CN116939825A - 一种低轨卫星跳波束扫描的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低轨卫星跳波束扫描的方法，包括以下步骤：S1.根据相控阵波宽大小，规划相控阵的方位角和离轴角；S2.对各个方位角、离轴角下主瓣和旁瓣的增益进行仿真建模；S3.依据建模计算各个方位角、离轴角下主瓣和旁瓣的波位位置，并进行编号；S4.将相似的主瓣和旁瓣的波位划分为一组；S5.采用同一波束扫描同一组波位。本发明考虑相控阵天线旁瓣的影响，特别是在较大离轴角、方位角下旁瓣难以完全抑制的情况下，配置同一个波束分时扫描的波位中既有主瓣方向的波位也有旁瓣的波位，把原来旁瓣的干扰信号转换为有用信号，提高整星信号质量和上下行吞吐率。
Description
技术领域
本发明涉及低轨卫星通信技术领域，具体为一种低轨卫星跳波束扫描的方法。
背景技术
低轨（LEO，low earth orbit）卫星相对地面不断运动，其覆盖的区域、用户（终端）和业务也在不断变化，采用固定的波束指向无法适应低轨卫星通信系统的这种运动和变化。跳波束技术作为一种资源分配技术，分时跳变扫描地面波位，即能保证完全覆盖卫星所有可能的可见区域，又能灵活地调度卫星的空间资源，分配波束给各个有终端的波位，完美适配业务的突发需求、时延要求以及终端持续在线需求。
为能达到近乎实时波束指向调整的机制，当前的卫星跳波束使用的都是相控阵天线。相控阵天线可通过快速控制馈电的幅度和相位，达到高速波束扫描效果。理论上可以对单元的馈电幅度和相位进行优化控制，以实现较低的副瓣电平、将零点位置对准干扰方向，或者实现特殊方向图形状的波束赋形等。但实际上相控阵天线难免会有旁瓣信号，特别是在较大离轴角、方位角工作时，会有明显的旁瓣信号，当旁瓣信号落在本星或邻星覆盖区域内时，对本星或邻星覆盖区域有干扰。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种低轨卫星跳波束扫描的方法，包括以下步骤：S1.根据相控阵波宽大小，规划相控阵的方位角和离轴角；S2.对各个方位角、离轴角下主瓣和旁瓣的增益进行仿真建模；S3.依据建模计算各个方位角、离轴角下主瓣和旁瓣的波位位置，并进行编号；S4.将相似的主瓣和旁瓣的波位划分为一组；S5.采用同一波束扫描同一组波位。
进一步地，所述S5步骤中波束的周期与波位的个数有关。
进一步地，所述方位角为从X轴开始的0~360°之间的角度；所述X轴为低轨卫星绕地飞行轨迹的切线面。
进一步地，所述离轴角为偏离Y轴的角度θ；所述Y轴为指向地面并垂直与低轨卫星星下点的水平面；所述星下点为卫星与地心的连线上与地表之间的交点。
进一步地，所述S2步骤中对主瓣和旁瓣的增益进行建模的工具包括：MATLAB、3Dmax、Rhino、SketchUp、HFSS。
进一步地，还包括一个终端对卫星跳波束信号进行采集；所述终端进行信号采集时的范围为终端俯仰角10°~90°。
本发明提供了一种低轨卫星跳波束扫描的方法，具有以下有益效果：
本发明考虑相控阵天线旁瓣的影响，特别是在较大离轴角、方位角下旁瓣难以完全抑制的情况下，配置同一个波束分时扫描的波位中既有主瓣方向的波位也有旁瓣的波位，把原来旁瓣的干扰信号转换为有用信号，提高整星信号质量和上下行吞吐率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明提供的方法流程图；
图2为本发明提供的卫星相控阵方位角、离轴角示意图；
图3为本发明提供的离轴角30°时相控阵波束3D视图；
图4为本发明提供的离轴角30°时相控阵波束指向示意图；
图5为本发明提供的离轴角8°时相控阵波束3D视图；
图6为本发明提供的离轴角8°时相控阵垂直面波束指向示意图。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合附图对本发明的实施方法进行详细说明，所描述的仅为部分实施例，并非全部实施例，为了清楚的目的，在附图及说明中省略了与本发明无关的表示及描述。
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案精选以下详细说明。显然，所描述的实施案例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，不能理解为对本发明可实施范围的限定。基于本发明的实施例，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其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供一种低轨卫星跳波束扫描的方法，包括以下步骤：S1.根据相控阵波宽大小，规划相控阵的方位角和离轴角；S2.对各个方位角、离轴角下主瓣和旁瓣的增益进行仿真建模；S3.依据建模计算各个方位角、离轴角下主瓣和旁瓣的波位位置，并进行编号；S4.将相似的主瓣和旁瓣的波位划分为一组；S5.采用同一波束扫描同一组波位。
其中，S5步骤中波束的周期与波位的个数有关。
如图2所示，方位角为从X轴开始的0~360°之间的角度；所述X轴为低轨卫星绕地飞行轨迹的切线面。离轴角为偏离Y轴的角度θ；所述Y轴为指向地面并垂直与低轨卫星星下点的水平面；所述星下点为卫星与地心的连线上与地表之间的交点。
S2步骤中对主瓣和旁瓣的增益进行建模的工具包括：MATLAB、3Dmax、Rhino、SketchUp、HFSS。
还包括一个终端对卫星跳波束信号进行采集；所述终端进行信号采集时的范围为终端俯仰角10°~90°。
卫星可以覆盖的区域为整个大椭圆，但是卫星并不能同时覆盖这么大的面积，而是通过跳波束的方式，分时的覆盖各个波位，所谓波位即波束在地面的覆盖范围。当相控阵工作时，难以避免存在旁瓣的影响，此时可以把主瓣和第一旁瓣作为一组，同一个波束轮询扫描周期内同时扫描这一组内的波位。其它旁瓣认为信号强度足够低，或者由于地球表面曲率的影响，终端俯仰角<10°，已不能有效覆盖地面，可以不考虑其影响。
实施例1：
当相控阵波束方位角为0°，离轴角达到30°时，相控阵波束指向3D图像如图3所示，从卫星往地面看，30°为主瓣方向覆盖48号波位，60°旁瓣可认为对地无法形成有效覆盖，忽略其影响。而8°旁瓣覆盖45号波位，如图4所示。
当方位角为0°，离轴角为8°时，相控阵波束指向3D图像如图5所示，相控阵垂直面波束指向如图6所示。
可见离轴角8°时，30°方向也是其第一旁瓣方向。当相控阵天线方位角为180°，离轴角为8°或30°时，指向的波位与0°方位角对称为40/43号这两个波位。
这4个波位40/43/45/48按本发明之前的扫描方案用同一个波束分时扫描时，每个波位都会占用波束扫描周期的一部分时长。 例如每个波位扫描10ms，则扫描完这4个波位需40ms，从单个波位角度看，波束扫描时长为10ms，周期为40ms。
将这4个波位40/43/45/48列为一组，依然每个波位扫描10ms，从单个波位角度看，波束扫描周期依然为40ms，但是由于充分利用旁瓣的覆盖，实际被扫描的时长达到20ms，覆盖效率提升一倍。
具体操作步骤如下：
第一步：根据相控阵3dB波宽的大小，规划相控阵的方位角和离轴角；
第二步：仿真各方位角、离轴角下主瓣和第一旁瓣的增益；
第三步：计算各方位角、离轴角下的主瓣和第一旁瓣的波位位置并编号；
第四步：相似的主瓣、第一旁瓣波位分为一组。所谓相似是指方位角A1、离轴角B1的主瓣波位为beam1，增益为Gmain，第一旁瓣为beam2，增益为G0；而方位角A2、离轴角B2的主瓣波位为beam2，增益为Gmain，第一旁瓣为beam1，增益为G0。如上所述的40/43/45/48波位的场景；
第五步：同一组波位被同一个波束覆盖，波束周期与波位个数相关。
实施例2：
在实施例1的基础上增强。实施例1只考虑了第一旁瓣，本实施例还考虑了第二旁瓣甚至第三旁瓣。实施流程与实施例1相同，只是在步骤二、三中考虑更多旁瓣的影响。
实施例3：
在实施例1的基础上增强。由于是旁瓣覆盖，旁瓣覆盖时的信号比正常覆盖信号弱10dB以上，且旁瓣的波束宽度比主瓣小，此时并不适宜做大数据量调度。但是可以调度一些底层控制信息，例如获取各个波位内终端的上行待调度数据量，基站对终端做时频偏调整等。当用主瓣对准该波位后，直接做大数据量的调度，此时由于已提前调整时频偏和精准获知调度数据量，频谱效率会有极大提升。
本发明考虑相控阵天线旁瓣的影响，特别是在较大离轴角、方位角下旁瓣难以完全抑制的情况下，配置同一个波束分时扫描的波位中既有主瓣方向的波位也有旁瓣的波位，把原来旁瓣的干扰信号转换为有用信号，提高整星信号质量和上下行吞吐率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (6)
1.一种低轨卫星跳波束扫描的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.根据相控阵波宽大小，规划相控阵的方位角和离轴角；
S2.对各个方位角、离轴角下主瓣和旁瓣的增益进行仿真建模；
S3.依据建模计算各个方位角、离轴角下主瓣和旁瓣的波位位置，并进行编号；
S4.将相似的主瓣和旁瓣的波位划分为一组；
S5.采用同一波束扫描同一组波位。
2.根据权利要求1所述的低轨卫星跳波束扫描的方法，其特征在于，所述S5步骤中波束的周期与波位的个数有关。
3.根据权利要求1所述的低轨卫星跳波束扫描的方法，其特征在于，所述方位角为从X轴开始的0~360°之间的角度；所述X轴为低轨卫星绕地飞行轨迹的切线面。
4.根据权利要求1所述的低轨卫星跳波束扫描的方法，其特征在于，所述离轴角为偏离Y轴的角度θ；所述Y轴为指向地面并垂直与低轨卫星星下点的水平面；所述星下点为卫星与地心的连线上与地表之间的交点。
5.根据权利要求1所述的低轨卫星跳波束扫描的方法，其特征在于，所述S2步骤中对主瓣和旁瓣的增益进行建模的工具包括：MATLAB、3Dmax、Rhino、SketchUp、HFSS。
6.根据权利要求1所述的低轨卫星跳波束扫描的方法，其特征在于，还包括一个终端对卫星跳波束信号进行采集；所述终端进行信号采集时的范围为终端俯仰角10°~90°。
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