卫星通信点波束覆盖区域计算方法
【专利摘要】本发明属于卫星通信【技术领域】。本发明是将卫星与地球间的母线和轴线看作两条向量，由于两条向量的夹角已知，轴线向量的长度和波束中心点已知，在覆盖范围的边界上任取一点作为未知量，就可以将球面坐标和数量积公式进行联立算出波束范围的边界曲线。通过采用点波束中心指向的规划算法，可计算除点波束最佳中心点、中心点与波束覆盖角的转换、点波束覆盖角与覆盖范围的关系以及规划船只穿越点波束覆盖区域的时间。本发明不但可使卫星覆盖区域算法更为简单易懂，易于实现，可减少程序员的工作量，使程序有更好的可读性，而且可以加快运算速度，还节省了点波束指向的转变成本，能产生较大经济效益。
【专利说明】卫星通信点波束覆盖区域计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及涉及卫星通信领域，特别是涉及一种卫星通信点波束覆盖区域计算方 法。
【背景技术】
[0002] 卫星点波束通信是军事卫星通信的一种应用方式，其特点是截面为圆形或椭圆 形，仅覆盖地球表面的一定区域，这种波束比全球波束小，能实现局部区域信号覆盖，具有 更高的安全保密性，而且卫星点波束的可移动天线具有结构简单、精度高等优点。对点波束 控制和管理的一个重要问题就是覆盖范围问题。由于点波束的覆盖区域有限，针对与移动 目标通信的情况，需要不停的改变卫星点波束的中心指向，以确保通信目标在点波束覆盖 范围之内。卫星点波束的中心指向已知时，需要计算点波束对地球覆盖的区域，才能判断覆 盖目标是否在点波束的覆盖区域内。
【发明内容】
[0003] 针对上述问题，本发明提供一种求解卫星点波束覆盖区域的更为简单、易于实现 的卫星通信点波束覆盖区域计算方法。
[0004] 本发明卫星通信点波束覆盖区域计算方法，所述方法包括：
[0005] 建立卫星通信点波束覆盖区域的计算模型，所述计算模型以卫星所在位置点为顶 点，所述卫星所在位置点和所述卫星点波束中心指向点之间的连线为中心轴，做一圆锥，其 中该圆锥与与地球的交集为所述卫星通信点波线束覆盖区域；
[0006] 基于所述计算模型，将卫星与地球间的母线和轴线看做两条向量，计算所述的两 条向量以及所述的两条向量的夹角，计算轴线向量的长度和波束中心点，在覆盖范围的边 界上任取一点作为未知量，将球面坐标和数量积公式进行联立算出波束范围的边界曲线。
[0007] 进一步地，所述方法具体包括步骤：
[0008] 步骤1 :建立数学模型，所述数模模型的建立方法如下：
[0009] 以所述卫星点波束中心指向点为E点，E点的经度为小E，纬度为外，地球同步卫星 位于S点，卫星的经度为（ts，纬度为％，对于地球同步卫星高度& =HS= 35 786 000m， 地球半径r=HO= 6 378 155m;
[0010] 建立一个以地球圆心为原点空间直角坐标系,球心到本初子午线的方向为X轴的 正方向、球心到东经90°经线的方向为y轴的正方向，球心到北极的方向为Z轴的正方向， 以地球同步卫星所在点S为顶点，直线SE为轴，作一圆锥，所述圆锥的母线与轴的夹角为卫 星天线的波瓣宽度，所述圆锥与地球的交集即为所述的覆盖区域的边界为所述的卫星通信 点波束覆盖区域；
[0011] 步骤2:基于步骤1所述建立的数学模型求解所述覆盖区域的边界，所述计算方 法具体包括：
[0012] 基于球面坐标公式得到点波束中心投影到地球上的坐标点为：
[0013]
【权利要求】
1. 一种卫星通信点波束覆盖区域计算方法，其特征在于：所述方法包括： 建立卫星通信点波束覆盖区域的计算模型，所述计算模型以卫星所在位置点为顶点， 所述卫星所在位置点和所述卫星点波束中心指向点之间的连线为中心轴，做一圆锥，其中 该圆锥与与地球的交集为所述卫星通信点波线束覆盖区域； 基于所述计算模型，将卫星与地球间的母线和轴线看做两条向量，计算所述的两条向 量以及所述的两条向量的夹角，计算轴线向量的长度和波束中心点，在覆盖范围的边界上 任取一点作为未知量，将球面坐标和数量积公式进行联立算出波束范围的边界曲线。
2. 根据权利要求1所述的卫星通信点波束覆盖区域计算方法，其特征在于：所述方法 具体包括步骤： 步骤1 :建立数学模型，所述数模模型的建立方法如下： 以所述卫星点波束中心指向点为E点，E点的经度为（tE，纬度为&，地球同步卫星位 于S点，卫星的经度为（ts，纬度为％，对于地球同步卫星高度r(l = HS = 35 786 000m，地 球半径 r = HO = 6 378 155m ; 建立一个以地球圆心为原点空间直角坐标系，球心到本初子午线的方向为x轴的正方 向、球心到东经90°经线的方向为y轴的正方向，球心到北极的方向为Z轴的正方向，以地 球同步卫星所在点S为顶点，直线SE为轴，作一圆锥，所述圆锥的母线与轴的夹角为卫星天 线的波瓣宽度，所述圆锥与地球的交集即为所述的覆盖区域的边界为所述的卫星通信点 波束覆盖区域； 步骤2 :基于步骤1所述建立的数学模型求解所述覆盖区域的边界，所述计算方法具体 包括：
在过E点的平面边界上均勻的选取n个点，再求过这n个点的圆锥母线与地球的交点 即得到了点波束在地球表面覆盖区域的边界； 当某条圆锥母线无交点时，就需要收缩到与地球相切； 在点波束与地球相交的平面边界P，在边界由h至Pi若干点组成，在所述边界上任意 取一点P(!，作为P(!经度为小i，纬度为A ,则P(!点坐标为：
得到母线与轴线SE夹角为a、波束中心E与点匕的经纬度（^、科为自变量的函数，母 线与轴线夹角a和波束中心E点已知，通过设置步长（A (K A识），当边界上的点为满足公 式⑵的点，则算出该点Pp得出Pi的经纬度坐标A ; 当地球接收站位于卫星与地球切点时，点波束的运动范围达到最大，0为卫星覆盖范 围只与地球有一个交点时的覆盖角，得出 ^ = arccos (r/r〇+r) X 180/ n (8) 卫星点波束运动范围边界为：
母线与轴线SE夹角a已知，以步长为（A (K A识）对t、讲在点波束的运动范围内 进行改变，将满足公式（7)结果的点在地图上进行测绘，就得到相应的点波束覆盖范围； 当经纬度坐标范围超出不等式（9)时母线与地球不相交，则将边界显示为卫星对地球 的切点。
3.根据权利要求1所述的卫星通信点波束覆盖区域计算方法，其特征在于：点波束最 佳中心点的选取方法包括： P经纬度坐标（cKP )为船只坐标，PE为船只航向，H((K、〇)为卫星在地球上的投影， 通过球面坐标可以得到P点坐标：
基于船只航向已知，弧长@已知，在地图上测量出点波束中心点的最佳指向位置。
4.根据权利要求1所述的卫星通信点波束覆盖区域计算方法，其特征在于：波束中心 点与波束覆盖角的转换方法具体包括： 基于点波束指向点E和卫星S坐标，得出：
由余弦定理得出：
5. 根据权利要求1所述的卫星通信点波束覆盖区域计算方法，其特征在于：点波束覆 盖角与覆盖范围的关系为： 以E为分界点将轴$分为两个半轴，设靠近卫星的半轴@为短半轴，远离卫星的半 轴]^为长半轴，可以得出：
6. 根据权利要求1所述的卫星通信点波束覆盖区域计算方法，其特征在于：点波束覆 盖角的指向区间为：[〇, arcsinlir/Cr+r。) ] X 180/ Jr - Z a ]。
7. 根据权利要求1所述的卫星通信点波束覆盖区域计算方法，其特征在于：船只穿越 点波束覆盖区域的时间规划具体包括：
【文档编号】H04B7/185GK104348539SQ201410352928
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年7月23日 优先权日:2014年7月23日
【发明者】徐慨, 杨海亮, 项顺祥, 黄麟舒, 贾志军, 刘宏波, 叶龙翔 申请人:中国人民解放军海军工程大学