骤s4)所有地面网格点的通信状态，采取干扰规避策略以缓解干扰；

所述基于超限逻辑算法确定该地面网格点的通信状态，具体包括：

遍历每个仿真时刻，针对每个地面网格点，将所有NGSO波束指向下的主瓣单入干扰和旁瓣单入干扰数据进行聚合，得到每个仿真时刻每个地面网格点的干扰结果；

根据干扰结果中的干扰门限指标△T/T进行判断，若ΔT/T≥6％，则针对NGSO卫星x，在仿真时刻z时，地面网格点i为超限点，通信状态s(i,x,z)＝0，否则为非超限点，通信状态s(i,x,z)＝1；其中，i为地面网格点序号，x表示编号，z表示仿真时刻。

2.根据权利要求1所述的面向星载相控阵天线的干扰规避波控策略仿真方法，其特征在于，所述步骤s1)包括：

按照设定的经纬度分辨率对地球进行全球网格化处理；

根据指定NGSO卫星的轨道位置参数(x_s,y_s,z_s)，计算未来设定时长内的每个仿真时刻该NGSO卫星的覆盖区域，得到覆盖区域的地面网格点。

3.根据权利要求1所述的面向星载相控阵天线的干扰规避波控策略仿真方法，其特征在于，所述步骤s2)包括：

遍历每个仿真时刻，并行计算该仿真时刻，地面网格点i，在NGSO卫星指向地面网格点p，且地面网格点i的GSO地面站接收天线指向GSO网格点g时，受到NGSO卫星主瓣的单入干扰。

4.根据权利要求3所述的面向星载相控阵天线的干扰规避波控策略仿真方法，其特征在于，所述干扰门限指标△T/T满足下式：

其中，P_tns0为NGSO卫星发射功率谱密度，单位为dBW/Hz；G_tns为NGSO卫星天线发射增益，单位为dBi；G_rgs(θ)为GSO卫星地面站在离隔离角为θ时的离轴增益，单位为dBi；T_eg为GSO卫星系统地面站噪声温度，单位为K；λ为通信波长，单位为m；d_D为NGSO下行干扰信号传播距离，单位为m。

5.根据权利要求4所述的面向星载相控阵天线的干扰规避波控策略仿真方法，其特征在于，所述步骤s5)的干扰规避策略具体包括：通过调整卫星姿态或改变波束指向使得隔离角变化，进而使得对应的干扰门限指标ΔT/T＜6％。