CN116633424A - 一种规避大规模星座下行链路干扰的Walker星座构型设计方法 - Google Patents

一种规避大规模星座下行链路干扰的Walker星座构型设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及卫星通信技术领域，公开了一种规避大规模星座下行链路干扰的Walker星座构型设计方法，包括建立空间位置模型，获取初始化参数，初始化参数包括B星座卫星坐标和地球站坐标；建立干噪比评价模型评价干扰系统对受扰系统的干扰，获取地球站的集总干噪比计算公式；受扰系统包括地球站和A星座，干扰系统包括B星座干扰卫星；根据地球站集总干噪比计算公式和干噪比阈值，统计地球站的集总干噪比超过干噪比阈值的干扰时间比，获得干扰时间比公式，计算干噪比期望值；根据干扰所占时间比、干噪比期望值获得A星座模型目标函数，寻找A星座模型最优构型参数，完成星座构型设计。本发明运用非支配排序遗传算法解决星座设计优化仿真时间长的问题。

Description

一种规避大规模星座下行链路干扰的Walker星座构型设计 方法
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，具体涉及一种规避大规模星座下行链路干扰的Walker星座构型设计方法。
背景技术
随着非静止轨道（NGSO）卫星日益增多，合适轨位、频谱资源有限导致的NGSO星座间同频干扰问题愈趋严重。NGSO通信星座系统卫星数量众多、波束密集、频谱重叠、位置动态，由此产生的波束间同频干扰链路多，干扰发生概率高，干扰情形变化快，单链路、静态化干扰场景不再能够合理描绘当前复杂的干扰环境。高强度、集总性、时变性是当前NGSO通信星座系统间同频干扰呈现的特点，新的NGSO星座的设计面临着如何避免大规模星座的干扰。
现有技术中分析卫星星座设计方法包括：几何解析法是最快捷的设计方法，用尽可能少的卫星实现全球或纬度带覆盖，从分析轨道特性入手，建立数学公式，采用解析的方式，最终得出最优的方案，不适合用于分析大规模星座设计。仿真比较法对每个方案的仿真结果进行分析比较，从中选择出满足任务要求的星座方案，可以实现对星座多种性能指标的权衡比较，使得星座设计更加灵活，但工作量较大。基于优化算法的设计方法，星座设计时参数离散连续混合，目标函数非线性，且星座设计是一个多目标多约束的优化问题，需要采取现代优化算法来根据不同场景需求进行优化，具有应用范围较广、搜索速度快且易于获得最优解等优点。星座设计时，需要建立多个目标函数，在多个约束之下，求出满足需求的最优方案。
发明内容
针对上述问题，在巨型星座场景下，卫星数量庞大，干扰链路众多，星座参数解空间过于庞大，本发明提供一种运用非支配排序遗传（NSGA-II）算法解决星座设计优化仿真时间长的问题，求解出最优方案。本发明所采用的技术方案是：一种规避大规模星座下行链路干扰的Walker星座构型设计方法，包括如下步骤：
S01：建立空间位置模型，获取初始化参数，所述初始化参数包括B星座卫星坐标和地球站坐标；
S02：建立干噪比评价模型以评价干扰系统对受扰系统的干扰，获取地球站的集总干噪比计算公式；
其中，所述受扰系统包括地球站和A星座，所述干扰系统包括B星座干扰卫星；
S03：根据所述地球站的集总干噪比计算公式和干噪比阈值，统计预定时间内地球站的集总干噪比超过干噪比阈值的干扰时间比，获得干扰时间比公式，用于计算干噪比期望值；
S04：根据所述干扰所占时间比、干噪比期望值获得A星座模型目标函数，根据约束条件寻找A星座模型最优构型参数，完成星座构型设计。
优选的，步骤S01中所述地球站坐标为：；
其中，R为地球半径，L为地球站的纬度；
步骤S01中所述B星座卫星坐标为：
；
其中，R为地球半径，h B 为B星座卫星高度，N B 为B星座卫星个数。
优选的，步骤S02中所述A星座中卫星坐标为：
，；
其中，为地球自传角速度，t为时间，为地球自转周期。
优选的，；
，；
其中，R为地球半径，h A 为A星座卫星高度，Ω A 为A星座升交点赤经， A为A星座真近 点角，为A星座的任意一颗卫星的运行周期，t为时间，i A 为A星座卫星轨道倾角，G是引力 常数，M是地球质量，Ω A0 为A星座初始升交点赤经，为卫星轨道序列号，P A 为A卫星轨道数， A0为A星座初始真近点角，F A 为A星座相位因子，N A 为A星座卫星总数，为每轨卫星位置序 列号。
优选的，地球站接入距其最近的A星座卫星，则t时刻A星座中接入卫星坐标为：
；
。
优选的，步骤S02中所述B星座干扰卫星的坐标为：
；
；
；
其中，N BE 为B星座等效卫星数，为干扰区域内B星座卫星轨道高度最小值，R为 地球半径，h B 为B星座卫星高度，L地球站的纬度，N B 为B星座卫星总数，p为B星座卫星出现在 干扰区域的概率，i B 为B星座卫星轨道倾角，为能够产生干扰的卫星的最低仰角。
优选的，步骤S03中所述地球站的集总干噪比计算公式为：
；
其中，N BE 为B星座等效卫星数，为干扰区域内B星座卫星轨道高度最小值，R为 地球半径，h B 为B星座卫星高度，P E 为干扰卫星的发射功率，为第n颗干扰卫星的天线 发射增益，为地球站天线接收增益，λ为天线波长，K为玻耳兹曼常量，T为卫星接收机 的系统噪声温度，B为卫星通信带宽，为第n颗干扰卫星到地球站的距离。
优选的，步骤S03中所述干扰时间比公式为：
；
其中，为的次数，M为干扰场景仿真时间分段数量，为干噪比 阈值。
优选的，步骤S03中所述干噪比期望值公式为：
；
其中，为地球站的集总干噪比，M为干扰场景仿真时间分段数量。
优选的，步骤S04中所述A星座模型目标函数：
；
约束条件为：
。
上述技术方案的有益效果：
相对于现有技术，本发明提供的规避大规模星座下行链路干扰的Walker星座构型设计方法，通过用Walker星座参数表征目标星座模型，用斐波那契网格法来表征大规模干扰星座卫星模型，推导出非静止星座系统间下行链路干噪比的初等数学表达式，并快速计算非静止轨道星座间的干噪比概率分布，得到干扰所占时间比以及干噪比期望值。以最小化干噪比期望值、最小化干扰所占时间比为目标，通过NGSA-II算法最终得到Walker星座的相关参数。本发明可为大规模非静止星座间避免同频干扰的星座设计提供参考。对模拟10000s时长，模拟步长为5s的星座构型进行星座分析，采用本发明提供的方法寻求最优解用时50s，采用轨道外推方法用时约为5600s，本发明可以快速的获取最优的Walker星座的相关参数。
附图说明
图1示出了本发明实施例中B星座干扰A星座下行链路示意图；
图2示出了本发明斐波那契网格法坐标系图；
图3示出了本发明B星座中干扰卫星的坐标示意图；
图4示出了本发明B星座中干扰卫星对A星座中卫星的干扰示意图；
图5示出了本发明星座设计算法步骤流程示意图。
具体实施方式
下面对本申请的实施方式作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备，不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
实施例
一、获取A星座卫星坐标、B星座卫星坐标和地球站动态坐标
建立空间位置模型，图1示出了本发明实施例中B星座干扰A星座下行链路示意图， 其中，某地区地球站E。NGSO A星座简称A星座，为E的通信Walker星座。NGSO B星座简称B星 座，为大规模NGSO星座，也为walker星座，与A星座同频共存，并对A星座下行链路实施干扰。 其中，受扰系统由A星座中一颗卫星和地球站E组成，该卫星称为接入卫星；规定仰角大于的空域中的B星座卫星对地球站才能造成干扰，相应的空域称为干扰区域D B ，干扰系统 由B星座中多颗卫星组成，此类卫星称为干扰卫星。对于地球站而言，规定地球站E的接入规 则为最高仰角接入规则，即接入离地球站E最近的卫星。优选的，将A星座与B星座的运行轨 道视为圆轨道。其中，地球半径为R，A星座卫星个数为，A星座卫星轨道高度为h A ，A星座 卫星倾角为。B星座卫星个数为，B星座卫星轨道高度为，B星座卫星倾角为。
建立空间位置模型，以地心为原心，以地心到北极连线为Z轴建立空间直角坐标系。
1、地球站坐标为：
地球站的坐标为：，其中，L为地球站的纬度。优选的，由 于星座在经度方向是均匀分布的，而在纬度方向非均匀，故重点考虑地球站地球站坐标如 前。
2、A星座卫星坐标为：
；
其中，，；
将地球自转因素对A星座卫星坐标的影响考虑进坐标表示，则A星座卫星坐标表示为，
；
；
其中，R为地球半径，h A 为A星座卫星高度，Ω A 为A星座升交点赤经， A为A星座真近 点角，为A星座的任意一颗卫星的运行周期，t为时间，i A 为A星座卫星轨道倾角，G是引力 常数，M是地球质量，Ω A0 为A星座初始升交点赤经，为卫星轨道序列号，P A 为A卫星轨道数， A0为A星座初始真近点角，F A 为A星座相位因子，N A 为A星座卫星总数，为每轨卫星位置序 列号。
对于地球站，采用最短距离接入规则，即在时刻t，地球站接入距其最近的A星座卫星，则其A星座接入卫星坐标表示为：
；
满足。
3、B星座卫星坐标为：
图2示出了本发明斐波那契网格法坐标系图，以球心为原点建立空间直角坐标系，在单位球面上，均匀分布N个点的坐标如下：
，；
优选的，B星座视为大规模局部均匀星座。采用斐波那契网格以及等效卫星数来表示B星座的坐标：
；
；
B星座中处于干扰区域内的卫星才能对地球站造成干扰，图3示出了本发明B星 座中干扰卫星的坐标示意图，干扰区域内B星座卫星轨道高度最小值为，若B星座中卫 星的z轴坐标高于，则说明该卫星出现在内。
根据空间几何学，得出；
所以，高度最小值的公式为：；
令，则；
B星座中处于干扰区域内的干扰卫星坐标为：
；
由于地球站不在北极点上，地球站坐标为，B星座中处 于干扰区域内的干扰卫星坐标为：
；
；
其中，N B 为B星座卫星总数，R为地球半径，为干扰区域内B星座卫星轨道高度 最小值，h B 为B星座卫星轨道高度，L为地球站纬度。
由于，卫星并非均匀的分布在整个球面上，其分布与地球站的纬度、卫星轨道的倾角有很大的关系，引入等效卫星数的概念。
B星座卫星出现在干扰区域的概率为：
，；
式中：A为干扰区域的球面积，为卫星轨道的倾角，L地球站的纬度，为干扰区 域俯仰角差对应的地心角差、分别为干扰区域方位角差对应的地心角差。
所以，B星座内卫星出现在干扰区域内的卫星个数为。优选的，B星座内卫星 均匀分布，干扰卫星个数为。使两种方法在干扰区域内的卫星数相等，调整B 星座内均匀分布的卫星总数为等效卫星数，使得
；
B星座等效卫星数为，公式如下：
；
所以，最终计算出B星座干扰卫星坐标为：
；
其中，N BE 为B星座等效卫星数，为干扰区域内B星座卫星轨道高度最小值，R为 地球半径，h B 为B星座卫星高度，L地球站的纬度，N B 为B星座卫星总数，p为B星座卫星出现在 干扰区域的概率，i B 为B星座卫星轨道倾角，为能够产生干扰的卫星的最低仰角。
二、建立干噪比评价模型
1、建立传播模型
自由空间衰弱L d 公式为：
；
其中，λ为天线波长，D为地球站天线直径。
根据ITU-R S.1258，卫星发射天线增益为：
；
其中，，/>为卫星天线峰值增益，/>为卫星天线半功率波束宽度，L F 为远旁瓣电平，L S 为峰值增益以下的主光束和近旁瓣屏蔽交叉点(dB)。优选的，L F 通常取0。
根据ITU-R S.465，地球站接收天线增益为：
其中，，
为地球站天线峰值增益，λ为天线波长，D为地球站天线直径。建立性能评价指 标，针对单颗卫星通信系统的干扰评价指标，干扰评价指标公式为：；
其中，为卫星重叠带宽的发射功率，/>为卫星与地球站连线偏离卫星天线主轴的夹角，/>为卫星天线发射增益，/>为卫星与地球站连线偏离地球站天线主轴的夹角，为地球站天线接收增益，K为玻耳兹曼常量，T为卫星接收机的系统噪声温度，B为卫星通信带宽，d为干扰卫星发射机到地球站的距离。
卫星重叠带宽的发射功率公式为：
其中，C为重叠带宽因子，为A星座的通信带宽，/>为中心频率，/>为B星座的通信带宽，/>为中心频率，/>为B星座发射功率。
图4示出了本发明B星座中干扰卫星对A星座中卫星的干扰示意图，其中，为第n 颗干扰卫星与地球站连线偏离卫星天线主轴的夹角，优选的，干扰卫星发射天线的中心方 向指向地心的，B星座中干扰卫星的坐标为，地球站坐标，地心 坐标。
计算公式为：；
为第n颗干扰卫星与地球站连线偏离地球站天线主轴夹角。接入卫星坐标为，计算公式为：
；
为第n颗干扰卫星到地球站的距离，计算公式为：
。
地球站的集总干噪比计算式：
其中，N BE 为B星座等效卫星数，为干扰区域内B星座卫星轨道高度最小值，R为 地球半径，h B 为B星座卫星高度，P E 为干扰卫星的发射功率，为第n颗干扰卫星的天线 发射增益，为地球站天线接收增益，λ为天线波长，K为玻耳兹曼常量，T为卫星接收机 的系统噪声温度，B为卫星通信带宽，为第n颗干扰卫星到地球站的距离。
设定干噪比阈值，如果，判定t时刻A星座受到有害干扰。
总的干扰场景仿真时间为ΔT，将ΔT划分为M段，为模拟仿真步长，t的取值为。统计的次数记为，则干扰时间比公式为：
；
干噪比期望值，计算公式为：
；
优化A星座构形参数，A星座构型参数包括，令 为0，为1，是的倍数，故将代替作为优化目标，获得优化A星座模型目标 函数如下：
；
约束条件为：
；
优选的，约束条件可以根据需要进行设置。
图5示出了本发明星座设计算法步骤流程示意图，星座设计算法步骤具体包括：
步骤1.初始化种群，此时种群代数和所有个体的age=0。
步骤2.计算初始种群的目标函数值：干扰所占时间比、干噪比期望值，将 对初始种群中的个体进行非支配排序和拥挤度计算。
步骤3.通过选择、交叉、变异三种遗传操作产生子代种群，并将新生成的个体age=0。
步骤4.计算出子代个体的各目标函数值后将父代与子代种群的个体合并。
步骤5.所有个体的age+1，对于非第一阵面中的超龄个体用随机产生的的个体代替，然后合并种群后再次对各个体进行非支配排序和拥挤度计算，形成新一代种群。
步骤6.保留秩小或秩相同的拥挤距离大的个体组成新种群，随后判断进化代数是否达到上限。如果是，则停止算法，找到最优解；否则，转到步骤3并重复整个过程。
优选的，步骤2中计算干扰所占时间比和干噪比期望值的步骤包括：
初始化参数：地球站坐标；B星座数量、高度、倾角、干扰 最低仰角；运行总时间ΔT，模拟步长；干噪比阈值；其他通信相关参数，包括带 宽，峰值增益等。
计算t时刻接入卫星坐标：，使得t时刻接入卫星坐标 满足；
计算t时刻干扰卫星坐标：
；
计算干噪比值，比较和，判定是否受到干扰；
遍历总时间ΔT，统计干扰时间比，计算干噪比期望值。
对模拟10000s时长，模拟步长为5s的星座构型进行星座分析，采用本发明提供的方法寻求最优解用时50s，采用轨道外推方法用时约为5600s，本发明可以快速的获取最优的Walker星座的相关参数。
本发明提供的规避大规模星座下行链路干扰的Walker星座构型设计方法，运用NGSA-II算法解决星座设计优化仿真时间长的问题，解决了星座设计中星座参数计算复杂度高，星座参数解空间过于庞大难以寻优的技术问题。通过建立链路干扰场景模型、传播模型、性能指标模型、空间位置模型推导出卫星下行链路干噪比公式，得到干噪比值的概率分布，并通过NGSA-II算法寻优Walker星座的最佳参数，面向干扰性能的星座设计提供了一定的参考。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种规避大规模星座下行链路干扰的Walker星座构型设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01：建立空间位置模型，获取初始化参数，所述初始化参数包括B星座卫星坐标和地球站坐标；
S02：建立干噪比评价模型以评价干扰系统对受扰系统的干扰，获取地球站的集总干噪比计算公式；
其中，所述受扰系统包括地球站和A星座，所述干扰系统包括B星座干扰卫星；
S03：根据所述地球站的集总干噪比计算公式和干噪比阈值，统计预定时间内地球站的集总干噪比超过干噪比阈值的干扰时间比，获得干扰时间比公式，用于计算干噪比期望值；
S04：根据所述干扰所占时间比、干噪比期望值获得A星座模型目标函数，根据约束条件寻找A星座模型最优构型参数，完成星座构型设计。
2.根据权利要求1所述的规避大规模星座下行链路干扰的Walker星座构型设计方法，其特征在于，步骤S01中所述地球站坐标为：；
其中，R为地球半径，L为地球站的纬度；
步骤S01中所述B星座卫星坐标为：
；
其中，R为地球半径，h B 为B星座卫星高度，N B 为B星座卫星个数。
3.根据权利要求1所述的规避大规模星座下行链路干扰的Walker星座构型设计方法，其特征在于，步骤S02中所述A星座中卫星坐标为：
，/>；
其中，为地球自传角速度，t为时间，/>为地球自转周期。
4.根据权利要求3所述的规避大规模星座下行链路干扰的Walker星座构型设计方法，其特征在于，
；
，/>；
其中，R为地球半径，h A 为A星座卫星高度，Ω A 为A星座升交点赤经， A为A星座真近点角，为A星座的任意一颗卫星的运行周期，t为时间，i A 为A星座卫星轨道倾角，G是引力常数，M是地球质量，Ω A0 为A星座初始升交点赤经，/>为卫星轨道序列号，P A 为A卫星轨道数，/> A0为A星座初始真近点角，F A 为A星座相位因子，N A 为A星座卫星总数，/>为每轨卫星位置序列号。
5.根据权利要求3所述的规避大规模星座下行链路干扰的Walker星座构型设计方法，其特征在于，地球站接入距其最近的A星座卫星，则t时刻A星座中接入卫星坐标为：
；
。
6.根据权利要求1所述的规避大规模星座下行链路干扰的Walker星座构型设计方法，其特征在于，步骤S02中所述B星座干扰卫星的坐标为：
；
；
；
其中，N BE 为B星座等效卫星数，为干扰区域内B星座卫星轨道高度最小值，R为地球半径，h B 为B星座卫星高度，L地球站的纬度，N B 为B星座卫星总数，p为B星座卫星出现在干扰区域的概率，i B 为B星座卫星轨道倾角，/>为能够产生干扰的卫星的最低仰角。
7.根据权利要求1所述的规避大规模星座下行链路干扰的Walker星座构型设计方法，其特征在于，步骤S03中所述地球站的集总干噪比计算公式为：
；
其中，N BE 为B星座等效卫星数，为干扰区域内B星座卫星轨道高度最小值，R为地球半径，h B 为B星座卫星高度，P E 为干扰卫星的发射功率，/>为第n颗干扰卫星的天线发射增益，/>为地球站天线接收增益，λ为天线波长，K为玻耳兹曼常量，T为卫星接收机的系统噪声温度，B为卫星通信带宽，/>为第n颗干扰卫星到地球站的距离。
8.根据权利要求1所述的规避大规模星座下行链路干扰的Walker星座构型设计方法，其特征在于，步骤S03中所述干扰时间比公式为：
；
其中，为/>的次数，M为干扰场景仿真时间分段数量，/>为干噪比阈值。
9.根据权利要求1所述的规避大规模星座下行链路干扰的Walker星座构型设计方法，其特征在于，步骤S03中所述干噪比期望值公式为：
；
其中，为地球站的集总干噪比，M为干扰场景仿真时间分段数量。
10.根据权利要求1所述的规避大规模星座下行链路干扰的Walker星座构型设计方法，其特征在于，步骤S04中所述A星座模型目标函数：
；
约束条件为：
。
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