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CN113595616A - 一种基于卫星天线波束指向优化的ngso系统间干扰减缓方法 - Google Patents

一种基于卫星天线波束指向优化的ngso系统间干扰减缓方法 Download PDF

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CN113595616A
CN113595616A CN202110860476.2A CN202110860476A CN113595616A CN 113595616 A CN113595616 A CN 113595616A CN 202110860476 A CN202110860476 A CN 202110860476A CN 113595616 A CN113595616 A CN 113595616A
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earth station
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ngso1
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Abstract

本发明公开了一种基于卫星天线波束指向优化的NGSO系统间干扰减缓方法，属于低轨卫星通信领域，具体是：首先，构建受扰卫星系统和干扰卫星系统的通信链路的干扰场景；然后，卫星向地球站发送卫星信号，分别计算地球站接收的功率，并进一步计算功率比需满足的约束条件；接着，定义卫星天线波束指向的动态禁区，构建优化目标函数，并满足约束条件，将NGSO星座系统间频率共存问题转换成非线性多元函数优化问题；最后，求解出目标函数的最小值Γmin，作为卫星天线波束指向的禁区角。判断干扰卫星波束视轴指向是否位于禁区内，如果是，干扰卫星天线要自适应地调整波束指向，减缓有害干扰；否则，没有造成有害干扰。本发明能提升系统间的频率兼容性。

Description

一种基于卫星天线波束指向优化的NGSO系统间干扰减缓方法
技术领域
本发明属于低轨卫星通信领域，涉及大规模NGSO星座系统间的频率兼容同频共存问题，具体是一种基于卫星天线波束指向优化的NGSO系统间干扰减缓方法。
背景技术
由于NGSO星座具有规模大、频段高、带宽大以及时延低等特点，且可为全球提供动态服务，因此NGSO星座已成为当下最有应用前景的卫星通信技术之一。以SpaceX和OneWeb为代表的国外商业航天公司相继发射了工作在Ku/Ka频段的低轨卫星星座，多个系统在Ku/Ka频段同频共用的局面在所难免，系统间发生有害干扰的概率极高，因此开展NGSO星座系统间干扰减缓方法的研究显得尤为重要。
针对NGSO星座系统间同频共存的场景，关于干扰减缓方法的研究，公开报道的文献较少，干扰减缓方法的研究尚处于摸索阶段。ITU-R S.1431建议书提出了一些提升10-30GHz卫星固定业务NGSO星座系统间频率兼容的干扰减缓方法，如文献[1]公开的卫星分集、卫星选择策略、天线旁瓣、频率信道化等。但是，没有描述具体的实现方法。文献[2]针对NGSO星座干扰分析提出了一种链路夹角的概率分析方法，同时提出了一种有害干扰的概率计算方法和卫星星座可用性指标。文献[3-4]介绍了卫星分集与频带分裂两种干扰规避技术。文献[5]对基于协作的大规模NGSO星座间的频率兼容做了一些研究，并介绍了协作模式下NGSO星座的工作模式。
从学术界对NGSO星座系统间的频率兼容研究成果，可以发现大型NGSO星座系统之间同频共存的干扰减缓方法研究仍在探索中。上述研究中提到的卫星分集技术需要付出较大的代价。在建立一个新的链路时有额外的开销，从一个卫星到另一个卫星所需的时间可能是相当长的。此外，系统可能被迫使用一个比其最初选择的卫星更不理想的卫星。频带分裂技术会导致较低的吞吐量。
除此之外，上述研究考虑的都是干扰地球站和受扰地球站共址的场景，即在这种场景下，受扰地球站会受到最严重的干扰。这么考虑是为了实现对受扰系统的充分保护。但是这种考虑将会导致资源的浪费。对于一般的非共址场景，由于NGSO星座的动态时变特性，干扰链路和受扰链路间的链路夹角和链路距离也随时间变化。因此NGSO星座系统间的干扰随时间变化且受链路夹角和链路距离的影响。然而，上述研究没有考虑链路夹角和链路距离的共同作用。
[1]ITU-R S.1431.Methods to enhance sharing between non-GSO FSSsystems(except MSS feeder links)in the frequency bands between 10-30GHz[R].Geneva:ITU,2006.
[2]Jin Jin,Yaqiang Li,Chen Zhang,Linling Kuang,and Jian Yan,"Occurrence probability of co-frequency interference and system availabilityof non-geostationary satellite system in global dynamic scene,"J TsinghuaUniv(Sci&Technol),vol.58,no.9,pp.833-840,2018.
[3]C.Braun,A.M.Voicu,L.
Figure BDA00031824953700000213
and P.
Figure BDA0003182495370000021
"Should We Worry AboutInterference in Emerging Dense NGSO Satellite Constellations？,"IEEEInternational Symposium on DySPAN,2019.
[4]S.Tonkin and J.D.J.S.S.E.P.Vries,"NewSpace Spectrum Sharing:Assessing Interference Risk and Mitigations for New SatelliteConstellations,"presented at TPRC46:Research Conference on Communications,Information and Internet Policy,Washington DC,2018.
[5]Wei Li,Ji Pan,Kang Yan,Wenkang Wei,and Lei Zhang,"Research onFrequency Compatibility of Collaboration-Based Large-Scale NGSOConstellations,"Journal of Beijing University of Posts andTeleecommunications,vol.43,no.06,pp.110-117,2020.
发明内容
本发明针对目前NGSO星座系统间同频共存的问题，提出了一种基于卫星天线波束指向优化的NGSO系统间干扰减缓方法，达到有效减缓NGSO星座系统间干扰并提升系统间频率兼容性的效果，为未来NGSO星座系统间频率共用提供了一种参考。
所述的基于卫星天线波束指向优化的干扰减缓方法，包括以下步骤：
步骤一：构建NGSO1为受扰卫星系统的通信链路，NGSO2是干扰卫星系统的通信链路的NGSO星座系统间的干扰场景；
所述场景包括：NGSO1卫星和NGSO1地球站，NGSO2卫星和NGSO2地球站；
各卫星给自己对应的地球站发送信号为正常通信链路，各地球站在接收各自对应卫星发送的有用信号的同时，也会接收到其他来自卫星发射的干扰信号。
步骤二：NGSO1卫星向NGSO1地球站发送卫星信号，分别计算NGSO1地球站接收的有用信号功率
Figure BDA0003182495370000022
干扰功率
Figure BDA0003182495370000023
以及噪声功率
Figure BDA0003182495370000024
有用信号功率
Figure BDA0003182495370000025
为：
Figure BDA0003182495370000026
其中
Figure BDA0003182495370000027
为NGSO1受扰地球站接收天线的峰值增益，
Figure BDA0003182495370000028
为有用信号从NGSO1卫星到NGSO1地球站所经历的自由空间路径损耗；
Figure BDA0003182495370000029
为NGSO1卫星在最大增益方向的等效全向辐射功率；有
Figure BDA00031824953700000210
其中
Figure BDA00031824953700000211
为NGSO1卫星发射功率，
Figure BDA00031824953700000212
是NGSO1卫星发射天线的峰值增益。
Figure BDA0003182495370000031
为NGSO1受扰地球站处接收到的来自单个NGSO2星座卫星所产生的干扰信号功率；计算公式为：
Figure BDA0003182495370000032
其中
Figure BDA0003182495370000033
是NGSO1受扰地球站接收天线偏离视轴θr的增益；
Figure BDA0003182495370000034
是干扰信号从NGSO2卫星到NGSO1受扰地球站的自由空间链路损耗；
Figure BDA0003182495370000035
为NGSO2卫星在偏离发射天线视轴θt方向的等效全向辐射功率，且有
Figure BDA0003182495370000036
其中
Figure BDA0003182495370000037
为NGSO2干扰卫星的发射功率，
Figure BDA0003182495370000038
是NGSO2卫星发射天线偏离视轴θt的增益。
θt是干扰卫星系统的通信链路和干扰链路二者之间的夹角，θr是干扰链路和受扰卫星系统的通信链路二者之间的夹角。
Figure BDA0003182495370000039
为NGSO1受扰地球站接收系统噪声功率：
Figure BDA00031824953700000310
其中
Figure BDA00031824953700000311
为NGSO1受扰地球站接收系统噪声温度，K为玻尔兹曼常数，Bng1为NGSO1受扰系统通信带宽。
步骤三：利用有用信号功率
Figure BDA00031824953700000312
干扰功率
Figure BDA00031824953700000313
以及噪声功率
Figure BDA00031824953700000314
计算NGSO1受扰地球站的干扰噪声功率比和载波干扰噪声功率比，以及需满足的约束条件；
首先，计算NGSO1受扰地球站接收端的干扰噪声功率比
Figure BDA00031824953700000315
Figure BDA00031824953700000316
其中I为干扰功率的一般表示形式，N为噪声功率的一般表示形式。
约束条件需满足：受扰地球站接收端的
Figure BDA00031824953700000317
不能超过可容忍的阈值
Figure BDA00031824953700000318
然后，计算载波干扰噪声功率比
Figure BDA00031824953700000319
Figure BDA00031824953700000320
C为信号功率的一般表示形式。
约束条件需满足：受扰地球站接收端的
Figure BDA00031824953700000321
应该满足阈值
Figure BDA00031824953700000322
以满足信号干扰噪声功率比需求。
步骤四：定义卫星天线波束指向的动态禁区为以干扰卫星-受扰地球站为中心轴线，
Figure BDA00031824953700000323
为半锥角的区域；
其中ΦExclusionAngle为禁区角，由于干扰卫星相对于受扰地球站的位置在不断随时间变化，故禁区也是动态变化的。如果禁区角太大，将会过度保护受扰地球站，这并不利于干扰卫星系统的通信；如果禁区角太小，即使干扰卫星天线波束视轴指向禁区之外，受扰地球站仍然可以接收到来自干扰卫星的有害信号。因此，合理的禁区角能够实现NGSO卫星系统的频率兼容。
步骤五：针对卫星天线波束指向禁区角的范围构建优化目标函数，并满足NGSO1受扰地球站接收端的干扰噪声功率比和载波干扰噪声功率比的约束条件，将NGSO星座系统间频率共存问题转换成非线性多元函数优化问题。
目标函数
Figure BDA0003182495370000041
约束条件:
Figure BDA0003182495370000042
Figure BDA0003182495370000043
Figure BDA0003182495370000044
Figure BDA0003182495370000045
其中
Figure BDA0003182495370000046
表示干扰卫星相对于受扰地球站的方位角，
Figure BDA0003182495370000047
表示干扰卫星相对于受扰地球站的仰角，
Figure BDA0003182495370000048
表示受扰系统卫星相对于受扰地球站的方位角，
Figure BDA0003182495370000049
表示受扰系统卫星相对于受扰地球站的仰角。干扰卫星和受扰卫星在不同的时刻相对于受扰地球站的位置是不相同的。g1(·)和g2(·)表示约束条件中的第一个约束函数和第二个约束函数的一般形式。
步骤六、使用遗传算法求解出目标函数的最小值Γmin，作为卫星天线波束指向的禁区角ΦExclusionAngle。
步骤七、判断干扰卫星波束视轴向量与禁区中心轴线向量的夹角是否小于禁区角的一半，如果是，说明干扰卫星波束视轴指向位于该禁区内，干扰卫星天线要自适应地调整波束指向，减缓对受扰地球站造成的有害干扰；否则，干扰卫星波束视轴指向不位于该禁区内，没有造成对受扰地球站造成的有害干扰。
所述的干扰卫星波束视轴向量与禁区中心轴线向量的夹角小于禁区角的一半，计算表达式为：
Figure BDA00031824953700000410
Figure BDA00031824953700000411
为tp+k时刻干扰卫星波束视轴的向量，
Figure BDA00031824953700000412
为tp+k时刻禁区中心轴线的向量。
当干扰卫星波束视轴指向位于该禁区内，此时受扰地球站接收到的干扰噪声功率比和载波干扰噪声功率比不再满足约束条件，受扰地球站将受到干扰卫星产生的有害干扰。此时干扰卫星天线需要自适应地调整波束指向，使干扰卫星波束视轴向量与禁区中心轴线向量的夹角大于禁区角的一半，使得受扰地球站的干扰噪声功率比和载波干扰噪声功率比满足约束条件，从而减缓对受扰地球站的有害干扰。
或者干扰卫星此时关闭发射波束，干扰信号功率为零，以此减缓对受扰地球站造成的有害干扰。
本发明具有以下优势：
1、一种基于卫星天线波束指向优化的NGSO系统间干扰减缓方法，在保证受扰系统接收端信干噪比的同时能够大规模减缓NGSO星座系统间的有害干扰，提升系统间的频率兼容性。
2、一种基于卫星天线波束指向优化的NGSO系统间干扰减缓方法，提出了NGSO卫星天线波束指向的动态禁区。相比ITU-R S.1503建议书为保护GSO系统定义的固定禁区，由于NGSO的高速运动特性，固定禁区已经不适合NGSO卫星系统间的频率兼容。对于NGSO卫星的动态时变特性，卫星天线波束的自适应调整结合动态禁区使干扰规避变得更加灵活，有利于NGSO星座系统间的同频共存。
3、一种基于卫星天线波束指向优化的NGSO系统间干扰减缓方法，将NGSO系统间的频率兼容问题转化为非线性多元函数优化问题，并且考虑了NGSO卫星之间链路夹角和链路距离的共同作用。相比以往的研究，即受扰地球站和干扰地球站共址并且干扰链路距离为干扰卫星轨道高度以充分保护受扰地球站，本发明考虑一般的非共址场景，与此同时考虑卫星高速运动情况下，动态变化的链路夹角与链路距离对干扰的影响。本发明没有过度保护受扰地球站，更加真实全面且节省资源。
附图说明
图1是本发明一种基于卫星天线波束指向优化的NGSO系统间干扰减缓方法的流程图；
图2是本发明构建的NGSO星座系统间下行链路的干扰场景；
图3是本发明构建的NGSO卫星系统间卫星天线波束指向动态禁区示意图；
图4是本发明构建的NGSO星座系统间下行链路的干扰场景几何构型；
图5是本发明各系统卫星和地球站的天线增益方向图；
图6是本发明遗传算法中禁区角值随迭代次数的变化；
图7是采取干扰减缓方法前，受扰地球站接收端干扰噪声比随时间的变化
图8是采取卫星分集技术，受扰地球站接收端干扰噪声比随时间的变化；
图9是采取所提干扰减缓方法，受扰地球站接收端干扰噪声比随时间的变化；
图10是受扰地球站接收端干扰噪声比的累积分布情况；
图11是本发明采取干扰减缓方法后，全球范围内受扰地球站的可用时间占比。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细和深入描述。
本发明提供了一种基于卫星天线波束指向优化的NGSO系统间干扰减缓方法，基于优化理论，将卫星系统间的频率兼容问题转化成非线性多元函数优化问题，然后优化了卫星天线波束指向的动态禁区。卫星天线波束的自适应调整结合动态禁区使干扰规避变得更加灵活，有利于NGSO星座系统间的同频共存。通过评估全球范围内受扰地球站的可用时间占比来量化评估基于卫星天线波束指向优化的干扰减缓方法的有效性。仿真结果表明本发明所提干扰减缓方法既能减少对受扰地球站的干扰功率水平，又能保证接收端的信号干扰噪声功率比需求，提升了大规模NGSO星座系统间的频率兼容性，为未来大规模NGSO星座系统间的同频共存提供了一个参考。
本发明所述一种基于卫星天线波束指向优化的NGSO系统间干扰减缓方法，如图1所示，具体步骤如下：
步骤一：构建NGSO1为受扰卫星系统的通信链路，NGSO2是干扰卫星系统的通信链路的NGSO星座系统间的干扰场景；
NGSO星座系统中包含多颗卫星以及多个地球站，但是为了便于分析，本实施例以每个NGSO星座系统中单站单星为例来说明。
NGSO卫星网络下行链路共存场景的系统模型如图2所示。包括：NGSO1卫星和NGSO1地球站，NGSO2卫星和NGSO2地球站；在该场景中，NGSO1为受扰卫星系统的通信链路，NGSO2是干扰卫星系统的通信链路。NGSO1受扰地球站在接收来自NGSO1有用卫星信号的同时可能会接收到来自NGSO2干扰卫星发射的干扰信号。当接收到的干扰信号达到一定限值，NGSO1受扰地球站将会受到不可接受的干扰。所有NGSO卫星天线都对准相应地球站，所有NGSO地球站天线都对准相应通信卫星。
根据ITU IFIC卫星网络资料数据库，获取两系统卫星发射功率，天线方向图以及地球站的天线方向图，系统载波频率以及通信带宽等信息。
步骤二：NGSO1卫星向NGSO1地球站发送卫星信号，分别计算NGSO1地球站接收的有用信号功率
Figure BDA0003182495370000061
干扰功率
Figure BDA0003182495370000062
以及噪声功率
Figure BDA0003182495370000063
有用信号功率
Figure BDA0003182495370000064
为：
Figure BDA0003182495370000065
其中
Figure BDA0003182495370000066
为NGSO1受扰地球站接收天线的峰值增益，
Figure BDA0003182495370000067
为有用信号从NGSO1卫星到NGSO1地球站所经历的自由空间路径损耗；且有
Figure BDA0003182495370000068
为NGSO1系统载波频率。
Figure BDA0003182495370000069
为NGSO1卫星在最大增益方向的等效全向辐射功率；有
Figure BDA00031824953700000610
其中
Figure BDA0003182495370000071
为NGSO1卫星发射功率，
Figure BDA0003182495370000072
是NGSO1卫星发射天线的峰值增益。
Figure BDA0003182495370000073
为NGSO1受扰地球站处接收到的来自单个NGSO2星座卫星所产生的干扰信号功率；计算公式为：
Figure BDA0003182495370000074
其中
Figure BDA0003182495370000075
是NGSO1受扰地球站接收天线偏离视轴θr的增益；
Figure BDA0003182495370000076
是干扰信号从NGSO2卫星到NGSO1受扰地球站的自由空间链路损耗；且有
Figure BDA0003182495370000077
为NGSO2系统载波频率。
Figure BDA00031824953700000725
为NGSO2卫星在偏离发射天线视轴θt方向的等效全向辐射功率，且有
Figure BDA0003182495370000078
其中
Figure BDA0003182495370000079
为NGSO2干扰卫星的发射功率，
Figure BDA00031824953700000710
是NGSO2卫星发射天线偏离视轴θt的增益。
θt是干扰卫星系统的通信链路和干扰链路二者之间的夹角，θr是干扰链路和受扰卫星系统的通信链路二者之间的夹角。
Figure BDA00031824953700000711
为NGSO1受扰地球站接收系统噪声功率：
Figure BDA00031824953700000712
其中
Figure BDA00031824953700000713
为NGSO1受扰地球站接收系统噪声温度，K为玻尔兹曼常数，通常是-228.6dBW/K/Hz，Bng1为NGSO1受扰系统通信带宽，单位为Hz。
步骤三：利用有用信号功率
Figure BDA00031824953700000714
干扰功率
Figure BDA00031824953700000715
以及噪声功率
Figure BDA00031824953700000716
计算NGSO1受扰地球站的干扰噪声功率比和载波干扰噪声功率比，以及需满足的约束条件；
首先，计算NGSO1受扰地球站接收端的干扰噪声功率比
Figure BDA00031824953700000717
Figure BDA00031824953700000718
其中I为干扰功率的一般表示形式，N为噪声功率的一般表示形式。
约束条件需满足：受扰地球站接收端的
Figure BDA00031824953700000719
不能超过可容忍的阈值
Figure BDA00031824953700000720
然后，计算载波干扰噪声功率比
Figure BDA00031824953700000721
Figure BDA00031824953700000722
C为信号功率的一般表示形式。
约束条件需满足：受扰地球站接收端的
Figure BDA00031824953700000723
应该满足阈值
Figure BDA00031824953700000724
以满足信号干扰噪声功率比需求。
步骤四：定义卫星天线波束指向的动态禁区为以干扰卫星NGSO2-受扰地球站NGSO1为中心轴线，
Figure BDA0003182495370000081
为半锥角的区域；
ΦExclusionAngle为禁区角，如图3所示，由于干扰卫星相对于受扰地球站的位置在不断随时间变化，故禁区也是动态变化的。由于NGSO卫星的动态时变特性，θt，θr，NGSO2干扰系统卫星-NGSO1受扰地球站的链路距离即干扰信号的传输距离
Figure BDA0003182495370000082
NGSO1受扰系统卫星-NGSO1受扰地球站的链路距离即受扰信号的传输距离
Figure BDA0003182495370000083
均随时间t动态变化，因此两系统间的干扰也随时间动态变化。根据干扰卫星和受扰卫星所处的位置计算θt，θr，
Figure BDA0003182495370000084
和
Figure BDA0003182495370000085
如图4所示，假设NGSO2干扰卫星P相对于NGSO1受扰地球站P0的位置为
Figure BDA0003182495370000086
其中
Figure BDA0003182495370000087
是NGSO2干扰卫星相对于NGSO1受扰地球站的方位角，
Figure BDA0003182495370000088
是NGSO2干扰卫星相对于NGSO1受扰地球站的仰角。将方位角和仰角
Figure BDA0003182495370000089
转换成以NGSO1受扰地球站为三维坐标顶点的站心坐标
Figure BDA00031824953700000810
转换公式如下：
Figure BDA00031824953700000811
假设NGSO1受扰地球站P0在地理坐标系中的坐标是
Figure BDA00031824953700000812
将地理坐标转换成地心地固坐标
Figure BDA00031824953700000813
转换公式为
Figure BDA00031824953700000814
其中Rearth是地球半径，单位km。
假设干扰卫星P在地心地固坐标系下的坐标为
Figure BDA00031824953700000815
那么在地心地固坐标系中，向量
Figure BDA00031824953700000816
为
Figure BDA00031824953700000817
存在单位正交矩阵S，满足
Figure BDA00031824953700000818
其中，
Figure BDA0003182495370000091
假设NGSO2地球站处于A点并且地心地固坐标为
Figure BDA0003182495370000092
那么有
Figure BDA0003182495370000093
所以，可以得到
Figure BDA0003182495370000094
由余弦定理可知干扰卫星到受扰地球站的距离：
Figure BDA0003182495370000095
其中
Figure BDA0003182495370000096
是NGSO2卫星的轨道高度，单位为km。
假设NGSO1受扰地球站以最短距离跟踪策略跟踪其通信卫星，并且跟踪到的通信卫星为B点。与其通信的卫星相对于受扰地球站的方位角和仰角为
Figure BDA0003182495370000097
Figure BDA0003182495370000098
表示受扰系统卫星相对于受扰地球站的方位角，
Figure BDA0003182495370000099
表示受扰系统卫星相对于受扰地球站的仰角。那么
Figure BDA00031824953700000910
的地心地固坐标为
Figure BDA00031824953700000911
其中
Figure BDA00031824953700000912
那么可以得到
Figure BDA00031824953700000913
受扰系统卫星到地球站的距离：
Figure BDA00031824953700000914
其中
Figure BDA00031824953700000915
是NGSO1卫星的轨道高度。
如果禁区角太大，将会过度保护受扰地球站，这并不利于干扰卫星系统的通信；如果禁区角太小，即使干扰卫星天线波束视轴指向禁区之外，受扰地球站仍然可以接收到来自干扰卫星的有害信号。因此，合理的禁区角能够实现NGSO卫星系统的频率兼容。
步骤五：针对卫星天线波束指向禁区角的范围构建优化目标函数，并满足NGSO1受扰地球站接收端的干扰噪声功率比和载波干扰噪声功率比的约束条件，将NGSO星座系统间频率共存问题转换成非线性多元函数优化问题。
构建的优化目标函数如下：
目标函数
Figure BDA0003182495370000101
约束条件:
Figure BDA0003182495370000102
Figure BDA0003182495370000103
Figure BDA0003182495370000104
Figure BDA0003182495370000105
干扰卫星和受扰卫星在不同的时刻相对于受扰地球站的位置是不相同的。g1(·)和g2(·)表示约束条件中的第一个约束函数和第二个约束函数的一般形式。
步骤六、使用遗传算法求解出目标函数的最小值Γmin，作为卫星天线波束指向的禁区角ΦExclusionAngle。
步骤七、判断干扰卫星波束视轴向量与禁区中心轴线向量的夹角是否小于禁区角的一半，如果是，说明干扰卫星波束视轴指向位于该禁区内，干扰卫星天线要自适应地调整波束指向或者关闭波束，减缓对受扰地球站造成的有害干扰；否则，干扰卫星波束视轴指向不位于该禁区内，没有造成对受扰地球站造成的有害干扰，不需要调整波束指向或者关闭波束。
所述的干扰卫星波束视轴向量与禁区中心轴线向量的夹角小于禁区角的一半，计算表达式为：
Figure BDA0003182495370000106
Figure BDA0003182495370000107
为tp+k时刻干扰卫星波束视轴的向量，
Figure BDA0003182495370000108
为tp+k时刻禁区中心轴线的向量。
当干扰卫星波束视轴指向位于该禁区内，此时受扰地球站接收到的干扰噪声功率比和载波干扰噪声功率比不再满足约束条件，受扰地球站将受扰干扰卫星产生的有害干扰。此时干扰卫星天线需要自适应地调整波束指向，使干扰卫星波束视轴向量与禁区中心轴线向量的夹角大于禁区角的一半，使得受扰地球站的干扰噪声功率比和载波干扰噪声功率比满足约束条件，从而减缓对受扰地球站的有害干扰。
或者干扰卫星此时关闭发射波束，干扰信号功率为零，以此减缓对受扰地球站造成的有害干扰。
通过对本发明进行仿真，NGSO2系统参数设计如表1所示
表1
Figure BDA0003182495370000111
NGSO1系统参数设计如表2所示：
表2
Figure BDA0003182495370000112
仿真时长72小时，仿真步长2s；各系统卫星和地球站的天线方向图如图5所示，图6是禁区角随迭代次数的变化结果，从图中可以发现100次迭代后，曲线收敛。因此，禁区角是13.136°。
图7是不采取任何干扰减缓措施，受扰地球站的干扰噪声功率比随时间的变化结果；图8是采用卫星分集策略，受扰地球站的干扰噪声功率比随时间的变化结果；图9是采用本发明提出的干扰减缓方法，受扰地球站的干扰噪声功率比随时间的变化结果；通过对比图7-图9中，虚线表示干扰噪声功率比的阈值，皆为-12.2dB；且当采用本发明提出的干扰减缓方法，受扰地球站的干扰噪声功率比明显降低，且低于阈值。
图10是不采用任何干扰减缓措施、采用卫星分集策略以及采用本发明所提干扰减缓方法三种方法下，受扰地球站的干扰噪声功率比的累积分布结果，虚线是干扰噪声功率比的阈值-12.2dB，累积分布曲线与虚线交点的纵坐标值表示受扰地球站的可用时间占比。从图10中可以发现，不采用任何干扰减缓措施和采用卫星分集策略，受扰地球站的可用时间占比约为0％；而采用本发明所提减缓方法，受扰地球站的可用时间占比接近100％。
图11是采用本发明所提干扰减缓方法后，全球范围内的地球站的可用时间占比结果。从图11中可以发现，采用本发明所提方法，全球范围内的地球站的可用时间占比均高于98.5％。从图7-图11，说明本发明所提干扰减缓方法能够有效减缓NGSO星座系统间的有害干扰，提升NGSO星座系统间的频率兼容。

Claims (7)

1.一种基于卫星天线波束指向优化的NGSO系统间干扰减缓方法，其特征在于，具体步骤如下：
首先，构建受扰卫星系统NGSO1和干扰卫星系统NGSO2的通信链路的干扰场景；受扰卫星系统中NGSO1卫星向NGSO1地球站发送卫星信号，分别计算NGSO1地球站接收的有用信号功率
Figure FDA0003182495360000011
干扰功率
Figure FDA0003182495360000012
以及噪声功率
Figure FDA0003182495360000013
有用信号功率
Figure FDA0003182495360000014
为：
Figure FDA0003182495360000015
其中
Figure FDA0003182495360000016
为NGSO1受扰地球站接收天线的峰值增益，
Figure FDA0003182495360000017
为有用信号从NGSO1卫星到NGSO1地球站所经历的自由空间路径损耗；
Figure FDA0003182495360000018
为NGSO1卫星在最大增益方向的等效全向辐射功率；
干扰信号功率
Figure FDA0003182495360000019
计算公式为：
Figure FDA00031824953600000110
其中
Figure FDA00031824953600000111
是NGSO1受扰地球站接收天线偏离视轴θr的增益；
Figure FDA00031824953600000112
是干扰信号从NGSO2卫星到NGSO1受扰地球站的自由空间链路损耗；
Figure FDA00031824953600000113
为NGSO2卫星在偏离发射天线视轴θt方向的等效全向辐射功率；
NGSO1受扰地球站接收系统噪声功率
Figure FDA00031824953600000114
计算公式为
Figure FDA00031824953600000115
其中
Figure FDA00031824953600000116
为NGSO1受扰地球站接收系统噪声温度，K为玻尔兹曼常数，Bng1为NGSO1受扰系统通信带宽；
然后，计算NGSO1受扰地球站的干扰噪声功率比和载波干扰噪声功率比，以及需满足的约束条件；
约束条件需满足：1)、受扰地球站接收端的
Figure FDA00031824953600000117
不能超过可容忍的阈值
Figure FDA00031824953600000118
2)、受扰地球站接收端的
Figure FDA00031824953600000119
应该满足阈值
Figure FDA00031824953600000120
以满足信号干扰噪声功率比需求；
接着，定义卫星天线波束指向的动态禁区为以干扰卫星-受扰地球站为中心轴线，
Figure FDA00031824953600000121
为半锥角的区域；
进一步，针对卫星天线波束指向禁区角的范围构建优化目标函数，并满足约束条件，将NGSO星座系统间频率共存问题转换成非线性多元函数优化问题；并使用遗传算法求解出目标函数的最小值Γmin，作为卫星天线波束指向的禁区角ΦExclusionAngle；
目标函数
Figure FDA0003182495360000021
约束条件:
Figure FDA0003182495360000022
Figure FDA0003182495360000023
Figure FDA0003182495360000024
Figure FDA0003182495360000025
其中
Figure FDA0003182495360000026
表示干扰卫星相对于受扰地球站的方位角，
Figure FDA0003182495360000027
表示干扰卫星相对于受扰地球站的仰角，
Figure FDA0003182495360000028
表示受扰系统卫星相对于受扰地球站的方位角，
Figure FDA0003182495360000029
表示受扰系统卫星相对于受扰地球站的仰角；
最后、判断干扰卫星波束视轴向量与禁区中心轴线向量的夹角是否小于禁区角的一半，如果是，说明干扰卫星波束视轴指向位于该禁区内，干扰卫星天线要自适应地调整波束指向，减缓对受扰地球站造成的有害干扰；否则，干扰卫星波束视轴指向不位于该禁区内，没有造成对受扰地球站造成的有害干扰。
2.如权利要求1所述的一种基于卫星天线波束指向优化的NGSO系统间干扰减缓方法，其特征在于，所述干扰场景包括：NGSO1卫星和NGSO1地球站，NGSO2卫星和NGSO2地球站；
各卫星给自己对应的地球站发送信号为正常通信链路，各地球站在接收各自对应卫星发送的有用信号的同时，也会接收到其他来自卫星发射的干扰信号。
3.如权利要求1所述的一种基于卫星天线波束指向优化的NGSO系统间干扰减缓方法，其特征在于，所述NGSO1卫星在最大增益方向的等效全向辐射功率
Figure FDA00031824953600000210
为：
Figure FDA00031824953600000211
其中
Figure FDA00031824953600000212
为NGSO1卫星发射功率，
Figure FDA00031824953600000213
是NGSO1卫星发射天线的峰值增益；
NGSO2卫星在偏离发射天线视轴θt方向的等效全向辐射功率
Figure FDA00031824953600000214
为：
Figure FDA00031824953600000215
其中
Figure FDA00031824953600000216
为NGSO2干扰卫星的发射功率，
Figure FDA00031824953600000217
是NGSO2卫星发射天线偏离视轴θt的增益。
4.如权利要求1所述的一种基于卫星天线波束指向优化的NGSO系统间干扰减缓方法，其特征在于，所述θt是干扰卫星系统的通信链路和干扰链路二者之间的夹角，θr是干扰链路和受扰卫星系统的通信链路二者之间的夹角。
5.如权利要求1所述的一种基于卫星天线波束指向优化的NGSO系统间干扰减缓方法，其特征在于，所述NGSO1受扰地球站接收端的干扰噪声功率比
Figure FDA00031824953600000218
为：
Figure FDA00031824953600000219
其中I为干扰功率的一般表示形式，N为噪声功率的一般表示形式；
所述载波干扰噪声功率比
Figure FDA0003182495360000031
为：
Figure FDA0003182495360000032
C为信号功率的一般表示形式。
6.如权利要求1所述的一种基于卫星天线波束指向优化的NGSO系统间干扰减缓方法，其特征在于，所述禁区角太大，将会过度保护受扰地球站，不利于干扰卫星系统的通信；禁区角太小，即使干扰卫星天线波束视轴指向禁区之外，受扰地球站仍然可以接收到来自干扰卫星的有害信号，因此，合理的禁区角能够实现NGSO卫星系统的频率兼容。
7.如权利要求1所述的一种基于卫星天线波束指向优化的NGSO系统间干扰减缓方法，其特征在于，所述干扰卫星波束视轴向量与禁区中心轴线向量的夹角小于禁区角的一半，计算表达式为：
Figure FDA0003182495360000033
Figure FDA0003182495360000034
为tp+k时刻干扰卫星波束视轴的向量，
Figure FDA0003182495360000035
为tp+k时刻禁区中心轴线的向量；
当干扰卫星波束视轴指向位于禁区内，受扰地球站将受到干扰卫星产生的有害干扰；干扰卫星天线需要自适应地调整波束指向，使干扰卫星波束视轴向量与禁区中心轴线向量的夹角大于禁区角的一半，或者干扰卫星此时关闭发射波束，干扰信号功率为零，以此减缓对受扰地球站造成的有害干扰。
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