一种NGSO星座间干扰规避方法

本发明涉及卫星通信，尤其涉及一种ngso星座间干扰规避方法。

背景技术：

1、近年来，随着“一箭多星”、“火箭回收”、“卫星小型化”等技术的发展与革新，商业航天再次在全球范围内兴起，卫星通信技术不再局限于单一的地球静止轨道(geostationary orbit,gso)卫星。面对更低通信时间延迟，更低通信链路损耗，更快数据传输速度，更大系统容量和更低发射成本等迫切需求，非地球静止轨道(non-geostationary orbit,ngso)巨型卫星通信系统成为国内外各大通信运营商以及商业科技公司的优先选择，他们纷纷启动建设由成百上千颗ngso卫星组成的巨型卫星通信星座系统，随着这些ngso巨型卫星通信星座系统计划的实施，空间的频轨资源将变得更加紧张。同频干扰(co-frequency interference,cfi)便成为制约巨型ngso星座发展的不可忽视的问题，针对巨型星座间同频干扰规避的问题，现有的干扰规避方法都需要具备频谱感知能力，难以应对复杂时变的干扰环境。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于，针对ngso星座间下行链路干扰场景复杂，干扰规避困难的问题，提供一种ngso星座间干扰规避方法，提出最大化期望信干噪比(maximizing expected signal-to-interference plus noise ratio,mesinr)的通信卫星智能选取策略，被干扰地球站通过选择可视范围内sinr(信干噪比)期望值最大的那颗卫星建立通信链路，能够提升目标星座用户通信质量。本发明方法考虑目标ngso星座和干扰ngso星座星历，对ngso卫星星座的有用信号和干扰信号进行精确建模，能够对不同ngso星座间下行链路干扰进行一定程度缓解。

2、为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了一种ngso星座间干扰规避方法，所述方法包括：

3、s1，对目标ngso星座和干扰ngso星座的卫星星历进行更新，得到卫星星历信息；

4、所述卫星星历信息包括卫星轨道倾角i、tle数据更新时刻的卫星升交点赤经ω0、卫星轨道离心率e、tle数据更新时卫星轨道近地点辐角e0和卫星平均每天绕地球圈数ns；

5、s2，对所述卫星星历信息进行处理，得到ngso星座间干扰信息；

6、所述ngso星座间干扰信息包括目标ngso星座对目标ngso星座地面站可见通信卫星数量、各通信卫星的剩余可见时间和干扰ngso星座对目标ngso星座地面站可见干扰卫星数量；

7、s3，利用所述ngso星座信息，构建有用信号模型和干扰信号模型；

8、所述有用信号模型为目标ngso星座地面站对目标ngso卫星接收有用信号的模型；

9、所述干扰信号模型为目标ngso星座地面站对干扰ngso卫星接收干扰信号的模型；

10、s4，利用所述有用信号模型和所述干扰信号模型，计算目标ngso地面站在每颗可用通信卫星剩余通信时长内的期望值；

11、所述期望值为有用信号与干扰信号和噪声功率之和的比值的数学期望；

12、s5，对所述期望值进行处理，得到ngso星座间干扰规避模型。

13、作为一种可选的实施方式，本发明实施例中，所述对所述卫星星历信息进行处理，得到ngso星座间干扰信息，包括：

14、s21，利用卫星轨道运行周期计算模型，对所述卫星平均每天绕地球圈数ns进行处理，得到卫星轨道运行周期；

15、所述卫星轨道运行周期计算模型表达式为：

16、

17、其中，ts为卫星轨道运行周期，a为卫星的半长轴，te表示地球自转周期，取值为86164s，μ为地球的引力常数，为3.986005×1014m3/s2；

18、s22，对所述卫星轨道运行周期进行处理，得到ngso卫星在地心固定坐标系中的坐标；

19、s23，对所述ngso卫星在地心固定坐标系中的坐标进行处理，得到ngso星座间干扰信息。

20、作为一种可选的实施方式，本发明实施例中，所述对所述卫星轨道运行周期进行处理，得到ngso卫星在地心固定坐标系中的坐标，包括：

21、s221，对所述卫星轨道运行周期进行处理，得到ngso卫星的平均角速度；

22、所述ngso卫星的平均角速度为：

23、

24、其中，ngso卫星的平均角速度为ω；

25、s222，对所述ngso卫星的平均角速度进行处理，得到ngso卫星在计算时刻t的纬度参数；

26、所述ngso卫星在计算时刻t的纬度参数et表达式为：

27、et＝e0+ω×t

28、其中，e0为tle数据更新时卫星轨道近地点辐角，t为计算时刻相对于tle数据更新时刻所经历的时间；

29、s223，对所述卫星轨道倾角i进行处理，得到ngso卫星轨道进动速率；

30、所述ngso卫星轨道进动速率表达式为：

31、

32、其中，ωr为ngso卫星轨道进动速率，j2为二阶引力位系数，取值为1082.6×10-6，re为地球半径，取值为6378000m，a为卫星的半长轴，μ为地球的引力常数；

33、s224，对所述ngso卫星轨道进动速率进行处理，得到ngso卫星在计算时刻t的升交赤经；

34、所述ngso卫星在计算时刻t的升交赤经表达式为：

35、ωt＝ω0+ωr×t

36、其中，ωt为ngso卫星在计算时刻t的升交赤经；

37、s225，对所述ngso卫星在计算时刻t的升交赤经进行处理，得到ngso卫星在地心固定坐标系中的坐标；

38、所述ngso卫星在地心固定坐标系中的坐标表达式为：

39、

40、其中，表示ngso星座第j颗卫星sj时刻t在地心固定参考中心的坐标矢量

41、xj,t、yj,t、zj,t为ngso星座第j颗卫星sj时刻t在地心固定参考中心的坐标矢量在x、y、z三个方向上的坐标值，ej,t为第j颗卫星sj时刻t的纬度参数，ωj,t为第j颗卫星sj时刻t升交赤经。

42、作为一种可选的实施方式，本发明实施例中，所述对所述ngso卫星在地心固定坐标系中的坐标进行处理，得到ngso星座间干扰信息，包括：

43、s231，对目标ngso卫星地面站g所在的纬经度信息进行处理，得到以地球为中心的固定参考系中目标ngso地面站的坐标矢量；

44、所述以地球为中心的固定参考系中目标ngso地面站的坐标矢量的表达式为：

45、

46、其中，为以地球为中心的固定参考系中目标ngso地面站的坐标矢量，目标ngso卫星地面站g所在的纬经度信息为(lat,lon),lat表示目标ngso卫星地面站纬度，lon表示目标ngso卫星地面站经度，re为地球半径，t为计算时刻相对于tle数据更新时刻所经历的时间，ωe表示地球在赤道的自转角速度，取值为7.29×10-5rad/s，xg,t、yg,t、zg,t分别为目标ngso卫星地面站g在地心固定参考系中x、y、z三个方向上的坐标值；

47、s232，对所述以地球为中心的固定参考系中目标ngso地面站的坐标矢量进行处理，得到目标ngso星座地面站的天线仰角；

48、所述目标ngso星座地面站的天线仰角表达式为：

49、

50、其中表示矢量的模，为目标ngso星座地面站g到ngso星座卫星之间的距离，表示ngso星座第j颗卫星sj时刻t在地心固定参考中心的坐标矢量，ε为目标ngso星座地面站的天线仰角，目标ngso星座地面站的天线仰角约束为ε≥ε0，ε0表示目标ngso星座地面站的最小天线仰角；

51、s233，对所述以地球为中心的固定参考系中目标ngso地面站的坐标矢量和所述目标ngso星座地面站的天线仰角进行处理，得到ngso星座间干扰信息；

52、所述ngso星座间干扰信息包括目标ngso星座对目标ngso星座地面站可见通信卫星数量、各通信卫星的剩余可见时间和干扰ngso星座对目标ngso星座地面站可见干扰卫星数量。

53、作为一种可选的实施方式，本发明实施例中，所述目标ngso星座对目标ngso星座地面站可见通信卫星数量为时刻t集合的数量nob1,t；

54、所述集合为满足的卫星集合，其中，为目标ngso星座nc颗卫星中能够与目标ngso地面站建立通信链路的卫星，nc为目标ngso星座卫星总数，表示矢量的模，为目标ngso星座地面站g到目标ngso星座卫星之间的距离，表示目标ngso星座第j颗卫星时刻t在地心固定参考中心的坐标矢量。

55、作为一种可选的实施方式，本发明实施例中，所述各通信卫星的剩余可见时间表达式为：

56、

57、其中，为时刻t对于nob1,t颗可用的通信卫星，计算每颗卫星不满足的时刻，各通信卫星的剩余可见时间为

58、作为一种可选的实施方式，本发明实施例中，所述干扰ngso星座对目标ngso星座地面站可见干扰卫星数量nob2,t为时刻t集合的数量；

59、所述集合为满足的干扰卫星集合，为干扰ngso星座ninterf颗卫星中与目标ngso地面站造成干扰的卫星，ninterf为干扰ngso星座卫星总数，表示矢量的模，为目标ngso星座地面站g到干扰ngso星座卫星之间的距离，表示干扰ngso星座第j颗卫星时刻t在地心固定参考中心的坐标矢量。

60、作为一种可选的实施方式，本发明实施例中，所述有用信号模型表达式为：

61、

62、其中，为时刻t目标ngso星座地面站g可视范围内可用通信卫星的发射机在地面站g接收机的期望信号功率，为目标ngso星座地面站g可视范围内目标ngso星座的第j颗可用卫星的发射功率，单位为w；为目标ngso星座卫星天线辐射方向图，单位为相对比值；0表示目标ngso星座地面站g在与卫星通信过程中彼此波束对准；表示目标ngso星座地面站g的天线辐射方向图，单位为相对比值；λj表示目标ngso星座地面站g可视范围内的目标ngso星座系统第j颗卫星的载波波长，单位m；表示目标ngso星座地面站g与其可视范围内目标ngso星座第j颗卫星在时刻t的距离，单位m。

63、作为一种可选的实施方式，本发明实施例中，所述有用干扰信号模型表达式为：

64、

65、其中，ij,t为时刻t目标星座系统的地面站g可视范围内的第j颗潜在干扰卫星的发射机在目标ngso地面站g接收机的干扰信号功率，表示目标ngso星座地面站g可视范围内干扰ngso星座的第j颗潜在干扰卫星在重合频带内的等效发射功率，单位为w；表示干扰ngso星座卫星天线辐射方向图，单位为相对比值；表示目标ngso星座地面站g的天线辐射方向图，单位为相对比值；φj,t表示干扰ngso星座第j颗卫星天线指向与目标ngso星座地面站g在时刻t的夹角；θj,t表示目标ngso星座地面站g的通信链路与干扰ngso星座第j颗干扰卫星在时刻t的夹角；λj表示目标ngso星座地面站g可视范围内干扰ngso星座的第j颗卫星的信号波长，单位m；表示目标ngso星座地面站g与其可视范围内干扰ngso星座的第j颗卫星在时刻t的距离，单位m；

66、o表示地心固定坐标系对应的地心，表示目标ngso星座地面站g与其可视范围内目标ngso星座第j颗卫星在时刻t的距离，单位m；dj,t表示地面站g可视范围内干扰ngso星座第j颗潜在干扰卫星与地心之间的距离，

67、其中分别为干扰ngso卫星在地心固定参考系中x、y、z三个方向上的坐标值，分别为目标ngso卫星在地心固定参考系中x、y、z三个方向上的坐标值。

68、作为一种可选的实施方式，本发明实施例中，所述目标ngso地面站在每颗可用通信卫星剩余通信时长内的期望值表达式为：

69、

70、其中，e(sinrj,t)为目标ngso地面站在每颗可用通信卫星剩余通信时长内的期望值，sinrj,t表示的是t时刻目标ngso星座地面站可视范围内第j颗卫星的信干噪比；表示t时刻目标ngso星座地面站接收到可视范围内第j颗可用卫星的信号功率；t0表示目标ngso星座地面站建立通信链路的时刻或者切换通信卫星时刻；表示t时刻目标ngso星座第j颗可用通信卫星的剩余通信时长；表示的是t时刻目标ngso星座地面站接收到可视范围内潜在干扰卫星的干扰信号功率之和；n表示被干扰地球站接收机的等效噪声，为高斯白噪声，nob2,t为干扰ngso星座对目标ngso星座地面站可见干扰卫星数量，ij,t为时刻t目标星座系统的地面站g可视范围内的第j颗潜在干扰卫星的发射机在目标ngso地面站g接收机的干扰信号功率。

71、与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：

72、(1)本发明提出了一种目标ngso星座地面站可见目标ngso星座通信卫星数量及其剩余可用通信时长的分析方法，将目标ngso星座地面站的可见范围和ngso星座轨道建模到地心直角坐标系中，通过立体几何表示出可见通信卫星范围，能够形象、快捷地判断出可见通信卫星数量和剩余通信时长；

73、(2)本发明提出了目标ngso星座地面站对目标ngso卫星接收有用信号模型和目标ngso星座地面站对干扰ngso卫星接收干扰信号模型，在自由空间链路衰减下，同时考虑目标ngso星座地面站、目标ngso星座卫星以及干扰ngso星座卫星的天线模型，能够快速地计算出目标ngso星座的有用信号和干扰ngso星座的干扰信号在目标ngso星座地面站接收机处功率大小；

74、(3)本发明提出了一种基于最大化期望信干噪比的ngso星座间干扰规避方法，以目标ngso星座地面站可视范围内的每颗可用通信卫星的剩余通信时长进行时间上的分割，在每颗可用卫星的剩余通信时长内对比每颗卫星的信干噪比的期望，能够从可用通信卫星中选择最优的那颗卫星进行通信，从而能够缓解干扰ngso星座卫星对目标ngso星座下行链路的同频干扰。