CN103037500B - 一种卫星通信中的同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种卫星通信中的同步方法，包含以下步骤：a.卫星对其GPS模块输出的星历进行平滑计算，得到平滑后的星历；b.卫星周期性的将平滑后的星历进行广播下发，地面终端周期性的发起测距；c.地面终端根据接收到的平滑后的星历进行轨道外推，根据轨道外推结果和测距结果，与卫星进行同步。本发明利用测距结果对轨道外推结果进行了补偿，使得相对精度更高，与现有技术相比，实时性更强，实现结构更简单，成本更低。

Description

一种卫星通信中的同步方法

技术领域

本发明涉及卫星通信领域，尤其涉及一种卫星通信中的同步方法。

背景技术

在卫星通信系统中，卫星需要将其GPS模块输出的卫星当前星历(即轨道参数，包括卫星位置矢量、速度矢量等)广播下发到地面系统以实现系统同步。然而由于GPS模块输出具有较大的瞬时误差，因此卫星需要将GPS输出的星历进行相应处理(例如平滑估计等)，得到较可靠的星历后才能进行广播，以帮助地面系统实现更准确的同步。另外，地面终端若不间断的接收卫星广播星历，将消耗大量资源，而且由于卫星通信链路的复杂性还可能造成部分广播星历接收失败，因此终端进行必要的轨道参数外推是非常必要的。

申请号为200710176598.X，名称为“全球定位系统定位结果的平滑及信号缺失下的外推方法”的发明专利申请公开了一种对GPS模块输出结果进行平滑及外推的方法，其方法通过载波相位法和卡尔曼滤波法计算接收机速度，根据接收机速度采用自适应长度的平滑窗口进行平滑和采用自适应阶数的拟合多项式进行外推，虽然精度较好，但复杂度较高，计算导致的系统时延较大。由于卫星通信系统对成本和实时性要求较高，并且地面终端与卫星的同步对卫星轨道参数的绝对精度要求较低而仅仅要求相对精度较高，因此该专利申请公开的方法对卫星通信系统不太适用。

发明内容

本发明提出了一种卫星通信中的同步方法，包含以下步骤：

a.卫星对其GPS模块输出的星历进行平滑计算，得到平滑后的星历；

b.卫星周期性的将平滑后的星历进行广播下发，地面终端周期性的发起测距；

c.地面终端根据接收到的平滑后的星历进行轨道外推，根据轨道外推结果和测距结果，与卫星进行同步。

优选的，步骤a在进行平滑计算之前，先删除较大误差的星历。

优选的，步骤c采用工程近似算法进行轨道外推。所述工程近似算法可以为数值积分法。

优选的，步骤c具体为：1，地面终端根据接收到的平滑后的星历进行轨道外推，得到延长时间段的轨道参数；2，地面终端根据延长时间段的轨道参数计算出地面终端与卫星的距离较上一次成功测距时刻的距离变化；3，地面终端根据所述距离变化调整同步偏移量，完成同步。

优选的，可以对卫星广播下发星历的时间周期和终端发起测距的时间周期进行联合调整，使得地面终端接收信号的解调性能不超过可接受的最大同步误差。

本发明提供的方法在满足系统性能指标要求的时间范围内利用本地外推结果进行同步，避免了不间断的接收星历信息而消耗大量系统资源，并且由于利用测距结果对轨道外推结果进行了补偿，使得相对精度更高，与现有技术相比，实时性更强，实现结构更简单，成本更低，更适用于卫星通信系统的同步策略。

附图说明

图1是本发明具体实施例的同步过程的流程框图。

具体实施例

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细的说明。

本实施例的卫星通信的同步方法如图1所示，其具体流程步骤如下：

步骤101、卫星的GPS模块输出星历

本实施例所提及的星历(即轨道参数，包括卫星位置矢量、速度矢量等)均为ECI坐标系(也叫惯性坐标系，即以地心为圆心、黄赤交线为x轴、地轴北极为z轴、符合右手系的直角坐标系)下的数值。

卫星GPS模块输出的星历包括当前时刻t、当前时刻的卫星位置矢量三轴坐标x、y、z及速度矢量三轴坐标dx、dy、dz。

步骤102、卫星将GPS模块输出的阿星历写入固定长度的平滑缓存

卫星周期性的将连续2N+1个星历写入长度为2N+1的缓存中。由于GPS存在瞬时较大输出误差，因此需要删除缓存中可能存在的较大误差，通过计算i＝2，3，...，2N+1，将结果大于门限值对应的星历删除。卫星速度矢量删除较大误差的方法与上述过程相似。

步骤103、进行平滑计算，得到较可靠的星历估计结果

进一步将平滑缓存中的星历进行平滑。由于三轴坐标均是时间t的函数，且在较短时间内可近似认为呈线性变化(此近似带来的误差完全在通信系统可接受的范围内)，因此设

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\→}{x}=a\stackrel{\→}{t}+b\\ \stackrel{\→}{y}=c\stackrel{\→}{t}+d\\ \stackrel{\→}{z}=e\stackrel{\→}{t}+f\end{array}\right.,$

其中，分别为缓存中的位置坐标与时间行矢量，其中时间行矢量中所有元素均被减去t_N+1，即令第N+1个星历为零时刻星历，平滑后得到的星历结果即为此时刻的星历结果。写成矩阵形式即

$\left(\begin{array}{c}\stackrel{\→}{x}\\ \stackrel{\→}{y}\\ \stackrel{\→}{z}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}a& b\\ c& d\\ e& f\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{c}\stackrel{\→}{t}\\ \stackrel{\→}{1}\end{array}\right)\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}C\×H,$

对C采用最小二乘(LS)估计，

$\tilde{C}=\left(\begin{array}{c}\stackrel{\→}{x}\\ \stackrel{\→}{y}\\ \stackrel{\→}{z}\end{array}\right)\×H^H\×{(H\×H^H)}^{-1},$

则矩阵的第2列即为t_N+1时刻的三轴坐标(b，d，f)。

卫星速度矢量的平滑原理与上述过程相似。

步骤104、卫星基站以周期T_broadcast将平滑后的星历结果在广播信道中进行下发。

步骤105、地面终端接收到新的广播星历后更新本地存储的星历。

步骤106、地面终端以周期T_ranging发起测距过程以获得终端与卫星的实际距离。

由于地面终端进行轨道外推带来的轨道参数误差随外推时间的延长而呈扩散趋势，因此终端根据此外推结果进行同步所带来的同步误差也随外推时间的延长呈扩散趋势，同步误差的增大将导致地面终端接收信号的解调性能下降。本实施例通过仿真的手段根据终端解调性能联合调整T_broadcast和T_ranging的长度，T_broadcast较大时可适当缩短T_ranging，T_broadcast较小时可适当增加T_ranging，使得在一段较长的时间范围内保证地面终端的解调性能不会超过最差门限值(即最大同步误差)。

步骤107、地面终端根据本地存储星历进行轨道外推得到延长时间的轨道参数，进一步根据外推结果，结合终端的本地GPS模块，计算出终端与卫星的距离较上一次成功测距时刻的变化。本实施例采用数值积分的方法(例如工程上的经典方法——四阶Runge-Kutta算法)进行轨道外推。

步骤108、根据星地距离变化调整同步偏移量，完成同步。

本实施例采用的方法的优势在于，假设终端在t0时刻接收到广播星历并存储，在100秒后的t2时刻需要同步，若没有测距补偿机制，则终端需要计算较t0时刻星地距离的变化来调整同步偏移量，而如果假设终端以10秒为周期进行测距，则终端只要计算较上一次测距成功时刻(设为t1，t0＜t1＜t2)的距离变化，由于t1到t2的时间跨度更小，因此带来的同步误差也更小。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种卫星通信中的同步方法，其特征在于，包含以下步骤：

a.卫星对其GPS模块输出的星历进行平滑计算，得到平滑后的星历；

b.卫星周期性的将平滑后的星历进行广播下发，地面终端周期性的发起测距；

c.地面终端根据接收到的平滑后的星历进行轨道外推，根据轨道外推结果和测距结果，与卫星进行同步；

所述步骤c具体为：

地面终端根据接收到的平滑后的星历进行轨道外推，得到延长时间段的轨道参数；

地面终端根据延长时间段的轨道参数计算出地面终端与卫星的距离较上一次成功测距时刻的距离变化；

地面终端根据所述距离变化调整同步偏移量，完成同步。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤a，在进行平滑计算之前，先删除较大误差的星历。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤c，采用工程近似算法进行轨道外推。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述工程近似算法为数值积分法。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对卫星广播下发星历的时间周期和终端发起测距的时间周期进行联合调整，使得地面终端接收信号的解调性能不超过可接受的最大同步误差。