一种基于编队卫星分布式波束成形的高低轨频谱共享方法技术

本发明专利技术公开了一种基于编队卫星分布式波束成形的高低轨频谱共享方法，针对高低轨卫星通信系统之间频谱共享的场景，考虑上行链路中GEO卫星通信系统主用户和LEO卫星通信系统次级用户共用同一频率，提出了一种基于编队卫星协作波束成形技术的新型频谱共享方法，利用低轨编队飞行的卫星簇从空域角度解决高低轨卫星通信系统频率共享场景下的干扰问题，确保次级用户的通信性能；通过分析高低轨卫星系统共存时的同频干扰，采用线性约束最小方差准则的自适应波束成形方法，调整编队卫星的接收方向图指向，使波束主瓣方向对准与其通信的低轨卫星用户，零陷方向对准GEO地面站，从而提高低轨卫星系统的信干噪比，从空域维度上来缓解双卫星系统间的同频干扰。星系统间的同频干扰。

【技术实现步骤摘要】
一种基于编队卫星分布式波束成形的高低轨频谱共享方法


[0001]本专利技术涉及卫星通信
，主要涉及一种基于编队卫星分布式波束成形的高低轨频谱共享方法。

技术介绍

[0002]目前，空间网络频率资源主要由国际电信联盟(International TelecommunicationUnion，ITU)根据业务类型以及地理区域进行统一划分。随着各国对空间信息网络建设重视程度日益加深，L/S等移动业务的黄金频段早已被瓜分殆尽，Ku/Ka等固定宽带业务的频段也即将耗尽，可用的频率资源十分紧张。传统的、静态的、单一的频率分配方式已然难以满足日益增长的服务需求，因此当前空间信息领域亟需解决的问题之一就是探索更加高效并且可靠的频率分配方式。
[0003]将认知无线电技术与卫星通信相结合被认为是解决未来空间信息网络频谱资源供需矛盾的一大有效途径，已逐渐获得了卫星行业的认同。认知卫星通信是以频谱认知为基础，在频谱接入的控制下，应用频谱资源动态调度，可以有效规避各卫星系统之间的相互干扰，从而实现不同卫星系统之间的频谱资源动态共享。具体而言，就是通过多个系统共享同一频率，充分发掘并利用空闲的频谱资源，从而改善频谱资源利用效率，缓解空间信息网络中频谱资源紧缺的问题。认知卫星网络一般可以分为星地混合认知网络和双卫星共存网络(Dual Satellite System，DSS)。其中，双卫星共存网络是指两个卫星网络共用一个频率对各自用户进行服务。目前的研究主要集中为双地球同步轨道 (Geosynchronous Earth Orbit，GEO)卫星系统共存的DSS、GEO和非对地静止轨道 (Non
‑
GeoStationary Orbit，NGSO)卫星共存的DSS。对于双GEO卫星系统共存的场景，由于GEO卫星相对地面保持静止状态，因而在两个GEO卫星系统之间实现频谱共享相对而言难度较低。近年来互联网星座发展趋势甚好，未来将会有愈来愈多的NGSO卫星将被发射至太空，实现全球范围覆盖。因此在GEO和NGSO卫星系统之间探寻适用的频谱共享策略显得尤为重要。对于固定宽带业务而言，用频频率较高，卫星和用户的天线均具有较强的指向性，考虑到NGSO卫星高速在轨运动，NGSO对GEO的干扰随着卫星的运动而发生变化，干扰最为严重的场景即GEO卫星、NGSO卫星和地面站三者共线，此时会产生非常严重的共线(In
‑
line)干扰，此时频率共享系统的传输性能急剧下降甚至瘫痪无法进行工作。为了应对GEO和低轨(Low Earth Orbit，LEO)卫星通信系统之间存在的共视干扰，OneWeb系统引入了一种“渐进倾斜”的技术，在卫星运行至赤道附近时通过逐渐地倾斜卫星来避免与GEO系统之间的干扰。但是，调整卫星姿态需要消耗大量燃料，因此会减短卫星的在轨寿命。学者Sharma S K在“Inline interferencemitigation techniques for spectral coexistence of GEO and NGEO satellites”一文中提出了一种自适应功率控制技术，主要用于保障GEO和NGSO卫星系统之间频率共存。学者Wang C在“A novel cognitive satellite network with GEO and LEObroadband systems in the downlink case”一文中提出了一种自适应功率控制和跳波束技术相结合的认知宽带卫星网络。可见，自适应功率控制技术是空间信息网络中不同轨道卫星系统之
间进行频率共享的常用技术。但是在采用自适应功率控制技术时，通常为了确保主用户能够正常工作，需要牺牲次级用户的性能，因此不可避免地造成次级用户频谱效率的下降。低轨卫星是一个资源受限系统，卫星功率资源以及携带的天线资源都受到卫星体积和制造发射成本的制约，难以携带复杂的数字相控阵天线系统。而采用多颗卫星组成一定的构型，相互之间保存一定的距离，共同协作完成同一空间任务的空间系统，称之为卫星编队飞行。编队中的各颗卫星通过一定的协同策略，共同承担信号处理、通信导航和控制，整个编队卫星协同完成空间任务。与传统的单颗大卫星相比，小卫星编队可以将多个载荷分散至多颗不同的卫星，提高系统的可靠性。并且可以完成一些单颗大卫星不能实现的功能和性能的提升，拓展了航天器的应用领域。小卫星编队在合成孔径雷达、分布式气象卫星三维立体成像、电子侦查等领域已经有实际的应用。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术针对高低轨卫星通信系统之间频谱共享的场景，考虑上行链路中 GEO卫星通信系统主用户和LEO卫星通信系统次级用户共用同一频率，提出了一种基于编队卫星协作波束成形技术的新型频谱共享方法，利用低轨编队飞行的卫星簇从空域角度解决高低轨卫星通信系统频率共享场景下的干扰问题，确保低轨卫星通信系统次级用户的通信性能。
[0005]技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]一种基于编队卫星分布式波束成形的高低轨频谱共享方法，包括以下步骤：
[0007]步骤S1、低轨编队卫星用户信号同步检测；
[0008]在低轨编队卫星对用户信号进行干扰检测时，依据报头的独特码判断是否正确接收信号；当低轨编队卫星接收信号中的独特码能够被正确解调时，表示此信号被正确捕获并且信号可以同步，此时不存在干扰，低轨编队卫星采用最大比合并的方式对用户信号进行接收；
[0009]步骤S2、当低轨编队卫星接收信号中的独特码不能被正确解调时，采用低轨编队卫星协作波束成形进行干扰抑制；具体地，
[0010]步骤S2.1、设计同频干扰场景如下：
[0011]由M颗低轨卫星组成的低轨编队卫星簇逐渐运动到地球同步轨道卫星通信系统主用户上行波束范围内时，各颗分布式编队卫星作为中继，将接收到的地面用户信号加权转发到中心卫星进行合并；低轨卫星编队不仅接收到低轨卫星通信系统次级用户的发送信号，同时还会接收来自地球同步轨道卫星主用户的同频信号；所述地球同步轨道卫星通信系统主用户对低轨卫星通信系统次级用户产生干扰；
[0012]在k时刻下，低轨卫星通信系统次级用户信号和地球同步轨道卫星通信系统主用户信号的俯仰角和方位角分别表示为(θ0(k),φ0(k))和(θ1(k),φ1(k))，对低轨编队卫星的接收信号进行采样，则第k次采样信号可以表示为：
[0013][0014]其中，i表示第i路地面用户信号。i＝0时，s0(k)为期望接收到的低轨卫星通信系统次级用户的发送信号，i＝1时，s1(k)为低轨编队卫星运行过程中接收到来自地球同步轨
道卫星通信系统主用户的上行信号；
[0015][0016]表示第i个信号的导向矢量；其中，τ1(θ
i
(k),φ
i
(k)),τ2(θ
i
(k),φ
i
(k))...τ
M
(θ
i
(k),φ
i
(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于编队卫星分布式波束成形的高低轨频谱共享方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、低轨编队卫星用户信号同步检测；在低轨编队卫星对用户信号进行干扰检测时，依据报头的独特码判断是否正确接收信号；当低轨编队卫星接收信号中的独特码能够被正确解调时，表示此信号被正确捕获并且信号可以同步，此时不存在干扰，低轨编队卫星采用最大比合并的方式对用户信号进行接收；步骤S2、当低轨编队卫星接收信号中的独特码不能被正确解调时，采用低轨编队卫星协作波束成形进行干扰抑制；具体地，步骤S2.1、设计同频干扰场景如下：由M颗低轨卫星组成的低轨编队卫星簇逐渐运动到地球同步轨道卫星通信系统主用户上行波束范围内时，各颗分布式编队卫星作为中继，将接收到的地面用户信号加权转发到中心卫星进行合并；低轨卫星编队不仅接收到低轨卫星通信系统次级用户的发送信号，同时还会接收来自地球同步轨道卫星主用户的同频信号；所述地球同步轨道卫星通信系统主用户对低轨卫星通信系统次级用户产生干扰；在k时刻下，低轨卫星通信系统次级用户信号和地球同步轨道卫星通信系统主用户信号的俯仰角和方位角分别表示为(θ0(k),φ0(k))和(θ1(k),φ1(k))，对低轨编队卫星的接收信号进行采样，则第k次采样信号可以表示为：其中，i表示第i路地面用户信号。i＝0时，s0(k)为期望接收到的低轨卫星通信系统次级用户的发送信号，i＝1时，s1(k)为低轨编队卫星运行过程中接收到来自地球同步轨道卫星通信系统主用户的上行信号；表示第i个信号的导向矢量；其中，τ1(θ
i
(k),φ
i
(k)),τ2(θ
i
(k),φ
i
(k))...τ
M
(θ
i
(k),φ
i
(k))表示第i个信号到各颗卫星的传输时延，N(k)为低轨编队卫星的噪声矢量；第m颗组阵卫星的导向矢量可表示为如下形式：其中，λ为波长，r
m
为各低轨编队卫星到中心卫星的距离，且cosψ
m
(k)＝sinθsinθ
m
(k)cos(φ
‑
φ
...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪涛，余罗曼，张更新，
申请(专利权)人：南京微星通信技术有限公司，
类型：发明
国别省市：