[发明专利]一种基于椭圆轨道的多波束低轨卫星信道仿真方法

权利要求书

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；下式为卫星运行角度θ的约束方程：

上式中，α为地面用户对卫星的仰角，β为卫星扫描的半视角，l_AB为弧AB的长度，A为卫星的星下点轨迹上一点，B为用户在海平面的正投影，θ₀为A与卫星近地点与地心连线的夹角，h为用户海拔高度，R为地球半径，r为用户终端到卫星天线的距离；

当θ满足β＜β_max且α＞α_min时，卫星对地面用户有效通信，从而计算出卫星对用户的有效通信时间，α_min为配置的α极小值，β_max为配置的β极大值。

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，[f_i]_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；W_i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列矩阵元素定义为其中，λ为波长，φ为该信号在天线阵列上投影与阵列x轴方向所成夹角，d_x和d_y分别表示矩形阵列天线横纵方向上的阵元间隔。