CN104320177B - 一种卫星通信系统及其返向标校方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种卫星通信系统及其返向标校方法。该卫星通信系统在卫星返向接收天线背面增加耦合网络，校正信号采用扩频信号形式，由地面站产生，经星上前向接收处理后接入耦合网络，耦合到各个返向数据接收通道中，随返向用户数据一起传输到地面站，地面站通过对扩频校正信号进行解扩处理获得通道时延、幅度及相位信息，进而完成返向标校。本发明无需设置多个标校站，减小了系统维护的复杂度；扩频校正信号在地面产生，而不是在星上直接产生，减小了星上设备量；采用扩频校正信号形式，可以实现不中断用户传输的在线标校。
Description
技术领域
本发明涉及一种卫星通信系统及该卫星通信系统的卫星通信中的标校手段，具体是一种卫星通信系统及其返向标校方法。
背景技术
基于地面波束形成的卫星通信系统，由于在地面进行波束形成，则返向星上接收的多个通道的信号需要通过馈电链路传输到地面站，多个通道的数据通常通过频分复用方式合成宽带信号通过返向馈电链路传输到地面站，然后地面站分离出多个通道的数据，进行波束形成。但是，由于馈电链路无线信道及微波组件的影响，会导致频分复用合成的宽带信号不同频段经历不同的信道衰落，即接收端的不同通道会经历不同的幅度衰减、相位变化和时延，影响地面的波束形成性能。因此，需要采取一定的技术手段改善信号星地传输过程中不同通道受环境影响不同的状况。返向标校指的是对卫星到地面站的返向链路中的信号传输采用一定的标校手段，以修正不同返向通道信号之间的时延、幅度、相位差值。
通常采用的返向标校方法是在地面设置标校站，利用标校站进行校正，由校正站发射校正信号，经过星上返向通道到达地面站，在地面站进行相应的处理，得到不同通道的信号幅度、相位、时延差值，最后校正返向通道，完成返向标校的过程。但传统的设置标校站校正通道信号的方法设备量大，使系统复杂，维护代价也高，浪费人力、物力。
发明内容
基于传统的阵外设置标校站的返向标校手段，对天线形变、馈源与天线之间距离发生变化、馈源本身由于温度变化引起的形变等引起的通道间幅度、相位和时延差进行校正，结果较为准确，但成本高，系统复杂，本发明提出一种卫星通信系统及其返向标校方法，其目的在于补偿星地返向馈电段采用频分复用方式传输通道信号过程中不同通道受环境影响造成的不同失真，可用于通信、测控等多个领域。
本发明是这样实现的，一种卫星通信系统，其包括至少一个地面站以及与该地面站采用卫星通信的卫星：
该地面站包括：第一频分复用器，其用于把校正信号作为一个通道信号与N个前向数据通道信号进行频分复用；地面发射天线，其用于将经该第一频分复用器频分复用后的信号作为该地面站的发射信号发送至该卫星；地面接收天线，其用于接收来自该卫星的发射信号；第一解频分复用器，其用于将该卫星的发射信号解频分复用出N个返向通道信号；通道校正器，其用于对该N个返向通道信号进行通道校正；
该卫星包括：星上接收天线，其用于接收该地面站的发射信号；星上前向处理器，其用于对该地面站的发射信号进行前向处理；第二解频分复用器，其用于对经前向处理的信号进行解频分复用形成该校正信号；返向接收天线，其用于接收地面终端的信号，形成N个返向接收通道；第二频分复用器，其用于对该N个返向接收通道频分复用；星上返向处理器，其用于对经该第二频分复用器频分复用后的信号进行返向处理；星上发射天线，其用于将返向处理后的信号作为该卫星的发射信号发送至该地面接收天线；
其中：该地面站还包括扩频信号产生器和解扩处理器，该扩频信号产生器用于产生扩频校正信号使该校正信号采用扩频信号的形式送入该第一频分复用器，该解扩处理器用于根据该扩频校正信号对该N个返向通道信号进行解扩处理后再送入该通道校正器；
该卫星还包括耦合网络，该耦合网络增加在该返向接收天线的背面，用于与每个返向接收通道相连，并把该校正信号耦合到每个返向接收通道中。
作为上述方案的进一步改进，该第一频分复用器把该扩频校正信号作为一个通道信号与N个前向数据通道信号进行频分复用：把前向通道信号的中心频率最大调制为fh，把该扩频校正信号调制到中心频点fh+Δ，其中Δ为前向数据通道信号与扩频校正信号的频率间隔。
本发明还提供一种卫星通信中的返向标校方法，其应用于上述卫星通信系统中，用于补偿卫星与地面站之间返向馈电段采用频分复用方式传输通道信号过程中不同通道受环境影响造成的不同失真，其中：该卫星通信中的返向标校方法包括以下步骤：
第一步，地面站：产生扩频校正信号，并把该扩频校正信号作为一个通道信号与N个前向数据通道信号进行频分复用，该地面站把频分复用后的信号进行射频处理后发射出去；
第二步，卫星：接收到该地面站的信号进行滤波、放大、下变频、解频分复用，分离出校正信号，把该校正信号变频至卫星返向接收天线接收的信号中心频率，并送入卫星返向接收天线辐射面背面的耦合网络；耦合网络与每个返向接收通道相连，并把校正信号耦合到每个返向接收通道中，卫星对返向接收通道进行频分复用，并通过星地返向馈电链路传输至地面站；
第三步，返回地面站：对接收的信号进行解频分复用获得每个通道的数据，并对每个通道数据进行解扩频处理，得到每个通道的幅度衰减、相位变化及时延信息，地面站以第一个通道的幅度衰减、相位变化及时延信息为基准，对其他通道数据的幅度、相位及时延进行校正。
作为上述方案的进一步改进，把该扩频校正信号作为一个通道信号与N个前向数据通道信号进行频分复用：把前向通道信号的中心频率最大调制为fh，把该扩频校正信号调制到中心频点fh+Δ，其中Δ为前向数据通道信号与扩频校正信号的频率间隔。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明采用的返向标校方法无需在地面设置多个标校站，可以减少建设和维护标校站带来的一系列问题；
2、本发明阵内返向标校的设计，使得耦合网络本身是星上系统的一部分，大大降低了整个系统的空间和设备量，同时也降低了复杂度；
3、本发明阵内返向标校方法是一种在线标校方法，不会中断卫星信号的时时传输，并且标校信号使用扩频信号方式，功率极低，不会影响正常卫星通信的信号质量。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的卫星通信系统的结构示意图。
图2为本发明地面站的10个前向通道数据与标校信号的频分复用图。
图3为本发明星上耦合标校信号后返向通道信号示意图。
图4为本发明实施例2提供的卫星通信系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
一并参阅图1、图2、图3，描述本发明的第一个实施例，本实施例中地面有一个地面站1，地面站1有10个通道的数据需要传输到星上即卫星2，每个通道的数据带宽为7MHz，10个通道的数据采用频分复用的方式进行传输，考虑各个通道的隔离，进行频分复用时每个相邻频点的间隔取为10MHz。
该地面站1包括扩频信号产生器12、第一频分复用器13、地面发射天线14、地面接收天线15、第一解频分复用器16、通道校正器17、解扩处理器18。
扩频信号产生器12用于产生扩频校正信号使校正信号采用扩频信号的形式送入第一频分复用器13。第一频分复用器13用于把该扩频校正信号作为一个通道信号与N个前向数据通道信号进行频分复用；地面发射天线14用于将经该第一频分复用器13频分复用后的信号作为该地面站1的发射信号发送至该卫星2。地面接收天线15用于接收来自该卫星2的发射信号；第一解频分复用器16用于将该卫星2的发射信号解频分复用出N个返向通道信号；通道校正器17于对该N个返向通道信号进行通道校正。解扩处理器18用于根据该扩频校正信号对该N个返向通道信号进行解扩处理后再送入该通道校正器17。
卫星2包括星上接收天线22、星上前向处理器23、第二解频分复用器24、返向接收天线25、耦合网络26、第二频分复用器27、星上返向处理器28、星上发射天线29。
星上接收天线22用于接收该地面站1的地面发射天线14的发射信号；星上前向处理器23用于对该地面站1的发射信号进行前向处理。第二解频分复用器24用于对经前向处理的信号进行解频分复用形成该校正信号，返向接收天线25用于接收地面终端的信号，形成N个返向接收通道，耦合网络26增加在该返向接收天线25的背面，用于与每个返向接收通道相连，并把该校正信号耦合到每个返向接收通道中。第二频分复用器27用于对该N个返向接收通道频分复用；星上返向处理器28用于对经该第二频分复用器27频分复用后的信号进行返向处理；星上发射天线29用于将返向处理后的信号作为该卫星2的发射信号发送至该地面接收天线15。
地面站1产生一个7MHz带宽的扩频校正信号，作为第11个通道与前10个通道信号进行频分复用，地面站1对前向通道信号和校正信号进行频分复用后信号A的频域信号示意见图示2；地面站1把信号A使用地面发射天线1发射出去。
卫星2使用星上接收天线22接收地面发射天线14的信号，使用星上前向处理器23对信号进行滤波、放大、变频等处理，然后使用第二解频分复用器24对信号进行解频分复用，获得10个前向通道数据和第11个通道的扩频校正信号，并把扩频校正信号变频至卫星用户段返向信号频率，接入耦合网络26。本系统中耦合网络26位于星上系统用户段天线即返向接收天线25的背面，与星上用户段天线的10个返向通道直接相连。星上10个返向通道中既有用户段的接收信号也有耦合得到的扩频校正信号，B处一个通道的信号频域示意图见图示3；卫星2使用第二频分复用器27对10个返向通道信号进行频分复用，然后使用第二频分复用器27进行滤波、放大、变频处理，并使用星上发射天线29发射出去。
地面站1使用地面接收天线15接收星上发射天线29的信号，并使用第一解频分复用器16进行解频分复用获得10个返向通道信号，地面站1对10个返向通道信号进行解扩处理，并与发送的扩频校正信号进行幅度、相位和时延比对，进而获得10个返向通道的幅度衰落、相位变化和时延信息，地面站1以第一个通道的幅度衰减、相位变化及时延信息为基准，对其他通道数据的幅度、相位及时延进行校正，完成返向标校工作。
也就是说，分地面站-卫星-地面站三步走。(1)地面站1：产生扩频校正信号，并把该扩频校正信号作为一个通道信号与N个前向数据通道信号进行频分复用，把前向通道信号的中心频率最大调制为fh，把该扩频校正信号调制到中心频点fh+Δ，其中Δ为前向数据通道信号与扩频校正信号的频率间隔，该地面站1把频分复用后的信号进行射频处理后发射出去；(2)卫星2：接收到该地面站1的信号进行滤波、放大、下变频、解频分复用，分离出校正信号，把该校正信号变频至卫星返向接收天线接收25的信号中心频率，并送入卫星返向接收天线25辐射面背面的耦合网络26；耦合网络26与每个返向接收通道相连，并把校正信号耦合到每个返向接收通道中，卫星2对返向接收通道进行频分复用，并通过星地返向馈电链路传输至地面站1；(3)返回地面站1：对接收的信号进行解频分复用获得每个通道的数据，并对每个通道数据进行解扩频处理，得到每个通道的幅度衰减、相位变化及时延信息，地面站1以第一个通道的幅度衰减、相位变化及时延信息为基准，对其他通道数据的幅度、相位及时延进行校正。
本发明中，返向校正信号采用扩频信号形式，返向标校信号功率较小，因而耦合到返向通道中的标校信号不会对用户返向通道信号产生干扰，不会影响用户信息的传输，因此，本发明的返向标校方法是一种在线标校方法，不会中断用户的信息传输。另外，本发明中返向标校信号是由地面站产生的发射到星上，而不是在星上直接产生，从而避免了星上设备过于复杂的问题，简化了星上设计。
实施例2：
本发明的另一个实施例是采用分布式地面站的场景，参见图示4，地面布设地面站一3与地面站二4共两个地面站，系统前向有40个通道数据需要由地面传输到星上即卫星5，返向有80个通道数据需要由星上传输到地面站，每个前向通道数据和返向通道数据带宽均为7MHz。
星上配置两个定向发射天线，分别指向两个地面站，星上发射天线一51向地面站一3传输40个返向通道数据，星上发射天线二52向地面站二4传输另外40个返向通道数据。地面站一3有40个前向通道数据需要传输到卫星5，每个前向通道数据带宽为7MHz，40个前向通道数据采用频分复用的方式进行传输，考虑各个通道的隔离，进行频分复用时相邻频点的间隔取为10MHz。地面站一3产生一个7MHz带宽的扩频校正信号，作为第41个前向通道与前40个通道信号进行频分复用并使用地面发射天线14发射出去。
星上接收天线22对接收到的地面发射天线14的信号使用星上前向处理器23进行滤波、放大、变频等处理，并使用第一解频分复用器24对信号进行解频分复用，获得40个前向通道数据和第41个通道的扩频校正信号，并把扩频校正信号变频至卫星用户段返向信号频率，然后接入耦合网络26。本系统中耦合网络26位于星上系统用户段天线背面，与星上用户段天线25的80个返向通道直接相连，星上80个返向通道中既有用户段的接收信号也有耦合得到的扩频校正信号。卫星5使用第二频分复用器一53对40个返向通道信号进行频分复用，然后使用星上返向处理器一55进行滤波、放大、变频处理，并使用星上发射天线一51发射出去；卫星5使用第二频分复用器二54对另外40个返向通道信号进行频分复用，然后使用星上返向处理器二56进行滤波、放大、变频处理，并使用星上发射天线二52发射出去。
地面站一3使用地面接收天线一31对接收到的星上发射天线一51的信号使用第二解频分复用器一32进行解频分复用获得40个返向通道信号，然后进行解扩处理。地面站二4使用地面接收天线二41对接收到的星上发射天线二52的信号使用第二解频分复用器二42进行解频分复用获得另外40个返向通道信号，然后送入地面站一3进行解扩处理。
地面站一3对80个耦合有校正信号的返向通道数据解扩处理后，与发送的扩频校正信号进行幅度、相位和时延比对，进而获得80个返向通道的幅度衰落、相位变化和时延信息，地面站以第一个通道的幅度衰减、相位变化及时延信息为基准，对其他通道数据的幅度、相位及时延进行校正，完成返向标校工作。
本实施例2地面布设两个地面站，分别负责部分返向通道信号的接收，是本发明实施例1的简单扩展。本发明中，返向校准信号采用扩频标校信号传输，标校信号功率较小，因而耦合到返向通道中的标校信号不会对用户返向信号产生干扰，不会影响用户信号的传输。
该返向标校法扩展后虽然变得较为复杂，但是相对传统方法，在传输需求增大扩展系统时，为了实时进行返向标校，而采用增加地面标校站的方法，本发明只需相应增加校正网络的处理量。
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 (4)
1.一种卫星通信系统，其包括至少一个地面站以及与该地面站采用卫星通信的卫星：其中，
该地面站包括：
第一频分复用器，其用于把校正信号作为一个通道信号与N个前向数据通道信号进行频分复用；
地面发射天线，其用于将经该第一频分复用器频分复用后的信号作为该地面站的发射信号发送至该卫星；
地面接收天线，其用于接收来自该卫星的发射信号；
第一解频分复用器，其用于将该卫星的发射信号解频分复用出N个返向通道信号；
通道校正器，其用于对该N个返向通道信号进行通道校正；
该卫星包括：
星上接收天线，其用于接收该地面站的发射信号；
星上前向处理器，其用于对该地面站的发射信号进行前向处理；
第二解频分复用器，其用于对经前向处理的信号进行解频分复用形成该校正信号；
返向接收天线，其用于接收地面终端的信号，形成N个返向接收通道；
第二频分复用器，其用于对该N个返向接收通道频分复用；
星上返向处理器，其用于对经该第二频分复用器频分复用后的信号进行返向处理；
星上发射天线，其用于将返向处理后的信号作为该卫星的发射信号发送至该地面接收天线；
其特征在于：
该地面站还包括扩频信号产生器和解扩处理器，该扩频信号产生器用于产生扩频校正信号使该校正信号采用扩频信号的形式送入该第一频分复用器，该解扩处理器用于根据该扩频校正信号对该N个返向通道信号进行解扩处理后再送入该通道校正器；
该卫星还包括耦合网络，该耦合网络增加在该返向接收天线的背面，用于与每个返向接收通道相连，并把该校正信号耦合到每个返向接收通道中。
2.如权利要求1所述的卫星通信系统，其特征在于：该第一频分复用器把该扩频校正信号作为一个通道信号与N个前向数据通道信号进行频分复用：把前向通道信号的中心频率最大调制为fh，把该扩频校正信号调制到中心频点fh+Δ，其中Δ为前向数据通道信号与扩频校正信号的频率间隔。
3.一种卫星通信中的返向标校方法，其应用于如权利要求1所述的卫星通信系统中，用于补偿卫星与地面站之间返向馈电段采用频分复用方式传输通道信号过程中不同通道受环境影响造成的不同失真，其特征在于：该卫星通信中的返向标校方法包括以下步骤：
第一步，地面站：产生扩频校正信号，并把该扩频校正信号作为一个通道信号与N个前向数据通道信号进行频分复用，该地面站把频分复用后的信号进行射频处理后发射出去；
第二步，卫星：接收到该地面站的信号进行滤波、放大、下变频、解频分复用，分离出校正信号，把该校正信号变频至卫星返向接收天线接收的信号中心频率，并送入卫星返向接收天线辐射面背面的耦合网络；耦合网络与每个返向接收通道相连，并把校正信号耦合到每个返向接收通道中，卫星对返向接收通道进行频分复用，并通过星地返向馈电链路传输至地面站；
第三步，返回地面站：对接收的信号进行解频分复用获得每个通道的数据，并对每个通道数据进行解扩频处理，得到每个通道的幅度衰减、相位变化及时延信息，地面站以第一个通道的幅度衰减、相位变化及时延信息为基准，对其他通道数据的幅度、相位及时延进行校正。
4.如权利要求3所述的卫星通信中的返向标校方法，其特征在于：把该扩频校正信号作为一个通道信号与N个前向数据通道信号进行频分复用：把前向通道信号的中心频率最大调制为fh，把该扩频校正信号调制到中心频点fh+Δ，其中Δ为前向数据通道信号与扩频校正信号的频率间隔。
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