CN110324075B - 一种低轨星座上行信号时频校正周期确定方法 - Google Patents

Abstract

一种低轨星座上行信号时频校正周期确定方法，包括步骤：1)确定地面终端在各波束内的驻留时间；2)地面终端向卫星发送的上行信号，根据不同地心角对应的上行信号在信号传播方向上的多普勒频偏，确定最大多普勒变化率；3)根据所述驻留时间，确定校时周期；4)根据所述最大多普勒变化率，确定校频周期；5)根据所述校时周期和所述校频周期，确定时频校正周期，按照所述时频校正周期，每个周期内同时对上行信号进行校频处理和校时处理一次。本发明分析终地面端在波束内驻留时间和多普勒频偏、多普勒变化率，保证卫星接收到的地面上行业务突发信号的起始点落在时隙保护内，保证上行频偏采用独特字校正后满足精度要求。

Description

一种低轨星座上行信号时频校正周期确定方法

技术领域

本发明涉及一种低轨星座上行信号时频校正周期确定方法，属于卫星通信领域，涉及卫星对接收到的地面终端上行信号的时频、频偏校正频次，适用于TDMA/FDMA体制的低轨星座系统。

背景技术

低轨星座系统中，卫星相对地面高速运动会造成地面终端上行信号到达卫星后巨大的时偏、频偏。对采用了TDMA/FDMA体制的低轨星座系统来说，若时偏超出空中接口的时隙保护，或者频偏超出星上解调器的容忍能力，则卫星无法对上行信号再生。因此，卫星需要按一定的时间间隔(频次)，对地面终端上行信号进行时偏、频偏进行校正，保证上行业务突发的起始点落在时隙保护内，保证上行频偏在解调器能力范围内。

文献《卫星通信中多普勒频偏的预校正》(孙川，梅顺良，电波科学学报，2006)提出一种消除低轨卫星系统多普勒频偏的方法，根据卫星与地面站之间的相对位置和速度，预先计算出信号的多普勒频偏。未涉及星地多普勒频偏校正频次的问题。

文献《基于HPOP的低轨星座多普勒与时延研究》(李飞龙，卢超，李薇，杨杰，通信技术，2016)提出利用过精度轨道预报HPOP模型作为卫星受摄运动模型，对星历进行预报，从而建立星座卫星的多普勒频移和时延估计模型，为多普勒与时延补偿提供先验信息。未涉及多普勒频偏校正和时延校正频次的问题。

文献《基于多普勒的二维切换预测算法》(陈晓挺，通信技术，2010)提出了星上处理器利用地面移动终端上行信号固有的多普勒频偏信息预测切换时间的算法，并给出了低复杂度的求解过程。未涉及星地多普勒频偏校正和时延校正频次的问题。

文献《低轨卫星LTE通信系统同步问题的研究》(秦思高，电子科技大学，硕士学位论文，2017)研究了LTE协议在低轨卫星场景中的应用，分析了频率偏移的估计算法，并根据低轨卫星的应用场景对整数频偏的估计算法加以改进。该文献并不适用于TDMA/FMDA体制的低轨系统。

在轨的Globalstar系统采用CDMA体制，本方法不适用。Iridium系统设计适用于本方法。从公开文献了解到，Iridium系统设计了TDMA帧格式，并且TDMA帧内时隙间留有保护，但是Iridium系统详细的物理层过程未见报告，也未见物理层上行时频同步的相关技术细节。

从以上文献研究内容和在轨系统工作现状可以看出，针对低轨移动星座系统，已有成果基本局限于星地对大的多普勒频偏和时延的校正方法，而无对多普勒频偏校正和时延校正频次问题的研究。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种低轨星座上行信号时频校正周期确定方法，基于卫星轨道运动，对卫星接收到的地面终端上行信号的时延偏差和频率偏差以及频偏变化率进行分析，在此基础上确定校正频次，能够保证卫星接收信号质量与星上解调器的解调能力相匹配，星上能够成功再生信号。

本发明的技术方案是：

一种低轨星座上行信号时频校正周期确定方法，包括步骤如下：

1)确定地面终端在各波束内的驻留时间，所述波束包括：中心波束、内圈波束、外圈波束；

2)地面终端向卫星发送的上行信号，根据不同地心角对应的上行信号在信号传播方向上的多普勒频偏

确定最大多普勒变化率

3)根据步骤1)确定的所述地面终端在各波束内的驻留时间T₁，T₂-T₁，T₃-T₂，确定校时周期N_T；

4)根据步骤2)中确定的所述最大多普勒变化率

确定校频周期N_f；

5)根据步骤3)确定的所述校时周期N_T和步骤4)确定的所述校频周期N_f，确定时频校正周期N_T,f，按照所述时频校正周期N_T,f每个周期内同时对上行信号进行校频处理和校时处理一次。

所述步骤1)确定地面终端在各波束内的驻留时间的方法，具体如下：

T_ZX＝T₁，T_NQ＝T₂-T₁，T_WQ＝T₃-T₂；

其中，T_ZX为地面终端在所述中心波束内的驻留时间，T_NQ为地面终端在所述内圈波束内的驻留时间，T_WQ为地面终端在所述外圈波束内的驻留时间；

k＝(1,2,3)，

k＝(1,2,3)，v_sat,ue＝v_sat+v_ue，

其中，Φ_k为每个波束边缘到地心连线与卫星到地心连线的夹角，v_sat为卫星运行的角速度，v_ue为地面终端以地球半径为运动半径的角速度，d₁为卫星位于地面终端正上方位置时，卫星到内圈波束与中心波束交点的距离，d₂为卫星到内圈波束与外圈波束交点的距离，d₃为卫星到外圈波束最远点的距离；所述外圈波束最远点为外圈波束边缘上距离卫星星下点最远的点，b为卫星到地心的距离，r为地面终端到地心的距离。

所述步骤2)确定最大多普勒变化率

的方法，具体为：

其中，Δ_t为卫星划过单位地心角所用的时间，θ₁(t)为t时刻地面终端到地心连线与t时刻卫星到地心连线的夹角，0≤θ₁(t)≤Φ₃，f为上行信号的传输频率，c为光速，d为卫星到地面终端的距离。

所述步骤3)确定校时周期N_T的方法，具体如下：

k＝(1,2,3)，

k＝(1,2,3)，

其中，T_guard的取值范围为0.05～0.02ms，T_frame的取值范围为20～90ms，c为光速，h为卫星的离地面的高度。

所述步骤4)确定校频周期N_f的方法，具体如下：

其中，

小于4～5kHz。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)本发明针对LEO轨道通信卫星，结合任意的卫星波束设计，采用参数化的方法，分析了地面终端和卫星相对的高速运动对星上接收信号的时延和多普勒频变化率的影响，对星上接收信号时延和多普勒变化率随卫星运动的关系进行了准确建模。基于建模结果，给出了星地采用FDMA/TDMA体制进行通信时，星上对接收信号时偏和频偏的矫正频次确定方法。

2)基于本发明方法给出的结果，星上每隔固定时间对时偏和频偏同时矫正，可以保证在星地通信期间，星上接收信号可以完全落在星上时隙间的保护内，同时接收信号多普勒频偏不超出星上解调器能力范围，从而保证星上正确解调地面终端发来的信号。

3)与通过本方法确定的校正周期相比，若指定的校正周期过长，则星上无法正确解调信号；若指定的校正周期过短，则校正过于频繁，浪费宝贵的星上资源。因此，通过本方法可以精确确定星上时频校正周期；同时，也可以指导星地物理层空口设计，如帧长、帧间保护设计是否合理。

附图说明

图1为本发明波束示意图；

图2为卫星与不同波束边缘连线时的地心夹角示意；

图3为本发明卫星和地面终端运动方向示意图；

图4为多普勒频偏与地面终端位置关系；

图5为多普勒变化率与地面终端位置关系；

图6为本发明方法流程图。

具体实施方式

本发明给出了一种低轨星座上行信号时偏频偏校正频次设计方法。在低轨星座系统中，卫星相对地面高速运动会造成地面上行信号到达卫星后巨大的时偏、频偏，卫星需要按一定的时间间隔，对接收信号的时偏、频偏进行校正，保证卫星接收到的地面上行业务突发信号的起始点落在时隙保护内，保证上行频偏采用独特字校正后满足精度要求。本发明基于卫星运动和卫星波束设计，分析了地面终端在各波束内驻留时间；基于卫星运动和卫星波束设计，分析了地面终端到卫星上行信号的多普勒频偏和多普勒变化率随时间的关系。根据星地空中接口物理层帧间时间保护，以及星上解调器对频偏的容忍能力，设计上行时偏、频偏校正频次。本发明适用于采用了TDMA/FDMA体制的低轨星座系统。

本发明的技术思路是：基于地面终端在单个波束内的驻留时间和地面终端到卫星的最大最小时延差，计算出平均每帧的时延差。基于平均每帧时延差，计算星地时间校正的最大帧数间隔，保证地面终端信号到达卫星时不会超出时隙间保护，这个最大帧数间隔就是校时周期。基于地面终端信号到达卫星时的多普勒变化率，根据星上解调器对接收信号频偏的最大容忍能力，计算校频周期。卫星对地面地面终端上行信号的时频、频偏校正一次完成，校时周期和校频周期的最小值就是系统的时频校正周期。

本发明一种低轨星座上行信号时频校正周期确定方法，如图6所示，包括步骤如下：

1)确定地面终端在各波束内的驻留时间，如附图1和2，所述波束包括：中心波束、内圈波束、外圈波束，地面终端转过每个波束地心角的时间为T_kk＝(1,2,3)，分别表示中心波束，内圈波束，外圈波束，则在单个波束内的驻留时间分别为T₁，T₂-T₁，T₃-T₂；

2)地面终端向卫星发送的上行信号，根据不同地心角对应的上行信号在信号传播方向上的多普勒频偏

确定最大多普勒变化率

3)根据步骤1)确定的所述地面终端在各波束内的驻留时间T₁，T₂-T₁，T₃-T₂，以及终端在每个波束内的平均每帧的时延差

k＝(1,2，3)，再根据星地空中接口时隙保护时间T_guard，确定校时周期N_T；

4)根据步骤2)中确定的所述最大多普勒变化率

物理层每帧的时间长度T_frame，以及星上解调器对接收信号频偏的最大容忍能力

确定校频周期N_f；

5)根据步骤3)确定的所述校时周期N_T和步骤4)确定的所述校频周期N_f，确定时频校正周期N_T,f，两者的最小值就是系统的时频校正周期N_T,f，即N_T,f＝min(N_t,N_f)。按照所述时频校正周期N_T,f每个周期内同时对上行信号进行校频处理和校时处理一次，卫星对地面终端上行信号的时频、频偏校正一次完成。

所述步骤1)确定地面终端在各波束内的驻留时间的方法，具体如下：

T_ZX＝T₁，T_NQ＝T₂-T₁，T_WQ＝T₃-T₂；

其中，T_ZX为地面终端在所述中心波束内的驻留时间，T_NQ为地面终端在所述内圈波束内的驻留时间，T_WQ为地面终端在所述外圈波束内的驻留时间；

k＝(1,2,3)，

k＝(1,2,3)，v_sat,ue＝v_sat+v_ue，

其中，Φ_k为每个波束边缘到地心连线与卫星到地心连线的夹角，如图2所示，v_sat为卫星运行的角速度，v_ue为地面终端以地球半径为运动半径的角速度，单位为度/秒，d₁为卫星位于地面终端正上方位置时，卫星到内圈波束与中心波束交点的距离，d₂为卫星到内圈波束与外圈波束交点的距离，d₃为卫星到外圈波束最远点的距离；所述外圈波束最远点为外圈波束边缘上距离卫星星下点最远的点，b为卫星到地心的距离，r为地面终端到地心的距离，卫星运行角速度由多普勒定律得到：

其中，G＝6.67×10^-11，M＝5.965×10²⁴，b为卫星轨道半径，单位为米，如图2，b＝r+h，h为卫星离地面的高度。

所述步骤2)确定上行信号在信号传播方向上的最大多普勒变化率

的方法，具体为：

其中，Δ_t为卫星划过单位地心角所用的时间，

为t时刻地面终端向卫星发送的上行信号在信号传播方向上的多普勒频偏，θ₁(t)为t时刻地面终端到地心连线与t时刻卫星到地心连线的夹角，0≤θ₁(t)≤Φ₃，如图3所示。f为上行信号的传输频率，单位为Hz；c为光速，单位为m/s，

为卫星速度在信号传播方向上的投影，

为v_ue在信号传播方向上的投影。如图3所示，θ₆为地面终端运行方向与信号传播方向的夹角，θ₃为卫星运行方向与信号传播方向的夹角，θ₂为卫星到地心连线与卫星到地面终端连线的夹角，d为卫星到地面终端的距离，单位为米。t的取值范围为卫星从地面终端上端飞行到离开地面终端通信范围。

所述步骤3)确定校时周期N_T的方法，具体如下：

k＝(1,2,3)，

k＝(1,2,3)，

其中，T_guard为时隙保护时间，T_guard的取值范围为0.05～0.02ms，T_frame为物理层每帧的时间长度，T_frame的取值范围为20～90ms，c为光速，h为卫星的离地面的高度。

所述步骤4)确定校频周期N_f的方法，具体如下：

其中，

为星上解调器对接收信号频偏的最大容忍能力，

小于4～5kHz。

下面对本发明进一步的描述。为方便起见，各个参数都给出了具体数值作为示例，实际系统设计时，可以改变数值，用同样的分析计算方法获得所需结果。

参数设置如下：

(1)卫星轨道高度：h＝1070Km；

(2)地面终端角速度：v_ue＝0.0025°/s(对应速度为1000Km/h)；

(3)时隙保护时间：T_guard＝0.1ms；

(4)物理层每帧的时间长度：T_frame＝40ms；

(5)星上解调器对接收信号频偏的最大容忍能力：

(6)附图1和图2中卫星到各波束边缘的距离：

d₁＝1272.2km,d₂＝1936.8km,d₃＝2722.4km；

(7)地球半径：r＝6378km；

步骤1：分析地面终端在波束内驻留时间

以一个轨道高度为1070Km的低轨系统为例，计算得到对应卫星角速度0.0563°/s，卫星绕地球一周需要6394s；星下点运行速度22,563Km/h。

以卫星生成52个波束为例，波束分为3圈，定义为中心波束、内圈波束、外圈波束。可以根据轨道高度和波束角度计算出波束中心和波束边缘到卫星的距离，具体如图1所示。

地面终端初始位于星下点，随着卫星从右向左运动，地面终端经过了卫星的中心波束、内圈波束、外圈波束。卫星位于不同位置时，与地心夹角的关系如图2所示，可以计算出地面终端在3个典型波束内的停留时间。结果如表1所示。

表1地面终端在各波束内的驻留时间统计

步骤2：分析地面终端的多普勒频偏及多普勒变化率

多普勒分析结果如表2所示。

表2多普勒频偏建模结果

多普勒频偏关于地面地面终端位置的关系如图4所示。多普勒变化率关于地面终端位置的关系如图5所示。

步骤3：设计上行时偏、频偏校正频次

卫星对上行信号的时频、频偏校正同时实现，因此，校正周期应该取校时周期和校频周期的较小值，即:

校正周期＝min(校时周期，校频周期)；

校时周期分析

地面终端在各波束内的驻留时间，可以折算成帧个数(物理层每帧40ms)。

地面终端穿过单个波束，会有到卫星的最大时延和最小时延，根据地面终端在波束内总的驻留时间和最大最小时延差，可以计算出平均每帧的时延差。

根据星地空中接口，时隙间保护为0.1ms，根据平均每帧时延差，可以计算出经过多少帧以后，地面终端信号到达卫星时会超出0.1ms的时隙保护，具体如表3所示，那么计算出的这个帧数就是星地应该进行时间校正的最大帧数间隔。

表3地面终端在各波束内驻留时间以帧的个数表示

从表3可知，地面终端位于外圈波束时，经过121帧后，地面终端到达星上的突发信号会落在0.1ms之外，因此，121帧就是系统校时的最大时间间隔。系统校时周期应该小于此间隔，否则会造成星上对地面终端上行信号解调错误。

校频周期分析

地面终端从与卫星建立连接开始，按照规定的校频周期进行频偏校正，即地面终端根据接收到的卫星广播信号估计下行多普勒频偏。由于上下行多普勒频偏相同，因此，地面终端发送上行信号前会进行频偏预补偿，上行信号到达卫星后残余的多普勒频偏比较小。因此，多普勒频偏对校频周期产生的影响小，而多普勒变化率对校频周期起决定作用。

多普勒变化率最大248.5Hz/s，地面终端采用Pi/4-CQPSK调制，在给定独特字长度的条件下，星上解调器对接收信号频偏的最大容忍能力是1.8KHz，若频偏超过1.8KHz，则无法满足星上解调的误符号率要求。根据多普勒变化率，折算出经过了7.24s之后星上接收信号频偏会从0Hz变化到1.8KHz，即经过了181帧后星上解调器将无法解调信号。因此，校频周期为181帧。

校正周期

校正周期＝校正周期＝min(121帧，181帧)＝121帧；

只要卫星按照121帧的频次进行上行时间校正和频率校正，即每121帧校正一次，星上就能实现地面终端上行信号的正确解调。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种低轨星座上行信号时频校正周期确定方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)确定地面终端在各波束内的驻留时间，所述波束包括：中心波束、内圈波束、外圈波束；

2)地面终端向卫星发送的上行信号，根据不同地心角对应的上行信号在信号传播方向上的多普勒频偏

确定最大多普勒变化率

3)根据步骤1)确定的所述地面终端在各波束内的驻留时间T₁，T₂-T₁，T₃-T₂，确定校时周期N_T；T₁、T₂、T₃分别表示地面终端转过中心波束、内圈波束和外圈波束地心角的时间；

4)根据步骤2)中确定的所述最大多普勒变化率

确定校频周期N_f；

5)根据步骤3)确定的所述校时周期N_T和步骤4)确定的所述校频周期N_f，确定时频校正周期N_T,f，按照所述时频校正周期N_T,f每个周期内同时对上行信号进行校频处理和校时处理一次。

2.根据权利要求1所述的一种低轨星座上行信号时频校正周期确定方法，其特征在于：所述步骤1)确定地面终端在各波束内的驻留时间的方法，具体如下：

T_ZX＝T₁，T_NQ＝T₂-T₁，T_WQ＝T₃-T₂；

其中，T_ZX为地面终端在所述中心波束内的驻留时间，T_NQ为地面终端在所述内圈波束内的驻留时间，T_WQ为地面终端在所述外圈波束内的驻留时间；

其中，Φ_k为每个波束边缘到地心连线与卫星到地心连线的夹角，v_sat为卫星运行的角速度，v_ue为地面终端以地球半径为运动半径的角速度，d₁为卫星位于地面终端正上方位置时，卫星到内圈波束与中心波束交点的距离，d₂为卫星到内圈波束与外圈波束交点的距离，d₃为卫星到外圈波束最远点的距离；所述外圈波束最远点为外圈波束边缘上距离卫星星下点最远的点，b为卫星到地心的距离，r为地面终端到地心的距离。

3.根据权利要求2所述的一种低轨星座上行信号时频校正周期确定方法，其特征在于，所述步骤2)确定最大多普勒变化率

的方法，具体为：

其中，Δ_t为卫星划过单位地心角所用的时间，θ₁(t)为t时刻地面终端到地心连线与t时刻卫星到地心连线的夹角，0≤θ₁(t)≤Φ₃，f为上行信号的传输频率，c为光速，d为卫星到终端的距离；

为t时刻地面终端向卫星发送的上行信号在信号传播方向上的多普勒频偏。

4.根据权利要求3所述的一种低轨星座上行信号时频校正周期确定方法，其特征在于，所述步骤3)确定校时周期N_T的方法，具体如下：

其中，T_guard的取值范围为0.05～0.02ms，T_frame的取值范围为20～90ms，c为光速，h为卫星的离地面的高度；T_guard为时隙保护时间，T_frame为物理层每帧的时间长度。

5.根据权利要求4所述的一种低轨星座上行信号时频校正周期确定方法，其特征在于，所述步骤4)确定校频周期N_f的方法，具体如下：

其中，

小于4～5kHz；

为星上解调器对接收信号频偏的最大容忍能力。

6.根据权利要求1～5之一所述的一种低轨星座上行信号时频校正周期确定方法，其特征在于，所述步骤5)确定时频校正周期N_T,f的方法，具体如下：

N_T,f＝min(N_T,N_f)。

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