基于干扰规避的低轨卫星波束设计方法及系统与流程

1.本发明属于卫星干扰规避技术领域，涉及一种基于干扰规避的低轨卫星波束设计方法及系统。


背景技术：

2.随着空间科学的发展，低轨(leo)卫星的宽带业务需求不断增大，其使用频段向ka等高频段扩展，不可避免地与静止轨道(geo)卫星系统产生同频干扰，若不采取任何系统设计或优化手段，leo卫星系统和geo卫星系统的通信质量势必都会受到彼此的影响。针对此问题，国际电信联盟(itu)在《无线电规则》中规定，leo卫星系统不得对geo卫星系统造成干扰。
3.要满足低轨卫星与高轨卫星之间的隔离角要求，需将低轨卫星的波束设计得足够窄。波束由天线形成，低轨卫星的ka频段星载天线基本采用相控阵天线，现有国内外ka频段发射相控阵最多可形成8个波束，由于波束较窄，需一百多甚至数百个波位才可满足单星覆盖范围要求。根据卫星宽带业务采取的通信体制，业务波束和信令波束采取分离设计的方式，这样需为信令波束额外增配相控阵天线，并配合跳波束技术，导致占据更多的星上资源。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于干扰规避的低轨卫星波束设计方法及系统，减少星上资源的消耗。
5.为了达到上述目的，本发明的基础方案为：一种基于干扰规避的低轨卫星波束设计方法，包括如下步骤：
6.上行业务波束采用若干第一宽度的波束；
7.下行业务波束采用若干第二宽度的波束；
8.上行信令波束采用若干第三宽度的波束，上行信令波束交叠覆盖满足单星覆盖范围要求；
9.所述第一宽度小于第三宽度，所述第二宽度小于第三宽度；
10.选取一个或几个下行业务波束作为下行信令波束。
11.本基础方案的工作原理和有益效果在于：限制上行业务波束、下行业务波束和下行信令波束的波束宽度，可满足高轨卫星系统和低轨卫星系统之间的空间隔离角阈值要求，可将epfd(等效功率通量密度)干扰控制在规定的门限值之内，并有利于节约星上资源。上行信令波束可使用户随时接入，避免了跳波束带来的等待时间，同时满足频率干扰指标要求，还可以降低地面终端接入设计复杂度。选取下行业务波束作为下行信令波束可以共用业务波束相控阵，大大减少了星上资源的消耗，同时使下行信令波束也可以足够窄，支持更高的信息速率和信息量。
12.进一步，所述第一宽度等于或不等于第二宽度。
13.上行业务波束和下行业务波束的可根据需要，采用对应宽度的波束，利于使用。
14.进一步，所述第一宽度的波束和/或第二宽度的波束的波束宽度可调。
15.设计波束宽度可调，有利于系统根据用户量对跳扫一遍所有波束的总时间进行调节，增加系统灵活性。
16.进一步，根据用户量对第一宽度的波束和第二宽度的波束的波束宽度进行调节，使跳扫一遍所需波位的总时间小于时间阈值t，缩短各位置用户的等待时间。
17.进一步，所述第一宽度的波束和第二宽度的波束为波束两个半功率点之间夹角小于等于7
°
的波束。
18.采用这样的窄波束可支持更高的信息速率和信息量，支持并发接入，同时可减小地面终端的天线增益。
19.进一步，所述第三宽度的波束为波束两个半功率点之间夹角大于10
°
的波束。
20.上行信令波束采用多个固定宽波束，可使用户随时接入，避免了跳波束带来的等待时间，同时满足频率干扰指标要求，还可以降低地面终端接入设计复杂度。
21.进一步，采用凝视波束技术，使所述第一宽度的波束和第二宽度的波束可对终端跟踪凝视。
22.这样可满足对目标区域提供持续服务的系统要求。
23.进一步，采用跳波束技术，控制下行信令波束仅在有用户的波位进行跳扫。
24.采用跳波束的技术使下行信令波束仅在有用户的波位进行跳扫，缩短各位置用户的接入等待时间。
25.本发明还提供一种低轨卫星通信系统，包括地面终端和卫星，所述地面终端与卫星间通过本发明所述方法，进行通信。
26.利用该系统，减少星上资源占用，可满足高轨卫星系统和低轨卫星系统之间的空间隔离角阈值要求。
附图说明
27.图1是本发明低轨卫星通信系统的结构示意图。
具体实施方式
28.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
29.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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，因此不能理解为对本发明的限制。
30.在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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。
31.本发明公开了一种基于干扰规避的低轨卫星波束设计方法，将业务波束和信令波束采取分离设计的方式，业务波束作为用户业务数据的传输通道，信令波束用来传输连接建立、承载建立、附着和鉴权、移动性控制等控制面信令。上行业务波束、下行业务波束、上行信令波束和下行信令波束由星载天线形成，上行为地面终端发送信号给卫星，下行为卫星发射信号给地面终端。本发明对上行业务波束、下行业务波束、上行信令波束和下行信令波束进行设计，具体包括如下步骤：
32.根据公式
[0033][0034]
确定geo(geosychronons earth orbit，高轨道卫星)系统接收到leo(low earth orbit，低轨卫星)系统所有发送端产生的功率通量密度。其中，n为发送端个数，i为序号，p
i
为每个发送端的发送功率，d
i
为每个发送端到接收端的距离，g
t
(θ
i
)为发射天线增益，为接收天线增益，θ
i
为发射天线的天线指向与发射端到接收端连线的夹角，为接收天线的天线指向与发射端到接收端连线的夹角,g
rmax
为最大接收天线增益。
[0035]
分别选取下行隔离角门限α
dl
和上行隔离角门限α
ul
，α为地面天线与2个不同轨道卫星的夹角，通过计算geo地面接收天线接收到leo卫星的epfd，来确定下行隔离角门限(改变下行隔离角，当下行隔离角小于某个值后，epfd即满足itu规定，则该值为下行隔离角门限)。通过计算geo卫星接收天线接收到的leo地面天线的epfd，来确定上行隔离角门限(改变上行隔离角，当上行隔离角小于某个值后，epfd即满足itu规定，则该值为上行隔离角门限)。使epfd(equivalent power flux density，等效功率通量密度)的计算结果满足itu(international telecommunication union，国际电信联盟)给出的下行epfd限制条件，确定空间隔离角为α＝max(α
ul
,α
dl
)。
[0036]
上行业务波束采用若干第一宽度的波束，下行业务波束采用若干第二宽度的波束，第一宽度等于或不等于第二宽度，优选第一宽度等于第二宽度。第一宽度波束，第二宽度波束的波束宽度可调。优选根据空间隔离角度确定业务波束的波束宽度，然后根据系统指标和用户量对第一宽度的波束和第二宽度的波束的波束宽度进行调节，有利于系统根据用户量对跳扫一遍所有波束的总时间进行调节，增加系统灵活性，使跳扫一遍所有波束的总时间小于时间阈值t。在本实时方式中，优选第一宽度的波束和第二宽度的波束为波束两个半功率点之间夹角小于等于7
°
的波束，这样的窄波束可支持更高的信息速率和信息量，支持并发接入，同时可减小地面终端的天线增益。更优选地，第一宽度的波束和第二宽度的波束可对终端跟踪凝视，有利于波束接入。
[0037]
上行信令波束采用若干第三宽度的波束，根据系统的单星覆盖范围指标和上行信令波束宽度，确定所需上行信令波束，上行信令波束交叠覆盖满足单星覆盖范围要求，与第一宽度何第二宽度相比，第三宽度更大，第三宽度的波束优选为波束两个半功率点之间夹角大于10
°
的波束。上行信令波束为多个固定宽波束，传输少量的接入信令，使用户随时接入，避免了跳波束带来的等待时间，同时满足频率干扰指标要求，还可以降低地面终端接入设计复杂度。
[0038]
在本实施方式中，选取一个或几个下行业务波束作为下行信令波束，在本实施方式中，可以但不限于根据用户的数量选取一个或几个下行业务波束作为下行信令波束，用户数量少的时候，用一个下行业务波束；当用户达到一定数量，就增加下行信令波束的数量，具体可根据实际情况确定。使得下行业务波束和下行信令波束可以共用业务波束相控阵，使下行信令波束也可以足够窄，大大减少了星上资源的消耗。本实施方式可采用跳波束技术，控制下行信令波束仅在有用户的波位进行跳扫，使下行信令波束仅在有用户的波位进行跳扫，缩短各位置用户的接入等待时间。
[0039]
此波束设计可满足高轨卫星系统和低轨卫星系统之间的空间隔离角阈值要求，可将epfd干扰控制在规定的门限值之内，并有利于节约星上资源，增加系统灵活性。
[0040]
如图1所示，本发明还提供一种低轨卫星通信系统，包括地面终端和卫星，地面终端与卫星间通过本发明所述方法进行通信，有利于节约星上资源，增加系统灵活性。
[0041]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0042]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。