CN110838867B - 一种中低轨卫星星座及其波束设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中低轨卫星星座及其波束设计方法。本发明采用地球匹配波束，补偿了路径差异带来的卫星信号落地电平不一致；在星座内及单星内两个维度上进行波束的排布优化，实现波束的高C/I全覆盖；同时，针对低轨卫星业务分配不均匀的问题，采用发射波束唯相位加权优化提高了波束的功率调整能力。本发明可应用于中低轨多波束卫星及星座的波束优化设计中，具有很强的实用性和市场竞争力。

Description

一种中低轨卫星星座及其波束设计方法

技术领域

本发明属于中低轨卫星星座通信天线技术领域，涉及一种提高星座中波束性能及功率调配能力的优化方法。

背景技术

低轨卫星具有轨道高度低、传输时延低、用户终端小型化及可全球无缝覆盖等优点。国外的低轨卫星***已发展多年，以铱星***和全球星***为代表的第一代低轨系已在轨组网并成功运行，并在不断的升级和完善；以一网及星链为代表的第二代低轨***也势头正猛，相继发射了试验卫星。

目前，我国也正在着力发展自己的低轨卫星星座，包括鸿雁星座、虹云星座等相继发射试验卫星，组网卫星也都在研制中。建设低轨卫星星座***需要攻关和解决一系列的关键技术问题，其中波束间干扰及频率资源分配就是特别关键的问题之一。低轨卫星全球飞行，其业务随时间及地域的分布极为不均匀，为保证用户的随时接入，低轨卫星星座波束采取全球的无缝覆盖，对于发射波束而言，业务的不均匀对其功率调配能力有很强的需求，可以使***具备更强的服务能力，并能有效减少卫星功耗。

现有文献查阅到的波束排布及频率分配方案主要是基于地面移动通信***或者是高轨卫星通信***而提出来的。以往的频率分配算法或方案是建立在小区或者波束对地静态分布的基础上，而且各个波束或者小区的用户数量可以提前进行评估给出，进而可以采用频率最优分配算法进行分配。而中低轨卫星***的特点是整个卫星星座在不断变化，卫星间的相对位置关系变化复杂，波束间及波束内的业务分配动态范围大，业务随时间及地域的分布极为不均匀。可以查阅到的频率资源分配方案或算法不适合中低轨移动卫星星座***，也不能解决整个卫星星座的波束资源分配工程实现问题。

目前国际上研制成功并投入使用的低轨卫星星座有GlobalStar I代、GlobalStarII代、Iridium***和Iridium Next***。但其并没有公开或提出其波束排布及频率分配方案。除此之外，从公开文献资料中可以看出，GlobalStar I代、GlobalStar II代及IridiumI代卫星均采用的分区域的子阵级波束形成，其功率调配能力非常有限。Iridium Next***采用直射阵方案，全阵面参与波束形成，但公开报道文件中未对其功率集中能力进行描述。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种中低轨卫星的波束设计方法，针对卫星间的相对位置关系变化复杂，波束间及波束内的业务分配动态范围大，业务随时间及地域的分布极为不均匀的问题，可以同有效提高波束C/I及功率动态调配能力。

本发明的技术解决方案是：一种中低轨卫星星座波束设计方法，所述星座分为M个轨道面，每个轨道面上运行N颗卫星，每颗卫星包括多对波束，一对波束包括发射波束和接收波束，该方法包括如下步骤：

(1)、根据单颗卫星覆盖区范围、覆盖区边缘增益、波束的C/I要求，对任一轨道上的单独每颗卫星，按照如下原则排布多对波束：同频波束间具有一定的空间隔离，同频波束之间具有相应的方向图抑制，防止相互干扰，使每个天线波束的载波干扰比满足预设要求，多对波束共同满足覆盖单颗卫星覆盖区范围要求，并保证覆盖区边缘增益；

(2)、对于同一轨道面的相邻两颗卫星，其在星座运行过程中相对位置固定，调整发送同频波束的位置，使得同频波束具有一定的空间隔离，保证相邻两颗星的公共星下覆盖区的波束增益满足覆盖区边缘增益要求，同频波束的载波干扰比满足要求；

(3)、切换轨道面，按照相邻轨道面卫星选用不同频率波束的原则，重复执行步骤(1)～(2)，排布星座中其他轨道面上卫星的波束，使得星座中的所有卫星多对波束共同覆盖整个星座预设的星下覆盖区，保证整个星座覆盖区的波束增益满足覆盖区边缘增益要求波束载波干扰比满足预设的波束的C/I要求。

所述发射波束和接收波束均为地球匹配波束。

所述步骤(1)的具体步骤如下：

(1.1)、根据覆盖区边缘增益、单颗卫星的覆盖范围及卫星与地球的距离，按照发射波束和接收波束均为地球匹配波束的约束条件，预估波束数量N；

(1.2)、根据单颗卫星覆盖区范围将覆盖区分为若干圈，相邻外圈的波束数量为内圈波束数量的整数倍；同时，每个波束的中心角与方位角或方位角与中心角之比应小于1.5；依据此大致确定单颗星下的波束排布；

(1.3)、星下点区域的波束，每个波束布置不同频率；

(1.4)、单星覆盖区内其余区域，依据同频波束间具有一定的空间隔离的原则，布置其余波束的频率；

(1.5)、每一个发射波束，采用唯相位加权波束优化，对所有波束进行仿真，得到所有波束的方向图集合；

(1.6)、判断卫星覆盖区内的增益及同频波束载波干扰比是否满足要求，如果不满足，则调整波束的波束排布及频率划分，重新执行步骤(1.3)～步骤(1.6)，直至卫星覆盖区内的增益及同频波束载波干扰比满足要求。

所述步骤(1.5)对所有波束进行仿真时，设定每个发射通道的幅度权值相同、工作状态相同，根据不同的功率调配模式，对发射波束进行功率调配，所述功率调配模式包括平均负荷模式和功率集中模式，具体为：

平均负荷模式下，所有波束的幅度权值相同，射频发射功率平均分配给所有波束；

功率集中模式下，射频发射功率集中于一个或若干波束；

本发明提供的另一个技术解决方案是：一种中低轨卫星星座，所述星座分为M个轨道面，每个轨道面上运行N颗卫星，每颗卫星包括多对波束，每一对波束包括发射波束和接收波束，多对波束按照如下原则排布：

(s1)、对于任一轨道上的单独每颗卫星，同频波束间具有一定的空间隔离，且具有相应的方向图抑制，多对波束共同覆盖整个卫星预设的星下覆盖区，保证星下覆盖区的波束增益和载波干扰比满足预设的要求；

(s2)、对于同一轨道面的相邻两颗卫星，同一轨道面的卫星的同频波束具有一定的空间隔离，保证相邻两颗星的星下覆盖区的波束增益和载波干扰比满足预设的要求；

(s3)、对于相邻轨道面卫星，选用不同频率的波束；

(s4)、星座中所有卫星的多对波束共同覆盖整个星座预设的星下覆盖区，保证整个星座覆盖区的波束增益和载波干扰比满足预设的要求。

所述发射波束和接收波束均为地球匹配波束。

所述发射波束为通过唯相位加权优化得到。

所述每一颗卫星包括数字波束形成网络、L个射频通道、包含L个天线单元的天线阵面；

数字波束形成网络预先存储了各波束的幅度和相位权值，对发射波束根据预设的功率调配模式，调配波束的功率；所述功率调配模式包括平均负荷模式和功率集中模式，平均负荷模式下，所有波束的幅度权值相同，将射频功率平均分配给所有波束；在功率集中模式时，发射功率集中于指定的一个或若干波束，数字波束形成网络输出L路信号，该L路信号分别经过L个射频通道放大、滤波后馈入到L个天线单元，形成若干发射波束辐射出去。

所述天线阵面为平面直射阵。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)、采用本发明的波束排布策略及频率复用策略，使异轨相邻卫星及同轨相邻卫星间不存在同频波束交叠，在满足***需求的覆盖范围的基础上，减少了星座***波束调度的复杂度，降低了卫星星座中波束的开启关闭变化以及波束中子带的频繁分配变化，同时波束增益及波束C/I也满足***需求。

(2)、本发明采用地球匹配波束，补偿了路径差异带来的卫星信号落地电平不一致。

(3)、本发明采用发射波束唯相位加权，使波束具备0～100％的功率调配能力；采用新的波束排布优化算法，结合星座与单星内的排布策略，可同时在单星内可在唯相位加权的地球匹配赋形下，具有较高的波束C/I，保证有较好的链路质量且有利于星座的波束管控。

(4)、针对低轨移动通信卫星业务分配不均匀，工作时动态范围大的特点，本方案采用了新的设计方法，发射波束采用唯相位加权，全覆盖工作模式时，每波束的发射功率相同；单波束集中模式工作时，可以达到100％的功率集中能力，提高了天线的功率调整能力，降低了整星功耗。

附图说明

图1为本发明实施例12频点复用波束划分示意图；

图2为本发明实施例同轨道相邻轨道卫星波束交叠情况

图3为本发明实施例发射波束等增益覆盖范围；

图4为本发明实施例发射波束C/I大于18dB范围。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种中低轨卫星提高C/I及功率动态调配能力的波束设计方法，针对发射波束，为提高射频通道的功放的效率，采用波束的唯相位加权。对于单星内波束，为了尽量提高C/I，同频波束间应有一定的空间隔离，且同频波束之间需要具有相应的方向图抑制。由于低轨卫星覆盖区内链路距离变化大，采用地球匹配波束设计后，边缘波束的副瓣对星下波束的影响增加，采用唯相位加权后，波束优化能力下降，更加恶化了对星下波束的影响。为了提高星下波束的C/I，采用了单星内不等复用次数设计。发射天线采用唯相位加权后，平均负荷模式下工作时，对于一个射频通道而言，所有波束的幅度权值相同，射频功率平均分配给所有波束；在功率集中模式时，射频通道的所有功率集中于一个或若干波束；对于一个波束，可提供0～100％功率的动态调配能力。

以某一卫星星座为例，该星座分为M个轨道面，每个轨道面上运行N颗卫星，每颗卫星包括多对波束，一对波束包括发射波束和接收波束，本发明提供的一种中低轨卫星波束设计方法包括如下步骤：

(1)、根据单颗卫星覆盖区范围、覆盖区边缘增益、波束的C/I要求，对任一轨道上的单独每颗卫星，按照如下原则排布多对波束：同频波束间具有一定的空间隔离，同频波束之间具有相应的方向图抑制，防止相互干扰，使每个天线波束的载波干扰比满足预设要求，多对波束共同满足覆盖单颗卫星覆盖区范围要求，并保证覆盖区边缘增益；

具体步骤如下：

(1.1)、根据覆盖区边缘增益、单颗卫星的覆盖范围及卫星与地球的距离，按照发射波束和接收波束均为地球匹配波束的约束条件，预估波束数量N；

(1.2)、根据单颗卫星覆盖区范围将覆盖区分为若干圈，相邻外圈的波束数量为内圈波束数量的整数倍；同时，每个波束的中心角与方位角或方位角与中心角之比应小于1.5；依据此大致确定单颗星下的波束排布；

(1.3)、星下点区域的波束，每个波束布置不同频率；

(1.4)、单星覆盖区内其余区域，依据同频波束间具有一定的空间隔离的原则，布置其余波束的频率；

(1.5)、每一个发射波束，采用唯相位加权波束优化，对所有波束进行仿真，得到所有波束的方向图集合；

本步骤对所有波束进行仿真时，设定每个发射通道的幅度权值相同、工作状态相同，根据不同的功率调配模式，对发射波束进行功率调配，所述功率调配模式包括平均负荷模式和功率集中模式，具体为：

平均负荷模式下，所有波束的幅度权值相同，射频发射功率平均分配给所有波束；

功率集中模式下，射频发射功率集中于一个或若干波束；

(1.6)、判断卫星覆盖区内的增益及同频波束载波干扰比是否满足要求，如果不满足，则调整波束的波束排布及频率划分，重新执行步骤(1.3)～步骤(1.6)，直至卫星覆盖区内的增益及同频波束载波干扰比满足要求。

(2)、对于同一轨道面的相邻两颗卫星，其在星座运行过程中相对位置固定，调整发送同频波束的位置，使得同频波束具有一定的空间隔离，保证相邻两颗星的公共星下覆盖区的波束增益满足覆盖区边缘增益要求，同频波束的载波干扰比满足要求；

(3)、切换轨道面，按照相邻轨道面卫星选用不同频率波束的原则，重复执行步骤(1)～(2)，排布星座中其他轨道面上卫星的波束，使得星座中的所有卫星多对波束共同覆盖整个星座预设的星下覆盖区，保证整个星座覆盖区的波束增益满足覆盖区边缘增益要求波束载波干扰比满足预设的波束的C/I要求。

基于上述方法，本发明还提供了一种中低轨卫星星座，该星座分为M个轨道面，每个轨道面上运行N颗卫星，每颗卫星包括多对波束，每一对波束包括发射波束和接收波束，所述发射波束和接收波束均为地球匹配波束。多对波束按照如下原则排布：

(s1)、对于任一轨道上的单独每颗卫星，同频波束间具有一定的空间隔离，且具有相应的方向图抑制，多对波束共同覆盖整个卫星预设的星下覆盖区，保证星下覆盖区的波束增益和载波干扰比满足预设的要求；

(s2)、对于同一轨道面的相邻两颗卫星，同一轨道面的卫星的同频波束具有一定的空间隔离，保证相邻两颗星的星下覆盖区的波束增益和载波干扰比满足预设的要求；

(s3)、对于相邻轨道面卫星，选用不同频率的波束；

(s4)、星座中所有卫星的多对波束共同覆盖整个星座预设的星下覆盖区，保证整个星座覆盖区的波束增益和载波干扰比满足预设的要求。

所述每一颗卫星包括数字波束形成网络(3)、L个射频通道(2)、包含L个天线单元的天线阵面(1)；

数字波束形成网络(3)预先存储了各波束的幅度和相位权值，对发射波束根据预设的功率调配模式，调配波束的功率；所述功率调配模式包括平均负荷模式和功率集中模式，平均负荷模式下，所有波束的幅度权值相同，将射频功率平均分配给所有波束；在功率集中模式时，发射功率集中于指定的一个或若干波束，数字波束形成网络(3)输出L路信号，该L路信号分别经过L个射频通道(2)放大、滤波后馈入到L个天线单元(1)，形成若干发射波束辐射出去。

本发明中，天线采用直射阵方案，采用数字波束形成，且发射波束采用唯相位加权方案，可实现每个波束0～100％的功率调配能力。采用新的频率划分策略，可在全覆盖模式下，具有较高的C/I，保证较好的链路质量。

为了验证本发明方法能够有效的实现波束性能优化，下面给出本发明方法的一个具体验证例。

验证例1：

本验证例的方法，采用卫星星座模拟我国低轨全球移动卫星***-鸿雁星座，6个轨道面，每个轨道面9颗卫星，倾角86度，轨道高度1100公里，L波段7M用户带宽，每颗卫星有52个赋形波束。单星内用户带宽划分成12个子带，即波束采用12频点种频点复用。

以发射天线波束优化为例：

根据***链路预算，卫星覆盖星下±58°，发射天线在覆盖区边缘波束增益大于17.5dB，共包含有52波束，12种频点复用频点，波束C/I大于18dB。

首先对波束排布进行优化，优化策略为：1、单星内共包含52波束，波束分三圈，星下4波束，第二圈16波束，第三圈32波束，采用12种频点复用频点。2、为了保证波束间C/I，同频波束间隔大于3个波位。3、不同轨道面卫星使用频率不同，无同频波束交叠。4、同一轨道面卫星使用相同频率，波束排布时相邻卫星的同频波束不可重叠。5、采用不等复用次数排布。

由于低轨卫星覆盖区内链路距离变化大，采用波束地球匹配可提供更加有效的覆盖，但地球匹配波束设计后，边缘波束的副瓣对星下波束的影响增加，采用唯相位加权后，波束优化能力下降，更加恶化了对星下波束的影响。为了满足C/I≥18dB的指标要求，采用了单星内不等复用次数设计。单星内一共有52个波束，如附图1所示，图中数字为波束编号字母为频率编号

星下4波束每波束复用1个频点，共4种不同的频点；剩余48个波束复用8频点。其中，中心波束范围为0～32°，第二圈波束为32°～48°，外圈为48°～58°。附图2中为同轨道相邻两颗星波束交叠示意图，可以看到，同轨道相邻星之间可避免同频波束交叠。相邻轨道间频率不同，不存在交叠问题，同时可以在***进行频率资源的均衡。

附图3中所示为发射波束落地等效增益大于17.5dB范围覆盖示意图。可以实现对星下±58°范围的100％覆盖。

附图4中所示为单星内发射波束C/I优化设计结果，中心4波束未复用，图中未画出。可以看出，波束C/I≥18dB。

在本发明中，发射波束采用唯相位加权，全覆盖工作模式时，每波束的发射功率相同，单波束发射功率为总发射功率的52分之1；单波束或少数波束的集中模式工作时，可以达到100％的功率集中于工作波束中的能力。对于单波束而言，可以提供0～100％的功率调配能力。

综上所述，本发明提供的新型波束设计方法，优化后的波束排布对于星座波束布局策略简单；具有较好的天线性能，波束的C/I高；对于发射波束，射频通道的效率高，且波束具有0～100％的功率调配能力。具有很强的市场竞争力和广阔的应用前景。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.一种中低轨卫星星座波束设计方法，所述星座分为M个轨道面，每个轨道面上运行N颗卫星，每颗卫星包括多对波束，一对波束包括发射波束和接收波束，M和N均大于等于1，其特征在于包括如下步骤：

(1)、根据单颗卫星覆盖区范围、覆盖区边缘增益、波束的C/I要求，对任一轨道上的单独每颗卫星，按照如下原则排布多对波束：同频波束间具有一定的空间隔离，同频波束之间具有相应的方向图抑制，防止相互干扰，使每个天线波束的载波干扰比满足预设要求，多对波束共同满足覆盖单颗卫星覆盖区范围要求，并保证覆盖区边缘增益；

具体步骤如下：

(1.1)、根据覆盖区边缘增益、单颗卫星的覆盖范围及卫星与地球的距离，按照发射波束和接收波束均为地球匹配波束的约束条件，预估波束数量N；

(1.2)、根据单颗卫星覆盖区范围将覆盖区分为若干圈，相邻外圈的波束数量为内圈波束数量的整数倍；同时，每个波束的中心角与方位角或方位角与中心角之比应小于1.5；依据此大致确定单颗星下的波束排布；

(1.3)、星下点区域的波束，每个波束布置不同频率；

(1.4)、单星覆盖区内其余区域，依据同频波束间具有一定的空间隔离的原则，布置其余波束的频率；

(1.5)、每一个发射波束，采用唯相位加权波束优化，对所有波束进行仿真，得到所有波束的方向图集合；

(1.6)、判断卫星覆盖区内的增益及同频波束载波干扰比是否满足要求，如果不满足，则调整波束的波束排布及频率划分，重新执行步骤(1.3)～步骤(1.6)，直至卫星覆盖区内的增益及同频波束载波干扰比满足要求；

(2)、对于同一轨道面的相邻两颗卫星，其在星座运行过程中相对位置固定，调整发送同频波束的位置，使得同频波束具有一定的空间隔离，保证相邻两颗星的公共星下覆盖区的波束增益满足覆盖区边缘增益要求，同频波束的载波干扰比满足要求；

(3)、切换轨道面，按照相邻轨道面卫星选用不同频率波束的原则，重复执行步骤(1)～(2)，排布星座中其他轨道面上卫星的波束，使得星座中的所有卫星多对波束共同覆盖整个星座预设的星下覆盖区，保证整个星座覆盖区的波束增益满足覆盖区边缘增益要求波束载波干扰比满足预设的波束的C/I要求。

2.根据权利要求1所述的一种中低轨卫星星座波束设计方法，其特征在于所述发射波束和接收波束均为地球匹配波束。

3.根据权利要求1所述的一种中低轨卫星星座波束设计方法，其特征在于：所述步骤(1.5)对所有波束进行仿真时，设定每个发射通道的幅度权值相同、工作状态相同，根据不同的功率调配模式，对发射波束进行功率调配，所述功率调配模式包括平均负荷模式和功率集中模式，具体为：

平均负荷模式下，所有波束的幅度权值相同，射频发射功率平均分配给所有波束。

功率集中模式下，射频发射功率集中于一个或若干波束；

4.一种中低轨卫星星座，其特征在于所述星座分为M个轨道面，每个轨道面上运行N颗卫星，每颗卫星包括多对波束，每一对波束包括发射波束和接收波束，M和N均大于等于1，多对波束按照如下原则排布：

(s1)、对于任一轨道上的单独每颗卫星，同频波束间具有一定的空间隔离，且具有相应的方向图抑制，多对波束共同覆盖整个卫星预设的星下覆盖区，保证星下覆盖区的波束增益和载波干扰比满足预设的要求；

(s2)、对于同一轨道面的相邻两颗卫星，同一轨道面的卫星的同频波束具有一定的空间隔离，保证相邻两颗星的星下覆盖区的波束增益和载波干扰比满足预设的要求；

(s3)、对于相邻轨道面卫星，选用不同频率的波束；

(s4)、星座中所有卫星的多对波束共同覆盖整个星座预设的星下覆盖区，保证整个星座覆盖区的波束增益和载波干扰比满足预设的要求

所述每一颗卫星包括数字波束形成网络(3)、L个射频通道(2)、包含L个天线单元的天线阵面(1)；

数字波束形成网络(3)预先存储了各波束的幅度和相位权值，对发射波束根据预设的功率调配模式，调配波束的功率；所述功率调配模式包括平均负荷模式和功率集中模式，平均负荷模式下，所有波束的幅度权值相同，将射频功率平均分配给所有波束；在功率集中模式时，发射功率集中于指定的一个或若干波束，数字波束形成网络(3)输出L路信号，该L路信号分别经过L个射频通道(2)放大、滤波后馈入到L个天线单元(1)，形成若干发射波束辐射出去。

5.根据权利要求4所述的一种中低轨卫星星座，其特征在于所述发射波束和接收波束均为地球匹配波束。

6.根据权利要求4所述的一种中低轨卫星星座，其特征在于所述发射波束为通过唯相位加权优化得到。

7.根据权利要求4所述的一种中低轨卫星星座，其特征在于所述天线阵面(1)为平面直射阵。

Images