58] 以两颗卫星与两个接收天线位置关系构建三维几何模型如附图2所示，以两颗卫 星与地面天线Al三点建立 ΧΖ平面，卫星Sl与Al所确定直线为X轴，Sl与Al的距离为R， 两颗卫星Sl、S2间隔距离为dt，地面接收天线间距为dr，用来推导适宜计算地面天线阵动 态参数优化关系式。
[0059] 因为天线间距dr〈〈R，利用一阶泰勒级数展开式近似公式
[0066] 将公式（13)、（14)、（15)、（16)代入（11)化简可得收发天线均为2时满足LOS M頂0子信道正交天线配置条件如下。
[0068] 由公式（17)可知，因为η可以取任意整数，所以满足子信道正交的天线间距dr或 者dt可以按周期变化取值。
[0069] 低轨卫星编队中卫星与地面接收天线处于相对运动状态，它们之间的几何关系也 处于变化之中。如果要使公式（8)成立，则需要根据低轨卫星编队的运动情况来调整地面 天线阵参数来保持子信道正交。
[0070] 根据卫星轨道数据计算收发天线阵几何关系过程如附图3所示。
[0071] 将低轨卫星编队轨道方程计算得到的距离、角度数据带入公式（17)，便可得到低 轨卫星编队场景下使得视距Mnro信道容量最大的天线配置关系式，最小的最优地面天线 阵间距dr满足下式。
[0073] 地面接收天线阵动态调整的算法如下：
[0074] 参数：
[0075] R，Θ t，Θ r，dr，dt :如附图 2 所示
[0076] [ΤΟ, ΤΙ] :M頂0通信时间段
[0077] H :信道矩阵
[0078] λ :载波波长
[0079]
[0081] 在对天线阵参数优化算法仿真中，在设定好模型系统参数后，先计算了通信时间 段[TO, Tl]以及此段时间主卫星SO与地面天线阵中心天线GO的几何关系（仰角、方位角和 距离）变化数据；第二，得出[TO, Tl]时间段内地面阵参数dr的优化配置，第三，对[TO, Tl] 时间段使用天线阵参数优化算法所得的信道容量与未优化天线阵的信道容量进行对比，第 四，引入Adr(分别为0.2米，0.4米，0.6米，0.8米），对[T0，T1]时间段使用优化算法无 误差、存在优化误差A dr，以及未优化的信道容量进行仿真对比分析。
[0082] 设定模型所涉及的物理参数如表1所示。并设定地面天线阵角度Θ r满足C0s Θ r =0. 1。cos Θ r取〇. 1是为了使Θ r的值具有现实合理性。
[0083] 表1仿真系统参数设定表
[0084]
[0085] 对于所设定卫星场景，可计算得两颗卫星同时可见时间段[T0, ΤΙ]= [21:54:40-22:08:02]，通过卫星编队轨道参数和地面阵地理位置可以得到[TO, Tl]时段 内主卫星与地面站中心距离，方位角以及仰角变化如附图4所示。
[0086] 在一次通信窗口 [TO, Tl]时间段内卫星与地面天线间的距离由远变近再变远，地 面天线对卫星的仰角由小变大再变小，卫星相对于地面站的方位角在卫星飞过地面站所处 经度时发生跳变。
[0087] 根据天线阵参数优化算法计算得出[TO, Tl]时段内地面接收天线阵能满足子信 道正交的最优天线间距变化如附图5所示。
[0088] 由公式（18)可知，附图5中的每个dr的值都满足子信道正交。由附图5可知，当 卫星编队与地面阵距离变小时，保持卫星编队天线间距不变，所要求的满足最大信道容量 的最小地面天线间距变小，随卫星与地面站的距离减小而由最大值3. 6米降至0. 8米，然后 又逐渐增大。
[0089] 利用卫星轨道数据，计算地面天线阵间距为1. 2米且构型固定时[TO, Tl]时段内 的信道容量变化图如附图6所示。
[0090] 由附图6可知，在不对卫星发射功率进行额外处理的情况下（即卫星发射功率保 持恒定），系统信道容量随距离变小（信噪比增大）而增大。但在一个通信时段内，信道容 量的变化不稳定。在此利用类似中断容量的指标来分析未调整地面天线阵情况下星地MIMO 信道容量的性能：
[0092] 其中q表示假定以平均容量拟合变化CE(图中红线表示）的速率传输信息，计算 得到整个通信过程中信道容量低于CE的时间T[C(h) <CE]与整个通信时间段时间Ttotaj9 比值。在设定这个场景下q为62. 8%，所以，未调整天线阵情况下，卫星编队星地MMO系统 容量不稳定，性能较差。不采用天线阵参数优化难以直接应用来提高系统复用增益。
[0093] 根据所得的最优天线间距，使用天线阵参数优化算法计算通信过程[TO, Tl]中信 道容量变化值，得到应用天线阵参数优化算法后得到的信道容量与未优化情况下[το, τι] 时段内信道容量对比图如附图7所示。
[0094] 由附图7可知，在一次通信过程中，未采用天线阵参数优化的情况下，信道容量波 动起伏较大，即使也能波动式达到最大信道容量值，但由于变化太快，发射端难以充分利用 信道来发送信息。应用天线阵参数优化后，信道容量随信噪比增大平稳上升，任何时候信道 容量都维持在最大值，变化平稳，因此易于利用空域信息来提升系统的信息传输能力。
[0095] 考虑存在天线阵间距优化误差的情况下，设定误差Ad分别为0、0.2、0.4、0.6、 〇. 8米，仿真得到[TO, Tl]时段内误差影响如附图8所示。
[0096] 由附图5可知，在整个通信时间段内，地面天线间最优间距处于变化之中。当最优 天线间距为3. 6米时，由附图8可知，存在0. 8米调整误差对系统性能的影响及其有限。最 优天线间距下降到〇. 8米时，当调整存在误差为0. 2米时，系统容量下降仍不明显；当调整 后存在误差大于〇. 6米时，会对系统容量造成较大影响，容量下降17%，当存在误差为0. 8 米时，容量下降43. 7%。仿真表明，误差越大，对系统容量造成负面的影响越大。
[0097] 对不同优化情况下所得的信道容量与无误差优化情况下的信道容量做比值，得到 对比情况如附图9所示。在实际中，把误差控制在0.4米（最优间距最小值的一半）以下 容易实现。当在仿真中设定误差Ad = 0.4米时，系统容量性能不会出现大幅下降。容量 保持在最优情况的93%以上。
[0098] 了衡量整个[t0, tl]时段内不同情形下的信道容量，对比几种情况所得的信道容 量进行累计求和，用于在不考虑信道容量波动的情况下评估系统性能。得到不同优化状态 下信道容量累积和对比图如附图10所示。
[0099] 在通信时间段[t0, tl]内对不同调整情况下的容量进行累积求和，当存在误差 0. 2米时，容量累积和为最优情况下累积和的99. 4% ;当存在误差0. 4米时，容量累积和 为最优情况下累积和的97. 5% ;当存在误差0. 6米时，容量累积和为最优情况下累积和的 93. 7% ;当存在误差0. 8米时，容量累积和为最优情况下累积和的85. 9% ;若不调整天线 间距，容量累积和为最优情况下累积和的87. 0%。
[0100] 当误差不大于〇. 6米时，信道容量比不调整时好，且稳定。当误差为0. 8米时，信 道容量数值累计和比未调整情况下小，但由于未调整情况下系统信道容量波动性较大，在 实际应用中难以充分利用信道资源，它的整体性能较差。所以，本发明提出的地面天线阵动 态调整方案能使系统信息传输性能获得较好的提升。
[0101] 本发明的方法使用地面天线阵参数优化算法调整地面阵参数来满足卫星编队视 距星地MIMO系统子信道正交，能使系统信道容量维持在最优状态，避免了因为低轨卫星编 队运动使收发天线位置关系变化使子信道相关性增大，导致信道容量急剧下降的情况。通 过仿真可知，应用调整方案能使系统性能稳定，信道容量有较大提升，即使引入较大误差 后，系统性能下降不明显。说明本发明的方法有一定的实用价值。
[0102] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定 本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在 不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的 保护范围。
【主权项】
1. 一种基于低轨卫星编队星地MIMO的通信阵列参数优化方法，应用于低轨卫星编队 星地MIMO通信系统，所述卫星编队包括至少两颗保持在同一轨道上的低轨卫星，地面站包 括至少两个天线组成的天线阵；其特征在于，所述方法包括如下步骤： 步骤1 :根据所述卫星编队的卫星轨道数据W及地面站的位置数据，得到卫星与地面 站的距离、方位角、仰角数据； 步骤2:得到通信时间窗口 [T0,Tl]; 步骤3 :计算t时刻的卫星与地面站的距离变化数据R(t)、卫星天线阵的仰角变化数据 0t，其中，tG[T0，T1]; 步骤4 :根据R(t)、0t优化地面站天线阵列参数化(t)。2. 根据权利要求1所述的通信阵列参数优化方法，其特征在于，所述步骤1具体为： 根据卫星轨道的形状、大小和方向W及某一确定时刻的在轨位置求解开普勒方程并进行修 正，得到卫星的位置数据，根据地面站的位置W及卫星的位置，计算地面站到卫星的距离、 仰角和方位角数据。3. 根据权利要求1所述的通信阵列参数优化方法，其特征在于，所述星天线阵的仰角 变化数据0t根据W下公式计算：;Ti,2= [(R+dt?sin0t)2+(化?COS目t)21/2。4. 根据权利要求I所述的通信阵列参数优化方法，其特征在于，所述地面站天线阵列 参数化(t)根据W下公式计算：其中，设定COS0f的值为0.1，A为载波波长。
【专利摘要】本发明提出了一种基于低轨卫星编队星地MIMO的通信阵列参数优化方法，考虑星地链路为视距链路，通过调整地面阵参数来满足卫星编队视距星地MIMO系统子信道正交，能使系统信道容量维持在最优状态，避免了因为低轨卫星编队运动使收发天线位置关系变化使子信道相关性增大，导致信道容量急剧下降的情况。通过仿真可知，应用调整方案能使系统性能稳定，信道容量有较大提升，即使引入较大误差后，系统性能下降不明显。说明此方案有一定的实用价值。
【IPC分类】H04B7/04, H04B7/185, H04W24/02
【公开号】CN105207703
【申请号】CN201510559457
【发明人】杨志华, 张钦宇, 黄庠奇, 杨忆
【申请人】哈尔滨工业大学深圳研究生院
【公开日】2015年12月30日
【申请日】2015年9月6日