CN108599886A - 应用于卫星激光通信系统的稀疏变换辅助时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于卫星激光通信系统的稀疏变换辅助时间同步方法，属于卫星通信领域。方法为：第一步，预处理，主要是对卫星接收信号的帧头定位和抽取，得到抽取后的帧头序列；第二步，通过SDPT₂估计a₂；第三步，通过SDFrFT计算a₁,a₀，并修正a₂；第四步，利用估计出的a₁修正抽样频率，从而得到较长时间的采样数据，然后使用SDPT₃估计a₃。最终完成所有阶次动态的估计，完成时间同步。本发明在考虑到卫星星载资源受限和激光通信速率快、体制简单等因素外，还分析了卫星高动态多普勒对时间同步过程的影响，并以此为基础提出了适合卫星激光通信系统的稀疏变换辅助时间同步方法，减小了时间同步算法的计算复杂度，提高了星载激光通信系统的应用范围。

Description

应用于卫星激光通信系统的稀疏变换辅助时间同步方法

技术领域

本发明涉及一种应用于卫星激光通信系统的稀疏变换辅助时间同步方法，属于卫星通信领域。

背景技术

激光通信是一种新兴的通信方式，具有通信容量大、保密性好、通信系统结构简单的优点。近些年，将激光通信技术应用于卫星领域成为重要的发展方向。

卫星激光通信系统面临如下问题：卫星运行产生高动态(包含速度、加速度、加加速度)；激光通信的信号速率很高，处理器单位时间内需处理大量数据；IMDD激光通信体制结构简单、实现复杂度低，适用于空间环境。但是这种体制的接收信号中不包含载波项，无法使用传统的载波辅助完成时间同步。因此，需要一种反应快速，计算简单且适用于激光通信体制的时间同步方法。

发明内容

本发明目的是为了解决现有技术存在计算过程中复杂度高的问题，提供一种应用于卫星激光通信系统的稀疏变换辅助时间同步方法。

本发明目的是通过下述技术方案实现的。

应用于卫星激光通信系统的稀疏变换辅助时间同步方法，具体步骤如下：

步骤一，预处理，实现对帧头的定位，进而实现对帧头的抽取(即重采样)；

1)、建立具体的信号数学模型

接收信号的数学模型如式(1)，

其中，g(t)表示接收信号波形，A₀为接收信号幅值，τ(t)表示传播延迟，w(t)为零均值加性高斯白噪声。τ(t)中包含四部分，分别是：信号发端与卫星收端的距离a₀；信号发端与卫星收端的相对速度a₁，信号发端与卫星收端的相对加速度a₂；信号发端与卫星收端的相对加加速度a₃。

对卫星的时间同步等同于估计τ(t)，即完成对a₀、a₁、a₂、a₃的估计。这些估计工作可以在导频信息的辅助下完成。导频信息g_p(t)的具体表达如式(2)，

其中，δ＝0,1,2,…,L_p-1，L_p表示导频信号长度，T_syb表示符号时长。

根据傅里叶变换，可将式(2)转换为表达式(3)。

其中，f_c＝1/(2T_syb)。经过低通滤波器后，式(3)变换成式(4)。

其中，A_k表示k阶谐波的幅值。

由于本发明的所有处理是在数字域进行，所以要将模拟信号转为数字信号。接受信号s(t)和导频信息g_p(t)转为数字信号。

其中，T_s表示采样间隔。

由于导频信息中，三阶谐波以上的分量幅值都近似于零，为简便计算，将g_p(nT_s)简化为，

2)、基于接收信号s(n)与本地缓存信号的互相关性，确定信号导频位置如式(7)。

其中，g_h(n-b)为本地缓存信号，f_s＝1/T_s为采样频率,L_h为本地缓存信号长度，T_syb为符号时长。

3)、导出接收信号s(n)的复形式。考虑到本地导频信息g_p(nT_s)存在π/4的相位转移，即

所以g_p(nT_s)的复形式如下

其中，P_k＝exp(j(-1)^k-12(2k-1)π(f_cnT_s-τ(nT_s)))。

由式(9)得到，接收信号s(n)的复形式为，

s_c(n)＝A₀g_c(nT_s)+w(n)＝A₀ ^TP+w(n) (10)

其中

4)、对步骤2)得到的信号导频位置的导频信息进行重采样得到N_seq个采样信息。由于多普勒频偏的影响，重采样点将偏离原位置，同时采样位置可能超出导频范围。为避免出现上述问题，需要使得导频长度L_p足够长。

然后，确定导频长度L_p的最小值。

令L_m表示重采样点的最大漂移范围，得到如下关系式(11)。

其中，a_1m表示激光通信卫星最大运动速度，β是一个正整数，L_frm表示整帧长度，c表示光速。

由于采样点漂移方向未知，则L_p的最小范围是

在重采样后，接收信号的复形式s_c(n)转化为s_c(m)序列，m＝0,1,…,N_seq-1。采样频率变换为f_s′＝f_s/r_smp，其中r_smp＝βL_frmT_syb/T_s。

步骤二，将步骤一中得到的抽取后的接收信号s_c(m)序列通过SDPT₂估计a₂；

其中，ξ表示一个正整数，f＝2π/N_seq，T_s′＝1/f_s′，为简便表达，令x(m)＝DP₂(s_c(m),ξ)，由此得到表达式(7)。

忽略上式的噪声选项，得式(14)：

其中P_ξ和P(ξ)分别表示P和P的ξ-delay。由于P₁P₁ ^*(ξ)远大于P₂P₂ ^*(ξ)，所以上式进一步简化为，

其中，和分别表示经过SDPT₂运算后的干扰项和噪声，φ为一个常数，同时令因为3a₃ξ(T_s′)³m²和3a₃ξ²(T_s′)³m足够小，所以能够被忽略。由此得到，a₂的估计值为，

步骤三，通过SDFrFT对a₁和a₀进行估计，并修正步骤二得到的a₂；

通过式(11)对进行估计并修正的估计值。

其中，m∈[0,M-1]，k∈[0,M-1]，α表示旋转角度，U_s表示输出信息X_α(k)的采样间隔，同时必须满足

通过式(17)能够得到k和α的最优值为，

由此得到的估计值和的修正值：

由于DFT结果的稀疏性，为减小计算复杂度，Pei采样型离散分数傅立叶变换(DFrFT)可由SFFT代替。基于SFFT实现的Pei采样型离散分数傅立叶变换(DFrFT)被称为SDFrFT。

步骤四，利用估计出的a₁修正抽样频率，从而得到较长时间的采样数据，然后使用SDPT₃估计a₃。最终完成所有阶次动态的估计，完成时间同步。

激光通信卫星的高动态使得采样位置出现漂移并最终导致a₃估计值出现较大误差。引入更新采样速率的方法减小的估计误差，具体表达式如下，

其中，是在步骤3中得到的速度估计值。因为f_s″与多普勒引起的数据速率变化相匹配，采样位置的漂移问题得到了有效缓解。同时，由于增加了过程持续时间，对a₃的估计变得更加容易。

在完成采样速率更新后，将引入SDPT₃完成a₃的估计。重采样的采样点数N_s′_eq已知，得到表达式(21)，

其中，DP₃定义为：

令P_2ξ、P(2ξ)分别表示P和P的2ξ-delay。x₂(m)＝DP₃(sc(m),ξ)被改写为表达式(23)，

式(23)中，x₂(m)由P₁P₁ ^*(ξ)P₁ ^*(ξ)P₁(2ξ)、和P₃P₃ ^*(ξ)P₃ ^*(ξ)P₃(2ξ)表达。并且由于P₁P₁ ^*(ξ)P₁ ^*(ξ)_P1(2ξ)的幅值远大于其他两项，故简化表达式为，

其中，和分别表示SDPT₃运算后的干扰项和噪声项。由上式推导出的估计值表达式为，

在完成对a₀、a₁、a₂、a₃的估计后，得到地面站与卫星间信号传输的传播时延τ(t)，即完成卫星的时间同步。

有益效果

本发明在考虑到卫星星载资源受限和激光通信速率快、体制简单等因素外，还分析了卫星高动态多普勒对时间同步过程的影响，并以此为基础提出了适合卫星激光通信系统的稀疏变换辅助时间同步方法，减小了时间同步算法的计算复杂度，提高了星载激光通信系统的应用范围。

附图说明

图1是稀疏变换辅助时间同步的具体算法流程图；

图2是激光通信体制的传输帧结构；

图3是不同时间同步方法的复杂度对比情况。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例1

以地面站与卫星间的激光通信为例，设定数据速率为5Gbps，信噪比14Db，卫星最大速度7km/s，最大加速度800m/s²，最大加加速度60m/s³。具体的帧结构如图2所示，其中整帧长度L_frm为8192bit，帧头长度L_syn为32bit，导频长度L_p为49bit。

如图1所示，所述应用于激光通信卫星的稀疏变换辅助时间同步方法包括如下步骤：

第一步，预处理，主要是对卫星接收信号的帧头定位和抽取，得到抽取后的帧头序列；第二步，通过SDPT₂估计a₂；第三步，通过SDFrFT计算a₁,a₀，并修正a₂；第四步，利用估计出的a₁修正抽样频率，从而得到较长时间的采样数据，然后使用SDPT₃估计a₃。最终完成所有阶次动态的估计，完成时间同步。

1、预处理：主要是对帧头定位和抽取。

基于接收信号s(n)与缓存信号的互相关，确定信号导频位置如下式。

其中f_s＝1/T_s为采样频率。

对已知位置的导频信息进行重采样得到N_seq个采样信息。由于多普勒频偏的影响，重采样点将偏离原位置，同时采样位置可能超出导频范围。为避免出现上述问题，需要使得导频长度L_p足够长。下面将确定导频长度L_p的最小值。

令L_m表示重采样点的最大漂移范围，得到关系式(27)。

其中，a_1m表示激光通信卫星最大运动速度，β是一个正整数，L_frm表示整帧长度，c表示光速。

由于采样点漂移方向未知，得到L_p的最小范围是

在重采样后，接收信号s_c(n)转化为s_c(m)，m＝0,1,…,N_seq-1。采样频率变换为f_s′＝f_s/r_smp，其中r_smp＝βL_frmT_syb/T_s。

2、通过SDPT₂估计a₂

其中，ξ表示一个正整数，为简便表达，令x(m)＝DP₂(s_c(m),ξ)，由此得到表达式(29)。

忽略上式的噪声选项，得到。

其中P_ξ和P(ξ)分别表示P和P的ξ-delay。由于P1P1*(ξ)远大于所以上式可进一步简化为，

其中分别为干扰项和噪声，φ为一个常数，同时令因为3a₃ξ(T_s′)³m²和3a₃ξ²(T_s′)³m足够小，所以可以被忽略。由此得到，表示为，

3、通过SDFrFT计算a₁,a₀，并修正a₂：

通过下式对进行估计并修正的估计值。

其中m∈[0,M-1]，k∈[0,M-1]，α表示旋转角度，U_s表示输出信息X_α(k)的采样间隔，同时必须满足

通过上式可知，k和α和的最优值为，

由此得到a₁,a₀的估计值和a₂的修正值，

4、利用估计出的a₁修正抽样频率，从而得到较长时间的采样数据，然后使用SDPT₃估计a₃。最终完成所有阶次动态的估计，完成时间同步。

如上所述，激光通信卫星的高动态使得采样位置出现漂移并最终导致a₃估计值出现较大误差。本发明将引入更新采样速率的方法减小的估计误差，具体表达式如式(36)，

其中，是在步骤3中得到的速度估计值。因为f_s″与多普勒引起的数据速率变化相匹配，采样位置的漂移问题得到了有效缓解。同时，由于增加了过程持续时间，对a₃的估计变得更加容易。

在完成采样速率更新后，将引入SDPT₃完成a₃的估计。假设重采样的采样点数N_s′_eq已知，得到式(37)，

其中，DP₃定义为：

令P_2ξ、P(2ξ)分别表示P和P的2ξ-delay。x₂(m)＝DP₃(s_c(m),ξ)可被改写为表达式(39)，

上式中，x₂(m)由P₁P₁ ^*(ξ)P₁ ^*(ξ)P₁(2ξ)、P₂P₂ ^*(ξ)P₂ ^*(ξ)P₂(2ξ)和P₃P₃ ^*(ξ)P₃ ^*(ξ)P₃(2ξ)表达。并且由于P₁P₁ ^*(ξ)P₁ ^*(ξ)P₁(2ξ)的幅值远大于其他两项，故可简化表达式为，

其中，和分别表示干扰项和噪声项。由上式可推导，的估计值表达式为，

通过以上方法最终完成了对所有阶次动态的估计，完成时间同步。

该方法通过利用对接收信号的稀疏变换，降低了时间同步算法的复杂度，克服了由于卫星星载资源受限和激光通信速率高且体制简单带来的客观问题，同时考虑了卫星自身的高动态多普勒带来的误差影响。通过图3的对比可知，本发明相比传统的非稀疏方法以及DDLL时间同步方法，计算复杂度降低，更加适合于空间高速信息传输的真实环境。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (1)

1.应用于卫星激光通信系统的稀疏变换辅助时间同步方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一、预处理，实现对帧头的定位，进而实现对帧头的抽取，即重采样；

1)、建立具体的信号数学模型；

接收信号的数学模型如式(1)，

其中，g(t)表示接收信号波形，A₀为接收信号幅值，τ(t)表示传播延迟，w(t)为零均值加性高斯白噪声；τ(t)中包含四部分，分别是：信号发端与卫星收端的距离a₀；信号发端与卫星收端的相对速度a₁，信号发端与卫星收端的相对加速度a₂；信号发端与卫星收端的相对加加速度a₃；

对卫星的时间同步等同于估计τ(t)，即完成对a₀、a₁、a₂、a₃的估计；通过导频信息实现对a₀、a₁、a₂、a₃的估计；导频信息g_p(t)的具体表达如式(2)，

其中，δ＝0,1,2,…,L_p-1，L_p表示导频信号长度，T_syb表示符号时长；

根据傅里叶变换，将式(2)转换为表达式(3)；

其中，fc＝1/(2T_syb)；

经过低通滤波器后，式(3)变换成式(4)；

其中，A_k表示k阶谐波的幅值；

将接收信号s(t)和导频信息g_p(t)转为数字信号；

其中，T_s表示采样间隔；

由于导频信息中，三阶谐波以上的分量幅值都近似于零，为简便计算，将g_p(nT_s)简化为，

2)、基于接收信号s(n)与本地缓存信号的互相关性，确定信号导频位置

其中，g_h(n-b)为本地缓存信号，f_s＝1/T_s为采样频率,L_h为本地缓存信号长度，T_syb为符号时长；

3)、导出接收信号s(n)的复形式；考虑到本地导频信息g_p(nT_s)存在π/4的相位转移，即

所以g_p(nT_s)的复形式如下

其中，P_k＝exp(j(-1)^k-12(2k-1)π(f_cnT_s-τ(nT_s)))；

由式(9)得到，接收信号s(n)的复形式为，

s_c(n)＝A₀g_c(nT_s)+w(n)＝A₀ ^TP+w(n) (10)

其中

4)、对步骤2)得到的信号导频位置的导频信息进行重采样得到N_seq个采样信息；

然后，确定导频长度L_p的最小值；

L_m表示重采样点的最大漂移范围，得到如下关系式：

其中，a_1m表示激光通信卫星最大运动速度，β是一个正整数，L_frm表示整帧长度，c表示光速；

由于采样点漂移方向未知，则L_p的最小范围是

在重采样后，接收信号的复形式s_c(n)转化为s_c(m)序列，m＝0,1,…,N_seq-1；采样频率变换为f_s′＝f_s/r_smp，其中r_smp＝βL_frmT_syb/T_s；

步骤二，将步骤一中得到的抽取后的接收信号s_c(m)序列通过SDPT₂估计a₂；

其中，ξ表示一个正整数，f＝2π/N_seq，T_s′＝1/f_s′，为简便表达，x(m)＝DP₂(s_c(m),ξ)，由此得到：

忽略上式的噪声选项，得式(14)：

其中P_ξ和P(ξ)分别表示P和P的ξ-delay；由于P₁P₁ ^*(ξ)远大于P₂P₂ ^*(ξ)，所以上式进一步简化为，

其中，和分别表示s_c(m)序列经过SDPT₂运算后的干扰项和噪声，φ为一个常数，同时令因为3a₃ξ(T_s′)³m²和3a₃ξ²(T_s′)³m足够小，所以能够被忽略；由此得到，a₂的估计值为，

步骤三，通过SDFrFT对a₁和a₀进行估计，并修正步骤二得到的a₂；

通过式(11)对 进行估计并修正的估计值；

其中，m∈[0,M-1]，k∈[0,M-1]，α表示旋转角度，U_s表示输出信息X_α(k)的采样间隔，同时必须满足

通过式(17)能够得到k和α的最优值为，

由此得到的估计值和的修正值：

步骤四，利用估计出的a₁修正抽样频率，从而得到较长时间的采样数据，然后使用SDPT₃估计a₃；最终完成所有阶次动态的估计，完成时间同步；

激光通信卫星的高动态使得采样位置出现漂移并最终导致a₃估计值出现较大误差；引入更新采样速率的方法减小的估计误差，具体表达式如下，

其中，是在步骤三中得到的速度估计值；

在完成采样速率更新后，引入SDPT₃完成a₃的估计；重采样的采样点数N′_seq已知，得到表达式(21)，

其中，DP₃定义为：

令P_2ξ、P(2ξ)分别表示P和P的2ξ-delay；x₂(m)＝DP₃(s_c(m),ξ)被改写为表达式(23)，

式(23)中，x₂(m)由P₁P₁ ^*(ξ)P₁ ^*(ξ)P₁(2ξ)、P₂P₂ ^*(ξ)P₂ ^*(ξ)P₂(2ξ)和P₃P₃ ^*(ξ)P₃ ^*(ξ)P₃(2ξ)表达；并且由于P₁P₁ ^*(ξ)P₁ ^*(ξ)P₁(2ξ)的幅值远大于其他两项，故简化表达式为，

其中，和分别表示经过SDPT₃运算后的干扰项和噪声项；由上式得出的估计值表达式为，

在完成对a₀、a₁、a₂、a₃的估计后，得到地面站与卫星间信号传输的传播时延τ(t)，即完成卫星的时间同步。