一种星座卫星测控信号干扰功率估算方法
【专利摘要】本发明提出了一种星座卫星测控信号干扰功率估算方法，依据星座卫星位置、地面测控站位置及天线方向图、目标卫星测控通道AGC值及应答机单机实测数据，准确地估算星座被干扰卫星干扰信号功率水平。可用于星座卫星测控干扰影响分析；也可以通过设置星座卫星测控分系统物理仿真及对策验证平台，真实地仿真星座卫星测控信号干扰故障现象，用于系统级干扰故障定位于处理对策验证。
【专利说明】
一种星座卫星测控信号干扰功率估算方法
技术领域
[0001] 本发明涉及星座卫星测控信号干扰估算方法，可用于星座卫星测控信号干扰影响 分析、干扰故障仿真及对策验证。
【背景技术】
[0002] 随我国航天事业的飞速发展，卫星数量与日倶增。特别是需要批产组网的星座卫 星，如导航卫星。虽然单颗卫星的故障概率很小，但在卫星数量猛增的情况下，星座卫星发 生故障的总频次会大幅度上升。因此，及时和准确地对卫星故障原因进行分析与判断;有效 和安全对卫星故障进行处理是维持星座卫星稳定运行、使其更好地为用户提供服务的前 提。由于卫星系统组成复杂，而且在轨卫星故障检测手段有限，很多故障模式仅通过分析是 无法准确定位的，特别是由于系统设备间物理层关联关系出现的故障现象。因此，对于故障 的仿真与处理对策验证是进行故障定位的重要手段。
[0003] 星座卫星测控采用码分多址和频分多址来实现不同卫星的测控。对于频分星座卫 星的测控，为节省频率资源，同系列卫星采会用同一测控频点，依靠空间位置差异来实现对 不同卫星的测控。但另一方面，随着在轨相同测控频点组网卫星数量的增加，卫星空间分布 密度逐步增大。在某些特定时段内，两个卫星的位置较近，同频测控信号可能会对非目标卫 星产生干扰。测控信号干扰引起的故障为星座卫星所特有系统级故障。
[0004] 本发明所涉及领域的现状：1)传统单星卫系统，不同卫星系统采用不同频点信号 进行测控，没有专门针对星座卫星之间同频测控信号干扰水平评估的方法;2)由于干扰信 号一般微弱远低于中强有用信号，无法通过被干扰卫星AGC电压反应其功率强度，因此无法 直接通过被干扰卫星AGC电压值来估计干扰信号功率强度。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是:本发明提出了一种星座卫星测控信号干扰功率估 算方法，依据星座卫星位置、地面测控站位置及天线方向图、目标卫星测控通道AGC值及应 答机单机实测数据，准确地估算星座被干扰卫星干扰信号功率水平。可用于星座卫星测控 干扰影响分析;也可以通过设置星座卫星测控分系统物理仿真及对策验证平台，真实地仿 真星座卫星测控信号干扰故障现象，用于系统级干扰故障定位于处理对策验证。
[0006] 本发明的技术方案是:一种星座卫星测控信号干扰功率估算方法，步骤如下：
[0007] (1)估算目标卫星接收到地面测控站发射的正常信号的功率?_;
[0008] (2)计算t时刻卫星到地面测控站距离R，包括：t时刻目标卫星到地面测控站距离 R睛示和t时刻非目标卫星到地面测控站距离R?%，公式如下：
[0010] jdg：下=Q e+arctan[cos i tan( ?+f) ]-?e(t-T)公式（1-1)
[0011] wdsT=arcsin[sin i sin(co+f)] 公式（卜2)
[0012]式中：
[0013] R一一卫星到测控站距离；当计算R目标时用目标卫星到测控站距离；当计算Rim尤时 用非目标卫星到测控站距离；
[0014] r一一卫星到地心距离，对于近圆轨道r = a，a为轨道半长轴；当计算R目标时用目标 卫星到地心距离；当计算时用非目标卫星到地心距离；
[0015] Re--地球半径；
[0016] jd站，wcfe分别为地面测控站经炜度；
[0017] jdsT,wdsT一一星下点经炜度，当计算R目标时用目标卫星的星下点经炜度；当计算 Rim；时用非目标卫星的星下点经炜度；
[0018] t--卫星某运行时刻；
[0019] Qe 一一卫星轨道升交点经度；当计算R目标时用目标卫星轨道升交点经度；当计算 Rim；时用非目标卫星轨道升交点经度；
[0020] i一一轨道倾角；当计算R目标时用目标卫星轨道倾角；当计算R?^时用非目标卫星 轨道倾角；
[0021] CO 一一卫星的轨道近地点幅角；当计算R目标时用目标卫星的轨道近地点幅角；当计 算构紐尤时用非目标卫星的轨道近地点幅角；
[0022] I--卫星经过近地点的时刻；当计算R目标时用目标卫星经过近地点的时刻；当计 算时用非目标卫星经过近地点的时刻；
[0023] f--真近点角，对于近圆轨道
r);当计算R目标时r目标卫星到地心 距离，t用目标卫星经过近地点的时刻；当计算构紐尤时，r用非目标卫星到地心距离，t用非目 标卫星经过近地点的时刻；
[0024] ?e--地球自转角速度；
[0025] G--万有引力常量，G = 6.67X10-nN ? m2/kg2;
[0026] M--地球质量。
[0027] (3)根据步骤(2)的R目标和构紐尤，计算目标卫星到地面测控站连成的直线与非目标 卫星到地面测控站连成的直线的夹角9,公式如下：
[0028] 沒二arccos[( 目2标+ 1^皮干扰-D2) /2R目标R干扰] 公式（2 )
[0029] D = i + 4+tt - 2rH n - srn1 {jd9 ,)-sm(wdet,,u^-wd St , )1}'(: 公式（2-1 )
[0030] 9--目标卫星-地面测控站-被干扰卫星夹角；
[0031] D--目标卫星到被干扰卫星的距尚；
[0032] r_、r|W尤一一分别为目标到地心距离、非目标卫星即被干扰卫星到地心距离；
[0033] jdgrF(_)，wdirF(_) 分别为目标卫星的星下点经炜度；
[0034] jdsT(M*) ,wdsT(M*)--分别为非目标卫星的星下点经炜度；
[0035] (4)根据步骤（3)的0，计算地面测控站的发射天线在方向角为0情况下的增益G (9)，G(0)可根据地面测控站天线方向图直接查得，地面测控站天线优选采用反射面天线， 其方向图示例如图2所示。
[0036] (5)根据步骤(4)的G(0)、步骤(1)的Pa标、步骤(2)的Ra标和Riffi*，计算非目标卫星收 到的干扰信号功率公式如下：
[0037] P刊￡=P_-G(O)+G(0)-21og[R_]+21og[R=ff￡]公式（3)
[0038] 式中，G(0)为地面测控站的发射天线在方向角0为0情况下的增益，即地面测控天 线波束中心点增益。
[0039]所述估算目标卫星接收到地面测控站发射的正常信号的功率的方法为:依据目标 卫星位置、地面测控站的发射功率、目标卫星测控天线方向图，估算目标卫星接收到地面测 控站发射的正常信号功率。
[0040] 所述估算目标卫星接收到地面测控站发射的正常信号的功率的方法为:根据目标 卫星上行测控通道AGC电压，估算目标卫星接收到的地面测控站发射的正常信号功率。
[0041] 本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0042] (1)本发明提出了一种星座卫星测控信号干扰功率估算方法，弥补了没有专门针 对星座卫星之间同频测控信号干扰水平评估的方法的空白；
[0043] (2)该方法解决了用传统的基于AGC估计卫星测控信号接收功率估算方法估算被 干扰卫星干扰信号功率强度所遇到的问题。由于干扰信号一般微弱远低于中强有用信号， 无法通过被干扰卫星AGC电压反应其功率强度，因此无法直接通过被干扰卫星AGC电压值来 估计干扰信号功率强度。本发明提出的方法规避了上述问题。
[0044] (3)本发明通过步骤(5)的被干扰卫星收到的测控信号干扰信号功率估算方案，达 到了方便、快捷、准确计算出临近星座卫星之间同频测控信号干扰的情况，为星座卫星在轨 管理提供了有效支持。
[0045] (4)本发明为卫星在轨测控信号出现异常需要进行干扰源排查时，提供了一个有 效的计算分析公式，经多次实际计算验证，该方法正确有效。
【附图说明】
[0046] 图1为同频测控信号对非测控目标卫星产生干扰的示意图；
[0047] 图2为地面测控站的发射天线方向图示例；
[0048]图3为卫星测控信号干扰功率估算方法流程图。
【具体实施方式】
[0049] 本发明的基本思路为:提出了一种星座卫星测控信号干扰功率估算方法，依据星 座卫星位置、地面测控站位置及天线方向图、目标卫星测控通道AGC值及应答机单机实测数 据，准确地估算星座被干扰卫星干扰信号功率水平。可用于星座卫星测控干扰影响分析;也 可以通过设置星座卫星测控分系统物理仿真及对策验证平台，真实地仿真星座卫星测控信 号干扰故障现象，用于系统级干扰故障定位于处理对策验证。
[0050] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0051] 如图1和图3所示，一种星座卫星测控信号干扰功率估算方法，步骤如下：
[0052] (1)估算目标卫星接收到地面测控站发射的正常信号的功率P睛示；
[0053]估算目标卫星接收到地面测控站发射的正常信号的功率的方法有两种：
[0054] 一种为：依据目标卫星位置、地面测控站的发射功率、目标卫星测控天线方向图， 估算目标卫星接收到地面测控站发射的正常信号功率。该方法为理论计算方法，未考虑到 空间其它干扰信号的影响。
[0055] 另一种为:根据目标卫星上行测控通道AGC电压，估算目标卫星接收到的地面测控 站发射的正常信号功率。该方法为卫星实际接收到的功率，相比前一种方法更为准确。 [0056] (2)计算t时刻卫星到地面测控站距离R，包括：t时刻目标卫星到地面测控站距离 Rat示和t时刻非目标卫星到地面测控站距离Riot；，公式如下：
[0060]式中：
[0061] R一一卫星到测控站距离；当计算R目标时用目标卫星到测控站距离；当计算Rim尤时 用非目标卫星到测控站距离；
[0062] r一一卫星到地心距离，对于近圆轨道r = a，a为轨道半长轴；当计算R目标时用目标 卫星到地心距离；当计算时用非目标卫星到地心距离；
[0063] Re--地球半径；
[0064] --分别为地面测控站经炜度；
[0065] jd星下，wd星下--星下点经炜度，当计算Rg标时用目标卫星的星下点经炜度；当计算 Rim；时用非目标卫星的星下点经炜度；
[0066] t--卫星某运行时刻；
[0067] Qe 一一卫星轨道升交点经度；当计算R目标时用目标卫星轨道升交点经度；当计算 Rim；时用非目标卫星轨道升交点经度；
[0068] i--轨道倾角；当计算R目标时用目标卫星轨道倾角；当计算Rim时用非目标卫星 轨道倾角；
[0069] ? 一一卫星的轨道近地点幅角；当计算R目标时用目标卫星的轨道近地点幅角；当计 算Rim时用非目标卫星的轨道近地点幅角；
[0070] I一一卫星经过近地点的时刻；当计算R目标时用目标卫星经过近地点的时刻；当计 算时用非目标卫星经过近地点的时刻；
[0071] f--真近点角，对于近圆轨il
当计算Rg标时r目标卫星到地心 距离，T用目标卫星经过近地点的时刻；当计算Rim时，r用非目标卫星到地心距离，T用非目 标卫星经过近地点的时刻；
[0072] ?e--地球自转角速度；
[0073] G--万有引力常量，G = 6.67X10-nN ? m2/kg2;
[0074] M--地球质量。
[0075] 通过步骤(2)，可以方便得根据卫星的轨道参数得出卫星到地面测控站距离，作为 计算干扰功率大小的基础。
[0076] (3)根据步骤(2)的R目标和R|g，计算目标卫星到地面测控站连成的直线与非目标 卫星到地面测控站连成的直线的夹角9,公式如下：
[0079] 9--目标卫星-地面测控站-被干扰卫星夹角；
[0080] D--目标卫星到被干扰卫星的距尚；
[0081] 一一分别为目标到地心距离、非目标卫星即被干扰卫星到地心距离；
[0082] ，wd星下(目标)分别为目标卫星的星下点经炜度；
[0083] jdsT(M*) ,wdsT(M*)--分别为非目标卫星的星下点经炜度；
[0084] 通过步骤(3)，可以方便得根据公式(2)求得目标卫星_地面测控站-被干扰卫星间 的夹角，作为计算干扰功率大小的基础。
[0085] (4)根据步骤（3)的0，计算地面测控站的发射天线在方向角为0情况下的增益G (9)，G(0)可根据地面测控站天线方向图直接查得，地面测控站天线通常采用反射面天线， 其方向图示例如图2所示，横坐标为地面测控站的发射天线在方向角0，纵坐标为地面测控 站的发射天线在方向角为9情况下的增益G(0)，单位dB i
[0086] (5)根据步骤(4)的G( 0)、步骤（1)的P目标、步骤(2)的R目标和R舶视，计算非目标卫星收 到的干扰信号功率，公式如下：
[0087] P刊￡=P_-G(O)+G(0)-21〇g[R_]+21〇g[R刊￡]公式（3)
[0088] 式中，G(0)为地面测控站的发射天线在方向角0为0情况下的增益，即地面测控天 线波束中心点增益。
[0089] 根据步骤（1)~步骤(4)的计算结果，由公式(3)可以即可得出非目标卫星收到的 干扰信号功率。
[0090] 在以上计算过程中，各个参数的范围要符合卫星在轨工作的实际情况：
[0091]根据卫星在轨实际工作情况，优选P目标的取值范围为-112~-42dBm，此功率范围可 有效覆盖卫星测控信号正常在轨工作时的功率范围；
[0092] 优选0在-10~10度(综合Qe、i、w、T、t目标、t非目标计算的结果）时，即在地面测控站 天线的旁瓣范围内，计算干扰功率更精确;如果9角超出该范围，由于目标卫星与非目标卫 星相距较远，干扰功率很小，计算结果同噪声相近。
[0093] 以下为优选的实施例：
[0094] 在P目标=_82dBm，Q e = 30度，Re = 6378km，（ jd站，wd站）=(109 ? 5度，34 ? 5度），i = 30 度，《 = 40度，t = 〇秒，t目标=0秒，t非目标=0 ? 6秒，〇 e = 7 ? 292* 10-5，M= 5 ? 977* 1024，r目标=r_ =39178km的情况下，计算所0 = 2.58度，地面测控站天线方向图参考如图2所示，得出G(0) = 45dBi，G(2.58) = lldBi，计算得非目标卫星收到的干扰功率大小为-116dBm。上述优选的 方案可以说明在该情况下干较功率较小，不会影响非目标卫星工作，功率干扰大小估计算 结果同实际在轨工作情况相符，与真实的干扰功率接近，验证了本估算方法的正确性，满足 了星座卫星在轨管理工作的需要。
[0095] 本发明解决了用传统的基于AGC估计卫星测控信号接收功率估算方法估算被干扰 卫星干扰信号功率强度所遇到的问题。由于干扰信号一般微弱远低于中强有用信号，无法 通过被干扰卫星AGC电压反应其功率强度，因此无法直接通过被干扰卫星AGC电压值来估计 干扰信号功率强度，本发明提出的方法规避了上述问题。
【主权项】
1. 一种星座卫星测控信号干扰功率估算方法，其特征在于步骤如下： (1) 估算目标卫星接收到地面测控站发射的正常信号的功率P睛示； (2) 计算t时刻卫星到地面测控站距离R，包括:t时刻目标卫星到地面测控站距离R目标和 t时刻非目标卫星到地面测控站距离R|紐尤； (3) 根据步骤（2)的R目标和Rim，计算目标卫星到地面测控站连成的直线与非目标卫星 到地面测控站连成的直线的夹角Θ; (4) 根据步骤(3)的Θ，计算地面测控站的发射天线在方向角为Θ情况下的增益G(0); (5) 根据步骤(4)的G(Θ)、步骤（1)的P目标、步骤⑵的R目标和构紐尤，计算非目标卫星收到的 干扰信号功率1?尤。2. 根据权利要求1所述的一种星座卫星测控信号干扰功率估算方法，其特征在于:所述 估算目标卫星接收到地面测控站发射的正常信号的功率的方法为:根据目标卫星位置、地 面测控站的发射功率、目标卫星测控天线方向图，估算目标卫星接收到地面测控站发射的 正常信号功率。3. 根据权利要求1所述的一种星座卫星测控信号干扰功率估算方法，其特征在于:所述 估算目标卫星接收到地面测控站发射的正常信号的功率的方法为:根据目标卫星上行测控 通道AGC电压，估算目标卫星接收到的地面测控站发射的正常信号功率。4. 根据权利要求1所述的一种星座卫星测控信号干扰功率估算方法，其特征在于:所述 步骤(2)计算t时刻卫星到地面测控站距离R，包括:t时刻目标卫星到地面测控站距离R目标和 t时刻非目标卫星到地面测控站距离R?%，公式如下：jd星下=Ω e+arctan[cositan( ω +f) ]- ω e(t-T) 公式（卜1) wdsT=arcsin[sinisin( ω +f)] 公式（卜2) 式中： R为卫星到测控站距离；当计算R目标时用目标卫星到测控站距离；当计算Rlffl*时用非目 标卫星到测控站距离； r为卫星到地心距离，对于近圆轨道r = a，a为轨道半长轴；当计算R目标时用目标卫星到 地心距离；当计算Rlffi*时用非目标卫星到地心距离； Re为地球半径； jd站，别为地面测控站经炜度； jd星下，wd星下为星下点经炜度，当计算Rg标时用目标卫星的星下点经炜度；当计算Rim*时 用非目标卫星的星下点经炜度； t为卫星某运行时刻； Ω e为卫星轨道升交点经度；当计算R目标时用目标卫星轨道升交点经度；当计算构紐尤时用 非目标卫星轨道升交点经度； i为轨道倾角；当计算R目标时用目标卫星轨道倾角；当计算Rim时用非目标卫星轨道倾 角； ω为卫星的轨道近地点幅角；当计算R目标时用目标卫星的轨道近地点幅角；当计算Rig 时用非目标卫星的轨道近地点幅角； τ为卫星经过近地点的时刻；当计算R目标时用目标卫星经过近地点的时刻；当计算Rim* 时用非目标卫星经过近地点的时刻· f为真近点角，对于近圆轨道；当计算R目标时r目标卫星到地心距离，τ 用目标卫星经过近地点的时刻；当计算Rlffi*时，r用非目标卫星到地心距离，τ用非目标卫星 经过近地点的时刻； 为地球自转角速度； G为万有引力常量，G = 6 · 67 X 10-ηΝ · m2/kg2; Μ为地球质量。5. 根据权利要求1所述的一种星座卫星测控信号干扰功率估算方法，其特征在于:所述 步骤(3)根据步骤(2)的R目标和Rim，计算目标卫星到地面测控站连成的直线与非目标卫星 到地面测控站连成的直线的夹角Θ，公式如下： JAiT :θ为目标卫星-地面测控站-被干扰卫星夹角； D为目标卫星到被干扰卫星的距离； 分别为目标到地心距离、非目标卫星即被干扰卫星到地心距离； jd星下(目标)，wdsf(_分别为目标卫星的星下点经炜度； jd星下，wds下卩紐〇分别为非目标卫星的星下点经炜度。6. 根据权利要求1所述的一种星座卫星测控信号干扰功率估算方法，其特征在于:所述 步骤(4)根据步骤(3)的Θ，计算地面测控站的发射天线在方向角为Θ情况下的增益G(0)，G (Θ)根据地面测控站天线方向图直接查得。7. 根据权利要求1~6之一所述的一种星座卫星测控信号干扰功率估算方法，其特征在 于:所述地面测控站的发射天线采用反射面天线。8. 根据权利要求1所述的一种星座卫星测控信号干扰功率估算方法，其特征在于:所述 步骤(5)根据步骤(4)的G(0)、步骤(1)的P師、步骤(2)的R目标和R?%，计算非目标卫星收到的 干扰信号功率1^*，公式如下： P^*= P_-G (0) +G (Θ) -2 log [ R_] +2 log [ 1??]公式（3) 式中，G(0)为地面测控站的发射天线在方向角Θ为〇情况下的增益，即地面测控天线波 束中心点增益。
【文档编号】H04B7/185GK105959073SQ201610402485
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】张宏杰, 曹锦 , 姜万杰, 翟君武, 潘宇倩, 王晓晨, 秦巍, 翁嘉, 李长江, 左子谨
【申请人】北京空间飞行器总体设计部