衛(wèi)星通信點(diǎn)波束覆蓋區(qū)域計(jì)算方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于衛(wèi)星通信【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明是將衛(wèi)星與地球間的母線和軸線看作兩條向量，由于兩條向量的夾角已知，軸線向量的長度和波束中心點(diǎn)已知，在覆蓋范圍的邊界上任取一點(diǎn)作為未知量，就可以將球面坐標(biāo)和數(shù)量積公式進(jìn)行聯(lián)立算出波束范圍的邊界曲線。通過采用點(diǎn)波束中心指向的規(guī)劃算法，可計(jì)算除點(diǎn)波束最佳中心點(diǎn)、中心點(diǎn)與波束覆蓋角的轉(zhuǎn)換、點(diǎn)波束覆蓋角與覆蓋范圍的關(guān)系以及規(guī)劃船只穿越點(diǎn)波束覆蓋區(qū)域的時(shí)間。本發(fā)明不但可使衛(wèi)星覆蓋區(qū)域算法更為簡單易懂，易于實(shí)現(xiàn)，可減少程序員的工作量，使程序有更好的可讀性，而且可以加快運(yùn)算速度，還節(jié)省了點(diǎn)波束指向的轉(zhuǎn)變成本，能產(chǎn)生較大經(jīng)濟(jì)效益。
【專利說明】衛(wèi)星通信點(diǎn)波束覆蓋區(qū)域計(jì)算方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及涉及衛(wèi)星通信領(lǐng)域，特別是涉及一種衛(wèi)星通信點(diǎn)波束覆蓋區(qū)域計(jì)算方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 衛(wèi)星點(diǎn)波束通信是軍事衛(wèi)星通信的一種應(yīng)用方式，其特點(diǎn)是截面為圓形或橢圓 形，僅覆蓋地球表面的一定區(qū)域，這種波束比全球波束小，能實(shí)現(xiàn)局部區(qū)域信號覆蓋，具有 更高的安全保密性，而且衛(wèi)星點(diǎn)波束的可移動(dòng)天線具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高等優(yōu)點(diǎn)。對點(diǎn)波束 控制和管理的一個(gè)重要問題就是覆蓋范圍問題。由于點(diǎn)波束的覆蓋區(qū)域有限，針對與移動(dòng) 目標(biāo)通信的情況，需要不停的改變衛(wèi)星點(diǎn)波束的中心指向，以確保通信目標(biāo)在點(diǎn)波束覆蓋 范圍之內(nèi)。衛(wèi)星點(diǎn)波束的中心指向已知時(shí)，需要計(jì)算點(diǎn)波束對地球覆蓋的區(qū)域，才能判斷覆 蓋目標(biāo)是否在點(diǎn)波束的覆蓋區(qū)域內(nèi)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對上述問題，本發(fā)明提供一種求解衛(wèi)星點(diǎn)波束覆蓋區(qū)域的更為簡單、易于實(shí)現(xiàn) 的衛(wèi)星通信點(diǎn)波束覆蓋區(qū)域計(jì)算方法。
[0004] 本發(fā)明衛(wèi)星通信點(diǎn)波束覆蓋區(qū)域計(jì)算方法，所述方法包括：
[0005] 建立衛(wèi)星通信點(diǎn)波束覆蓋區(qū)域的計(jì)算模型，所述計(jì)算模型以衛(wèi)星所在位置點(diǎn)為頂 點(diǎn)，所述衛(wèi)星所在位置點(diǎn)和所述衛(wèi)星點(diǎn)波束中心指向點(diǎn)之間的連線為中心軸，做一圓錐，其 中該圓錐與與地球的交集為所述衛(wèi)星通信點(diǎn)波線束覆蓋區(qū)域；
[0006] 基于所述計(jì)算模型，將衛(wèi)星與地球間的母線和軸線看做兩條向量，計(jì)算所述的兩 條向量以及所述的兩條向量的夾角，計(jì)算軸線向量的長度和波束中心點(diǎn)，在覆蓋范圍的邊 界上任取一點(diǎn)作為未知量，將球面坐標(biāo)和數(shù)量積公式進(jìn)行聯(lián)立算出波束范圍的邊界曲線。
[0007] 進(jìn)一步地，所述方法具體包括步驟：
[0008] 步驟1 :建立數(shù)學(xué)模型，所述數(shù)模模型的建立方法如下：
[0009] 以所述衛(wèi)星點(diǎn)波束中心指向點(diǎn)為E點(diǎn)，E點(diǎn)的經(jīng)度為小E，緯度為外，地球同步衛(wèi)星 位于S點(diǎn)，衛(wèi)星的經(jīng)度為（ts，緯度為％，對于地球同步衛(wèi)星高度& =HS= 35 786 000m， 地球半徑r=HO= 6 378 155m;
[0010] 建立一個(gè)以地球圓心為原點(diǎn)空間直角坐標(biāo)系,球心到本初子午線的方向?yàn)閄軸的 正方向、球心到東經(jīng)90°經(jīng)線的方向?yàn)閥軸的正方向，球心到北極的方向?yàn)閆軸的正方向， 以地球同步衛(wèi)星所在點(diǎn)S為頂點(diǎn)，直線SE為軸，作一圓錐，所述圓錐的母線與軸的夾角為衛(wèi) 星天線的波瓣寬度，所述圓錐與地球的交集即為所述的覆蓋區(qū)域的邊界為所述的衛(wèi)星通信 點(diǎn)波束覆蓋區(qū)域；
[0011] 步驟2:基于步驟1所述建立的數(shù)學(xué)模型求解所述覆蓋區(qū)域的邊界，所述計(jì)算方 法具體包括：
[0012] 基于球面坐標(biāo)公式得到點(diǎn)波束中心投影到地球上的坐標(biāo)點(diǎn)為：
[0013]

【權(quán)利要求】
1. 一種衛(wèi)星通信點(diǎn)波束覆蓋區(qū)域計(jì)算方法，其特征在于：所述方法包括： 建立衛(wèi)星通信點(diǎn)波束覆蓋區(qū)域的計(jì)算模型，所述計(jì)算模型以衛(wèi)星所在位置點(diǎn)為頂點(diǎn)， 所述衛(wèi)星所在位置點(diǎn)和所述衛(wèi)星點(diǎn)波束中心指向點(diǎn)之間的連線為中心軸，做一圓錐，其中 該圓錐與與地球的交集為所述衛(wèi)星通信點(diǎn)波線束覆蓋區(qū)域； 基于所述計(jì)算模型，將衛(wèi)星與地球間的母線和軸線看做兩條向量，計(jì)算所述的兩條向 量以及所述的兩條向量的夾角，計(jì)算軸線向量的長度和波束中心點(diǎn)，在覆蓋范圍的邊界上 任取一點(diǎn)作為未知量，將球面坐標(biāo)和數(shù)量積公式進(jìn)行聯(lián)立算出波束范圍的邊界曲線。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星通信點(diǎn)波束覆蓋區(qū)域計(jì)算方法，其特征在于：所述方法 具體包括步驟： 步驟1 :建立數(shù)學(xué)模型，所述數(shù)模模型的建立方法如下： 以所述衛(wèi)星點(diǎn)波束中心指向點(diǎn)為E點(diǎn)，E點(diǎn)的經(jīng)度為（tE，緯度為&，地球同步衛(wèi)星位 于S點(diǎn)，衛(wèi)星的經(jīng)度為（ts，緯度為％，對于地球同步衛(wèi)星高度r(l = HS = 35 786 000m，地 球半徑 r = HO = 6 378 155m ; 建立一個(gè)以地球圓心為原點(diǎn)空間直角坐標(biāo)系，球心到本初子午線的方向?yàn)閤軸的正方 向、球心到東經(jīng)90°經(jīng)線的方向?yàn)閥軸的正方向，球心到北極的方向?yàn)閆軸的正方向，以地 球同步衛(wèi)星所在點(diǎn)S為頂點(diǎn)，直線SE為軸，作一圓錐，所述圓錐的母線與軸的夾角為衛(wèi)星天 線的波瓣寬度，所述圓錐與地球的交集即為所述的覆蓋區(qū)域的邊界為所述的衛(wèi)星通信點(diǎn) 波束覆蓋區(qū)域； 步驟2 :基于步驟1所述建立的數(shù)學(xué)模型求解所述覆蓋區(qū)域的邊界，所述計(jì)算方法具體 包括：
在過E點(diǎn)的平面邊界上均勻的選取n個(gè)點(diǎn)，再求過這n個(gè)點(diǎn)的圓錐母線與地球的交點(diǎn) 即得到了點(diǎn)波束在地球表面覆蓋區(qū)域的邊界； 當(dāng)某條圓錐母線無交點(diǎn)時(shí)，就需要收縮到與地球相切； 在點(diǎn)波束與地球相交的平面邊界P，在邊界由h至Pi若干點(diǎn)組成，在所述邊界上任意 取一點(diǎn)P(!，作為P(!經(jīng)度為小i，緯度為A ,則P(!點(diǎn)坐標(biāo)為：
得到母線與軸線SE夾角為a、波束中心E與點(diǎn)匕的經(jīng)緯度（^、科為自變量的函數(shù)，母 線與軸線夾角a和波束中心E點(diǎn)已知，通過設(shè)置步長（A (K A識），當(dāng)邊界上的點(diǎn)為滿足公 式⑵的點(diǎn)，則算出該點(diǎn)Pp得出Pi的經(jīng)緯度坐標(biāo)A ; 當(dāng)?shù)厍蚪邮照疚挥谛l(wèi)星與地球切點(diǎn)時(shí)，點(diǎn)波束的運(yùn)動(dòng)范圍達(dá)到最大，0為衛(wèi)星覆蓋范 圍只與地球有一個(gè)交點(diǎn)時(shí)的覆蓋角，得出 ^ = arccos (r/r〇+r) X 180/ n (8) 衛(wèi)星點(diǎn)波束運(yùn)動(dòng)范圍邊界為：
母線與軸線SE夾角a已知，以步長為（A (K A識）對t、講在點(diǎn)波束的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi) 進(jìn)行改變，將滿足公式（7)結(jié)果的點(diǎn)在地圖上進(jìn)行測繪，就得到相應(yīng)的點(diǎn)波束覆蓋范圍； 當(dāng)經(jīng)緯度坐標(biāo)范圍超出不等式（9)時(shí)母線與地球不相交，則將邊界顯示為衛(wèi)星對地球 的切點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星通信點(diǎn)波束覆蓋區(qū)域計(jì)算方法，其特征在于：點(diǎn)波束最 佳中心點(diǎn)的選取方法包括： P經(jīng)緯度坐標(biāo)（cKP )為船只坐標(biāo)，PE為船只航向，H((K、〇)為衛(wèi)星在地球上的投影， 通過球面坐標(biāo)可以得到P點(diǎn)坐標(biāo)：
基于船只航向已知，弧長@已知，在地圖上測量出點(diǎn)波束中心點(diǎn)的最佳指向位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星通信點(diǎn)波束覆蓋區(qū)域計(jì)算方法，其特征在于：波束中心 點(diǎn)與波束覆蓋角的轉(zhuǎn)換方法具體包括： 基于點(diǎn)波束指向點(diǎn)E和衛(wèi)星S坐標(biāo)，得出：
由余弦定理得出：
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星通信點(diǎn)波束覆蓋區(qū)域計(jì)算方法，其特征在于：點(diǎn)波束覆 蓋角與覆蓋范圍的關(guān)系為： 以E為分界點(diǎn)將軸$分為兩個(gè)半軸，設(shè)靠近衛(wèi)星的半軸@為短半軸，遠(yuǎn)離衛(wèi)星的半 軸]^為長半軸，可以得出：
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星通信點(diǎn)波束覆蓋區(qū)域計(jì)算方法，其特征在于：點(diǎn)波束覆 蓋角的指向區(qū)間為：[〇, arcsinlir/Cr+r。) ] X 180/ Jr - Z a ]。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星通信點(diǎn)波束覆蓋區(qū)域計(jì)算方法，其特征在于：船只穿越 點(diǎn)波束覆蓋區(qū)域的時(shí)間規(guī)劃具體包括：
【文檔編號】H04B7/185GK104348539SQ201410352928
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月23日
【發(fā)明者】徐慨, 楊海亮, 項(xiàng)順祥, 黃麟舒, 賈志軍, 劉宏波, 葉龍翔 申請人:中國人民解放軍海軍工程大學(xué)