CN104702547A - 一种联合导频信息和卫星星历的多普勒频移估计与补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种联合导频信息和卫星星历的多普勒频移估计与补偿方法，包括步骤：a.一地面终端k接收来自低轨卫星的导频信号；b.地面终端k基于导频信号获取最新时刻t_k的卫星星历数据、载波的频率和相位以及伪码的频率和相位；c.基于最新时刻t_k对应的导频信号的卫星星历信息、载波频率、相位以及伪码的频率、相位计算地面终端k与低轨卫星之间的多普勒频移；d.基于多普勒频移进行伪码频率及载波频率的调整，在发射上行信号时进行多普勒补偿。本发明优先采用高精度、计算量小的导频法进行多普勒频移的估计与补偿，在有高大的建筑物遮挡等原因而导致终端突然接收不到导频信号时，用高精度的轨道星历法进行多普勒频移的估计与补偿。

Description

一种联合导频信息和卫星星历的多普勒频移估计与补偿方法

技术领域

本发明涉及卫星通讯领域，尤其是低轨卫星通讯领域，具体地，涉及一种联合导频信息和卫星星历的多普勒频移估计与补偿方法。

背景技术

在低轨卫星通信领域，当地面终端和卫星进行通信时，由于二者之间存在相对高速运动，产生很大的相对径向速度，会使星地通信系统上下行信号呈现较大并且时变的频率偏移等动态特性，尤其对于高动态的终端，这种变化更为剧烈。多普勒效应会严重影响通信系统的性能，使通信链路上的信号载波频率和扩频伪码的码片速率发生不同程度的偏移，这会给接收机的数字解调造成一定的困难。从星上接收角度看，首先需要较长的时间用以捕获和跟踪多普勒频移，这将降低系统的效率和容量；其次星上需要较复杂的算法以及大量的硬件资源去处理多普勒频移。因此，为了保证通信的质量与可靠性，必须实时估计出在可通信范围内卫星与终端之间的多普勒频移的大小及变化规律，并及时给出相应的补偿。

地面终端进行多普勒补偿对保证星地通信质量有重要作用。终端首先估计出多普勒频移的变化范围及变化规律，然后将多普勒频偏附加在上行信号的伪码及载波频率上，以抵消卫星和终端实际相对运动带来的多普勒频偏，使得星上接收机接收到一个没有频偏或者频偏很小的信号，从而大大减小星上接收机捕获阶段对频偏的搜索范围，对简化星载接收机的设计、提高系统的效率和容量有重要意义。

多普勒频移的估计一般都是根据卫星和终端之间的相对运动场景进行几何化，然后求取相对径向速度，得到多普勒频移的变化规律，据此进行相应的多普勒补偿。然而由于终端的动态变化的不规律性以及客观条件的影响与忽略，使得多普勒的估计与补偿算法往往存在精度不高的问题，一些精度较高的多普勒频移估计与补偿算法的计算量一般又很大，这样就会对整个通信系统的性能的提高上有所限制。另外，进行多普勒补偿时很少考虑到特殊的通信环境。

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联合导频信息和卫星星历的多普勒频移估计与补偿方法。

根据本发明的一个方面，提供一种联合导频信息和卫星星历的多普勒频移估计与补偿方法，用于一低轨卫星与所述低轨卫星覆盖区域内若干地面终端k通讯，所述低轨卫星连续发射导频信号，所述若干地面终端k以码分多址方式接入所述低轨卫星，包括如下步骤：

a.一地面终端k接收来自所述低轨卫星的导频信号；

b.所述地面终端k基于所述导频信号获取最新时刻t_k的卫星星历数据、载波的频率和相位以及伪码的频率和相位；

c.基于所述最新时刻t_k对应的导频信号的卫星星历数据、载波频率、相位以及伪码的频率、相位计算地面终端k和低轨卫星之间的多普勒频移；

d.基于所述多普勒频移进行伪码频率及载波频率的调整，在发射上行信号时进行多普勒补偿。

优选地，在所述步骤b中还包括如下步骤：

-存储所述最新时刻t_k的卫星星历数据。

优选地，所述卫星星历数据至少包括如下数据中的任一种或任多种：

-1个参考时刻；

-相应所述参考时刻的6个开普勒轨道参数；以及

-相应所述参考时刻的相应的轨道摄动修正参数等。

优选地，所述步骤d之前还包括如下步骤：

-当所述地面终端k能够收到低轨卫星发送的导频信号且不间断时，所述地面终端k根据导频信号的载波频率和相位以及伪码频率和相位准确计算出当前时刻对应的地面终端k和低轨卫星之间的多普勒频移Δf₁；

-当所述地面终端k接收不到所述导频信号时，所述地面终端k根据所述卫星星历数据以及所述地面终端k自身的地理位置准确计算出当前时刻对应的地面终端k和低轨卫星之间的多普勒频移Δf₂。

优选地，根据被存储的多个时刻卫星星历数据计算所述当前时刻所述低轨卫星的轨道信息。

优选地，所述轨道信息至少包括如下信息中的任一种或任多种：

-所述低轨卫星的地理位置信息的动态变化信息；以及

-所述当前时刻所述低轨卫星的速度信息。

优选地，在所述步骤b中还包括步骤：

-存储所述最新时刻t_k所述地面终端k的地理位置信息。

优选地，所述导频信号的MAC层结构包括：帧头和帧内容，所述帧内容至少包括终端ID、终端与卫星时差、卫星轨道、帧计数字中的任一项或任多项。

优选地，通过如下公式计算所述地面终端k和低轨卫星之间的多普勒频移：

Δf₁＝f_r ^m-f_t ^s，其中，所述f_r ^m为所述导频信号对应的伪码或载波频率，所述f_t ^s为所述低轨卫星发射的下行信号的伪码或载波标称频率。

优选地，在所述步骤d中，所述多普勒补偿是通过DDS直接数字频率合成模块实现，多普勒频移控制字通过DDS频率合成的结果Δf_doppler为多普勒频移的实际频率数值。

优选地，所述多普勒频移既可以代表伪码的多普勒频移，也可以代表载波的多普勒频移。

优选地，所述多普勒补偿时，既要对伪码多普勒进行补偿，也要对载波多普勒进行补偿。

优选地，所述伪码和载波的多普勒频移的计算方式与补偿方式完全相同。

本领域技术人员理解，本发明通过采用两种高精度的多普勒频移的估计与补偿方案，优先采用高精度、计算量小的导频法进行多普勒频移的估计与补偿，在有高大的建筑物遮挡等原因而导致终端突然接收不到导频信号时，采用备选方案，即用高精度的轨道星历法进行多普勒频移的估计与补偿。本发明克服了低轨卫星通信系统中多普勒补偿方法的精度受限和计算量大的问题，对通信系统中捕获跟踪的性能有很大提高，同时能保证终端处于特殊环境中时与卫星的正常通信与通信质量，尤其适合于具有高大建筑物或树木的城市或森林等特殊环境中的终端和卫星通信链路系统。

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示出了本发明的一个具体实施方式，在不出现卫星与终端失去连接或者终端接收不到导频信号的情况下，一种联合导频信息和卫星星历的多普勒频移估计与补偿方法的实施流程图；

图2示出的是一种联合导频信息和卫星星历的多普勒频移估计与补偿方法的实施流程图；

图3为根据本发明的一个优选实施例的，支持准同步系统的系统架构示意图；以及

图4为根据本发明的一个优选实施例的，联合导频信息和卫星星历的多普勒频移的估计与补偿方法的实现过程图。

具体实施方式

图1示出了本发明的一个具体实施方式，在不出现卫星与终端失去连接或者终端接收不到导频信号的情况下，一种联合导频信息和卫星星历的多普勒频移估计与补偿方法的实施流程图，具体地，包括如下步骤：

首先，进入步骤S101，一地面终端k接收来自所述低轨卫星的导频信号。所述地面终端k接收所述导频信号的目的是为了确认所述低轨卫星所发出的交互确认信息能有效的被所述地面终端k接收，进一步地，得到所述低轨卫星的交互信息。具体地，所述地面终端是指在所述低轨卫星覆盖范围内的用于与所述低轨卫星取得联系并产生交互的交互处理装置，所述若干地面终端以码分多址接入所述低轨卫星，所述地面终端k是指若干地面终端中的一个，所述导频信号是指包含有MAC层结构的信号，进一步地，为了方便与所述低轨卫星进行有效的交互，所述MAC层结构包括：帧头和帧内容，所述帧内容至少包括终端ID、终端与卫星时差、卫星轨道、帧计数字中的任一项或任多项，进一步地，所述地面终端k获得所述导频信号，并持续跟踪导频信号对所述导频信号中的帧内容进行解析，从而得到卫星星历数据、载波的频率和相位以及伪码的频率和相位。

然后，进入步骤S102，所述地面终端k基于所述导频信号获取最新时刻t_k的卫星星历数据、载波的频率和相位以及伪码的频率和相位。具体地，优选地，所述卫星星历数据包括1个参考时刻；相应所述参考时刻的6个开普勒轨道参数；以及相应所述参考时刻的相应的轨道摄动修正参数等。进一步地，所述最新时刻t_k是通过所述地面终端k以及所述低轨卫星共同确定的，具体地，在所述地面终端k与所述低轨卫星获取联系并交互时，所述低轨卫星与所述地面终端k约定在某一标志性时刻，低轨卫星向地面终端k发送导频信号，所述地面终端便从该时刻开始计时，并记录其接收到所述导频信号的所述时刻信息，通过简单计算便可得到最新时刻t_k。

优选地，所述地面终端k基于所述导频信号获取最新时刻t_k的卫星星历数据的步骤中还包括步骤：存储所述最新时刻t_k的卫星星历数据。具体地，地面终端k中应内置一个存储模块，地面终端k接收到导频信号后对导频进行解析，将解析出来的卫星星历数据存在该模块中。更进一步地，所述地面终端k将自身的地理位置信息进行存储。本领域技术人员理解，所述地理位置是通过地面终端k的经度、纬度和高度确定的，根据这些参数及相关公式可以准确计算出所述终端在地心地固坐标系中的坐标。

接着，进入步骤S103，基于所述最新时刻t_k对应的载波频率、相位以及伪码的频率、相位计算地面终端k和低轨卫星之间的多普勒频移Δf₁，所述步骤S103的目的是为了通过所述多普勒频移Δf₁，在所述地面终端k向所述低轨卫星上发信号时进行多普勒补偿。

具体地，所述地面终端k和低轨卫星之间的多普勒频移可以通过如下公式计算：Δf₁＝f_r ^m-f_t ^s，其中，所述f_r ^m为所述导频信号对应的伪码或载波频率，所述f_t ^s为所述低轨卫星发射的下行信号的伪码或载波标称频率，优选地，假设下行时低轨卫星发射伪码或载波频率为f_t ^s，通过多普勒信道后所述地面终端k在t_k时刻接收到信号的伪码或载波频率为f_r ^m，则多普勒频移Δf₁＝f_r ^m-f_t ^s；

最后，进入步骤S104，基于所述地面终端k和低轨卫星之间的多普勒频移进行伪码频率及载波频率的调整，在发射上行信号时进行伪码多普勒频移及载波多普勒频移的补偿。具体地，所述步骤S104的目的是为了确保通信的质量以及可靠性，提高系统效率和容量，所述地面终端k与所述低轨卫星进行通信时，保持着相对高速的运动，所述高速运动会造成频率偏移过大等多普勒效应，从而使得我们的通信性能下降，如果能对所述频率偏移进行一定的补偿，会减小或者消除所述多普勒效应，进一步地，提高了通信的质量。

进一步地，所述多普勒补偿是通过DDS直接数字频率合成模块实现，多普勒频移控制字通过DDS频率合成的结果Δf_doppler为多普勒频移的实际频率数值。具体地，本领域技术人员理解，所述Δf_doppler即为所述多普勒频移的实际频率数值，进一步地，所述地面终端k发射上行信号时对下行信号多普勒频移估计量为Δf_down＝Δf_doppler，具体地，由于该终端接收机在持续地实时跟踪所述导频信号，且跟踪环的更新周期等于符号速率，因此对所述上行信号的多普勒频移估计量Δf_up可近似等于最新时刻t_k对应的对下行信号的多普勒频移估计量，即Δf_up＝Δf_down＝Δf_doppler，所述地面终端k在其发射模块要对上行信号进行伪码频率及载波频率的调整，则所述终端发射上行信号的伪码或载波频率为f_t ^m＝f_r ^m-Δf_down-Δf_up＝f_r ^m-2*Δf_doppler，则所述低轨卫星接收到的信号伪码或载波频率为：

f_r ^s＝f_t ^m+Δf_up＝f_r ^m-2*Δf_doppler+Δf_doppler＝f_r ^m-Δf_doppler≈f_t ^s。

考虑到多普勒补偿的误差，低轨卫星接收到的信号伪码或载波频率和低轨卫星下行发射的伪码或载波频率几乎相等。

本领域技术人员理解，在一个优选地变化例中，当所述地面终端k接收不到来自于所述低轨卫星的导频信号时，所述地面终端k根据所述卫星星历数据以及所述地面终端k自身的地理位置准确计算出当前时刻对应的地面终端k和低轨卫星之间的多普勒频移Δf₂，具体地，所述补偿方式将在具体的实施方式中讲到，在此不予赘述。

更进一步地，所述多普勒频移既可以代表伪码的多普勒频移，也可以代表载波的多普勒频移。

所述多普勒补偿时，既要对伪码多普勒进行补偿，也要对载波多普勒进行补偿。

所述伪码和载波的多普勒频移的计算方式与补偿方式完全相同。

图2示出的是一种联合导频信息和卫星星历的多普勒频移估计与补偿方法的实施流程图，具体地，所述图2介绍了在所述低轨卫星与所述地面终端k交互信息时产生的2个优选地变化例的具体实施方式。

本领域技术人员理解，在步骤S105中，当所述地面终端k接收来自于所述低轨卫星的导频信号且不中断时，执行步骤S103，当所述地面终端k接收不到来自于所述低轨卫星的导频信号时，执行步骤S106。

所述步骤S106是指所述地面终端k根据所述卫星星历数据以及所述地面终端k自身的地理位置准确计算出当前时刻对应的地面终端k和低轨卫星之间的多普勒频移Δf₂。具体地，所述地面终端k根据被存储的多个时刻卫星星历数据计算所述当前时刻所述低轨卫星的轨道信息。所述轨道信息包括所述低轨卫星的地理位置信息的动态变化信息以及所述当前时刻所述低轨卫星的速度信息。进一步地，当所述地面终端k突然接收不到导频信号时，所述地面终端k的内置存储模块提取出所述步骤S101至S102中的所述最新时刻t_k的卫星星历，进一步地，本领域技术人员理解，所述低轨卫星拥有特定的、有规律的运行轨道，根据所述最新时刻t_k的卫星星历以及当时地面终端k的地理位置计算出当前时刻所对应的地面终端k和低轨卫星之间的多普勒频移Δf₂，进一步地，对所述上行链路信号进行多普勒补偿，更进一步地，保证终端和卫星之间的正常通信。

所述多普勒频移既可以代表伪码的多普勒频移，也可以代表载波的多普勒频移。

所述多普勒补偿时，既要对伪码多普勒进行补偿，也要对载波多普勒进行补偿。

所述伪码和载波的多普勒频移的计算方式与补偿方式完全相同。

进一步地，参考上述图1以及图2所示实施例，本领域技术人员理解，本发明公开了一种基于准同步系统的联合导频信息和卫星星历信息的多普勒频移的估计与补偿方法，包括上述方法的原理、实现步骤。本发明采用两种高精度的多普勒频移的估计与补偿方案，优先采用高精度、计算量小的导频法进行多普勒频移的估计与补偿，在有高大的建筑物遮挡等原因而导致终端突然接收不到导频信号时，采用备选方案，即用高精度的轨道星历法进行多普勒频移的估计与补偿。本发明克服了低轨卫星通信系统中多普勒补偿方法的精度受限和计算量大的问题，对通信系统中捕获跟踪的性能有很大提高，同时能保证终端处于特殊环境中时与卫星的正常通信与通信质量，尤其适合于具有高大建筑物或树木的城市或森林等特殊环境中的终端和卫星通信链路系统。

优选地，在一个实施例中，提供了一种基于准同步系统的联合导频信息和卫星星历信息的多普勒频移的估计与补偿方法，其特征在于本方法通过以下步骤实现：

(1)地面终端k和低轨卫星互相可见时，地面终端k开始与低轨卫星通信；

(2)地面终端k和低轨卫星互相可见时，地面终端k持续接收低轨卫星发射机模块通过导频信道发射的导频信号，并持续跟踪该信号的变化；

(3)地面终端k根据步骤(2)中对导频信号的跟踪提取低轨卫星通过导频信号广播的最新时刻t_k的卫星星历数据，并保存在其接收模块的存储模块中，卫星星历主要包括1个参考时刻、相应参考时刻的6个开普勒轨道参数和相应的轨道摄动修正参数等；

(4)地面终端k进行步骤(3)所述的保存最新时刻t_k的星历数据的同时，将相应时刻自身地理位置变化状态实时进行存储；

(5)地面终端k和低轨卫星可见范围内，当地面终端k能够收到低轨卫星发送的导频信号且不间断时，地面终端k根据步骤(2)中其接收机捕获跟踪出来的导频信号最新时刻t_k对应的载波频率、相位和伪码的频率、相位准确计算出多普勒频移Δf₁；

(6)地面终端k和低轨卫星可见范围内，当地面终端k可以连续收到导频信号时，则根据步骤(5)中利用导频信号载波和伪码的频率及相位计算出的最新时刻t_k的地面终端k和低轨卫星之间的多普勒频移Δf₁，指导该终端进行伪码频率及载波频率的调整，在发射上行信号时进行伪码多普勒频移、载波多普勒频移的补偿；

(7)当由于高大的建筑物遮挡等原因造成了地面终端k和低轨卫星可见时该终端突然收不到导频信号时，该终端便可以调用存储模块中存储的最新时刻t_k的卫星星历，根据这些星历参数与其自身的地理位置准确计算出该时刻对应的地面终端k和低轨卫星之间的多普勒频移Δf₂，并据此指导该终端进行伪码频率及载波频率的调整，及时对终端上行链路信号进行伪码多普勒频移、载波多普勒频移的补偿，保证终端和卫星之间的正常通信。

更为具体地，本领域技术人员理解，上述地面终端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，即多个地面终端k与所述低轨卫星进行通讯并实现上述处理流程。

进一步地，在一个优选实施例中，所述准同步系统存在导频信道，所述步骤(2)中的导频信号的MAC层结构包括：帧头和帧内容，这里帧内容包括终端ID、终端与卫星时差、卫星轨道、帧计数字等，并且帧内容都是实时更新的。

更进一步地，在另一个优选实施例中，所述地面终端k和低轨卫星可见时，若该终端可收到下行导频信号，便可准确提取卫星下发的卫星星历数据，并将其进行存储；终端能准确知道其自身经度、纬度和高度等地理位置信息的实时变化情况，并将其进行存储。

更进一步地，在另一个优选实施例中，在所述步骤(5)中，当地面终端k能够接收到低轨卫星下行导频信号时，根据终端接收机捕获跟踪出的信号伪码或载波频率f_r ^m和低轨卫星发射的下行信号的伪码或载波标称频率f_t ^s，便可以计算出最新时刻t_k对应的下行信号的多普勒频移Δf₁＝f_r ^m-f_t ^s。

更进一步地，在另一个优选实施例中，在所述步骤(7)中，根据卫星星历参数可以准确预报出卫星的轨道，主要包括卫星的地理位置信息的动态变化情况，以及相应时刻的卫星的速度信息。

更进一步地，在另一个优选实施例中，在所述步骤(7)中，地面终端k和低轨卫星的相对位置信息已知后，根据几何关系便可计算出最新时刻t_k对应的多普勒频移。

更进一步地，在另一个优选实施例中，首先根据实际通信环境利用导频法或者轨道星历法进行计算，得到地面终端k和低轨卫星可见范围内最新时刻t_k对应的多普勒频移控制字，多普勒频移控制字通过DDS模块频率合成的结果Δf_doppler就是多普勒频移的实际频率数值；地面终端k和低轨卫星可见情况下，当地面终端k能连续收到下行导频信号时，Δf_doppler＝Δf₁，当地面终端k受到建筑物遮挡等原因而突然收不到导频信号时，Δf_doppler＝Δf₂。

更进一步地，在另一个优选实施例中，所述地面终端k发射上行信号时应对下行信号多普勒频移估计量为Δf_down＝Δf_doppler，由于该终端接收机在持续地实时跟踪导频信号，且且跟踪环的更新周期等于符号速率，因此对上行信号的多普勒频移估计量Δf_up可近似等于最新时刻t_k对应的下行信号的多普勒频移估计量，即Δf_up＝Δf_down＝Δf_doppler。

更进一步地，在另一个优选实施例中，假设下行时低轨卫星发射伪码或载波频率为f_t ^s，通过多普勒信道后地面终端k接收到的伪码或载波频率为f_r ^m，经过对上行信号伪码频率及载波频率的调整，当地面终端k发射上行信号的伪码或载波频率为f_t ^m＝f_r ^m-Δf_down-Δf_up＝f_r ^m-2*Δf_doppler时，则低轨卫星接收到的信号的伪码或载波的频率为f_r ^s＝f_t ^m+Δf_up＝f_r ^m-2*Δf_doppler+Δf_doppler＝f_r ^m-Δf_doppler≈f_t ^s。考虑到多普勒补偿的误差，低轨卫星接收到的信号伪码或载波频率和低轨卫星下行发射的伪码或载波频率几乎相等。

更进一步地，所述多普勒频移既可以代表伪码的多普勒频移，也可以代表载波的多普勒频移。

更进一步地，所述多普勒补偿时，既要对伪码多普勒进行补偿，也要对载波多普勒进行补偿。

更进一步地，所述伪码和载波的多普勒频移的计算方式与补偿方式完全相同。

结合上述实施例，本领域技术人员理解，本发明克服了低轨卫星通信系统中多普勒补偿方法的精度受限和计算量大的问题，提供一种基于准同步系统的联合导频信息和卫星星历的多普勒频移估计与补偿方法，该方法能够保证多普勒频移的估计和补偿的精度，同时能够降低运算量，对通信系统中捕获跟踪的性能有很大提高。而相应地，通过本发明得到的有益效果是：(1)采用导频和卫星星历参数来实时准确计算卫星与终端可见范围内每个时间点对应的多普勒频移，同时采用直接数字频率合成(DDS)技术，多普勒补偿精度比较高，实时性比较好。(2)考虑到特殊通信环境中导频信号中断时，可以通过卫星星历进行的多普勒补偿，能够解决终端处于特殊环境下的多普勒补偿问题。

进一步地，图3示出了本发明所述准同步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等，获取地面终端的ID信息、业务信息等，并在导频中下发时差信息、卫星星历信息等，下发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、终端ID、时差等在内的相关信息，上发短帧用来同步卫星和地面终端，上发业务帧供卫星接收。

进一步地，图2为本发明的联合导频信息和卫星星历的多普勒频移的估计与补偿方法的实现过程图，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和低轨卫星互相可见时，地面终端k开始与卫星通信；

(2)地面终端k和低轨卫星互相可见时，地面终端k持续接收低轨卫星发射机模块通过导频信道发射的导频信号，并持续跟踪该信号的变化；

下行导频信号MAC层结构包括帧头和帧内容，帧内容主要包括卫星轨道星历，终端ID，该终端时差δ_k(t)，帧计数字等。

(3)地面终端k根据步骤(2)中对导频信号的跟踪提取低轨卫星通过导频信号广播的最新时刻t_k的卫星星历数据，并保存在其接收模块的存储模块中，卫星星历主要包括1个参考时刻、相应参考时刻的6个开普勒轨道参数和相应的轨道摄动修正参数等；

步骤(2)中获取的导频信号的帧内容中包含卫星轨道星历等内容，收到导频信号后只需对帧内容正确进行解析即可；

(4)地面终端k进行步骤(3)所述的保存最新时刻t_k的星历数据的同时，将相应时刻自身地理位置变化状态实时进行存储；

地面终端k的经度、纬度和高度都是已知的，可以根据这些参数及相关公式可以准确计算出该终端在地心地固坐标系中的坐标；

(5)地面终端k和低轨卫星可见范围内，当地面终端k能够收到低轨卫星发送的导频信号且不间断时，地面终端k根据步骤(2)中其接收机捕获跟踪出来的导频信号最新时刻t_k对应的载波频率、相位和伪码的频率、相位准确计算出多普勒频移Δf₁；

其中，Δf₁的计算方法如下：

假设下行时卫星发射伪码或载波频率为f_t ^s，通过多普勒信道后地面终端k在t_k时刻接收到的信号伪码或载波频率为f_r ^m，则多普勒频移Δf₁＝f_r ^m-f_t ^s；

(6)地面终端k和低轨卫星可见范围内，当地面终端k可以连续收到导频信号时，则根据步骤(5)中利用导频信号载波和伪码的频率及相位计算出的最新时刻t_k的地面终端k和低轨卫星之间的多普勒频移Δf₁，指导该终端进行伪码频率及载波频率的调整，在发射上行信号时进行伪码多普勒频移、载波多普勒频移的补偿；

优选地，所述多普勒补偿方法如下：

所述多普勒补偿是通过DDS直接数字频率合成模块实现，多普勒频移控制字通过DDS频率合成的结果Δf_doppler为多普勒频移的实际频率数值。地面终端k发射上行信号时对下行信号多普勒频移估计量为Δf_down＝Δf_doppler，由于该终端接收机在持续地实时跟踪导频信号，且且跟踪环的更新周期等于符号速率，因此对上行信号的多普勒频移估计量Δf_up可近似等于最新时刻t_k对应的对下行信号的多普勒频移估计量，即Δf_up＝Δf_down＝Δf_doppler；

地面终端k在其发射模块对上行信号进行伪码频率和载波频率的调整，则该终端发射上行信号的伪码或载波频率为f_t ^m＝f_r ^m-Δf_down-Δf_up＝f_r ^m-2*Δf_doppler，则卫星接收到的信号伪码或载波频率f_r ^s＝f_t ^m+Δf_up＝f_r ^m-2*Δf_doppler+Δf_doppler＝f_r ^m-Δf_doppler≈f_t ^s。考虑到多普勒补偿的误差，卫星接收到的信号伪码或载波频率和卫星下行发射的伪码或载波频率几乎相等。

(7)当由于高大的建筑物遮挡等原因造成了地面终端k和低轨卫星可见时该终端突然收不到导频信号时，该终端便可以调用存储模块中存储的最新时刻t_k的卫星星历，根据这些星历参数与其自身的地理位置准确计算出该时刻对应的地面终端k和低轨卫星之间的多普勒频移Δf₂，并据此及时对终端上行链路信号进行多普勒补偿，保证终端和卫星之间的正常通信；

Δf₂的计算方法如下：

根据卫星星历参数可以准确预报出卫星的轨道，计算出各个时间点上卫星在地心地固坐标系中的坐标，进而可以得出相应时刻的卫星的经度、纬度、轨道高度以及卫星的速度信息。

当地面终端k和卫星的经纬度信息或者在地心地固坐标系中的坐标与速度信息已知后，根据几何关系便可计算出地面终端k与低轨卫星之间的多普勒频移Δf₂。

优选地，所述多普勒补偿方法在上述步骤(6)中讲到，在此不予赘述。

所述多普勒频移既可以代表伪码的多普勒频移，也可以代表载波的多普勒频移。

所述多普勒补偿时，既要对伪码多普勒进行补偿，也要对载波多普勒进行补偿。

所述伪码和载波的多普勒频移的计算方式与补偿方式完全相同。

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 (13)

1.一种联合导频信息和卫星星历的多普勒频移估计与补偿方法，用于一低轨卫星与所述低轨卫星覆盖区域内若干地面终端k通讯，所述低轨卫星连续发射导频信号，所述若干地面终端k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.一地面终端k接收来自所述低轨卫星的导频信号；

b.所述地面终端k基于所述导频信号获取最新时刻t_k的卫星星历数据、载波的频率和相位以及伪码的频率和相位；

c.基于所述最新时刻t_k对应的导频信号的卫星星历数据、载波频率、相位以及伪码的频率、相位计算地面终端k和低轨卫星之间的多普勒频移；

d.基于所述多普勒频移进行伪码频率及载波频率的调整，在发射上行信号时进行多普勒补偿。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤b中还包括如下步骤：

-存储所述最新时刻t_k的卫星星历数据。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述卫星星历数据至少包括如下数据中的任一种或任多种：

-1个参考时刻；

-相应所述参考时刻的6个开普勒轨道参数；以及

-相应所述参考时刻的相应的轨道摄动修正参数。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤d之前还包括如下步骤：

-当所述地面终端k能够收到低轨卫星发送的导频信号且不间断时，所述地面终端k根据导频信号的载波频率和相位以及伪码频率和相位准确计算出当前时刻对应的地面终端k和所述低轨卫星之间的多普勒频移Δf₁；以及

-当所述地面终端k接收不到所述导频信号时，所述地面终端k根据所述卫星星历数据以及所述地面终端k自身的地理位置准确计算出当前时刻对应的所述地面终端k和所述低轨卫星之间的多普勒频移Δf₂。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据被存储的多个时刻卫星星历数据计算所述当前时刻所述低轨卫星的轨道信息。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述轨道信息至少包括如下信息中的任一种或任多种：

-所述低轨卫星的地理位置信息的动态变化信息；以及

-所述当前时刻所述低轨卫星的速度信息。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤b中还包括步骤：

-存储所述最新时刻t_k所述地面终端k的地理位置信息。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述导频信号的MAC层结构包括：帧头和帧内容，所述帧内容至少包括终端ID、终端与卫星时差、卫星轨道、帧计数字中的任一项或任多项。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，通过如下公式计算所述地面终端k和所述低轨卫星之间的多普勒频移：

其中，所述为所述导频信号对应的伪码或载波频率，所述为所述低轨卫星发射的下行信号的伪码或载波标称频率。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤d中，所述多普勒补偿是通过DDS直接数字频率合成模块实现，多普勒频移控制字通过DDS频率合成的结果Δf_doppler为多普勒频移的实际频率数值。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述多普勒频移是如下中的任一种：

-代表伪码的多普勒频移；或者

-代表载波的多普勒频移。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，在进行所述多普勒补偿时，既对伪码多普勒进行补偿，也对载波多普勒进行补偿。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，所述伪码和载波的多普勒频移的计算方式与补偿方式相同。