CN110226296B

CN110226296B - 用于处理由发射器设备向非地球同步卫星发射的信号的多普勒效应的方法

Info

Publication number: CN110226296B
Application number: CN201780084696.2A
Authority: CN
Inventors: 克里斯托夫·富尔泰; 大卫·费尔南德斯
Original assignee: Sigfox SA
Current assignee: Sigfox SA
Priority date: 2016-12-15
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2021-10-29
Anticipated expiration: 2037-12-14
Also published as: RU2747850C2; FR3060765B1; RU2019121629A; RU2019121629A3; CN110226296A; WO2018109411A1; AU2017374685A1; US20190312634A1; US10505624B2; FR3060765A1; AU2017374685B2; EP3556028A1; EP3556028B1

Abstract

本发明涉及用于通过发射器设备(110)向围绕地球在轨道中运动的卫星(120)发射信号的方法(220)，所述发射器设备(10)和卫星(120)包括无线远程通信装置。所述方法包括以下步骤：由所述发射器设备(110)接收(210)被称为存在信号的由卫星(120)发射的信号；对所述发射器设备(110)接收的存在信号上的由多普勒效应引起的频移进行分析(220)；对从发射要由发射器设备(110)发射的信号开始的后续预定时间起并且在要发射的所述信号的预定持续时间内的所述频移随时间的后续变化进行估计(230)；对根据要发射的信号上的频移估计的随时间的后续变化进行预补偿(240)。

Description

用于处理由发射器设备向非地球同步卫星发射的信号的多普勒效应的方法

技术领域

本发明属于无线远程通信系统领域，并且更具体地涉及用于在至少一个发射器设备与在轨道上运动的至少一个的卫星之间发射信号的方法。

本发明特别应用在连接对象领域中。

背景技术

本发明在超窄带无线远程通信系统中具有特别有利的应用，但决不是限制性的。术语“超窄带”(UNB)是指由发射器设备向卫星发射的无线电信号的瞬时频谱的频率宽度小于2千赫兹甚至小于1千赫兹。

这样的UNB无线远程通信系统特别适合于M2M(机器对机器)类型或“物联网”(IoT)类型的应用。

包括发射器设备和非地球同步卫星的无线远程通信系统的主要缺点之一是会出现干扰发射器设备与卫星之间的信号发射的多普勒效应。多普勒效应(其是运动对象的速度和运动对象的速度矢量与两个对象间的方向之间的角度的函数)不断地改变所发射的信号的频率。因此，为了接收到一直以恒定的发射频率发射的信号，开始接收时信号的接收频率与结束接收时信号的接收频率不同。由于对于M2M或IoT类型的应用而言数据流速通常较低从而使得信号的持续时间可能很长这一事实，接收频率随时间的变化进一步较大。接收频率随时间的这种变化使得在卫星上检测这样的信号变得复杂。

由信号上出现多普勒效应引起的另一缺点是同一带宽的通信信道的容量减小。此外，多普勒效应还意味着信号之间的冲突的数目增加。

发明内容

本发明的目的是通过提出一种解决方案来克服现有技术的解决方案的全部或部分限制(特别是上文中公开的那些限制)，该解决方案允许远程通信系统的卫星更容易地检测由发射器设备发射的信号和/或减少由这样的发射器设备发射的信号之间的冲突。

为此目的，并且根据第一方面，本发明涉及一种用于通过发射器设备向围绕地球在轨道中运动的卫星发射信号的方法，所述发射器设备和卫星包括无线远程通信装置。

术语发射器设备是指设置有能够发射信号的远程通信装置的任何对象。例如，发射器设备可以是连接对象。术语连接对象是指能够被远程查询或控制的连接至因特网的数据交换计算机网络类型的任何装置。连接对象具有任何类型。例如，其可以是从住宅收集室内和室外温度数据的气象站、用于测量油轮或罐中的液体或气体的物位的传感器、对停车位的占用的检测器、用于测量进入建筑物的人流的的传感器等。连接对象也可以是连接装置与网络之间的中继站。该中继站可以通过在中继站的计算机存储器中存储要向网络发送的数据来充当转发器或缓冲器。

根据本发明，所述方法包括以下步骤：

-通过所述发射器设备接收被称为存在信号的由卫星发射的信号；

-对所述发射器设备所接收的存在信号上的由多普勒效应引起的至少一个频移进行分析，该分析步骤包括对测量存在信号上的由多普勒效应引起的频移随时间的变化；

-根据对存在信号上的由多普勒效应引起的频移的分析，对从被称为发射时间的、从发射要由发射器设备(110)发射的信号开始的后续预定时间起并且在要发射的所述信号的预定持续时间内的所述频移随时间的后续变化进行估计；

-对根据要发射的信号的频移估计的随时间的后续变化进行预补偿；

-从发射时间起通过所述发射器设备发射信号。

因此，由发射器设备发射的信号(其能够在发射该信号的大部分期间，甚至优选地在发射该信号的每个时刻被预补偿)在没有任何明显的多普勒效应的情况下被卫星接收。换句话说，通过采用包括在预补偿之前的恒定载波频率的信号的示例，在发射之前或发射时对该信号进行预补偿，使得卫星接收到的信号的载波的接收频率恒定。

在分析步骤期间，可以通过测量存在信号的主频率的时间变化来测量由多普勒效应引起的频移随时间的变化。例如，存在信号的主频率表示所述存在信号的载波的频率、或者所述存在信号的子载波的频率、所述存在信号的瞬时频谱的中心频率、所述瞬时频谱的最小频率或最大频率等。接收到的存在信号的主频率的时间变化原则上类似于频移的时间变化，特别是在使用随时间恒定的主频率发射存在信号的情况下。主频率的时间变化可以通过测量两个不同的相应时刻的主频率之间的差来直接测量，或者通过测量至少两个不同的相应时刻的主频率并且通过计算所测量的主频率之间的差来间接测量。

此外，对卫星接收到的经预补偿的信号的分析更易于进行，因为其不需要对接收到的信号进行任何特定处理来克服多普勒效应，事实上减少了对接收到的信号进行检测和可能的解调所需要的计算次数。

另一方面，考虑到由多普勒效应引起的频移的时间变化不明显，可以重复使用适合于固定对象的算法和计算机程序而不需要进行任何特定的适应。

应当强调的是，仅校正了由于多普勒效应导致的频移的时间变化或频率的时间漂移。实际上，预补偿仅考虑频移随时间的变化而不考虑频移的绝对值。换句话说，如果预补偿之前的载波具有恒定频率，则接收到的信号的载波的接收频率基本上是恒定的，但是由于多普勒效应引起的频移，该频率可能相对于所述信号的所述载波的理论频率有偏移。因此，预补偿旨在获得在卫星上被认为是不随时间变化的由多普勒效应引起的频移。

在特定实施方式中，用于发射的方法还可以包括下述特征中的一个或若干个，其被单独采用或根据任何技术上允许的组合而采用。

在特定实施方式中，对频移随时间的后续变化进行预补偿的步骤包括使用与随时间的后续变化相反的频率对要发射的信号进行调制。

在特定实施方式中，通过对存在信号的所测量的频移随时间的变化进行外推来估计该频移随时间的后续变化。

在特定实施方式中，所测量的频移随时间的变化由曲线表示，该曲线的参数是通过曲线拟合方法计算的。

曲线拟合方法也被称为回归方法。

在特定实施方式中，分析步骤包括测量存在信号的主频率以及根据所测量的主频率并且根据所述存在信号的理论主频率来估计存在信号上的由多普勒效应引起的频移，所述方法还包括以下步骤：

-根据所估计的存在信号上的频移，估计由多普勒效应引起的对要发射的信号的发射时间产生影响的后续频移，

-对要发射的信号上的后续频移进行预补偿。

在这样的实施方式中，预补偿因此旨在不仅在消除卫星上的由多普勒效应引起的频移的时间变化，而且还在消除所述卫星上的所述频移的绝对值。因此，预补偿使得可以进一步获得：由卫星接收的信号的载波频率基本上等于由发射器设备发射的信号的载波的理论频率。

在特定实施方式中，分析步骤实现了锁相环。

在特定实施方式中，在预定时段内连续执行存在信号的发射。

根据第二方面，本发明涉及无线远程通信系统的发射器设备，其实现了根据本发明的任何实施方式的发射方法。

在特定实施方式中，发射器设备是连接对象。

根据第三方面，本发明涉及一种无线远程通信系统，其包括根据本发明的任何实施方式的至少一个发射器设备和围绕地球在轨道中运动的至少一个卫星。

附图说明

在阅读以下描述时将更好地理解本发明，该描述是作为绝非进行限制的示例给出的而且是参照附图给出的，附图示出了：

-图1：远程通信系统的实施方式的图解表示，

-图2：示出根据卫星相对于图1中的远程通信系统的发射器设备的位置的频移变化的曲线，

-图3：示出由发射器设备向卫星发射信号的方法的实施方式的图，

-图4：示出为了检测由卫星发射的存在信号而执行的处理的两个曲线图，

-图5：示出对由远程通信系统的发射器设备发射的信号执行的各种处理的曲线图。

在这些附图中，各个附图中相同的附图标记表示相同或相似的元素。为了清楚起见，除非另有说明，否则所示元素并不是等比例的。

具体实施方式

图1以图解方式示出了无线远程通信系统100，其包括多个发射器设备110和预先置于围绕地球的轨道上的纳米卫星群中的卫星120。

发射器设备110和卫星120以无线电信号的形式交换数据。术语“无线电信号”是指经由无线装置传播的其频率被包括在常规的无线电波频谱(几赫兹到数百千兆赫兹)内的电磁波。

在本发明的实施方式的该非限制性示例中，发射器设备110是包括能够向卫星120发射信号的远程通信装置111的连接对象。值得强调的是，在特定实施方式中，发射器设备110(在后文中称为连接对象110)也可以在其之间交换信号。

例如，连接对象110还包括设置有能够处理数据的微处理器的电子板112，甚至包括能够在借助于信号媒介传输数据之前存储数据的计算机存储器。

例如，通过连接对象110发射的信号和/或通过卫星120发射的信号是超窄带(UNB)信号。

例如，在远程通信系统100内交换的UNB信号包括频率约为100MHz(甚至100GHz)的载波。UNB信号的带宽小于2kHz，甚至小于1kHz。

在本发明的该非限制性示例中，连接至所述连接对象110的电子板112的远程通信装置111包括能够发射和接收UNB信号的天线、锁相环和超再生接收器。

在该示例中，卫星120是由边长为10厘米的立方结构形成的CubeSat型纳米卫星。部署在立方结构任一侧的两个光伏板121为卫星120提供能量。卫星120的质量大致等于5千克。指向地球表面的天线122使得可以向连接对象110发射UNB信号或者从连接对象110接收UNB信号。应当强调的是，卫星120被放置在围绕地球约五百千米的轨道上。因此，卫星120以约每秒七千米的速度绕地球运动，并且在约90分钟的持续时间内进行围绕地球的完整的旋转。更一般地，卫星120处于非地球同步轨道中，例如，处于LEO(低地球轨道)或MEO(中地球轨道)中。

卫星120还包括信标125，信标连续发射UNB信号(其在后文中被称为存在信号)。例如，由信标125发射的存在信号包括发射时的频率例如随时间恒定的载波。

在本发明的该特定实施方式的替选方案中，信标125优选地以规则的间隔不连续地发射存在信号。例如，发射的存在信号具有有限的持续时间，例如，约几百毫秒、几秒、甚至几分钟。

值得强调的是，考虑到节省能量，连接对象110通常但不是以受限的方式在大多数时间处于待机模式并且以规则的间隔退出该待机模式以便监听和/或发射信号。

图2根据卫星相对于连接对象的位置示出了关于由连接对象110接收的来自卫星120的信号经受的随时间的变化的频移曲线150的示例。图2包括五个曲线，其中每个曲线对应于由连接对象110看到的卫星120的不同的最大仰角。最大仰角(也被称为交叉轨迹角)是当卫星120最接近连接对象110时在对象上测量的地面与卫星120的方向之间的角。在该示例中，曲线150的横坐标对应于卫星110的纬度与连接对象110的纬度之间的差。当最大仰角低时，如曲线150₁的情况，卫星120被连接对象110看作靠近地平线，而当最大仰角约为90度时，如曲线150₂的情况，连接对象110基本上位于卫星120的轨迹的正下方。

图3以框图的形式示出了用于在连接对象110中的一个与在轨道上运动的卫星120之间发射信号的方法200。

方法200包括由连接对象110接收由卫星120发射的存在信号的步骤210。

在优选实施方式中，存在信号包括具有频率f_{c_sat}的载波和至少一个调制子载波，该子载波示出相对于频率f_{c_sat}的预定频率间隔f_s，以便能够将来自信标的信号与来自连接对象110的信号区分开，来自连接对象的信号不具有该特定形式或者在相反情况下具有与存在信号的频率间隔f_s不同的预定频率间隙。

换句话说，卫星120的存在信号包括使得可以借助于具有相对于频率f_{c_sat}的预定频率间隔f_s的调制子载波的存在来识别存在信号的源(即，该情况下的卫星120的信标125)的信息。更一般地，可以通过本领域的技术人员已知的任何技术将存在信号的识别信息编码在由信标125发射的存在信号中。

值得强调的是，包括载波和至少一个子载波的这样的存在信号是自同步类型。

由信标125利用频率为f_{c_sat}的载波发射的存在信号被连接对象110以频率为f′_{c_sat}＝f_{c_sat}+Δf(t)的载波接收，其中，Δf(t)表示由多普勒效应引起的频移，该频移随着信标125的存在信号从卫星120到连接对象110的传输过程而变化。

其中，v表示卫星的速度矢量的模，

f_c是所发射的信号的载波，在此等于f_{c_sat}，

c是光速，

θ是卫星120的速度矢量与由卫星120、对象110以及地球中心限定的平面之间的角度，

E是地平线与对象110上的卫星120之间的仰角，

是星下点(即，卫星投射在地球表面上的点)与对象110之间的角度，也称为覆盖角度。

值得强调的是，频移随时间变化，因为角度θ、E和

会根据卫星120相对于连接对象110的位移而变化。

借助于具有相对于载波的预定频率间隔的子载波的存在来识别存在信号被有利地用于包括多个连接对象和多个卫星的远程通信网络(其也被称为混合网络)的情况，其中，连接对象可以接收来自卫星和来自另一连接对象二者的信号。

例如，步骤210包括从接收到的多个信号中检测信标125的信号的子步骤211。为此，连接对象110中包括的超再生接收器使得可以借助于存在信号中存在有利地预先确定了相对于存在信号的载波频率的频率间隔的子载波来检测由信标125发射的存在信号。值得强调的是，超再生接收器在进行有效接收时有利地具有约一百微瓦的非常低的能量消耗。借助于检测循环，可以通过执行不连续的反复检测来减少超再生接收器的消耗。两次连续检测之间的时延的增加尤其使得该接收器的消耗可以减少。

此外，值得强调的是，超再生接收器有利地对以类似方式变化的载波和子载波的频率变化不敏感，正如存在信号经受多普勒效应的情况一样。

图4示出了通过该检测机制获得的结果的示例，其包括检测前的曲线310和检测后的曲线320。曲线310包括频率为f′_{c_sat}的载波311和频率为f₂的调制子载波312。载波与子载波之间的频率间隔等于f_s。该检测使得可以提取频率为f_s的信号321、频率为2f′_{c_sat}的信号322、频率为f′_{c_sat}+f₂的信号323和频率为2f₂的信号324。

在方法200的步骤220期间，对连接对象110接收的存在信号上的由多普勒效应引起的至少一个频移进行分析。

在该分析步骤220期间，对连接对象110接收的存在信号上的由多普勒效应引起的频移Δf的时间变化进行测量。

例如，该测量例如借助于连接对象110中包括的锁相环，通过至少在两个独立的时刻(优选地，在接收存在信号的每个时刻)测量连接对象110接收到的存在信号的主频率来进行。频移Δf的时间变化实际上等于接收到的存在信号的主频率的时间变化。

在方法200的步骤230的过程中，根据对存在信号上的由多普勒效应引起的频移的分析，进行对频移随时间的后续变化的估计。特别地，计算频移随时间的后续变化，以便预测在将要由连接对象110发射的信号发射至卫星120期间由该信号引起的频移。因此，对从发射要由设备110发射的信号的开始的预定时间(称为发射时间)起并且要发射该信号的预定持续时间内的频移随时间的后续变化进行估计。特别地，该预定持续时间对应于信号的发射持续时间。

在本发明的优选实施方式中，通过对在步骤220期间预先测量的频移随时间的变化进行外推来估计偏移随时间的后续变化。

预先测量的频移的时间变化可以借助于理论曲线Δf(t)来表示，例如，该理论曲线的参数经由曲线回归方法(也称为曲线拟合方法)来调整。

可以使用参数已被调整的理论曲线来执行对频移随时间的后续变化的估计。

一旦估计了随时间的后续变化，则在方法200的步骤240期间执行对存在信号随时间的后续变化的预补偿。

在本发明的优选实施方式中，对频移随时间的后续变化进行预补偿的步骤240包括使用与随时间的后续变化相反的频率对要发射的信号进行调制。例如，预补偿可以借助于FM(频率调制)来执行，其中调制频率等于要预补偿的变化的相反。

应该强调的是，该FM调制被应用于用于编码由连接对象110发射的信号中包含的二进制数据的常规调制。在本发明的该非限制性示例中，用于编码二进制数据的常规调制是包括每秒100比特的流速的DBPSK(数字二进制相移键控)类型的调制。

然后，在方法200的步骤250期间，从发射时间起发射经预补偿的信号。

值得强调的是，特别地，在卫星120接收由连接对象110发射的信号时，预补偿使得可以获得：卫星120对信号载波的接收频率在整个接收过程中基本恒定。

因此，卫星120可以在不必对接收到的信号应用用于校正由于多普勒效应引起的频率的时间漂移的复杂处理的情况下处理接收到的信号。因此其可以重复使用针对固定对象之间的通信开发的算法。然后，卫星的计算能力仅用于对明显没有经受任何多普勒效应的信号进行解调。

此外，值得强调的是，该示例中提出的预补偿未考虑频移的绝对值。由卫星120接收到的信号的载波频率当然是恒定的，但通常不同于连接对象110发射该信号时该信号的载波频率。

为此，可以可选地提供的是，分析步骤还包括测量存在信号的主频率以及根据所测量的主频率并且根据存在信号的理论主频率来估计存在信号上的由多普勒效应引起的频移。在某些情况下，与信标125发射存在信号时的载波频率对应的存在信号的理论频率是预先已知的，在这种情况下，例如，信标125以与预先建立的标准对应的预定频率进行发射。当载波的发射频率是先验未知时，例如，可以将所述发射频率的值编码在存在信号中，并且例如，对所述存在信号的调制子载波进行调制。特别地，可以借助于连接对象110中包括的锁相环来执行测量主频率。

因此，方法200还可以包括根据所估计的存在信号的频移来估计在要发射的信号的发射时间由多普勒效应引起的频移(称为后频移)的步骤235。在方法200的步骤245期间，在对所估计的频移随时间的后续变化进行预补偿之前或之后，还可以对要由连接对象110发射的信号执行后频移的预补偿。

在这种情况下，在连接对象110进行两次预补偿的情况下，卫星120对信号的载波的接收频率基本上等于连接对象110对所述信号的载波的发射频率。

图5示出了以下信号的载波的发射频率随时间的变化：在没有针对多普勒效应进行预补偿的情况下由连接对象110发射的信号510、在对随时间的变化的频移进行预补偿的情况下发射的相同信号520以及在对频移进行同样可选的预补偿的情况下发射的相同信号525。

没有进行预补偿的信号510的载波的发射频率在信号510的发射期间是恒定的。在图5中通过信号530示出了卫星120对信号510的载波的接收频率。信号510与信号530之间的差异对应于在发射信号510期间由信号510的载波频率的多普勒效应引起的频移。值得强调的是，该频移作为卫星120相对于连接对象110的速度和相对位置的函数随时间变化。为了抵消多普勒效应的时间频率漂移，对信号510执行对频移随时间的变化的预补偿。通过该预补偿获得的结果为信号520，其由卫星120在将其接收为信号540时出现，信号540的载波接收频率是恒定的但通常与信号510的载波发射频率不同。

为了获得恒定但也与信号510的所述载波的发射频率相同的载波接收频率，可以对信号520应用频率偏移的预补偿，如此以使得载波的发射频率对应于信号525所示的频率。当连接对象110发射信号525时，该信号被卫星接收为信号550，所述卫星120对信号550的载波的接收频率是恒定的并且与信号510的载波的发射频率相同。

可选地，方法200还可以包括从卫星120接收到的多个信号中识别用于卫星120的信号的步骤。假设用于卫星120的信号已被预补偿，则这些信号易于识别，因为它们不需要任何先前的处理来校正多普勒效应。该步骤在混合远程通信系统的情况下尤其有用。

Claims

1.一种通过发射器设备(110)向围绕地球在轨道中运动的卫星(120)发射信号的方法(200)，所述发射器设备(110)和所述卫星(120)包括无线远程通信装置，

其特征在于，所述方法包括以下步骤：

-由所述发射器设备(110)接收(210)被称为存在信号的、由所述卫星(120)发射的信号；

-对所述发射器设备(110)所接收的存在信号上的由多普勒效应引起的频移进行分析(220)，所述分析(220)的步骤包括：测量所述存在信号上的由多普勒效应引起的频移随时间的变化；

-根据对所述存在信号上的由多普勒效应引起的频移的分析，在发射时间对所述频移随时间的后续变化进行估计(230)，所述发射时间对应于要由所述发射器设备(110)发射的信号的发射的开始，在要发射的信号的发射的预定持续时间内对所述频移随时间的后续变化进行估计；

-对根据要发射的信号上的频移估计的随时间的后续变化进行预补偿(240)；

-从所述发射时间起通过所述发射器设备(110)发射(250)信号。

2.根据权利要求1所述的方法(200)，其特征在于，对频移随时间的后续变化进行预补偿(240)的步骤包括：使用与随时间的后续变化相反的频率来调制要发射的信号。

3.根据权利要求1所述的方法(200)，其特征在于，通过对所述存在信号的所测量的频移随时间的变化进行外推来估计频移随时间的后续变化。

4.根据权利要求1所述的方法(200)，其特征在于，所测量的频移随时间的变化由理论曲线表示，所述理论曲线的参数是通过曲线拟合方法计算的。

5.根据权利要求1所述的方法(200)，其特征在于，所述分析(220)的步骤包括：测量所述存在信号的主频率，并且根据所测量的主频率以及根据所述存在信号的理论主频率来估计所述存在信号上的由多普勒效应引起的频移，所述方法还包括以下步骤：

-根据所估计的所述存在信号上的频移，估计(235)由多普勒效应引起的对要发射的信号的所述发射时间产生影响的后续频移；

-对要发射的信号上的后续频移进行预补偿(245)。

6.根据权利要求1所述的方法(200)，其特征在于，所述分析步骤实现了锁相环。

7.根据权利要求1所述的方法(200)，其特征在于，在预定时段内连续执行所述存在信号的发射。

8.一种无线远程通信系统(100)的发射器设备(110)，其特征在于，所述发射器设备实现了根据权利要求1至7中任一项所述的用于进行发射的方法(200)。

9.一种无线远程通信系统(100)，其特征在于，所述无线远程通信系统包括至少一个根据权利要求8所述的发射器设备(110)以及至少一个围绕地球在轨道中运动的卫星(120)。