基于非合作低轨星座星间链路干扰的网络容量确定方法

本发明涉及卫星通信，具体涉及一种基于非合作低轨星座星间链路干扰的网络容量确定方法。

背景技术：

1、卫星网络具有覆盖范围广、通信距离远、传输容量大的特点，对地面环境依赖较低，能够有效补充地面网络，在空间通信和组网中发挥着重要作用。然而，随着星座规模、网络业务量的激增，卫星网络也面临着巨大挑战。由于星间链路信道的开放性，星间链路不再是绝对安全的。微波星间链路可能受到来自非合作卫星的恶意干扰威胁。在存在非合作干扰情况下，任意一条星间链路都存在被干扰的风险，使整个卫星网络处在全方位干扰威胁之中，进而影响卫星网络整体通信容量。

2、针对卫星网络的研究目前主要集中在星座结构设计、电磁波能量衰减分析、路由协议以及网络安全等方面。非合作情况下，低轨卫星网络容量与非合作干扰、网络业务分布参数之间的关联关系尚不清晰。分析非合作干扰条件下卫星网络容量，不仅有助于提升网络效率和业务保障能力，同时有助于优化通信协议和路由机制。然而，卫星网络中星间链路切换频繁，网络拓扑动态变化。载噪比随信道条件波动导致链路容量动态变化。以上因素给准确分析卫星网络容量带来挑战。目前，对于卫星网络，涉及低轨卫星网络间干扰，特别是非合作干扰和容量分析的研究较少。虽然卫星网络属于无线网络，但其不同于地面无线网络的特点使得现有地面无线网络容量分析方法难以直接应用于卫星网络容量分析。目前面向卫星网络的容量分析方法多集中于分析卫星与地面站间上下行链路容量，难以直接应用于星间链路网络的容量分析。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的一个目的是提供基于非合作低轨星座星间链路干扰的网络容量确定方法。以缓解传统方法难以直接应用于星间链路网络的容量分析的问题，特别是非合作情况下低轨星座星间链路干扰分析问题。本发明提供的分析方法，在给定星座参数和干扰参数的情况下，基于平均路径跳数方法，分析了星间链路容量和卫星网络容量，进而分析干扰星座轨道参数变化对干扰效果的影响趋势。

2、本发明所采用的技术方案是：一种基于非合作低轨星座星间链路干扰的网络容量确定方法，包括：

3、步骤s01：构建干扰场景，根据干扰场景构建星座模型，获得被干扰星座卫星坐标和主动干扰星座卫星坐标；

4、步骤s02：根据自由空间衰弱模型建模，获得卫星通信的信道增益；

5、步骤s03：根据被干扰星座中的卫星所在区域，确定主干扰区域；

6、步骤s04：选取所述主干扰区域内的任意一颗被干扰星座卫星，根据信道增益计算所述被干扰星座卫星到相邻四个方向上的被干扰星座卫星的单条星间链路传输速率，从而获得四条星间链路在无干扰条件下和受干扰条件下的链路容量；

7、步骤s05：构建卫星网络容量计算模型，根据轨道数和每条轨道上的卫星数，确定卫星网络容量。

8、优选的，步骤s01中所述被干扰星座中卫星坐标为：

9、；

10、其中，；

11、，

12、，

13、；

14、其中，r为地球半径， n a为被干扰星座中卫星总数， p a为被干扰星座中卫星轨道数， f a为被干扰星座中卫星相位因子， h a为被干扰星座中卫星轨道高度， μ a为被干扰星座中卫星轨道倾角， ω a为含义被干扰星座运行周期， ω a为含义被干扰星座各卫星升交点赤经， ω a0为被干扰星座中卫星初始升交点赤经，为含义被干扰星座各卫星真近点角，为被干扰星座中卫星初始真近点角。

15、优选的，步骤s01中所述主动干扰星座中卫星坐标为：

16、；

17、其中，；

18、；

19、；

20、其中，r为地球半径， n b为干扰星座中卫星总数， p b为干扰星座中卫星轨道数， f b为干扰星座中卫星相位因子， h b为干扰星座中卫星轨道高度， μ b为干扰星座中卫星轨道倾角， ω b为干扰星座运行周期， ω b为干扰星座各卫星升交点赤经， ω b0为干扰星座中卫星初始升交点赤经，为干扰星座各卫星真近点角，为干扰星座中卫星初始真近点角， j b为干扰星座轨道序列号， k b为干扰星座每条轨道上卫星的序列号。

21、优选的，步骤s02中所述自由空间衰弱模型为：

22、；

23、所述信道增益为：

24、；

25、其中，d为卫星间通信距离, 使用的通信频段波长为λ， gmax为卫星发射（接收）天线最大增益， θ1代表了卫星天线偏轴角， θ b为卫星天线半功率波束宽度，， l f为远旁瓣电平， l s为峰值增益以下的主光束和近旁瓣屏蔽交叉点(db)， l f通常取0。

26、优选的，步骤s04中所述单条星间链路传输速率包括：

27、未受到干扰时，单条星间链路传输速率为：

28、；

29、其中，；

30、通信链路对应的主干扰区域的卫星满足如下条件：

31、；

32、其中， p a为被干扰星座卫星发射功率， gmax为卫星发射（接收）天线最大增益，使用的通信频段波长为λ，为t时刻卫星（i，j）到（i，j+1）的距离，k为玻尔兹曼常数，t为噪声温度，w为通信带宽，为卫星（i，j）到（i，j+1）的通信链路， θ为主干扰区域夹角。

33、优选的，步骤s04中所述单条星间链路传输速率包括：

34、受到干扰时，单条星间链路传输速率为：

35、；

36、其中，，， p b为干扰星座卫星发射功率，为主干扰区域内第k个干扰卫星的干扰链路与被干扰星座通信链路的夹角，为主干扰区域内第k个干扰卫星被干扰卫星的夹角，j(t)为t时刻主干扰区域内干扰卫星的个数， b k (t)为主干扰区域内第k个干扰卫星的坐标。

37、优选的，步骤s05包括：当轨道数n、每条轨道上的卫星数m均为奇时，卫星网络容量为：

38、；

39、；

40、；

41、；

42、；

43、其中， r o＋ r h为同轨链路的实际传输速率和； r o为同轨通信链路实际传输速率和， r h为异轨通信链路实际传输速率和，p为前向同轨通信链路实际传输速率和，q为后向同轨通信链路实际传输速率和，u为前向异轨通信链路实际传输速率和，v为后向异轨通信链路实际传输速率和。

44、优选的，步骤s05包括：当轨道数n、每条轨道上的卫星数m均为偶数时，卫星网络容量为：

45、；

46、；

47、；

48、；

49、；

50、其中， r o＋ r h为同轨链路的实际传输速率和； r o为同轨通信链路实际传输速率和， r h为异轨通信链路实际传输速率和，p为前向同轨通信链路实际传输速率和，q为后向同轨通信链路实际传输速率和，u为前向异轨通信链路实际传输速率和，v为后向异轨通信链路实际传输速率和。

51、优选的，步骤s05包括：当轨道数n为奇数，每条轨道上的卫星数m为偶数时，卫星网络容量为：

52、；

53、；

54、；

55、；

56、；

57、其中， r o＋ r h为同轨链路的实际传输速率和； r o为同轨通信链路实际传输速率和， r h为异轨通信链路实际传输速率和，p为前向同轨通信链路实际传输速率和，q为后向同轨通信链路实际传输速率和，u为前向异轨通信链路实际传输速率和，v为后向异轨通信链路实际传输速率和。

58、优选的，步骤s05包括：当轨道数n为偶数，每条轨道上的卫星数m为奇数时，卫星网络容量为：

59、；

60、；

61、；

62、；

63、；

64、其中， r o＋ r h为同轨链路的实际传输速率和； r o为同轨通信链路实际传输速率和， r h为异轨通信链路实际传输速率和，p为前向同轨通信链路实际传输速率和，q为后向同轨通信链路实际传输速率和，u为前向异轨通信链路实际传输速率和，v为后向异轨通信链路实际传输速率和。

65、上述技术方案的有益效果：

66、（1）本发明提供的方法以缓解传统方法难以直接应用于星间链路网络的容量分析的问题，特别是非合作情况下低轨星座星间链路干扰分析问题。

67、（2）本发明提供的方法，在给定星座参数和干扰参数的情况下，基于平均路径跳数方法，分析了星间链路容量和卫星网络容量，进而分析干扰星座轨道参数变化对干扰效果的影响趋势。