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卫星斜投影多波束的椭圆参数分析

发布时间:2013/3/19 17:28:59   阅读:

系统模型

在多波束卫星通信系统中,卫星的覆盖范围被分成了许多个区域,每个区域都被不同的卫星波束服务。在一个卫星波束所覆盖的地球表面上,小区的边界就是一个电平等高线。一般来说,卫星系统规划网络时,卫星每个波束的边界处设定为比中心处信号弱。其中θ3dB表示半3dB波束宽度。通常在分析波束间干扰的研究中,将地球表面看成是一个平面,将各小区近似为卫星波束的正投影,小区与波束形成一个圆锥体,圆锥体的高等于卫星的轨道高度,圆锥体的底面即为小区,其圆心为波束的瞄准线在地面上的正投影,半径为半3dB波束宽度对应的距离。在实际的系统中,绝大多数小区不是卫星波束的正投影而是斜投影,使得圆锥体的底面为椭圆。小区的形状随波束瞄准线与地面夹角的不同而不同。若瞄准线与地面垂直,则小区为正圆形,;若瞄准线不与地面垂直,则小区为椭圆形,,且瞄准线与地面的夹角(锐角)越小,椭圆的离心率越大,即形状越扁平。值得注意的是,椭圆形小区的小区中心(波束瞄准线对应点)并不是椭圆的几何中心。

参数计算

在实际的系统中,由于地球的表面是一个球面而不是平面,因此小区的形状并不是严格的圆形或椭圆形,而是一个曲面。但是考虑到小区的尺寸远小于地球的半径,因此可以将其近似用椭圆形来计算。用,来表示卫星轨道对应的经纬度,用,来表示波束瞄准线对应的经纬度。将卫星记为点S,将卫星的投影点记为点O,小区中心记为点C,小区近卫星点记为点A,远卫星点记为点B。从图4中可以看出,随着纬度的增大,小区中心与卫星的距离增加,小区的尺寸逐渐变大,由圆形逐渐变成椭圆形。当小区中心的纬度变大时,椭圆的长半轴迅速增大,短半轴先缓慢变大后略微变小。最大椭圆小区的面积约为圆形小区面积的4倍。因此,若将卫星覆盖范围内的各小区按照大小相等的圆形小区来计算,会与真实情况有一定的差距,这会对干扰计算时的小区建模产生影响。另外,在规划卫星波束时,若按照圆形小区分布来规划各波束的瞄准线位置,而实际产生的椭圆小区面积比较大,会引入较严重的波束间干扰。

讨论了多波束卫星通信系统下,卫星波束投影至地面会造成椭圆形小区的原因,并推导了不同位置下椭圆小区各参数的计算公式,计算了GEO卫星覆盖范围内椭圆小区半长轴和半短轴的变化。当小区中心与卫星正投影点的距离增大时,小区的尺寸逐渐变大,形状由圆形逐渐变成椭圆形。当小区中心与卫星正投影点的距离较大时,椭圆小区的尺寸与圆形小区的尺寸相差很大。研究可为以后的卫星波束规划和干扰研究提供参考。

本文作者:郑炜李斌任术波陈江吴建军本文单位:北京大学信息科学技术学院

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