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基于波束常值偏置可共享无线电频谱的方法及低轨通信卫 星系统

阅读：131发布：2020-05-12

专利汇可以提供基于波束常值偏置可共享无线电频谱的方法及低轨通信卫星系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明一种基于波束常值偏置可与包括地球同步卫星在内的近赤道轨道运行的高轨通信卫星之间共享无线电频谱的方法及低轨通信卫星系统，方法包括：低轨通信卫星在南北极区、赤道附近完成发射波束常值偏置状态的转换，每次实施前后波束偏置方向相反，波束偏置程度为固定的常值；对于临近赤道附近的低轨通信卫星均偏向赤道方向；在北极、南极附近实施波束偏置转换期间，由当前轨道两侧相邻的另外两条轨道内其他低轨通信卫星的波束提供服务。在升交点、降交点附近实施波束偏置转换期间，由位于相同轨道内升交点或降交点另外一侧的相邻低轨通信卫星提供波束覆盖服务。，下面是基于波束常值偏置可共享无线电频谱的方法及低轨通信卫星系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种低轨道运行的第一通信卫星与近赤道轨道运行的第二通信卫星之间共享无线电频谱的方法，其特征在于：第一通信卫星所在的第一轨道低于第二通信卫星所在的第二轨道，第一轨道与赤道平面相交于一升交点和一降交点，第二轨道为近赤道轨道，所述方法包括：
(i)由第一通信卫星发射对准地球表面的无线电信号，形成一个波束；
(ii)第一通信卫星在升交点、降交点以及北极地区、南极地区附近完成发射波束常值偏置状态的转换；
波束偏置程度根据第一通信卫星和第二通信卫星共享频率对应的两个波束完成空间隔离而不互相干扰的最小角度要求以及第一通信卫星的波束大小、轨道高度、同一轨道面内相邻第一通信卫星的相位角度大小、近赤道轨道第二通信卫星的轨道倾角确定；与第一通信卫星所处具体纬度无关；波束偏置程度为固定常值；
波束偏置，对于升交点，临近赤道附近的第一通信卫星均偏向赤道方向；对于降交点，临近赤道附近的第一通信卫星均偏向赤道方向；
波束常值偏置状态的转换，在每运行轨道周期内第一通信卫星运动至升交点附近、降交点附近以及北极地区附近、南极地区附近各实施一次，共四次；每次实施前后波束偏置方向相反，偏置程度相同；
波束偏置状态转换期间，当前波束关闭并停止服务。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过偏置整个第一通信卫星姿态来实现所述波束偏置。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：实施卫星姿态偏置的装置包括反作用轮或控制力矩陀螺。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：采用绕第一通信卫星俯仰轴，进行姿态偏置实现。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：通过偏置第一通信卫星俯仰轴姿态来实现常值波束偏置时，采用轨控推力器沿俯仰轴反方向预先偏置的布局方式，在进行俯仰偏置时仍可获得过质心且产生沿轨道切向的推力，此轨控推力器布局方式支持在常值姿态偏置期间进行轨道切向方向的轨道修正。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：常值姿态偏置，是指：通过常值偏置整个第一通信卫星姿态来实现所述常值波束偏置。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：采用波束在俯仰轴方向实施预先偏置，然后绕偏航轴旋转180°的方法实现波束偏置方向转换。
8.根据权利要求7所述的方法，波束在俯仰轴方向实施预先偏置时，因为偏置状态相对固定，支持针对波束在球面的投影进行关于地球曲率的优化。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：其中通过转动第一通信卫星的一个或多个无线电天线来实现所述波束偏置。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：其中所述波束偏置采用电子控制方式完成。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：控制方式，采用相控阵天线技术进行波束偏置。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：北极地区附近，是指：低轨通信卫星系统在北极地区形成的二重及以上覆盖区域。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：南极地区附近，是指：低轨通信卫星系统在南极地区形成的二重及以上覆盖区域。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：临近赤道附近的第一通信卫星，是指：对于升交点，在南极附近完成波束偏置状态反转后，还未实施北极附近波束偏置状态反转的第一通信卫星；对于降交点，在北极附近完成波束偏置状态反转后，还未实施南极附近波束偏置状态反转的第一通信卫星。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：升交点附近，是指：升交点正负1/2相位角之间的区域，且包括升交点正负1/2相位角所对应的区域，相位角是指同一轨道面内相邻第一通信卫星的相位角度。
16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：降交点附近，是指：降交点正负1/2相位角之间的区域，且包括降交点正负1/2相位角所对应的区域，相位角是指同一轨道面内相邻第一通信卫星的相位角度。
17.一种通信卫星系统，其特征在于包括：多个第一通信卫星，多个第一通信卫星运行在多条第一轨道内；
其中所述第一轨道内的多个第一通信卫星按照设定相位规律分布；
其中所述第一轨道与赤道平面相交于一升交点和一降交点；
每条第一轨道与赤道平面的升、降交点按照设定规律间隔分布，各条第一轨道除升、降交点以外的参数保持相同；
所述第一通信卫星与包括地球同步卫星在内的近赤道轨道第二通信卫星之间共享无线电频谱；
所述第二通信卫星在第二轨道内运行；
所述第二轨道是近赤道轨道并且高于第一轨道；
所述卫星系统中第一通信卫星的波束能够协同完成对某一地面区域或全球表面以及其对应的设定海拔高度内空间的连续覆盖，在南北极区形成二重及以上覆盖；
其中所述第一通信卫星在每运行轨道周期内运动至升交点附近、降交点附近以及北极地区附近、南极地区附近各实施一次波束常值偏置状态的转换，每次实施前后波束偏置方向相反，偏置程度相同；
其中所述波束偏置程度根据第一通信卫星和第二通信卫星共享频率对应的两个波束完成空间隔离而不互相干扰的最小角度要求以及第一通信卫星的波束大小、轨道高度、同一轨道面内相邻第一通信卫星的相位角度大小、近赤道轨道第二通信卫星的轨道倾角确定；与第一通信卫星所处具体纬度无关；波束偏置程度为固定常值；
其中所述波束偏置，对于升交点，临近赤道附近的第一通信卫星均偏向赤道方向；对于降交点，临近赤道附近的第一通信卫星均偏向赤道方向。
18.根据权利要求17所述系统，其特征在于：第一通信卫星在北极、南极附近实施波束偏置转换期间，当前第一通信卫星的波束关闭并停止服务，由当前第一轨道两侧相邻的另外两条第一轨道内的其他第一通信卫星的波束提供服务。
19.根据权利要求17所述系统，其特征在于：在北极或南极附近，相邻轨道的第一通信卫星分别选取进入或者离开二重覆盖区域某一位置时实施波束偏置转换以获取不同轨道相邻第一通信卫星之间最大转换处置时间间隔。
20.根据权利要求17所述系统，其特征在于：第一通信卫星在升交点附近实施波束偏置转换期间，当前第一通信卫星的波束关闭并停止服务，由升交点另外一侧位于相同第一轨道内相邻卫星的波束提供覆盖服务；
第一通信卫星在降交点附近实施波束偏置转换期间，当前第一位卫星的波束关闭并停止服务，由降交点另外一侧位于相同第一轨道内的相邻卫星提供波束覆盖服务。
21.根据权利要求17所述的系统，其特征在于：升交点、降交点附近第一通信卫星在波束关闭前与另外一侧反方向偏置的相邻第一通信卫星的波束形成对地面服务区域的二重覆盖。
22.根据权利要求17所述的系统，其特征在于：升交点、降交点附近同一时刻最多存在一颗第一通信卫星波束关闭并停止服务，其余相邻的第一通信卫星波束均开启。
23.根据权利要求17所述的系统，其特征在于：波束常值偏置的方式支持同一轨道面内相邻第一通信卫星之间的波束覆盖区域均匀重叠搭接，利用最少的波束覆盖余量实现波束连续覆盖。
24.根据权利要求17所述的系统，其特征在于：支持第一通信卫星整体关闭与开启波束策略。
25.根据权利要求17所述的系统，其特征在于：第一通信卫星的波束相对于地球转动的角速度大小与第一通信卫星相对于地球转动的角速度相同。
26.根据权利要求17所述的系统，其特征在于：第一通信卫星，包括：轨控推力器和反作用轮或控制力矩陀螺；
轨控推力器能够提供产生轨控所需的推力；
反作用轮与控制力矩陀螺能用于卫星姿态的控制，并为姿态变化提供力矩。
27.根据权利要求17所述的系统，其特征在于：第一通信卫星，还包括一个或多个无线电天线，来实现波束发射和接收。
28.根据权利要求17所述的系统，其特征在于：第一通信卫星发射对准地球表面的无线电信号，形成一个波束。
29.根据权利要求17所述的系统，其特征在于：波束偏置状态转换期间，当前波束关闭并停止服务，波束偏置转换结束后开启波束并提供服务。
30.根据权利要求17所述的系统，其特征在于：设定相位规律分布是指第一轨道内的第一通信卫星等间隔均匀分布。

说明书全文

基于波束常值偏置可共享无线电频谱的方法及低轨通信卫星

系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于波束常值偏置可共享无线电频谱的方法及低轨通信卫星系统(即波束常值偏置共享无线电频谱的方法及低轨通信卫星系统)，属于地球轨道通信卫星技术领域。

背景技术

[0002] 通信卫星已经是空间技术的重要应用之一，通信卫星从地球表面接收和发送无线电信号。随着卫星通信技术的进步和需求的爆发，无线电频谱已成为非常有价值的商品。某一范围的特定无线电频谱可以拍卖至几百亿美元的价格。

[0003] 地球同步卫星是一种典型的通信卫星，其在与地球赤道(“赤道平面”)相交的平面内围绕地球运行，距离地球约36000千米(大约是地球半径的六倍)，轨道周期恰好是一个恒星日。地球同步卫星以与地球围绕其轴线旋转的完全相同的角速度绕地球运行，地球同步卫星相对于地面的观察者来说是相对静止的。

[0004] 地球同步(通常缩写为“GEO”)卫星与地球表面之间的巨大距离可以实现广阔区域的覆盖，同时需要更高的发射信号功率，以及较大通信延迟，同时单颗星的容量有限并且成本也非常高昂。对于某些应用，例如互联网服务，靠近地球表面运行的卫星星座系统可能更适合。低轨卫星星座系统具有系统容量大、低延时优点，同时通过批生产可以降低单颗卫星成本。

[0005] 图1为近地轨道(通常缩写为“LEO”)的通信卫星系统，其在极地轨道运行；其波束不偏置情况下对地球形成了连续覆盖，但不能与GEO通信卫星共享无线电频谱。LEO轨道通常被认为是不超过地球表面约2000千米的卫星轨道。如图1所示，与地球的半径相比，所述卫星轨道高度是小的；在比例图中，它对应于大约1200千米。在图1中，1-110表示为地球；1-120表示为北极点；1-130表示为南极点；1-140表示为LEO卫星；1-150表示为LEO极地轨道；
1-160表示为赤道；1-170表示为卫星运动方向；1-180表示为未偏置的波束。

[0006] 图2为与图1所示的赤道附近相同LEO卫星和GEO卫星轨道，假设GEO卫星轨道平面与赤道平面完全重合。为了便于文字标注，图2并未严格按照比例画出LEO、GEO卫星轨道高度，仅给出示意关系。2-110表示为地球表面；2-120表示为LEO卫星轨道；2-130表示为GEO卫星轨道；2-210表示为LEO卫星；2-220表示为GEO卫星；2-310表示为未偏置的波束；2-320表示为偏置后的波束；2-410表示为地球半径RE；2-420表示为LEO卫星轨道高度HLEO；2-430表示为GEO轨道高度HGEO；2-510表示为波束半锥角 2-520表示为临界偏置角θ1；2-530表示为临界干扰规避角β；2-540表示为LEO卫星纬度幅角ω；2-610表示为未偏置的波束覆盖范围；2-620表示为偏置后的波束覆盖范围；2-710表示为LEO卫星的运动方向；2-810表示为GEO卫星轨道平面，其与赤道平面重合；2-820表示为LEO卫星轨道与赤道平面的升交点。

[0007] 在图2中，LEO卫星的波束未进行偏置前，波束2-610内C点至A的某一范围内地面位置所接收到的GEO卫星与LEO卫星间的波束隔离角均小于临界干扰规避角β，在该区域内LEO卫星与GEO卫星无法共享无线频谱。向赤道方向偏置θ1后，在波束范围内的整个弧段CD中的任意位置所接收到的GEO卫星与LEO卫星间的波束隔离角均大于等于临界干扰规避角β。LEO卫星偏置大于某一临界角度θ1后，整个波束覆盖区域内的任意位置均支持LEO卫星与GEO卫星可以共享无线频谱。临界偏置角度θ1与临界干扰规避角β、LEO卫星所处的纬度幅角ω、波束的半锥角以及LEO卫星的轨道高度HLEO等参数相关。在其他参数固定的情况下，LEO卫星运动过程中越接近GEO卫星，为了通过偏置波束来实现与GEO卫星共享无线频谱所需要的临界偏置角度θ1越大。

[0008] 由图2分析可知，在与GEO卫星共享无线频谱情况下，为了避免LEO卫星对弧段AC范围内的GEO卫星用户带来干扰，除了关闭LEO卫星对应的部分波束外，将LEO卫星波束偏置一定角度是缓解与GEO卫星之间相互干扰的有效方法。

[0009] 图3为升交点两侧相邻LEO卫星在对称波束偏置情况下形成二重覆盖的最低偏置角度要求示意图，其中两个LEO卫星所在的纬度幅角刚好等于相邻两颗LEO卫星的相位角的一半，即±1/2γ。为了便于文字标注，图3并未严格按照比例画出LEO、GEO卫星轨道高度，仅给出示意关系。在图3中，3-110表示为地球表面；3-120表示为LEO卫星轨道；3-130表示为GEO卫星轨道；3-210-1表示为LEO卫星k；3-210-2表示为LEO卫星k-1；3-220表示为GEO卫星；3-310-1表示为LEO卫星k偏置的波束，3-310-2表示为LEO卫星k-1偏置的波束；3-410表示为相邻两颗LEO卫星的相位角γ；3-420表示为了使升交点两侧相邻LEO波束形成二重覆盖的临界偏置角度θ2；3-510表示升交点两侧相邻LEO的波束形成二重覆盖区域；3-610表示GEO卫星轨道平面，假设其与赤道平面重合；3-620表示为LEO卫星的运动方向；3-630表示为LEO卫星轨道与赤道平面相交的升交点；3-640表示为波束中心线。

[0010] 在图3中，在升交点附近，LEO卫星k、LEO卫星k-1分别向赤道方向偏置θ2后，其各自波束的前、后沿覆盖区域完全重合，其中LEO卫星k的纬度幅角为1/2γ，LEO卫星k-1的纬度幅角为-1/2γ，γ为相邻两颗LEO卫星的相位角。在形成二重覆盖的情况下，才可以保证在其中的一个LEO卫星波束整体关闭情况下，其余相邻LEO卫星形成的覆盖区域仍为连续。

[0011] 图4为专利“使干扰减少的通信卫星系统CN107210805A”给出的一种低轨道通信卫星系统与地球同步卫星共享无线电频谱的方案，其中LEO极地轨道与赤道平面相交于一升交点和一降交点。在图4中，4-110表示为地球；4-120表示为北极点；4-130表示为南极点；4-140表示为LEO卫星；4-150表示为LEO卫星极地轨道；4-160表示为赤道，其中赤道上空附近运行着一系列GEO卫星；4-170表示为运动方向；4-180表示为根据接近赤道的程度渐进向赤道偏置的波束；4-210表示升交点附近整体关闭波束的LEO卫星；4-220表示降交点附近整体关闭波束的LEO卫星。当低轨卫星沿其轨道行进时，LEO卫星波束逐渐偏置。作为逐渐偏置波束的结果，当LEO卫星接近赤道平面，其传输波束越来越朝向赤道平面瞄准。在所有卫星位置，LEO卫星的无线电信号和GEO无线电信号之间保持良好的角间距。在该轨道上沿着轨道均匀间隔地前进的LEO卫星向位于轨道下方的地球表面区域提供不间断的覆盖。被关闭的LEO卫星是最接近赤道平面的卫星。当LEO卫星穿过赤道平面时，被关闭的LEO卫星也会同时完成波束向另外一侧偏置方向的转换。当再开启的LEO卫星沿轨道行进时，它们恢复逐渐向前的倾斜，所述倾斜逐渐地将其覆盖区域提前于轨道。在沿轨道行进一半后，当它们再次到达另外一侧的赤道平面时，重复这个过程。

[0012] 图4中所示的核心思想为：同轨道内的每颗卫星必须按照一个统一规律先后地在接近赤道的过程中实施绕俯仰轴(垂直于轨道平面)的渐进波束偏置，离开赤道后逐渐恢复正常对地波束覆盖状态；通过预留一定的覆盖区域重叠搭接余量来保证每条轨道内各个卫星在渐进偏置过程中对地面保持整体连续覆盖，在此基础上保证整个星座对地连续覆盖。

[0013] 对于采取渐进波束偏置策略的LEO卫星，其单星波束整体覆盖区域一般会预留较大的余量用于相邻卫星覆盖区域重叠搭接设计。图5-1给出了基于渐进波束偏置策略的LEO卫星在不同纬度下的典型俯仰角变化曲线，方案1采取了常值俯仰角速度的方法，方案2采取了变俯仰角速度方法。图5-2给出了采用图5-1中的方案1、2所得到的同轨道内相邻LEO卫星的覆盖区域重叠搭接宽度的规律。一般情况下，基于波束渐进偏置策略获得最小重叠覆盖区域宽度仅为波束不偏置情况下相邻LEO卫星重叠覆盖区域宽度的40％-60％。

[0014] 对于LEO卫星系统的设计来说，等强度的最小覆盖区域重叠搭接设计才是最优的。渐进波束偏置设计必然要求同轨道内的相邻卫星预留出较大的波束覆盖余量。并且该方法需要在动态波束偏置过程中保持相对较高的控制精度，对LEO卫星的波束偏置装置要求也非常高。上述问题是基于渐进偏置方案的专利“使干扰减少的通信卫星系统CN107210805A”内在的不足之处。

[0015] 此外，在采用通过姿态偏置实现波束渐进偏置情况下，仅能在非渐进偏置期间实施轨道面切向方向的轨道修正，对实施轨道修正的弧段范围有一定限制条件。

发明内容

[0016] 本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供了一种基于波束常值偏置可共享无线电频谱的方法及低轨通信卫星系统。相对于专利“使干扰减少的通信卫星系统CN107210805A”中的波束渐进偏置策略，本发明提出的波束常值偏置策略可以实现相邻低轨通信卫星之间等强度的最小覆盖区域重叠搭接设计，同时不再需要高精度的渐进波束偏置控制装置。基于波束常值偏置策略可共享无线电频谱的低轨通信卫星系统在卫星的设计、制造及运营成本方面存在显著优势。

[0017] 本发明解决的技术方案为：一种低轨道运行的第一通信卫星与近赤道轨道运行的第二通信卫星之间共享无线电频谱的方法(即为基于波束常值偏置可共享无线电频谱的方法)，(低轨优选为不超过地球表面约2000千米的卫星轨道；本发明并不严格对LEO卫星(即低轨卫星)的轨道高度做限制，一般来说只要低于共享无线电频谱的近赤道轨道运行的高轨通信卫星轨道高度，支持构成满足设定需求的LEO卫星系统的轨道即可)，其特征在于：第一通信卫星所在的第一轨道低于第二通信卫星所在的第二轨道，第一轨道与赤道平面相交于一升交点和一降交点，第二轨道为近赤道轨道，所述方法包括：

[0018] (i)由第一通信卫星发射对准地球表面的无线电信号，形成一个波束；

[0019] (ii)第一通信卫星在升交点、降交点以及北极地区、南极地区附近完成发射波束常值偏置状态的转换；

[0020] 波束偏置程度(即常值偏置大小)根据第一通信卫星和第二通信卫星共享频率对应的两个波束完成空间隔离而不互相干扰的最小角度(即最小隔离角)要求以及第一通信卫星的波束大小、轨道高度、同一轨道面内相邻第一通信卫星的相位角度大小、近赤道轨道第二通信卫星的轨道倾角确定；与第一通信卫星所处具体纬度无关；波束偏置程度为固定常值；

[0021] 波束偏置，对于升交点，临近赤道附近的第一通信卫星均偏向赤道方向；对于降交点，临近赤道附近的第一通信卫星均偏向赤道方向；

[0022] 波束常值偏置状态的转换，在每运行轨道周期内第一通信卫星运动至升交点附近、降交点附近以及北极地区附近、南极地区附近各实施一次，共四次；每次实施前后波束偏置方向相反，偏置程度相同；

[0023] 波束偏置状态转换期间，当前波束(即发生波束偏置状态转换的卫星的波束)关闭并停止服务(即波束功率降低，不会发生对第二通信卫星的干扰)。

[0024] 优选的，通过偏置整个第一通信卫星姿态来实现所述波束偏置。

[0025] 优选的，实施卫星姿态偏置的装置包括反作用轮(即动量轮)或控制力矩陀螺。

[0026] 优选的，采用绕第一通信卫星俯仰轴，进行姿态偏置实现。

[0027] 优选的，通过偏置第一通信卫星俯仰轴姿态来实现常值波束偏置时，采用轨控推力器沿俯仰轴反方向预先偏置的布局方式，在进行俯仰偏置时仍可获得过质心且产生沿轨道切向的推力，此轨控推力器布局方式支持在常值姿态偏置期间进行轨道切向方向的轨道修正。

[0028] 优选的，常值姿态偏置，是指：通过常值偏置整个第一通信卫星姿态来实现所述常值波束偏置。

[0029] 优选的，采用波束在俯仰轴方向实施预先偏置，然后绕偏航轴旋转180°的方法实现波束偏置方向转换。

[0030] 优选的，波束在俯仰轴方向实施预先偏置时，因为偏置状态相对固定，支持针对波束在球面的投影进行关于地球曲率的优化。

[0031] 优选的，其中通过转动第一通信卫星的一个或多个无线电天线来实现所述波束偏置。

[0032] 优选的，其中所述波束偏置采用电子控制方式完成。

[0033] 优选的，控制方式，采用相控阵天线技术进行波束偏置。

[0034] 优选的，北极地区附近，是指：低轨通信卫星系统在北极地区形成的二重及以上覆盖区域。

[0035] 优选的，南极地区附近，是指：低轨通信卫星系统在南极地区形成的二重及以上覆盖区域。

[0036] 优选的，临近赤道附近的第一通信卫星，是指：对于升交点，在南极附近完成波束偏置状态反转后，还未实施北极附近波束偏置状态反转的第一通信卫星；对于降交点，在北极附近完成波束偏置状态反转后，还未实施南极附近波束偏置状态反转的第一通信卫星。

[0037] 优选的，升交点附近，是指：升交点正负1/2相位角之间的区域，且包括升交点正负1/2相位角所对应的区域，相位角是指同一轨道面内相邻第一通信卫星的相位角度。

[0038] 优选的，降交点附近，是指：降交点正负1/2相位角之间的区域，且包括降交点正负1/2相位角所对应的区域，相位角是指同一轨道面内相邻第一通信卫星的相位角度。

[0039] 一种通信卫星系统，包括：多个第一通信卫星，多个第一通信卫星运行在多条第一轨道内；

[0040] 所述第一轨道内的多个第一通信卫星按照设定相位规律分布；

[0041] 所述第一轨道与赤道平面相交于一升交点和一降交点；

[0042] 每条第一轨道与赤道平面的升、降交点按照设定规律间隔分布，各条第一轨道除升、降交点以外的参数保持相同；

[0043] 所述第一通信卫星与包括地球同步卫星在内的近赤道轨道第二通信卫星之间共享无线电频谱；

[0044] 所述第二通信卫星在第二轨道内运行；

[0045] 所述第二轨道是近赤道轨道并且高于第一轨道；

[0046] 所述卫星系统中第一通信卫星的波束能够协同完成对某一地面区域或全球表面以及其(即某一地面区域或全球表面)对应的设定海拔高度内空间的连续覆盖，在南北极区形成二重及以上覆盖；

[0047] 所述第一通信卫星在每运行轨道周期内运动至升交点附近、降交点附近以及北极地区附近、南极地区附近各实施一次波束常值偏置状态的转换，每次实施前后波束偏置方向相反，偏置程度相同；

[0048] 所述波束偏置程度根据第一通信卫星和第二通信卫星共享频率对应的两个波束完成空间隔离而不互相干扰的最小角度要求以及第一通信卫星的波束大小、轨道高度、同一轨道面内相邻第一通信卫星的相位角度大小确定；同时与近赤道轨道第二通信卫星的轨道倾角有关；与第一通信卫星所处具体纬度无关；波束偏置程度为固定常值；

[0049] 所述波束偏置，对于升交点，临近赤道附近的第一通信卫星均偏向赤道方向；对于降交点，临近赤道附近的第一通信卫星均偏向赤道方向。

[0050] 优选的，第一通信卫星在北极、南极附近实施波束偏置转换期间，当前第一通信卫星的波束关闭并停止服务，由当前第一轨道两侧相邻的另外两条第一轨道内的其他第一通信卫星的波束提供服务。

[0051] 优选的，在北极或南极附近，相邻轨道的第一通信卫星分别选取进入或者离开二重覆盖区域某一位置时实施波束偏置转换以获取不同轨道相邻第一通信卫星之间最大转换处置时间间隔。

[0052] 优选的，第一通信卫星在升交点附近实施波束偏置转换期间，当前第一通信卫星的波束关闭并停止服务，由升交点另外一侧位于相同第一轨道内相邻卫星的波束提供覆盖服务；

[0053] 第一通信卫星在降交点附近实施波束偏置转换期间，当前第一位卫星的波束关闭并停止服务，由降交点另外一侧位于相同第一轨道内的相邻卫星提供波束覆盖服务。

[0054] 优选的，升交点、降交点附近第一通信卫星在波束关闭前与另外一侧反方向偏置的相邻第一通信卫星的波束形成对地面服务区域的二重覆盖。

[0055] 优选的，升交点、降交点附近同一时刻最多存在一颗第一通信卫星波束关闭并停止服务，其余相邻的第一通信卫星波束均开启。

[0056] 优选的，波束常值偏置的方式支持同一轨道面内相邻第一通信卫星之间的波束覆盖区域均匀重叠搭接，利用最少的波束覆盖余量实现波束连续覆盖。

[0057] 优选的，支持第一通信卫星整体关闭与开启波束策略。

[0058] 优选的，第一通信卫星的波束相对于地球转动的角速度大小与第一通信卫星相对于地球转动的角速度相同。

[0059] 优选的，第一通信卫星，包括：轨控推力器和反作用轮(即动量轮)或控制力矩陀螺；

[0060] 轨控推力器能够提供产生轨控所需的推力；

[0061] 反作用轮与控制力矩陀螺能用于卫星姿态的控制，并为姿态变化提供力矩。

[0062] 优选的，第一通信卫星，还包括一个或多个无线电天线，来实现波束发射和接收。

[0063] 优选的，第一通信卫星发射对准地球表面的无线电信号，形成一个波束。

[0064] 优选的，波束偏置状态转换期间，当前波束关闭并停止服务，波束偏置转换结束后开启波束并提供服务。

[0065] 优选的，设定相位规律分布是指第一轨道内的第一通信卫星等间隔均匀分布。

[0066] 本发明与现有技术相比的优点在于：

[0067] (1)本发明提出的波束常值偏置策略在LEO卫星沿轨道前进时保持固定波束偏置状态，天然地支持最优的相邻LEO卫星间覆盖区域均匀重叠搭接设计，可以显著降低单颗卫星的覆盖搭接余量要求；仅需要在升交点、降交点以及北极地区、南极地区附近各实施一次波束常值偏置转换；对波束偏置转换动态过程的控制精度不做约束，对波束偏置装置的控制精度要求低；波束偏置转换期间可以采用整体波束关闭策略；波束相对于地球转动的角速度与LEO卫星相对于地球转动的角速度相同。

[0068] (2)通过偏置LEO卫星俯仰轴姿态来实现常值波束偏置时，可以采用轨控推力器沿俯仰轴反方向预先偏置的布局方式，在进行俯仰偏置时仍可获得过质心且产生沿轨道切向的推力，这种轨控推力器布局方式支持在常值姿态偏置期间进行轨道切向方向的轨道修正。如果是采用渐进偏置俯仰姿态实现波束渐进偏置的话，在绕俯仰轴姿态渐进偏置期间LEO卫星无法实施轨道切向方向的轨道修正，LEO轨道修正点火弧段受到一定限制。

[0069] (2)支持采用波束在俯仰轴方向实施预先偏置，然后绕偏航轴旋转180°的方法实现波束偏置方向转换方式。这种情况下，可以针对波束在球面的投影进行地球曲率优化；同时轨控推力器可以采取正常布局方式，LEO轨道修正点火弧段不会受到限制。

[0070] (3)采用电子控制方式完成波束偏置状态切换时，因为只存在两个波束偏置状态，可以降低波束偏置切换难度与成本。附图说明

[0071] 图1为现在技术的LEO卫星系统示意图，其波束不偏置情况下对地球形成了连续覆盖，但不能与GEO通信卫星共享无线电频谱。

[0072] 图2为现在技术的为了实现与GEO通信卫星共享无线电频谱，LEO卫星波束在不同纬度下对应的最低偏置角度要求示意图。

[0073] 图3为现在技术的升交点两侧相邻LEO卫星在对称波束偏置情况下形成二重覆盖的最低偏置角度要求示意图。

[0074] 图4为现在技术的基于渐进波束偏置策略可以与近赤道卫星通信卫星共享无线电频谱LEO卫星系统示意图。

[0075] 图5-1为现在技术的渐进波束偏置过程中LEO卫星在不同纬度幅角下的典型俯仰角变化曲线示意图。

[0076] 图5-2为现在技术的渐进波束偏置过程中典型连续覆盖带余量随纬度幅角变化曲线示意图。

[0077] 图6为基于波束常值偏置策略的可与GEO卫星共享无线电频谱的LEO通信卫星系统，选取了升交点、降交点两侧均有毗邻LEO卫星时刻场景。

[0078] 图7为基于波束常值偏置策略的可与GEO卫星共享无线电频谱的LEO通信卫星系统，选取了单条轨道内的LEO卫星正经过升交点、降交点位置时的场景。

[0079] 图8为基于波束常值偏置策略的可与GEO卫星共享无线电频谱的LEO通信卫星系统，选取了多条相邻轨道内的LEO卫星在进入北极二重覆盖区域、离开北极二重覆盖区域时刻进行偏置状态转换的场景。

[0080] 图9为通过偏置LEO卫星俯仰轴姿态来实现常值波束偏置时的轨控推力器布局方案示意图。

[0081] 图10为采用绕偏航轴(指向地球球心)旋转180°的方法实现波束偏置方向转换方案示意图。

具体实施方式

[0082] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

[0083] 本发明一种基于波束常值偏置可与包括地球同步卫星在内的近赤道轨道运行的高轨通信卫星之间共享无线电频谱的方法及低轨通信卫星系统，方法包括：低轨通信卫星在南北极区、赤道附近完成发射波束常值偏置状态的转换，每次实施前后波束偏置方向相反，波束偏置程度为固定的常值；对于临近赤道附近的低轨通信卫星均偏向赤道方向；在北极、南极附近实施波束偏置转换期间，由当前轨道两侧相邻的另外两条轨道内其他低轨通信卫星的波束提供服务。在升交点、降交点附近实施波束偏置转换期间，由位于相同轨道内升交点或降交点另外一侧的相邻低轨通信卫星提供波束覆盖服务。

[0084] 本发明所适用的低轨卫星通信系统包含多个LEO卫星，这些LEO卫星在相对于赤道平面有较大倾角的多个轨道上绕地球行进。在每个轨道中，多个LEO卫星以相等的相位间隔行进；每条轨道与赤道平面的升、降交点按照设定规律间隔分布；对于各条第一轨道，除升、降交点以外的轨道参数均保持相同。低轨卫星通信系统向轨道下方的地球表面上及其一定海拔高度内空间提供无间隙的良好覆盖。对于致力于全球覆盖的低轨卫星系统来说，采用大倾角近极地轨道是必然的。这是为了使低轨卫星通信系统完成对北极、南极地区覆盖而采用的一种通用做法，同时这也会必然导致北极、南极区域产生二重及以上覆盖效果。

[0085] 本发明使得低轨卫星通信系统能够与包括地球同步卫星在内的近赤道高轨通信卫星之间共享无线电频谱，从而可以节省极为昂贵的无线电频谱资源。相对于渐进波束偏置策略，常值波束偏置策略可以使低轨卫星系统的LEO卫星波束覆盖范围可以按照最小覆盖区域重叠搭接设计进行选取。此外，相对于渐进波束偏置策略，常值波束偏置策略可以降低波束偏置控制装置的精度要求。这些特性使得基于波束常值偏置策略可共享无线电频谱的低轨通信卫星系统在卫星的设计、制造及运营成本方面存在显著优势。

[0086] 根据本发明的实施例的LEO卫星沿着圆形极地轨道，其中LEO卫星极地轨道与赤道平面相交于一升交点和一降交点。对于升交点，临近赤道附近的第一通信卫星均偏向赤道方向；对于降交点，临近赤道附近的第一通信卫星均偏向赤道方向。LEO卫星在升交点附近、降交点附近以及北极地区附近、南极地区附近各实施一次波束常值偏置转换，每次实施前后波束偏置大小相同，方向相反。

[0087] LEO卫星保持常值波束偏置状态如图6-10所示。除了正在穿越赤道的LEO卫星需要关闭波束来规避与GEO卫星之间的无线电频谱相互干扰外，其余位置LEO卫星的无线电信号和GEO卫星无线电信号之间因为进行了足够的波束偏置而保持良好的角间距间隔，没有必要关闭其余的LEO卫星任意波束的传输。

[0088] 如果仅考虑单个轨道，近赤道两侧波束对称常值偏置策略必然会在北极、南极附近区域因波束偏置方向相反导致覆盖区域的裂缝。但是，对于致力于全球覆盖的低轨卫星系统来说，在与赤道保持较大倾角的多条相邻轨道上运行的低轨卫星系统必然会在北极、南极区域产生二重及以上覆盖效果。可以充分利用这一特性来解决基于近赤道两侧波束对称常值偏置策略导致单一轨道的北极、南极附近的覆盖区域裂缝问题。

[0089] 在进入北极或南极二重覆盖区域后才开始实施波束偏置转换的情况下，使奇数、偶数不同轨道上的LEO卫星分别选取进入或者离开二重覆盖区域某一位置时实施波束偏置转换，可以获取不同轨道相邻LEO卫星之间最大转换处置时间间隔。这样可以最大程度地保证当前轨道的LEO卫星实施波束偏转时，当前轨道两侧相邻的另外两条轨道内的其他LEO卫星的波束不实施波束偏置转换并提供连续波束覆盖服务，从而保证任意时刻LEO卫星系统在北极、南极区域的覆盖连续性。例如，奇数轨道内的LEO卫星在进入极区的完整二重覆盖区域后进行波束偏置转换，偶数轨道内的LEO卫星在离开极区的完整二重覆盖区域前进行波束偏置转换。

[0090] 当LEO卫星在升交点或降交点附近实施波束偏置转换期间，当前LEO卫星的波束关闭并停止服务，由位于相同轨道内升交点或降交点另外一侧相邻LEO卫星提供波束覆盖服务。在升交点、降交点附近，同一时刻最多仅一颗卫星波束关闭，其余相邻的卫星波束均开启。在波束关闭前与另外一侧反方向偏置的相邻卫星的波束形成对地面服务区域的二重覆盖。

[0091] 对于升交点或降交点附近的波束偏置转换过程，要求在一个相邻LEO卫星相位间隔周期内完成波束关闭、波束偏置转换、波束开启等工作。这是确保当前LEO卫星关闭并停止服务时，其前方相邻的LEO卫星的波束已经开启并提供服务，从而可以严格保证升交点或降交点附近低轨卫星系统的波束覆盖连续性。

[0092] 对于北极地区、南极地区附近的波束偏置转换，理论上并不严格限制在一个相邻LEO卫星相位间隔周期内完成波束关闭、波束偏置转换、波束开启等工作，但是所用时间越长，该过程中单条轨道内产生的覆盖区域裂缝越大，对于不同轨道间LEO卫星协同实施波束偏置转换的具体位置与时机要求越苛刻。

[0093] 结合LEO卫星硬件配置的能力，一般可以选取一个统一的波束偏置转换周期。在图6-10中，将波束关闭、波束偏置转换、波束开启的周期统一取为升交点、降交点处的要求最低要求，即一个相邻LEO卫星相位间隔周期。

[0094] 如果是采用通过偏置俯仰轴姿态实现常值波束偏置的话，可以采用轨控推力器沿着俯仰轴反方向预先偏置的布局方式。采取该方法后，在进行俯仰偏置时仍可获得过质心且沿轨道切向方向的推力，支持在赤道两侧常值姿态偏置期间进行轨道切向方向的轨道修正，点火受限弧段范围更小。

[0095] 如果是采用绕偏航轴(指向地球球心)旋转180°的方法实现波束偏置转换的话，可以采用波束在俯仰轴方向实施预先偏置方案。这种情况下，可以针对波束在球面的投影进行关于地球曲率的优化。同时轨控推力器可以采取正常布局方式，LEO轨道修正点火弧段不会受到限制。

[0096] 如果是采用电子控制方式完成波束偏置状态切换时，因为只存在两个波束偏置状态，可以降低波束偏置切换难度与成本。

[0097] 图6为基于波束常值偏置策略的可与GEO卫星共享无线电频谱的LEO通信卫星系统，选取了升交点、降交点两侧均有毗邻LEO卫星时刻场景。在图6中，6-110表示为地球；6-120表示为北极点；6-130表示为南极点；6-140表示为LEO卫星；6-150表示为LEO极地轨道；
6-160表示为赤道；6-170表示为运动方向；6-180表示为常值偏置的波束；6-210表示为升交点附近两侧卫星波束，基于常值波束偏置方案，其偏置方向相反，均指向赤道；6-220表示为降交点附近两侧卫星波束，基于常值波束偏置方案，其偏置方向相反，均指向赤道；6-230表示为进入北极时波束常值偏置转换导致的覆盖区域最大潜在裂缝范围大小(假设在一个相位间隔时间内完成波束偏置转换并再次开启波束)；6-240表示为进入南极时波束常值偏置转换导致的覆盖区域最大潜在裂缝范围大小(假设在一个相位间隔时间内完成波束偏置转换并再次开启波束)；6-310-1表示为升交点附近、下一时刻即将关闭波束的LEO卫星，当前LEO卫星所处纬度幅角为-1/2γ，其中γ为相邻两颗LEO卫星的相位角；6-310-2表示为降交点附近、下一时刻即将关闭波束的LEO卫星，当前LEO卫星所处纬度幅角为-1/2γ+180°；6-
310-3表示为北极附近等待关闭波束进行偏置转换的LEO卫星(待该波束整体进入相邻轨道其他卫星提供的北极二重覆盖区域并留出适当余量后关闭)；6-310-4表示为南极附近等待关闭波束进行偏置转换的LEO卫星(待该波束整体进入相邻轨道其他卫星提供的南极二重覆盖区域并留出适当余量后关闭)。

[0098] 升交点、降交点两侧卫星的偏置角度需要同时满足两个条件，一方面需要大于临界偏置角θ1，使任意位置所接收到的GEO卫星与LEO卫星间的波束隔离角均大于等于临界干扰规避角β；另一方面还需要大于升交点或降交点两侧相邻LEO卫星相互对称偏置形成二重覆盖所对应的临界偏置角度θ2。最终的偏置角度取两者中的最大值max(θ1，θ2)。其中，临界偏置角θ1、θ2的具体定义情况见图2、图3。

[0099] 对于轨道倾角为0°的GEO卫星(轨道平面与赤道平面重合)，为了使处于纬度幅角为ω(本发明取为同一轨道内相邻LEO卫星相位角γ的一半，具体定义见图3)且波束半锥角为的LEO卫星与GEO卫星的最小波束隔离角大于临界干扰规避角β时，所对应的临界偏置角θ1计算方法如下：

[0100]

[0101]

[0102] 其中，地球半径RE、LEO卫星轨道高度HLEO、GEO轨道高度HGEO、波束半锥角临界偏置角θ1、临界干扰规避角β、LEO卫星纬度幅角ω的定义见图2；ω大小等于1/2γ，γ为相邻两颗LEO卫星的相位角，具体定义见图3；α、η为角度变量。该公式为采用了一定工程简化的解析方法，因为GEO卫星相对于LEO轨道足够高，该简化计算结果精度足够工程上使用；也可以用数值迭代的方法进行求解。

[0103] 如果需要与具有小倾角△i(△i不能大于1/2γ，γ为相邻两颗LEO卫星的相位角)的近赤道GEO卫星共享无线电频谱，则需要偏置相对更大的倾角来实现无线电频率干扰规避。这种情况下等价于在纬度幅角ω为1/2γ-△i位置处通过偏置临界偏置角θ1来实现与轨道倾角为0的GEO卫星共享无线电频谱所对应的临界干扰规避角β。

[0104] 对于临界偏置角度θ2的具体数值，在给定几何参数下可以用数值迭代方法求解，具体定义情况见图3。

[0105] 需要指出的是，上述计算均是获取LEO卫星在纬度幅角等于±1/2γ时所必须的最小临界偏置角；如果需要与多颗位于不同位置、具有不同倾角的GEO卫星同时共享无线电频率，只要在这一系列最小偏置角中选取最大值即可。

[0106] 图6中给出的快照为升交点、降交点处两侧相邻LEO卫星所在的纬度正好等于相邻LEO卫星相位角的一半场景，升交点、降交点各自两侧的LEO卫星波束均开启，在节点附近形成良好的二重覆盖。下一时刻，对于升交点后方的紧邻LEO卫星6-310-1即将关闭，降交点后方的紧邻LEO卫星6-310-2即将关闭。

[0107] 图6同时也给出了在北极附近由于需要进行波束偏置转换产生覆盖裂缝的过程。LEO卫星6-310-3与其前方相邻卫星的波束偏置方向相反，当前时刻该LEO卫星波束为开启状态。当该LEO卫星波束继续向前运动至可以由相邻轨道LEO卫星提供二重覆盖区域并留出适当余量后关闭波束，并进行波束偏置状态转换，将波束方向调整至另一侧，波束偏置大小不变。假设LEO卫星6-310-3在一个相邻LEO卫星相位间隔时间内完成波束偏置转换并再次开启波束，则当前轨道内的LEO卫星产生的最大潜在裂缝范围大小如6-230所示。南极附近LEO卫星6-310-4波束偏置转换过程与之类似。

[0108] 图7为在图6基础上LEO卫星向前运动半个相邻卫星相位角的波束覆盖情况，即当前轨道内的LEO卫星正经过升交点、降交点时刻的场景。在图7中，7-110表示为地球；7-120表示为北极点；7-130表示为南极点；7-140表示为LEO卫星；7-150表示为LEO极地轨道；7-160表示赤道；7-170表示为LEO运动方向；7-230表示为进入北极时波束常值偏置转换导致的覆盖区域最大裂缝范围；7-240表示为进入南极时波束常值偏置转换导致的覆盖区域最大裂缝范围；7-310-1表示为升交点处整体关闭波束的LEO卫星(当进入接近赤道南纬附近某一位置后开始整体关闭波束，对应的纬度幅角为-1/2γ，γ为相邻两颗LEO卫星的相位角；关闭期间实施波束偏置转换)；7-310-2表示为降交点处整体关闭波束的LEO卫星(当进入接近赤道北纬附近某一位置后开始整体关闭波束，对应的纬度幅角为-1/2γ+180°，γ为相邻两颗LEO卫星的相位角；关闭期间实施波束偏置转换)；7-310-3表示为北极附近已经整体关闭波束的LEO卫星(关闭期间实施波束偏置转换)；7-310-4表示为南极附近已经整体关闭波束的LEO卫星(关闭期间实施波束偏置转换)。

[0109] 图6、图7给出了单个轨道内的一系列LEO卫星的波束偏置情况以及波束偏置转换时刻以及与之对应的整体波束关闭时刻。将LEO卫星的波束偏置角度大小取为临界偏置角θ1、θ2中的较大值，一方面保证了LEO卫星在赤道附近的连续覆盖性，一方面保证了赤道附近任意位置处接收到的GEO卫星与LEO卫星间的波束隔离角均大于等于临界干扰规避角β。

[0110] 图8为多条相邻轨道内的LEO卫星在进入北极二重覆盖区域、离开北极二重覆盖区域时刻进行偏置状态转换的场景，其中轨道i内的LEO卫星在进入北极附近实施波束偏置转换导致的覆盖区域最大裂缝可以由相邻轨道i-1、i+1内其他LEO卫星波束进行覆盖。在图8中，8-110表示为第i轨道；8-120表示为第i-1轨道；8-130表示为第i+1轨道；8-210表示为第i轨道内LEO卫星进入北极实施波束偏置转换时产生的最大潜在覆盖区域裂缝范围大小，由轨道i内反向偏置波束导致的裂缝以及待关闭的波束构成，在进入北极二重覆盖区域后可以由相邻轨道i+1、i-1内的LEO卫星提供连续覆盖服务；8-220表示为第i-1轨道内LEO卫星离开北极实施波束偏置转换时产生的最大潜在覆盖区域裂缝范围大小，由轨道i-1内反向偏置波束导致的裂缝范围以及待关闭的波束范围构成；8-230表示为第i+1轨道内LEO卫星离开北极实施波束偏置转换时产生的最大潜在覆盖区域裂缝范围大小，由轨道i+1内反向偏置波束导致的裂缝范围以及待关闭的波束范围构成；8-310表示为第i轨道内待关闭的LEO卫星波束，当该波束整体进入由相邻轨道其他LEO卫星提供的北极二重覆盖区域并留出适当余量后关闭并开始实施波束偏置转换；8-320表示为轨道i-1中即将关闭的LEO卫星波束；8-330表示为轨道i+1中即将关闭的LEO卫星波束；8-410表示为北极二重覆盖区域对应的LEO卫星星下点临界纬度。对于波束8-320、8-330，波束关闭后开始实施波束偏置转换，其最晚的实施时刻要求为完成当前波束偏置转换并开启波束后其同轨道前方相邻LEO卫星的波束后沿仍在北极二重覆盖区域之内并留出适当余量。在该过程中，相邻奇数、偶数轨道的LEO卫星分别选取进入或者离开二重覆盖区域某一位置时施波束偏置转换以获取最大转换处置时间。采取这种方法可以最大程度地保证轨道i内的LEO卫星在进入北极二重覆盖区域实施波束偏置转换停止波束服务时，其相邻轨道i-1、i+1内的LEO卫星能够提供波束服务。在南极附近的波束偏置转换是类似的，采取同样的方法即可。

[0111] 图9为通过偏置LEO卫星俯仰轴姿态来实现常值波束偏置时的轨控推力器方案示意图。在图9中，9-110表示为地球；9-120表示为北极点；9-130表示为南极点；9-140表示为LEO卫星；9-150表示为轨控推力器；9-160表示为赤道；9-170表示为卫星运动方向；9-180-1表示在升交点附近采用绕俯仰轴+Y方向旋转进行波束偏置转换；9-180-2表示在北极附近采用绕俯仰轴-Y方向旋转进行波束偏置转换；9-180-3表示在降交点附近采用绕俯仰轴+Y方向旋转进行波束偏置转换；9-180-4表示在南极附近采用绕俯仰轴-Y方向旋转进行波束偏置转换。图9采用了轨控推力器沿着俯仰轴反向预先偏置的布局方式，在沿着俯仰轴偏置情况下仍可获得过质心且产生沿轨道切向方向的推力，支持在常值姿态偏置期间进行轨道切向方向的轨道修正。T1、T2、T3、T4给出了轨控推力器可以布局的位置示意。

[0112] 图10为采用绕偏航轴(指向地球球心)旋转180°的方法实现波束偏置方向转换方案示意图，采用了波束预先偏置布局的方法，支持在常值波束偏置期间进行轨道切向方向的轨道修正。在图10中，10-110表示为地球；10-120表示为北极点；10-130表示为南极点；10-140表示为LEO卫星；10-150表示为轨控推力器；10-160表示为赤道；10-170表示为卫星运动方向；10-180-1表示为升交点附近绕偏航轴旋转180°进行波束偏置转换；10-180-2表示为北极附近绕偏航轴旋转180°进行波束偏置转换；10-180-3表示为降交点附近绕偏航轴旋转180°进行波束偏置转换；10-180-4表示为南极附近绕偏航轴旋转180°进行波束偏置转换。轨控推力器布局可以采用正常布局方式，T1、T2给出了轨控推力器可以布局的位置示意。这种情况下，因为偏置状态相对固定，支持针对波束在球面的投影进行关于地球曲率的优化。

[0113] 由图6-10的介绍可知，波束在提供服务期间均为常值波束偏置状态，波束相对于地球转动的角速度与LEO卫星相对于地球转动的角速度相同。

[0114] 本发明的实施例中已经针对LEO卫星的极地轨道和GEO卫星的赤道轨道进行了说明，但是在阅读本公开的内容之后，本领域技术人员将清楚如何制作和使用本发明的实施例，例如其他大倾角LEO卫星系统与具有一定轨道倾角的近赤道轨道高轨卫星之间实现无线电频谱共享。一般来说，-轨道高轨卫星的倾角△i需要小于1/2γ，γ为相邻两颗LEO卫星的相位角，且高轨卫星轨道高度高于低轨卫星的轨道。

[0115] 为了便于直观地反映常值偏置策略的成本优势，下面以具体一低轨卫星系统为例做详细说明。

[0116] 假设LEO卫星系统基本参数如下：轨道高度1200km，轨道倾角87.9°，一共18条轨道，每轨道内等间隔分布LEO卫星，每轨道内的LEO卫星数量为50个，在波束不偏置情况下每颗LEO卫星的波束覆盖区域的半宽角为南北±22°、东西±26.5°(整个覆盖区域为南北方向986km、东西方向1228km)，不偏置时相邻LEO卫星覆盖区域南北方向交叠163km。当LEO卫星星下点进入南、北纬度63°时，LEO卫星系统能够对北极、南极形成二重及以上覆盖效果。

[0117] 基于渐进波束偏置策略，LEO卫星为了与某一轨道倾角为0°的GEO卫星共享无线电频谱，取临界干扰规避角β＝7°；选取渐进偏置起始位置为南北纬55°；对升交点，LEO卫星在纬度幅角为-3.6°时所需要最大偏置角为25°，偏置方向指向赤道；LEO卫星在纬度幅角为3.6°时所需要最大偏置角为25°，偏置方向指向赤道。对于降交点，LEO卫星在纬度幅角为
176.4°时所需要最大偏置角为25°，偏置方向指向赤道；LEO卫星在纬度幅角为183.6°时所需要最大偏置角为25°，偏置方向指向赤道。对渐进波束偏置规律进行优化，得到各个相邻LEO卫星间南北方向最小覆盖区域重叠搭接宽度为88km。

[0118] 如果采用本发明的常值波束偏置策略，对于同样的星座构型参数，单颗LEO卫星的波束覆盖区域的半宽角为南北±18°、东西±26.5°时就可以满足要求，此时对应的常值波束偏置角大小为21°。对于升交点，纬度幅角为±3.6°时，波束偏置角度为21°时可以保证LEO卫星与GEO卫星之间最小隔离角大于7°。常值波束偏置策略下，南北方向相邻LEO卫星间覆盖区域重叠搭接宽度均为159km，优于渐进波束偏置策略下南北方向最小覆盖区域重叠搭接宽度88km。对于奇数轨道，当LEO卫星的星下点进入北纬65°时开始进行波束偏置状态转换，对于偶数轨道，当LEO卫星星下点离开北纬65°时开始进行波束偏置状态转换。所有的波束偏置转换在一个相邻LEO相位周期内完成。其中，降交点、南极附近的波束偏置转换与升交点、北极附近的做法类似，对称处理即可。

[0119] 在渐进波束偏置策略中，偏置角度为25°时，南北方向半宽角为±22°的波束对应的覆盖区域宽度为1421km；常值波束偏置策略中，偏置角度为21°时，南北方向半宽角为±18°的波束对应的覆盖区域宽度为982km。

[0120] 常值偏置策略的波束宽度与渐进偏置策略的波束宽度比为82％。对于最大偏置情况，常值波束偏置策略的覆盖区域面积与渐进波束偏置策略下的覆盖区域面积比为69％。

[0121] 常值波束偏置策略的偏置角度小于渐进波束偏置策略的偏置角度，因此常值偏置策略路径损耗小于渐进偏置策略下的路径损耗。

[0122] 进一步假设通量密度相等，则在最大偏置情况下，常值波束偏置策略下LEO卫星的载荷总功率仅为渐进偏置策略下LEO卫星载荷总功率的69％。

[0123] 以上基本参数的对比表明，采用常值波束偏置策略的LEO卫星的研制成本可以大幅降低。

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