CN116248163B - 一种面向大规模低轨星座的频率兼容性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向大规模低轨星座的频率兼容性分析方法，所述方法包括以下步骤：1)依据参考卫星的轨道参数和相关链路天线的空口参数，将地球表面分割为粗细不同的网格；2)从网格中选中一个作为起始网格，依据投影关系和参考卫星轨道高度确定参考卫星的空间位置，进而确定星座中所有卫星的位置；3)计算参考卫星在升轨和降轨两种情况下，处于当前网格的概率密度和对目标的干扰值；4)将干扰值与概率密度归并到干扰概率密度函数图中；5)选取下一个网格转至步骤2)，直至划分的地球表面网格全部遍历完，输出完整的集总干扰概率密度函数。本发明为我国空间信息网络发展中对频率资源应用和储备的实际需求提供理论和技术支撑。

Description

一种面向大规模低轨星座的频率兼容性分析方法

技术领域

本发明属于星座干扰分析技术领域，尤其涉及一种面向大规模低轨星座的频率兼容性分析方法。

背景技术

空间的频率和轨道资源是空间信息网络应用产业发展的基本要素。世界各国按照国际电联(International Telecommunication Union,ITU)的《组织法》及《无线电规则》等，在划分的空间业务频段内，遵循“先登先占”原则，以卫星网络资料为基本单位，开展国际申报、协调、登记和维护工作。许多巨型低轨通信星座的快速发展与部署，造成多星共轨、多星同频大量出现，也使得频轨资源枯竭、干扰日益严重、甚至会导致***无法正常使用。大量的频率需求和有限的频率资源之间的矛盾是约束众多通信星座***发展的关键难题，如何实现有效频率资源约束下的同频共存成为低轨通信星座工程建设面临的当务之急。

有效可靠的兼容性仿真分析结果是同频共存的定量化依据，而仿真分析模型需具有充足的理论依据，方可被国际认可。在发展过程中，既要注意总结现在和未来的频轨利用情况，研究有效的频率资源共用理论，同时也要立足于***发展现实，提出实际可行的频轨资源兼容评估模型。目前，国际上在巨型低轨通信星座频率干扰分析核心计算方法和仿真模型方面的研究仍属起步阶段，尚未形成全球认可的规则或标准，尤其对于巨型低轨通信星座间高效的干扰评估模型尚属空白。目前对于干扰兼容性的分析基本围绕时间切片的方法进行模型设计，由于低轨巨型通信星座规模庞大，在海量用户节点分布下，动态映射关系将变得异常复杂，在精细化仿真分析过程中采取时间切片的方式将大大降低分析效率，实际应用中缺少能够满足巨型低轨通信星座之间干扰分析场景的高效轻量化理论模型。

兼容性仿真通常采用基于时间步长的轨道外推的方法确定各卫星的空间位置，随后利用卫星的空间关系计算干扰。这种方法的时间步长、仿真总时长等参数设置因人而异，而且为了获取更真实的仿真结果，通常设置更小的时间间隔和更大的仿真总时长，这大大提高了计算量，降低了时效性，甚至会造成***无法正常运行。随着星座规模不断增大，尤其是以Starlink为代表的混合异构的巨型星座陆续建设，轨道外推法的巨星星座干扰的计算量因星座空间结构变复杂，涉及链路变多而急剧增大，计算的耗时也急剧变长(如图1所示)，故亟需一种高效、可靠，且轻量的干扰仿真模型来提升干扰计算效率，以应对低轨巨型通信星座在兼容性仿真方面带来的挑战。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种面向大规模低轨星座的频率兼容性分析方法。

为了实现上述目的，本发明提出了一种面向大规模低轨星座的频率兼容性分析方法，所述方法包括：

步骤1)依据参考卫星的轨道参数和相关链路天线的空口参数，将地球表面分割为粗细不同的网格；

步骤2)从网格中选中一个作为起始网格，依据投影关系和参考卫星轨道高度确定参考卫星的空间位置，进而确定星座中所有卫星的位置；

步骤3)计算参考卫星在升轨和降轨两种情况下，处于当前网格的概率密度和对目标的干扰值；

步骤4)将干扰值与概率密度归并到干扰概率密度函数图中；

步骤5)选取下一个网格转至步骤2)，直至划分的地球表面网格全部遍历完，输出完整的集总干扰概率密度函数。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1)将地球表面分割为粗细不同的网格；包括：确定网格分割密度、细网格范围和细网格区域中心点。

作为上述方法的一种改进，，所述网格分割密度具体包括：

细网格划分的经纬度间隔(Δφ、Δθ)满足下式：

粗网格的经纬度间隔(Δφ、Δθ)满足下式：

且/>其中，/>为地心角，根据下式得到：

其中，R_Earth为地球半径；h为最大轨道高度；在下行链路中，φ_3dB表示受扰地球站天线半功率波束宽度；在上行链路中，φ_3dB表示干扰地球站的半功率波束宽度。

作为上述方法的一种改进，所述细网格范围为Δ×Δ的矩形区域，其中，Δ＝5φ，φ为经度。

作为上述方法的一种改进，所述细网格区域中心点的确定具体包括：

在NGSO星座对GSO卫星的上行链路干扰中，找到参考卫星与各NGSO地面站和GSO卫星的连线共线时的位置，随后确定NGSO星座中其他卫星的位置，以NGSO星座中的卫星在地面的投影位置为细网格区域的中心点，结合参考卫星具有升轨与降轨两种情况，故中心点的个数有N_{NGSO地球站}×N_NGSO卫星×2个；其中N_{NGSO地球站}和N_NGSO卫星分别为NGSO地球站和NGSO卫星的个数；

在NGSO星座对GSO卫星的下行链路干扰中，找到参考卫星与GSO卫星下行链路共线的位置，随后确定NGSO***中其他卫星的位置，以NGSO星座中的卫星在地面的投影位置为细网格区域的中心点，结合参考卫星具有升轨与降轨两种情况，故中心点的个数有N_NGSO卫星×2个。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2)的参考卫星的空间位置为：

其中，表示在参考卫星是升轨/>或降轨/>下的位置确定的第i个轨道平面第j颗卫星的位置，/>表示在参考卫星是升轨/>或降轨/>2下的位置确定的第i个轨道平面第j颗卫星到地心的距离长度，通过轨道离心率、轨道半长轴与各个卫星的平近点角确定；/>为在参考卫星是升轨/>或降轨/>下的位置确定的第i个轨道平面第j颗卫星的方向矢量，由星座中卫星的平近点角、真近点角、偏近点角和轨道面相位角确定。

作为上述方法的一种改进，所述步骤3)的概率密度为：

当轨道为圆形轨道时，参考卫星地面位置投影的概率密度为：

其中，φ,θ分别为参考卫星投影到地面上的经度坐标和纬度坐标，δ为轨道倾角。

作为上述方法的一种改进，所述步骤3)的干扰值具体包括：

在NGSO星座对GSO卫星的下行干扰中，GSO地面站的集总干扰I_total为：

其中，n是GSO地面站第n个可见的NGSO卫星，p_e,n是第n个可见的NGSO卫星的发射功率，g_e,max是第n个可见的NGSO卫星发射天线的峰值增益，是接收天线增益，/>是第n个可见的NGSO卫星到接收天线的离轴角，l是通信链路损耗；

在NGSO星座对GSO卫星的上行链路干扰中，GSO卫星的集总干扰I_uptotal为：

其中，m是GSO卫星第m个可见的NGSO地面站，p'_e,m是第m个可见的NGSO地面站的发射功率，g'_e,max是第m个可见的NGSO地面站发射天线的峰值增益，是GSO卫星接收天线增益，/>是第m个可见的NGSO地面站到GSO卫星接收天线的离轴角，l'是通信链路损耗；

作为上述方法的一种改进，所述步骤5)的集总干扰概率密度函数p(I)为：

其中，p_I,Ω是网格上在给定集总干扰区间的概率，Ω为集总干扰区间的个数； 分别代表第k个和第k+1个集总干扰划分的连续子区间下界。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、针对多个巨型低轨通信星座的场景应进行高效干扰评估的需求，本发明设计基于空间可视概率分布的高效干扰评估仿真模型，结合NGSO卫星星下点的覆盖范围，提出基于卫星分布概率的干扰统计方法，将集总干扰与空间可视概率进行关联建模，得到集总干扰的概率统计分布；将进一步突破传统低轨巨型通信星座***频率兼容性评估方法效率低下的瓶颈问题，为我国空间信息网络发展中对频率资源应用和储备的实际需求提供理论和技术支撑；

2、本发明提出一种基于可视概率模型的高效仿真方法，通过分析低轨通信星座的空间运行规律，研究基于干扰构型的空间枚举机制，建立干扰分析与空间可视概率的映射模型，实现从无限的时间外推到有限的空间枚举仿真思路转换，节省干扰计算时因枚举时间步长的长耗时问题，大大提高干扰计算的时间效率。

附图说明

图1是传统时间外推方法示意图

图2是本发明基于可视概率模型的集总干扰迭代流程；

图3是参考卫星在圆轨道条件下的地面投影位置概率密度图(轨道倾角为45°)；

图4是基于可视概率模型的集总干扰链路示意图；

图5是NGSO星座对GSO卫星的上行链路干扰情况的细网格位置示意；

图6是本发明的面向大规模低轨星座的频率兼容性分析方法流程图。

具体实施方式

枚举时间步长本质上是对星座空间位置的多次采样，经过长时间的迭代，这些时间采样点下的星座在空间中的分布情况逐渐逼近其空间分布概率函数。

本方法基于星座构型参数、卫星的空间概率分布等信息建立整个星座投影到地面网格上的概率分布模型。随后根据概率确定发生共线干扰的区域，并对这些区域进行更细致的网格划分。遍历地面网格计算星座对目标的集总干扰，获取该区域全部网格的干扰及其概率，用于代枚举时间步长计算干扰的方法。该方法是将多次循环采样增大样本容量替代为单次“干扰-概率”对应关系求解的快速干扰计算方法。如图2所示，是本发明基于可视概率模型的集总干扰迭代流程。

1)基于空间可视概率的星座干扰构型枚举机制

Walker星座中的卫星满足一定的分布规律，在星座中任意一颗卫星(在此称为参考卫星)的位置已知的情况下，就可以利用规律推算整个星座的空间位置。若干扰受扰***的发射功率、天线增益等参数也已知，便可计算受干扰***接收的集总干扰。将地面切分成小网格，网格内的集总干扰变化很小，用网格中心点的集总干扰代替整个网格的集总干扰。通过参考卫星地面投影的概率分布描述参考卫星空间位置，在每个网格计算的集总干扰都对应了一个卫星在该网格的概率，这个概率也是当前网格集总干扰的概率。遍历所有网格，求解所有网格的集总干扰和对应概率，统计后得到集总干扰的概率分布。将该过程可表述为基于概率的干扰计算数学模型：

其中，p_Ω是参考卫星在空间某一位置的概率；Ω是基于参考星确定的星座所有卫星的空间位置坐标向量；Ψ是干扰受扰***链路相关的参数，包括发射功率、天线增益、离轴角等参数；I是***产生的集总干扰，dB；p_I,Ω是参考卫星在该位置下整个***产生的集总干扰的概率；p(I)是集总干扰概率，将所有网格上在给定集总干扰区间的集总干扰的概率求和，可对所有集总干扰区间重复该过程获得集总干扰概率分布；代表第i个和第i+1个集总干扰划分的连续子区间下界。

a)星座卫星的空间分布

选中星座中任意一颗卫星作为参考卫星后，单一Walker星座中各卫星的位置可以通过参考卫星位置与星座参数确定

上式中，表示在参考卫星是升轨/>或降轨/>下的位置确定的第i个轨道平面第j颗卫星的位置；/>表示在参考卫星是升轨/>或降轨/>下实际位置确定的第i个轨道平面第j颗卫星到地心的距离长度，通过轨道离心率、轨道半长轴与各个卫星的平近点角确定；/>在参考卫星是升轨/>或降轨/>下实际位置确定的第i个轨道平面第j颗卫星的方向矢量，由星座中卫星的平近点角、真近点角、偏近点角、轨道面相位角等确定。

由多个Walker星座组成的混合异构星座，可通过上述方法对各个Walker星座分别建模，分别建立参考卫星与星座其他卫星的位置关系。

b)参考卫星地面投影位置的概率密度函数

建立参考卫星与星座卫星的位置关系后，参考卫星的位置分布情况将决定星座的分布情况。如图3所示，是参考卫星在圆轨道条件下的地面投影位置概率密度图(轨道倾角为45°)。

首先，通过投影到地面上的经纬度坐标对x＝(φ,θ)^T(其中，经度-π＜φ≤π，纬度-δ＜φ≤δ，δ为轨道倾角)表示参考卫星地面投影位置的概率密度函数

上式中，g(θ)＝cosω(sin²δ-sin²θ)+sinωsinθ，δ是轨道倾角，e是轨道离心率，ω是近地点幅角。

当轨道为圆形轨道时，参考卫星地面位置投影的概率密度函数退化为

2)集总干扰与空间可视概率关联建模

以NGSO***对GSO的下行干扰为例，GSO地面站的集总干扰表示为

其中，I_total是集总干扰，n是第n个GSO地面站可见的NGSO卫星，p_e,n是第n个NGSO卫星的发射功率，g_e,max是第n个NGSO卫星发射天线的峰值增益，是接收天线增益，/>是第n个NGSO卫星到接收天线的离轴角，l是通信链路损耗；

在NGSO星座对GSO卫星的上行链路干扰中，GSO卫星的集总干扰I_uptotal为

其中，I_uptotal是集总干扰，m是第m个GSO卫星可见的NGSO地面站，p'_e,m是第m个NGSO地面站的发射功率，g'_e,max是第m个NGSO地面站发射天线的峰值增益，是GSO卫星接收天线增益，/>是第m个NGSO地面站到GSO卫星接收天线的离轴角，l'是通信链路损耗；

此时，卫星星座在某一位置的概率，就是在该位置产生的集总干扰的概率。遍历所有网格，统计集总干扰及其概率，可得到集总干扰概率密度函数

其中，p_I,Ω是网格上在给定集总干扰区间的概率，Ω为集总干扰区间的个数；

分别代表第k个和第k+1个集总干扰划分的连续子区间下界。如图4所示是基于可视概率模型的集总干扰链路示意图。

3)基于星下点区域遍历的地面网格划分方法

参考卫星在地面投影的概率分布函数是连续的，函数上的一个点对应地面上一个点，而这些点无法枚举。对地面进行网格划分，不但利于算法实现，也便于计算参考卫星在某一位置附近的概率。

精细的地面网格划分将导致计算量的增大，考虑到发生共线干扰时，干扰区域附近的干扰值会发生大幅度变化，而其它不发生共线干扰的区域干扰值变化平缓。本方法将采用两种不同切分密度的网格以应对不同的干扰情况。

细网格划分的经纬度间隔(Δφ、Δθ)应满足

粗网格的经纬度间隔应满足

上式中的在下行链路的干扰计算中，由地球半径R_Earth、最大轨道高度h和受扰地球站天线半功率波束宽度φ_3dB计算

在上行链路中，φ_3dB为干扰地球站的半功率波束宽度。

确定地面网格分割密度后，还需确定细网格范围，通常是Δ×Δ的矩形区域，其中：Δ＝5φ。作为一个经验变量，网格大小在绝大多数情况下满足干扰分析要求。当地球站的波束非常窄或者非常宽时，还需要根据实际情况减小或增加网格划分的经纬度间隔。

针对不同的干扰场景，细网格位置的确定方法有所不同。

在NGSO星座对GSO卫星的上行链路干扰中，找到参考卫星与各NGSO地面站和GSO的连线共线时的位置，随后确定NGSO星座中其他卫星的位置，这些卫星在地面的投影位置是细网格区域的中心点，再考虑参考卫星会有升轨与降轨两种情况，会导致星座其他卫星位置发生变化，故中心点的个数有N_{NGSO地球站}×N_NGSO卫星×2个。如图5所示是NGSO星座对GSO卫星的上行链路干扰情况的细网格位置示意。

在NGSO星座对GSO卫星的下行链路干扰中，找到参考卫星与GSO下行链路共线的位置，随后确定NGSO***中其他卫星的位置，这些卫星在地面的投影位置是细网格区域的中心点，再考虑参考卫星会有升轨与降轨两种情况，不同情况会导致星座其他卫星位置发生变化，故中心点的个数有N_NGSO卫星×2个。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例1

如图6所示，本发明的实施例提出了一种面向大规模低轨星座的频率兼容性分析方法。通过技术路线图将上述四个关键研究组合成一套切实可行的方法：

首先依据参考卫星的轨道参数和相关链路天线的空口参数，将地球表面分割为粗细不同的网格。从网格中选中一个作为算法起始网格，依据投影关系和参考卫星轨道高度确定参考卫星的空间位置，进而确定星座中所有卫星的位置。计算参考卫星在升轨和降轨两种情况下，处于当前网格的概率和对目标(地面站或卫星，依据上行链路干扰或下行链路干扰判断)的集总干扰，并将该干扰值与概率归并到干扰概率密度函数图中。选取下一个网格重复上述计算过程，直到划分的地面网格全部遍历完，输出完整的干扰概率密度函数图。

最后所应说明的是，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，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种面向大规模低轨星座的频率兼容性分析方法，所述方法包括：

步骤1)依据参考卫星的轨道参数和相关链路天线的空口参数，将地球表面分割为粗细不同的网格；

步骤2)从网格中选中一个作为起始网格，依据投影关系和参考卫星轨道高度确定参考卫星的空间位置，进而确定星座中所有卫星的位置；

步骤3)计算参考卫星在升轨和降轨两种情况下，处于当前网格的概率密度和对目标的干扰值；

步骤4)将干扰值与概率密度归并到干扰概率密度函数图中；

步骤5)选取下一个网格转至步骤2)，直至划分的地球表面网格全部遍历完，输出完整的集总干扰概率密度函数；

所述步骤1)将地球表面分割为粗细不同的网格；包括：确定网格分割密度、细网格范围和细网格区域中心点；

所述网格分割密度具体包括：

细网格划分的经纬度间隔(Δϕ、Δθ)满足下式：

且/>

粗网格的经纬度间隔(Δϕ、Δθ)满足下式：

且/>

其中，为地心角，根据下式得到：

其中，R_Earth为地球半径；h为最大轨道高度；在下行链路中，ϕ _3dB表示受扰地球站天线半功率波束宽度；在上行链路中，ϕ _3dB表示干扰地球站的半功率波束宽度。

2.根据权利要求1所述的面向大规模低轨星座的频率兼容性分析方法，其特征在于，所述细网格范围为Δ×Δ的矩形区域，其中，Δ＝5ϕ，ϕ为经度。

3.根据权利要求1所述的面向大规模低轨星座的频率兼容性分析方法，其特征在于，所述细网格区域中心点的确定具体包括：

在NGSO星座对GSO卫星的上行链路干扰中，找到参考卫星与各NGSO地面站和GSO卫星的连线共线时的位置，随后确定NGSO星座中其他卫星的位置，以NGSO星座中的卫星在地面的投影位置为细网格区域的中心点，结合参考卫星具有升轨与降轨两种情况，故中心点的个数有N_{NGSO地球站}×N_NGSO卫星×2个；其中N_{NGSO地球站}和N_NGSO卫星分别为NGSO地球站和NGSO卫星的个数；

在NGSO星座对GSO卫星的下行链路干扰中，找到参考卫星与GSO卫星下行链路共线的位置，随后确定NGSO***中其他卫星的位置，以NGSO星座中的卫星在地面的投影位置为细网格区域的中心点，结合参考卫星具有升轨与降轨两种情况，故中心点的个数有N_NGSO卫星×2个。

4.根据权利要求1所述的面向大规模低轨星座的频率兼容性分析方法，其特征在于，所述步骤2)的参考卫星的空间位置为：

其中，表示在参考卫星是升轨/>或降轨/>下的位置确定的第i个轨道平面第j颗卫星的位置，/>表示在参考卫星是升轨/>或降轨/>下的位置确定的第i个轨道平面第j颗卫星到地心的距离长度，通过轨道离心率、轨道半长轴与各个卫星的平近点角确定；为在参考卫星是升轨/>或降轨/>下的位置确定的第i个轨道平面第j颗卫星的方向矢量，由星座中卫星的平近点角、真近点角、偏近点角和轨道面相位角确定。

5.根据权利要求1所述的面向大规模低轨星座的频率兼容性分析方法，其特征在于，所述步骤3)的概率密度为：

当轨道为圆形轨道时，参考卫星地面位置投影的概率密度p_x(ϕ,θ)为：

其中，ϕ,θ分别为参考卫星投影到地面上的经度坐标和纬度坐标，δ为轨道倾角。

6.根据权利要求1所述的面向大规模低轨星座的频率兼容性分析方法，其特征在于，所述步骤3)的干扰值具体包括：

在NGSO星座对GSO卫星的下行干扰中，GSO地面站的集总干扰I_total为：

其中，n是GSO地面站第n个可见的NGSO卫星，p_e,n是第n个可见的NGSO卫星的发射功率，g_e,max是第n个可见的NGSO卫星发射天线的峰值增益，是接收天线增益，/>是第n个可见的NGSO卫星到接收天线的离轴角，l是通信链路损耗；

在NGSO星座对GSO卫星的上行链路干扰中，GSO卫星的集总干扰I_uptotal为：

其中，m是GSO卫星第m个可见的NGSO地面站，p'_e,m是第m个可见的NGSO地面站的发射功率，g'_e,max是第m个可见的NGSO地面站发射天线的峰值增益，是GSO卫星接收天线增益，/>是第m个可见的NGSO地面站到GSO卫星接收天线的离轴角，l'是通信链路损耗。

7.根据权利要求1所述的面向大规模低轨星座的频率兼容性分析方法，其特征在于，所述步骤5)的集总干扰概率密度函数p(I)为：

其中，p_I,Ω是网格上在给定集总干扰区间的概率，Ω为集总干扰区间的个数； 分别代表第k个和第k+1个集总干扰划分的连续子区间下界。