一種星座衛星測控信號干擾功率估算方法
【專利摘要】本發明提出了一種星座衛星測控信號干擾功率估算方法，依據星座衛星位置、地面測控站位置及天線方向圖、目標衛星測控通道AGC值及應答機單機實測數據，準確地估算星座被干擾衛星干擾信號功率水平。可用于星座衛星測控干擾影響分析；也可以通過設置星座衛星測控分系統物理仿真及對策驗證平臺，真實地仿真星座衛星測控信號干擾故障現象，用于系統級干擾故障定位于處理對策驗證。
【專利說明】
一種星座衛星測控信號干擾功率估算方法
技術領域
[0001] 本發明涉及星座衛星測控信號干擾估算方法，可用于星座衛星測控信號干擾影響 分析、干擾故障仿真及對策驗證。
【背景技術】
[0002] 隨我國航天事業的飛速發展，衛星數量與日倶增。特別是需要批產組網的星座衛 星，如導航衛星。雖然單顆衛星的故障概率很小，但在衛星數量猛增的情況下，星座衛星發 生故障的總頻次會大幅度上升。因此，及時和準確地對衛星故障原因進行分析與判斷;有效 和安全對衛星故障進行處理是維持星座衛星穩定運行、使其更好地為用戶提供服務的前 提。由于衛星系統組成復雜，而且在軌衛星故障檢測手段有限，很多故障模式僅通過分析是 無法準確定位的，特別是由于系統設備間物理層關聯關系出現的故障現象。因此，對于故障 的仿真與處理對策驗證是進行故障定位的重要手段。
[0003] 星座衛星測控采用碼分多址和頻分多址來實現不同衛星的測控。對于頻分星座衛 星的測控，為節省頻率資源，同系列衛星采會用同一測控頻點，依靠空間位置差異來實現對 不同衛星的測控。但另一方面，隨著在軌相同測控頻點組網衛星數量的增加，衛星空間分布 密度逐步增大。在某些特定時段內，兩個衛星的位置較近，同頻測控信號可能會對非目標衛 星產生干擾。測控信號干擾引起的故障為星座衛星所特有系統級故障。
[0004] 本發明所涉及領域的現狀：1)傳統單星衛系統，不同衛星系統采用不同頻點信號 進行測控，沒有專門針對星座衛星之間同頻測控信號干擾水平評估的方法;2)由于干擾信 號一般微弱遠低于中強有用信號，無法通過被干擾衛星AGC電壓反應其功率強度，因此無法 直接通過被干擾衛星AGC電壓值來估計干擾信號功率強度。
【發明內容】
[0005] 本發明所要解決的技術問題是:本發明提出了一種星座衛星測控信號干擾功率估 算方法，依據星座衛星位置、地面測控站位置及天線方向圖、目標衛星測控通道AGC值及應 答機單機實測數據，準確地估算星座被干擾衛星干擾信號功率水平。可用于星座衛星測控 干擾影響分析;也可以通過設置星座衛星測控分系統物理仿真及對策驗證平臺，真實地仿 真星座衛星測控信號干擾故障現象，用于系統級干擾故障定位于處理對策驗證。
[0006] 本發明的技術方案是:一種星座衛星測控信號干擾功率估算方法，步驟如下：
[0007] (1)估算目標衛星接收到地面測控站發射的正常信號的功率?_;
[0008] (2)計算t時刻衛星到地面測控站距離R，包括：t時刻目標衛星到地面測控站距離 R睛示和t時刻非目標衛星到地面測控站距離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一一衛星到測控站距離；當計算R目標時用目標衛星到測控站距離；當計算Rim尤時 用非目標衛星到測控站距離；
[0014] r一一衛星到地心距離，對于近圓軌道r = a，a為軌道半長軸；當計算R目標時用目標 衛星到地心距離；當計算時用非目標衛星到地心距離；
[0015] Re--地球半徑；
[0016] jd站，wcfe分別為地面測控站經煒度；
[0017] jdsT,wdsT一一星下點經煒度，當計算R目標時用目標衛星的星下點經煒度；當計算 Rim；時用非目標衛星的星下點經煒度；
[0018] t--衛星某運行時刻；
[0019] Qe 一一衛星軌道升交點經度；當計算R目標時用目標衛星軌道升交點經度；當計算 Rim；時用非目標衛星軌道升交點經度；
[0020] i一一軌道傾角；當計算R目標時用目標衛星軌道傾角；當計算R?^時用非目標衛星 軌道傾角；
[0021] CO 一一衛星的軌道近地點幅角；當計算R目標時用目標衛星的軌道近地點幅角；當計 算構紐尤時用非目標衛星的軌道近地點幅角；
[0022] I--衛星經過近地點的時刻；當計算R目標時用目標衛星經過近地點的時刻；當計 算時用非目標衛星經過近地點的時刻；
[0023] f--真近點角，對于近圓軌道
r);當計算R目標時r目標衛星到地心 距離，t用目標衛星經過近地點的時刻；當計算構紐尤時，r用非目標衛星到地心距離，t用非目 標衛星經過近地點的時刻；
[0024] ?e--地球自轉角速度；
[0025] G--萬有引力常量，G = 6.67X10-nN ? m2/kg2;
[0026] M--地球質量。
[0027] (3)根據步驟(2)的R目標和構紐尤，計算目標衛星到地面測控站連成的直線與非目標 衛星到地面測控站連成的直線的夾角9,公式如下：
[0028] 沒二arccos[( 目2標+ 1^皮干擾-D2) /2R目標R干擾] 公式（2 )
[0029] D = i + 4+tt - 2rH n - srn1 {jd9 ,)-sm(wdet,,u^-wd St , )1}'(: 公式（2-1 )
[0030] 9--目標衛星-地面測控站-被干擾衛星夾角；
[0031] D--目標衛星到被干擾衛星的距尚；
[0032] r_、r|W尤一一分別為目標到地心距離、非目標衛星即被干擾衛星到地心距離；
[0033] jdgrF(_)，wdirF(_) 分別為目標衛星的星下點經煒度；
[0034] jdsT(M*) ,wdsT(M*)--分別為非目標衛星的星下點經煒度；
[0035] (4)根據步驟（3)的0，計算地面測控站的發射天線在方向角為0情況下的增益G (9)，G(0)可根據地面測控站天線方向圖直接查得，地面測控站天線優選采用反射面天線， 其方向圖示例如圖2所示。
[0036] (5)根據步驟(4)的G(0)、步驟(1)的Pa標、步驟(2)的Ra標和Riffi*，計算非目標衛星收 到的干擾信號功率公式如下：
[0037] P刊￡=P_-G(O)+G(0)-21og[R_]+21og[R=ff￡]公式（3)
[0038] 式中，G(0)為地面測控站的發射天線在方向角0為0情況下的增益，即地面測控天 線波束中心點增益。
[0039]所述估算目標衛星接收到地面測控站發射的正常信號的功率的方法為:依據目標 衛星位置、地面測控站的發射功率、目標衛星測控天線方向圖，估算目標衛星接收到地面測 控站發射的正常信號功率。
[0040] 所述估算目標衛星接收到地面測控站發射的正常信號的功率的方法為:根據目標 衛星上行測控通道AGC電壓，估算目標衛星接收到的地面測控站發射的正常信號功率。
[0041] 本發明與現有技術相比的有益效果是：
[0042] (1)本發明提出了一種星座衛星測控信號干擾功率估算方法，彌補了沒有專門針 對星座衛星之間同頻測控信號干擾水平評估的方法的空白；
[0043] (2)該方法解決了用傳統的基于AGC估計衛星測控信號接收功率估算方法估算被 干擾衛星干擾信號功率強度所遇到的問題。由于干擾信號一般微弱遠低于中強有用信號， 無法通過被干擾衛星AGC電壓反應其功率強度，因此無法直接通過被干擾衛星AGC電壓值來 估計干擾信號功率強度。本發明提出的方法規避了上述問題。
[0044] (3)本發明通過步驟(5)的被干擾衛星收到的測控信號干擾信號功率估算方案，達 到了方便、快捷、準確計算出臨近星座衛星之間同頻測控信號干擾的情況，為星座衛星在軌 管理提供了有效支持。
[0045] (4)本發明為衛星在軌測控信號出現異常需要進行干擾源排查時，提供了一個有 效的計算分析公式，經多次實際計算驗證，該方法正確有效。
【附圖說明】
[0046] 圖1為同頻測控信號對非測控目標衛星產生干擾的示意圖；
[0047] 圖2為地面測控站的發射天線方向圖示例；
[0048]圖3為衛星測控信號干擾功率估算方法流程圖。
【具體實施方式】
[0049] 本發明的基本思路為:提出了一種星座衛星測控信號干擾功率估算方法，依據星 座衛星位置、地面測控站位置及天線方向圖、目標衛星測控通道AGC值及應答機單機實測數 據，準確地估算星座被干擾衛星干擾信號功率水平。可用于星座衛星測控干擾影響分析;也 可以通過設置星座衛星測控分系統物理仿真及對策驗證平臺，真實地仿真星座衛星測控信 號干擾故障現象，用于系統級干擾故障定位于處理對策驗證。
[0050] 下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0051] 如圖1和圖3所示，一種星座衛星測控信號干擾功率估算方法，步驟如下：
[0052] (1)估算目標衛星接收到地面測控站發射的正常信號的功率P睛示；
[0053]估算目標衛星接收到地面測控站發射的正常信號的功率的方法有兩種：
[0054] 一種為：依據目標衛星位置、地面測控站的發射功率、目標衛星測控天線方向圖， 估算目標衛星接收到地面測控站發射的正常信號功率。該方法為理論計算方法，未考慮到 空間其它干擾信號的影響。
[0055] 另一種為:根據目標衛星上行測控通道AGC電壓，估算目標衛星接收到的地面測控 站發射的正常信號功率。該方法為衛星實際接收到的功率，相比前一種方法更為準確。 [0056] (2)計算t時刻衛星到地面測控站距離R，包括：t時刻目標衛星到地面測控站距離 Rat示和t時刻非目標衛星到地面測控站距離Riot；，公式如下：
[0060]式中：
[0061] R一一衛星到測控站距離；當計算R目標時用目標衛星到測控站距離；當計算Rim尤時 用非目標衛星到測控站距離；
[0062] r一一衛星到地心距離，對于近圓軌道r = a，a為軌道半長軸；當計算R目標時用目標 衛星到地心距離；當計算時用非目標衛星到地心距離；
[0063] Re--地球半徑；
[0064] --分別為地面測控站經煒度；
[0065] jd星下，wd星下--星下點經煒度，當計算Rg標時用目標衛星的星下點經煒度；當計算 Rim；時用非目標衛星的星下點經煒度；
[0066] t--衛星某運行時刻；
[0067] Qe 一一衛星軌道升交點經度；當計算R目標時用目標衛星軌道升交點經度；當計算 Rim；時用非目標衛星軌道升交點經度；
[0068] i--軌道傾角；當計算R目標時用目標衛星軌道傾角；當計算Rim時用非目標衛星 軌道傾角；
[0069] ? 一一衛星的軌道近地點幅角；當計算R目標時用目標衛星的軌道近地點幅角；當計 算Rim時用非目標衛星的軌道近地點幅角；
[0070] I一一衛星經過近地點的時刻；當計算R目標時用目標衛星經過近地點的時刻；當計 算時用非目標衛星經過近地點的時刻；
[0071] f--真近點角，對于近圓軌il
當計算Rg標時r目標衛星到地心 距離，T用目標衛星經過近地點的時刻；當計算Rim時，r用非目標衛星到地心距離，T用非目 標衛星經過近地點的時刻；
[0072] ?e--地球自轉角速度；
[0073] G--萬有引力常量，G = 6.67X10-nN ? m2/kg2;
[0074] M--地球質量。
[0075] 通過步驟(2)，可以方便得根據衛星的軌道參數得出衛星到地面測控站距離，作為 計算干擾功率大小的基礎。
[0076] (3)根據步驟(2)的R目標和R|g，計算目標衛星到地面測控站連成的直線與非目標 衛星到地面測控站連成的直線的夾角9,公式如下：
[0079] 9--目標衛星-地面測控站-被干擾衛星夾角；
[0080] D--目標衛星到被干擾衛星的距尚；
[0081] 一一分別為目標到地心距離、非目標衛星即被干擾衛星到地心距離；
[0082] ，wd星下(目標)分別為目標衛星的星下點經煒度；
[0083] jdsT(M*) ,wdsT(M*)--分別為非目標衛星的星下點經煒度；
[0084] 通過步驟(3)，可以方便得根據公式(2)求得目標衛星_地面測控站-被干擾衛星間 的夾角，作為計算干擾功率大小的基礎。
[0085] (4)根據步驟（3)的0，計算地面測控站的發射天線在方向角為0情況下的增益G (9)，G(0)可根據地面測控站天線方向圖直接查得，地面測控站天線通常采用反射面天線， 其方向圖示例如圖2所示，橫坐標為地面測控站的發射天線在方向角0，縱坐標為地面測控 站的發射天線在方向角為9情況下的增益G(0)，單位dB i
[0086] (5)根據步驟(4)的G( 0)、步驟（1)的P目標、步驟(2)的R目標和R舶視，計算非目標衛星收 到的干擾信號功率，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)為地面測控站的發射天線在方向角0為0情況下的增益，即地面測控天 線波束中心點增益。
[0089] 根據步驟（1)~步驟(4)的計算結果，由公式(3)可以即可得出非目標衛星收到的 干擾信號功率。
[0090] 在以上計算過程中，各個參數的范圍要符合衛星在軌工作的實際情況：
[0091]根據衛星在軌實際工作情況，優選P目標的取值范圍為-112~-42dBm，此功率范圍可 有效覆蓋衛星測控信號正常在軌工作時的功率范圍；
[0092] 優選0在-10~10度(綜合Qe、i、w、T、t目標、t非目標計算的結果）時，即在地面測控站 天線的旁瓣范圍內，計算干擾功率更精確;如果9角超出該范圍，由于目標衛星與非目標衛 星相距較遠，干擾功率很小，計算結果同噪聲相近。
[0093] 以下為優選的實施例：
[0094] 在P目標=_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目標=0秒，t非目標=0 ? 6秒，〇 e = 7 ? 292* 10-5，M= 5 ? 977* 1024，r目標=r_ =39178km的情況下，計算所0 = 2.58度，地面測控站天線方向圖參考如圖2所示，得出G(0) = 45dBi，G(2.58) = lldBi，計算得非目標衛星收到的干擾功率大小為-116dBm。上述優選的 方案可以說明在該情況下干較功率較小，不會影響非目標衛星工作，功率干擾大小估計算 結果同實際在軌工作情況相符，與真實的干擾功率接近，驗證了本估算方法的正確性，滿足 了星座衛星在軌管理工作的需要。
[0095] 本發明解決了用傳統的基于AGC估計衛星測控信號接收功率估算方法估算被干擾 衛星干擾信號功率強度所遇到的問題。由于干擾信號一般微弱遠低于中強有用信號，無法 通過被干擾衛星AGC電壓反應其功率強度，因此無法直接通過被干擾衛星AGC電壓值來估計 干擾信號功率強度，本發明提出的方法規避了上述問題。
【主權項】
1. 一種星座衛星測控信號干擾功率估算方法，其特征在于步驟如下： (1) 估算目標衛星接收到地面測控站發射的正常信號的功率P睛示； (2) 計算t時刻衛星到地面測控站距離R，包括:t時刻目標衛星到地面測控站距離R目標和 t時刻非目標衛星到地面測控站距離R|紐尤； (3) 根據步驟（2)的R目標和Rim，計算目標衛星到地面測控站連成的直線與非目標衛星 到地面測控站連成的直線的夾角Θ; (4) 根據步驟(3)的Θ，計算地面測控站的發射天線在方向角為Θ情況下的增益G(0); (5) 根據步驟(4)的G(Θ)、步驟（1)的P目標、步驟⑵的R目標和構紐尤，計算非目標衛星收到的 干擾信號功率1?尤。2. 根據權利要求1所述的一種星座衛星測控信號干擾功率估算方法，其特征在于:所述 估算目標衛星接收到地面測控站發射的正常信號的功率的方法為:根據目標衛星位置、地 面測控站的發射功率、目標衛星測控天線方向圖，估算目標衛星接收到地面測控站發射的 正常信號功率。3. 根據權利要求1所述的一種星座衛星測控信號干擾功率估算方法，其特征在于:所述 估算目標衛星接收到地面測控站發射的正常信號的功率的方法為:根據目標衛星上行測控 通道AGC電壓，估算目標衛星接收到的地面測控站發射的正常信號功率。4. 根據權利要求1所述的一種星座衛星測控信號干擾功率估算方法，其特征在于:所述 步驟(2)計算t時刻衛星到地面測控站距離R，包括:t時刻目標衛星到地面測控站距離R目標和 t時刻非目標衛星到地面測控站距離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為衛星到測控站距離；當計算R目標時用目標衛星到測控站距離；當計算Rlffl*時用非目 標衛星到測控站距離； r為衛星到地心距離，對于近圓軌道r = a，a為軌道半長軸；當計算R目標時用目標衛星到 地心距離；當計算Rlffi*時用非目標衛星到地心距離； Re為地球半徑； jd站，別為地面測控站經煒度； jd星下，wd星下為星下點經煒度，當計算Rg標時用目標衛星的星下點經煒度；當計算Rim*時 用非目標衛星的星下點經煒度； t為衛星某運行時刻； Ω e為衛星軌道升交點經度；當計算R目標時用目標衛星軌道升交點經度；當計算構紐尤時用 非目標衛星軌道升交點經度； i為軌道傾角；當計算R目標時用目標衛星軌道傾角；當計算Rim時用非目標衛星軌道傾 角； ω為衛星的軌道近地點幅角；當計算R目標時用目標衛星的軌道近地點幅角；當計算Rig 時用非目標衛星的軌道近地點幅角； τ為衛星經過近地點的時刻；當計算R目標時用目標衛星經過近地點的時刻；當計算Rim* 時用非目標衛星經過近地點的時刻· f為真近點角，對于近圓軌道；當計算R目標時r目標衛星到地心距離，τ 用目標衛星經過近地點的時刻；當計算Rlffi*時，r用非目標衛星到地心距離，τ用非目標衛星 經過近地點的時刻； 為地球自轉角速度； G為萬有引力常量，G = 6 · 67 X 10-ηΝ · m2/kg2; Μ為地球質量。5. 根據權利要求1所述的一種星座衛星測控信號干擾功率估算方法，其特征在于:所述 步驟(3)根據步驟(2)的R目標和Rim，計算目標衛星到地面測控站連成的直線與非目標衛星 到地面測控站連成的直線的夾角Θ，公式如下： JAiT :θ為目標衛星-地面測控站-被干擾衛星夾角； D為目標衛星到被干擾衛星的距離； 分別為目標到地心距離、非目標衛星即被干擾衛星到地心距離； jd星下(目標)，wdsf(_分別為目標衛星的星下點經煒度； jd星下，wds下卩紐〇分別為非目標衛星的星下點經煒度。6. 根據權利要求1所述的一種星座衛星測控信號干擾功率估算方法，其特征在于:所述 步驟(4)根據步驟(3)的Θ，計算地面測控站的發射天線在方向角為Θ情況下的增益G(0)，G (Θ)根據地面測控站天線方向圖直接查得。7. 根據權利要求1~6之一所述的一種星座衛星測控信號干擾功率估算方法，其特征在 于:所述地面測控站的發射天線采用反射面天線。8. 根據權利要求1所述的一種星座衛星測控信號干擾功率估算方法，其特征在于:所述 步驟(5)根據步驟(4)的G(0)、步驟(1)的P師、步驟(2)的R目標和R?%，計算非目標衛星收到的 干擾信號功率1^*，公式如下： P^*= P_-G (0) +G (Θ) -2 log [ R_] +2 log [ 1??]公式（3) 式中，G(0)為地面測控站的發射天線在方向角Θ為〇情況下的增益，即地面測控天線波 束中心點增益。
【文檔編號】H04B7/185GK105959073SQ201610402485
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月8日
【發明人】張宏杰, 曹錦 , 姜萬杰, 翟君武, 潘宇倩, 王曉晨, 秦巍, 翁嘉, 李長江, 左子謹
【申請人】北京空間飛行器總體設計部