空间信息网络轨道和频率联合分析模型与设计优化

With geostationary orbit and spectrum resources severely limited and non-geostationary orbit large-scale constellations emerging, the current interference analysis method and coordination framework suffers from low efficiency both in orbit and spectrum, due to not considered the multi-constellation coexistence scenario. Model and optimization design for joint analysis of orbit dynamics and frequency becomes more and more important for Space Information Network. In this project, 1) we start from analyzing the complex relationship of time, space and spectrum between constellations, reveal the evolution of interference with orbital dynamics, develop high-efficiency characterization methods and evaluation systems for interference; 2) Based on orbital dynamics, we study multi-satellite cooperative spectrum sensing method with sampling window restricted, construct spectrum state distribution model; 3) we propose joint analysis model and solution method of orbital dynamics and frequency. The main objective of this project is to advance new theories and methods through studying the inference model and evolution, the acquisition of space spectrum state, the joint optimization of orbit and frequency, which is the basis of future space information network research.

静止轨道和频谱资源严重受限，非静止轨道大规模星座不断涌现；现有干扰分析和协调框架没有考虑多星座共存场景，无法高效利用轨道和频率资源，需要研究空间信息网络轨道和频率联合分析模型与优化设计方法。本课题主要研究内容是：1）深入分析共存场景下多星座间时空频复杂关系，揭示多星座干扰随轨道动力学的演变规律，研究高效表征方法和评价体系。2）基于相对轨道动力学特征，研究采样窗口受限下多星协同的空间频谱感知方法，建立频谱状态分布模型。3）构建轨道和频率联合优化的分析模型和求解方法。本课题的总体目标是通过研究共存场景下干扰建模和评价、空间频谱状态获取、轨频联合优化等问题中蕴含的科学规律，提出创新的理论与方法，形成集成仿真工具包，为未来多轨道共存场景下的空间信息网络研究奠定科学基础。

针对多星座共存场景下干扰动态复杂变化、空间频谱状态感知难、频轨资源利用率低等基础性挑战，提出了空间信息网络轨道和频率联合分析模型与设计优化，探索NGSO卫星星座系统频谱利用的高效建模、分析和优化方法。研究内容主要包括多星座共存的干扰建模和评价体系研究、轨道动力学约束下的空间频谱状态分析方法研究、轨道和频率联合设计方法研究。干扰场景建模和评价体系研究部分，建立了NGSO系统间动态干扰的基本模型，分析了现有干扰指标之间的转换关系，并针对干扰动态和全局性提出了基于链路夹角、离散空间、PDF包络等概念的多种干扰分析方法，形成适用于NGSO系统的干扰指标评价体系，可有效描述和评价多星座共存场景下从局部地区到全球尺度的干扰特性。针对NGSO系统向大规模星座发展的趋势，提出巨型星座接入方法和基于卫星出现概率的干扰分析方法，干扰评估运算量较传统外推方法大幅减少。空间频谱状态分析方法研究部分，针对频率资源时间、空间分布极不均匀的特征，研究通过NGSO系统动态感知GSO卫星频谱状态并加以利用的方法，通过获取NGSO卫星穿越GSO卫星波束边缘的时空信息，结合NGSO轨道信息，快速推演出GSO卫星频谱使用状态等信息，并基于频谱感知参数给出频谱共享方法，提高频谱利用效率。轨道和频率联合设计方法研究部分，提出了轨道和频率联合的星座设计方法和系统工作方法。星座设计方法主要包括面向业务的星座构型设计与优化方法，面向频轨约束的星座构型保持方法等，能够在满足干扰保护约束下有效降低星座规模，简化星座接入开销；系统工作方法包括干扰规避方法和干扰约束下的资源分配方法，系统地研究了空域隔离角、波束控制、接入控制等多种干扰规避方法在多星座场景下的应用与优化，实现多星座同频共存，并在满足干扰约束条件下优化卫星系统、星地系统资源分配，提升系统容量。最后形成了一套轨道频率联合仿真工具，验证了频率轨道联合设计方法和性能。