[发明专利]基于低轨卫星编队星地MIMO的通信阵列参数优化方法

说明书

本发明提出了一种基于低轨卫星编队星地MIMO的通信阵列参数优化方法，考虑星地链路为视距链路，通过调整地面阵参数来满足卫星编队视距星地MIMO系统子信道正交，能使系统信道容量维持在最优状态，避免了因为低轨卫星编队运动使收发天线位置关系变化使子信道相关性增大，导致信道容量急剧下降的情况。通过仿真可知，应用调整方案能使系统性能稳定，信道容量有较大提升，即使引入较大误差后，系统性能下降不明显。说明此方案有一定的实用价值。

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种星地MIMO的通信阵列参数优化方法。

背景技术

MIMO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(MIMO: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MIMO技术的研究产生了巨大的推动作用。多入多出(MIMO)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。

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。

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MIMO通信系统，能大大提高星地通信系统的传输能力。

另一方面，目前关于卫星编队星地MIMO的研究多侧重于MIMO分集方面，对MIMO空分复用研究较少。非专利文献1(R.T.Schwarz et al.Optimum-Capacity MIMO SatelliteLink for Fixedand Mobile Services.Proc.WSA 2008,pp.209-216)提出在同步轨道卫星编队于地面站之间构建MIMO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MIMO系统的地面阵最优参数选择。

要在低轨卫星与地面天线阵建立MIMO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

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MIMO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MIMO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。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于低轨卫星编队星地MIMO的通信阵列参数优化方法，应用于低轨卫星编队星地MIMO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：

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；