一种基于椭圆轨道的多波束低轨卫星信道仿真方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN108833041A(43)申请公布日2018.11.16(21)申请号201810392115.8(22)申请日2018.04.27(71)申请人东南大学地址210096江苏省南京市玄武区四牌楼2号(72)发明人尤力仝玉山王闻今卢安安江彬巴特尔高西奇(74)专利代理机构南京经纬专利商标代理有限公司32200代理人施昊(51)Int.Cl.H04B17/391(2015.01)H04B7/185(2006.01)H04B7/0408(2017.01)权利要求书2页说明书6页附图2页(54)发明名称一种基于椭圆轨道的多波束低轨卫星信道仿真方法(57)摘要本发明公开了一种基于椭圆轨道的多波束低轨卫星信道仿真方法，步骤：配置卫星通信工作频点、卫星轨道参数和用户终端参数，并根据精度需求修改通用参数；一次性随机生成各用户的三维坐标，或利用终端坐标系手动配置各用户的三维坐标；选择多波束卫星天线模型并配置天线参数；计算卫星天线的波束增益；计算自由空间损耗、多普勒频移与时延；计算信道系数；计算卫星对用户的有效通信时间。本发明考虑了低轨卫星处于椭圆轨道面临的相关问题，仿真最后可以输出卫星不同波束天线到地面多终端的各种参数。CN108833041ACN108833041A权利要求书1/2页1.一种基于椭圆轨道的多波束低轨卫星信道仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)配置卫星通信工作频点、卫星轨道参数和用户终端参数，并根据精度需求修改通用参数；(2)一次性随机生成各用户的三维坐标，或利用终端坐标系手动配置各用户的三维坐标；(3)选择多波束卫星天线模型并配置天线参数；(4)根据多波束卫星天线模型及参数，计算卫星天线的波束增益；(5)根据配置的卫星轨道参数和用户终端参数，计算自由空间损耗、多普勒频移与时延；(6)根据上述步骤配置或计算得到的参数，考虑卫星通信过程中信号的相频特性，计算信道系数；(7)根据配置的卫星轨道参数和天线参数，计算卫星对用户的有效通信时间。2.根据权利要求1所述基于椭圆轨道的多波束低轨卫星信道仿真方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述卫星轨道参数包括卫星所处的椭圆轨道半长轴、轨道的偏心率和轨道平面倾角；所述用户终端参数包括用户个数、每个用户的三维坐标、用户的运行速度、用户端天线接收增益、用户最小仰角和接收端的噪声功率；在步骤(2)中，所述用户的三维坐标由用户到卫星星下点轨迹上参考点的地心角、用户距离参考点的水平距离以及用户自身海拔组成；在步骤(3)中，所述天线参数包括天线个数、天线的发射增益和天线的扫描下倾角。3.根据权利要求2所述基于椭圆轨道的多波束低轨卫星信道仿真方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述多波束卫星天线模型包括反射面天线模型和矩形阵列天线模型。4.根据权利要求3所述基于椭圆轨道的多波束低轨卫星信道仿真方法，其特征在于，在步骤(4)中，在计算卫星天线的波束增益之前需要计算卫星天线的波束方向图。5.根据权利要求4所述基于椭圆轨道的多波束低轨卫星信道仿真方法，其特征在于，当多波束卫星天线模型选择的是反射面天线模型时，卫星天线的波束方向图如下式计算：上式中，[fi]k表示第k个天线到第i个用户的波束方向图，为第i个用户与第k个波束中心的夹角，可以通过几何算法求得；为第k个波束的3dB角，J1与J3分别为一阶与三阶的第一类贝塞尔函数，K为波束数。6.根据权利要求4所述基于椭圆轨道的多波束低轨卫星信道仿真方法，其特征在于，当多波束卫星天线模型选择的是矩形阵列天线模型时，卫星天线的波束方向图如下式计算：上式中，表示K个天线到第i个用户的波束方向图，K＝MN，M为矩形阵列天线横向天线数目，N为矩形阵列天线纵向天线数目；Wi为第i个用户波束方向图系数矩阵，运算符vec表示矩阵拉直操作，为第i个用户的阵列流形矩阵，该矩阵第n行第m列矩阵元素2CN108833041A权利要求书2/2页定义为其中，λ为波长，θ为地面信号到天线与天线阵列z轴方向所成夹角，φ为该信号在天线阵列上投影与阵列x轴方向所成夹角，dx和dy分别表示矩形阵列天线横纵方向上的阵元间隔。7.根据权利要求4所述基于椭圆轨道的多波束低轨卫星信道仿真方法，其特征在于，在步骤(4)中，按下式计算卫星天线的波束增益：bi＝Gt⊙fi上式中，bi为卫星天线的波束增益，Gt为天线发射增益，fi为计算出的天线波束方向图。8.根据权利要求2-7中任意一项所述基于椭圆轨道的多波束低轨卫星信道仿真方法，其特征在于，在步骤(6)中，按下式计算信道系数：上式中，hi(t)表示K个天线到第i个用户的信道系数，PLFS为自由空间损耗，fd为多普勒频移，Gr为第i个用户接收增益，Nr为第i个用户接收端噪声功率，bi为卫星天