CN115021795B - 一种用于ngso卫星终端的空中平台监测能力估计方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于NGSO卫星终端的空中平台监测能力估计方法及***，对地面终端、卫星星座***、空中平台进行建模，然后将地面终端周围空间以球面或平面均匀剖分网格化，计算每个时刻每个网格能接收到地面终端信号的空间概率和特定网格在一定时间段内能接收到地面终端信号的时间概率，并对空中平台的信号发现范围和概率统计分析，估计空中平台的监测能力。本发明不受地面终端和空中平台类型的限制，能够更直观、方便、高效地评估空中平台的信号发现能力，为空中平台的建设规划和使用提供理论支撑。
Description
技术领域
本发明属于卫星通信及无线电传播技术领域，具体涉及一种用于NGSO卫星终端的空中平台监测能力估计方法及***。
背景技术
全球移动通信的高速发展和小卫星的逐步成熟，使得星座化、高通量、小型化的中低轨卫星通信***成为主流趋势。中低轨卫星通信***的传输时延短，传播损耗小，可靠性高，多星组网可实现全球覆盖，通过与地面通信融合，协同打造空天地一体的网络，真正实现全球互联。目前不少厂商成功研制出低成本、高速率、小型化、全自动的非静止轨道卫星通信终端，具有广阔的应用市场。
面对非静止轨道卫星地面终端小型化、多样化、简易化的趋势，应用场景越来越广泛，使用频次越来越高，操作人员逐渐非专业化，导致电磁环境日益复杂，电磁干扰愈发频繁，使得相关管理部门的工作更具困难和挑战性。由于地面终端与非静止轨道卫星进行通信，终端天线的主射方向一般是对空，且主射方向不是固定的，会随着卫星的移动而转动，采用地面测试设备很难有效接收到终端信号，因此采用空中平台进行终端信号测试。空中平台通过在无人机、热气球等平台上搭载信号接收设备实现一定区域内的信号监测。但是空中平台的使用需要进行建档登记报备，不具备开展大规模长时间测试的条件。因此目前针对非静止轨道卫星地面终端的空中平台尚处于研究阶段，没有现成的平台***可供使用，具体的信号发现能力有待评估。
空中平台的信号发现能力与卫星地面终端的工作频率、发射功率、天线方向图、天线工作方式、平台天线及接收机等参数有关，为了更好地利用空中平台开展监测工作，需要对空中平台的信号发现能力进行估计，目前针对非静止轨道卫星地面终端的空中平台能力估计方法尚没有公开的方法和文献介绍。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种用于NGSO卫星终端的空中平台监测能力估计方法及***，不受地面终端和空中平台类型的限制，能够更直观、方便、高效地评估空中平台的信号发现能力，为空中平台的建设规划和使用提供理论支撑。
本发明采用以下技术方案：
本发明一种用于NGSO卫星终端的空中平台监测能力估计方法，包括以下步骤：
S1、选择非静止轨道卫星地面终端的类型和位置，确定地面终端的发射功率和天线指标参数以及终端位置的经纬度信息，根据地面终端参数对终端天线进行建模，得到发射天线的方向图；
S2、根据步骤S1选择的地面终端对应的卫星星座***确定***轨道参数，建立卫星星座***的轨道模型，计算卫星星座***内所有卫星在设定时间段内每个时刻的位置；
S3、根据步骤S2的卫星星座***确定地面终端的跟星方式，并利用步骤S1确定的终端位置经纬度信息和步骤S2中每个时刻卫星的位置计算地面终端在设定时间段内每个时刻的方位角和俯仰角数据，将每个时刻的方位角和俯仰角数据作为指向数据，使用单位向量表示得到指向数据向量；
S4、以步骤S1选择的地面终端为原点位置，将周围待估计空间以多个球面或平面均匀网格化划分，计算每个网格点的单位坐标向量；
S5、根据步骤S3的指向数据向量和步骤S4的网格点单位坐标向量，利用向量内积计算每个时刻空间每个网格点相对于地面终端的离轴角，根据步骤S1的终端天线方向图和离轴角计算每个时刻地面终端发射天线在每个网格点方向的增益，并根据步骤S4中的网格点单位坐标向量计算地面终端和每个网格点的距离，根据距离得到地面终端到每个网格点的路径损耗；
S6、选择待估计的空中平台***的类型，确定空中平台***的噪声温度，接收天线类型及增益，根据***噪声温度计算空中平台***的背景噪声功率，并根据天线类型对平台接收天线进行建模，得到接收天线的方向图，计算出接收天线在地面终端方向的增益；
S7、利用步骤S1中地面终端的发射功率参数、步骤S5中每个时刻地面终端发射天线在每个网格点方向的增益和地面终端到每个网格点的路径损耗、步骤S6中接收天线在地面终端方向的增益计算每个时刻地面终端传输到每个网格点的信号功率，结合步骤S6的背景噪声功率确定网格点的信噪比，当网格点的信噪比大于3dB时，空中平台***能够接收到地面终端的信号；
S8、根据步骤S7中每个时刻地面终端传输到每个网格点的信号功率计算某个时刻特定球面或平面内接收到地面终端信号的空间概率分布，及所有网格点设定时间段内接收到地面终端信号的时间概率分布，确定空中平台***的信号发现范围和概率，完成空中平台***监测能力估计。
具体的，步骤S1中，地面终端参数包括地面终端与卫星星座***的工作频率f、地面终端的发射功率Pes、带宽B、天线最大增益G0、天线方向图、天线口径D、极化方式、波束宽度BW和最低工作仰角Phi0。
具体的，步骤S2中，卫星星座***轨道参数包括半长轴、偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角和平近点角，根据卫星星座***的轨道模型确定卫星星座***的轨道数量、卫星总数量、轨道高度、轨道倾角、轨道面数量、每个轨道面卫星数、相邻轨道面相位差、同一轨道内相邻卫星间相位偏移和卫星最大通信范围信息。
具体的，步骤S3中，地面终端天线指向数据单位向量Ves(t)为：
Ves(t)＝[cos(phi(t))*cos(theta(t))，cos(phi(t))*sin(theta(t))，sin(phi(t))]
其中，phi(t)为地面终端在设定时间段内每个时刻的俯仰角，theta(t)为地面终端在设定时间段内每个时刻的方位角。
具体的，步骤S4中，将地面终端周围待估计空间以多个球面或平面均匀网格化划分具体为：
球面模型为以地面终端为球心，方位角取值为thetagrid＝0～360°，俯仰角取值为phigrid＝0～90°，半径R0的半球面，采用六面体网格均匀划分；
平面模型为平行于地面，离地面高度H0，中心在地面投影离地面终端距离D0、大小为L1*L2的平面，采用线性网格均匀划分。
具体的，步骤S5中，每个时刻空间每个网格点相对于地面终端的离轴角angle(t)为：
angle(t)＝arccos(Ves(t).Vgrid(t))*180/Π
其中，Ves(t)为每个时刻地面终端指向数据的单位向量，Vgrid(t)为每个网格点的单位坐标向量。
具体的，步骤S5中，地面终端到每个网格点的路径损耗采用自由空间传输模型，路径损耗Lbf为：
Lbf＝32.5+20*log10(dgrid)+20*log10(f*1000)
其中，f为工作频率，dgrid为地面终端到每个网格点的距离。
具体的，步骤S6中，空中平台***的背景噪声功率P0为：
P0＝10*log10(k*T0*B0)
其中，k为玻尔兹曼常量，T0为***噪声温度，B0为***带宽。
具体的，步骤S7中，网格点的信噪比△P为：
△P＝P-P0
其中，P为每个时刻地面终端传输到每个网格点的信号功率，P0为空中平台***的背景噪声功率。
第二方面，本发明实施例提供了一种用于NGSO卫星终端的空中平台监测能力估计***，包括：
终端模块，选择非静止轨道卫星地面终端的类型和位置，确定地面终端的发射功率和天线指标参数以及终端位置的经纬度信息，根据地面终端参数对终端天线进行建模，得到发射天线的方向图；
卫星模块，根据终端模块选择的地面终端对应的卫星星座***确定***轨道参数，建立卫星星座***的轨道模型，计算卫星星座***内所有卫星在设定时间段内每个时刻的位置；
指向模块，根据卫星模块的卫星星座***确定地面终端的跟星方式，并利用终端模块确定的终端位置经纬度信息和卫星模块中每个时刻卫星的位置计算地面终端在设定时间段内每个时刻的方位角和俯仰角数据，将每个时刻的方位角和俯仰角数据作为指向数据，使用单位向量表示得到指向数据向量；
划分模块，以终端模块选择的地面终端为原点位置，将周围待估计空间以多个球面或平面均匀网格化划分，计算每个网格点的单位坐标向量；
损耗模块，根据指向模块的指向数据向量和划分模块的网格点单位坐标向量，利用向量内积计算每个时刻空间每个网格点相对于地面终端的离轴角，根据终端模块的终端天线方向图和离轴角计算每个时刻地面终端发射天线在每个网格点方向的增益，并根据划分模块中的网格点单位坐标向量计算地面终端和每个网格点的距离，根据距离得到地面终端到每个网格点的路径损耗；
平台模块，选择待估计的空中平台***的类型，确定空中平台***的噪声温度，接收天线类型及增益，根据***噪声温度计算空中平台***的背景噪声功率，并根据天线类型对平台接收天线进行建模，得到接收天线的方向图，计算出接收天线在地面终端方向的增益；
计算模块，利用终端模块中地面终端的发射功率参数、损耗模块中每个时刻地面终端发射天线在每个网格点方向的增益和地面终端到每个网格点的路径损耗、平台模块中接收天线在地面终端方向的增益计算每个时刻地面终端传输到每个网格点的信号功率，结合平台模块的背景噪声功率确定网格点的信噪比，当网格点的信噪比大于3dB时，空中平台***能够接收到地面终端的信号；
估计模块，根据计算模块中每个时刻地面终端传输到每个网格点的信号功率计算某个时刻特定球面或平面内接收到地面终端信号的空间概率分布，及所有网格点设定时间段内接收到地面终端信号的时间概率分布，确定空中平台***的信号发现范围和概率，完成空中平台***监测能力估计。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种用于NGSO卫星终端的空中平台监测能力估计方法，对地面终端、卫星星座***、空中平台进行建模，可以更准确真实地反映实际***的信号接收情况，不需要通过开展大规模长时间的空中平台***测试实验，大幅减少了人力物力投入，且能够在短时间内高效可靠地计算出空中平台的信号接收范围和概率，估计空中平台的监测能力，为空中平台监测策略提供理论依据和指导。
进一步的，地面终端与卫星星座***的工作频率f、天线最大增益G0、天线方向图、天线口径D、极化方式、波束宽度BW和最低工作仰角Phi0等参数是表征地面终端发射天线特征的重要指标，利用这些指标可以对终端发射天线进行建模，直观准确地得到发射天线的三维方向图，获取终端天线在不同方位角和俯仰角的增益。地面终端的发射功率Pes指在给定频段内(具有一定的带宽B)的能量，是衡量发射信号大小的重要指标，决定信号的传输距离与覆盖范围。信号发射功率越大，越可能被空中平台监测接收到。
进一步的，根据卫星星座***轨道参数建立星座***轨道模型，需要进行大量高精度的数值仿真计算，可以精确计算不同时刻不同星座***内所有卫星的位置，直观方便灵活地对星座***内所有卫星的运行轨迹进行全面的把握，为后续地面终端通信的指向数据计算提供卫星基础信息。
进一步的，由于每一时刻地面终端可能在两颗或两颗以上卫星的覆盖范围内，根据跟星方式不同地面终端选择对应的卫星进行通信，但是由于卫星是不断运动的，不同时刻卫星位置不同。另外，每一时刻地面终端可能面临通信卫星的切换，因此地面终端天线的指向是随时间变化的，每一时刻的指向可用地理方位角和俯仰角来表示，将地面终端天线每一时刻的指向数据用单位向量表示方便后续计算其在特定方向的增益。
进一步的，终端发射天线在不同方向的增益不同，为了充分表征地面终端周围空间的信号接收情况，将周围空间以球面或平面网格化划分，划分网格越精细，越能精确反应终端发射信号的传播特性，但会加大仿真计算时长，因此应进行大量的仿真计算来选择合适的网格步进。
进一步的，地面终端天线的方向图是三维的，但方向图在水平方向一般是对称的，根据终端天线的离轴角可以计算天线在特定方向的增益。通常两个向量之间的夹角可以通过向量内积得到，终端天线的指向向量和网格点单位向量的夹角即为网格点相对于终端天线的离轴角。
进一步的，利用空中平台进行地面终端信号的接收测试，需要精确计算地面终端信号到空中平台之间的路径损耗。根据电磁兼容分析经验可采用自由空间传播模型计算路径损耗，该路径损耗与终端发射天线的工作频段和传输距离有关。
进一步的，空中平台***主要包括天线、接收机和存储单元三部分，为满足不同的测试需求，需要选用不同频段和不同指标的天线及接收机，使得平台***噪声温度不同。根据选择的空中平台***，确定***噪声温度，计算空中平台***在1Hz带宽内的背景噪声。
进一步的，空中平台接收信号的信噪比为接收到的信号功率与***背景噪声的比值，一般用dB表示。信噪比越大，空中平台更容易从背景噪声中提取出质量可靠的信号。不同的应用场景需要的信噪比要求不同，工程经验上如果只接收信号，信噪比大于3dB可正常接收信号，如果要建立通信，信噪比通常需要大于十几个dB。
可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。
综上所述，本发明通过将地面终端周围空间网格化，计算每个网格点的接收信号功率，推算整个空间能接收到信号的概率分布和单个网格点能接收到信号的时间概率分布，统计分析空中平台的信号发现范围和发现概率，能够为空中平台使用策略研究提供参考，具有较强的实用价值。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为地面终端指向数据生成流程图；
图3为球面模型示意图；
图4为平面模型示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合，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。
应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述预设范围等，但这些预设范围不应限于这些术语。这些术语仅用来将预设范围彼此区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一预设范围也可以被称为第二预设范围，类似地，第二预设范围也可以被称为第一预设范围。
取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种用于NGSO卫星终端的空中平台监测能力估计方法，通过对地面终端、卫星星座***、空中平台进行建模，然后将地面终端周围空间以球面或平面均匀剖分网格化，计算每个时刻每个网格能接收到地面终端信号的空间概率和特定网格在一定时间段内能接收到地面终端信号的时间概率，对信号发现范围和概率统计分析，估计空中平台的监测能力。不受地面终端和空中平台类型的限制，能够更直观、方便、高效地评估空中平台的信号发现能力，能够为空中平台使用策略研究提供参考，具有较强的实用价值。
请参阅图1，本发明一种用于NGSO卫星终端的空中平台监测能力估计方法，包括以下步骤：
S1、选择非静止轨道卫星地面终端的类型和位置，确定地面终端发射功率和天线参数，根据地面终端参数对终端发射天线进行建模，得到发射天线的方向图；
地面终端的位置用地理经纬度来表示，地面终端参数包括地面终端与卫星星座***的工作频率f(GHz)、地面终端的发射功率Pes(dBW)、带宽B(MHz)、天线最大增益G0(dBi)、天线方向图、天线口径D(m)、极化方式、波束宽度BW(°)、最低工作仰角Phi0(°)。
将地面终端的发射功率折算到每Hz带宽上，地面终端的发射功率Pes为：
Pes＝Pes(B MHz)-10*log10(B*106)
S2、根据步骤S1中选择的地面终端对应的卫星星座***，确定卫星星座***轨道参数，建立卫星星座***的轨道模型，进一步计算卫星星座***内所有卫星在设定时间段内每个时刻的位置；
卫星星座***轨道参数包括半长轴、偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角和平近点角，确定卫星星座***的轨道数量、卫星总数量、轨道高度、轨道倾角、轨道面数量、每个轨道面卫星数、相邻轨道面相位差、同一轨道内相邻卫星间相位偏移、卫星最大通信范围等信息，得到卫星星座***轨道模型。
优选的，以1秒(根据实际情况可以自由选择时间间隔)为间隔计算设定时间段内每秒所有卫星的位置。
S3、根据步骤S2中的卫星星座***确定地面终端的跟星方式，跟星方式包括最长通信时间、最短通信距离和最高通信仰角等，根据跟星方式不同地面终端每次选择星座***中对应的卫星进行通信。确定轨道厉元时间、仿真开始时间、仿真时长、时间步进参数，地面终端每一时刻只与***内一颗卫星进行通信，因此当某一时刻地面终端在两颗或两颗以上卫星的覆盖范围之内时应确定地面终端的跟星方式，即该时刻地面终端与哪颗卫星进行通信；
利用步骤S1中终端的位置经纬度和步骤S2中每个时刻卫星星座***内的卫星位置计算地面终端在设定时间段内每个时刻的方位角theta(t)和俯仰角phi(t)数据(以下称为指向数据)，并将每个时刻的指向数据用单位向量Ves(t)表示；
Ves(t)＝[cos(phi(t))*cos(theta(t))，cos(phi(t))*sin(theta(t))，sin(phi(t))]
请参阅图2，最长通信时间跟星方式指向数据生成流程具体如下，其余跟星方式指向数据生成流程类似，此处不再赘述：
遍历卫星，获取86400个指向数据，筛选仰角大于25°的结果写入文件csv 1，如果卫星遍历没有结束，返回重新遍历卫星，如果卫星遍历结束，文件csv 1生成副本，按时间和通信持续时间排序，剔除时间重复数据保存文件csv 2，共86400行数据，遍历时间，步进△T＝T时刻的通信持续时间，查找文件csv 1相同数据，提取T时刻至T+△T时刻的指向数据并写入文件csv 3，如果时间遍历没有结束，重新遍历时间。
S4、以步骤S1中选择的地面终端为原点位置，确定周围需要估计的空间范围，将待估计空间以多个球面或平面均匀网格化划分，计算每个网格点的单位坐标向量Vgrid(t)；
请参阅图3和图4，终端周围空间按照多个球面或平面均匀网格化，球面建模为以地面终端为球心，方位角取值范围为thetagrid＝0～360°，俯仰角取值范围为phigrid＝0～90°，半径为R0的半球面，采用六面体网格均匀划分,每个网格点的单位坐标向量用Vgrid(t)表示：
Vgrid(t)＝[cos(phigrid(t))*cos(thetagrid(t))，cos(phigrid(t))*sin(thetagrid(t))，
sin(phigrid(t))]
平面建模为平行于地面，离地面高度为H0，中心在地面投影离地面终端一定距离D0、大小为L1*L2的平面，中心在地面投影相对地面终端的方位角为theta0，采用线性网格均匀划分，网格点在平面两个方向的划分间距分别为△x和△y，每个网格点的单位坐标向量用Vgrid(t)表示：
Vgrid(t)＝[-L1/2+△x(t)+D0*cos(theta0)，-L2/2+△y(t)+D0*sin(theta0)，
H0]/sqrt((-L1/2+△x(t)+D0*cos(theta0))^2+(-L2/2+△y(t)+D0*sin(theta0))^2+H0^2)
S5、根据步骤S3的指向数据向量Ves(t)和步骤S4的网格点单位坐标向量Vgrid(t)和步骤S3得到的指向数据向量Ves(t)，利用向量内积计算每个时刻空间每个网格点相对于地面终端的离轴角angle(t)，根据步骤S1中的终端发射天线方向图和离轴角angle(t)计算每个时刻地面终端在每个网格点方向的天线增益Ges(t)，并根据步骤S4中的网格点单位坐标向量Vgrid(t)计算地面终端和每个网格点的距离dgrid(km)，采用自由空间传播模型计算地面终端到每个网格点的路径损耗Lbf；
由于每个时刻指向数据向量不同，因此需要计算仿真设定时间段内每个时刻的天线增益Ges(t)。
每个时刻空间每个网格点相对于地面终端的离轴角angle(t)为：
angle(t)＝arccos(Ves(t).Vgrid(t))*180/Π
地面终端到每个网格点的路径损耗Lbf为：
Lbf＝32.5+20*log10(dgrid)+20*log10(f*1000)
其中，f为工作频率(GHz)。
S6、选择待估计的空中平台***的类型，确定空中平台***的噪声温度T0以及接收天线类型及参数，根据噪声温度T0计算空中平台***的背景噪声功率P0，为方便与接收信号功率对比，背景噪声选择带宽为1Hz时的噪声功率。根据平台天线类型对接收天线进行建模，得到接收天线的方向图，计算出平台接收天线在每一时刻指向地面终端方向的增益Gap(t)。
背景噪声功率P0为：
P0＝10*log10(k*T0*B0)
其中，k为玻尔兹曼常量，取值为1.38*10-23J/K，B0为***带宽，取1Hz。
S7、根据无线电信号传播特性，利用步骤S1中地面终端的发射功率参数Pes、步骤S5中每个时刻地面终端发射天线在每个网格点方向的天线增益Ges(t)和地面终端到每个网格点的路径损耗Lbf、步骤S6中接收天线在地面终端方向的增益Gap(t)等参数计算每个时刻地面终端传输到每个网格点的信号功率P，结合步骤S6的背景噪声功率确定网格点的信噪比，当网格点的信噪比△P大于3dB时，认为空中平台***可以接收到地面终端的信号；
不同的应用场景需要的信噪比要求不同，工程经验上如果只接收信号，信噪比大于3dB为正常接收信号，如果要建立通信，信噪比需要大于十几dB。
每个网格点的信号功率P为：
P＝Pes+Ges(t)-Lbf+Gap(t)
每个网格点的信噪比△P为：
△P＝P-P0≥3
S8、根据步骤S7中每个时刻地面终端传输到每个网格点的信号功率计算某个时刻特定球面或平面内可以接收到地面终端信号的空间概率分布，及所有网格点在设定时间段内可以接收到地面终端信号的时间概率分布，确定空中平台的信号发现范围和概率，完成空中平台的监测能力估计。
本发明在确定地面终端和空中平台***类型的基础上，对地面终端、对应的卫星星座***、空中平台***进行建模，包括终端发射天线的方向图、卫星星座***轨道模型和空中平台接收天线的方向图，使模型能够精确表征各部分设备的信号发射或接收特性。将地面终端周围空间以球面或平面网格化划分，计算每个时刻每个网格能接收到地面终端信号的空间概率和特定网格在一定时间段内能接收到地面终端信号的时间概率，对信号发现范围和概率统计分析，来估计空中平台的监测能力。
本发明再一个实施例中，提供一种用于NGSO卫星终端的空中平台监测能力估计***，该***能够用于实现上述用于NGSO卫星终端的空中平台监测能力估计方法，具体的，该用于NGSO卫星终端的空中平台监测能力估计***包括终端模块、卫星模块、指向模块、划分模块、损耗模块，平台模块，计算模块以及估计模块。
其中，终端模块，选择非静止轨道卫星地面终端的类型和位置，确定地面终端的发射功率和天线指标参数以及终端位置的经纬度信息，根据地面终端参数对终端天线进行建模，得到发射天线的方向图；
卫星模块，根据终端模块选择的地面终端对应的卫星星座***确定***轨道参数，建立卫星星座***的轨道模型，计算卫星星座***内所有卫星在设定时间段内每个时刻的位置；
指向模块，根据卫星模块的卫星星座***确定地面终端的跟星方式，并利用终端模块确定的终端位置经纬度信息和卫星模块中每个时刻卫星的位置计算地面终端在设定时间段内每个时刻的方位角和俯仰角数据，将每个时刻的方位角和俯仰角数据作为指向数据，使用单位向量表示得到指向数据向量；
划分模块，以终端模块选择的地面终端为原点位置，将周围待估计空间以多个球面或平面均匀网格化划分，计算每个网格点的单位坐标向量；
损耗模块，根据指向模块的指向数据向量和划分模块的网格点单位坐标向量，利用向量内积计算每个时刻空间每个网格点相对于地面终端的离轴角，根据终端模块的终端天线方向图和离轴角计算每个时刻地面终端发射天线在每个网格点方向的增益，并根据划分模块中的网格点单位坐标向量计算地面终端和每个网格点的距离，根据距离得到地面终端到每个网格点的路径损耗；
平台模块，选择待估计的空中平台***的类型，确定空中平台***的噪声温度，接收天线类型及增益，根据***噪声温度计算空中平台***的背景噪声功率，并根据天线类型对平台接收天线进行建模，得到接收天线的方向图，计算出接收天线在地面终端方向的增益；
计算模块，利用终端模块中地面终端的发射功率参数、损耗模块中每个时刻地面终端发射天线在每个网格点方向的增益和地面终端到每个网格点的路径损耗、平台模块中接收天线在地面终端方向的增益计算每个时刻地面终端传输到每个网格点的信号功率，结合平台模块的背景噪声功率确定网格点的信噪比，当网格点的信噪比大于3dB时，空中平台***能够接收到地面终端的信号；
估计模块，根据计算模块中每个时刻地面终端传输到每个网格点的信号功率计算某个时刻特定球面或平面内接收到地面终端信号的空间概率分布，及所有网格点设定时间段内接收到地面终端信号的时间概率分布，确定空中平台***的信号发现范围和概率，完成空中平台***监测能力估计。
目前利用空中平台开展非静止轨道卫星地面终端尚处于研究阶段，没有开展大量实验测试，且由于空中平台的使用需要进行建档登记报备，不具备开展大规模长时间测试的实验条件，空中平台的监测能力很难通过具体测试得到，为了高效、准确地评估空中平台的信号发现范围和概率，即衡量空中平台的监测能力，本发明根据实际使用的地面终端、卫星星座***、空中平台***的硬件设备和参数，对整个***进行建模仿真，计算得到空中平台的信号发现范围和概率。本发明不受地面终端和空中平台***的类型限制，能够快速高效地评估不同类型空中平台***的监测能力。
综上所述，本发明一种用于NGSO卫星终端的空中平台监测能力估计方法及***，根据实际使用的地面终端、卫星星座***、空中平台***的硬件设备和***参数，对整个***进行建模，计算得到空中平台的信号发现范围和概率，即确定空中平台的监测能力，不受地面终端和空中平台***的类型限制，能够快速高效地给出不同空中平台***对不同地面终端的监测能力，为监测***的选择和策略提供参考和指导，并为监测***的建设提供可靠的理论支撑。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于NGSO卫星终端的空中平台监测能力估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选择非静止轨道卫星地面终端的类型和位置，确定地面终端的发射功率和天线指标参数以及终端位置的经纬度信息，根据地面终端参数对终端天线进行建模，得到发射天线的方向图；
S2、根据步骤S1选择的地面终端对应的卫星星座***确定***轨道参数，建立卫星星座***的轨道模型，计算卫星星座***内所有卫星在设定时间段内每个时刻的位置；
S3、根据步骤S2的卫星星座***确定地面终端的跟星方式，并利用步骤S1确定的终端位置经纬度信息和步骤S2中每个时刻卫星的位置计算地面终端在设定时间段内每个时刻的方位角和俯仰角数据，将每个时刻的方位角和俯仰角数据作为指向数据，使用单位向量表示得到指向数据向量；
S4、以步骤S1选择的地面终端为原点位置，将周围待估计空间以多个球面或平面均匀网格化划分，计算每个网格点的单位坐标向量；
S5、根据步骤S3的指向数据向量和步骤S4的网格点单位坐标向量，利用向量内积计算每个时刻空间每个网格点相对于地面终端的离轴角，根据步骤S1的终端天线方向图和离轴角计算每个时刻地面终端发射天线在每个网格点方向的增益，并根据步骤S4中的网格点单位坐标向量计算地面终端和每个网格点的距离，根据距离得到地面终端到每个网格点的路径损耗；
S6、选择待估计的空中平台***的类型，确定空中平台***的噪声温度，接收天线类型及增益，根据***噪声温度计算空中平台***的背景噪声功率，并根据天线类型对平台接收天线进行建模，得到接收天线的方向图，计算出接收天线在地面终端方向的增益；
S7、利用步骤S1中地面终端的发射功率参数、步骤S5中每个时刻地面终端发射天线在每个网格点方向的增益和地面终端到每个网格点的路径损耗、步骤S6中接收天线在地面终端方向的增益计算每个时刻地面终端传输到每个网格点的信号功率，结合步骤S6的背景噪声功率确定网格点的信噪比，当网格点的信噪比大于3dB时，空中平台***能够接收到地面终端的信号；
S8、根据步骤S7中每个时刻地面终端传输到每个网格点的信号功率计算某个时刻球面或平面内接收到地面终端信号的空间概率分布，及所有网格点设定时间段内接收到地面终端信号的时间概率分布，确定空中平台***的信号发现范围和概率，完成空中平台***监测能力估计。
2.根据权利要求1所述的用于NGSO卫星终端的空中平台监测能力估计方法，其特征在于，步骤S1中，地面终端参数包括地面终端与卫星星座***的工作频率f、地面终端的发射功率Pes、带宽B、天线最大增益G0、天线方向图、天线口径D、极化方式、波束宽度BW和最低工作仰角Phi0。
3.根据权利要求1所述的用于NGSO卫星终端的空中平台监测能力估计方法，其特征在于，步骤S2中，卫星星座***轨道参数包括半长轴、偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角和平近点角，根据卫星星座***的轨道模型确定卫星星座***的轨道数量、卫星总数量、轨道高度、轨道倾角、轨道面数量、每个轨道面卫星数、相邻轨道面相位差、同一轨道内相邻卫星间相位偏移和卫星最大通信范围信息。
4.根据权利要求1所述的用于NGSO卫星终端的空中平台监测能力估计方法，其特征在于，步骤S3中，地面终端天线指向数据单位向量Ves(t)为：
Ves(t)=[cos(phi(t))*cos(theta(t))，cos(phi(t))*sin(theta(t))，sin(phi(t))]
其中，phi(t)为地面终端在设定时间段内每个时刻的俯仰角，theta(t)为地面终端在设定时间段内每个时刻的方位角。
5.根据权利要求1所述的用于NGSO卫星终端的空中平台监测能力估计方法，其特征在于，步骤S4中，将地面终端周围待估计空间以多个球面或平面均匀网格化划分具体为：
球面模型为以地面终端为球心，方位角取值为thetagrid=0~360°，俯仰角取值为phigrid=0~90°，半径R0的半球面，采用六面体网格均匀划分；
平面模型为平行于地面，离地面高度H0，中心在地面投影离地面终端距离D0、大小为L1*L2的平面，采用线性网格均匀划分。
6.根据权利要求1所述的用于NGSO卫星终端的空中平台监测能力估计方法，其特征在于，步骤S5中，每个时刻空间每个网格点相对于地面终端的离轴角angle(t)为：
angle(t)=arccos(Ves(t).Vgrid(t))*180/π
其中，Ves(t)为每个时刻地面终端指向数据的单位向量，Vgrid(t)为每个网格点的单位坐标向量。
7.根据权利要求1所述的用于NGSO卫星终端的空中平台监测能力估计方法，其特征在于，步骤S5中，地面终端到每个网格点的路径损耗采用自由空间传输模型，路径损耗Lbf为：
Lbf=32.5+20*log10(dgrid)+20*log10(f*1000)
其中，f为工作频率，dgrid为地面终端到每个网格点的距离。
8.根据权利要求1所述的用于NGSO卫星终端的空中平台监测能力估计方法，其特征在于，步骤S6中，空中平台***的背景噪声功率P0为：
P0=10*log10(k*T0*B0)
其中，k为玻尔兹曼常量，T0为***噪声温度，B0为***带宽。
9.根据权利要求1所述的用于NGSO卫星终端的空中平台监测能力估计方法，其特征在于，步骤S7中，网格点的信噪比△P为：
△P=P-P0
其中，P为每个时刻地面终端传输到每个网格点的信号功率，P0为空中平台***的背景噪声功率。
10.一种用于NGSO卫星终端的空中平台监测能力估计***，其特征在于，包括：
终端模块，选择非静止轨道卫星地面终端的类型和位置，确定地面终端的发射功率和天线指标参数以及终端位置的经纬度信息，根据地面终端参数对终端天线进行建模，得到发射天线的方向图；
卫星模块，根据终端模块选择的地面终端对应的卫星星座***确定***轨道参数，建立卫星星座***的轨道模型，计算卫星星座***内所有卫星在设定时间段内每个时刻的位置；
指向模块，根据卫星模块的卫星星座***确定地面终端的跟星方式，并利用终端模块确定的终端位置经纬度信息和卫星模块中每个时刻卫星的位置计算地面终端在设定时间段内每个时刻的方位角和俯仰角数据，将每个时刻的方位角和俯仰角数据作为指向数据，使用单位向量表示得到指向数据向量；
划分模块，以终端模块选择的地面终端为原点位置，将周围待估计空间以多个球面或平面均匀网格化划分，计算每个网格点的单位坐标向量；
损耗模块，根据指向模块的指向数据向量和划分模块的网格点单位坐标向量，利用向量内积计算每个时刻空间每个网格点相对于地面终端的离轴角，根据终端模块的终端天线方向图和离轴角计算每个时刻地面终端发射天线在每个网格点方向的增益，并根据划分模块中的网格点单位坐标向量计算地面终端和每个网格点的距离，根据距离得到地面终端到每个网格点的路径损耗；
平台模块，选择待估计的空中平台***的类型，确定空中平台***的噪声温度，接收天线类型及增益，根据***噪声温度计算空中平台***的背景噪声功率，并根据天线类型对平台接收天线进行建模，得到接收天线的方向图，计算出接收天线在地面终端方向的增益；
计算模块，利用终端模块中地面终端的发射功率参数、损耗模块中每个时刻地面终端发射天线在每个网格点方向的增益和地面终端到每个网格点的路径损耗、平台模块中接收天线在地面终端方向的增益计算每个时刻地面终端传输到每个网格点的信号功率，结合平台模块的背景噪声功率确定网格点的信噪比，当网格点的信噪比大于3dB时，空中平台***能够接收到地面终端的信号；
估计模块，根据计算模块中每个时刻地面终端传输到每个网格点的信号功率计算某个时刻球面或平面内接收到地面终端信号的空间概率分布，及所有网格点设定时间段内接收到地面终端信号的时间概率分布，确定空中平台***的信号发现范围和概率，完成空中平台***监测能力估计。
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