CN104581926A - 一种低轨卫星通信的上行链路准同步时间精确测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单星双向授时的低轨卫星通信上行链路准同步时间精确测量方法。包括上述方法的终端扩频序列的选择、误差分析、测试方法以及实现步骤。本发明适用于单星或无重叠覆盖区的多星通信系统，用于卫星载荷精确测量卫星与地面终端时间基准偏差量，保证几十纳秒量级的准同步窗口范围。

Description

一种低轨卫星通信的上行链路准同步时间精确测量方法

技术领域

本发明涉及卫星通信领域，尤其涉及一种低轨卫星通信系统中上行链路的通信技术体制，具体地，是一种低轨卫星通信的上行链路准同步时间精确测量方法。

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，人们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。

利用低轨道(LEO)卫星实现手持机个人通信的优点在于：一方面卫星的轨道高度低，使得传输延时短。路径损耗小，多个卫星组成的星座可以实现真正的全球覆盖，频率复用更有效；另一方面蜂窝通信、多址、点波束、频率复用等技术也为低轨道卫星移动通信提供了技术保障。因此，LEO系统被认为是最新最有前途的卫星移动通信系统。

据有关资料以及实际情况反映，传统的异步CDMA(A-CDMA)属于自干扰系统，其用户容量受限。为提高系统容量，比较直观的方 法：利用扩频码的正交性，采用与下行链路相同的同步CDMA方式(S-CDMA)，但对于低轨卫星通信系统而言，很难保证各用户信号到达星载接收机的时间精确一致，因此，采用准同步CDMA(QS-CDMA)方式，使到达卫星的多路信号码相位和载波频率偏差在一定范围内，同时选择合适的扩频码字(各码字在一定范围内满足零相关特性)，达到与S-CDMA系统相当的性能，从而提升上行用户容量。低轨卫星通信系统上行链路采用准同步技术，主要提升用户数量、上行捕获速度以及抗截获能力。

欧洲航天局在其提交的SW-CTDMA建议中前向信道采用了同步CDMA，而反向信道采用了准同步CDMA多址方式，这是第一次准同步CDMA出现在标准建议中。但国内外没有查到关于低轨卫星上行链路准同步接入方法的具体实现的相关报道。对于低轨卫星上行链路准同步接入，星地时间基准时间差测量实现，也无相关报道。

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低轨卫星通信的上行链路准同步时间精确测量方法。

根据本发明的一个方面，提供一种低轨卫星通信的上行链路准同步时间精确测量方法，所述低轨卫星连续发射导频信号并与所述低轨卫星覆盖区域内若干地面终端通讯，所述若干地面终端以码分多址方式接入所述低轨卫星，包括如下步骤：

a.接收来自所述地面终端k的上行调制信号；

b.基于所述上行调制信号，解扩解调出上行短帧，并得到所述地面终端k的ID信息；

c.确定与所述上行调制信号对应的计数值δ_k(N)，所述低轨卫星从卫星本地时间基准1pps起始时刻开始计数，并在接收到所述上行调制信号后停止计数以确定所述计数值δ_k(N)；

d.根据多普勒频偏计算所述上行短帧帧头实际时间长度计数值δ_frame(N)；

e.计算所述低轨卫星与所述地面终端k的时差 其中，所述f_clk为所述低轨卫星的工作时钟频率；

f.将所述地面终端k的ID信息以及所述时差δ_k(t)插入下行导频帧下发。

优选地，所述步骤b包括如下步骤：

b1.基于所述上行调制信号进行解扩解调以获得上行短帧；

b2.基于所述上行短帧帧头获取帧指示；

b3.记录帧指示到达时间

b4.获得所述地面终端k的ID信息。

优选地，所述步骤b2包括如下步骤：所述上行短帧帧头正确解调完成之后，所述低轨卫星的接收机产生所述帧指示信号，说明所述上行短帧到达。

优选地，在所述步骤c中，所述低轨卫星每一秒时间内使用高稳定度高速时钟进行累加计数，并在获取所述上行短帧帧指示时停止计数，从而确定所述计数值δ_k(N)。

优选地，所述高稳定度高速时钟采用0.1ppmOCXO。

优选地，根据捕获模块及跟踪环路得到所述多普勒频偏。

根据本发明的另一个方面，提供一种地面终端k中与低轨卫星通信的上行链路准同步时间辅助精确测量方法，所述低轨卫星连续发射导频信号并与所述低轨卫星覆盖区域内若干地面终端通讯，所述若干地面终端以码分多址方式接入所述低轨卫星，包括如下步骤：

i.对下行导频信道进行解扩解调；

ii.将上行短帧帧头起始点与地面终端k本地时间基准1pps对齐，并在此时刻，即将所述上行短帧进行扩频；

iii.将扩频后的信号进行载波调制得到上行调制信号；

iv.将所述上行调制信号通过天线发送给所述低轨卫星。

优选地，所述上行短帧信号MAC层结构包括：同步头、帧指示和用户ID信息。

优选地，所述低轨卫星与所述地面终端k的时刻和δ_k(N)均以本地1pps时间信号以及高精度计数值作为依据。

本发明通过采用高稳定度高速时钟，对低轨卫星每一秒的时间进行累加计数，并通过低轨卫星通信的上行链路准同步时间精确测量方法以及地面终端与所述低轨卫星通信的上行链路准同步时间辅助精确测量方法，达到低轨卫星与所述地面终端的准同步。

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，一种低轨卫星通信的上行链路准同步时间精确测量方法的流程示意图；

图2示出根据本发明的一个具体实施方式的，根据低轨卫星通信的上行链路准同步时间精确测量方法中基于所述上行调制信号，解扩解调出上行短帧，并得到所述地面终端k的ID信息的流程示意图；

图3示出根据本发明的一个具体实施方式的，一种地面终端k中与低轨卫星通信的上行链路准同步时间辅助精确测量方法的流程示意图；

图4示出根据本发明的一个具体例的，所述低轨卫星与多个所述地面终端的结构拓扑图；

图5示出根据本发明的一个具体实施方式的，一种低轨卫星通信的上行链路准同步时间精确测量方法的流程时序图；以及

图6示出根据本发明的另一个具体实施方式的，低轨卫星通信的上行链路准同步时间精确测量方法的流程时序图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的一个具体实施方式的，一种低轨卫星通信的上行链路准同步时间精确测量方法的流程示意图，具体地，本领域技术人员理解，所述低轨卫星连续发射导频信号并与所述低轨卫星覆盖区 域内若干地面终端通讯，所述若干地面终端以码分多址方式接入所述低轨卫星，优选地，包括如下步骤：

首先进入步骤S101，接收来自所述地面终端k的上行调制信号。本领域技术人员理解，所述地面终端k是指在所述低轨卫星覆盖区域内的若干个所述地面终端中的一个，所述若干地面终端以码分多址方式接入所述低轨卫星，具体地，所述低轨卫星连续的发射导频信号给所述地面终端k，进一步地，所述地面终端连接的反馈所述导频信号，所述地面终端k与所述低轨卫星始终保持通讯状态，所述导频信号是指为了测量或者监控而发出的信号，所述上行调制信号是指具有特征性的目标信号，具体地，在所述步骤S101中，所述上行调制信号可以经过解扩解调得到短帧进而得出所述地面终端k的相关信息。

本领域技术人员理解，所述步骤S101的目的是通过接收所述上行调制信号，得出所述地面终端k的短帧以及所述地面终端k的ID信息，进而通过所述地面终端k的相关信息，进行所述上行链路准同步时间精确测量算法。所述短帧由3个部分组成：同步头、帧头以及所述地面终端的ID信息，更为具体地，上行短帧中同步头优选地为全‘0’或全‘1’序列，用于所述卫星对所述短帧信号进行捕获、跟踪，所述短帧信号的长度根据所述捕获、跟踪时间长度来确定，所述帧头用于所述低轨卫星确定帧的类型，所述低轨卫星检测到匹配帧头将产生帧指示信号，用于停止所述低轨卫星接收机中星地时差测量。

接着，进入步骤S102，基于所述上行调制信号，解扩解调出上行短帧，并得到所述地面终端k的ID信息。所述基于所述上行调制信号，解扩解调出上行短帧，并得到所述地面终端k的ID信息的目的是为了根据所述地面终端k的相关信息以及所述帧头的相关信息，实现所述低轨卫星通信的上行链路准同步时间精确测量方法。

本领域技术人员理解，所述低轨卫星在接收到所述上行调制信号后，需要对所述上行调制信号进行解扩解调，所述上行调制信号是通过载波的形式进行消息交换的，具体地，所述载波在发送之前，需对所述载波进行调制，使所述载波具有所述地面终端k的ID信息等等 特征，进一步地，所述低轨卫星接收到所述载波信息后，移除所述载波消息的扩频码并对所述载波信息进行消息恢复，优选地，所述上行短帧可以采用m序列扩频，帧头为16bit或32bit特征字，用户ID可以根据用户的数量进行调整，本领域技术人员理解，这属于本发明的具体实施方式，并不影响本发明的技术方案，在此不予赘述。

本领域技术人员理解，所述过程即为解扩解调的过程。进一步地，为了更好的理解所述低轨卫星得到所述地面终端k的ID信息的过程，在所述步骤中结合了现有解扩解调的相关知识，在此不予赘述。

然后进入步骤S103，确定与所述上行调制信号对应的计数值δ_k(N)，所述低轨卫星从卫星本地时间基准1pps起始时刻开始计数，并在接收到所述上行调制信号后停止计数以确定所述计数值δ_k(N)，所述步骤的目的是为了通过所述计数值δ_k(N)，以及所述采用计数装置的频率，计算出相对应的时间，所述相对应的时间将在具体的实施例中讲到，在此不予赘述。

本领域技术人员理解，所述1pps时间基准是指秒脉冲，具体地，所述低轨卫星始终保持着与所述地面终端k之间的信息交互，进一步地，在某一时刻时，在根据本发明提供的方法完成补偿后，从逻辑上看，所述低轨卫星与所述地面终端k本地时间基准1pps对齐，并在所述时刻，开始计数，优选地，以上行短帧的帧头起始点作为对齐标准，进一步地，在接收到下一个所述上行调制信息后，停止所述计数，并获得所述计数值δ_k(N)。本领域技术人员理解，在所述时刻时，所述低轨卫星和所述地面终端的物理意义上的本地时间基准1pps并未对齐，但所述低轨卫星在每一秒1PPS信号起始时刻开始计数，从而使得其可以达到时间对齐的发明效果。

本领域技术人员理解，所述计数的装置可以采用时钟进行计数，进一步的，为了更加精确的对所述地面终端k以及所述低轨卫星进行准同步，所述时钟优选地采用0.1ppmOCXO，即一种高稳定度高速时钟，进一步地，每一秒时间内高稳定度高速的进行计数。

再然后，进入步骤S104，根据多普勒频偏计算所述上行短帧帧 头实际时间长度计数值δ_frame(N)，本领域技术人员理解，所述地面终端k与所述低轨卫星之间存在着相对运动，根据所述多普勒效应，在所述步骤S103中所得到的计数值与实际计数值之间会存在差异，进一步地，根据多普勒频偏计算所述上行短帧帧头实际时间长度计数值δ_frame(N)。所述步骤的目的是排除所述多普勒频偏效应所带来的误差，使所述计算结果更为精确。

本领域技术人员理解，所述计数值δ_frame(N)与星地时间基准偏差值相对应，优选地，根据捕获模块及跟踪环路得到所述多普勒频偏，具体地，所述捕获模块以及所述跟踪环路置于所述低轨卫星中，并根据所述地面终端k以及所述低轨卫星之间的交互，进行相应的工作。具体地，计算所述短帧帧头实际时间长度计数值δ_frame(N)，需根据所述捕获模块提供初始多普勒频偏，同时根据跟踪环路每ms量级提供实时跟踪频率值，频率值具体实现时表征为NCO控制字，为保证测量及计算精度，所述NCO位宽选择为32bit以上。本领域技术人员理解，所述捕获模块以及所述跟踪环路的获得属于目前现有技术，并不影响本发明的技术方案，在此不予赘述。

在执行完步骤S104后，进入步骤S105，计算所述低轨卫星与所述地面终端k的时差其中，所述f_clk为所述低轨卫星的工作时钟频率，所述步骤的目的是根据计数值δ_k(N)以及计数值δ_frame(N)，并通过公式进而得出所述低轨卫星与所述地面终端k的时差。完成所述低轨卫星与所述地面终端的时间同步。

本领域技术人员理解，由步骤S103得出所述计数值δ_k(N)，由步骤S103得出所述计数值δ_frame(N)，进一步地，根据所述低轨卫星的工作时钟频率，所述低轨卫星的工作时钟频率为常量，我们可以得知  ${\mathrm{\δ}}_k\left(t\right)=1s-\frac{{\mathrm{\δ}}_k\left(N\right)-{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{frame}}\left(N\right)}{f_{\mathrm{clk}}\left(\mathrm{Hz}\right)}\left(s\right).$

最后，进入步骤S106，将所述地面终端k的ID信息以及所述时差δ_k(t)插入下行导频帧下发。所述低轨卫星在得出所述时差δ_k(t)后， 将所述时差δ_k(t)以及所述地面终端k的ID信息经过调制，使所述载波具有上述信息，进一步地，插入下行导频帧下发。所述步骤的目的是将所述时差发送给所述地面终端k，并调整所述时间，完成同步。

本领域技术人员理解，所述将所述地面终端k的ID信息下发是为了使地面终端k识别所述信号，在所述ID信息与所述地面终端ID信息相匹配后，进行交互以及时间同步。

图2示出根据本发明的一个具体实施方式的，根据低轨卫星通信的上行链路准同步时间精确测量方法中基于所述上行调制信号，解扩解调出上行短帧，并得到所述地面终端k的ID信息的流程示意图，进一步地，图2是为了更好的说明在步骤S102中，所述低轨卫星得到所述上行短帧后的具体工作流程，具体地，包括如下步骤：

首先，进入步骤S201，基于所述上行调制信号进行解扩解调以获得上行短帧，本领域技术人员理解，所述上行调制信号在被所述低轨卫星接收后，不经过所述解扩解调，是无法识别的，所述解扩是移除所述扩频码的过程，所述解调是恢复消息的过程，进一步地，本领域技术人员理解，在所述步骤S201之前，所述地面终端k优选地将上行短帧扩频，并将所述扩频后的信号进行载波调制，得到所述上行调制信号，并将所述上行调制信号通过天线发送给所述低轨卫星，具体地，所述地面终端k的具体工作流程将在具体的实施方式中讲到，在此不予赘述。

然后，进入步骤S202，基于所述上行短帧帧头获取帧指示。本领域技术人员理解，所述上行短帧可以按照MAC层分为3层，分别为同步头，帧头以及地面终端ID，所述低轨卫星依次得到帧头以及所述地面终端的ID信息。

本领域技术人员理解，所述帧头用于所述低轨卫星确定所述帧的类型，进一步地，所述低轨卫星监测到匹配帧头将产生帧指示，所述帧指示用于停止卫星接收机中的星地时差测量程序。

再然后进入步骤S203，记录帧指示到达时间。所述步骤的目的是为了确定所述计数值δ_k(N)，具体地，所述低轨卫星本地时间基准1pps起 始时刻，作为时间测量的起始点，由1pps脉冲信号上升沿触发，每一秒时间内使用高稳定度高速时钟进行累加计数，进一步地，在获取到所述短帧帧指示后，停止计数，并得到计数值δ_k(N)，计数值δ_k(N)与到达时间 相对应。

最后，进入步骤S204，获得所述地面终端k的ID信息。所述步骤是为了识别所述低轨卫星所获取信息的来源，具体地，所述低轨卫星所覆盖的范围中，有若干个所述地面终端，为了区分所述每个地面终端，需对所述地面终端进行编号，本领域技术人员理解，所述ID信息可以是数字、英文、图案等等，所述ID信息针对每个所述地面终端具有唯一性、不可重复性。

优选地，所述上行短帧帧头正确解调完成之后，所述低轨卫星的接收机产生所述帧指示信号，说明所述上行短帧到达。

优选地，所述步骤S203与所述步骤S204可以合并，记录帧指示到达时间并获得所述地面终端k的ID信息，本领域技术人员理解，所述步骤S203以及所述步骤S204可以是同时进行，也可以是先执行步骤S204然后执行步骤S203，这属于本发明的具体实施方式，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，一种地面终端k中与低轨卫星通信的上行链路准同步时间辅助精确测量方法的流程示意图，本领域技术人员理解，图3示出的是所述地面终端k的具体工作流程，包括如下步骤：

首先，进入步骤S301，对下行导频信道进行解扩解调。优选地，所述低轨卫星与所述地面终端不间断的进行着信号交互，所述步骤可以是所述交互过程中任意一次交互时所执行的流程，具体地，根据所述步骤S101至步骤S106，所述地面终端k接收来自于所述低轨卫星的导频信号，进一步地，对所述导频信号进行解扩解调，本领域技术人员理解，所述解扩解调与所述步骤S102中的解扩解调是一个原理，在此不予赘述。

然后，进入步骤S302，将上行短帧帧头起始点与地面终端k本地时间基准1pps对齐，并在此时刻，即将所述上行短帧进行扩频。所述步骤的目的是为了能使所述低轨卫星和所述地面终端的时间基准都是以1pps对齐，进一步地，将所述上行短帧帧头起始点与所述地面终端k时间基准1pps对齐，使所述低轨卫星在进行所述计数运算时有一个起始参照点。

再然后，进入步骤S303，将扩频后的信号进行载波调制得到上行调制信号。具体地，所述步骤中将所述扩频后的信号进行载波调制得到上行调制信号与所述步骤S106中的载波调制原理相同，在此不予赘述。

最后，进入步骤S304，将所述上行调制信号通过天线发送给所述低轨卫星。所述步骤的目的是通过所述交互过程，实现所述地面终端k与所述低轨卫星的准同步，进一步地，所述上行调制信号中包括所述地面终端k的ID信息以及所述短帧。

图4示出根据本发明的一个具体例的，所述低轨卫星与多个所述地面终端的结构拓扑图，具体地，是所述低轨卫星通信系统的系统架构示意图，更为具体地，一个低轨卫星可以覆盖有若干个所述地面终端，如图所示，所述低轨卫星覆盖有4个地面终端，分别为地面终端1、地面终端2、地面终端k以及地面终端4，所述低轨卫星通信系统包括两个组成部分：连续发射导频信号的低轨卫星和该卫星覆盖区域内若干地面终端，各地面终端以码分多址方式接入系统。

低轨卫星的主要功能是接收各地面终端上发的短帧与业务帧，获取地面终端的ID信息，精确测量星地时差信息，并在导频中下发时差信息，导频信号供地面终端接收处理。

地面终端的主要功能有持续跟踪接收卫星下发的导频信号，从导频信号提取多普勒频移等信号动态特性、用户ID、时差等在内的相关信息，上发短帧供卫星提取用户ID与时差信息，根据从导频获取的时差以及计算得到的时延变化量调整发射时刻，上发业务帧供卫星 接收。

图5示出根据本发明的一个具体实施方式的，一种低轨卫星通信的上行链路准同步时间精确测量方法的流程时序图。具体地，如图所示，地面终端k在完成下行导频信道的解扩解调后，将上行短帧帧头起始点与地面终端k本地时间基准1pps对齐，在此时刻即将上行短帧进行扩频，再将扩频后的信号进行载波调制，得到上行调制信号，然后将上行调制信号通过天线发送给所述低轨卫星，所述低轨卫星接收到所述上行调制信号后，从中解扩解调出上行短帧，通过所述短帧帧头获取帧指示，并记录帧指示到达时间得到所述地面终端k的ID信息，卫星本地时间基准1pps起始时刻，即T_sys(t)时刻，作为时间测量清零时刻点，由1pps脉中信号上升沿触发，每一秒时间内使用高稳定度高速时钟进行累加计数，在获取到短帧帧指示后停止计数，得到计数值δ_k(N)，计数值δ_k(N)与到达时间相对应，根据捕获模块及跟踪环路得到的多普勒频偏，计算短帧帧头实际时间长度计数值δ_frame(N)，计数值与星地时间基准偏差值相对应，根据步骤S103得到的计数值δ_k(N)以及工作时钟频率f_clk计算得到时差 所述低轨卫星将得到的地面终端k的ID信息以及得到的时差δ_k(t)插入下行导频帧下发。

进一步地，参考上述实施例，本领域技术人员理解，本发明的技术解决问题是：低轨卫星上行链路准同步接入对于星地时间基准偏差测量精度要求严格，需达到数十纳秒量级，提供一种星地时间基准偏差精确测量方法，该方法能够保证单星双向授时的卫星通信上行链路星地时间基准偏差测量精度，使各终端上行到达时间仅存在码片级的相对时延，从而满足上行链路准同步接入对于星地时间基准偏差精度的要求。

本发明的技术解决方案是：一种低轨卫星通信的上行链路准同步时间精确测量方法，参与该方法的设备有连续发射导频信号的低轨卫星和该卫星覆盖区域内若干地面终端，各地面终端以码分多址方式接 入系统，其特征在于步骤如下：

(1)地面终端k在完成下行导频信道的解扩解调后，将上行短帧帧头起始点与地面终端k本地时间基准1pps对齐，在此时刻即将上行短帧进行扩频，再将扩频后的信号进行载波调制，得到上行调制信号，然后将上行调制信号通过天线发送给卫星；

(2)卫星接收到步骤(1)发送的上行调制信号后，从中解扩解调出上行短帧，通过短帧帧头获取帧指示，并记录帧指示到达时间 得到地面终端k的ID信息；

(3)卫星本地时间基准1pps起始时刻，即T_sys(t)时刻，作为时间测量清零时刻点，每一秒时间内使用高稳定度高速时钟进行累加计数，步骤(2)获取的短帧帧指示将停止计数，得到计数值δ_k(N)，计数值δ_k(N)与到达时间相对应；

(4)根据捕获模块及跟踪环路得到的多普勒频偏，计算短帧帧头实际时间长度计数值δ_frame(N)，计数值与星地时间基准偏差值相对应，根据步骤(3)得到的计数值δ_k(N)以及工作时钟频率f_clk计算得到时差 ${\mathrm{\δ}}_k\left(t\right)=1s-\frac{{\mathrm{\δ}}_k\left(N\right)-{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{frame}}\left(N\right)}{f_{\mathrm{clk}}\left(\mathrm{Hz}\right)}\left(s\right);$

(5)卫星将步骤(2)得到的地面终端k的ID信息以及步骤(4)得到的时差δ_k(t)插入下行导频帧下发；

所述地面终端k为低轨卫星覆盖区域内任一终端，其他终端的工作流程同地面终端k。

所述卫星与地面终端的时刻和δ_k(N)均以本地1pps时间信号以及高精度计数值作为依据。

所述步骤(1)中上行短帧信号MAC层结构包括：同步头、帧指示和用户ID信息。

所述步骤(1)中上行短帧帧头在进行载波调制前，帧头与终端k本地时间基准1pps信号对齐。

所述步骤(2)中上行短帧帧头正确解调完成之后，卫星接收机 产生帧指示信号，说明上行短帧到达。

所述步骤(3)中高稳定度高速时钟采用0.1ppmOCXO提供。

所述步骤(3)中通过卫星接收机高精度计数，避免常规方法中使用扩频码相位作为时间依据存在的问题，使用长码接收机实现复杂度较高，使用短码存在周期模糊实现同样复杂度较高，扩频码选用生成简单的m序列或GOLD序列。

所述步骤(4)中低轨卫星高动态导致发射信号存在符号展宽或者压缩，通过捕获跟踪环路得到多普勒频偏，计算短帧帧头实际时间长度δ_frame(N)，提高星地时间基准偏差测量精度。

进一步地，参考上述图4，其示出了本发明所述低轨卫星通信系统的系统架构示意图，包括两个组成部分：连续发射导频信号的低轨卫星和该卫星覆盖区域内若干地面终端，各地面终端以码分多址方式接入系统。

低轨卫星：接收各地面终端上发的短帧与业务帧，获取地面终端的ID信息，精确测量星地时差信息，并在导频中下发时差信息，导频信号供地面终端接收处理。

地面终端：持续跟踪接收卫星下发的导频信号，从导频信号提取多普勒频移等信号动态特性、用户ID、时差等在内的相关信息，上发短帧供卫星提取用户ID与时差信息，根据从导频获取的时差以及计算得到的时延变化量调整发射时刻，上发业务帧供卫星接收。

更进一步地，图5示出了一个优选实施例中，本发明的低轨卫星通信上行链路准同步接入方法的实现时序图，该过程中所述地面终端k为低轨卫星覆盖区域内任一终端，其他终端的工作流程同地面终端k。

具体步骤如下：

(1)地面终端k在完成下行导频信道的解扩解调后，将上行短帧帧头起始点与地面终端k本地时间基准1pps对齐，在此时刻即 将上行短帧进行扩频，再将扩频后的信号进行载波调制，得到上行调制信号，然后将上行调制信号通过天线发送给卫星；

时刻与终端本地时间基准1pps信号相对应，1pps信号由本地晶振产生，间隔1s时间产生0.1ms脉宽的脉冲信号，作为终端时间基准信号。例如，下表示出了上行短帧信号MAC层结构：

W1	W2	W3
			同步头	帧头	用户ID

其中，上行短帧中同步头为全‘0’或全‘1’序列，用于辅助卫星对短帧信号进行捕获、跟踪，其长度根据捕获、跟踪时间长度确定，帧头用于卫星确定帧类型，卫星检测到匹配帧头将产生帧指示信号，用于停止卫星接收机中星地时差测量。

上行短帧采用m序列扩频，帧头为16bit或32bit特征字，用户ID视用户数量可调整。

(2)卫星接收到步骤(1)发送的上行调制信号后，从中解扩解调出上行短帧，通过短帧帧头获取帧指示，并记录帧指示到达时间 得到地面终端k的ID信息；

(3)卫星本地时间基准1pps起始时刻，即T_sys(t)时刻，作为时间测量清零时刻点，由1pps脉中信号上升沿触发，每一秒时间内使用高稳定度高速时钟进行累加计数，步骤(2)获取的短帧帧指示将停止计数，得到计数值δ_k(N)，计数值δ_k(N)与到达时间相对应；

(4)根据捕获模块及跟踪环路得到的多普勒频偏，计算短帧帧头实际时间长度计数值δ_frame(N)，计数值与星地时间基准偏差值相对应，根据步骤(3)得到的计数值δ_k(N)以及工作时钟频率f_clk计算得到时差  ${\mathrm{\δ}}_k\left(t\right)=1s-\frac{{\mathrm{\δ}}_k\left(N\right)-{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{frame}}\left(N\right)}{f_{\mathrm{clk}}\left(\mathrm{Hz}\right)}\left(s\right);$

(5)卫星将步骤(2)得到的地面终端k的ID信息以及步骤(4)得到的时差δ_k(t)插入下行导频帧下发。

更进一步地，图6示出本发明的卫星星地时间基准偏差精确测量实现图。

具体步骤如下：

(1)卫星本地时间基准1pps起始时刻，即T_sys(t)时刻，作为时间测量清零时刻点，由1pps脉冲信号上升沿触发，每一秒时间内使用高稳定度高速时钟进行累加计数；

(2)卫星解扩解调出上行短帧，通过短帧帧头获取帧指示，并记录帧指示到达时间得到地面终端k的ID信息。获取的短帧帧指示将停止计数，得到计数值δ_k(N)，计数值δ_k(N)与到达时间相对应；

(3)根据捕获模块及跟踪环路得到的多普勒频偏，计算短帧帧头实际时间长度计数值δ_frame(N)，计数值与星地时间基准偏差值相对应，根据步骤(2)得到的计数值δ_k(N)以及工作时钟频率f_clk计算得到时差 ${\mathrm{\δ}}_k\left(t\right)=1s-\frac{{\mathrm{\δ}}_k\left(N\right)-{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{frame}}\left(N\right)}{f_{\mathrm{clk}}\left(\mathrm{Hz}\right)}\left(s\right);$

进一步地，本领域技术人员理解，计算短帧帧头实际时间长度计数值δ_frame(N)，需根据捕获模块提供初始多普勒频偏，同时根据跟踪环路每ms量级提供实时跟踪频率值，频率值具体实现时表征为NCO控制字，为保证测量及计算精度，NCO位宽选择为32bit以上。由初始多普勒频偏以及多普勒变化率估计短帧帧头时间长度。

参考上述图1至图6，本领域技术人员理解，本发明公开了一种基于单星双向授时的卫星通信上行链路准同步时间精确测量方法。包括上述方法的终端扩频序列的选择、误差分析、测试方法以及实现步骤。本发明适用于单星或无重叠覆盖区的多星通信系统，用于卫星载荷精确测量卫星与地面终端时间基准偏差量，保证几十纳秒量级的准同步窗口范围。

进一步地，参考上述实施例，本领域技术人员理解，本发明中所采用的捕获模块系结合上述实施例予以实施，在此基础上，可以进一 步参考《GPS原理与应用》(电子工业出版社，寇艳红译)第五章以及《CDMA系统工程手册》(人民邮电出版社)第七章，在此不予赘述。

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 (9)

1.一种低轨卫星通信的上行链路准同步时间精确测量方法，所述低轨卫星连续发射导频信号并与所述低轨卫星覆盖区域内若干地面终端通讯，所述若干地面终端以码分多址方式接入所述低轨卫星，其特征在于，包括如下步骤：

a.接收来自所述地面终端k的上行调制信号；

b.基于所述上行调制信号，解扩解调出上行短帧，并得到所述地面终端k的ID信息；

c.确定与所述上行调制信号对应的计数值δ_k(N)，所述低轨卫星从卫星本地时间基准1pps起始时刻开始计数，并在接收到所述上行调制信号后停止计数以确定所述计数值δ_k(N)；

d.根据多普勒频偏计算所述上行短帧帧头实际时间长度计数值δ_frame(N)；

e.计算所述低轨卫星与所述地面终端k的时差其中，所述f_clk为所述低轨卫星的工作时钟频率；

f.将所述地面终端k的ID信息以及所述时差δ_k(t)插入下行导频帧下发。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤b包括如下步骤：

b1.基于所述上行调制信号进行解扩解调以获得上行短帧；

b2.基于所述上行短帧帧头获取帧指示；

b3.记录帧指示到达时间

b4.获得所述地面终端k的ID信息。

3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述步骤b2包括如下步骤：所述上行短帧帧头正确解调完成之后，所述低轨卫星的接收机产生所述帧指示信号，说明所述上行短帧到达。

4.根据权利要求2或3所述的测量算法，其特征在于，在所述步骤c中，所述低轨卫星每一秒时间内使用高稳定度高速时钟进行累加计数，并在获取所述上行短帧帧指示时停止计数，从而确定所述计数值δ_k(N)。

5.根据权利要求4所述的测量算法，其特征在于，所述高稳定度高速时钟采用0.1ppmOCXO。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的测量算法，其特征在于，根据捕获模块及跟踪环路得到所述多普勒频偏。

7.一种地面终端k中与低轨卫星通信的上行链路准同步时间辅助精确测量方法，所述低轨卫星连续发射导频信号并与所述低轨卫星覆盖区域内若干地面终端通讯，所述若干地面终端以码分多址方式接入所述低轨卫星，其特征在于，包括如下步骤：

i.对下行导频信道进行解扩解调；

ii.将上行短帧帧头起始点与地面终端k本地时间基准1pps对齐，并在此时刻，即将所述上行短帧进行扩频；

iii.将扩频后的信号进行载波调制得到上行调制信号；

iv.将所述上行调制信号通过天线发送给所述低轨卫星。

8.根据权利要求7所述的辅助精确测量方法，其特征在于，所述上行短帧信号MAC层结构包括：同步头、帧指示和用户ID信息。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的测量算法和/或根据权利要求8或9所述的辅助精确测量方法，其特征在于，所述低轨卫星与所述地面终端k的时刻和δ_k(N)均以本地1pps时间信号以及高精度计数值作为依据。