CN109120561B - 低轨卫星移动通信系统中频偏校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低轨卫星移动通信系统中频偏校正方法，包括：将卫星轨道高度及卫星下行波束俯视角作为已知参数，推导得到卫星与波束中心点处俯视角与地心角之间的关系，随后计算卫星与波束中心点处的相对运动速度，并根据多普勒频偏公式计算得到波束中心点处的多普勒频偏，利用该频偏值对本波束内的发送信号和接收信号进行频偏校正。与现有技术相比，本发明提出的基于波束俯视角的频偏校正技术计算简单，所需参数数目少，可实现多普勒频偏的快速估计和实时补偿，将频偏控制在较小的范围内，结合传统的频偏估计方法，以较低的实现复杂度，保证系统稳定可靠的工作，在实际卫星移动通信系统中具有较高的实用价值。

Description

低轨卫星移动通信系统中频偏校正方法

技术领域

本发明涉及一种低轨卫星移动通信系统中多普勒频偏校正方法，属于卫星移 动通信技术领域。

背景技术

随着未来通信需求和通信业务的不断增长，卫星通信所具有的无缝覆盖等优 势将在未来天地一体化通信系统中发挥关键性作用。在低轨卫星通信链路中，由 于卫星与地面站、用户终端之间存在的相对运动产生多普勒频偏，接收端需要对 多普勒频偏进行估计和补偿之后，才能进行后续解调解码。解决由卫星高速移动 所产生的多普勒频偏问题，是提高通信可靠性，提高通信质量的关键保障。针对 低轨卫星移动通信过程中由于卫星高速运动所产生的多普勒频偏问题，传统方法 在接收端通过对接收信号的处理完成多普勒频偏的捕获和跟踪，研究者们围绕解 决多普勒频偏的宽带捕捉和大动态范围跟踪做了大量的工作以扩大捕捉范围、改 善跟踪能力，但每种解决方案相应的都会带来其他性能的下降，例如解调门限、 捕获时间、估计精度以及增加系统复杂度等，因而需要在各项性能间进行折中设 计。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明目的在于提出一种低复杂度的低轨 卫星移动通信系统中频偏校正方法，可将低轨卫星移动通信系统的多普勒频偏补 偿至一个较小的范围内，再配合传统的频偏估计方案实现精确频偏估计及补偿， 可以以较低的代价获得较高的估计精度，具有很高的实用价值。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

低轨卫星移动通信系统中频偏校正方法，该方法包括：

(1)获取低轨卫星的轨道参数，包括轨道高度及波束俯视角信息；

(2)根据立体几何关系及数学关系推导得到卫星相对地面终端波束中心点 处的俯视角与地心角之间的关系；

(3)计算得到卫星与该波束中心点相对距离d的表达式，从而根据d对时 间求导得到卫星相对地面接收端的运动速度v；

(4)根据步骤(3)得到的相对速度v及系统载波频率f_c，计算得到该波束 中心点的多普勒频偏f_d，所述多普勒频偏是关于波束俯视角的函数；

(5)由给定的卫星轨道高度及波束俯视角信息，在整个波束覆盖范围内， 根据计算所得波束中心点处的多普勒频偏作为整个波束覆盖范围内的多普勒频 偏值，对收发信号进行频偏校正。

作为优选，卫星与地面接收端波束中心点处由于相对运动产生的多普勒频偏 是关于波束俯视角的函数，其表达式为：

其中，R为地球半径，r＝R+h，h为卫星轨道高度，μ为开普勒常数，β、β₁分别为卫星与地球中心点的连线和与地面移动终端连线之间的夹角、卫星与地球 中心点的连线和与地面移动终端到星下点轨迹上投影点连线之间的夹角。

作为优选，所述步骤(5)中利用卫星波束中心点处的多普勒频偏作为整个 波束的频偏值，或利用波束覆盖范围内任意一点的多普勒频偏值，对收发信号进 行频偏校正。

作为优选，所述步骤(5)中在根据波束俯视角获得多普勒频偏值之后，星 上发射设备对发送信号进行频偏校正，星上接收设备对接收信号进行频偏校正。

作为优选，将采用步骤(1)-(4)计算出的频偏值预先存储在存储器，通 过查表的方式进行实时频偏校正。

有益效果：本发明提出的低轨卫星移动通信系统中频偏校正方法，与现有技 术相比，只利用卫星轨道高度和波束俯视角信息即可计算波束覆盖范围内的多普 勒频偏值，计算简单，可实现多普勒频偏的快速估计和实时补偿，将频偏控制在 一个较小的范围内，结合传统的频偏估计方法，以较低的实现复杂度代价，获得 较高的估计精度，保证系统稳定可靠的工作，在实际卫星移动通信系统中具有较 高的实用价值。

附图说明

图1为本发明实施例所采用的卫星移动通信系统下行链路覆盖示意图。

图2为本发明实施例所采用的卫星移动通信系统波束覆盖示意图。

图3为本发明实施例所采用的卫星移动通信系统中频偏校正的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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、完整的描述，显然，所描述 的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施 例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都应当属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的一种低轨卫星移动通信系统中频偏校正方法，该方法通 过分析卫星的轨道参数以及卫星与地面接收机的相对运动状态得到卫星多普勒 频偏的理论推导值，主要包括如下步骤：

第一步，获取低轨卫星的轨道参数，包括轨道高度及波束半视角信息；

第二步，基于立体几何关系及数学关系分析得到卫星相对地面终端波束中心 点处的俯视角与地心角之间的关系；

第三步，计算得到卫星与该波束中心点处相对距离d的表达式，从而根据d 对时间求导得到卫星相对地面接收端的运动速度v；

第四步，根据第三步得到的相对运动速度v及系统载波频率f_d，计算得到该 波束中心点的多普勒频偏，多普勒频偏是关于波束俯视角的函数；第五步，由给 定的卫星轨道高度及波束俯视角信息，在整个波束范围内，根据计算所得波束中 心点处的多普勒频偏作为整个波束覆盖范围内的多普勒频偏，对收发信号进行频 偏校正。

本发明实施例提供的低轨卫星移动通信系统中频偏校正方法，即为利用根据 上述多普勒频偏估计方法得到的波束中心点处的多普勒频偏值对收发信号进行 频偏校正。通过在卫星侧预置一个存储预估结果的存储器，存储器中所存的值是 波束中心点位置的多普勒频偏值，对于确定的卫星移动通信系统，卫星的高度信 息和波束的俯视角均为已知参数，能够确定各波束中心点位置多普勒频移的理论 值，当卫星作为接收端时通过读取存储器中的值，进行多普勒频移的实时补偿。 当卫星作为发射端发射无线信号到地面接收端时，根据存储器中的预存储值对发 射信号在星上进行频偏校正，以简化地面接收机的设备复杂度。

本发明实施例中的多普勒频偏计算的具体过程如下：

首先，获取卫星移动通信过程中的轨道参数信息，具体信息即卫星的轨道高 度以及俯视角信息；以低轨卫星为例，具体分析卫星在轨道高度为h的太阳同步 轨道上运行的情形，其他轨道高度可以用同样的方法进行分析。

对于单颗卫星而言，“卫星覆盖面积”就是指卫星上发出的无线电信号可以在 直线距离上传播而不需要经过反射、转播而被接收到的范围，也就是说在地面如 果可以直接接收从卫星上接收到信号的地方，就是此卫星的信号“覆盖面积”之内。 多普勒频偏推导过程如下：

如图1所示，以地球中心点为空间直角坐标系的坐标原点O(0,0,0)，卫星飞 行轨迹所在平面为yoz面，终端所在平面为xoz面建立空间直角坐标系，其中， A点为终端在卫星星下点轨迹上的投影，则有AB⊥面yoz。记地心角表示目标物 体与地球中心点的连线与OZ轴之间的夹角，半视角为卫星与地球中心点的连线 与地面移动终端或者地面移动终端到星下点轨迹上投影点连线之间的夹角。令地 心角∠AOS＝α₁,对应俯视角为∠ASO＝β₁，地心角∠AOB＝α₂，即AB对应的地 心角，地心角∠SOB＝α,对应俯视角为∠BSO＝β,即实际地面终端俯视角。其中， 点S代表卫星运行轨迹S₁S₂S₃上任意一点。R、h、β、β₁、μ、f_c参数均可 以根据已知信息获得。其中，R为地球半径，常用取值为6378km，h为卫星轨 道高度，β、β₁为已知俯视角，μ为开普勒常数，取值为μ＝3.986×10⁵km³/s²， f_c为通信系统所使用载波频率。

由已知条件及图1分析可得，卫星高度：

r＝R+h (公式1)

卫星瞬时角速度：

由图1根据正余弦定理分析可以得到地心角与俯视角之间的关系如下公式:

在球面直角坐标系中，卫星坐标为(0,rsinα₁,rcosα₁)，终端坐标为 (Rsinα₂,0,Rcosα₂)，则卫星与地面终端之间的距离d的表达式为：

而在ΔBOS中利用余弦定理同样可以求得卫星与地面终端之间的距离

表达式为：

由在公式8及公式9中d是同一个变量可知，在球面直角三角形OABC中， 有cosα＝cosα₁cosα₂，由此可以得地心角之间的关系：

将距离d表示成关于卫星俯视角的表达式为

在卫星飞行过程中，地心角α₁在不断变化，但假定地面终端在地面上的位 置不变，或即使地面终端在地面上移动，相对卫星的移动速度，地面终端的移动 可以忽略，因此假定地面移动终端在地面上的位置始终保持不变。由此条件可知， 在图1中，地心角α₂始终不变，对卫星与地面之间的距离d关于时间t求导，可 得相对运动速度v：

其中，

表示卫星沿飞行轨迹的角速度，对于卫星轨道高度确定的情形，卫星在单位时间内所扫过的地心角也即卫星的角速度是不变的，即

多普勒频偏的计算公式可写为：

将公式12及公式13代入公式14得

将公式4、6、7、10代入公式15得

特殊的，对于卫星飞行轨迹星下点处的地面用户，α₂＝0，β＝β₁，公式16 将简化为

由于在卫星移动通信中，波束有一定的覆盖范围，在频偏校正的过程中选择 波束中心点位置处的频偏进行频偏校正，由理论推导结果可知在同一波束的不同 角度方向上频偏是不同的，因此按照波束中心点的频偏校正会使得其他不同角度 位置的频偏校正有一定的误差范围。尽管存在一定的偏差，但经过本文所提的频 偏校正的方法，多普勒频偏值的大小已经降低到一个很小的范围之内。上述分析 实例是以卫星作为信号发送端，地面终端作为接收端进行分析的多普勒频偏校正； 类似的，当地面终端作为发射端，卫星作为接收端时，用同样的方法可以分析得 到多普勒频偏值并进行多普勒频偏校正。由此可知，根据波束俯视角获得多普勒 频偏值之后，可以在星载设备上完成地面侧发送过来的信号的频偏校正，也可以 对星上发射信号进行频偏校正之后发送到地面接收端。

上述过程是以具体低轨卫星通信场景为例，但在其他卫星通信场景中均可作 为初始接入阶段的频偏校正方法，可以最大限度的修正卫星通信过程中由于多普 勒频偏造成的本振信号与接收信号之间的频差，降低锁相环路的负担。保证系统 稳定可靠的工作。

Claims (4)

1.低轨卫星移动通信系统中频偏校正方法，其特征在于，该方法包括：

(1)获取低轨卫星的轨道参数，包括轨道高度及波束俯视角信息；

(2)根据立体几何关系及数学关系推导得到卫星相对地面终端波束中心点处的俯视角与地心角之间的关系；

(3)计算得到卫星与该波束中心点相对距离d的表达式，从而根据d对时间求导得到卫星相对地面接收端的运动速度v；

(4)根据步骤(3)得到的相对速度v及系统载波频率f_c，计算得到该波束中心点的多普勒频偏f_d，所述多普勒频偏是关于波束俯视角的函数；

(5)由给定的卫星轨道高度及波束俯视角信息，在整个波束覆盖范围内，根据计算所得波束中心点处的多普勒频偏作为整个波束覆盖范围内的多普勒频偏值，对收发信号进行频偏校正；

卫星与地面接收端波束中心点处由于相对运动产生的多普勒频偏是关于波束俯视角的函数，其表达式为：

其中，R为地球半径，r＝R+h，h为卫星轨道高度，μ为开普勒常数，β、β₁分别为卫星与地球中心点的连线和与地面移动终端连线之间的夹角、卫星与地球中心点的连线和与地面移动终端到星下点轨迹上投影点连线之间的夹角。

2.根据权利要求1中所述的低轨卫星移动通信系统中频偏校正方法，其特征在于，所述步骤(5)中利用卫星波束中心点处的多普勒频偏作为整个波束的频偏值，或利用波束覆盖范围内任意一点的多普勒频偏值，对收发信号进行频偏校正。

3.根据权利要求1中所述的低轨卫星移动通信系统中频偏校正方法，其特征在于，所述步骤(5)中在根据波束俯视角获得多普勒频偏值之后，星上发射设备对发送信号进行频偏校正，星上接收设备对接收信号进行频偏校正。

4.根据权利要求1中所述的低轨卫星移动通信系统中频偏校正方法，其特征在于，将采用步骤(1)-(4)计算出的频偏值预先存储在存储器，通过查表的方式进行实时频偏校正。

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