一种面向低轨卫星太赫兹通信的终端接收优化方法与流程

本发明属于无线通信，特别是涉及一种面向低轨卫星太赫兹通信的终端接收优化方法。

背景技术：

1、随着信息技术的飞速发展，低轨卫星系统已经在各个领域得到了广泛应用，例如通信、物流、交通运输、海洋、气象等领域。其中低轨卫星使用的无线电通信频率主要部署在ku、ka等波段，随着6g技术的研究和未来更高信息速率的需求，太赫兹频段(thz)无线电由于巨大的带宽和太比特率的信息速率是未来发展的趋势。低轨卫星以扫描方式通过地面覆盖区，为地面提供通信服务，其高速运动的特点使得地面站需要及时的调整接收信号主波束方向以实现对卫星的实时跟踪。传统的扫描相控阵列天线利用移相器实现波束的转向，然而在太赫兹频段下该技术效率低下且操作复杂，因此引入相控阵列天线的电子切换技术实现对接收波束的快速转向并跟踪低轨卫星运动轨迹。同时，由于太赫兹频段的高频率特性、卫星发射功率有限以及星地链路由于气象、电离、气体等因素引起的高路径损耗，加之链路中的各种等效噪声温度以及接收系统的自身噪声温度，都使得地面站接收信号的功率低，合理的接收信号优化算法能够有效提高接收端信号功率，提高通信服务质量。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的问题，引入电子可切换阵列天线，综合考虑星地之间的大气损耗、云雾、降雨衰落，以及信道中的各种等效噪声温度和接收机本身的噪声影响，设计合理的接收优化算法，提高接收端信号功率，提高通信服务质量。

2、为了达到上述技术目的，本发明提供一种面向低轨卫星太赫兹通信的终端接收优化方法，包括：

3、s1：低轨卫星向其扫描覆盖区域内的地面接收机发送太赫兹频段的无线电信号；

4、s2：地面接收机通过相控阵列天线的电子切换技术实现波束转向，对低轨卫星的运动轨迹进行跟踪；

5、s3：根据地面接收机的信号接收角度，在干扰场景下，建立地面接收机的信噪比模型；

6、s4：根据地面接收机的信噪比模型和地面接收机相控阵列天线的阵元间距建立地面接收机的信噪比偏微分方程组，并进行求解，获得地面接收机相控阵列天线的最优阵元间距；

7、s5：根据地面接收机相控阵列天线的最优阵元间距，对地面接收机相控阵列天线的阵元间距进行调整，通过调整后的相控阵列天线对低轨卫星发射的太赫兹频段的无线电信号进行接收。

8、优选地，所述在干扰场景下，建立地面接收机的信噪比模型包括：

9、令地面接收机的信号接收角度表示为，则在干扰场景下，地面接收机的信噪比模型表示为：

10、

11、其中，表示地面接收机的信噪比，表示低轨卫星的发射天线效率、表示低轨卫星的发射天线增益，表示地面接收机的接收天线效率、表示地面接收机的接收天线增益，表示低轨卫星发射信号与接收端接收信号之间的对准误差，表示地面站接收机相控天线阵列输出端的总体噪声温度，表示由于气体引起的路径总损耗，表示由于云雾引起的路径总衰落，表示由于雨水引起的路径总衰落，为玻尔兹曼常数，表示低轨卫星的发射功率，为自由空间路径的传播损耗，表示无线电信号的带宽。

12、优选地，所述由于气体引起的路径总损耗包括：

13、

14、

15、其中，表示气层数量，表示第个气层中由于气体引起的大气损耗比，表示低轨卫星和地面接收机的通信路径在第个气层的长度，表示低轨卫星与地球球心之间的距离，表示低轨卫星垂直与地球表面的距离。

16、优选地，所述第个气层中由于气体引起的大气损耗比采用系列或系列模型进行预测，其中，所述气层按次序依次包括：对流层、平流层、中间层、热层、逃逸层。

17、优选地，所述由于云雾引起的路径总衰落包括：

18、

19、其中，表示云雾的底层所处气层的层数；表示云雾的顶层所处气层的层数；表示云雾在第个气层的衰落比；表示衰落系数，表示云雾内液态水的密度，表示太赫兹无线电信号的频率，表示云雾的温度；表示低轨卫星和地面接收机的通信路径在第个气层的长度。

20、优选地，所述由于雨水引起的路径总衰落包括：

21、

22、

23、其中，表示雨层所处气层的层数；为降雨衰落比，为米氏常数，为雨滴截面大小，为雨滴尺寸分布，为雨滴最大直径；表示低轨卫星和地面接收机的通信路径在第个气层的长度。

24、优选地，所述地面站接收机相控天线阵列输出端的总体噪声温度包括：

25、<mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><msub><mi>t</mi><mi>sys</mi></msub><mi>(</mi><msub><mi>θ</mi><mn>0</mn></msub><mi>)</mi><mi>=</mi><msub><mi>t</mi><mi>p</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>t</mi><mi>rx</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>η</mi><mi>r</mi></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mi>as</mi></msub><mi>(</mi><msub><mi>θ</mi><mn>0</mn></msub><mi>)</mi><mo>+</mo><msub><mi>t</mi><mi>ag</mi></msub><mi>(</mi><msub><mi>θ</mi><mn>0</mn></msub><mi>)</mi><mo>+</mo><msub><mi>t</mi><mi>am</mi></msub><mi>(</mi><msub><mi>θ</mi><mn>0</mn></msub><mi>)</mi><mi>−</mi><msub><mi>t</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mstyle>

26、

27、<mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><msub><mi>t</mi><mi>am</mi></msub><mi>=</mi><mfrac><mrow><msub><mi>s</mi><mi>t</mi></msub><mi>(</mi><mi>f</mi><mi>)</mi></mrow><mrow><mn>4</mn><msub><mi>k</mi><mi>b</mi></msub><mi>π</mi><msubsup><mi>d</mi><mi>s</mi><mn>2</mn></msubsup><mi>(</mi><msub><mi>θ</mi><mn>0</mn></msub><mi>)</mi></mrow></mfrac><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1</mn><mi>−</mi><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∏</mo><mrow><mi>i</mi><mi>=</mi><mn>1</mn></mrow><mi>m</mi></munderover><msup><mi>e</mi><mrow><mi>−</mi><msubsup><mi>k</mi><mi>e</mi><mi>i</mi></msubsup><msub><mi>d</mi><mi>i</mi></msub><mi>(</mi><msub><mi>θ</mi><mn>0</mn></msub><mi>)</mi></mrow></msup></mstyle></mrow><mo>]</mo></mrow></mstyle>

28、

29、其中，表示地面站接收机内部器件的等效噪声温度，为地面接收机的接收天线效率，为地面接收机接收天线的物理温度，表示地面站接收机低噪声放大器的噪声温度，表示地面站接收机混频器的噪声温度，表示地面站接收机中频放大器的噪声温度，表示地面站接收机天线馈线的噪声温度；gf表示地面站接收机天线馈线的增益；glna表示地面站接收机低噪声放大器的增益；gmx表示地面站接收机混频器的增益；表示地面站接收机天线馈线的损耗；表示太赫兹信号穿过气层时，由于分子吸收引起的等效噪声温度；表示太赫兹无线电信号的功率谱密度；为玻尔兹曼常数；表示气层数量；表示第个气层的消光系数；表示低轨卫星和地面接收机之间的通信路径在第个气层的路径长度，为低轨卫星和地面接收机之间的通信路径的总路径长度，表示自然常数；表示地面接收机的接收天线增益，表示噪声源的亮温温度，表示气层积分变量，表示角度积分变量。表示天空下行亮度温度引起的天线噪声温度，表示由地面上升温度引起的天线噪声温度，均通过表达式进行计算。

30、优选地，所述地面接收机的信噪比偏微分方程组包括：

31、令，表示地面接收机相控阵列天线的第个阵元间距，带入得到每一个偏微分方程满足如下表达式：，建立地面接收机的信噪比偏微分方程组，n表示地面接收机相控阵列天线的阵元数量。

32、本发明至少具有以下有益效果

33、本发明基于接收优化的低轨卫星太赫兹通信方法，利用太赫兹频段提供星地之间的通信服务，地面站通过相控阵天线的电子可切换技术实现波束转向以便实施跟踪卫星方向，结合星地之间路径上的损耗和等效噪声温度以及接收系统自身的物理温度，给出地面接收端信号的信噪比表达式，对阵元的偏微分方程组进行求解，其结果给出了最优接收下各阵元间距，然后根据该结果进行间距调整，提高接收端的接收功率。