CN117040645B - 一种面向低轨卫星太赫兹通信的终端接收优化方法 - Google Patents

一种面向低轨卫星太赫兹通信的终端接收优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种面向低轨卫星太赫兹通信的终端接收优化方法，包括：低轨卫星向其扫描覆盖区域内的地面接收机发送太赫兹频段的无线电信号；地面接收机通过相控阵列天线的电子切换技术实现波束转向，跟踪低轨卫星的运动轨迹；根据地面接收机的信号接收角度，在干扰场景下，建立地面接收机的信噪比模型；根据地面接收机的信噪比模型和地面接收机相控阵列天线的阵元间距建立地面接收机的信噪比偏微分方程组，并进行求解，获得地面接收机相控阵列天线的最优阵元间距；根据地面接收机相控阵列天线的最优阵元间距，对地面接收机相控阵列天线的阵元间距进行调整，调整后对低轨卫星发射的太赫兹频段的无线电信号进行接收，提高地面接收机的信号接收功率。

Description

一种面向低轨卫星太赫兹通信的终端接收优化方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，特别是涉及一种面向低轨卫星太赫兹通信的终端接收优化方法。
背景技术
随着信息技术的飞速发展，低轨卫星系统已经在各个领域得到了广泛应用，例如通信、物流、交通运输、海洋、气象等领域。其中低轨卫星使用的无线电通信频率主要部署在Ku、Ka等波段，随着6G技术的研究和未来更高信息速率的需求，太赫兹频段(THz)无线电由于巨大的带宽和太比特率的信息速率是未来发展的趋势。低轨卫星以扫描方式通过地面覆盖区，为地面提供通信服务，其高速运动的特点使得地面站需要及时的调整接收信号主波束方向以实现对卫星的实时跟踪。传统的扫描相控阵列天线利用移相器实现波束的转向，然而在太赫兹频段下该技术效率低下且操作复杂，因此引入相控阵列天线的电子切换技术实现对接收波束的快速转向并跟踪低轨卫星运动轨迹。同时，由于太赫兹频段的高频率特性、卫星发射功率有限以及星地链路由于气象、电离、气体等因素引起的高路径损耗，加之链路中的各种等效噪声温度以及接收系统的自身噪声温度，都使得地面站接收信号的功率低，合理的接收信号优化算法能够有效提高接收端信号功率，提高通信服务质量。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，引入电子可切换阵列天线，综合考虑星地之间的大气损耗、云雾、降雨衰落，以及信道中的各种等效噪声温度和接收机本身的噪声影响，设计合理的接收优化算法，提高接收端信号功率，提高通信服务质量。
为了达到上述技术目的，本发明提供一种面向低轨卫星太赫兹通信的终端接收优化方法，包括：
S1：低轨卫星向其扫描覆盖区域内的地面接收机发送太赫兹频段的无线电信号；
S2：地面接收机通过相控阵列天线的电子切换技术实现波束转向，对低轨卫星的运动轨迹进行跟踪；
S3：根据地面接收机的信号接收角度，在干扰场景下，建立地面接收机的信噪比模型；
S4：根据地面接收机的信噪比模型和地面接收机相控阵列天线的阵元间距建立地面接收机的信噪比偏微分方程组，并进行求解，获得地面接收机相控阵列天线的最优阵元间距；
S5：根据地面接收机相控阵列天线的最优阵元间距，对地面接收机相控阵列天线的阵元间距进行调整，通过调整后的相控阵列天线对低轨卫星发射的太赫兹频段的无线电信号进行接收。
优选地，所述在干扰场景下，建立地面接收机的信噪比模型包括：
令地面接收机的信号接收角度表示为，则在干扰场景下，地面接收机的信噪比 模型表示为：
其中，表示地面接收机的信噪比，表示低轨卫星的发射天线效率、表 示低轨卫星的发射天线增益，表示地面接收机的接收天线效率、表示地面接收机的接 收天线增益，表示低轨卫星发射信号与接收端接收信号之间的对准误差，表示地 面站接收机相控天线阵列输出端的总体噪声温度，表示由于气体引起的路径总损 耗，表示由于云雾引起的路径总衰落，表示由于雨水引起的路径总衰落，为 玻尔兹曼常数，表示低轨卫星的发射功率，为自由空间路径的传播损耗，表示无 线电信号的带宽。
优选地，所述由于气体引起的路径总损耗包括：
其中，表示气层数量，表示第个气层中由于气体引起的大气损耗比， 表示低轨卫星和地面接收机的通信路径在第个气层的长度，表示低轨卫星与地球球心 之间的距离，表示低轨卫星垂直与地球表面的距离。
优选地，所述第个气层中由于气体引起的大气损耗比采用系列或系列模型进行预测，其中，所述气层按次序依次包括：对流层、平流层、中间 层、热层、逃逸层。
优选地，所述由于云雾引起的路径总衰落包括：
其中，表示云雾的底层所处气层的层数；表示云雾的顶层所处气层 的层数；表示云雾在第个气层的衰落比；表示衰落系数，表示云雾 内液态水的密度，表示太赫兹无线电信号的频率，表示云雾的温度；表示低轨 卫星和地面接收机的通信路径在第个气层的长度。
优选地，所述由于雨水引起的路径总衰落包括：
其中，表示雨层所处气层的层数；为降雨衰落比，为米氏常数，为雨滴 截面大小，为雨滴尺寸分布，为雨滴最大直径；表示低轨卫星和地面接收机 的通信路径在第个气层的长度。
优选地，所述地面站接收机相控天线阵列输出端的总体噪声温度包括：
其中，表示地面站接收机内部器件的等效噪声温度，为地面接收机的接收 天线效率，为地面接收机接收天线的物理温度，表示地面站接收机低噪声放大器的 噪声温度，表示地面站接收机混频器的噪声温度，表示地面站接收机中频放大器的 噪声温度，表示地面站接收机天线馈线的噪声温度；GF表示地面站接收机天线馈线的增 益；GLNA表示地面站接收机低噪声放大器的增益；GMX表示地面站接收机混频器的增益；表示地面站接收机天线馈线的损耗；表示太赫兹信号穿过气层时，由于分子 吸收引起的等效噪声温度；表示太赫兹无线电信号的功率谱密度；为玻尔兹曼常 数；表示气层数量；表示第个气层的消光系数；表示低轨卫星和地面接收机之 间的通信路径在第个气层的路径长度，为低轨卫星和地面接收机之间的通信路径的 总路径长度，表示自然常数；表示地面接收机的接收天线增益，表示噪声 源的亮温温度，表示气层积分变量，表示角度积分变量。表示天空下行亮度温度引起 的天线噪声温度，表示由地面上升温度引起的天线噪声温度，均通过表达式进行计 算。
优选地，所述地面接收机的信噪比偏微分方程组包括：
令，表示地面接收机相控阵列天线的第个阵元间 距，带入得到每一个偏微分方程满足如下表达式：，建立地面接收机的信噪比偏 微分方程组，N表示地面接收机相控阵列天线的阵元数量。
本发明至少具有以下有益效果
本发明基于接收优化的低轨卫星太赫兹通信方法，利用太赫兹频段提供星地之间的通信服务，地面站通过相控阵天线的电子可切换技术实现波束转向以便实施跟踪卫星方向，结合星地之间路径上的损耗和等效噪声温度以及接收系统自身的物理温度，给出地面接收端信号的信噪比表达式，对阵元的偏微分方程组进行求解，其结果给出了最优接收下各阵元间距，然后根据该结果进行间距调整，提高接收端的接收功率。
附图说明
图1为本发明的通信系统结构图；
图2为本发明的方法流程示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1和图2，本发明提供一种面向低轨卫星太赫兹通信的终端接收优化方法,包括：
S1：低轨卫星向其扫描覆盖区域内的地面接收机发送太赫兹频段的无线电信号，其中，太赫兹信号频率高，通信速率快；
S2：地面接收机通过相控阵列天线的电子切换技术实现波束转向，对低轨卫星的运动轨迹进行跟踪；在太赫兹频率下，电子切换相控天线相较于传统基于移相器实现跟踪的扫描相控阵天线复杂度更低、效率更高；
S3：根据地面接收机的信号接收角度，在干扰场景下，建立地面接收机的信噪比模型；
优选地，所述在干扰场景下，建立地面接收机的信噪比模型包括：
令地面接收机的信号接收角度表示为，则在干扰场景下，地面接收机的信噪比 模型表示为：
其中，表示地面接收机的信噪比，表示低轨卫星的发射天线效率、表 示低轨卫星的发射天线增益，表示地面接收机的接收天线效率、表示地面接收机的接 收天线增益，表示低轨卫星发射信号与接收端接收信号之间的对准误差，表示地 面站接收机相控天线阵列输出端的总体噪声温度，表示由于气体引起的路径总损 耗，表示由于云雾引起的路径总衰落，表示由于雨水引起的路径总衰落，为 玻尔兹曼常数，表示低轨卫星的发射功率，为自由空间路径的传播损耗，表示无 线电信号的带宽。
优选地，所述由于气体引起的路径总损耗包括：
其中，表示气层数量，表示第个气层中由于气体引起的大气损耗比， 表示低轨卫星和地面接收机的通信路径在第个气层的长度，表示低轨卫星与地球球心 之间的距离，表示低轨卫星垂直与地球表面的距离。
优选地，所述第个气层中由于气体引起的大气损耗比采用系列或系列模型进行预测，其中，所述气层按次序依次包括：对流层、平流层、中间 层、热层、逃逸层。地球大气层从地表起垂直向上，大气层通常分为5层：对流层、平流层、中 间层、热层和外逸层。
优选地，所述由于云雾引起的路径总衰落包括：
其中，表示云雾的底层所处气层的层数；表示云雾的顶层所处气层 的层数；表示云雾在第个气层的衰落比；表示衰落系数，表示云雾 内液态水的密度，表示太赫兹无线电信号的频率，表示云雾的温度；表示低轨 卫星和地面接收机的通信路径在第个气层的长度。
优选地，所述由于雨水引起的路径总衰落包括：
其中，表示雨层所处气层的层数；为降雨衰落比，为米氏常数，为雨滴 截面大小，为雨滴尺寸分布，为雨滴最大直径；表示低轨卫星和地面接收机 的通信路径在第个气层的长度，在本实施例中取4.343×103；表示根据地面站上方 雨层高度定义，例如，当雨层处于气层的中间层时，的值为3。
优选地，所述地面站接收机相控天线阵列输出端的总体噪声温度包括：
其中，表示地面站接收机内部器件的等效噪声温度，为地面接收机的接收 天线效率，为地面接收机接收天线的物理温度，表示地面站接收机低噪声放大器的 噪声温度，表示地面站接收机混频器的噪声温度，表示地面站接收机中频放大器的 噪声温度，表示地面站接收机天线馈线的噪声温度；GF表示地面站接收机天线馈线的增 益；GLNA表示地面站接收机低噪声放大器的增益；GMX表示地面站接收机混频器的增益；表示地面站接收机天线馈线的损耗；表示太赫兹信号穿过气层时，由于分子 吸收引起的等效噪声温度；表示太赫兹无线电信号的功率谱密度；为玻尔兹曼常 数；表示气层数量；表示第个气层的消光系数；表示低轨卫星和地面接收机之 间的通信路径在第个气层的路径长度，为低轨卫星和地面接收机之间的通信路径的 总路径长度，表示自然常数；表示地面接收机的接收天线增益，表示噪声 源的亮温温度，表示气层积分变量，表示角度积分变量。表示天空下行亮度温度引起 的天线噪声温度，表示由地面上升温度引起的天线噪声温度，均通过表达式进行计 算；根据香农定理，信噪比是影响传输速率的最直接因素，通过建立接收端信噪比表达式能 够更直观的反应信道环境质量，以及作为后续相控阵天线调整的基础。一般存在传播损耗 和衰落的情况下，接收端信噪比在10dB~40dB范围内。
S4：根据地面接收机的信噪比模型和地面接收机相控阵列天线的阵元间距建立地面接收机的信噪比偏微分方程组，并进行求解，获得地面接收机相控阵列天线的最优阵元间距；
优选地，所述地面接收机的信噪比偏微分方程组包括：
令，表示地面接收机相控阵列天线的第个阵元间 距，带入得到每一个偏微分方程满足如下表达式：，建立地面接收机的信噪比偏 微分方程组，N表示地面接收机相控阵列天线的阵元数量。使得每个偏微分方程成立的即 是最优阵元间距，能够使得接收端的信噪比最大化，最大程度提高通信效率。
S5：根据地面接收机相控阵列天线的最优阵元间距，对地面接收机相控阵列天线的阵元间距进行调整，通过调整后的相控阵列天线对低轨卫星发射的太赫兹频段的无线电信号进行接收。
通过本发明提供的方法对地面接收机相控阵列天线的阵元间距实时的进行调整，可提高地面接收机的信号接收功率，同时在最佳的信号接收功率小于设定功率阈值的情况下，可以通过增加地面接收机的安装高度、增加地面接收机天线的数量、提高低轨卫星的发射功率、变更地面接收机的位置等方式提高地面接收机的最优信号接收功率，其中，所述设定功率阈值基于具体的业务需求确定，针对不同的业务需求，如常见业务及其对应的接收功率阈值表所示：
常见业务及其对应的接收功率阈值表
业务类型 接收功率阈值区间
卫星广播和电视业务 数微瓦~数毫瓦
卫星互联网业务 数十毫瓦~数百毫瓦
科学和遥感卫星业务 数百毫瓦~数瓦
卫星移动通信 数百毫瓦~数瓦
紧急通信 数十微瓦~数百毫瓦
卫星遥控 数十毫瓦~数瓦
卫星广告 数毫瓦~数十毫瓦
本领域技术人员可根据上述常见业务及其对应的接收功率阈值表设置对应的接收功率阈值，提高地面接收机的接收效率。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳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，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种面向低轨卫星太赫兹通信的终端接收优化方法，其特征在于，包括：
S1：低轨卫星向其扫描覆盖区域内的地面接收机发送太赫兹频段的无线电信号；
S2：地面接收机通过相控阵列天线的电子切换技术实现波束转向，对低轨卫星的运动轨迹进行跟踪；
S3：根据地面接收机的信号接收角度，在干扰场景下，建立地面接收机的信噪比模型；
所述在干扰场景下，建立地面接收机的信噪比模型包括：
令地面接收机的信号接收角度表示为θ0，则在干扰场景下，地面接收机的信噪比模型表示为：
其中，SNR(θ0)表示地面接收机的信噪比，ηT表示低轨卫星的发射天线效率、GT表示低轨卫星的发射天线增益，ηR表示地面接收机的接收天线效率、GR表示地面接收机的接收天线增益，θe表示低轨卫星发射信号与接收端接收信号之间的对准误差，Tsys(θ0)表示地面站接收机相控天线阵列输出端的总体噪声温度，LA(θ0)表示由于气体引起的路径总损耗，LC(θ0)表示由于云雾引起的路径总衰落，LR(θ0)表示由于雨水引起的路径总衰落，kB为玻尔兹曼常数，PT表示低轨卫星的发射功率，LP(θ0)为自由空间路径的传播损耗，B表示无线电信号的带宽；S4：根据地面接收机的信噪比模型和地面接收机相控阵列天线的阵元间距建立地面接收机的信噪比偏微分方程组，并进行求解，获得地面接收机相控阵列天线的最优阵元间距；
S5：根据地面接收机相控阵列天线的最优阵元间距，对地面接收机相控阵列天线的阵元间距进行调整，通过调整后的相控阵列天线对低轨卫星发射的太赫兹频段的无线电信号进行接收。
2.根据权利要求1所述的一种面向低轨卫星太赫兹通信的终端接收优化方法，其特征在于，所述由于气体引起的路径总损耗包括：
其中，M表示气层数量，γi表示第i个气层中由于气体引起的大气损耗比，di(θ0)表示低轨卫星和地面接收机的通信路径在第i个气层的长度，ri表示低轨卫星与地球球心之间的距离，hi表示低轨卫星垂直与地球表面的距离。
3.根据权利要求2所述的一种面向低轨卫星太赫兹通信的终端接收优化方法，其特征在于，所述第i个气层中由于气体引起的大气损耗比γi采用ITU-RP.600系列或ITU-RP.500系列模型进行预测，其中，所述气层按次序依次包括：对流层、平流层、中间层、热层、逃逸层。
4.根据权利要求2所述的一种面向低轨卫星太赫兹通信的终端接收优化方法，其特征在于，所述由于云雾引起的路径总衰落包括：
其中，Mlow表示云雾的底层所处气层的层数；Mhigh表示云雾的顶层所处气层的层数；γci＝KlW(f,T)表示云雾在第i个气层的衰落比；Kl表示衰落系数，W表示云雾内液态水的密度，f表示太赫兹无线电信号的频率，T表示云雾的温度；di(θ0)表示低轨卫星和地面接收机的通信路径在第i个气层的长度。
5.根据权利要求2所述的一种面向低轨卫星太赫兹通信的终端接收优化方法，其特征在于，所述由于雨水引起的路径总衰落包括：
其中，Mr表示雨层所处气层的层数；γr为降雨衰落比，Kr为米氏常数，Q为雨滴截面大小，N为雨滴尺寸分布，ζmax为雨滴最大直径；di(θ0)表示低轨卫星和地面接收机的通信路径在第i个气层的长度。
6.根据权利要求2所述的一种面向低轨卫星太赫兹通信的终端接收优化方法，其特征在于，所述地面站接收机相控天线阵列输出端的总体噪声温度包括：
Tsys(θ0)＝TP+TRX+ηR[TAS(θ0)+TAG(θ0)+TAM(θ0)-TP]
其中，TRX表示地面站接收机内部器件的等效噪声温度，ηR为地面接收机的接收天线效率，TP为地面接收机接收天线的物理温度，TLNA表示地面站接收机低噪声放大器的噪声温度，TMX表示地面站接收机混频器的噪声温度，TIF表示地面站接收机中频放大器的噪声温度，TF表示地面站接收机天线馈线的噪声温度；GF表示地面站接收机天线馈线的增益；GLNA表示地面站接收机低噪声放大器的增益；GMX表示地面站接收机混频器的增益；LF＝1/GF表示地面站接收机天线馈线的损耗；TAM表示太赫兹信号穿过气层时，由于分子吸收引起的等效噪声温度；ST(f)表示太赫兹无线电信号的功率谱密度；kB为玻尔兹曼常数；M表示气层数量；表示第i个气层的消光系数；di(θ0)表示低轨卫星和地面接收机之间的通信路径在第i个气层的路径长度，ds(θ0)为低轨卫星和地面接收机之间的通信路径的总路径长度，e表示自然常数；G(θ,φ)表示地面接收机的接收天线增益，TB(θ,φ)表示噪声源的亮温温度，φ表示气层积分变量，θ表示角度积分变量,TAS表示天空下行亮度温度引起的天线噪声温度，TAG表示由地面上升温度引起的天线噪声温度。
7.根据权利要求2所述的一种面向低轨卫星太赫兹通信的终端接收优化方法，其特征在于，所述地面接收机的信噪比偏微分方程组包括：
令di表示地面接收机相控阵列天线的第i个阵元间距，带入SNR(θ0)得到每一个偏微分方程满足如下表达式：建立地面接收机的信噪比偏微分方程组，N表示地面接收机相控阵列天线的阵元数量。
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