一种用于空间互联网星座的干扰规避系统及方法

摘要

本发明公开了一种用于空间互联网星座的干扰规避系统，包括：策略设置模块、卫星轨道和波束覆盖模块、干扰规避模块、链路场景构建模块和链路干扰计算模块；所述策略设置模块用于预先设置包括调整卫星姿态、空域隔离、波束关闭、降功率在内的预置集合中的一种或多种干扰规避策略；所述卫星轨道和波束覆盖模块，用于生成卫星波束和地面站初始映射表；还用于当接收到干扰规避模块输出的卫星姿态描述参量表，重新计算卫星和地面站的位置，并更新卫星波束和地面站初始映射表；所述干扰规避模块，用于以干扰规避策略和跟踪策略作为约束，以地面台站与卫星波束之间的映射关系作为链路分配依据，计算得到卫星波束和地面台站的实际建链情况及链路特征参数。

说明书

技术领域

本发明涉及空间干扰规避领域，具体涉及一种用于空间互联网星座的干扰规避系统及方法。

背景技术

为了解决空间互联网星座系统之间的频率兼容性使用问题，目前主要从空域、时域、极化与功率控制、频域四个方面制定干扰规避措施。

1)空域隔离技术

空域隔离包括两种形式：一种是基于禁区技术的空域隔离，参考赤道平面设置X°的角度间隔来确定禁区的范围，采取相应措施避免该NGSO卫星天线的主波束与GSO地面站天线主波束发生耦合；另一种是基于链路分离角的空域隔离，当地面上任意位置观察到GSO卫星与NGSO卫星的角度间隔小于规定的角度间隔阈值时，NGSO卫星需关闭主波束来避免与GSO卫星网络的共线干扰，如图1所示。此外，还可将两种形式结合起来，在设置禁区的基础上额外考虑链路分离角，充分规避共线干扰。采用此种策略的前提是受扰终端天线具有一定的指向性。

2)时域隔离技术

在不考虑切换其他卫星的前提下，在即将发生共线干扰时，NGSO卫星网络可以通过降低发射功率、波束关闭等功率控制的方式来减轻甚至是规避干扰。当然，此种干扰规避方式需要牺牲NGSO卫星网络的工作链路质量，付出信号覆盖中断或者损失的代价。

3)极化隔离与功率控制技术

当NGSO卫星系统与GSO卫星系统的天线在给定区域内采用相反的极化方式时，理论上两个系统能够同频共存。但此种偏振隔离的方式仅对抑制两个卫星系统间同频共享引发的干扰情况有效，因为第三个卫星系统的天线无法采用与其他两个系统的天线均相反的极化方向。

其次，在不考虑切换其他卫星的前提下，在即将发生共线干扰时，NGSO卫星网络可以通过降低发射功率、波束关闭等功率控制的方式来减轻甚至是规避干扰。当然，此种干扰规避方式需要牺牲NGSO卫星网络的工作链路质量，付出信号覆盖中断或者损失的代价。

4)频域隔离技术

将允许使用的频带划分成更小的频段的过程称为频率通道化。每个子信道可被分配给不同的单独的波束，从而保证最近的两个同频波束在空间上是隔离开的，以增大载波干扰比(C/I)。采用频率通道化措施可从以下两方面改善干扰情况：(1)通过降低频率重叠概率来减少干扰；(2)将干扰分散到一个带宽更宽的信号中，从而降低干扰噪声比(I/N)。

现有的干扰规避方法设计基本停留在定性描述方面，在空间互联网星座设计或者实际操作中鲜有说明或定量化描述，国际上仅OneWeb公开了其“俯仰渐进”干扰规避策略设概要说明，其具体设计仍为黑盒，目前在领域的探索仍为国际上的难点。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提出了一种用于空间互联网星座的干扰规避系统。所述系统包括：策略设置模块、卫星轨道和波束覆盖模块、干扰规避模块、链路场景构建模块和链路干扰计算模块；

所述策略设置模块，用于预先设置包括调整卫星姿态、空域隔离、波束关闭、降功率在内的预置集合中的一种或多种干扰规避策略，并设置所选干扰规避策略的相关参量，形成干扰规避策略配置文件；还用于预先设置跟踪策略，形成跟踪策略配置文件；

所述卫星轨道和波束覆盖模块，用于获取卫星和地面站的位置，生成卫星波束和地面站初始映射表，输出至干扰规避模块；还用于当接收到干扰规避模块输出的卫星姿态描述参量表，重新计算卫星和地面站的位置，并更新卫星波束和地面站初始映射表，输出至干扰规避模块；

所述干扰规避模块，用于以从干扰规避策略配置文件读取的干扰规避策略和从跟踪策略配置文件读取的跟踪策略作为约束，以地面台站与卫星波束之间的映射关系作为链路分配依据，计算得到卫星波束和地面台站的实际建链情况及链路特征参数；

所述链路场景构建模块，用于接收卫星波束和地面站的建链映射表和各链路的发射功率表，由此构建卫星和地面站的链路场景；

所述链路干扰计算模块，用于根据链路场景构建模块输出的链路，计算各链路的发射功率和干扰情况。

作为上述系统的一种改进，所述干扰规避策略包括：

调整卫星的姿态：根据当前卫星星下点的位置，调整卫星姿态对应的滚转角、俯仰角和偏航角；

设置GSO弧段规避禁区：当卫星星下点纬度的绝对值小于第一阈值时，该卫星的所有波束均关闭；

设置GSO弧段角度隔离：当隔离角小于第二阈值时，关闭该卫星服务该地面站的波束；所述隔离角为从地面站看卫星和GSO弧段上各点夹角的最小值；

降功率：根据链路干扰情况，在各链路最小发射功率表门限的约束下调整各链路发射功率。

作为上述系统的一种改进，所述跟踪策略模式包括：最大仰角准则、最短距离准则、最长保持时间准则与最大GSO弧段的隔离角准则。

作为上述系统的一种改进，所述卫星波束和地面站初始映射表中的各元素表征卫星波束的覆盖情况，若第n个地面站在第k颗卫星的第m个波束的覆盖范围内，则映射表第n行第m+(k-1)×M列的对应元素置为1，否则置为0；M为NGSO星座的每个卫星的星上波束数量。

作为上述系统的一种改进，所述干扰规避功能模块的具体实现过程为：

步骤1)读取干扰规避策略配置文件；

步骤2)判断是否调整卫星姿态，如果为是，则根据卫星的星下点经纬度，计算每个卫星的姿态，形成卫星姿态描述参量表，输出到卫星轨道与波束覆盖模块，并从该模块获取更新的卫星波束和地面站初始映射表，进入步骤3)，否则，进入步骤3)；

步骤3)判断是否设置GSO弧段禁区，如果为是，则根据卫星星下点纬度判断卫星是否进入禁区，如果为是，则将卫星波束和地面站初始映射表中所有波束的所在列置为0；进入步骤4)，否则，进入步骤4)；否则，进入步骤4)；

步骤4)判断是否设置GSO弧段隔离角，如果为是，则根据卫星和地面站当前的位置坐标，计算对应的GSO弧隔离角，若小于阈值，则更新卫星和地面站的映射表，将该地面站所有与该卫星相关的元素置零，进入步骤5)，否则，进入步骤5)；否则，进入步骤5)；

步骤5)读取跟踪配置文件；

步骤6)根据所设置的跟踪模式，计算该模式对应的参量，利用链路分配算法，以卫星波束和地面站的初始映射表作为输入，计算得到卫星波束和地面站的建链映射表及各链路的发射功率表，输出至链路场景构建模块；

步骤7)接收链路干扰计算模块输出的各链路的发射功率及干扰值；

步骤8)判断是否将功率，若为是，则根据各条链路的干扰值，利用降功率算法，得到更新后的各条链路的发射功率值，输出至链路场景构建模块。

作为上述系统的一种改进，所述卫星波束和地面站的建链映射表记录GSO星座中卫星波束的建链情况，第1列为各地面站最终与之建链的卫星的编号，第2列为对应卫星服务该地面站的波束号；若第n个地面站可以和第k颗卫星的第m个波束建链，则映射表第n行第1列的对应元素置为k，第n行第2列的对应元素置为m。

本发明的优势在于：

1、本发明分析了干扰产生的链路场景构型，提出了干扰分析数学模型，从本质上揭示干扰机理，为如何设计干扰规避策略提供了模型基础；

2、本发明的系统提出了基于调整卫星姿态、设置GSO弧段规避禁区、设置GSO弧段角度隔离、降功率等方法的干扰规避策略。

附图说明

图1为空域隔离禁区、链路分离角设置示意图；

图2为干扰规避基础场景示意图；

图3为本发明的用于空间互联网星座的干扰规避系统示意图；

图4为卫星姿态相关数据储存格式示意图；

图5为卫星波束和地面站的映射表结构示意图；

图6为卫星姿态描述参量表结构示意图；

图7为本发明的干扰规避模块的执行步骤流程图；

图8为卫星波束和地面站建链映射表结构示意图；

图9为各链路干扰情况的数据表结构示意。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明建立了干扰规避策略模型：

干扰规避需要降低/消除干扰系统发射在受扰系统中造成的干扰，本质是对链路若干基本参数的动态调整，或者改变了链路的通断或起点/终点(对应了空间角度隔离)，或者改变了链路的辐射能量(对应了调整发射功率)，或者改变了链路的承载频率(对应了调整使用频率)。这些动态调整的触发和映射逻辑不同，就对应了不同的干扰规避策略。

根据国际电联的相关规定，受扰系统接收端干扰噪声比不得超过-12.2dB，且计算公式如下：

其中，P

干扰规避的本质即通过调整干扰链路与受扰链路终端的夹角α，以达到干扰减小或消除干扰的目的，即采取空间隔离；此外，还可以通过改变发射功率P，结合采用降低传输带宽，联合调整调制编码图样，以降低对受扰系统的干扰信号功率，即频域或信号域隔离；另外，也可以直接采取关机策略，降低自身系统可用度，来直接消除干扰。

总结而言，干扰规避调整的直接因子如下式所示：

其它影响因素β(t)，需结合实际建链关系进行计算。上述为干扰规避技术的模型本质。

如图3所示，本发明提出了一种用于空间互联网星座的干扰规避系统，所述系统包括：策略设置模块、卫星轨道和波束覆盖模块、干扰规避模块、链路场景构建模块和链路干扰计算模块；

策略设置模块，用于预先设置包括调整卫星姿态、空域隔离、波束关闭、降功率在内的预置集合中的一种或多种干扰规避策略，并设置所选干扰规避策略的相关参量，形成干扰规避策略配置文件；还用于预先设置跟踪策略，形成跟踪策略配置文件；

表1：干扰规避策略各输入项的说明

表2：可选跟踪策略列表

策略设置以配置文件的形式给出。用户可以通过修改配置文件的相关参数，完成干扰规避策略的设置以及跟踪策略模式的选取。干扰规避功能模块通过读取配置文件，从而获取各外部输入项的取值。接下来给出配置文件的示例及取值的说明。干扰规避策略配置：(可选多种干扰规避策略)

表3：干扰规避策略配置文件示例

其中，卫星姿态相关数据文件(.csv)的数据存储格式如图4所示，数据表中卫星星下点的经纬度等间隔分割。此外，各地面站所建通信链路的最小发射功率门限值文件(.csv)存放着一列数据，各元素分别为对应地面站所建通信链路的最小发射功率门限值，为后续降功率操作提供数据支撑。

表4：跟踪策略配置文件示例

卫星轨道和波束覆盖模块，用于计算当前时刻NGSO星座中各卫星和各地面站在地球固连坐标系(Earth-Centered-Fixed,ECF)的三维位置坐标Satellite_ecf以及Facility_ecf；根据上述输入可以获取NGSO星座的卫星数量K，以及NGSO星座的地面站数量N。生成卫星波束和地面站初始映射表，映射表的结构如5所示，表格中的各元素表征卫星波束的覆盖情况，若第n个地面站在第k颗卫星的第m个波束的覆盖范围内，则映射表第n行第m+(k-1)×M列的对应元素置为1，否则置为0。该映射表在干扰规避模块中不断更新，最终输出反映卫星波束和地面站实际建链情况的映射表。根据上述输入可以获取NGSO星座的每个卫星的星上波束数量M。

1、基于GSO弧段纬度隔离禁区的规避方法更新卫星波束和地面站的映射表

以上纬度禁区值可由轨道推演计算遍历而出。

2、基于GSO弧段隔离角度调整卫星姿态的干扰规避更新卫星波束和地面站的映射表

干扰规避功能模块的主要功能是仿真非静止轨道卫星网络的干扰规避策略。此处干扰规避策略可能是系统预置的几种基本的干扰规避策略，也可能是由卫星网络操作者自行定义的干扰规避策略。干扰规避策略的主要内容包括非静止轨道卫星网络的地面台站对非静止轨道卫星的跟踪策略，以及非静止轨道卫星网络针对静止轨道卫星的干扰规避策略。

地面台站的跟踪策略主要指利用卫星轨道和波束覆盖仿真模块输出的地面台站与非静止轨道卫星波束之间的映射关系，以及时、空、频等仿真场景参数，确定当前映射表。

干扰规避策略主要指利用按照预置或用户指定的规避策略，根据当前时、空、频等仿真场景参数，调整卫星姿态、地面台站与波束之间的映射关系或链路参数。

由于不同策略的技术手段不同，模块中上述功能并非简单串行逻辑。而且根据具体策略不同，该模块与其他模块也存在反复调用的可能。

具体说明如下：

1)支持用户选择包括最大工作仰角、最短通信距离、最长通信时间、最大与GSO弧段的隔离角在内的集合中的一种跟踪策略。

2)支持用户选择包括调整卫星姿态、空域隔离、波束关闭、降功率在内的预置集合中的一种或多种干扰规避策略，设置所选干扰规避策略(组合)的相关参量；

3)以用户所选或指定的干扰规避策略作为约束，地面台站与卫星波束之间的映射关系作为链路分配依据，计算得到卫星波束和地面台站的实际建链情况及链路特征参数，并输出到后续功能模块完成相应的链路分组和干扰计算，验证用户所设置的干扰规避策略的有效性。

向卫星轨道和波束覆盖仿真功能模块输入卫星姿态描述参量表；如图6所示，卫星姿态描述参量表记录了GSO星座中各卫星的姿态调整情况，第1列存储各卫星的滚转角，第2列为各卫星的俯仰角，第3列为各卫星的偏航角。

干涉规避模块可输出进行干涉规避后的卫星波束和地面站的建链映射表，以及反映各链路降功率情况的数据表，其执行步骤如图7所示：

步骤1)读取干扰规避策略配置文件；

步骤2)判断是否调整卫星姿态，如果为是，则根据卫星的星下点经纬度，计算每个卫星的姿态，形成卫星姿态描述参量表，输出到卫星轨道与波束覆盖模块，并从该模块获取更新的卫星波束和地面站初始映射表，进入步骤3)，否则，进入步骤3)；

步骤3)判断是否设置GSO弧段禁区，如果为是，则根据卫星星下点纬度判断卫星是否进入禁区，如果为是，则将卫星波束和地面站初始映射表中所有波束的所在列置为0；进入步骤4)，否则，进入步骤4)；否则，进入步骤4)；

步骤4)判断是否设置GSO弧段隔离角，如果为是，则根据卫星和地面站当前的位置坐标，计算对应的GSO弧隔离角，若小于阈值，则更新卫星和地面站的映射表，将该地面站所有与该卫星相关的元素置零，进入步骤5)，否则，进入步骤5)；否则，进入步骤5)；

步骤5)读取跟踪配置文件；

步骤6)根据所设置的跟踪模式，计算该模式对应的参量，利用链路分配算法，以卫星波束和地面站的初始映射表作为输入，计算得到卫星波束和地面站的建链映射表及各链路的发射功率表，输出至链路场景构建模块；

步骤7)接收链路干扰计算模块输出的各链路的发射功率及干扰值；

步骤8)判断是否将功率，若为是，则根据各条链路的干扰值，利用降功率算法，得到更新后的各条链路的发射功率值，输出至链路场景构建模块。

如图8所示，卫星波束和地面站的建链映射表记录了GSO星座中卫星波束的建链情况，第1列为各地面站最终与之建链的卫星的编号，第2列为对应卫星服务该地面站的波束号。若第n个地面站可以和第k颗卫星的第m个波束建链，则映射表第n行第1列的对应元素置为k，第n行第2列的对应元素置为m。

反映各链路降功率情况的数据表在卫星波束和地面站建链映射表的基础上增加1列，新增的第3列用于记录各条链路的功率变化值。如果用户所制定的干扰规避策略选择不降功率，则第3列中各元素均为0，若选择降功率，则利用所设计的算法计算得到各条链路的功率变化值，得到新的数据表。

各链路的发射功率表：NGSO星座系统中各地面站所建通信链路的发射功率的输入数据形式为N行1列的数组，其中各行的元素为各地面站所建通信链路的发射功率值(dB)。

链路场景构建模块，用于接收卫星波束和地面站的建链映射表和各链路的发射功率表，由此构建卫星和地面站的链路场景。

链路干扰计算模块，用于根据链路场景构建模块输出的链路，计算各链路的干扰情况，输出各链路对受扰系统接收端的干扰数据表：该表反映NGSO星座系统各链路对受扰系统接收端干扰情况的数据表的结构如图9所示，其中前N行分别表示NGSO星座系统中各地面站所建通信链路对受扰系统的干扰情况，具体地，各列分别表示受扰系统的各个接收端接收到的来自对应链路的干扰噪声比(dB)。此外，第N+1行(即最后一行)为受扰系统的各个接收端的集总干扰噪声比(dB)。根据上述输入可以获取受扰系统的受扰台站的数量P。

基于MCS联合功率控制的干扰规避更新各链路发射功率表：

调制编码图样及工作门限仿真如下表5所示：

表5：调制方式

表6：信道编码方式

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。