CN105682213A - 一种卫星通信中的同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种卫星通信中的同步方法，包含以下步骤：a，卫星对其GPS模块输出的卫星位置信息进行平滑计算，得到平滑后的卫星位置信息；b，卫星周期性的将平滑后的卫星位置信息进行广播下发，地面终端周期性的发起测距；c，地面终端通过平滑后的卫星位置信息推算得到卫星速度信息，然后根据平滑后的卫星位置信息和推算的卫星速度信息进行轨道外推，再根据轨道外推结果和测距结果，与卫星进行同步。本发明避免了接收所有星历信息，有利于节省星上处理器资源，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，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。

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

在申请号为201110300371.8，名称为“一种卫星通信中的同步方法”的发明专利申请中，公开了一种地面终端根据轨道外推结果和测距结果与卫星进行同步的方法，该方法利用测距结果对轨道外推结果进行补偿，实现结构简单，成本低。然而该方法需要卫星首先对星历(包括卫星位置矢量、速度矢量等轨道参数)进行平滑计算并下发到地面，地面终端再根据接收到的平滑后的星历进行轨道外推。其缺点在于星上处理器需要不少资源来处理星历数据，加重了星上处理器的负担。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种改进后的卫星通信中的同步方法，卫星仅处理星历数据中的位置信息即可，这样可以进一步节省星上处理器资源，该方法包括以下步骤：

a，卫星对其GPS模块输出的卫星位置信息进行平滑计算，得到平滑后的卫星位置信息；

b，卫星周期性的将平滑后的卫星位置信息进行广播下发，地面终端周期性的发起测距；

c，地面终端通过平滑后的卫星位置信息推算得到卫星速度信息，然后根据平滑后的卫星位置信息和推算的卫星速度信息进行轨道外推，再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，先删除较大误差的卫星位置信息。

优选的，步骤c具体为：

c1，地面终端通过平滑后的卫星位置信息推算得到卫星速度信息，然后根据平滑后的卫星位置信息和推算的卫星速度信息进行轨道外推，得到延长时间段的轨道参数；

c2，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；

c3，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，对卫星广播下发卫星位置信息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。

优选的，步骤c采用工程近似算法进行轨道外推。进一步的，所述工程近似算法为数值积分法。

本发明在满足系统性能指标要求的时间范围内，先利用卫星位置信息推算卫星速度信息，再利用本地轨道外推结果进行同步，避免了接收所有星历信息，有利于节省星上处理器资源，在信道条件不好的情况下有利于无线链路的保持，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。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

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模块输出卫星位置信息

卫星GPS模块输出的卫星位置信息包括当前时刻t、当前时刻的卫星位置矢量三轴坐标x、y、z。本实施例的卫星位置坐标矢量均为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。

步骤102、卫星将GPS模块输出的卫星位置信息写入固定长度的平滑缓存

卫星周期性的将连续2N+1个卫星位置矢量写入长度为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 $\sqrt{{(x_i-x_{i-1})}^2+{(y_i-y_{i-1})}^2+{(z_i-z_{i-1})}^2},i=\mathrm{2,3},...,2N+1,$ 将结果大于预设门限值对应的卫星位置矢量删除。

步骤103、进行平滑计算，得到较可靠的卫星位置信息估计结果

进一步将平滑缓存中的卫星位置信息进行平滑。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

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个卫星位置矢量为零时刻卫星位置矢量，平滑后得到的结果即为此时刻的卫星位置矢量结果。写成矩阵形式即

对C采用最小二乘(LS)估计，

则矩阵的第2列即为t_N+1时刻的三轴坐标(b,d,f)。

步骤104、卫星基站以周期T_broadcast将平滑后的卫星位置信息在广播信道中进行下发。

步骤105、地面终端储存至少两个广播卫星位置信息，在接收到新的广播卫星位置信息后以队列形式更新本地存储的卫星位置信息。

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的卫星位置信息推算得到卫星速度信息，再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。

终端获取至少两次卫星位置信息后，就可以根据简单的几何关系推算最新一次位置上对应的卫星速度。推算的具体方法在此不再赘述，本领域熟练人员都应熟悉。终端可以根据自身处理能力选择存储星历的数目(至少两个)：数目较少时，可以根据简单的圆轨道模型推算速度；数目较多时，可以进行椭圆轨道的修正，推算结果可以更精确。

终端得到最新一次的卫星位置和速度后，就可以继续外推得到延长时间的轨道参数。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时刻接收到广播卫星位置信息并存储，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。

Claims (6)

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模块输出的卫星位置信息进行平滑计算，得到平滑后的卫星位置信息；

b，卫星周期性的将平滑后的卫星位置信息进行广播下发，地面终端周期性的发起测距；

c，地面终端通过平滑后的卫星位置信息推算得到卫星速度信息，然后根据平滑后的卫星位置信息和推算的卫星速度信息进行轨道外推，再根据轨道外推结果和测距结果，与卫星进行同步。

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，先删除较大误差的卫星位置信息。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤c具体为：

c1，地面终端通过平滑后的卫星位置信息推算得到卫星速度信息，然后根据平滑后的卫星位置信息和推算的卫星速度信息进行轨道外推，得到延长时间段的轨道参数；

c2，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；

c3，地面终端根据所述距离变化调整同步偏移量，完成同步。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对卫星广播下发卫星位置信息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。

5.根据权利要求1～4所述方法的任意一项，其特征在于步骤c，采用工程近似算法进行轨道外推。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述工程近似算法为数值积分法。