CN110505001B - 一种基于卫星载荷平台的旁路网络导引方法 - Google Patents

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Abstract

公开一种基于卫星载荷平台的旁路网络导引方法，其能够将全网卫星地面站距离变化和多普勒频移的影响统一化，实现全网的时钟与卫星的时钟精确准同步。这种基于卫星载荷平台的旁路网络导引方法，在卫星通信系统中，基于卫星载荷平台，以星载高稳定时钟源为基准，发送旁路导引信号，导引信号发送到所有下星波束，为该卫星所覆盖的所有卫星站提供导引信号。

Description

一种基于卫星载荷平台的旁路网络导引方法
技术领域
本发明涉及卫星通信的技术领域，尤其涉及一种基于卫星载荷平台的旁路网络导引方法。
背景技术
卫星通信技术(Satellite communication technology)是一种利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波而进行的两个或多个地球站之间的通信。自20世纪90年代以来，卫星移动通信的迅猛发展推动了天线技术的进步。卫星通信具有覆盖范围广、通信容量大、传输质量好、组网方便迅速、便于实现全球无缝链接等众多优点，被认为是建立全球个人通信必不可少的一种重要手段。
卫星通信系统是由通信卫星和经该卫星连通的地球站两部分组成。静止通信卫星是目前全球卫星通信系统中最常用的星体，是将通信卫星发射到赤道上空35860公里的高度上，使卫星运转方向与地球自转方向一致，并使卫星的运转周期正好等于地球的自转周期(24小时)，从而使卫星始终保持同步运行状态。故静止卫星也称为同步轨道卫星。
同步轨道卫星周期性环绕地球高速运动，在卫星高速运动的过程中，卫星距离各个地面接收站之间的距离会不断发生变化，从而导致卫星时钟与地面接收站时钟之间存在相位差，并且卫星高速运动下，会引发多普勒频移，导致地面接收站收到的信号发生信号频率的畸变，从而导致地面接收站时钟和卫星时钟之间存在偏移，导致卫星地面站之间时钟不同步。
多波束情况下，不同波束间，用户站之间的距离差更大，卫星相对不同波束中用户站的多普勒频移影响更显著，导致不同波束的用户站之间时钟偏差较大，需要额外的基准站来进行时钟同步。
利用卫星导航授时修正本地时钟获得高精度时钟和通过时间传递技术实现时间同步的方法国内外已经进行了深入的研究。利用GPS时钟长期稳定度较好的特性或芯片级原子钟短期稳定度较好的优点实现GPS驯服晶振。在传统方法中，都需要一个高精度的外部基准时钟或高精度的时钟源。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种基于卫星载荷平台的旁路网络导引方法，其能够将全网卫星地面站距离变化和多普勒频移的影响统一化，实现全网的时钟与卫星的时钟精确准同步。
本发明的技术方案是：这种基于卫星载荷平台的旁路网络导引方法，
在卫星通信系统中，基于卫星载荷平台，以星载高稳定时钟源为基准，发送旁路导引信号，导引信号发送到所有下星波束，为该卫星所覆盖的所有卫星站提供导引信号。
本发明基于卫星载荷平台，以星载高稳定时钟源为基准，发送旁路导引信号，导引信号发送到所有下星波束，为该卫星所覆盖的所有卫星站提供导引信号，因此能够将全网卫星地面站距离变化和多普勒频移的影响统一化，实现全网的时钟与卫星的时钟精确准同步。
附图说明
图1示出了根据本发明的基于卫星载荷平台的旁路网络导引方法的一个优选实施例的流程图。
图2示出了根据本发明的卫星上的导引信号的传输示意图，其中导引信号不包括指示信息。
图3示出了根据本发明的卫星上的导引信号的传输示意图，其中导引信号包括指示信息，指示信息是由一个地面网络管理卫星站生成的。
图4示出了根据本发明的卫星上的导引信号的传输示意图，其中导引信号包括指示信息，地面系统部分的指示信息是由一个或多个地面网络管理卫星站生成的。
图5示出了根据本发明的一个优选实施例的导频帧结构的示意图。
具体实施方式
这种基于卫星载荷平台的旁路网络导引方法，
在卫星通信系统中，基于卫星载荷平台，以星载高稳定时钟源为基准，发送旁路导引信号，导引信号发送到所有下星波束，为该卫星所覆盖的所有卫星站提供导引信号。
本发明基于卫星载荷平台，以星载高稳定时钟源为基准，发送旁路导引信号，导引信号发送到所有下星波束，为该卫星所覆盖的所有卫星站提供导引信号，因此能够将全网卫星地面站距离变化和多普勒频移的影响统一化，实现全网的时钟与卫星的时钟精确准同步。
优选地，如图1所示，在每个下星波束内，占用下星信道的全部频带或部分频带发送，导引信号在下星信道中占用的全部频带或部分频带为导引频带，导引信号功率占导引频带全部功率的比例范围为0.1‰-1％，导引信号发送时通过扩频码进行扩频，以类噪声的低功率谱信号模式叠加在导引频带内的通信信号上，对卫星站信号接收信噪比的影响低于卫星站接收端本底热噪声的影响；
导引信号为信道中多类型的终端站构建网络和相互通信提供导引、载波与时钟同步、标准定时与指示信息。
本发明在开放无线信道中选定卫星作为基准，发送一路导引信号，导引信号占用开放无线信道的全部频带或部分频带发送，导引信号在开放无线信道中占用的全部频带或部分频带为导引频带，导引信号功率占为导引频带全部功率的比例范围为0.1‰-1％，所以导引信号的功率远远低于其余信号，不必在业务数据中额外插冗余测量数据，能够被开放无线网络内各个地球站接收到；导引信号发送时通过扩频码进行扩频，以类噪声的低功率谱信号模式叠加在导引频带内的通信信号上，对接收端信号接收信噪比的影响低于接收端本底热噪声的影响，不影响其他信号的接收性能；在网络中，用户接收站监听卫星的导引信号，通过接收导引信号，完成用户接收站和卫星时钟的时钟同步，因此能够将全网卫星地面站距离变化和多普勒频移的影响统一化，实现全网的时钟与卫星的时钟精确准同步。
优选地，所述导引信号包括：帧头、帧序号和指示信息数据体；帧头包括同步头、导频，同步头用于导引信号帧定时及载波恢复，导频字段用于消除导引信号帧的频偏；帧序号字段是对导引信号帧循环顺序的标识；指示信息数据体字段承载指示信息，用于指示卫星载荷状态、卫星信道状态、网络运行状态和管理信息；
在网络中，卫星站接收卫星发送的导引信号，通过接收导引信号，完成卫星站和卫星载荷平台的时钟同步。
所述导引信号是卫星生成的(如图2所示)，而指示信息数据体包含卫星的状态信息、运行信息，而卫星平台无法直接获取的地面网络的信息，各个上星点波束内的地球站向卫星平台汇集相关指示信息(如图3所示)，经卫星平台解调接收并整理后，再通过导引信号中的指示信息数据帧广播到所有下星点波束内的所有卫星站。卫星平台无法直接获取的地面网络的信息包括：卫星地面网络状态、卫星站入网状态、卫星站运行状态、资源分配状态。
所述导引信号是卫星生成的，指示信息汇集到卫星平台，卫星平台成为整个卫星系统的管理与导引信息中心。
或者，卫星生成指示信息，并与导引信号合成后广播。
优选地，如图4所示，所述导引信号是由地球站中的管理中心站发送，卫星通过解调再生后，广播到多个波束。通过这种方式，可以实现跨波束的全网时钟精确同步。
更进一步地，如图4所示，地球站之一向卫星发送指示信息，卫星接收该指示信息，并与导引信号合成后广播。
或者，卫星生成指示信息，并与导引信号合成后广播。
优选地，卫星平台导引信号中的指示信息包括：导引帧序号、卫星运行信息、卫星状态信息、多个波束下所有地面站网络运行、网络管理信息、多个波束下所有卫星站运行信息、卫星信道状态信息、卫星信道资源分配信息、系统业务信息、系统安全信息。在数据体中加入指示信息，可以让导引信号在实现时钟精确同步之外，拥有网络管理的能力，网络管理中心站可以通过在数据体中加入指示信息，通过导引信号进行全网广播，全网内用户站接收到以后，可以得到来自网络管理中心站的指示信息，从而可以达到网络信息同步、网络资源管理调度、网络状态感知的能力。
优选地，所述导引信号包括：帧头、帧序号和指示信息数据体；帧头包括同步头、导频，同步头用于导引信号帧定时及载波恢复，导频字段用于消除导引信号帧的频偏；帧序号字段是对导引信号帧循环顺序的标识；指示信息数据体字段承载指示信息，用于指示信道、网络状态和管理信息；
各终端站对该导引信号进行解调接收，提取出载波、时钟信息，根据导引信号中的指示信息对发送导引信息的基准站进行鉴别并完成其他指示信息的接收。
如图5所示，所述导引信号包括：帧头(Header)、导频(Pilot)、帧序号(ID)和数据体(Data Frame)。帧头用于导引信号帧定时及载波恢复，长度在16～128bit；导频字段为全0字段，长度在60bit以上，用于消除导引信号帧的频偏；帧序号字段长度在8bit以上，用于对地球站绝对距离进行测量；数据体字段承载网络管理信息，用于与网内其他站管理和维护卫星网络信息，长度在256～1008bit。例如，一种导引信号格式中，帧头为长度64位的差分M序列(m序列是CDMA系统中采用的最基本的PN序列，是最长线性反馈移位寄存器序列的简称)，导频字段为长度520位的全“0”序列，帧序号为8位序号，用来表示(0～255)，数据体使用1008位长度、1/2码率的LDPC编码进行信道编码；
另一种导引信号格式中，帧头为长度32位的差分Gold码，导频为长度200位的全“0”序列，帧序号为10位序号，用来表示(0～1023)，数据体使用1008长度、1/4码率的LDPC编码进行信道编码；
另一种导引信号格式中，帧头为长度16位的差分M序列，导频为长度100位的全“0”序列，帧序号为12位序号，用来表示(0～4095)，数据体使用512长度的Turbo编码进行信道编码。
更进一步地，通过固定信号帧的周期和在信号帧中标识帧序号，作为时钟的基本单位和标定；信号帧的周期范围在1ms～1000ms，所述导引信号采用二进制相移键控BPSK方式循环调制，连续或间歇地保持发送。地面接收站连续接收导引信号，并且根据帧结构可以对接收导引信号中的每一帧进行区分，作为导引信号，每一帧的长度固定，每一帧的信息速率固定，因此每一帧所代表的时间也固定，因此地面接收站可以通过导引信号帧之间的间隔来确定时间间隔，将信号帧之间的间隔(即，信号帧周期)作为时钟的基本单位，通过不同序号帧之间的时间差来完成时间标定，如果前后两帧时间间隔计数不等于导引信号帧周期，则地面接收站时钟需要进行调整。
更进一步地，信号帧的周期范围在50ms～250ms。当信号帧周期为50ms、100ms、150ms、200ms、250ms这些50ms的整数倍时，作为时钟的基本单位和标定的效果最好。
优选地，通过使用长度为64～65536bit的扩频码进行扩频通信；扩频码采用M序列、Gold码、OVSF码或C/A码。扩频码最佳使用范围在1024～4096，在这个范围内，扩频通信中频谱扩展的效果最佳。此处的扩频码是针对数据体的。
更进一步地，扩频码采用M序列(M sequence)、Gold码(Gold码是由m序列派生出的一种伪随机码，它具有类似于m序列具有的伪随机性质，但其长度不同序列的数目比m序列多)、OVSF码(正交可变扩频因子，Orthogonal Variable Spreading Factor。OVSF码主要用于正交扩频。业务信道的速率不同，使用的OVSF码的长度也不同)或C/A码(粗捕获码，Coarse Acquisition Code。GPS卫星发出的一种伪随机码，用于粗测距和捕获GPS卫星，其实是一种Gold码，即由2个10级反馈移位寄存器构成的G码产生)。
优选地，首先生成M序列，然后对M序列进行差分编码，消除频偏的影响，将差分编码以后的序列作为帧头；扩频码采用了长度为12～128bit的M序列作为基本时间序列。此处的扩频方法是针对导引信号的帧头。
更进一步地，扩频码采用了长度为12～128bit的M序列作为基本时间序列。采用长度为64bit的差分M序列作为导引信号帧头，快速同步捕获性能最佳。
更进一步地，采用信道编码来对指示信息进行编码，信道编码采用LDPC(Low-density Parity-check，低密度奇偶校验)编码、Polar编码(极化码)、RS编码(Reed-Solomon codes，里德-所罗门码)、卷积码或Turbo码(又称为并行级联卷积码)。使用信道编码对数据体进行编码再进行传输，可以在导引信号的接收方显著提高数据体的接收信噪比，改善接收性能，让数据体在非最佳工作状态时也能正常接收，提高整个系统的鲁棒性。
优选地，通过发送端和接收端的相位差，得到卫星与地球站之间绝对距离的变化。
在管理中心站连续发送导引信号的过程中，卫星会围绕着地球不断移动，并且相对于星下点呈现“8”字轨迹移动，因此卫星与管理中心站之间的距离不断发生变化，因此导引信号的路径时延会不断变化，但卫星的移动呈现一定的规律性，都是由远到近再由近到远地进行变化，因此路径时延的变化也呈现一定的规律性。
对于管理中心站，通过自身接收导引信号，发送到卫星的链路路径时延变化和接收到来自卫星信号的链路路径时延变化一致，因此在导引信号接收端和导引信号发送端之间的相位时延等效于双倍的星地路径时延变化，因此当扩频通信的接收机，探测到最大相关峰向某个方向移动，即可在跟踪最大相关峰的同时，得到相位时延，相位时延的一半即为路径时延，路径时延乘以光速即可得到卫星与地球站之间的绝对距离变化。
优选地，地球接收站通过连续接收所述导引信号，并通过所述导引信号的定长周期来标定时间，利用接收帧数来计算时间，从而达到地面接收站与管理中心站的时钟精准实时同步，从而实现全网时钟精准实时同步。
优选地，对于实时性要求精度不高的系统，所述导引信号间断进行发送，地球接收站通过间断接收所述导引信号，在所述导引信号中加入绝对时间信息，从而完成地面接收站和管理中心站时钟授时同步，从而实现全网时钟准同步。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于卫星载荷平台的旁路网络导引方法，其特征在于：
在卫星通信系统中，基于卫星载荷平台，以星载高稳定时钟源为基准，发送旁路导引信号，导引信号发送到所有下星波束，为该卫星所覆盖的所有卫星站提供导引信号；
在每个下星波束内，占用下星信道的全部频带或部分频带发送，导引信号在下星信道中占用的全部频带或部分频带为导引频带，导引信号功率占导引频带全部功率的比例范围为0.1‰-1％，导引信号发送时通过扩频码进行扩频，以类噪声的低功率谱信号模式叠加在导引频带内的通信信号上，对卫星站信号接收信噪比的影响低于卫星站接收端本底热噪声的影响；
导引信号为信道中多类型的终端站构建网络和相互通信提供导引、载波与时钟同步、标准定时与指示信息。
2.根据权利要求1所述的基于卫星载荷平台的旁路网络导引方法，其特征在于：所述导引信号包括：帧头、帧序号和指示信息数据体；帧头包括同步头、导频，同步头用于导引信号帧定时及载波恢复，导频字段用于消除导引信号帧的频偏；帧序号字段是对导引信号帧循环顺序的标识；指示信息数据体字段承载指示信息，用于指示卫星载荷状态、卫星信道状态、网络运行状态和管理信息；
在网络中，卫星站接收卫星发送的导引信号，通过接收导引信号，完成卫星站和卫星载荷平台的时钟同步。
3.根据权利要求1所述的基于卫星载荷平台的旁路网络导引方法，其特征在于：所述导引信号是卫星生成的，而指示信息数据体包含卫星的状态信息、运行信息，而卫星平台无法直接获取的地面网络的信息，经由各个上星点波束内的网络管理卫星站向卫星平台汇集相关指示信息，经卫星平台解调接收并整理后，再通过导引信号中的指示信息数据帧广播到所有下星点波束内的所有卫星站。
4.根据权利要求3所述的基于卫星载荷平台的旁路网络导引方法，其特征在于：卫星平台无法直接获取的地面网络的信息包括：卫星地面网络状态、卫星站入网状态、卫星站运行状态、资源分配状态。
5.根据权利要求1所述的基于卫星载荷平台的旁路网络导引方法，其特征在于：所述导引信号是卫星生成的，指示信息汇集到卫星平台，卫星平台成为整个卫星系统的导引与指示信息中心。
6.根据权利要求2-5任一项所述的基于卫星载荷平台的旁路网络导引方法，其特征在于：卫星平台导引信号中的指示信息包括：卫星运行信息、卫星状态信息、多个波束下所有卫星地面站的网络运行和网络管理信息、多个波束下所有卫星站的运行信息、卫星信道状态信息、卫星信道资源分配信息、系统业务信息、系统安全信息。
7.根据权利要求6所述的基于卫星载荷平台的旁路网络导引方法，其特征在于：通过固定信号帧的周期和导引信号帧中的标识帧序号，作为基准定时的基本单位和标定；导引信号帧的周期范围在1ms～1000ms，所述导引信号采用二进制相移键控BPSK方式循环调制，连续或间隙地保持发送。
8.根据权利要求7所述的基于卫星载荷平台的旁路网络导引方法，其特征在于：通过使用长度为64～65536bit的扩频码进行扩频通信；扩频码采用M序列、Gold码、OVSF码或C/A码。
9.根据权利要求8所述的基于卫星载荷平台的旁路网络导引方法，其特征在于：首先生成M序列，然后对M序列进行差分编码，消除频偏的影响，将差分编码以后的序列作为帧头；扩频码采用了长度为12～128bit的M序列作为基本时间序列。
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