CN104316938A

CN104316938A - 一种用于低轨卫星准同步通信系统的新型卫星模拟器

Info

Publication number: CN104316938A
Application number: CN201410497342.9A
Authority: CN
Inventors: 吴康; 梁旭文; 丁晟; 陈毅君; 侯缋玲
Original assignee: SHANGHAI OK MICRO AEROSPACE SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI OK MICRO AEROSPACE SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2034-09-25
Also published as: CN104316938B

Abstract

本发明提供用于低轨卫星准同步通信系统的新型卫星模拟器，包括双模式导航卫星授时模块；本地1pps同步模块，产生本地秒脉冲1pps信号，并通过锁相环跟踪双模式导航卫星授时模块产生的秒脉冲1pps信号，实现卫星模拟器与世界统一时间UTC的同步；扩频发射机模块，模拟卫星多普勒动态、模拟星地距离传输延迟，并通过扩频调制产生带有卫星多普勒动态与星地距离延迟的下行链路信号；扩频接收机模块，接收终端上行链路信号，对上行信号进行捕获跟踪，解调出帧同步信号，并与本地1pps信号进行时差测量，通过测量误差判断上行信号是否达到准同步接入。本发明适用于低轨卫星准同步通信系统的对接试验，便于地面站或地面终端的研制与测试。

Description

一种用于低轨卫星准同步通信系统的新型卫星模拟器

技术领域

本发明涉及卫星通信中的卫星模拟器领域，尤其是低轨卫星准同步通信系统，具体地，涉及一种用于低轨卫星准同步通信系统的新型卫星模拟器。

背景技术

随着科技的不断发展，时代的不断进步，人们利用卫星移动通信系统实现了以前无法办到的事情，比如利用卫星系统可以进行全球电视直播、全球定位、军事通讯、商业通讯等等，进一步地，卫星通信系统按照工作轨道，一般可以分为了3大类，即低轨道卫星通信系统、中轨道卫星通信系统、高轨道卫星通信系统。

低轨道卫星移动通信系统由卫星星座、关口地球站、系统控制中心、网络控制中心和用户单元等组成。低轨道卫星移动系统的基本组成：在若干个轨道平面上布置多颗卫星，由通信链路将多个轨道平面上的卫星联结起来。整个星座如同结构上连成一体的大型平台，在地球表面形成蜂窝状服务小区，服务区内用户至少被一颗卫星覆盖，用户可以随时接入系统。

卫星模拟器是指能够模拟卫星真实发射的有效载荷信号，并能接收和处理地面终端或地面站发射的有效信号。卫星模拟器功能强大，应用广泛，它可以模拟产生卫星高动态信号，检验终端接收机的捕获跟踪性能；也可以产生特定信号，验证测试方案的可行性；还可以作为比较标准，检验接收机的动态测量精度等。卫星模拟器是卫星地面接收系统和运行控制系统联调测试的重要依据，也将在后续卫星研制过程中起到重要的指导作用。

由于GPS卫星导航系统的广泛应用，国内外对卫星信号的模拟和研究大部分集中于GPS卫星模拟器上。由于国内对卫星信号模拟器的研究起步较晚，再加上国外技术的封锁，目前国内卫星信号模拟器的研究还相对比较落后，所研制的卫星信号模拟器大部分也只限于GPS卫星L1频率的C/A码信号。近年来，国内相关单位开展了用于特殊场合的特定卫星模拟器，上海微小卫星工程中心与上海邮电部第一研究所联合研制了XX卫星模拟器，该卫星模拟器主要用于XX卫星地检设备的研制与测试，也为后续XX卫星研制提供重要的指导作用。

传统的异步CDMA系统是一个自干扰系统，采用准同步技术后可以利用相互正交的伪随机码(PN Code)来消除这种多址干扰(MAI)，大大提高了系统的通信容量，因此低轨卫星准同步通信系统近年来备受人们的关注，但国内外没有查到有关用于低轨卫星准同步通信系统的卫星模拟器等相关专利，故本专利针对低轨卫星准同步通信系统的应用背景，发明一种用于低轨卫星准同步通信系统的新型卫星模拟器。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于低轨卫星准同步通信系统的新型卫星模拟器的控制方法以及相应的控制装置。

根据本发明的一个方面，一种用于低轨卫星准同步通信系统的新型卫星模拟器，其特征在于，包括：

双模式导航卫星授时模块，其用于接收解调GPS/BD2导航卫星信号，并解析出秒脉冲1pps时标信号；

本地1pps同步模块，其用于产生本地秒脉冲1pps信号，并通过锁相环跟踪双模式导航卫星授时模块产生的秒脉冲1pps信号，实现卫星模拟器与世界统一时间UTC的同步；

扩频发射机模块，其用于模拟卫星多普勒动态、模拟星地距离传输延迟，然后通过扩频调制产生带有卫星多普勒动态与星地距离延迟的下行链路信号；

扩频接收机模块，其用于接收终端上行链路信号，对上行信号进行捕获跟踪，解调出帧同步信号，并与本地1pps信号进行时差测量，通过测量误差判断上行信号是否达到准同步接入；

其中，所述扩频发射机模块包括：

多普勒模拟模块，用于模拟卫星多普勒动态；

其中，所述双模式导航卫星授时模块与所述本地1pps同步模块连接并通讯，所述本地1pps同步模块分别与所述扩频发射机模块、所述扩频接收机模块连接并通讯。

优选地，所述扩频发射机模块还包括星地距离模拟模块，其用于模拟星地距离传输延迟。

优选地，所述扩频发射机模块还包括：

基带数据模块，也即信源数据，其用于存储卫星要发射的原始比特数据流；

成形内插滤波模块，其用于消除码间干扰并压缩传输带宽；

PN码发生器模块，其用于根据本源多项式和初始相位产生PN码序列

码NCO模块，其用于根据码NCO控制字产生对应的码频率；

载波NCO模块，其用于根据载波NCO控制字利用直接数字频率合成器DDS产生对应频率的正弦载波样本；

迭代计算模块，其用于将EMIF接口得到的多普勒变化率换算成NCO，对载波NCO和码NCO进行更新，并将更新后的载波NCO控制字和码NCO控制字分别送给载波NCO模块和码NCO模块；

其中，迭代计算模块分别与载波NCO模块和码NCO模块连接并通讯，码NCO模块与PN码发生器模块连接并通讯，成形内插滤波模块分别与PN码发生器模块和基带数据模块模块连接并通讯。

优选地，所述扩频接收机模块包括：

准同步检测模块，其用于通过比较帧同步信号与本地1pps信号，检测上行信号是否达到准同步接入；

相关器模块，其用于将本地产生的超前、即时、滞后PN码序列与接收到的下变频信号进行相关累加；

捕获模块，其用于对下采样后的信号进行捕获，捕获采用基于FFT的部分匹配滤波快速捕获算法，捕获得到载波频偏与伪码相位；

下采样模块，其用于对下变频后的信号进行抽取采样，即将高采样率降为低采样率；

其中，所述下采样模块与捕获模块连接并通讯，所述捕获模块分别与PN码发生器模块、码NCO模块以及载波NCO模块连接并通讯，PN码发生器模块与相关器模块连接并通讯。

优选地，所述卫星模拟器用于低轨卫星准同步通信系统的对接试验，若干地面终端接入所述卫星模拟器，在所述卫星模拟器中通过如下步骤实现与其中一个地面终端之间的通讯，其中，所述地面终端以码分多址方式接入所述卫星模拟器，其中，所述地面终端表示为k：

a.所述卫星模拟器通过所述双模式导航卫星授时模块接收GPS/BD2导航信号并解析出1pps秒脉冲信号；

b.所述卫星模拟器中的本地1pps同步模块产生本地1pps信号并通过锁相环跟踪所述1pps秒脉冲信号，使其与所述1pps秒脉冲信号保持同步；

c.所述卫星模拟器模拟星地距离延迟与多普勒频移并在本地1pps信号延迟后时刻将下行导频进行扩频调制，然后将下行调制信号通过天线发送给地面终端；

d.所述卫星模拟器接收到由所述地面终端k发送的上行调制信号后，从中解调出上行数据帧，获取帧头到达时间并将其与本地1pps信号进行比较，得到测量时差根据测量时差δ(t)判断地面终端k是否达到准同步接入。

优选地，所述卫星模拟器中的星地距离延迟与多普勒频移根据所述卫星模拟器与所述地面终端k的相对位置与相对速度计算得到。

优选地，若测量时差δ(t)小于3个PN码码片宽度，则所述卫星模拟器确定所述地面终端k达到上行准同步接入。

优选地，所述地面终端k通过第三方导航授时模块保持与UTC时间同步。

优选地，所述地面终端k与所述卫星模拟器的时刻均以导频信号特定的扩频码相位作为依据。

优选地，所述卫星模拟器中的地面终端k为参与低轨卫星准同步通信系统的任一地面终端，其他终端的工作流程同地面终端k。

本发明通过所述卫星模拟器以及与其相适应的地面终端协同工作实现了低轨卫星与地面终端的准同步通信系统，具体地，所述卫星模拟器由双模式导航卫星授时模块、本地1pps同步模块、扩频发射机模块以及扩频接收机模块来实现。双模式导航卫星授时模块主要负责接收GPS/BD2导航卫星信号并解析出秒脉冲1pps信号；本地1pps同步模块产生本地1pps信号并采用锁相环跟踪授时模块输出的1pps信号，使其与授时模块1pps保持同步；扩频发射机模块产生带有卫星多普勒动态并模拟星地距离延迟的下行链路信号；扩频接收机模块接收来自终端上行信号并检测上行信号是否达到准同步接入。

更为具体地，通过本发明，可以给低轨卫星系统领域带来如下有益效果：(1)对于在地面验证低轨卫星准同步通信系统，采用本发明可以为地面站或地面终端提供卫星模拟器，用于发送带有多普勒动态和星地距离延迟的下行信号和接收上行信号，并检测上行信号是否达到准同步接入；以及(2)本发明适用于低轨卫星准同步通信系统的对接试验，便于地面站或地面终端的研制与测试，对于后续卫星研制有着重要的指导作用。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出根据本发明的一个具体实施方式的，在低轨卫星准同步通讯系统中新型卫星模拟器的组成结构示意图；

图2示出根据本发明的一个具体实施方式的，在低轨卫星准同步通讯系统中DSP与FPGA协同工作，实现新型卫星模拟器功能的结构示意图；

图3示出根据本发明的一个具体实施方式的，在新型卫星模拟器中扩频发射机模块的功能实现结构示意图；

图4示出根据本发明的一个具体实施方式的，在新型卫星模拟器中扩频接收机模块的功能实现结构示意图；

图5示出根据本发明的一个具体实施方式的，在低轨卫星准同步通讯系统中新型卫星模拟器的功能实现结构示意图；

图6示出根据本发明的一个具体实施方式的，在低轨卫星准同步通讯系统中新型卫星模拟器实现与地面终端之间通讯的具体流程图；

图7示出根据本发明的一个具体实施方式的，在低轨卫星准同步通讯系统中地面终端与低轨卫星之间通讯的原理示意图；

图8示出根据本发明的一个具体实施方式的，在低轨卫星准同步通讯系统中若干地面终端与低轨卫星之间通讯的时序示意图；以及

图9示出根据本发明的一个具体实施方式的，在低轨卫星准同步通讯系统中若干地面终端与低轨卫星之间通讯的结构拓扑图。

具体实施方式

本领域技术人员理解，本领域技术人员结合现有技术以及上述实施例可以实现所述变化例，在此不予赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。

图1示出根据本发明的一个具体实施方式的，在低轨卫星准同步通讯系统中新型卫星模拟器的组成结构示意图，进一步地，如图所示，所述新型卫星模拟器主要由双模式导航卫星授时模块、本地1pps同步模块、扩频发射机模块、扩频接收机模块构成。

所述双模式导航卫星授时模块用于接收解调GPS/BD2导航卫星信号，并解析出秒脉冲1pps时标信号，本领域技术人员理解，所述GPS/BD2导航卫星信号是指一种第三方导航卫星，所述导航卫星能够提供标准的世界时间，进一步地，所述双模式导航卫星授时模块接收解调GPS/BD2导航卫星信号并进行解析是为了与所述世界时间进行同步。更为具体地，所述双模式导航卫星授时模块利用第三方导航卫星(GPS/BD2)授时接收机实现本地时钟和世界统一时间UTC的同步，所述卫星导航接收机在跟踪多个卫星求解PVT时，优选地求出本地时钟相对于世界时间的时间差，所述时间差既可以直接以数字方式送出，也可以以物理秒脉冲1pps方式送出。本领域技术人员理解，在静态情况下，同步误差精度一般可以达到25ns，在动态情况下，一般优于100ns。本领域技术人员理解，所述双模式导航卫星授时模块的具体应用属于目前现有技术，在此不予赘述。

优选地，所述新型卫星模拟器中的所述双模式导航卫星授时模块连接所述本地1pps同步模块，所述本地1pps同步模块产生本地秒脉冲1pps信号，并通过锁相环跟踪双模式导航卫星授时模块产生的秒脉冲1pps信号，实现卫星模拟器与世界统一时间UTC的同步，进一步地，所述双模式导航卫星授时模块接收来自GPS/BD2导航卫星信号后，优选地，被所述双模式导航授时接收机所接收，进一步地，所述双模式导航授时接收机输出的物理秒脉冲1pps送给所述本地1pps同步模块，所述本地1pps同步模块产生本地1pps信号并与所述双模式导航卫星授时模块产生的外部1pps信号通过超前滞后比较器后输出相位差，进一步地，通过完好性判决器选择器、IIR滤波器后送给数字DDS反馈给本地秒脉冲发生器，本地秒脉冲发生器通过反馈信息不断调整相位使得与所述GPS/BD2导航授时接收机产生的秒脉冲1pps相位保持同步，进一步地，实现与世界统一时间UTC的同步。本领域技术人员理解，所述完好性判决器选择器、IIR滤波器、数字DDS、本地秒脉冲发生器属于本领域现有技术或产品，在此不予赘述。

本领域技术人员理解，进一步地，所述本地1pps同步模块优选地分别连接扩频发射机模块以及扩频接收机模块。具体地，所述扩频发射机模块中优选地置有多普勒模拟模块以及星地距离模拟模块，所述多普勒模拟模块用于模拟所述多普勒动态，所述星地距离模拟模块用于模拟所述地面终端与所述低轨卫星之间的距离，更为具体地，所述扩频发射机模块模拟卫星多普勒动态、模拟星地距离传输延迟，然后通过扩频调制产生带有卫星多普勒动态与星地距离延迟的下行链路信号，优选地，在本地1pps与外部1pps同步锁定后所述本地1pps同步模块将本地1pps信号提供给扩频发射机模块与扩频接收机模块。扩频发射机模块的主要功能是延迟发射下行导频信号，具体地，本领域技术人员理解，在本地1pps时刻根据星地距离和卫星多普勒产生带有多普勒动态且模拟星地距离延迟的下行导频信号，并将所述带有多普勒动态的下行导频信号延迟发送给所述地面终端。

所述扩频接收机模块接收终端上行链路信号，对上行信号进行捕获跟踪，解调出帧同步信号，并与本地1pps信号进行时差测量，通过测量误差判断上行信号是否达到准同步接入，更为具体地，所述扩频接收机模块在接收来自地面终端的上行链路信号同时，在本地1pps时刻开始计时，直到跟踪解调出终端上行帧同步信号，并通过时差测量判断终端上行是否达到准同步接入。本领域技术人员理解，所述通过测量时差来判断所述地面终端是否达到准同步接入的方法以及具体操作流程将在本发明的具体实施方式中讲到，在此不予赘述。

更进一步地，图中示出的GPS/BD2导航卫星信号并不属于所述新型卫星模拟器的主要构成部分，所述GPS/BD2导航卫星信号是同步世界时间的第三方信号，在这样的变化例中，所述卫星模拟器仍然可以与地面终端进行通讯，但若少了所述卫星模拟器与所述世界时间进行同步的相关流程，所述卫星模拟器很难与所述地面终端进行准同步。

图2示出根据本发明的一个具体实施方式的，在低轨卫星准同步通讯系统中DSP与FPGA协同工作，实现新型卫星模拟器功能的结构示意图，本领域技术人员理解，考虑到要准确模拟该新型卫星模拟器的功能和性能，需要采用具有灵活编程能力的软件无线电(SDR)硬件平台来实现。具体地，采用基于功能强大的FPGA+DSP的SDR硬件平台，该SDR平台采用Xilinx公司的高性能Virtex5系列FPGA，以及TI公司的高性能定点处理器TMS320C6455，充分发挥FPGA和DSP的高速运算、灵活编程的优点，具有强大的中频信号处理能力、数据管理能力和通信能力。优选地，所述新型卫星模拟器采用DSP以及FPGA协同工作来实现所述低轨卫星准同步，具体地，所述DSP与所述FPGA协同工作是根据本发明另一个方面来说明所述新型卫星模拟器的工作流程，具体地，是根据所述新型卫星模拟器的软件无线电来实现所述程序的流程控制。

更为具体地，在所述DSP中，主要实现多普勒模拟、星地距离模拟、环路跟踪模块以及整个程序流控制。首先所述DSP模拟计算卫星多普勒与星地距离延迟，得出所述多普勒与星地距离的计算值，并将所述计算值通过EMIF接口传送给FPGA；同时DSP从EMIF接口接收FPGA发送的环路跟踪相关值进行载波环与码环跟踪，并解调出帧同步信号。所述EMIF接口是指外部存储器接口，通过所述EMIF接口可以实现DSP与不同类型的存储器的连接。

所述多普勒模拟计算是指根据所述低轨卫星与所述地面终端的相对运动速度计算多普勒频移与多普勒变化率，所述环路跟踪模块是指载波跟踪环与码跟踪环，分别跟踪载波频率与码频率，并通过所述环路跟踪模块，解调出帧同步信号。

在FPGA中，主要实现1pps同步模块、扩频调制、扩频捕获以及准同步检测。1pps同步模块完成本地1pps与双模式导航卫星授时模块输出1pps的同步。所述同步可以参考图1中的具体实施例，在此不予赘述。扩频调制模块主要对基带信号进行扩频、成形滤波、正交调制，产生带有卫星多普勒动态与星地距离延迟的下行链路信号。扩频捕获模块对接收来自终端上行信号的载波频率与伪码相位的捕获，并将捕获得到的载波频率与伪码相位通过EMIF接口传送给DSP进行环路跟踪解调。准同步检测模块从EMIF接口读取DSP解调出的帧同步信号，并将其与卫星模拟器的本地1pps信号进行比较，判断终端是否达到准同步接入。

本领域技术人员理解，所述新型卫星模拟器优选地采用所述DSP以及所述FPGA协同工作的系统，在所述准同步通信系统中，置有地面终端与所述新型卫星模拟器协同工作，进一步地，所述DSP以及所述FPGA是运用于所述地面终端以及所述新型卫星模拟器的硬件平台，更进一步地，所述实现准同步的硬件平台还可以使用其他与所述DSP以及所述FPGA相类似的产品，在这样的变化例中，若所述产品也能达到所述DSP以及所述FPGA所达到的技术效果，并不影响本发明的技术方案，在此不予赘述。

图3示出根据本发明的一个具体实施方式的，在新型卫星模拟器中扩频发射机模块的功能实现结构示意图，如图所示，所述扩频发射机模块主要包括：基带数据模块、成型内插滤波模块、PN码发生器模块、码NCO模块、迭代计算模块以及载波NCO模块。

本领域技术人员理解，所述基带数据模块在本领域中也被称为信源数据，所述基带数据模块中主要存储卫星要发射的原始比特数据流。

具体地，所述成形内插滤波模块主要用于消除码间干扰并压缩传输带宽。

具体地，所述PN码发生器模块用于根据本源多项式和初始相位产生PN码序列。

具体地，所述码NCO模块用于根据码NCO控制字产生对应的码频率。

具体地，所述载波NCO模块用于调整相位增量来实现载波NCO的多普勒控制，根据载波NCO控制字产生对应的载波频率，更为具体地，所述载波NCO模块是用直接数字频率合成器DDS产生一个正弦或余弦载波样本，采用高速时钟进行相位累加并通过ROM查找表的结构来实现载波样本的产生。

具体地，所述迭代计算模块用于将EMIF接口得到的多普勒变化率换算成NCO，对载波NCO和码NCO进行更新，并将更新后的载波NCO控制字和码NCO控制字分别送给载波NCO模块和码NCO模块。

优选地，本领域技术人员理解，所述迭代计算模块分别与所述载波NCO模块和所述码NCO模块连接并通讯，所述码NCO模块与所述PN码发生器模块连接并通讯，所述成形内插滤波模块分别与所述PN码发生器模块和所述基带数据模块连接并通讯。

本领域技术人员理解，如图3所示，所述EMIF接口连接所述DSP，具体地，在所述DSP中计算模拟卫星多普勒变化率、星地距离延迟、载波NCO控制字以及码NCO控制字，通过所述EMIF接口送给FPGA，在所述FPGA中进行迭代计算后产生带有多普勒的载波NCO和码NCO，码NCO驱动PN码发生器生成所需的PN码序列，所述基带数据模块进行串并转换成I、Q两路分别与PN码序列相乘进行扩频调制，然后通过成形滤波模块，将扩频调制后的数据先进行四倍码速率的上采样，再进行成形滤波器压缩扩频带宽，最后进行四倍内插、CIC滤波后，再与本地载波NCO产生的正、余弦载波进行IQ正交调制，调制后的信号送入数模转换器DAC输出模拟信号。本领域技术人员理解，所述扩频发射机的工作流程将在图5的具体实施方式中详细讲到，在此不予赘述。

图4示出根据本发明的一个具体实施方式的，在新型卫星模拟器中扩频接收机模块的功能实现结构示意图，如图所示，所述扩频接收机模块主要包括：相关器模块、准同步检测模块、PN码发生器模块、码NCO模块、捕获模块、下采样模块、载波NCO模块。

本领域技术人员理解，所述相关器模块用于将本地产生的超前、即时、滞后PN码序列与接收到的下变频信号进行相关累加。

具体地，准同步检测模块通过比较帧同步信号与本地1pps信号，检测上行信号是否达到准同步接入。

具体地，所述捕获模块用于对下采样后的信号进行捕获，捕获采用基于FFT的部分匹配滤波快速捕获算法，捕获得到载波频偏与伪码相位。

具体地，所述下采样模块用于对下变频后的信号进行抽取采样，即将高采样率降为低采样率。

优选地，本领域技术人员理解，所述下采样模块与所述捕获模块连接并通讯，所述捕获模块分别与所述PN码发生器模块、所述码NCO模块以及所述载波NCO模块连接并通讯，所述PN码发生器模块与所述相关器模块连接并通讯。

更为具体地，本领域技术人员理解，上行信号在经过所述扩频接收机模块时，根据所述扩频接收机模块中的相关器模块、准同步检测模块、PN码发生器模块、码NCO模块、捕获模块、下采样模块、载波NCO模块，执行如下处理过程：首先所述上行信号经过ADC采样后分别与本地正、余弦载波相乘下变频，根据所述下采样模块再下采样到伪码速率的两倍后送给所述捕获模块，捕获采用基于FFT的部分匹配滤波快速捕获算法，将所述捕获到的伪码NCO控制字和伪码初始相位送给所述PN码发生器模块产生超前、即时、滞后PN码，分别与下变频后的信号进行I、Q两路相关，再将相关值(IE/QE/IP/QP/IL/QL)通过EMIF接口送给DSP环路跟踪模块进行跟踪解调，解调出帧同步信号，帧同步信号再通过EMIF口送给FPGA准同步检测模块，将帧同步信号与本地1pps信号进行时差测量，若时差测量误差在3个码片以内，则认为上行信号达到准同步接入。本领域技术人员理解，所述扩频接收机的工作流程将在图5的具体实施方式中详细讲到，在此不予赘述。

图5示出根据本发明的一个具体实施方式的，在低轨卫星准同步通讯系统中新型卫星模拟器的功能实现结构示意图，如图所示，所述新型卫星模拟器基于所述FPGA以及所述DSP，实现了扩频发射机以及扩频接收机的功能，所述功能包括模拟卫星多普勒动态、模拟星地距离延迟、扩频调制、成形滤波、正交调制、捕获跟踪解调、准同步检测等等，具体地，如图5所示，所述新型卫星模拟器的功能实现可以从扩频发射机以及扩频接收机两个方面加以说明。

扩频发射机模块，首先在所述DSP中计算模拟卫星多普勒变化率、星地距离延迟、载波NCO控制字以及码NCO控制字，进一步地，通过图5中所示的EMIF接口送给所述FPGA，在所述FPGA中通过迭代计算模块进行迭代计算后产生带有多普勒的载波NCO和码NCO，载波NCO是用直接数字频率合成器DDS产生一个频率为中频的正弦或余弦载波样本，采用高速时钟进行相位累加并通过ROM查找表的结构来实现载波样本的产生，然后通过调整相位增量来实现载波NCO的多普勒控制，码NCO驱动PN码发生器生成所需的PN码序列，进一步地，根据所述基带数据模块，基带数据进行串并转换成I、Q两路分别与PN码序列相乘进行扩频调制，然后通过成形滤波，将扩频调制后的数据先进行四倍码速率的上采样，再进行成形滤波器压缩扩频带宽，最后进行四倍内插、CIC滤波后，再与本地载波NCO产生的正、余弦载波进行IQ正交调制，调制后的信号送入数模转换器DAC输出模拟信号。

本领域技术人员理解，根据卫星的实际轨道，在所述DSP中计算所述低轨卫星在过境时间内的多普勒变化率和星地距离延迟值，并通过EMIF接口送给FPGA控制发射信号完成卫星动态的模拟。本领域技术人员理解，由于真实卫星运动是实时的，且短时间内卫星多普勒变化不明显，选择每10ms计算并更新一次多普勒值来代替真实卫星的实时多普勒，折中了卫星多普勒模拟精度与SDR实现的复杂度。

更为具体地，由所述DSP计算得到的带有多普勒动态的所述载波NCO控制字和所述码NCO控制字通过所述EMIF接口送给所述FPGA后，分别驱动所述载波NCO和所述码NCO产生相应的载波频率和伪码频率，基带数据I、Q两路分别与PN码相乘进行扩频调制，再进行成形内插滤波后分别与正、余载波进行IQ正交调制，调制后的数字信号通过DAC输出模拟信号。

扩频接收机模块，上行信号在经过所述扩频接收机模块时，根据所述扩频接收机模块中的相关器模块、准同步检测模块、PN码发生器模块、码NCO模块、捕获模块、下采样模块、载波NCO模块，执行如下处理过程：首先所述上行信号经过ADC采样后分别与本地正、余弦载波相乘下变频，根据所述下采样模块再下采样到伪码速率的两倍后送给所述捕获模块，捕获采用基于FFT的部分匹配滤波快速捕获算法，将所述捕获到的伪码NCO控制字和伪码初始相位送给所述PN码发生器模块产生超前、即时、滞后PN码，分别与下变频后的信号进行I、Q两路相关，再将相关值(IE/QE/IP/QP/IL/QL)通过EMIF接口送给DSP环路跟踪模块进行跟踪解调，解调出帧同步信号，帧同步信号再通过EMIF口送给FPGA准同步检测模块，将帧同步信号与本地1pps信号进行时差测量，判断上行信号是否达到所述准同步接入。

优选地，若测量时差小于3个PN码码片宽度，则所述卫星模拟器确定所述地面终端达到上行准同步接入。本领域技术人员理解，所述时差测量不可能达到完全没有误差，进一步地，所述地面终端与所述卫星模拟器不可能完全意义上的同步，没有半点时差，更进一步地，我们需要确定一个阈值，所述阈值能够保证所述地面终端与所述卫星模拟器在同步后，不会造成所述地面终端对所述卫星模拟器造成信号干扰等因素，优选地，根据本领域技术人员经过大量实验以及研究，所述阈值采用3个PN码码片宽度，即认为所述卫星模拟器确定所述地面终端k达到上行准同步接入。

图6示出根据本发明的一个具体实施方式的，在低轨卫星准同步通讯系统中新型卫星模拟器实现与地面终端之间通讯的具体流程图，低轨卫星准同步通信系统的对接试验，若干地面终端接入所述卫星模拟器，在所述卫星模拟器中通过如下步骤实现与其中一个地面终端之间的通讯，其中，所述地面终端以码分多址方式接入所述卫星模拟器，其中，所述地面终端表示为k：

首先，进入步骤S101，所述卫星模拟器通过所述双模式导航卫星授时模块接收GPS/BD2导航信号并解析出1pps秒脉冲信号，本领域技术人员理解，所述步骤的目的是为了通过所述双模式导航卫星授时模块所提供的世界时间，对所述卫星模拟器的本地时间进行调整，达到所述卫星模拟器的时间与所述世界标准时间同步的目的，更进一步地，所述同步是通过1pps秒脉冲信号的同步来实现的，具体地，所述同步的具体实施方式在图1中有具体讲到，在此不予赘述。

然后，进入步骤S102，所述卫星模拟器中的本地1pps同步模块产生本地1pps信号并通过锁相环跟踪所述1pps秒脉冲信号，使其与所述1pps秒脉冲信号保持同步。所述步骤的目的是使所述卫星模拟器与所述世界时间同步，本领域技术人员理解，在地面终端系统中，所述地面终端中同样存在所述1pps同步模块、双模式导航卫星授时模块等等，更进一步地，所述地面终端也通过所述1pps同步模块、双模式导航卫星授时模块等达到与所述世界时间同步的目的。本领域技术人员理解，所述同步的具体流程在图1的具体实施方式中有详细讲到，在此不予赘述。

在执行完所述步骤S102后，进入步骤S103，所述卫星模拟器模拟星地距离延迟与多普勒频移并在本地1pps信号延迟后时刻将下行导频进行扩频调制，然后将下行调制信号通过天线发送给地面终端。

本领域技术人员理解，所述是指星地距离延迟，所述是指多普勒频移所述是指所述信号发送的时刻，具体地，在本该发射的时刻延迟后发射的时刻。所述步骤S103的目的是延迟所述信号的发射时间，使所述地面终端接收到所述信号的时刻包含了所述星地距离以及多普勒频移所造成的因素。

最后，执行步骤S104，所述卫星模拟器接收到由地面终端k发送的上行调制信号后，从中解调出上行数据帧，获取帧头到达时间，并将其与本地1pps信号进行比较，得到测量时差根据测量时差δ(t)判断地面终端k是否达到准同步接入。本领域技术人员理解，在所述步骤S104之前，所述步骤S103之后，优选地，所述地面终端接收所述下行导频信号，并进行星地距离补偿与多普勒补偿，然后将带有多普勒补偿以及星地距离补偿的所述上行信号通过天线发送给所述卫星模拟器。进一步地，所述卫星模拟器接收到由地面终端k发送的上行调制信号。所述解调上行数据帧的目的是获取帧头到达时间与所述本地1pps信号进行比较，得出所述测量时差，进一步地，通过所述测量时差来判断所述地面终端是否达到所述准同步接入。

优选地，所述卫星模拟器中的地面终端k为参与低轨卫星准同步通信系统的任一地面终端，其他终端的工作流程同地面终端k。本领域技术人员理解，所述卫星模拟器所覆盖的区域中有很多类似与所述地面终端k的所述终端，进一步地，所述准同步接入指的是所述多个地面终端到达所述卫星模拟器的时刻是一样的，本领域技术人员理解，所述多个地面终端中有着与所述地面终端k一样的处理装置，且所述工作流程也与所述地面终端k一样。

优选地，所述卫星模拟器中的星地距离延迟与多普勒频移是根据当前卫星模拟器与地面终端k的相对位置与相对速度计算得到的。具体地，根据本领域技术人员的大量计算以及研究得出：

\begin{matrix} Δ t_{k}^{s} (t) = \sqrt{{(R + H)}^{2} + R^{2} - 2 R (R + H) \cos θ} / c \\ Δ f_{k}^{s} (t) = \frac{v_{r} f_{t}}{c} = \frac{R^{2} f_{t}}{Lc} \sqrt{\frac{g}{R + H}} \sin (\sqrt{\frac{g \cdot R^{2}}{{(R + H)}^{3}}} t + \arccos (\frac{R}{R + H})) \end{matrix}

本领域技术人员理解，所述R为地球半径，H为卫星轨道高度，θ为卫星、地心和地面终端间的夹角，c为光速，g为重力加速度，v_r为卫星与地面终端的相对速度，L为卫星与地面终端的相对距离。

优选地，所述地面终端k与卫星模拟器的时刻均以导频信号特定的扩频码相位作为依据。扩频码序列可以选择具有零相关窗口的扩频序列，如Walsh序列、LAS序列、移位m序列或正交m序列等。

优选地，所述地面终端通过第三方导航授时模块保持与UTC时间同步。所述第三方导航授时模块提供了所述地面终端与所述UTC时间同步的有效渠道，本领域技术人员理解，所述第三方导航授时模块还可以用其他软件或者控制装置代替，但所述软件或者控制装置应有着与所述UTC时间同步的功能。

图7示出根据本发明的一个具体实施方式的，在低轨卫星准同步通讯系统中地面终端与低轨卫星之间通讯的原理示意图，如图7所示，所述地面终端与所述低轨卫星都与所述世界时间1pps对齐，进一步地，所述低轨卫星在T_1pps(t)时刻发送下行信号给所述地面终端k，所述地面终端k在经过后，接收到所述下行信号，所述即为星地距离补偿量，进一步地，地面终端通过多普勒补偿模块得出所述多普勒补偿量更为具体地，所述提前发射的时间为若所述低轨卫星将在T_1pps(t+1)时刻进行上行信号发射，那么所述上行提前发射时刻可以定为本领域技术人员理解，在所述时刻将所述上行信号通过天线发射出去可以初步实现准同步，进一步地，低轨卫星对所述结果进行判断，看是否达到准同步接入。具体地，所述图中示出的实施例是为了结合图6的具体实施方式来说明的，所述低轨卫星与所述地面终端之间通讯的具体实施方式可以参考图6，在此不予赘述。

图8示出根据本发明的一个具体实施方式的，在低轨卫星准同步通讯系统中若干地面终端与低轨卫星之间通讯的时序示意图，如图8所示，有3个地面终端与低轨卫星进行通讯，本领域技术人员理解，所述图中3个地面终端只是简单描述所述地面终端与低轨卫星之间的通讯，所述地面终端的数量可以是3个也可以是10个，这并不影响本发明的技术方案，在图8中，所述地面终端分别为地面终端1、地面终端2、地面终端k，所述3个地面终端离所述低轨卫星的距离都不一样，为了实现所述地面终端与所述低轨卫星的准同步，需要所述信号在同一时刻到达所述低轨卫星，即为t_s，为了方便说明，若所述低轨卫星在t₀时刻同时向所述地面终端1、地面终端2以及地面终端k发射了所述下行信号，地面终端1在t₁时刻接收到所述低轨卫星发射的信号，地面终端2在t₂时刻接收到所述低轨卫星发射的信号，地面终端在t_k时刻接收到所述低轨卫星发射的信号，相应地，各地面终端根据所述多普勒补偿以及所述星地距离补偿，所述地面终端1在t′₁时刻发射上行信号给所述低轨卫星，所述地面终端2在t′₂时刻发射上行信号给所述低轨卫星，所述地面终端k在t′_k时刻发射上行信号给所述低轨卫星，更进一步地，所述低轨卫星在t_s时刻同时接收到了来自地面终端1、地面终端2以及地面终端k的上行信号，从而实现了上行准同步接入，有效降低了多用户干扰(MAI)，提高了星上接收机的同时接收用户数量。。

图9示出根据本发明的一个具体实施方式的，在低轨卫星准同步通讯系统中若干地面终端与低轨卫星之间通讯的结构拓扑图。如图9所示，所述低轨卫星与地面终端1、地面终端2、地面终端3、地面终端k保持着通讯，所述地面终端都以码分多址方式接入所述低轨卫星系统，所述达到准同步接入是指所述若干个地面终端虽然距离所述低轨卫星的距离都不一样，但是在所述上行信号到达所述低轨卫星接收机的时刻是一样的，所述方法可以有效地降低多用户干扰，从而提高所述卫星接收机同时接收多个用户的数量。

进一步地，参考上述图1至图9所示实施例，本领域技术人员理解，在一个优选实施例，提供一种用于低轨卫星准同步通信系统的新型卫星模拟器在低轨卫星准同步通讯系统中新型卫星模拟器实现与地面终端之间通讯，所述卫星模拟器适用于低轨卫星准同步通信系统的对接试验，参与该系统的设备还有若干地面终端，在所述卫星模拟器中通过如下步骤实现与其中一个地面终端之间的通讯，其中所述地面终端以码分多址方式接入所述低轨卫星系统，将所述地面终端表示为k，具体地，包括如下流程：

(1)卫星模拟器通过双模式导航卫星授时模块接收GPS/BD2导航信号并解析出1pps秒脉冲信号；

(2)卫星模拟器中的本地1pps同步模块产生本地1pps信号并通过锁相环跟踪步骤(1)中的1pps信号，使其与步骤(1)中的1pps信号保持同步；

(3)所述步骤(2)中的本地1pps同步锁定后，扩频发射机模块模拟星地距离延迟与多普勒频移并在本地1pps信号延迟后时刻将下行导频进行扩频调制、成形滤波、正交载波调制，得到带有卫星多普勒与星地距离延迟的下行调制信号，然后将下行调制信号通过天线发送给地面终端；

(4)地面终端k接收到步骤(3)发送的下行导频信号后，从中解扩解调出ID信息，并与自身ID比较，若二者一致则计算卫星模拟器与地面终端之间的短时相对运动速度以及星地距离延迟预测多普勒频移与实际发射上行数据帧的时延变化量形成提前控制量并在时刻将上行数据帧进行多普勒补偿、扩频调制、成形滤波、正交载波调制，得到带有多普勒补偿与延迟控制的上行调制信号，然后将上行调制信号通过天线发送给卫星模拟器；

(5)卫星模拟器接收到步骤(4)发送的上行调制信号后，从中解扩解调出上行数据帧，获取帧头到达时间并将其与本地1pps信号进行比较，得到测量时差根据测量时差δ(t)判断地面终端k是否达到准同步接入。

进一步地，优选地，上述步骤中所述地面终端k为参与低轨卫星准同步通信系统的任一地面终端，且要求地面终端k具有第三方导航卫星授时模块，实现与UTC统一时间的同步，其他终端的工作流程同地面终端k。

进一步地，优选地，卫星模拟器与地面终端的时刻均以导频信号特定的扩频码相位作为依据，扩频码序列可以选择具有零相关窗口的扩频序列，如Walsh序列、LAS序列、移位m序列或正交m序列等。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种用于低轨卫星准同步通信系统的新型卫星模拟器，其特征在于，包括：

扩频发射机模块，其用于模拟卫星多普勒动态、模拟星地距离传输延迟，并通过扩频调制产生带有卫星多普勒动态与星地距离延迟的下行链路信号；

其中，所述扩频发射机模块包括：

多普勒模拟模块，用于模拟卫星多普勒动态；

2.根据权利要求1所述的卫星模拟器，其特征在于，所述扩频发射机模块还包括星地距离模拟模块，其用于模拟星地距离传输延迟。

3.根据权利要求1或2所述的卫星模拟器，其特征在于，所述扩频发射机模块还包括：

成形内插滤波模块，其用于消除码间干扰并压缩传输带宽；

PN码发生器模块，其用于根据本源多项式和初始相位产生PN码序列；

码NCO模块，其用于根据码NCO控制字产生对应的码频率；

载波NCO模块，其用于根据载波NCO控制字利用直接数字频率合成器DDS产生对应频率的正弦载波样本；，迭代计算模块，其用于将EMIF接口得到的多普勒变化率换算成NCO，对载波NCO和码NCO进行更新，并将更新后的载波NCO控制字和码NCO控制字分别送给载波NCO模块和码NCO模块；

4.根据权利要求1至3中任一项所述的卫星模拟器，其特征在于，所述扩频接收机模块包括：

5.根据权利要求1至4中任一项所述的卫星模拟器，其特征在于，所述卫星模拟器用于低轨卫星准同步通信系统的对接试验，若干地面终端接入所述卫星模拟器，在所述卫星模拟器中通过如下步骤实现与其中一个地面终端之间的通讯，其中，所述地面终端以码分多址方式接入所述卫星模拟器，其中，所述地面终端表示为k：

6.根据权利要求5所述的卫星模拟器，其特征在于，所述卫星模拟器中的星地距离延迟与多普勒频移根据所述卫星模拟器与所述地面终端k的相对位置与相对速度计算得到。

7.根据权利要求5或6所述的卫星模拟器，其特征在于，若测量时差δ(t)小于3个PN码码片宽度，则所述卫星模拟器确定所述地面终端k达到上行准同步接入。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的卫星模拟器，其特征在于，所述地面终端k通过第三方导航授时模块保持与UTC时间同步。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的卫星模拟器，其特征在于，所述地面终端k与所述卫星模拟器的时刻均以导频信号特定的扩频码相位作为依据。