CN108802768A - 一种多轨多频卫星信号高效匹配接收处理方法 - Google Patents

Abstract

一种多轨多频卫星信号高效匹配接收处理方法，针对多轨多频的复杂卫星星座系统，在体系仿真过程中，采用位置闭合、管道匹配等预处理方法，剔除处理单元中不必要处理的卫星信号，减少处理单元待处理内容，以提高仿真系统的运行效率。本方法首先对任意两个处理单元进行位置闭合算法计算，根据两处理单元的轨道位置以及波束覆盖范围，判断两处理单元之间是否具备信号传输条件，并以此为依据剔除处理单元中无必要处理的卫星信号。然后利用管道匹配算法，计算处理单元中剩余待处理的卫星信号中某些关键指标，并将不符合指标门限值要求的卫星信号从处理单元中剔除，以进一步减少处理单元中待处理的卫星信号。

Description

一种多轨多频卫星信号高效匹配接收处理方法

技术领域

本发明涉及一种多轨多频卫星信号的高效匹配接收处理方法，适用于卫星系统体系仿真与效能评估专业技术领域的应用。

背景技术

卫星系统的体系仿真与效能评估是评价卫星系统星座设计、指标参数设置等合理与否的关键技术，而在体系仿真过程中，卫星信号的接收处理方法直接影响仿真结果的真实性与仿真运行效率。

目前，国内针对卫星系统体系仿真过程的卫星信号接收处理方法多采用Matlab、STK、DWK(中国神舟普惠公司研发的分布式仿真开发平台)等软件模拟真实卫星信号的处理过程。对于卫星，真实的信号处理过程在转发器中进行。信号传播过程中受到各种干扰以及损耗，因此进入转发器后首先进行带通滤波和低噪声放大，之后将放大后的信号进行混频以得到合适的频率，再经过高功率放大后进行发射。对于一个卫星系统，每颗卫星的转发器均会处理所有接收到的卫星信号。Matlab、STK、DWK等仿真软件可以逼真的模拟上述卫星信号的真实处理过程，因此目前国内多采用上述仿真软件模拟真实卫星信号的接受处理过程。然而，该仿真过程存在严重的效率问题。原因在于，目前卫星系统的规划和建设已由单颗卫星逐步发展为多颗卫星组网的卫星星座，“天基”组网模式已经成为卫星系统发展的最新方向。“天基”组网的卫星星座系统为实现其在侦查监视、导航、中继等各个领域的应用，需构建星座复杂且卫星数量繁多的多轨分布式卫星系统，而每颗卫星包含几路甚至几十路转发器，因此整个卫星系统包含的转发器数量庞大。在体系仿真阶段，若以转发器为仿真处理单元，每个仿真处理单元需要处理除他以外所有仿真处理单元传来的卫星信号，由于仿真软件处理速度有限，因此仿真系统的仿真速率与真实卫星系统运行速率达不到1:1，仿真不能做到实时仿真，仿真效率低。

然而，每个处理单元都存在大量无必要处理的卫星信号，例如：在真实卫星系统中，如果两个转发器的空间位置不在对方空间覆盖范围内，则两个转发器之间不进行信号的接收处理过程。但在目前的体系仿真中没有考虑此情况，造成处理单元处理的信号数量过多。因此如果在每个处理单元处理所有卫星信号之前将某些无必要处理的信号删除，以减少每个处理单元的处理内容，则在一定处理速度的前提下，仿真系统的运行速率得以提升，仿真效率提高。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对多轨多频的复杂卫星星座系统，在体系仿真过程中，采用位置闭合、管道匹配等预处理方法，剔除处理单元中不必要处理的卫星信号，减少处理单元待处理内容，以提高仿真系统的运行效率。

本发明的技术解决方案是：

一种多轨多频卫星信号高效匹配接收处理方法，步骤如下：

(1)利用位置闭合算法剔除目标处理单元中部分不必要处理的卫星信号，得到初步处理卫星信号；所述目标处理单元是指接收机中存储多轨多频卫星信号的单元；

(2)再通过管道匹配算法剔除所述初步处理卫星信号中的部分不必要处理的卫星信号，从而完成多轨多频卫星信号的匹配接收处理。

所述步骤(1)利用位置闭合算法剔除目标处理单元中，部分不必要处理的卫星信号，具体为：

(2.1)计算地球球心到星间连线的垂直距离，所述星间连线是指当前卫星的目标处理单元与另一颗卫星的目标处理单元间连线；

(2.2)将(2.1)中计算出的垂直距离与地球半径进行比较，剔除目标处理单元中垂直距离小于地球半径的目标处理单元所发射的卫星信号；

(2.3)计算所述另一颗卫星的目标处理单元的波束覆盖范围；

(2.4)根据所述另一颗卫星的目标处理单元波束覆盖范围与目标处理单元的轨道位置关系，判断目标处理单元是否在波束覆盖范围内，剔除目标处理单元中不在波束覆盖范围内的目标处理单元所发射的卫星信号。

步骤(2.1)计算地球球心到星间连线的垂直距离H的公式为：

其中，

ο为地球球心，R为地球半径，A为当前卫星的目标处理单元，B为另一颗卫星的目标处理单元，H为球心ο到A、B两点连线的垂直距离，θ₃为BA与Bο的夹角，A的空间坐标为(x_A,y_A,z_A)，B的空间坐标为(x_B,y_B,z_B)。

所述步骤(2.2)将垂直距离与地球半径进行比较，剔除目标处理单元中垂直距离小于地球半径的目标处理单元所发射的卫星信号，具体为：

判断垂直距离H与地球半径R的大小关系，若H≥R,则A、B两颗卫星之间的通信不会被地球遮挡，否则A不在B的空间覆盖区域内，剔除A中由B发射的卫星信号；A为当前卫星的目标处理单元，B为另一颗卫星的目标处理单元。

所述步骤(2.3)计算另一颗卫星的目标处理单元的波束覆盖范围，具体为：

另一颗卫星目标处理单元B的波束覆盖区域与Bο的夹角范围为：

式中，θ₁为A的波束宽度，θ₂为A的方位角。

所述步骤(2.4)根据另一颗卫星的目标处理单元波束覆盖范围与目标处理单元的轨道位置关系，判断目标处理单元是否在波束覆盖范围内的具体判断过程为：

若BA与Bο的夹角则A在B的空间覆盖区域内，否则，A不在B的空间覆盖区域内,剔除A中由B发射的卫星信号。

所述步骤(2)通过管道匹配算法剔除所述初步处理卫星信号中的部分不必要处理的卫星信号，具体为：

(7.1)将当前卫星的目标处理单元的属性参数与另一颗卫星的目标处理单元进行匹配，剔除当前卫星的目标处理单元中，与其属性参数不匹配的另一颗卫星的目标处理单元的发射信号；

(7.2)计算当前卫星目标处理单元中发射信号的信噪比值；

(7.3)将信噪比值与当前卫星目标处理单元的信噪比门限值进行比较，剔除当前卫星目标处理单元中，信噪比值小于目标处理单元门限值的所述另一颗卫星目标处理单元的发射信号。

所述步骤(7.1)将当前卫星的目标处理单元的属性参数与另一颗卫星的目标处理单元进行匹配，剔除当前卫星的目标处理单元中，与其属性参数不匹配的另一颗卫星的目标处理单元的发射信号，具体为：

对A与B信号的频率、带宽、信号编码方式进行匹配比较，当B的发射信号频率不在A可使用频率范围内，或B的发射信号带宽大于A的可使用带宽，或B的发射信号编码方式与A可处理的信号编码方式不相同时，剔除A中由B发射的卫星信号。

所述步骤(7.2)计算当前卫星目标处理单元中发射信号的信噪比值，具体为：

B的发射信号在A端的接收功率为：

式中，P_r为B的发射信号在A端的接收功率，P_t为A的发射功率，G_t为A的发射天线增益，G_r为B的接收天线增益，L_d为A到B的自由空间损耗，其公式为：

式中，d为A到B的信号传输距离，λ为信号波长；

A端噪声功率为：

N＝kTW

式中，k为波尔兹曼常数，T为B的系统噪声温度，W为信号传输带宽；

则B的发射信号在A端的信噪比，即当前卫星目标处理单元中发射信号的信噪比值为：

所述步骤(7.3)剔除当前卫星目标处理单元中，信噪比值小于目标处理单元门限值的所述另一颗卫星目标处理单元的发射信号，具体过程为：

将信噪比的值与A可处理信号的信噪比门限值进行比较，如果B信号在A端信噪比大于门限值，则A需要处理B的发射信号，否则剔除A中由B发射的卫星信号。

本发明与现有技术相比带来的有益效果为：

(1)在现有卫星系统仿真技术中，当前卫星的目标处理单元中存在大量不具备现实通信条件的发射信号，增加了目标处理单元的信号处理数量，仿真效率较低。本发明在仿真过程中，采用匹配接收处理方法，剔除当前卫星目标处理单元中不具有通信条件的发射信号，减少了目标处理单元的信号处理数量，提高了卫星系统的仿真效率。

(2)本发明在卫星系统的仿真技术中采用了位置闭合算法，剔除当前卫星目标处理单元中，通信链路被地球遮挡的其他卫星的目标处理单元所发射的信号，减少了目标处理单元的信号处理数量，提高了卫星系统的仿真效率。

(3)本发明在卫星系统的仿真技术中采用了管道闭合算法，通过属性参数匹配、信噪比与门限值比较等方法，剔除当前卫星目标处理单元中，与其属性不匹配，且信号强度较弱的其他卫星目标处理单元所发射的信号，减少了目标处理单元的信号处理数量，提高了卫星系统的仿真效率。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

图2为卫星轨道位置及空间覆盖区域示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

假设A、B为卫星系统任意两颗卫星，在卫星系统体系仿真阶段，以卫星转发器作为处理单元进行卫星信号的接收处理。下面判断在体系仿真阶段，卫星A(当前卫星)的处理单元是否需要处理卫星B(另一颗卫星)的发射信号：

如图1所示，本发明提出的一种多轨多频卫星信号高效匹配接收处理方法，步骤如下：

(1)利用位置闭合算法剔除目标处理单元中，部分不必要处理的卫星信号，得到初步处理卫星信号；目标处理单元是指接收机中存储多轨多频卫星信号的单元。

(1.1)计算地球球心到星间连线的垂直距离，所述星间连线是指当前卫星的目标处理单元与另一颗卫星的目标处理单元间连线。

假设A、B两颗卫星的轨道位置以及A波束的空间覆盖区域如图2所示，其中θ₁为A的波束宽度，大小为100°；θ₂为A的方位角，大小为45°；ο为地球球心，R为地球半径，大小为6371km；H为球心ο到A、B两点连线的垂直距离；θ₃为BA与Bο的夹角；A的空间坐标为(6500,7300,9200)，单位为km；B的空间坐标为(6700,7500,9000)，单位为km。

则，地球球心ο到A、B两点连线的垂直距离H：

根据余弦公式，

则根据正弦公式，

(1.2)将(1.1)中计算出的垂直距离与地球半径进行比较，剔除目标处理单元中垂直距离小于地球半径的目标处理单元所发射的卫星信号。

判断垂直距离H与地球半径R的大小关系，若H≥R,则A、B两颗卫星之间的通信不会被地球遮挡，否则A不在B的空间覆盖区域内，剔除A中由B发射的卫星信号；A为当前卫星的目标处理单元，B为另一颗卫星的目标处理单元。

此处因为H≥R,则A、B两颗卫星不会被地球遮挡。

(1.3)计算所述另一颗卫星的目标处理单元的波束覆盖范围。

另一颗卫星目标处理单元B的波束覆盖区域与Bο的夹角范围为：式中，θ₁为A的波束宽度，θ₂为A的方位角

此处，B的波束覆盖区域与Bο的夹角范围为：

(1.4)根据所述另一颗卫星的目标处理单元波束覆盖范围与目标处理单元的轨道位置关系，判断目标处理单元是否在波束覆盖范围内，剔除目标处理单元中不在波束覆盖范围内的目标处理单元所发射的卫星信号。

若BA与Bο的夹角则A在B的空间覆盖区域内，否则，A不在B的空间覆盖区域内,剔除A中由B发射的卫星信号。

此处因为cosθ₃＝0.22，所以BA与Bο的夹角所以A在B的空间覆盖区域内。

(2)通过管道匹配算法剔除所述初步处理卫星信号中的部分不必要处理的卫星信号，从而完成多轨多频卫星信号的匹配接收处理。

具体为：

(2.1)将当前卫星的目标处理单元的属性参数与另一颗卫星的目标处理单元进行匹配，剔除当前卫星的目标处理单元中，与其属性参数不匹配的另一颗卫星的目标处理单元的发射信号。

对A与B信号的频率、带宽、信号编码方式进行匹配比较，当B的发射信号频率不在A可使用频率范围内，或B的发射信号带宽大于A的可使用带宽，或B的发射信号编码方式与A可处理的信号编码方式不相同时，剔除A中由B发射的卫星信号。

(2.2)计算当前卫星目标处理单元中发射信号的信噪比值。

B的发射信号在A端的接收功率为：

式中，P_r为B的发射信号在A端的接收功率，P_t为A的发射功率，G_t为A的发射天线增益，G_r为B的接收天线增益，L_d为A到B的自由空间损耗，其公式为：

式中，d为A到B的信号传输距离，λ为信号波长；

A端噪声功率为：

N＝kTW

式中，k为波尔兹曼常数，T为B的系统噪声温度，W为信号传输带宽；

则B的发射信号在A端的信噪比，即当前卫星目标处理单元中发射信号的信噪比值为：

假设P_t为A的发射功率，大小为20w；P_r为B的发射信号在A端的接收功率；N为A端噪声功率；k为波尔兹曼常数，大小为1.38×10^-23J/K；T为B的系统噪声温度300K；W为传输带宽，大小为20MHz；SNR为B的发射信号在A端的信噪比；G_t为A的发射天线增益，大小为5dB；G_r为B的接收天线增益，大小为5dB；L_d为A到B的自由空间损耗；d为A到B的信号传输距离，大小为346.41km；λ为信号波长；v为信号传输速度，大小为3×10⁸m/s；f为信号频率，大小为400MHz。

根据信噪比公式，得：

(2.3)将信噪比值与当前卫星目标处理单元的信噪比门限值进行比较，剔除当前卫星目标处理单元中，信噪比值小于目标处理单元门限值的所述另一颗卫星目标处理单元的发射信号。

将信噪比的值与A可处理信号的信噪比门限值进行比较，如果B信号在A端信噪比大于门限值，则A需要处理B的发射信号，否则剔除A中由B发射的卫星信号。

假设A处理单元的信噪比门限值为80>71.68，则A处理单元无需处理该发射信号，意味着该信号偏弱，将A中由B发射的信号剔除。

实施例：

在DWK仿真平台(中国神舟普惠公司研发的分布式仿真开发平台)上运行一套卫星系统，该系统由50颗低轨卫星组成,各卫星有10个处理单元，轨道高度为1100km，传输信号的频率为400MHz，带宽为20MHz，采用QPSK信号调制方式，信噪比门限值为80。采用本发明的匹配接收处理方法与采用传统接收处理方法得到的卫星仿真系统运行速度如下表所示：

从表格中可以看出，仿真系统采用本发明的匹配接收处理方法时，运行速率可以达到1:1，而采用传统的接收处理方法则仅能达到1:10，因此本发明的匹配接收处理方法相较传统处理方法具有更高的处理效率。

Claims (10)

1.一种多轨多频卫星信号高效匹配接收处理方法，其特征在于步骤如下：

(1)利用位置闭合算法剔除目标处理单元中部分不必要处理的卫星信号，得到初步处理卫星信号；所述目标处理单元是指接收机中存储多轨多频卫星信号的单元；

(2)再通过管道匹配算法剔除所述初步处理卫星信号中的部分不必要处理的卫星信号，从而完成多轨多频卫星信号的匹配接收处理。

2.根据权利要求1所述的一种多轨多频卫星信号高效匹配接收处理方法，其特征在于，所述步骤(1)利用位置闭合算法剔除目标处理单元中，部分不必要处理的卫星信号，具体为：

(2.1)计算地球球心到星间连线的垂直距离，所述星间连线是指当前卫星的目标处理单元与另一颗卫星的目标处理单元间连线；

(2.2)将(2.1)中计算出的垂直距离与地球半径进行比较，剔除目标处理单元中垂直距离小于地球半径的目标处理单元所发射的卫星信号；

(2.3)计算所述另一颗卫星的目标处理单元的波束覆盖范围；

(2.4)根据所述另一颗卫星的目标处理单元波束覆盖范围与目标处理单元的轨道位置关系，判断目标处理单元是否在波束覆盖范围内，剔除目标处理单元中不在波束覆盖范围内的目标处理单元所发射的卫星信号。

3.根据权利要求2所述的一种多轨多频卫星信号高效匹配接收处理方法，其特征在于：步骤(2.1)计算地球球心到星间连线的垂直距离H的公式为：

其中，

ο为地球球心，R为地球半径，A为当前卫星的目标处理单元，B为另一颗卫星的目标处理单元，H为球心ο到A、B两点连线的垂直距离，θ₃为BA与Bο的夹角，A的空间坐标为(x_A,y_A,z_A)，B的空间坐标为(x_B,y_B,z_B)。

4.根据权利要求2所述的一种多轨多频卫星信号高效匹配接收处理方法，其特征在于：所述步骤(2.2)将垂直距离与地球半径进行比较，剔除目标处理单元中垂直距离小于地球半径的目标处理单元所发射的卫星信号，具体为：

判断垂直距离H与地球半径R的大小关系，若H≥R,则A、B两颗卫星之间的通信不会被地球遮挡，否则A不在B的空间覆盖区域内，剔除A中由B发射的卫星信号；A为当前卫星的目标处理单元，B为另一颗卫星的目标处理单元。

5.根据权利要求2所述的一种多轨多频卫星信号高效匹配接收处理方法，其特征在于：所述步骤(2.3)计算另一颗卫星的目标处理单元的波束覆盖范围，具体为：

另一颗卫星目标处理单元B的波束覆盖区域与Bο的夹角范围为：

式中，θ₁为A的波束宽度，θ₂为A的方位角。

6.根据权利要求2所述的一种多轨多频卫星信号高效匹配接收处理方法，其特征在于：所述步骤(2.4)根据另一颗卫星的目标处理单元波束覆盖范围与目标处理单元的轨道位置关系，判断目标处理单元是否在波束覆盖范围内的具体判断过程为：

若BA与Bο的夹角则A在B的空间覆盖区域内，否则，A不在B的空间覆盖区域内,剔除A中由B发射的卫星信号。

7.根据权利要求1所述的一种多轨多频卫星信号高效匹配接收处理方法，其特征在于：所述步骤(2)通过管道匹配算法剔除所述初步处理卫星信号中的部分不必要处理的卫星信号，具体为：

(7.1)将当前卫星的目标处理单元的属性参数与另一颗卫星的目标处理单元进行匹配，剔除当前卫星的目标处理单元中，与其属性参数不匹配的另一颗卫星的目标处理单元的发射信号；

(7.2)计算当前卫星目标处理单元中发射信号的信噪比值；

(7.3)将信噪比值与当前卫星目标处理单元的信噪比门限值进行比较，剔除当前卫星目标处理单元中，信噪比值小于目标处理单元门限值的所述另一颗卫星目标处理单元的发射信号。

8.根据权利要求7所述的一种多轨多频卫星信号高效匹配接收处理方法，其特征在于：所述步骤(7.1)将当前卫星的目标处理单元的属性参数与另一颗卫星的目标处理单元进行匹配，剔除当前卫星的目标处理单元中，与其属性参数不匹配的另一颗卫星的目标处理单元的发射信号，具体为：

对A与B信号的频率、带宽、信号编码方式进行匹配比较，当B的发射信号频率不在A可使用频率范围内，或B的发射信号带宽大于A的可使用带宽，或B的发射信号编码方式与A可处理的信号编码方式不相同时，剔除A中由B发射的卫星信号。

9.根据权利要求7所述的一种多轨多频卫星信号高效匹配接收处理方法，其特征在于：所述步骤(7.2)计算当前卫星目标处理单元中发射信号的信噪比值，具体为：

B的发射信号在A端的接收功率为：

式中，P_r为B的发射信号在A端的接收功率，P_t为A的发射功率，G_t为A的发射天线增益，G_r为B的接收天线增益，L_d为A到B的自由空间损耗，其公式为：

式中，d为A到B的信号传输距离，λ为信号波长；

A端噪声功率为：

N＝kTW

式中，k为波尔兹曼常数，T为B的系统噪声温度，W为信号传输带宽；

则B的发射信号在A端的信噪比，即当前卫星目标处理单元中发射信号的信噪比值为：

10.根据权利要求7所述的一种多轨多频卫星信号高效匹配接收处理方法，其特征在于：所述步骤(7.3)剔除当前卫星目标处理单元中，信噪比值小于目标处理单元门限值的所述另一颗卫星目标处理单元的发射信号，具体过程为：

将信噪比的值与A可处理信号的信噪比门限值进行比较，如果B信号在A端信噪比大于门限值，则A需要处理B的发射信号，否则剔除A中由B发射的卫星信号。