CN107947849B - 一种多信关站同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多信关站同步方法，属于卫星通信技术领域。本发明的多信关站均同步到北斗系统上，无需主信关站发送同步信号，主要是由信关站的定时校正信号、频率校正信号共同计算定时偏移和频率偏移，并对其进行补偿。本发明的特点在于本同步方案针对卫星不发送任何同步参考信号的情景，多个信关站之间通过站间同步参考信号实现相互之间的同步，消除了馈电链路上的定时偏差和频率偏差，能够满足卫星移动通信系统多信关站间的信号同步精度要求，保证了系统的正常运行，是对现有技术的一种重要改进。

Description

一种多信关站同步方法

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，特别是指一种多信关站同步方法。

背景技术

地球同步卫星移动通信系统大多采用TDMA/FDMA体制，因此频率和时间的同步对整个系统的运行至关重要。一方面，相干解调需要非常高的频率稳定度和准确度；另一方面，空中接口的信号以频率和时隙定义，频率和时间的同步是保证发射信号进入正确的频率和时隙的前提条件。

卫星系统地面段包含同时工作的多个信关站，要求多个信关站的发送信号在卫星接收天线处时间严格对齐，载波频率严格符合标称值。国外典型的地球同步卫星移动通信系统Thuraya卫星系统的多信关站同步方案为：卫星连续不断地向地面多个信关站发送一个重复的帧同步序列，此信号中带有同步标识；各个信关站向卫星发送帧参考序列并经卫星转发自行接收，当各个信关站的帧参考序列同步于卫星下发的帧同步序列时，信关站之间的信号都能在卫星天线口面处取得定时同步；此外，信关站再根据接收自己发送的帧参考序列和卫星下发的帧同步序列计算频率偏差，并对频差进行补偿。

但是，现有技术中的方法需要卫星向信关站发送同步信号，或者需要信关站中设计一个主信关站来发送同步信号，实现方式较为复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种多信关站同步方法，其能够在卫星不发送同步信号的情况下，利用卫星对信关站信号的转发而实现多个信关站之间的同步，同步方式简单有效。

基于上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种多信关站同步方法，其在卫星不发送同步信号的情况下，利用卫星对信关站信号的转发而实现多个信关站之间的同步，每个信关站均采用如下步骤：

(1)以不同频率向卫星发送定时校正信号TX_GTR和频率校正信号TX_GFR，并接收由卫星转发返回的定时校正信号RX_GTR和频率校正信号RX_GFR；

(2)计算本站天线口处RX_GTR和TX_GTR之间的时间延迟ΔT，并以ΔT/2作为本站到卫星的时间延迟；

(3)将本站的TX_GTR发送延迟T1S_offset调整为1-ΔT/2，使本站发送的定时校正信号TX_GTR在本站天线口处与北斗授时系统的秒脉冲对齐，从而完成时间同步；

(4)分别计算Rx-GTR和Rx-GFR相对于标称频率的频差，并根据两个频差计算卫星相对于本站的多谱勒偏移系数以及卫星载荷漂移率；

(5)根据多谱勒偏移系数和卫星载荷漂移率，对本站馈电链路的接收频率进行补偿，并校正本站馈电链路的发送频率，从而完成频率同步。

可选的，所述步骤(4)中多谱勒偏移系数和卫星载荷漂移率的计算方式为：

式中：

F_n：表示针对信关站n的由卫星运动所产生的多普勒频移系数，

S_n：表示针对信关站n的卫星载荷漂移率，

F_{GTR_tr_n}：表示信关站n的定时校正信号发送频率，

F_{GTR_re_n}：表示信关站n接收到的定时校正信号的频率标称值，

F_{GTR_rx_n_meas}：表示信关站n接收到的定时校正信号的频率测量值，

F_{GFR_tr_n}：表示信关站n的频率校正信号发送频率，

F_{GFR_re_n}：表示信关站n接收到的频率校正信号的频率标称值，

F_{GFR_rx_n_meas}：表示信关站n接收到的频率校正信号的频率测量值。

可选的，所述步骤(5)中校正后本站馈电链路的发送频率为：

其中，

F_{GTR_tx_n_adj}表示TX_GTR信号的实际应发频率，

F_{GFR_tx_n_adj}表示TX_GFR信号的实际应发频率，

ΔF＝F_{GTR_re_n}-F_{GTR_tr_n}，

F_n表示针对信关站n的由卫星运动所产生的多普勒频移系数，

S_n表示针对信关站n的卫星载荷漂移率，

F_{GTR_re_n}表示信关站n接收到的定时校正信号的频率标称值，

F_{GFR_re_n}表示信关站n接收到的频率校正信号的频率标称值，

F_{GTR_tr_n}表示信关站n的定时校正信号发送频率。

可选的，所述定时校正信号TX_GTR的信号速率为160KBaud，信号帧长为1秒，所述频率校正信号TX_GFR的信号速率为16KBaud，信号帧长为480毫秒。

从上面的叙述可以看出，本发明技术方案的有益效果在于：

1、本发明方法不需要卫星发送同步信号，而仅使用卫星透明转发信关站间的信号，因此减小了卫星负载。

2、本发明同步方法仅需信关站发送两种同步参考信号即可实现定时和频率的同步，实现方式简单。

3、本发明同步方法无需设计主信关站来发送全网同步信号，能够使所有信关站的定时和频率均同步于北斗系统的时间和频率上。

4、本发明同步方法能够满足定时校正和频率校正的精度要求，能够保证卫星移动通信系统的正常运行。

总之，本发明方法简单有效，易于实现，不需要卫星发送同步信号，能够消除馈电链路侧多信关站间信号的同步偏差，特别适用于地球同步卫星移动通信系统，是对现有技术的一种重要改进。

附图说明

为了更加清楚地描述本专利，下面提供一幅或多幅附图，这些附图旨在对本专利的背景技术、技术原理和/或某些具体实施方案做出辅助说明。需要注意的是，这些附图可以给出也可以不给出一些在本专利文字部分已有描述且属于本领域普通技术人员公知常识的具体细节；并且，因为本领域的普通技术人员完全可以结合本专利已公开的文字内容和/或附图内容，在不付出任何创造性劳动的情况下设计出更多的附图，因此下面这些附图可以涵盖也可以不涵盖本专利文字部分所叙述的所有技术方案。此外，这些附图的具体内涵需要结合本专利的文字内容予以确定，当本专利的文字内容与这些附图中的某个明显结构不相符时，需要结合本领域的公知常识以及本专利其他部分的叙述来综合判断到底是本专利的文字部分存在笔误，还是附图中存在绘制错误。特别地，以下附图均为示例性质的图片，并非旨在暗示本专利的保护范围，本领域的普通技术人员通过参考本专利所公开的文字内容和/或附图内容，可以在不付出任何创造性劳动的情况下设计出更多的附图，这些新附图所代表的技术方案依然在本专利的保护范围之内。

图1是本发明实施例中多信关站同步方法的一个原理示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员对本专利技术方案的理解，同时，为了使本专利的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，并使权利要求书的保护范围得到充分支持，下面以具体案例的形式对本专利的技术方案做出进一步的、更详细的说明。

一种多信关站同步方法，其原理如图1所示，包括一个卫星以及多个信关站，同步方法包括以下步骤：

(1)信关站n发送定时校正信号TXn_GTR信号到卫星C-C转发器，并接收卫星转发回来的RXn_GTR信号；此外，还发送频率校正信号TXn_GFR信号到卫星S-C转发器，并接收卫星转发回来的RXn_GFR信号；

(2)信关站n计算本站发送定时校正信号TXn_GTR与接收的RXn_GTR信号之间的时间延迟ΔTn，则本地到卫星的延迟为ΔTn/2；据此调整发送延迟为TnS_offset_1＝1-ΔTn/2，使信号在卫星天线口处与北斗授时系统的秒脉冲同步；

(3)设信关站n发送频率校正信号TXn_GFR的频率为F_{GFR_tr_n}，接收的RXn_GTR估计的频率为F_{GFR_rx_n_meas}，发送定时校正信号TXn_GTR的频率为F_{GTR_tr_n}，接收的RXn_GTR估计的频率为F_{GTR_rx_n_meas}，根据以上参数，计算出信关站n对应的多普勒漂移率F_n和星上对应时钟参考源漂移率S_n，并计算出发射信号的的校正值；

具体来说，信关站n的频率同步过程包括以下步骤：

(S201)信关站n的参考时钟采用北斗驯服时钟；

(S202)发送Txn-GTR信号，发送频率为F_{GTR_tr_n}，接收Rxn-GTR信号，通过测量得到实际频率为F_{GTR_rx_n_meas}；

(S203)通过卫星S-C转发器发送频率参考信号Txn-GFR，发送频率为F_{GFR_tr_n}；

(S204)通过卫星S-C转发器接收本站发送的频率参考信号Rxn-GFR，接收频率为F_{GFR_rx_n_meas}；

(S205)计算Rxn-GTR相对于标称频率的频差ΔF_GTR；

(S206)计算Rxn-GFR相对于标称频率的频差ΔF_GFR；

建立如下两个方程：

F_{GTR_rx_n_meas}＝F_{GTR_tr_n}+F_n×F_{GTR_tr_n}+(F_{GTR_re_n}-F_{GTR_tr_n})×(1+S_n)+F_n×F_{GTR_re_n} (1)

F_{GFR_rx_n_meas}＝F_{GFR_tr_n}+F_n×F_{GFR_tr_n}+(F_{GFR_re_n}-F_{GFR_tr_n})×(1+S_n)+F_n×F_{GFR_re_n} (2)

其中：

F_n：表示卫星运动产生的多普勒频移系数；

S_n：表示卫星载荷10MHz参考源的漂移率；

F_{GTR_tr_n}：表示信关站n的GTR信号发送频率；

F_{GTR_re_n}：表示信关站n的GTR接收信号频率标称值；

F_{GTR_rx_n_meas}：表示信关站n的GTR接收信号频率测量值；

F_{GFR_tr_n}：表示信关站n的GFR发送频率；

F_{GFR_re_n}：表示信关站n的GFR接收信号频率标称值；

F_{GFR_rx_n_meas}：表示信关站n的GFR接收信号频率测量值；

(S207)计算卫星相对于本地的多谱勒偏移系数以及卫星载荷漂移率；

通过对接收信号频率值的测量，得到F_{GTR_rx_n_meas}和F_{GFR_rx_n_meas}，带入(1)式和(2)式，两个公式联立方程即可得到卫星运动产生的多普勒频移系数和卫星载荷10MHz参考源的漂移率：

(S208)根据F_n和S_n这两个系数，补偿馈电链路的接收频率，校正馈电链路的发送频率，使馈电链路的多谱勒频移影响为零；

将公式(1)中等号左侧的F_{GTR_rx_n_meas}用F_{GTR_re_n}+F_{GTR_re_n}×F_n代替，并且令ΔF＝F_{GTR_re_n}-F_{GTR_tr_n}，得到(5)式如下：

F_{GTR_re_n}+F_{GTR_re_n}×F_n＝F_{GTR_tr_n}+F_{GTR_tr_n}×F_n+ΔF×(1+S_n)+F_{GTR_re_n}×F_n (5)

并将F_n和S_n代入(1)式，求得实际应该发送的GTR信号频率F_{GTR_tx_n_adj}：

同理可得实际应该发送的GFR信号频率F_{GFR_tx_n_adj}：

信关站n的时间同步过程包括以下步骤：

(S301)信关站n的参考时钟采用北斗驯服时钟，并接收1pps定时和TOD(Time OfDay)信息；

(S302)通过C-C转发器发送定时参考信号Txn-GTR；

(S303)通过C-C转发器接收本站发送的定时参考信号Rxn-GTR；

(S304)计算本站天线口处Rxn-GTR和Txn-GTR之间的延迟ΔTn，则本站到卫星的延迟为ΔTn/2；

(S305)计算本站天线口处Txn-GTR开始时刻与1pps的间隔T1S_offset_n：

T1S_offset_n＝1-ΔTn/2；

(S306)调整GTR信号的发送时刻，使其帧头开始时间在本地天线口处秒内时刻为T1S_offset_n。

GTR信号周期为1秒，信号发送帧每50帧有1帧与GTR信号帧头在信关站天线口处对齐，同时在卫星天线处与1pps对齐，信号帧、定时参考帧与TOD信息有相对固定的关系。

此外，本发明中的卫星也可以有多个，多信关站同步方案所需的同步参考信号也不限于两种，所需参考信号的个数取决于馈电链路上引起信号频偏的源的个数，但是不同参考信号的频率必须不同。

总之，本发明方法简单有效，易于实现，不需要卫星发送同步信号，能够消除馈电链路侧多信关站间信号的同步偏差，特别适用于地球同步卫星移动通信系统，是对现有技术的一种重要改进。

需要理解的是，上述对于本专利具体实施方式的叙述仅仅是为了便于本领域普通技术人员理解本专利方案而列举的示例性描述，并非暗示本专利的保护范围仅仅被限制在这些个例中，本领域普通技术人员完全可以在对本专利技术方案做出充分理解的前提下，以不付出任何创造性劳动的形式，通过对本专利所列举的各个例采取组合技术特征、替换部分技术特征、加入更多技术特征等等方式，得到更多的具体实施方式，所有这些具体实施方式均在本专利权利要求书的涵盖范围之内，因此，这些新的具体实施方式也应在本专利的保护范围之内。

此外，出于简化叙述的目的，本专利也可能没有列举一些寻常的具体实施方案，这些方案是本领域普通技术人员在理解了本专利技术方案后能够自然而然想到的，显然，这些方案也应包含在本专利的保护范围之内。

出于简化叙述的目的，上述各具体实施方式对于技术细节的公开程度可能仅仅达到本领域技术人员可以自行决断的程度，即，对于上述具体实施方式没有公开的技术细节，本领域普通技术人员完全可以在不付出任何创造性劳动的情况下，在本专利技术方案的充分提示下，借助于教科书、工具书、论文、专利、音像制品等等已公开文献予以完成，或者，这些细节是在本领域普通技术人员的通常理解下，可以根据实际情况自行作出决定的内容。可见，即使不公开这些技术细节，也不会对本专利技术方案的公开充分性造成影响。

总之，在结合了本专利说明书对权利要求书保护范围的解释作用的基础上，任何落入本专利权利要求书涵盖范围的具体实施方案，均在本专利的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多信关站同步方法，其特征在于，在卫星不发送同步信号的情况下，利用卫星对信关站信号的转发而实现多个信关站之间的同步，每个信关站均采用如下步骤：

(1)以不同频率向卫星发送定时校正信号TX_GTR和频率校正信号TX_GFR，并接收由卫星转发返回的定时校正信号RX_GTR和频率校正信号RX_GFR；

(2)计算本站天线口处返回的定时校正信号RX_GTR和发送的定时校正信号TX_GTR之间的时间延迟ΔT，并以ΔT/2作为本站到卫星的时间延迟；

(3)将本站的发送的定时校正信号TX_GTR发送延迟T1S_offset调整为1-ΔT/2，使本站发送的定时校正信号TX_GTR在本站天线口处与北斗授时系统的秒脉冲对齐，从而完成时间同步；

(4)分别计算返回的定时校正信号RX_GTR和返回的频率校正信号RX_GFR相对于标称频率的频差，并根据两个频差计算卫星相对于本站的多谱勒偏移系数以及卫星载荷漂移率；

(5)根据多谱勒偏移系数和卫星载荷漂移率，对本站馈电链路的接收频率进行补偿，并校正本站馈电链路的发送频率，从而完成频率同步。

2.根据权利要求1所述的多信关站同步方法，其特征在于，所述步骤(4)中多谱勒偏移系数和卫星载荷漂移率的计算方式为：

式中：

F_n：表示针对信关站n的由卫星运动所产生的多普勒频移系数，

S_n：表示针对信关站n的卫星载荷漂移率，

F_{GTR_tr_n}：表示信关站n的定时校正信号发送频率，

F_{GTR_re_n}：表示信关站n接收到的定时校正信号的频率标称值，

F_{GTR_rx_n_meas}：表示信关站n接收到的定时校正信号的频率测量值，

F_{GFR_tr_n}：表示信关站n的频率校正信号发送频率，

F_{GFR_re_n}：表示信关站n接收到的频率校正信号的频率标称值，

F_{GFR_rx_n_meas}：表示信关站n接收到的频率校正信号的频率测量值。

3.根据权利要求1所述的多信关站同步方法，其特征在于，所述步骤(5)中校正后本站馈电链路的发送频率为：

其中，

F_{GTR_tx_n_adj}表示本站发送的定时校正信号TX_GTR的实际应发频率，

F_{GFR_tx_n_adj}表示本站发送的频率校正信号TX_GFR的实际应发频率，

ΔF＝F_{GTR_re_n}-F_{GTR_tr_n}，

F_n表示针对信关站n的由卫星运动所产生的多普勒频移系数，

S_n表示针对信关站n的卫星载荷漂移率，

F_{GTR_re_n}表示信关站n接收到的定时校正信号的频率标称值，

F_{GFR_re_n}表示信关站n接收到的频率校正信号的频率标称值，

F_{GTR_tr_n}表示信关站n的定时校正信号发送频率。

4.根据权利要求1所述的多信关站同步方法，其特征在于，所述定时校正信号TX_GTR的信号速率为160KBaud，信号帧长为1秒，所述频率校正信号TX_GFR的信号速率为16KBaud，信号帧长为480毫秒。