计算大规模非静止轨道星座下行链路干噪比分布的方法

本发明涉及卫星通信，尤其涉及一种计算大规模非静止轨道星座下行链路干噪比分布的方法。

背景技术：

1、随着非静止轨道（ngso）卫星日益增多，合适轨位、频谱资源有限，波束密集、频谱重叠、位置动态，由此产生的ngso星座间同频干扰愈趋严重，波束间同频干扰链路多，干扰发生概率高，干扰情形变化快。高强度、集总性、时变性是当前ngso通信星座系统间同频干扰呈现的特点，此前的单链路、静态化干扰场景已经不再适用于当前复杂的干扰环境。

2、干噪比（i/n）、载干比（c/i）、等效功率通量密度（epfd）等是描述ngso通信星座间同频互扰的常用评价指标。现有技术中干噪比概率分布计算方法可分为外推法、数值法、基准卫星快照法。外推法通常采用外推卫星轨道位置、统计不同干扰值出现时间占比的方法获得，一般仿真时长为数月，随着卫星数量不断增多，干扰组合大幅增加，计算总量大，普通计算机难以有效仿真；数值法有两种，其中一种由fortes提出，通过推导卫星概率密度函数，在全球范围内积分计算干噪比概率分布，并采用自适应步长和高斯求积规则减少计算工作量，此方法在实施细节上尚未给出具体分析；另一种由niloofar okati等提出，利用随机几何研究大规模星座通信性能的思路，通过将大规模星座模拟为均匀分布（bpp模型），利用随机几何知识得出相关指标概率分布，数学解析表达式较为复杂，不易进行分析，仅应用于求解下行链路中断概率，尚未在干扰性能上进行应用；基准卫星快照法由清华大学靳瑾及林子翘等提出，主要通过确定基准卫星，划分区域，联合轨道参数以及卫星星座构型参数，得到卫星星座快照，从而计算星座间干噪比概率分布，该方法仍需要快照仿真，难以分析卫星数量、高度、地球站纬度对于干噪比的影响。

3、在巨型星座场景下，卫星数量庞大，沿用外推方法将导致计算量大幅上升，甚至出现普通pc机无法完成仿真，亟需大幅降低计算复杂度。一般的仿真方法不能给出星座高度、数量、地球站纬度与干噪比的关系，不能对星座设计给出参考的问题。针对上述存在的问题，亟需提供一种计算效率高，能够快速分析星座数量、高度、地球站纬度与干噪比之间关系，对星座设计给出参考的方法。

技术实现思路

1、本发明提供了一种计算大规模非静止轨道星座下行链路干噪比分布的方法，通过用斐波那契网格法来表示干扰星座卫星的坐标以及接入卫星的概率位置坐标，能够推导出非静止星座系统间下行链路干噪比的初等数学表达式，最终得到了非静止轨道星座间的干噪比概率分布。该方法与外推方法和基准卫星快照法相比，计算结果准确度相似，计算效率大幅提升，并且能够快速的分析星座数量、高度、地球站纬度与干噪比之间的关系，可为星座间下行链路互扰分析及星座设计提供一定的参考。

2、具体技术方案如下：计算大规模非静止轨道星座下行链路干噪比分布的方法，包括如下步骤：

3、s01：建立卫星星座下行链路干扰模型，用于模拟干扰系统对受扰系统的干扰，所述受扰系统包括地球站和a星座，所述干扰系统包括b星座，所述b星座与a星座同频共存；

4、s02：建立干扰评价模型，用于评价所述受扰系统受到的干扰水平；

5、s03：利用斐波那契网格法建立卫星空间位置模型，用于求解卫星空间位置坐标，利用空域卫星出现概率获得等效卫星数；

6、s04：建立卫星星座下行链路干噪比公式，用于计算地球站集总干噪比，根据所述干噪比的大小进行归类处理，获得干噪比分布。

7、优选的，所述卫星空间位置坐标包括b星座内干扰卫星坐标：

8、；

9、式中，为b星座干扰卫星高度最小值，r为地球半径，为b星座轨道高度，为b星座卫星个数。

10、优选的，所述b星座干扰卫星高度最小值的计算公式为：

11、；

12、式中，为b星座干扰卫星对地球站最小仰角。

13、优选的，所述b星座干扰卫星包括b星座位于干扰区域内的卫星。

14、优选的，所述等效卫星数为b星座等效卫星数，计算公式为：

15、；

16、式中，为b星座等效卫星数，为b星座卫星个数，p为b星座卫星在空域内出现的概率，r为地球半径，为b星座轨道高度，为b星座干扰卫星高度最小值，为b星座卫星倾角， l为计算空域中心的纬度，为b星座卫星对地球站最小仰角。

17、优选的，所述地球站集总干噪比的计算公式为：

18、<mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>(</mi><mfrac><mi>i</mi><mi>n</mi></mfrac><msub><mi>)</mi><mi>t</mi></msub><mi>=</mi><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mi>=</mi><mi>[</mi><mfrac><mrow><msub><mi>n</mi><mi>be</mi></msub><mi>(</mi><mfrac><mrow><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>z</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><msub><mrow /><mi>bmin</mi></msub></mstyle></mrow><mrow><mi>r</mi><mo>+</mo><msub><mi>h</mi><mi>b</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mn>1</mn><mi>)</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></mfrac><mi>]</mi></mrow><msub><mi>n</mi><mi>be</mi></msub></munderover><mfrac><mrow><msub><mi>p</mi><mi>e</mi></msub><msub><mi>g</mi><mn>1</mn></msub><mi>(</mi><msubsup><mi>θ</mi><mrow><mn>1</mn><mi>n</mi></mrow><mrow /></msubsup><mi>)</mi><msub><mi>g</mi><mn>2</mn></msub><mi>(</mi><msubsup><mi>θ</mi><mrow><mn>2</mn><mi>n</mi></mrow><mrow /></msubsup><mi>)</mi></mrow><mi>ktb</mi></mfrac></mstyle><mi>⋅</mi><mi>(</mi><mfrac><mi>λ</mi><mrow><mn>4</mn><mi>π</mi><msub><mi>d</mi><mi>n</mi></msub></mrow></mfrac><msup><mi>)</mi><mn>2</mn></msup><mi></mi></mstyle>；

19、式中，为所述地球站集总干噪比，为b星座等效卫星数，为a星座与b星座之间的重叠带宽的发射功率，为第n颗干扰卫星的天线发射增益，为地球站天线接收增益，为第n颗干扰卫星与地球站连线偏离地球站天线主轴夹角，为第n颗干扰卫星与地球站连线偏离卫星天线主轴的夹角，为第n颗干扰卫星到地球站的距离， k为玻耳兹曼常量， t为地球站接收端的系统噪声温度， b为卫星通信带宽，为b星座干扰卫星高度最小值，r为地球半径，为b星座轨道高度，为通信载波波长。

20、优选的，所述a星座与b星座之间的重叠带宽的发射功率计算公式为：

21、；

22、；

23、式中，为b星座发射功率， f为重叠带宽因子，为a星座的通信带宽，为a星座的中心频率，为b星座的通信带宽，为b星座的中心频率。

24、优选的，包括计算不同的t值对应的值，根据大小进行归类处理。

25、优选的，所述归类处理包括以1db为区间粒度，统计干噪比值在区间［e-1，e）的概率，计算公式为：

26、；

27、式中，e为统计值。

28、优选的，所述干扰评价模型采用的评价指标为干噪比、载干比或等效功率通量密度中的一种。

29、本发明的有益效果如下：

30、本发明提供的计算大规模非静止轨道星座下行链路干噪比分布的方法，计算效率高，在仿真条件相同的前提下本发明提供方法的仿真时间仅为30s，与轨道外推方法相比误差不大，轨道外推方法时间约为500s；

31、本系统能够提供星座高度、数量、地球站纬度对干噪比概率分布影响的分析，可为星座间下行链路互扰分析及星座设计提供一定的参考。