CN116626386A - 一种基于地月锥时空剖分的频谱信息表征方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于地月空间科学探索及资源开发利用领域，尤其涉及一种基于地月锥时空剖分的频谱信息表征方法及系统，所述方法包括：采用地月会合坐标系为时空基准，划分地月空间锥形；计算地月锥剖分架构；基于每个剖分点进行频谱信息的计算与表征。本发明提出一种面向地月空间电磁频谱态势表征需求的锥形即地月锥时空剖分方法，支撑对任意剖分点进行频谱相关信息的计算与表征，解决地月空间多尺度空间电磁频谱数据缺乏统一组织架构的问题。

Description

一种基于地月锥时空剖分的频谱信息表征方法及系统

技术领域

本发明属于地月空间科学探索及资源开发利用领域，尤其涉及一种基于地月锥时空剖分的频谱信息表征方法及系统。

背景技术

地月空间已成为国际上极为活跃的科技探索前沿热点，许多国家陆续开展探月任务，在国际频率划分规定和“先登先用”的使用规则约束下，全球地月空间科学探索和开发利用的可用频率资源愈发紧张，供需不平衡加剧。由于地月空间飞行器的轨道特性复杂，搭载的无线电类型载荷的电磁波辐射范围和辐射路径存在大时空变化，为确保地月空间科学任务顺利实施，迫切需要地球至月球大时空场景下的表征架构和更为精细的计算方法，支撑技术和产业应用进一步发展。

目前，针对地球高低轨空间的表征与计算架构主要采用基于经纬度的栅格化的方法，然而，由于地球、月球的自转及公转，基于地球经纬度的剖分架构在地月锥形空间中具有时变性，难以延展应用。面向地月空间大时空场景下的时、空、频、能等多维频谱信息，缺少统一尺度下的计算与表征方法，制约了其对地月空间科学卫星通信能量、干扰等频谱信息的定量化计算与时空立体表达。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种基于地月锥时空剖分的频谱信息表征方法及系统。为地月空间电磁频谱态势的分析、计算、应用提供统一的表征架构，解决地月空间电磁频谱大数据同化和表征的问题。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于地月锥时空剖分的频谱信息表征方法，所述方法包括：

步骤1)采用地月会合坐标系为时空基准，划分地月空间锥形；

步骤2)计算地月空间锥形剖分架构；

步骤3)基于每个剖分点进行频谱信息的计算与表征。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体包括：

采用地月会合坐标系为时空基准，标定地球高轨空间至月球L2点轨道簇最远轨迹，且覆盖L1点轨道簇最远轨迹范围内为地月空间锥形；其中，地月空间锥形的左侧边界点L(x_L,0,0)，右侧边界点R(x_R,0,0)，L1点轨道簇上的点为(x_L1,0,z_L1)。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)令沿X轴的剖分截面间的步长为Δx，令X轴坐标为x的截面内的剖分角度步长为Δθ_x、剖分半径步长为Δρ_x，L点坐标为(x_L,0,0)，R点坐标为(x_R,0,0)，地心坐标为(x_E,0,0)，月心坐标为(x_M,0,0)，令x_pre＝x_L-Δx,R_E为地球半径，R_M为月球半径；

步骤2-2)计算当前剖面的横坐标x＝x_pre+Δx，判断x＜＝x_R是否成立，判断为是，则执行步骤2-3)，判断为否，执行步骤2-10)；

步骤2-3)计算横坐标为x时的剖面半径r_x，令θ_pre＝2π+Δθ_x+Δbias，ρ_pre＝r_x+Δρ_x；Δbias为相邻截面间剖分角度的偏移值；

步骤2-4)计算ρ＝ρ_pre-Δρ_x，判断ρ≥0是否成立，判断为是，则执行步骤2-5)，判断为否，则令x_pre＝x，执行步骤2-2)；

步骤2-5)计算θ＝θ_pre-Δθ_x，判断θ≥0是否成立，判断为是，则执行步骤2-6)，判断为否，令ρ_pre＝ρ，执行步骤2-4)；

步骤2-6)计算剖分点(ρ,θ)的坐标值y＝ρcosθ，z＝ρsinθ，若需要剔除地月星体内部点，则执行步骤2-7)，否则，执行步骤2-8)；

步骤2-7)判断|x-x_E|≤R_E是否成立，判断成立，则计算点(x,y,z)与地心的距离d_PE，若满足d_PE＜R_E，则执行步骤2-9)；判断|x-x_M|≤R_M是否成立，若成立，则计算点(x,y,z)与月心的距离d_PM，若满足d_PM＜R_M，则执行步骤2-9)；

步骤2-8)记录当前剖分点的三维坐标(x,y,z)；

步骤2-9)令θ_pre＝θ，执行步骤2-5)；

步骤2-10)记录所有剖分点坐标，结束。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2-3)中计算横坐标为x时的剖面半径r_x，具体包括：

根据下式计算x_S和z_S，其中，x_S和z_S分别表示椎体与地球高轨轨道相切的切点在X轴的坐标和在Z轴的坐标：

x_S＝-R_Gcos(γ)+x_E，z_S＝R_Gsin(γ)；

其中，γ＝π-α-β；

当x≤x_S时，

当x＞x_S时，r_x＝(x-x_s)cot(γ)+z_S；

其中，R_G为地球静止轨道半径。

作为上述方法的一种改进，所述步骤3)包括：

根据计算得到的剖分点坐标，计算在某时刻，某卫星的通信链路在划分的地月空间锥形中的功率通量密度分布。

作为上述方法的一种改进，所述步骤3)包括：

根据计算得到的剖分点坐标，计算在某时刻，某卫星的通信链路在划分的地月空间锥形中的自由空间链路损耗分布。

另一方面，本发明提出了一种基于地月锥时空剖分的频谱信息表征系统，所述系统包括：

地月空间锥形划分模块，用于采用地月会合坐标系为时空基准，划分地月空间锥形；

架构计算模块，用于计算地月空间锥形剖分架构；和

频谱计算表征模块，用于基于每个剖分点进行频谱信息的计算与表征。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

本发明提出一种面向地月空间电磁频谱态势表征需求的锥形即地月锥时空剖分方法，支撑对任意剖分点进行频谱相关信息的计算与表征，解决地月空间多尺度空间电磁频谱数据缺乏统一组织架构的问题。

附图说明

图1是地月会合坐标系下地月锥剖分示意图；

图2是沿-x方向的地月锥界面剖分示意图；

图3是本发明的基于地月锥时空剖分的频谱信息表征方法流程图；

图4是计算剖面半径的几何方法示意图；

图5是基于ORION卫星网络资料的B2AA波束重构的DRO卫星参考天线方向图；

图6是DRO轨道卫星基于地月锥时空剖分方法的功率通量密度表征示意，其中图6(a)是基于地月锥时空剖分的PFD值表征，图6(b)是补全空值的地月锥剖分点；

图7是基于CAPSTONE卫星网络资料的B4波束重构的NRHO卫星参考天线方向图；

图8是NRHO轨道卫星基于本发明剖分方法的功率通量密度表征示意，其中图8(a)是基于地月锥时空剖分的PFD值表征，图8(b)是补全空值的地月锥剖分点。

具体实施方式

一、地月空间锥形范围定义

采用地月会合坐标系为时空基准，标定地球高轨空间至月球L2点轨道簇最远轨迹，且覆盖L1点轨道簇最远轨迹范围内为地月空间锥形，简称地月锥，如图1所示。

其中，边界节点及地心、月心坐标变量及含义说明如表1所示：

表1地月空间锥形相关点含义

二、地月空间锥形时空剖分方法

地月锥在时间维度的剖分是指以指定时间步长进行切分，在空间维度的剖分，首先是以地月会合坐标系X轴上的固定分割步长进行剖分，如图1所示，其次对剖面上以极坐标下的(ρ,θ)进行剖分，如图2所示。

基于地月锥的时空剖分，可以对任意剖分点进行频谱相关信息等的计算与表征。地月空间锥形时空剖分架构计算方法，具体步骤如下：如图3所示，

1)令沿X轴的剖分截面间的步长为Δx，令X轴坐标为x的截面内的剖分角度步长为Δθ_x、剖分半径步长为Δρ_x，L点坐标为(x_L,0,0)，R点坐标为(x_R,0,0)，地心坐标为(x_E,0,0)，月心坐标为(x_M,0,0)，令x_pre＝x_L-Δx,R_E为地球半径，R_M为月球半径；

2)计算当前剖面的横坐标x＝x_pre+Δx，判断x＜＝x_R是否成立，若是，则执行步骤3)，否则，执行步骤10)；

3)计算横坐标为x时的剖面半径r_x，令θ_pre＝2π+Δθ_x+Δbias，ρ_pre＝r_x+Δρ_x；

4)计算ρ＝ρ_pre-Δρ_x，判断ρ≥0是否成立，若是，则执行步骤5)，否则，则令x_pre＝x，执行步骤2)；

5)计算θ＝θ_pre-Δθ_x，判断θ≥0是否成立，若是，则执行步骤6)，否则，令ρ_pre＝ρ，执行步骤4)；

6)计算剖分点(ρ,θ)的坐标值y＝ρcosθ，z＝ρsinθ，若需要剔除地月星体内部点，则执行步骤7)，否则，执行步骤8)；

7)判断|x-x_E|≤R_E是否成立，若成立，则计算点(x,y,z)与地心的距离d_PE，若满足d_PE＜R_E，则执行步骤9)；判断|x-x_M|≤R_M是否成立，若成立，则计算点(x,y,z)与月心的距离d_PM，若满足d_PM＜R_M，则执行步骤9)；

8)记录当前剖分点的三维坐标(x,y,z)；

9)令θ_pre＝θ，执行步骤5)；

10)记录所有剖分点坐标，结束。

其中，步骤3)中计算剖面横坐标为x的剖面半径r_x方法步骤如下：

1)当x≤x_S时，

2)当x＞x_S时，r_x＝(x-x_s)cot(γ)+z_S；

其中，R_G为地球静止轨道半径；

x_S＝-R_Gcos(γ)+x_E，z_S＝R_Gsin(γ)；

γ＝π-α-β；

如图4所示是计算剖面半径的几何方法示意图。

三、基于每个剖分点进行频谱信息的计算与表征

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1

本发明的实施例1提出了一种基于地月锥时空剖分的频谱信息表征方法，包括：

步骤1)采用地月会合坐标系为时空基准，划分地月空间锥形；

步骤2)计算地月空间锥形剖分架构；

步骤3)基于每个剖分点进行频谱信息的计算与表征。

基于所提方法，以表征某DRO轨道卫星在地月锥中的S频段的功率分布为例，步骤3)即计算其某一时刻下，通信链路在地月锥中的功率通量密度(PFD)分布。其中，地月锥边界参数选取如表2所示，坐标值基于地月会合坐标系计算。

表2地月锥边界参数取值

点	坐标变量	坐标值
			L	(xL,0,0)	(-46915.7,0,0)
R	(xR,0,0)	(461586.4,0,0)
			L1N	(xL1,0,zL1)	(363204.1,0,113899.2)
月心坐标	(xM,0,0)	(386127.9,0,0)
			地心坐标	(xE,0,0)	(-4749.4,0,0)

剖分架构计算采用参数如表3所示：

表3实施例1中剖分点计算采用的参数

仿真中采用的卫星系统为DRO轨道，平均轨道高度65000公里，卫星天线指向堪培拉站，链路空口参数如表4所示，卫星天线方向图基于ITU登记的ORION卫星网络资料的B2AA波束，并针对波束旁瓣进行拟合重构，其参考天线方向图及重构模型如图5所示。

表4DRO卫星通信链路空口参数

基于所提方法，表征剖分点PFD值如图6(a)所示，由于计算中考虑了地球、月球遮挡因素，且卫星天线指向范围为[-90°,90°]，因此，存在部分剖分点值为空，将空值的剖分点补全如图6(b)所示。

此外，步骤3)也可以是根据计算得到的剖分点坐标，计算在某时刻，DRO卫星的通信链路在划分的地月空间锥形中的自由空间链路损耗分布。具体自由空间链路损耗分布属于本领域技术人员已知的方法，不再赘述。

需要说明的是，步骤3)还可以是其他根据计算得到的剖分点坐标，进行相关能量、干扰等频谱信息的定量化计算与时空立体表达，均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。

实施例2

本发明的实施例1提出了一种基于地月锥时空剖分的频谱信息表征方法，包括：

步骤1)采用地月会合坐标系为时空基准，划分地月空间锥形；

步骤2)计算地月空间锥形剖分架构；

步骤3)基于每个剖分点进行频谱信息的计算与表征。

基于所提方法，以表征L2点NRHO轨道卫星在地月锥中的功率分布为例，步骤3)即计算其某一时刻下，通信链路在地月锥中的功率通量密度(PFD)分布。其中，地月锥边界参数选取参考表2，剖分架构计算采用参数如表5所示：

表5实施例2中剖分点计算采用的参数

仿真中采用的卫星系统为L2点的NRHO轨道，远月点约73000km，近月点约1900km，卫星天线指向堪培拉站，链路空口参数参考ITU登记的CAPSTONE卫星网络资料参数，如表6所示，卫星天线方向图参考CAPSTONE卫星网络资料的B4波束，并针对波束旁瓣进行拟合重构，其参考天线方向图及重构模型如图7所示

表6L2点NRHO卫星通信链路空口参数

基于所提方法，仿真计算剖分点PFD值如图8(a)所示。由于计算中考虑了地球、月球遮挡因素，存在部分剖分点值为空，将空值的剖分点补全如图8(b)所示。

此外，步骤3)也可以是根据计算得到的剖分点坐标，计算在某时刻，NRHO卫星的通信链路在划分的地月空间锥形中的自由空间链路损耗分布。具体自由空间链路损耗分布属于本领域技术人员已知的方法，不再赘述。

需要说明的是，步骤3)还可以是其他根据计算得到的剖分点坐标，进行相关能量、干扰等频谱信息的定量化计算与时空立体表达，均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。

实施例3

本发明的实施例3提出了一种基于地月锥时空剖分的频谱信息表征系统，基于实施例1或实施例2的方法实现，该系统包括：

地月空间锥形划分模块，用于采用地月会合坐标系为时空基准，划分地月空间锥形；

架构计算模块，用于计算地月空间锥形剖分架构；和

频谱计算表征模块，用于基于每个剖分点进行频谱信息的计算与表征。

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 (7)

1.一种基于地月锥时空剖分的频谱信息表征方法，所述方法包括：

步骤1)采用地月会合坐标系为时空基准，划分地月空间锥形；

步骤2)计算地月空间锥形剖分架构；

步骤3)基于每个剖分点进行频谱信息的计算与表征。

2.根据权利要求1所述的基于地月锥时空剖分的频谱信息表征方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：

采用地月会合坐标系为时空基准，标定地球高轨空间至月球L2点轨道簇最远轨迹，且覆盖L1点轨道簇最远轨迹范围内为地月空间锥形；其中，地月空间锥形的左侧边界点L(x_L,0,0)，右侧边界点R(x_R,0,0)，L1点轨道簇上的点为(x_L1,0,z_L1)。

3.根据权利要求2所述的基于地月锥时空剖分的频谱信息表征方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)令沿X轴的剖分截面间的步长为Δx，令X轴坐标为x的截面内的剖分角度步长为Δθ_x、剖分半径步长为Δρ_x，L点坐标为(x_L,0,0)，R点坐标为(x_R,0,0)，地心坐标为(x_E,0,0)，月心坐标为(x_M,0,0)，令x_pre＝x_L-Δx,R_E为地球半径，R_M为月球半径；

步骤2-2)计算当前剖面的横坐标x＝x_pre+Δx，判断x＜＝x_R是否成立，判断为是，则执行步骤2-3)，判断为否，执行步骤2-10)；

步骤2-3)计算横坐标为x时的剖面半径r_x，令θ_pre＝2π+Δθ_x+Δbias，ρ_pre＝r_x+Δρ_x；Δbias为相邻截面间剖分角度的偏移值；

步骤2-4)计算ρ＝ρ_pre-Δρ_x，判断ρ≥0是否成立，判断为是，则执行步骤2-5)，判断为否，则令x_pre＝x，执行步骤2-2)；

步骤2-5)计算θ＝θ_pre-Δθ_x，判断θ≥0是否成立，判断为是，则执行步骤2-6)，判断为否，令ρ_pre＝ρ，执行步骤2-4)；

步骤2-6)计算剖分点(ρ,θ)的坐标值y＝ρcosθ，z＝ρsinθ，若需要剔除地月星体内部点，则执行步骤2-7)，否则，执行步骤2-8)；

步骤2-7)判断|x-x_E|≤R_E是否成立，判断成立，则计算点(x,y,z)与地心的距离d_PE，若满足d_PE＜R_E，则执行步骤2-9)；判断|x-x_M|≤R_M是否成立，若成立，则计算点(x,y,z)与月心的距离d_PM，若满足d_PM＜R_M，则执行步骤2-9)；

步骤2-8)记录当前剖分点的三维坐标(x,y,z)；

步骤2-9)令θ_pre＝θ，执行步骤2-5)；

步骤2-10)记录所有剖分点坐标，结束。

4.根据权利要求3所述的基于地月锥时空剖分的频谱信息表征方法，其特征在于，所述步骤2-3)中计算横坐标为x时的剖面半径r_x，具体包括：

根据下式计算x_S和z_S，其中，x_S和z_S分别表示锥体与地球高轨轨道相切的切点在X轴的坐标和在Z轴的坐标：

x_S＝-R_Gcos(γ)+x_E，z_S＝R_Gsin(γ)；

其中，γ＝π-α-β；

当x≤x_S时，

当x＞x_S时，r_x＝(x-x_s)cot(γ)+z_S；

其中，R_G为地球静止轨道半径。

5.根据权利要求4所述的基于地月锥时空剖分的频谱信息表征方法，其特征在于，所述步骤3)包括：

根据计算得到的剖分点坐标，计算在某时刻，某卫星的通信链路在划分的地月空间锥形中的功率通量密度分布。

6.根据权利要求4所述的基于地月锥时空剖分的频谱信息表征方法，其特征在于，所述步骤3)包括：

根据计算得到的剖分点坐标，计算在某时刻，某卫星的通信链路在划分的地月空间锥形中的自由空间链路损耗分布。

7.一种基于地月锥时空剖分的频谱信息表征系统，其特征在于，所述系统包括：

地月空间锥形划分模块，用于采用地月会合坐标系为时空基准，划分地月空间锥形；

架构计算模块，用于计算地月空间锥形剖分架构；和

频谱计算表征模块，用于基于每个剖分点进行频谱信息的计算与表征。