CN109560861B - 基于卫星的导航与通信融合数据传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于卫星的导航与通信融合数据传输系统，包括卫星、接入卫星链路的用户终端和用于用户终端间转接通信的普通信关站，卫星链路包括普通信关站向用户终端传输数据的前向链路和用户终端向普通信关站传输数据的返向链路，所述前向链路能够同时传输导航信息和通信信息，所述普通信关站能够通过卫星上的单一转发器向用户终端同时发送导航信息和通信信息。本系统在不改变现有卫星导航信号体制和卫星硬件设备的基础上，在单一转发器上实现导航与通信融合的传输技术，实现了导航与通信功能的一体化。

Description

基于卫星的导航与通信融合数据传输系统

技术领域

本发明涉及一种卫星数据传输系统，特别是涉及一种基于卫星的导航与通信融合数据传输系统。

背景技术

目前，卫星导航技术及其应用已经渗透到世界各个国家和地区的社会、军事和经济建设等各个方面。卫星通信技术及其应用取得了令人瞩目的巨大成就，实现了覆盖全球的通信服务，卫星通信不仅在军事中发挥了关键性作用，也对人类的生产、生活方式产生了巨大影响。

卫星通信系统和卫星导航系统发展到今天给人们的生产生活带来了极大的便利，但也同样面临着卫星频谱资源紧张、信道频率选择性衰落严重等许多亟待解决的问题。卫星通信和卫星导航相互联系，又各有侧重。从应用背景来看，卫星通信系统和卫星导航系统面向不同领域，衡量系统的性能指标也不尽相同。考察卫星通信系统的性能指标是误码率，而卫星导航系统的性能指标是定位精度。从技术层面来看，卫星通信和卫星导航密不可分。卫星通信的可靠性关系到接收机的抗干扰特性和导航电文的误码率，进而影响接收机的定位精度，导航定位信号通过对传播时延的估计实现卫星通信系统的同步，而码元同步性能的优劣也直接影响通信系统的可靠性。

GPS系统在设计之初就没有考虑通信功能，为了满足日益兴起与迅速发展的基于位置服务的通信需求，一般采用GPS与地面移动网络相结合的方式解决位置信息进行回传或者广播的问题，如辅助GPS(A-GPS)增值服务，其通信功能实现依赖于全网内建立的基站，当重大自然灾害，如地震、海啸、火灾发生时，地面上的基站会陷于瘫痪，需要足够的时间以及外援才能恢复通信。卫星通信由于其轨道位置高、覆盖范围广、信道稳定，且不易受到地面灾害的影响等特点，发挥着不可替代的重要作用。而将应急卫星通信车辆开进灾区，需要道路条件的保障才能及时赶到。如果能在卫星导航系统内实现卫星通信，而且终端能做到一体化，则在救灾过程中可以发挥巨大的作用。北斗一代卫星导航试验系统采用基于应答式通信的方式实现主动定位导航，同时具备了导航与通信的功能，在2008年汶川大地震中实现了对救灾人员和车辆的位置监控和信息交流，并在渔业生产、车辆监控等诸多行业发挥了重要作用。美海军研究实验室2008年7月授予波音公司团队研发“高度完善全球定位系统(HI-GPS)计划”，旨在利用“铱”星低地球轨道通信卫星系统扩展GPS的军事应用，“铱”星现役星座的带宽为2400比特/秒，利用这种信号将能够比目前更快更精确的实现GPS定位。

北斗卫星导航系统具备双向报文通信功能，但受卫星资源限制，其用户容量小和通信速率低，无法实现语音和高速数据通信。现有卫星的基础上，不增加卫星转发器，能够开发一套系统能够同时满足导航和通信相融合的数据传输需求就非常重要，特别是某些对体积和大小有严格限制的应用领域，迫切需要这种导航与通信融合通信的方式。目前尚没有解决这个问题的技术方案。

发明内容

发明目的：本发明要解决的技术问题是提供一种基于卫星的导航与通信融合数据传输系统，在不改变现有卫星导航信号体制和卫星硬件设备的基础上，在单一转发器上实现导航与通信融合的传输技术，实现了导航与通信功能的一体化。

技术方案：本发明所述的基于卫星的导航与通信融合数据传输系统，包括卫星、接入卫星链路的用户终端和用于用户终端间转接通信的普通信关站，卫星链路包括普通信关站向用户终端传输数据的前向链路和用户终端向普通信关站传输数据的返向链路，所述前向链路能够同时传输导航信息和通信信息，所述普通信关站能够通过卫星上的单一转发器向用户终端同时发送导航信息和通信信息。

进一步的，前向链路包括前向导频信道、导航信道和前向通信信道，各个信道采用相互正交的扩频码进行扩频后合并叠加，扩频码由相互正交的GOLD码组成；返向链路包含1条接入信道和若干条业务信道，各信道分别使用不同的扩频码进行扩频，返向业务和信令均在同一个返向业务信道上发送；信道上传输的信息采用码分多址方式进行编码。

进一步的，前向通信信道和返回信道均传输语音、数据和信令信息，终端配置1个硬件发射通道。

进一步的，所述前向链路占据卫星转发器中心频点，频带带宽为20.46MHz，返向链路占据转发器频率的两侧，每侧各3个子频带，每个子频带带宽为1.75MHz，各个子频带的保护间隔取子频带带宽的1/4，子频带内部采用CDMA扩频机制，最大扩频因子为4096。

进一步的，所述卫星转发器的中心频点为6.025GH_Z。

进一步的，所述卫星转发器的功率分配为：前向通信链路占用30％功率，前向导航链路占用40％功率，返向通信链路占用30％功率。

进一步的，还包括管理整个卫星通信网络的中央信关站，中央信关站直接与外部网络连接，所述普通信关站通过中央信关站转接与外部网络通信。

进一步的，还包括跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统，跟踪遥测及指令分系统对卫星进行跟踪测量，控制卫星精确定轨和位置姿态保持，监控管理分系统对定点轨道的卫星在通信业务开通前、后进行通信性能的监测和控制。

有益效果：本系统能够基于现有的通信卫星或导航卫星，在卫星上单一转发器上实现的导航与通信融合的数据传输，具有结构紧凑、布设简便、成本低廉等显著优点，对于充分利用空间资源实现一星多用具有十分重要的意义。同时，本系统不仅适用于卫星上单一转发器，同样适用于多个转发器或多个卫星的应用。

附图说明

图1是本发明的系统整体构造图；

图2是卫星转发器功率分配示意图；

图3是卫星转发器频率分配示意图；

图4是前向链路信号处理流程图；

图5是返向链路信号处理流程图；

图6是前向链路中导频信道帧结构图；

图7是返向链路中2.4kbps话音或数据信道帧结构图；

图8是系统仿真误比特率测试性能分析图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述导航与通信信号体制依托现有卫星导航系统或卫星通信系统实现，由空间段(GEO和SIGSO卫星)、地面段(信关站、跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统)和用户段(各类终端)三大部分组成，空间段由四颗以上同步卫星组成，星上转发器转发地面、空中、海上和移动站的伪距测量信号、导航报文信息和通信信息，经地面段的精确测定轨，实现对终端的位置解算和通信功能。用户段主要指的是移动终端，移动终端可支持卫星导航、定位和视频图像、话音、数据通信功能。终端需要进行互通时，必须经过信关站转接，实现两跳互通。

地面段主要由信关站、跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统三部分组成，信关站又分中央信关站和普通信关站。中央信关站又称主控站或中心站，网络控制中心设在中央信关站，承担整个卫星通信网络的管理。中央信关站可直接与公众电话网、Internet等外部网络之间连接，为终端用户提供视频图像、语音、数据通信服务。普通信关站可实现网内终端用户通过卫星链路互联互通，普通信关站需经过中央信关站授权转接才可与外部网络通信，普通信关站与中央信关站利用光缆连接。跟踪遥测及指令分系统是对卫星进行跟踪测量，控制卫星精确定轨和位置姿态保持等；监控管理分系统是对定点轨道的卫星在通信业务开通前、后进行通信性能的监测和控制。

信关站至终端方向的卫星传输链路称为前向链路；终端至信关站方向的卫星传输链路称为返向链路。

为了合理利用转发器频率和功率资源，需要预先对转发器功率资源进行分配，导航与通信无不干扰，其功率谱分配如图2所示。导航与通信均有前向链路和返向链路，前向通信链路与前向导航链路共用20.46MHz频带资源，占用转发器70％功率，导航与通信信号通过(Code Division Multiple Access，CDMA)方式合成，其中导航信号占40％，前向通信信号占30％；返向通信链路占用转发器30％功率。

对于单个星上转发器应用，其功率谱分布包括前向链路功率谱和返向链路功率谱，且前向导航链路占转发器中心频点，频带带宽为20.46MHz，因此返向链路占据转发器频率的两侧，两侧各3个子频带，每个子频带带宽1.75MHz，各子频带间的保护间隔取子频带带宽的1/4，每个子频带内部采用CDMA扩频体制，最大扩频因子4096。返向频带在转发器上频谱分布如图3所示。

前向链路采用导航与通信融合设计，导航与通信信道占中心频点，共用20.46MHz信道带宽，前向链路包括前向导频信道、导航信道和前向通信信道，各个信道采用相互正交的扩频码进行扩频，经过合并叠加，前向通信数据信道主要传输通信数据、指令和话音等数据。主要处理流程如图4所示。前向链路采用正交(Code Division Multiply，CDM)方式进行扩频，各CDM信道采用可变扩频比的方式进行信道化。在前向链路中，导航与通信采用融合设计，前向链路每条码分信道通过专用的扩频码来区别于其他信道。各信道的扩频码由相互正交的GOLD码组成。

如图5所示，返向链路信道中话音、数据、信令共用一个射频发射通道发送，终端只需配置1个硬件发射通道。信令优先级高于数据，有信令时先传信令。返向链路信息处理流程，包括加扰、编码、调制、滤波等与前向链路一致。

前向链路包括导频信道、数据信道和话音信道。导频信道连续发送，提供前向链路的定时和相干解调的相位参考等信息。导频信道传输的是已知的m序列，生成方式同扰码生成方式，帧格式如图6所示。除导频信道传输已知序列外，数据信道传输数据信息，如入退网信令、短消息等各种类型信令消息；话音信道传输话音信息和随路信令，随路信令指示摘挂机等信息。各类型信息经过加扰、编码、重复、填充等处理后统一扩频到与导航信道相同的带宽并叠加，相应的帧结构与导航信息帧结构保持一致。

返向链路采用多频带码分多址方式(Multi-Frequency Code Division MultipleAccess，MF-CDMA)以解决不同用户共享信道资源的难题。返向链路包含6个子频带，每个子频带宽度1.75MHz，返向链路包含1条接入信道、若干业务信道，各信道分别使用不同的扩频码进行扩频，所有终端采用接入信道向信关站发送入网请求、信道申请等信令信息、各终端分别使用相同的频点采用竞争方式进行业务通信，所有返向业务和信令均在同一个返向业务信道上发送。支持两种工作模式，第一种为数据或话音单路通信模式，信息速率设计为2.4kbps；第二种为数话同传模式，信息速率设计为4.8kbps。图7是返向链路中2.4kbps话音或数据信道帧结构。

为验证本发明中所设计的导航与通信信号体制的可行性，选用某一颗GEO卫星的星上转发器进行链路预算分析。该卫星转发器参数如表1所示。

表1某GEO卫星相关参数

参数名称	数值	单位
			饱和输出功率[EIRP]s.s	40	dBW
饱和能量密度[SFD]	-91.7	dBW/m<sup>2</sup>
			卫星接收天线[G/T]<sub>s</sub>	1.8	dB/k
卫星转发器输入补偿[BO]<sub>i</sub>	6	dB
			卫星转发器输出补偿[BO]o	3	dB
转发器带宽B	36	MHz
			上行频率f<sub>u</sub>	6.025	GHz
下行频率f<sub>d</sub>	4.25	GHz
			卫星高度	36000	km
波尔兹曼常数	-228.6	dB
			转发器增益	168.75	dB

数据传输速率和转发器带宽的关系如下：

其中R为有效数据速率，FEC为编码码率，α为滚降因子。

天线增益的计算公式为：

G＝η(πD/λ)² (2)

其中η为天线的效率，D为天线直径。

上行链路载噪比计算：

[C/N]_u＝[EIRP]+[G/T]-[LOSSES]_u-[B]-[K] (3)

式中，[EIRP]为地面发送有效全向辐射功率，[G/T]为地面站接收机品质因数，B为噪声等效带宽，K为波尔兹曼常数，[LOSSES]_u为上行链路全部损耗

在卫星数据传输中载噪比公式为：

式中N₀为噪声功率谱密度，R_s为数据传输速率。

下行链路载噪比计算如下式所示：

[C/N]_D＝[EIRP]_S+[G/T]-[LOSSES]_D-[B]-[K] (5)

其中[EIRP]_S为卫星发送有效全向辐射功率，[G/T]为地面站接收机品质因数，[LOSSES]_D为下行链路全部损耗。

系统载噪比C/N_s与上行载噪比C/N_U、下行载噪比C/N_D和互调载噪比C/I有关，相关公式如下：

从接收灵敏度角度分析存在以下关系

其中P_r表示接收功率，[KT₀]为-174dBm，N_f表示噪声系数，R_b表示传输的信息速率，通过以上关系可计算得系统最大传输速率。

根据上述公式和转发器参数可以计算得到前向链路预算分析结果，如表2所示。

表2前向链路预算表

参数名称	便携	单位
			上行发射功率	40	W
上行天线增益	56.02	dB
			上行路径损耗	199.13	dB
上行其他损耗	5.1	dB
			接收[ERIP]r	33.53	dBW
下行路径损耗	195.63	dB
			下行其他损耗	8.6	dB
下行天线口径	0.25	m
			下行天线效率	0.60
下行天线增益[G]r	18.25	dB
			等效天线噪声温度	190.00	K
天线[G/T]	-4.54	dB
			功率利用率	0.30
互调载噪比[C/n<sub>0</sub>]	118.11	dBHz
			总载噪比	48.12	dBHz

从信关站经由星上转发器到终端的前向链路中，前向导航信号、前向通信信号和返向通信信号共用转发器资源，其功率占比为0.4：0.3：0.3；即前向通信信号功率利用率为30％，预留备用余量3dB。表中上行链路其他损耗主要包括：馈线损耗、大气损耗、降雨损耗、天线极化误差、天线指向误差、电离层闪烁损耗等；下行链路其他损耗主要包括大气损耗、降雨损耗、天线极化误差、天线指向误差、电离层闪烁损耗、多路径效应损耗等。

根据表2结果，按上述公式可得出全双工模式下前向链路所需的[Eb/n0]，如下表3所示，前向链路信息速率为4.8kbps时，其前向链路解调门限[Eb/n0]为5.30dB；对于手持终端，通信信息速率为0.2kbps时，其前向链路解调门限[E_b/n₀]为5.13dB。

表3前向链路预算分析结果

参数名称	数值	单位
			总载噪比[C/n<sub>0</sub>]	48.12	dB
数据速率	4.8	Kbps
			接收噪声系数	3	dB
备余量[C<sub>R</sub>]	3	dB
			[E<sub>b</sub>/n<sub>0</sub>]	5.30	dB

从终端经由星上转发器到信关站的返向链路中，返向链路预算分析如表4所示。返向通信信号功率利用率为30％，预留备用余量3dB。表中上行链路其他损耗主要包括：馈线损耗、大气损耗、降雨损耗、天线极化误差、天线指向误差、电离层闪烁损耗等；下行链路其他损耗主要包括大气损耗、降雨损耗、天线极化误差、天线指向误差、电离层闪烁损耗、多路径效应损耗等。比较表2与表4可发现，其返向链路的下行链路其他损耗小于前向链路的下行链路其他损耗，两者相差近3dB，因为返向链路中下行接收采用地面大天线接收，其极化方式与星上转发器上极化方式一致，因此极化误差比前向链路中的下行链路小的多，另外返向链路下行接收采用大天线接收对于地面多径抑制、天线跟踪误差等均有良好的抑制作用。返向链路中的上行链路其他损耗比前向链路的大0.6dB，这是由于极化误差的大小不同，且两条链路中电离层闪烁误差、大气误差等均存在差异。

表4返向链路预算分析表

根据表4结果，按公式(8)可得出全双工模式下返向链路所需的[E_b/n₀]，如表5所示。对于返向链路，当通信信息速率为2.4kbps时，其终端解调门限[E_b/n₀]为5.30dB，用户容量为24576个。

表5返向链路预算分析结果

参数名称	数值	单位
			总载噪比[C/n<sub>0</sub>]	45.22	dB
数据速率	2.4	Kbps
			接收噪声系数	3	dB
备余量[C<sub>R</sub>]	3	dB
			[E<sub>b</sub>/n<sub>0</sub>]	5.64	dB
系统容量	24576	个

为验证上述方案的可行性和误码性能，对所设计的终端模块进行自环测试，模拟星上环境，分别在高动态环境下和无高动态环境对终端进行误码性能测试，如图8所示，图中标注圆圈的线为理论值，标注竖线的线为无高动态下解调器性能，标注星号的线为10g加速度下的高动态环境下性能。从图8中可以看出，在不加高动态情况下解调器误码率比理论值恶化了0.2dB，加上高动态后比理论值恶化了约0.2dB，且解调器在3.2dB的时候达到了10^-6量级。

综上所述，所设计的卫星通信系统终端在信噪比3.2dB环境下能获得10^-6量级误码性能，满足系统链路预算中低于5dB的信噪比要求，因此本方案技术指标上是可行的。

Claims (6)

1.一种基于卫星的导航与通信融合数据传输系统，包括卫星、接入卫星链路的用户终端和用于用户终端间转接通信的普通信关站，卫星链路包括普通信关站向用户终端传输数据的前向链路和用户终端向普通信关站传输数据的返向链路，其特征在于：所述前向链路能够同时传输导航信息和通信信息，所述普通信关站能够通过卫星上的单一转发器向用户终端同时发送导航信息和通信信息；

前向链路包括前向导频信道、导航信道和前向通信信道，各个信道采用相互正交的扩频码进行扩频后合并叠加，扩频码由相互正交的GOLD码组成；导频信道连续发送，提供前向链路的相位参考信息，导频信道传输的是已知的m序列，生成方式同扰码生成方式，数据信道传输数据信息，话音信道传输话音信息和随路信令，各类型信息经过加扰、编码、重复、填充后统一扩频到与导航信道相同的带宽并叠加，相应的帧结构与导航信息帧结构保持一致；

返向链路包含1条接入信道和若干条业务信道，各信道分别使用不同的扩频码进行扩频，返向业务和信令均在同一个返向业务信道上发送；信道上传输的信息采用码分多址方式进行编码；返向链路信道中话音、数据、信令共用一个射频发射通道发送，终端只需配置1个硬件发射通道；信令优先级高于数据，返向链路信息处理流程与前向链路一致，包括加扰、编码、调制、滤波。

2.根据权利要求1所述的基于卫星的导航与通信融合数据传输系统，其特征在于：所述前向链路占据卫星转发器中心频点，频带带宽为20.46MHz，返向链路占据转发器频率的两侧，每侧各3个子频带，每个子频带带宽为1.75MHz，各个子频带的保护间隔取子频带带宽的1/4，子频带内部采用CDMA扩频机制，最大扩频因子为4096；

所有终端采用接入信道向信关站发送信令信息、各终端分别使用相同的频点采用竞争方式进行业务通信，所有返向业务和信令均在同一个返向业务信道上发送，支持两种工作模式，第一种为数据或话音单路通信模式，信息速率设计为2.4kbps；第二种为数话同传模式，信息速率设计为4.8kbps。

3.根据权利要求2所述的基于卫星的导航与通信融合数据传输系统，其特征在于：所述卫星转发器的中心频点为6.025GHZ。

4.根据权利要求2所述的基于卫星的导航与通信融合数据传输系统，其特征在于：所述卫星转发器的功率分配为：前向通信链路占用30％功率，前向导航链路占用40％功率，返向通信链路占用30％功率。

5.根据权利要求1所述的基于卫星的导航与通信融合数据传输系统，其特征在于：还包括管理整个卫星通信网络的中央信关站，中央信关站直接与外部网络连接，所述普通信关站通过中央信关站转接与外部网络通信。

6.根据权利要求1所述的基于卫星的导航与通信融合数据传输系统，其特征在于：还包括跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统，跟踪遥测及指令分系统对卫星进行跟踪测量，控制卫星精确定轨和位置姿态保持，监控管理分系统对定点轨道的卫星在通信业务开通前、后进行通信性能的监测和控制。

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