一种下行链路最差干扰快速估算方法
阅读说明：本技术 一种下行链路最差干扰快速估算方法 (Method for quickly estimating worst interference of downlink ) 是由 赵书阁 贺泉 向开恒 高利春 周洪刚 李小玉 康静 于 2021-05-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种下行链路最差干扰快速估算方法,包括：S101：初始化NGSO卫星的纬度幅角；S102：计算NGSO卫星在J2000坐标系的三维位置矢量、赤经和J2000坐标系到轨道坐标系的坐标转换矩阵；S103：初始化GSO卫星的赤经；S104：计算GSO卫星在J2000坐标系的位置矢量；S105：计算GSO卫星到NGSO卫星的延长线在轨道坐标系的单位矢量；S106：判断GSO卫星到NGSO卫星的延长线是否与地球相交；S107：计算与地球交点在J2000坐标系的矢量表达式；S108：计算NGSO卫星空间电台的发射在GSO卫星到NGSO卫星的延长线方向的发射增益；S109：计算与地球交点处GSO地球站的EPFD；S110：存储EPFD、对应NGSO卫星纬度幅角、GSO卫星赤经和地球表面交点的坐标；S111：更新GSO的赤经；S112：更新NGSO的纬度幅角。(The invention discloses a method for quickly estimating worst interference of a downlink, which comprises the following steps: s101: initializing a latitude argument of the NGSO satellite; s102: calculating a three-dimensional position vector of the NGSO satellite in a J2000 coordinate system, the right ascension and a coordinate conversion matrix from the J2000 coordinate system to an orbit coordinate system; s103: initializing the right ascension of the GSO satellite; s104: calculating a position vector of the GSO satellite in a J2000 coordinate system; s105: calculating a unit vector of an extension line from the GSO satellite to the NGSO satellite in an orbital coordinate system; s106: judging whether an extension line from the GSO satellite to the NGSO satellite intersects with the earth or not; s107: calculating a vector expression of the intersection point of the earth and the earth in a J2000 coordinate system; s108: calculating the emission gain of the emission of the NGSO satellite space radio station in the extension line direction from the GSO satellite to the NGSO satellite; s109: calculating the EPFD of the GSO earth station at the intersection point of the earth and the earth; s110: storing the coordinates of the EPFD, the latitude argument of the corresponding NGSO satellite, the declination of the GSO satellite and the intersection point of the earth surface; s111: renewal of the erythro channels of GSO; s112: and updating the latitude argument of the NGSO.)
技术领域
本发明涉及下行链路最差干扰快速估算领域。更具体地，涉及一种下行链路最差干扰快速估算方法。
背景技术
随时随地的互联网接入是当前信息时代最重要的特征，近年来，国内外多家企业都提出了非对地静止卫星轨道(NGSO)卫星系统，计划为全球提供随时随地的互联网接入服务。NGSO卫星系统的主要用频包括Ku频段、Ka频段等，根据《无线电规则》，NGSO卫星系统的空间电台的发射，在对地静止卫星轨道(GSO)可视的地球表面任何点上产生的等效功率通量密度(EPFD)在给定的百分比时间内均不得超过给定的限值，并且给出了EPFD限值对应的地球站基准天线和基准带宽。
对于参考频段为17.8-18.6GHz、地球站基准天线参考天线直径为1m、参考辐射模式为ITU-R S.1428-1建议书、基准带宽为40kHz，NGSO卫星系统发射的EPFD不得超过的限值如表1所示，可以看出表1的第二列给出了几个“限值点”，第三列给出了每个“限值点”对应的不能超出的时间百分比，某NGSO卫星系统发射的EPFD超出相应值的时间百分比与表1的限值点关系的示意图如图1所示。第二列最后一行的EPFD限值为“-164”，对应的不超出时间百分比为“100％”，即限值“-164”是完全不能超过的。对于其他不同的频段、地球站参考天线直径或参考辐射模式，NGSO卫星系统发射的EPFD不得超过的限值的格式与表1的限值格式类似，即都存在一个完全不能超过的限值。
由于EPFD限值是以时间百分比的形式给出，所以在进行限值检查计算时，通常采用“时间切片”的方法完成，即设置一定的仿真总时长和仿真步长，分别计算不同仿真时刻的EPFD，并统计EPFD超出相应值的时间百分比。为了获得可信度高的仿真结果，仿真总时长应尽量长、仿真步长应尽量短，这带来的问题是仿真计算耗时长，无法快速确定系统间的干扰是否满足要求，从而影响系统方案的设计进度。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种下行链路最差干扰快速估算方法，用于快速确定NGSO卫星系统对GSO卫星系统的下行链路最差干扰，从而可以快速判断NGSO卫星系统对GSO卫星系统的下行链路干扰是否满足限值要求。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种下行链路最差干扰快速估算方法，包括以下步骤：
S101：初始化NGSO卫星的纬度幅角；
S102：计算NGSO卫星在J2000坐标系的三维位置矢量、赤经和J2000坐标系到轨道坐标系的坐标转换矩阵；
S103：初始化GSO卫星的赤经；
S104：计算GSO卫星在J2000坐标系的位置矢量；
S105：计算GSO卫星到NGSO卫星的延长线在轨道坐标系的单位矢量；
S106：判断GSO卫星到NGSO卫星的延长线是否与地球表面相交，如果相交，转到S107，不相交转到S111；
S107：计算GSO卫星到NGSO卫星的延长线与地球表面的交点在J2000坐标系的矢量表达式；
S108：计算NGSO卫星空间电台的发射在GSO卫星到NGSO卫星的延长线方向的发射增益；
S109：计算NGSO卫星空间电台的发射在GSO卫星到NGSO卫星的延长线与地球表面的交点处GSO地球站的EPFD；
S110：存储EPFD，以及对应NGSO卫星纬度幅角、GSO卫星赤经以及GSO卫星到NGSO卫星的延长线与地球表面的交点的坐标；
S111：更新GSO卫星的赤经，经判断后转到S104，直至完成所有赤经的计算；
S112：更新NGSO卫星的纬度幅角，经判断后转到S102，直至完成所有纬度幅角的计算。
在一个具体示例中，所述初始化NGSO卫星的纬度幅角包括：
S1011：将NGSO卫星的纬度幅角取为u＝u0，其中，u0为NGSO卫星的初始纬度幅角u0＝0°。
在一个具体示例中，所述计算NGSO卫星在J2000坐标系的位置矢量、赤经以及J2000坐标系到轨道坐标系的坐标转换矩阵包括：
S1021：根据纬度幅角u和近地点幅角ω，计算真近点角：
θ＝u-ω
S1022：根据所述真近点角计算NGSO卫星轨道半径为：
其中，a是NGSO卫星半长轴，e是NGSO卫星偏心率；
S1023：NGSO卫星在J2000坐标系的位置矢量为：
其中，为单位向量，计算公式为：
其中，Ω是NGSO卫星升交点赤经，i是NGSO卫星轨道倾角；
S1024：将NGSO卫星在J2000坐标系的位置矢量的三维分量记为xN、yN和zN，NGSO卫星在J2000坐标系的赤经为：
S1025：J2000坐标系到轨道坐标系的坐标转换矩阵为：
其中，Mx()、My()和Mz()分别为绕X、Y和Z轴的坐标转换矩阵计算公式为：
在一个具体示例中，所述初始化GSO卫星的赤经包括：
S1031：初始化GSO卫星的赤经：
LG＝LN-ΔLG
其中，ΔLG为GSO卫星赤经区间宽度的一半。
在一个具体示例中，所述计算GSO卫星在J2000坐标系的位置矢量包括：
S1041：GSO卫星在J2000坐标系的位置矢量rG为：
其中，Re是地球平均半径，BG为GSO卫星的赤纬，HG为GSO卫星的高度。
在一个具体示例中，所述计算GSO卫星到NGSO卫星的延长线在轨道坐标系的单位矢量包括：
S1051：GSO卫星到NGSO卫星的延长线在J2000坐标系的单位矢量为：
S1052：GSO卫星到NGSO卫星的延长线在轨道坐标系的单位矢量为：
在一个具体示例中，所述判断GSO卫星到NGSO卫星的延长线是否与地球表面相交包括：
S1061：NGSO卫星到地球的切线与轨道坐标系+Z轴方向的夹角为：
S1062：GSO卫星到NGSO卫星的延长线与轨道坐标系+Z轴方向的夹角为：
其中，zo是GSO卫星到NGSO卫星的延长线在轨道坐标系的单位矢量do第三维分量；
S1063：当时，则延长线与地球表面相交；否则，延长线不与地球表面相交。
在一个具体示例中，所述计算GSO卫星到NGSO卫星的延长线与地球表面的交点在J2000坐标系的矢量表达式包括：
S1071：GSO卫星到NGSO卫星的延长线与地球表面的交点在J2000坐标系的矢量表达式为：
rd＝rN+kdi
其中，系数k计算公式为：
在一个具体示例中，所述计算NGSO卫星空间电台的发射在GSO卫星到NGSO卫星的延长线与地球表面的交点处GSO地球站的EPFD包括：
S1091：NGSO卫星空间电台的发射在GSO卫星到NGSO卫星的延长线与地面的交点处GSO地球站的EPFD为：
EPFD＝Pt+Gt-10log10(4πd2)+Gr-Grmax
其中，Pt是NGSO卫星空间电台的发射功率，Gt为NGSO卫星空间电台的发射在GSO卫星到NGSO卫星的延长线方向的发射增益，Gr是GSO地球站的接收增益，Grmax是GSO地球站的最大接收增益，在GSO地球站处于GSO卫星与NGSO卫星延长线方向的情况下，Gr＝Grmax，d是NGSO卫星空间电台与GSO卫星到NGSO卫星的延长线与地球表面的交点的距离，即d＝|rd-rN|。
在一个具体示例中，更新GSO卫星的赤经，经判断后转到S104，直至完成所有赤经的计算包括：
S1111：更新GSO卫星的赤经：
首先计算LG1：
LG1＝LG+Ls
更新LG：
LG＝LG1
其中，Ls为GSO卫星赤经的更新步长；
S1112：判断LG≤LN+ΔLG，如果符合，转到S104，否则转到S112。
在一个具体示例中，所述更新NGSO卫星的纬度幅角，经判断后转到S102，直至完成所有纬度幅角的计算包括：
S1121：更新NGSO卫星的纬度幅角：
首先计算u1：
u1＝u+us
更新u：
u＝u1
其中，us为NGSO卫星纬度幅角的更新步长；
S1122：判断u≤360°，若是，转到S102，否则结束。
本发明的有益效果如下：
本发明的一种下行链路最差干扰快速估算方法，可以用于快速确定NGSO卫星系统对GSO卫星系统的下行链路最差干扰，从而可以快速判断NGSO卫星系统对GSO卫星系统的下行链路干扰是否满足限值要求。
本发明的一种下行链路最差干扰快速估算方法获得的最差场景的卫星和地球站位置，可以作为“时间切片”仿真分析的初值，从而可以为“时间切片”仿真分析的仿真初值选取提供依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为某NGSO卫星系统发射的EPFD超出相应值的时间百分比与限值点关系的示意图；
图2为最差干扰场景对应GSO卫星、NGSO卫星以及地球站的空间几何关系示意图；
图3为本发明实施例一种下行链路最差干扰快速估算方法的流程图；
图4为最差场景(即NGSO卫星处于GSO卫星与GSO地球站连线上)时，不采取干扰规避措施的情况下EPFD随纬度幅角的变化；
图5为最差场景(即NGSO卫星处于GSO卫星与GSO地球站连线上)时采取干扰规避措施的情况下EPFD随纬度幅角的变化。
具体实施方式
为使本发明的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
NGSO卫星的运动轨迹可以由六个自由变量定义，分别为半长轴a、偏心率e、轨道倾角i、升交点赤经Ω、近地点幅角ω和纬度幅角u，其中前五个变量是不变量或慢变量，最后一个变量纬度幅角是快变量，从而NGSO卫星位置的变化主要取决于纬度幅角；同时，GSO卫星的位置可以采用定点经度描述。
基于此，在寻找最差干扰时，将NGSO卫星的纬度幅角和GSO卫星经度作为变量分别确定NGSO卫星的位置和GSO卫星的位置，根据最差场景分析，GSO地球站位于GSO卫星与NGSO卫星的延长线与地球表面交点，从而确定了GSO地球站的位置。在确定GSO地球站位置后，从而可以确定NGSO卫星与GSO地球站的距离、NGSO卫星发射天线在NGSO卫星到GSO地球站的方向的发射增益，进而可以计算NGSO卫星在地球表面NGSO地球站处产生的EPFD。同时，采用最差干扰快速估算方法获得的NGSO卫星位置、GSO卫星位置以及GSO地球站位置，可以为作为进一步的“时间切片”仿真分析的初始值，从而可以为“时间切片”仿真分析的初值选取提供依据。
本发明一种下行链路最差干扰快速估算方法，涉及非对地静止卫星轨道卫星系统NGSO对GSO卫星系统的下行链路最差干扰快速估算方法，该方法首先根据EPFD的计算公式的特征，分析确定了最差干扰场景；然后建立了最差干扰场景下，NGSO纬度幅角、GSO卫星经度取不同值时EPFD的计算方法，进而确定EPFD最大值。
根据EPFD限值格式，每种场景都存在一个“100％”不能超过的限值，即完全不能超过的值。如图1和表1所示，当NGSO卫星系统发射的EPFD最大值超过时间百分比为“100％”对应的限值时，NGSO卫星系统发射的EPFD不满足要求，从而不需要进行进一步判断是否满足其他限值，从而可以实现快速初步判断，因此下行链路最差干扰的快速计算具有重要意义。
表1
根据EPFD的计算公式，EPFD的大小主要由发射功率、发射天线增益、接收天线增益和传播距离决定。其中，发射功率为卫星系统的设计参数，通常为固定值或变化范围较小，并且由传播距离导致的EPFD改变量变化、发射偏离角导致的发射天线增益变化相对于接收偏离角导致的接收增益变化都较小，如图2所示，因此，下行链路的最差干扰通常出现在NGSO卫星处于GSO卫星与GSO地球站连线上。
本发明的一个实施例提供一种下行链路最差干扰快速估算方法，如图3所示，包括以下步骤：
S101：初始化NGSO卫星的纬度幅角；
S102：计算NGSO卫星在J2000坐标系的三维位置矢量、赤经和J2000坐标系到轨道坐标系的坐标转换矩阵；
S103：初始化GSO卫星的赤经；
S104：计算GSO卫星在J2000坐标系的位置矢量；
S105：计算GSO卫星到NGSO卫星的延长线在轨道坐标系的单位矢量；
S106：判断GSO卫星到NGSO卫星的延长线是否与地球表面相交，如果相交，转到S107，不相交转到S111；
S107：计算GSO卫星到NGSO卫星的延长线与地球表面的交点在J2000坐标系的矢量表达式；
S108：计算NGSO卫星空间电台的发射在GSO卫星到NGSO卫星的延长线方向的发射增益；
S109：计算NGSO卫星空间电台的发射在GSO卫星到NGSO卫星的延长线与地球表面的交点处GSO地球站的EPFD；
S110：存储EPFD，以及对应NGSO卫星纬度幅角、GSO卫星赤经以及GSO卫星到NGSO卫星的延长线与地球表面的交点的坐标；
S111：更新GSO卫星的赤经，经判断后转到S104，直至完成所有赤经的计算；
S112：更新NGSO卫星的纬度幅角，经判断后转到S102，直至完成所有纬度幅角的计算。
在一个具体示例中，所述初始化NGSO卫星的纬度幅角包括：
S1011：将NGSO卫星的纬度幅角取为u＝u0，其中，u0为NGSO卫星的初始纬度幅角u0＝0°。
在一个具体示例中，所述计算NGSO卫星在J2000坐标系的位置矢量、赤经以及J2000坐标系到轨道坐标系的坐标转换矩阵包括：
S1021：根据纬度幅角u和近地点幅角ω，计算真近点角：
θ＝u-ω
S1022：根据所述真近点角计算NGSO卫星轨道半径为：
其中，a是NGSO卫星半长轴，e是NGSO卫星偏心率；
S1023：NGSO卫星在J2000坐标系的位置矢量为：
其中，为单位向量，计算公式为：
其中，Ω是NGSO卫星升交点赤经，i是NGSO卫星轨道倾角；
S1024：将NGSO卫星在J2000坐标系的位置矢量的三维分量记为xN、yN和zN，NGSO卫星在J2000坐标系的赤经为：
S1025：J2000坐标系到轨道坐标系的坐标转换矩阵为：
其中，Mx()、My()和Mz()分别为绕X、Y和Z轴的坐标转换矩阵计算公式为：
在一个具体示例中，所述初始化GSO卫星的赤经包括：
S1031：初始化GSO卫星的赤经：
LG＝LN-ΔLG
其中，ΔLG为GSO卫星赤经区间宽度的一半。
在一个具体示例中，所述计算GSO卫星在J2000坐标系的位置矢量包括：
S1041：GSO卫星在J2000坐标系的位置矢量rG为：
其中，Re是地球平均半径，BG为GSO卫星的赤纬，HG为GSO卫星的高度。
在一个具体示例中，所述计算GSO卫星到NGSO卫星的延长线在轨道坐标系的单位矢量包括：
S1051：GSO卫星到NGSO卫星的延长线在J2000坐标系的单位矢量为：
S1052：GSO卫星到NGSO卫星的延长线在轨道坐标系的单位矢量为：
在一个具体示例中，所述判断GSO卫星到NGSO卫星的延长线是否与地球相交包括：
S1061：NGSO卫星到地球的切线与轨道坐标系+Z轴方向的夹角为：
S1062：GSO卫星到NGSO卫星的延长线与轨道坐标系+Z轴方向的夹角为：
其中，zo是GSO卫星到NGSO卫星的延长线在轨道坐标系的单位矢量do第三维分量即在Z轴上的分量；
S1063：当时，则延长线与地球表面相交；否则，延长线不与地球表面相交。
在一个具体示例中，所述计算GSO卫星到NGSO卫星的延长线与地球表面的交点在J2000坐标系的矢量表达式包括：
S1071：GSO卫星到NGSO卫星的延长线与地球表面的交点在J2000坐标系的矢量表达式为：
rd＝rN+kdi
其中，系数k计算公式为：
在一个具体实施例中，所述计算NGSO卫星空间电台的发射在GSO卫星到NGSO卫星的延长线方向的发射增益包括：
S1081：NGSO卫星空间电台发射天线的天线方向图函数通常可以在轨道坐标系中给出，根据S1052给出的GSO卫星到NGSO卫星的延长线在轨道坐标系得单位矢量do，可以确定NGSO卫星空间电台发射天线在GSO卫星到NGSO卫星的延长线方向的发射增益Gt。
在一个具体示例中，所述计算NGSO卫星空间电台的发射在GSO卫星到NGSO卫星的延长线与地球表面的交点处GSO地球站的EPFD包括：
S1091：NGSO卫星空间电台的发射在GSO卫星到NGSO卫星的延长线与地球表面的交点处GSO地球站的EPFD为：
EPFD＝Pt+Gt-10log10(4πd2)+Gr-Grmax
其中，Pt是NGSO卫星空间电台的发射功率，通常为一给定的固定值，Gt为NGSO卫星空间电台的发射在GSO卫星到NGSO卫星的延长线方向的发射增益，Gr是GSO地球站的接收增益，Grmax是GSO地球站的最大接收增益，由天线的特性决定，在GSO地球站处于GSO卫星与NGSO卫星延长线方向的情况下，Gr＝Grmax，d是NGSO卫星空间电台与GSO卫星到NGSO卫星的延长线与地球表面的交点距离，即d＝|rd-rN|。
在一个具体示例中，所述更新GSO卫星的赤经经判断后转到S104，直至完成所有赤经的计算包括：
S1111：更新GSO卫星的赤经：
首先计算LG1：
LG1＝LG+Ls
更新LG：
LG＝LG1
其中，Ls为GSO卫星赤经的更新步长；
S1112：判断LG≤LN+ΔLG，如果符合，转到S104，否则转到S112。
在一个具体示例中，所述更新NGSO卫星的纬度幅角，经判断后转到S102，直至完成所有纬度幅角的计算包括：
S1121：更新NGSO卫星的纬度幅角：
首先计算u1：
u1＝u+us
更新u：
u＝u1
其中，us为NGSO卫星纬度幅角的更新步长；
S1122：判断u≤360°，若是，转到S102，否则结束。
其中，所述GSO卫星赤经的更新步长和NGSO卫星纬度幅角的更新步长为仿真中的自定义取值，例如取1秒左右。
本发明提供一个具体实施例为NGSO卫星系统的轨道高度为1200km、轨道倾角为87°、轨道偏心率为0；NGSO卫星波束在轨道坐标系的X轴方向的张角为±24°。
在不采取干扰规避措施的情况下，采用上述步骤计算NGSO卫星处于不同纬度幅角、GSO卫星处于不同经度时，某NGSO卫星系统发射的EPFD。GSO卫星经度与NGSO卫星经度差为0°，NGSO卫星发射的EPFD随纬度幅角的变化，以及GSO卫星经度取不同值时NGSO卫星发射的EPFD最大值随纬度幅角的变化如图4所示，从图中可以看出：单颗NGSO卫星发射的最大EPFD为-137.5dB(W/m2)/40kHz，超过了-164dB(W/m2)/40kHz，无需进行采用时间切片的方法进行进一步的仿真，即可确定NGSO卫星系统发射的EPFD超出了EPFD限值。
在采取干扰规避措施的情况下，采用上述步骤计算NGSO卫星处于不同纬度幅角、GSO卫星处于不同经度时，某NGSO卫星系统发射的EPFD。GSO卫星经度与NGSO卫星经度差为0°，NGSO卫星发射的EPFD随纬度幅角的变化，以及GSO卫星经度取不同值时NGSO卫星发射的EPFD最大值随纬度幅角的变化如图5所示，从图中可以看出：单颗NGSO卫星发射的最大EPFD为-165.84dB(W/m2)/40kHz，没有超过-164dB(W/m2)/40kHz，从而可以初步判断采用干扰规避措施的情况下，NGSO卫星系统发射的EPFD满足EPFD限值，从而可以快速判断干扰规避措施的有效性。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
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