[发明专利]一种基于LoS MIMO架构的低轨卫星馈电链路通信方法

权利要求书

1.一种基于LoS MIMO架构的低轨卫星馈电链路通信方法，所述方法应用于地面侧和卫星侧均配备多根天线的低轨卫星通信系统，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，获得基于LoS MIMO架构的低轨卫星馈电链路系统工作参数；

步骤2，根据步骤1中的系统工作参数计算地面站可视区域的星地链路遍历信道容量，通过数值仿真计算求出使遍历信道容量达到最优的地面天线摆放方案；

步骤3，在卫星运动的过程中，卫星根据与地面站的实时相对位置计算出能够获得最优遍历信道容量的卫星姿轨状态，并根据计算结果进行最优姿轨的实时调整；

其中，所述步骤2中地面站可视区域的星地链路遍历信道容量表达式为：

由于地面站可视区域的任意一个点能够由参数对(β,η)唯一表示，因此用C(β,η)表示位于坐标(β,η)的卫星与地面站之间的LoS MIMO信道容量，计算公式为

C(β,η)＝log₂[(1+2σ|a(β,η)|²)²-(σ|a(β,η)|²)²Δ(r₁₁(β,η),r₁₂(β,η),r₂₁(β,η),r₂₂(β,η))]

其中r_nrnt(β,η)和分别表示位于坐标(β,η)的卫星第n_r个接收天线和地面第n_t个发送天线之间的传输距离和信号幅度衰减，其中1≤n_r≤2,1≤n_t≤2，c₀为光速，表达式Δ(r₁₁(β,η),r₁₂(β,η),r₂₁(β,η),r₂₂(β,η))为

其中向量G₁(x_G1,y_G1,z_G1)、G₂(x_G2,y_G2,z_G2)、S₁(x_S1,y_S1,z_S1)和S₂(x_S2,y_S2,z_S2)分别表示地面站两天线和卫星两天线的位置向量，有

其中φ_S表示卫星纬度坐标，θ_S表示卫星经度坐标，地面站可视区域的星地链路遍历信道容量表达式中的ρ(β,η)表示地面站可视区域上坐标(β,η)处的卫星轨迹分布概率，当η∈[0,π]时其计算公式为

当η∈[π,2π]时ρ(β,η)＝ρ(β,2π-η)；其中φ(β,η)表示卫星纬度φ和坐标(β,η)的转换式，根据η的取值分为三种情况：当η＝0,π时，φ(β,η)＝φ_G±β₀；当η＝π/2时，有

当π时，有

其中

其中d(β)和γ(β)分别表示地心角为β处的卫星与地面站的距离和仰角，根据上述公式，即计算出地面站可视区域的星地链路遍历信道容量；

所述步骤2中的所述数值仿真计算获得最优遍历信道容量的地面天线摆放方案的参数，包括设定地面站天线连线与正东方向夹角δ_G、地面站天线间距值d_G，其具体步骤为：设定固定的d_S,δ_S,δ_G，将d_G设为自变量，利用计算机对可视区域的星地链路遍历信道容量表达式进行数值仿真，然后按照式求得使遍历信道容量达到最大的地面站天线间距d_G-opt；在保证d_G≥d_G-opt的条件下，根据实际系统中地面站的所占面积大小选取地面站天线间距d_G，即确定最优遍历信道容量的地面天线摆放方案的参数δ_G和d_G；

所述步骤3中的卫星根据与地面站的实时相对位置计算出能够获得最优遍历信道容量的卫星姿轨状态需要经历的步骤如下：在卫星运行到地面站可视区域范围时，卫星实时获取φ_S,θ_S,r₁₁，并根据下式计算出最优卫星δ_S-opt旋转角度：

其中

κ₁＝sinφ_Scosδ_Gsin(θ_S-θ_G)-sinδ_Gcosφ_Scosφ_G

-sinφ_Ssinδ_Gsinφ_Gcos(θ_S-θ_G)

κ₂＝-cosδ_Gcos(θ_S-θ_G)-sinδ_Gsinφ_Gsin(θ_S-θ_G)；

然后卫星根据计算出的最优角度值对姿轨状态进行及时调整，即获得实时最优遍历信道容量。