CN110391838A - 采用gbbf技术的静止轨道卫星通信系统星地频差校准方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采用GBBF技术的静止轨道卫星通信系统星地频差校准方法及系统，1)地面发送导频信号2)卫星接收导频信号对其进行变频转发，环回给地面；卫星转发环回导频信号时，同时向地面发送两路频率不同的导频信号3)地面接收环回导频信号和导频信号计算3路导频信号的中心频率，进而计算出星地运动多普勒因子K以及上行星地介质多普勒频偏4)地面对n个馈源信号的中频作出调整，补偿馈源在空间传输时带来的馈源之间的频率差；5)地面把n个基带或低中频的馈源信号上变频为射频的馈源信号，之后进行合路形成一路FDM信号，发送到卫星；6)星上把一路FDM信号分为多路；把n个馈源信号下变频为中频的馈源信号。

Description

采用GBBF技术的静止轨道卫星通信系统星地频差校准方法及 系统

技术领域

本发明涉及一种采用GBBF技术的静止轨道卫星通信系统星地频差校准方法，可以有效计算星地频差并进行补偿，保证地面波束形成性能。本发明涉及下一代静止轨道移动通信系统核心技术，也可为导航、雷达等卫星提供高精度实时频率估计的方案参考，具有广泛的应用和实用价值。

背景技术

如图1所示，GBBF(Ground-Based Beamforming)技术是下一代静止轨道移动通信系统的一项核心技术，GBBF技术可以极大的提升波束形成的灵活性，卫星在轨后可以灵活、快速的增加、消除及重构点波束，以适应不同轨道位置、业务变化及新型应用；可以在地面进行自适应波束形成及波束调零等复杂信号处理；卫星与体制无关，可以非常容易的实现卫星通信系统的体制升级。

GBBF系统由于波束在地面形成，地面站需要从馈电链路中恢复出多个星上接收的天线馈源信号，但是，由于卫星运行在同步轨道上，倾斜的轨道使卫星相对地面周期性绕‘8’字运动，由于星地本振之间不同源，导致地面站恢复出的馈源信号与星上信号存在一定的频率差，即使地面站恢复出的信号与星上信号存在1Hz的频率差，那也将意味着二者存在360°/秒的相位差，而馈源信号之间时变的相位差会导致波束增益的下降、副瓣的升高、指向偏差以及形状偏差，当相位误差严重时，地面甚至不能正常形成波束。因此，必须研究针对GBBF系统的高精度的频率差校正方法，地面站必须要实时计算星地频差并实时补偿频差，来保证地面波束形成的性能。

卫星相对地面周期性绕‘8’字运动会产生多普勒效应，假设发射机与接收机之间的相对运动速度为v_r，发射机的发出的信号频率为f_tx，那么接收机观察到的信号频率为：

上式为接收频率和发射频率的对应关系。其中，c为光速；当收发机之间相对靠近时v_r取加号，相互远离时v_r取减号。卫星在与赤道平面倾斜角为6度的轨道运行，24小时周期内馈电链路Ka频段的多普勒频移范围为±3.2KHz。以ICO-G1卫星为例，其馈电链路的带宽高达750MHz，各个通道多普勒频偏也不完全一致，随着时间的累积，各S频段馈源信号的频率差会导致各个馈源信号产生不同的相位差，相差变化率最大可达115200°。

运动卫星的多普勒频移实际应包括卫星的运动和电波传播介质的变化引起的多普勒频移，高精度的多普勒测量应考虑介质多普勒频移。(以下内容参考文献《GPS信号的多普勒效应分析》)

对于电磁波频率比电离层临界频率高得多的电磁波，介质多普勒频移公式可由下式给出：

其中，Δf_I为介质多普勒频偏，与电磁波发射频率成反比，f为电磁波频率，c为光速，TEC为电磁波射线路径上的总电子含量。

图2给出了2000年7月14日由国际GPS服务观测网的一个地面站观测的两颗GPS卫星的载频f₁(1575.42MHz)的介质多普勒随时间的变化关系。

由图2可以看出，GPS信号的介质多普勒频偏量级在10e-2左右，且随机起伏很大。由图2初步估算Ka频段(20G)介质多普勒频移为：

Δf_I＝0.06*1575.42/20000＝0.0047Hz

引起各个通道产生不同的相差最大可达0.5°，另外，由于目前对Ka频段介质多普勒效应还缺乏必要的认识，相关数据无积累。

除此之外，星地之间的10MHz参考时钟不同源也会造成系统一定的性能损失，以星地参考源频率准确度均为5*10^-12计算，星地10M参考源不同源在S频段馈源信号上带来的最大相位差为0.000002°，相对于运动多普勒和介质多普勒带来的相位误差影响可忽略不计。

文献1“星载地基波束形成关键技术”(李翔，电子科技大学硕士研究生毕业论文，2015年5月)介绍了GBBF系统相关技术与背景知识。在馈电链路校准方面，介绍了ICO-G1(DBSD-G1)的馈电链路校准方案。在该方案中多普勒信息的获取和补偿同样位于地面站，但文章中并未给出校准方案的具体实施方法。

文献2“移动通信中一种快速收敛的多普勒频偏估计方法”(华惊宇，滑翰，盛斌等，东南大学移动通信国家重点实验室，南京，通信学报，2005年第1期)利用有效到达径上信道参数估计值包络的平均电平通过率，估计出时变多径信道的多普勒频偏，并且针对统计LCR需要的观察时间长度和存储量，提出了利用一阶自回归滤波器(AR(1))来减小存储量，得到可靠的估计值。该文对低速运动的物体进行频偏估计，最终估计绝对误差在10Hz左右。

文献3“Fine Doppler frequency estimation in GNSS signal acquisitionprocess”(Xinhua Tang,Emanuela Falletti,Letizia Lo Presti,2012 6th ESAWorkshop on Satellite Navigation Technologies&European Workshop on GNSSSignals and Signal Processing)提出一种用于给锁相环提供高精度估计的初始频率估计方法，结合FLL和PLL在对多普勒频偏进行估计，最终频率的估计绝对误差可以达到-2.8～2.8Hz。

文献4“基于短时迭代自适应-逆Radon变换的微多普勒提取方法”(赵彤璐，廖桂生，杨志伟，西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室，西安，电子学报，2016年第3期)提出了基于短时迭代自使用-逆Radon变换(Short Time Iterative AdaptiveApproach-Inverse Radon Transform,STIAA-IRT)的微多普勒特征提取方法。该方法首先采用基于加权迭代自适应的STIAA视频分析方法分析了散射点模型的微多普勒特性，然后利用逆Radon变换分离重构不同散射点的微多普勒分量。仿真结果显示该方法在低信噪比是也能获得较优的频率估计精度，可以满足在-21dB信噪比时1.29Hz的估计绝对误差。

上述文献中文献1中说明了频率估计大致的方法，但没有说明系统频率估计的细节内容，包括功能组成、工作流程和计算方法，也没有说明补偿的实施方案。文献2、文献3、文献4中使用的方法是用来计算运动多普勒频差的，均没有考虑介质多普勒频偏。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提供了一种采用GBBF技术的静止轨道卫星通信系统星地频差校准方法及系统，可以有效计算星地频差并进行补偿，保证地面波束形成性能。

本发明的技术解决方案是：一种采用GBBF技术的静止轨道卫星通信系统星地频差校准方法，通过下述方式实现：

1)地面发送导频信号，导频信号通过空间传输，该导频信号在空间传输过程中附加运动多普勒频偏和介质多普勒频偏后变成导频信号；

2)卫星接收导频信号，对其进行变频转发，环回给地面；卫星转发环回导频信号时，同时向地面发送两路频率不同的导频信号上述导频信号通过空间传输过程中附加运动多普勒频偏和介质多普勒频偏后变成环回导频信号、和导频信号

3)地面接收环回导频信号和导频信号计算3路导频信号的中心频率，进而计算出星地运动多普勒因子K以及上行星地介质多普勒频偏

4)地面利用星地运动多普勒因子K以及上行星地介质多普勒频偏对n个馈源信号的中频作出调整，补偿馈源在空间传输时带来的馈源之间的频率差；

5)地面使用地面参考源生成n个变频本振，把n个基带或低中频的馈源信号上变频为射频的馈源信号，之后进行合路形成一路FDM信号，发送到卫星；

6)星上把一路FDM信号分为多路；使用星上参考源生成n个变频本振，把n个馈源信号下变频为中频的馈源信号；

上述n为星上天线馈源数量。

优选的，所述的星地运动多普勒因子K计算公式如下：

其中，Δf_D为星地运动多普勒频偏，f_{ref_grd}为地面参考源频率，n₁为导频的导频倍频因子。

优选的，所述的上行星地介质多普勒频偏通过下述方式计算：

根据导频信号的中心频率以及地面参考源S_{ref_grd}的中心频率f_{ref_grd}，计算星地运动多普勒频偏Δf_D以及下行链路介质多普勒频偏

根据环回导频信号的中心频率，按照下式计算上行星地介质多普勒频偏

上述，n₁、n₂、n₃：分别为导频的倍频因子，n₄：为星上转发本振S_{L_sat}的倍频因子。

优选的，所述的下行链路介质多普勒频偏计算公式如下：

优选的，所述的星地运动多普勒频偏Δf_D计算公式如下：

优选的，所述步骤(4)中的补偿在地面n个馈源信号的基带或低中频进行。

一种采用GBBF技术的静止轨道卫星通信系统星地频差校准系统，包括地面导频产生模块、星上导频产生模块、星上导频转发模块、地面导频接收模块、地面多普勒预补偿模块、地面上变频系统、星上下变频系统；

地面导频产生模块，使用地面参考源形成一路导频信号

星上导频产生模块，使用星上参考源形成两路导频信号

星上导频转发模块，接收地面发送的导频信号使用星上参考源形成变频本振S_{L_sat}，使用本振对接收的导频信号进行混频，形成发往地面的环回导频信号

地面导频接收模块，接收导频信号以及环回导频信号计算三路导频信号的中心频率，并计算出星地运动多普勒因子K以及上行星地介质多普勒频偏

地面多普勒预补偿模块，使用地面导频接收模块输出的星地运动多普勒因子K以及上行星地介质多普勒频偏提前对n个馈源信号的中频作出调整，补偿馈源在空间传输时带来的馈源之间的频率差，n为星上天线馈源数量；

地面上变频系统，使用地面参考源生成n个变频本振，把n个基带或低中频的馈源信号上变频为射频的馈源信号，之后进行合路形成一路FDM信号；

星上下变频系统，把一路FDM信号分为多路；使用星上参考源生成n个变频本振，把n个馈源信号下变频为中频的馈源信号。

优选的，所述的地面导频产生模块、星上导频产生模块、星上导频转发模块、地面导频接收模块为连续或者非连续工作模式。

优选的，所述的地面参考源S_{ref_grd}、星上参考源S_{ref_sat}、导频信号 的频率均为任意。

优选的，所述的导频信号的信号形式为单载波或扩频信号。

优选的，所述的地面上变频系统生成的n个变频本振的频率为任意；星上下变频系统生成的n个变频本振的频率为任意。

优选的，地面上变频系统上变频得到的射频馈源信号的频率任意，星上下变频系统下变频得到的中频馈源信号的频率任意。

本发明与现有技术相比有益效果为：

本发明提出一种可应用于地基波束形成系统的星地频差校准方法，可以实现对地基波束形成系统中卫星与地面站之间星地多普勒频偏(包含运动多普勒和介质多普勒)的实时估计与补偿，保证地基波束形成系统的可靠运行。

本发明在对系统运动多普勒频偏进行测量的基础上，进一步对系统介质多普勒频偏进行测量，对运动多普勒频偏和介质多普勒频偏分别进行测量可提高系统校准精度。

本发明中地面站利用星地运动多普勒因子以及上行星地介质多普勒频偏对n个馈源信号的中频作出调整(n个馈源调整的中频频率不同)，提前补偿馈源在空间传输时带来的馈源之间的频率差，上述补偿是在地面进行的，复杂功能放置在地面，星上无复杂频率同步系统，可有效降低卫星复杂度。

本发明需要使用导频的中心频率、n个馈源的中心频率、地面与星上参考源的频率、星上混频本振的频率作为运动多普勒频偏、介质多普勒频偏计算的输入，但本发明的不受具体、实际的上述频率的约束，可应用于任意频率工作场景，非常方案的推广应用。

附图说明

图1为GBBF技术/系统示意图；

图2为GPS卫星介质多普勒频移曲线；

图3为本发明系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图3及实例对本发明作详细说明。

一种采用GBBF技术的静止轨道卫星通信系统星地频差校准方法，通过下述方式实现：

1)地面发送导频信号导频信号通过空间传输，该导频信号在空间传输过程中附加运动多普勒频偏和介质多普勒频偏后变成导频信号

2)卫星接收导频信号对其进行变频转发，环回给地面；卫星转发环回导频信号时，同时向地面发送两路频率不同的导频信号上述导频信号通过空间传输过程中附加运动多普勒频偏和介质多普勒频偏后变成环回导频信号和导频信号

3)地面接收环回导频信号和导频信号计算3路导频信号的中心频率，进而计算出星地运动多普勒因子K以及上行星地介质多普勒频偏

4)地面利用星地运动多普勒因子K以及上行星地介质多普勒频偏提前对n个馈源信号(S_feed1…S_feedn)的中频作出调整，补偿馈源在空间传输时带来的馈源之间的频率差，调整前n个馈源信号(S_feed1…S_feedn)的中频是相同的，调整后n个馈电信号(S′_feed1…S′_feedn)的中频是不同的。

5)地面使用地面参考源生成n个变频本振，把n个调整后的馈源信号(S′_feed1…S′_feedn)上变频为射频的馈源信号(S₁…S_n)，之后进行合路形成一路FDM信号，发送到卫星；

6)星上把一路FDM信号分为多路；使用星上参考源生成n个变频本振，把n个馈源信号(S′₁…S′_n)下变频为中频的馈源信号(S″_feed1…S″_feedn)；上述n为星上天线馈源数量。

上述涉及到的频偏计算公式如下：

1)星地运动多普勒频偏：

2)下行链路介质多普勒频偏：

3)上行链路介质多普勒频偏：

4)根据星地运动多普勒频偏可计算出运动多普勒因子为：

上式中：

a.f_{ref_grd}：地面参考源频率

b.地面接收的两路不同频率的导频信号的频率，由星上发送，附加运动多普勒频偏和介质多普勒频偏

c.地面接收的由卫星转发的导频信号的频率，由于是星地环回信号，附加上行链路运动多普勒频偏(Δf_D)和介质多普勒频偏下行链路运动多普勒频偏(Δf_D)和介质多普勒频偏

d.n₁、n₂、n₃：分别为导频的倍频因子，可为非整数；

e.n₄：为星上转发本振S_{L_sat}的倍频因子，可为非整数。

本发明系统如图3所示，主要由7部分组成：

1)地面导频产生模块、2)星上导频产生模块、3)星上导频转发模块、4)地面导频接收模块、5)地面多普勒预补偿模块、6)地面上变频系统、7)星上下变频系统。

7部分组成及连接关系如附图3所示，地面导频产生模块、星上导频产生模块、星上导频转发模块、地面导频接收模块可为连续或非连续工作模式。虚线部分的空间传输主要是信号在空间传输时会额外附加运动多普勒和介质多普勒频偏，虚线部分功能不属于本发明涉及的校准系统。7部分主要功能如下述描述：

1)地面导频产生模块

使用地面参考源S_{ref_grd}形成1路导频信号()，信号形式为单载波或扩频信号；地面参考源S_{ref_grd}的频率为任意。

2)星上导频产生模块

使用星上参考源S_{ref_sat}形成2路导频信号()，信号形式为单载波或扩频信号；星上参考源S_{ref_sat}的频率为任意。

3)星上导频转发模块

接收地面发送的导频信号()，使用星上参考源形成变频本振(S_{L_sat})，使用本振对接收的导频信号进行混频，形成发往地面的环回导频信号()；

上述导频信号的频率为任意。

4)地面导频接收模块

接收3路导频信号(2路星上直接发送1路星地环回)，精确计算3路导频信号中心频率，并根据公式计算出星地运动多普勒因子(K＝Δv/c)以及星地介质多普勒频偏((上行))；

5)地面多普勒预补偿模块

使用地面导频接收模块输出的星地运动多普勒因子(K＝Δv/c)以及星地介质多普勒频偏((上行))，提前对n个馈源信号的中频作出调整，补偿馈源在空间传输时带来的馈源之间的频率差，n为星上天线馈源数量，n＝1，2，3，...。

6)地面上变频系统

使用地面参考源生成n个变频本振(本振的频率任意)，n为星上天线馈源数量，把n个频偏调整后的馈源信号(S′_feed1…S′_feedn)上变频为射频的馈源信号(S₁…S_n)；地面发射的n个射频馈源信号(S₁…S_n)的频率为任意。

使用合路功能把多个不同频率的射频馈源信号合为1路，形成1路FDM信号，合路功能具体工程上由多工器、TWTA等多个设备实现；

7)星上下变频系统

使用分路功能把1路FDM信号分为多路，分路功能具体工程上由低噪放、分路器等多个设备实现；

使用星上参考源生成n个变频本振(本振的频率任意)，n为星上天线馈源数量，把n个馈源信号(S′₁…S′_n)下变频为中频的馈源信号(S″_feed1…S″_feedn)。星上恢复出的n个中频馈源信号(S″_feed1…S″_feedn)的中心频率为任意，但相互之间中心频率相同。

上述系统与方法中关于频差的计算相同，此处不进行重复。

目前国内对地基波束形成系统的研究尚属起步阶段，其中高精度实时频率校准的相关研究也处于不成熟的阶段，本申请不仅可以为GBBF系统提供有效频率补偿，同时也可以为导航、雷达等方向卫星提供高精度实时频率估计的方案参考，具有广泛的应用和实用价值。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (12)

1.一种采用GBBF技术的静止轨道卫星通信系统星地频差校准方法，其特征在于通过下述方式实现：

1)地面发送导频信号导频信号通过空间传输，该导频信号在空间传输过程中附加运动多普勒频偏和介质多普勒频偏后变成导频信号

2)卫星接收导频信号对其进行变频转发，环回给地面；卫星转发环回导频信号时，同时向地面发送两路频率不同的导频信号上述导频信号通过空间传输过程中附加运动多普勒频偏和介质多普勒频偏后变成环回导频信号和导频信号

3)地面接收环回导频信号和导频信号计算3路导频信号的中心频率，进而计算出星地运动多普勒因子K以及上行星地介质多普勒频偏

4)地面利用星地运动多普勒因子K以及上行星地介质多普勒频偏对n个馈源信号的中频作出调整，补偿馈源在空间传输时带来的馈源之间的频率差；

5)地面使用地面参考源生成n个变频本振，把n个基带或低中频的馈源信号上变频为射频的馈源信号，之后进行合路形成一路FDM信号，发送到卫星；

6)星上把一路FDM信号分为多路；使用星上参考源生成n个变频本振，把n个馈源信号下变频为中频的馈源信号；

上述n为星上天线馈源数量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的星地运动多普勒因子K计算公式如下：

其中，Δf_D为星地运动多普勒频偏，f_{ref_grd}为地面参考源频率，n₁为导频的导频倍频因子。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的上行星地介质多普勒频偏通过下述方式计算：

根据导频信号的中心频率以及地面参考源S_{ref_grd}的中心频率f_{ref_grd}，计算星地运动多普勒频偏Δf_D以及下行链路介质多普勒频偏

根据环回导频信号的中心频率按照下式计算上行星地介质多普勒频偏

上述n₁、n₂、n₃：分别为导频的倍频因子，n₄：为星上转发本振S_{L_sat}的倍频因子。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述的下行链路介质多普勒频偏计算公式如下：

5.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于：所述的星地运动多普勒频偏Δf_D计算公式如下：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中的补偿在地面n个馈源信号的基带或低中频进行。

7.一种采用GBBF技术的静止轨道卫星通信系统星地频差校准系统，其特征在于：包括地面导频产生模块、星上导频产生模块、星上导频转发模块、地面导频接收模块、地面多普勒预补偿模块、地面上变频系统、星上下变频系统；

地面导频产生模块，使用地面参考源形成一路导频信号

星上导频产生模块，使用星上参考源形成两路导频信号

星上导频转发模块，接收地面发送的导频信号使用星上参考源形成变频本振S_{L_sat}，使用本振对接收的导频信号进行混频，形成发往地面的环回导频信号

地面导频接收模块，接收导频信号以及环回导频信号计算三路导频信号的中心频率，并计算出星地运动多普勒因子K以及上行星地介质多普勒频偏

地面多普勒预补偿模块，使用地面导频接收模块输出的星地运动多普勒因子K以及上行星地介质多普勒频偏提前对n个馈源信号的中频作出调整，补偿馈源在空间传输时带来的馈源之间的频率差，n为星上天线馈源数量；

地面上变频系统，使用地面参考源生成n个变频本振，把n个基带或低中频的馈源信号上变频为射频的馈源信号，之后进行合路形成一路FDM信号；

星上下变频系统，把一路FDM信号分为多路；使用星上参考源生成n个变频本振，把n个馈源信号下变频为中频的馈源信号。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：所述的地面导频产生模块、星上导频产生模块、星上导频转发模块、地面导频接收模块为连续或者非连续工作模式。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：所述的地面参考源S_{ref_grd}、星上参考源S_{ref_sat}、导频信号的频率均为任意。

10.根据权利要求7或9所述的系统，其特征在于：所述的导频信号 的信号形式为单载波或扩频信号。

11.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：所述的地面上变频系统生成的n个变频本振的频率为任意；星上下变频系统生成的n个变频本振的频率为任意。

12.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：地面上变频系统上变频得到的射频馈源信号的频率任意，星上下变频系统下变频得到的中频馈源信号的频率任意。