基于低轨卫星编队星地mimo的通信阵列参数优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种星地Mnro的通信阵列参数优化方 法。
【背景技术】
[0002] MHTO技术，最早是由Marconi于1908年提出的，旨在利用多天线来抑制信道衰落。 直到上个世纪九十年代中期，美国的AT&T Bell实验室发表了一系列文章，提出了以引入空 域处理技术的多进多出（MIM0:Multiple Input Multiple Output)技术为代表的多天线通 信系统，并就其编码技术方案以及信号处理技术进行了全面的阐述，引起了各国学者的极 大关注，对Μπω技术的研究产生了巨大的推动作用。多入多出（Mnro)是无线移动通信领 域智能天线技术的重大突破，该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量 和频谱利用率，是新一代移动通信系统必须采用的关键技术。
[0003] 卫星编队指具有特殊几何构型，且卫星间的相对位置要求保持在一定精度范围内 的卫星系统。现实中多采用小卫星编队飞行，小卫星之间相互合作，共同执行空间任务。把 过去由单颗卫星完成的任务分散给编队中的每颗卫星，构成一颗"虚拟卫星"完成单颗大卫 星的任务，大大提高了卫星系统的抗干扰和抗摧毁能力。卫星编队飞行技术具有高度的灵 活性，可以根据需要改变其系统的构型及指向，灵活改善或增减系统功能。它们协同工作， 共同承担信号处理、通信和有效载荷等任务，可以实现单一大卫星无法完成的科学和技术 使命，将开辟许多新的空间应用领域。更为重要的是，编队飞行技术具有低风险、高生存能 力的特性。与大卫星相比，卫星编队中即使单个卫星失效，其损失也较小，构成虚拟平台的 卫星数量在一定范围内可增减。
[0004] 卫星编队的应用，将产生大量的数据需要快速传输至地面。考虑到卫星编队的空 间特性，多颗卫星可以组成一个空间天线阵列进行信息传输，如果能在星地之间建立MMO 通信系统，能大大提高星地通信系统的传输能力。
[0005] 另一方面，目前关于卫星编队星地MMO的研究多侧重于MMO分集方面，对MMO 空分复用研究较少。非专利文献 1(R.T. Schwarz et al. Optimum-Capacity MIMO Satellite Link for Fixedand Mobile Services. Proc.WSA2008，pp. 209-216)提出在同步轨道卫星 编队于地面站之间构建Mnro通信系统得到复用增益，并在理论上推导了同步轨道下星地 M頂0系统的地面阵最优参数选择。
[0006] 要在低轨卫星与地面天线阵建立MMO系统的难度较大，因为低轨卫星与地面站 之间相对移动速度较快，很难满足长时间的、稳定的通信链路，星地通信链路处于视距状 态，不同收发天线对的链路之间相关性较大，难以充分使用卫星编队的空域信息来进行空 分复用从而使传输速率成倍提升。同时还需综合考虑卫星对地面的同时覆盖和卫星编队间 同步传输等问题。
【发明内容】
[0007] 为了解决现有技术中的问题，本发明提出了一种基于低轨卫星编队星地MMO的 通信阵列参数优化方法，适用于视距链路下低轨跟飞式卫星编队与地面形成Mnro通信系 统，在可通信时间窗口内，通过调整地面阵参数，可以使下行链路信道容量大大提升。
[0008] 本发明通过以下技术方案实现：
[0009] -种基于低轨卫星编队星地MMO的通信阵列参数优化方法，应用于低轨卫星编 队星地MMO通信系统，所述卫星编队包括至少两颗保持在同一轨道上的低轨卫星，地面站 包括至少两个天线组成的天线阵；所述方法包括如下步骤：
[0010] 步骤1 :根据所述卫星编队的卫星轨道数据以及地面站的位置数据，得到卫星与 地面站的距离、方位角、仰角数据；
[0011] 步骤2 :得到通信时间窗口 [TO, Tl];
[0012] 步骤3 :计算t时刻的卫星与地面站的距离变化数据R(t)、卫星天线阵的仰角变化 数据 Θ t，其中，t e [T0，T1];
[0013] 步骤4 :根据R(t)、Θ t优化地面站天线阵列参数dr (t)。
[0014] 作为本发明的进一步改进，所述步骤1具体为：根据卫星轨道的形状、大小和方向 以及某一确定时刻的在轨位置求解开普勒方程并进行修正，得到卫星的位置数据，根据地 面站的位置以及卫星的位置，计算地面站到卫星的距离、仰角和方位角数据。
[0015] 作为本发明的进一步改进，所述星天线阵的仰角变化数据0t根据以下公式计 算
[0016] 作为本发明的进一步改进，所述地面站天线阵列参数dr (t)根据以下公式计算：
[0018] 其中，设定cos Θ ^的值为〇. 1，λ为载波波长。
【附图说明】
[0019] 图1是卫星编队星地MMO系统示意图；
[0020] 图2是公式参量几何示意图；
[0021] 图3是地面站到卫星的距离仰角以及方位角计算过程示意图；
[0022] 图4是主卫星与地面站中心位置变化关系图；
[0023] 图5是一次通信过程中天线最优间距值变化示意图；
[0024] 图6是未调整情况下低轨卫星编队星地MIMO信道容量变化示意图；
[0025] 图7是采用调整与未调整情况信道容量变化对比图；
[0026] 图8是存在调整误差情况下信道容量变化对比图；
[0027] 图9是不同参数优化情况下信道容量与最佳优化信道容量比值示意图；
[0028] 图10是不同情况下信道容量累计求和对比图。
【具体实施方式】
[0029] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0030] 低轨卫星编队星地MMO通信系统如附图1所示。设定卫星编队采用跟飞形式， Sl在前，S2在后。卫星保持在同一轨道上，只有通过同一点的时间不同。其中轨道倾角 为i，升交点赤经为Ω。地面站包含了一个由两个天线组成的天线阵，地面天线阵位置为 (θ R，Φκ)，利用编队不同卫星上的发射天线与地面接收天线阵形成MMO系统。
[0031] 根据编队卫星所要传输信息来源不同，具体协同方式可为协同编码发送，放大转 发或译码转发，所要发射的数据需在向地面发送前在编队卫星之间分配传输完成。两颗卫 星通过星间链路进行通信，通过特定的星间通信协议获取信息发射时间。
[0032] 本发明选择低轨卫星轨道的一个运行周期内两颗卫星同时与地面站天线阵可见 时间段[TO, Tl](即两颗卫星均处于低轨轨道上DO点与Dl点之间的时间段，如附图1所 示）进行MMO传输。整个的MMO传输过程可分为以下三个阶段。
[0033] 第一阶段：信息传输准备阶段：跟飞式低轨卫星编队先后进入地面站GO的可见通 信范围，在第一颗卫星Sl飞过DO点进入通信范围时进行跟踪捕获，通过特定的握手机制建 立一个稳定连接，并通过遥控遥测系统或者轨道求解等数值方法计算卫星天线与地面天线 距离，做好M頂0信息传输准备。同时，编队卫星通过星间通信协议完成M頂0传输初始化。
[0034] 第二阶段：待第二颗卫星S2进入可见通信范围内的时刻为T0,卫星编队的两颗卫 星根据特定通信协议（包含编码方式，发射时间以及协作方式）同时向地面站GO传输已编 码信息。与此同时，地面站GO根据低轨卫星运行轨道动态优化天线阵参数（天线阵方向角 度与天线间距），使星地M頂0子信道正交。
[0035] 第三阶段：直至第一颗卫星Sl于Tl时刻飞出可通信范围，它发射结束MMO传输 信息给地面站G0,同时发射结束指令给S2。一个MIMO通信时间段结束，等待下一次通信机 会。
[0036] MHTO技术应用到卫星通信中会遇到很多与地面MMO不同的问题。在通常的MMO 应用中，散射环境以及多经的存在是M頂0发挥优势的必要条件。而在卫星编队M頂0中，卫 星天线与地面站之间的直射路径似乎限制了 MMO在卫星通信中的应用，因为视距直射路 径的存在通常会导致信道矩阵的秩降低。但近来的一些研究发现，在LOS(视距）环境下， 通过特定天线的配置能实现子信道的正交性，可以使MHTO信道容量达到最大。视距MMO 理论推导如下。
[0037] 对于发射机的每个发射天线都具有相同平均发射功率的慢衰落MIMO系统，考虑 信号为窄带的、点到点的、发射机无精确信道估计的、无回馈的信号，那么MMO信号模型 为：
[0038] r = H · s+n (1)式中：r为mRX 1的接收信号向量；s为mTX 1发射信号向量；η 为mRX 1独立同分布加性复白高斯噪声向量，每个分量的方差是σ 2;Η为mRXnvi言道矩阵， 其中第i行、第j列矩阵元素表示为Ii1 i，mT和m汾别是发射和接收天线数目，假设m R>mT。 则M頂0容量为：
[0040] 当N〈M时，相应的信道容量公式只需将上式中的HHh替换为HhH。其中=Ibir表示m R 阶单位矩阵，Hh表示矩阵H的共辄转置；P为接收机每根接收天线分支上的平均信噪比。
[0041] 视距M頂0中信道传输矩阵H(f)包括直视路径（LOS: Line of Sight)部分Hu3s (f) 和非直视路径（Nuis = None Line of Sight)部分HNU)S(f)，表示如下式：
[0043] K是莱斯K因子。考虑到卫星信道特性已及卫星接收天线的方向性，本发明只考虑 强视距部分，将信道矩阵表示为：
该矩阵第叫行，第mT列处的元素[H(f)] ^bit电磁波的空间传输模型给定：
[0046] 其中、#,,.(/')为^&表示第mT个发射天线到第叫个接收天线的路径增益，^bit 表示第％个发射天线到第m R个接收天线的距离。
[0047] 则归一化后的mR*mTg由空间M頂0信道矩阵可表示为：
[0049] 其中1? = 23?/λ，λ为载波波长。贝IJ相关矩阵可表示为：
[0051] 公式（7)中矩阵中的元素是由收发天线数量以及收发天线间距离确定的。要使信 道容量最大，则满足HHh= m T*ImR，即HHh的特征值相等，条件数最小。此时M頂0系统可表 示为m R个独立的子信道。HHh的非对角线元素满足：
[0053] 基于本发明构建的星地2*2ΜΠ ?)模型，可将公式（8)写为：
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