CN110557169B - 一种基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统 - Google Patents

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Abstract

本发明一种基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统，包括低轨移动通信卫星和地面终端；低轨移动通信卫星上设置有多波束天线，低轨移动通信卫星能够通过多波束天线向地面终端发送基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星信号，系统的基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星信号具有高的瞬时落地功率，结合跳频跳时特征，具有强的抗干扰能力，能够提供安全的定位授时服务。地面终端只需接收至少一颗低轨移动通信卫星播发的信号，能够实现对终端自身的定位与授时功能。

Description

一种基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统
技术领域
本发明涉及一种基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统，属于低轨移动通信跳频跳时定位授时技术领域。
背景技术
全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)以其全气候全天时提供定位导航授时服务的能力，在国民经济、交通、娱乐、国防安全等各个领域发挥着越来越重大的作用，已成为不可或缺的空间基础设施。然而，GNSS信号落地功率受限，其易受遮挡，抗干扰能力弱的特点受到关注。
随着当前低轨铱星星座的发展，特别是低轨移动通信卫星的发展，为提供一种安全定位授时(Security Positioning and Timing,SPT)服务成为了可能。低轨移动通信卫星信号的瞬时落地功率限制高于GNSS信号，基于通导融合信号体制涉及，充分挥发低轨移动通信卫星瞬时落地功率高的优势，转化为抗干扰能力的提升。
美国高完好性GPS项目(或称为iGPS项目)，曾计划利用下一代铱星(IridiumNext)低地球轨道通信卫星系统播发类GPS信号和GPS辅助增强信息，提高定位精度和抗干扰能力。iGPS对原铱星信号进行了适应性改造，利用空闲的通信信道资源播发导航测距信号(专利号：US 7579987 B2)，但是其上行信号和下行信号采用同频时分结构，导航信号是不连续播发的，当通信业务繁忙时，定位授时功能可能中断。
iGPS未在下一代铱星上播发，取而代之的是播发了一个卫星定位授时(SatelliteTime and Location,STL)信号。STL是对铱星信号的寻呼信道进行了再设计，是一个25kHz符号速率，采用QPSK。该专有的STL突发包括一个CW、一个PRN码序列，以及调制数据。STL突发平均每1.4s播发一次，在铱星多个波束中时分轮询播发。虽然STL信号落地功率比GPS高30dB，但是，由于STL是窄带扩频脉冲信号，而GNSS是宽带扩频信号，STL信号本身的抗干扰能力提升有限。
国内方面，专利“卫星导航通信一体化方法及系统”(专利号：CN 201410514108.2)给出一种卫星导航通信一体化方法，将导航信号与通信信号进行多载波调制，获得调制信号后发送。专利“广播定位信号生成方法、定位方法及装置”(专利号：CN 201010517356.4)，则将测距扩频码隐藏在OFDM调制的通信信号中，实现定位功能。专利“扩跳频体制的无线电导航系统”(专利号：CN 2009100072086.8)给出一种扩跳频体制的无线电导航系统，导航电文在扩跳频调制模块中进行直扩调制和跳频调制。专利“一种双频低轨星基卫星导航增强信号产生方法”(专利号：201811449036.2)公开了一种双频低轨星基卫星导航增强信号生成方法，通过设计两套发射频率，产生双频卫星导航增强信号。
可以看到，上述专利中，播发这些信号的系统，能够同时提供通信业务和定位授时业务，但是，通常的做法是在通信信号中添加或者播发类似GNSS信号的导航信号，因此系统提供的通信业务和定位授时业务是完全分离的，降低了频谱利用率。播发iGPS信号的系统利用空闲的通信业务信道播发窄带PRN，但是当通信业务多时无法播发IGPS信号，因此其提供的定位授时业务的连续性可用性没有保障；播发STL信号的系统则是对铱星原有的单向时隙进行改进，是一种窄带脉冲扩频信号，系统提供定位授时服务时，系统本身的抗干扰能力有限，难以在强干扰条件下提供服务。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种具有跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统，针对低轨移动通信卫星，设计通信导航融合SPT信号体制，实现定位授时以及抗干扰能力提升。解决了基于低轨移动通信卫星的通导深度融合问题，在提供通信业务的同时能够提供定位授时服务，提升了频谱利用率。定位授时服务不影响通信业务，且不受通信业务量的制约，能够提供连续的可用的定位授时服务。解决了信号抗干扰能力弱的问题，能够在干扰情况下提供安全的定位授时业务。
本发明解决的技术方案为：一种基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统，包括低轨移动通信卫星和地面终端；低轨移动通信卫星上设置有多波束天线，低轨移动通信卫星能够通过多波束天线向地面终端发送基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星信号，
所述通信卫星信号时域结构为信号在时域采用时分复用体制，以基本帧、时隙进行通信业务；(以基本帧、时隙进行通信，优选为：通信卫星信号，包括多个基本帧，每个基本帧包括多个时隙，每个用户至少占用一个时隙，通过时隙传递通信信息，通信信息包括语音。)信号以TF为一个基本帧长，每个基本帧分为Nslot个时隙，每个时隙长度为Tslot＝TF/Nslot。；优选方案为该信号同时支持通信业务与定位授时业务，通信业务的帧结构包括独特码、信道编码后的信息、循环冗余检验(CRC)码，时隙间存在保护间隔，定位授时业务帧结构中，时隙间是连续的。
所述通信卫星信号的频域结构为，信号在频域采用频分复用体制，(频域优选包括上行频带和下行频带)，整个下行频带占据带宽BW，带宽BW划分为Nsubband个BWsubband＝BW/Nsubband的子频带，每一个子频带根据需要划分为多个更小的带宽(带宽即载波间隔)。
发送低轨移动通信卫星信号的多波束天线采用多色复用体制，多色复用体制是具有多波束天线的卫星采用的一种频率复用方案，常见的是四色复用方案，用于提升频谱利用效率，将整个信号频谱带宽分为多个子频带，每个波束根据需要使用一个或者几个子频带，同时保证相邻的波束间使用不同的子频带，实现避免波束间同频干扰。
移动通信卫星信号中包括寻呼信道(PCH)信号和安全定位授时(SPT)信号，PCH信号是单向下行信号，用于下行同步(下行同步优选是指即用户的移动终端开机，终端捕获低轨移动卫星的PCH信号进行同步，实现终端时钟信号与通信信号时隙的同步)、被叫寻呼(被叫寻呼优选方案为向本波束内的被叫终端发送由起呼终端发起的寻呼信息)以及播发广播信息(广播信息优选包括了卫星号、波束号)，PCH信号固定在一个子频带播发。
PCH信号使用一个基本帧的NPCH个时隙，长度为TPCH＝NPCH·Tslot。NPCH小于Nslot；为了避免波束间的同频干扰，低轨移动通信卫星的不同波束间PCH信号采用时分轮询的方式播发；
SPT信号在播发PCH信号的NPCH个时隙中播发，SPT信号是一个跳频跳时窄带扩频信号，SPT信号使用PCH信号子频带以外的子频带，具有定位授时能力，SPT信号也在波束间进行时分轮询播发。(每个波束都要发送SPT信号，采用时分轮询方式播发。)
SPT信号的调制方法，优选步骤如下：
(1)确定SPT信号帧结构，SPT信号帧长受限于PCH信号帧长，SPT信号包含窄带扩频PRN，实现测距、定位和授时功能。
(2)根据步骤(1)确定的SPT信号帧结构，利用扩频码进行窄带扩频调制，形成窄带扩频基带信号；
(3)将步骤(2)窄带扩频基带信号调制到需要的频率上，得到数字中频信号，实现跳频调制；
(4)确定SPT信号的播发波束，SPT信号在多个波束进行时分轮询播发，轮询方式由波束轮询图案决定；
(5)将步骤(3)的数字中频信号进行数字波束成形，通过步骤(4)确定的SPT信号的播发波束进行播发。
SPT信号在PCH子频带以外的子频带进行跳频调制，且需要的频率根据跳频图案确定。
步骤2中SPT信号帧结构，优选满足以下要求：
①PCH使用频率最低或者频率最高的子频带，即PCH信号位于整个BW带宽的边上，SPT使用剩下的BW-BWsubband频带作为SPT信号的播发频带，每一个基本帧长TF，PCH信号占用TPCH，使用每个基本帧的NPCH个时隙播发，SPT信号也在这NPCH个时隙内播发；
②SPT信号的帧长为TSPT，TSPT≤TPCH，SPT信号由连续波(CW)信号和窄带扩频PRN两部分组成，连续波(CW)信号位于窄带扩频PRN之前，CW信号用于信号的快速捕获，窄带扩频PRN码部分用于测量以及SPT电文播发。(SPT信号中带有调制的SPT电文，优选包括卫星的轨道、速度、钟差以及时标信息)
③CW信号的长度为TCW，0≤TCW≤1/2TSPT，当TCW＝0时，SPT信号不含CW。
④窄带扩频PRN码部分的长度TPRN＝TSPT-TCW。
步骤2中SPT信号窄带扩频调制，优选调制方法如下：
①生成SPT信号的扩频PRN码，包括导频PRN码和数据PRN码，数据PRN码调制SPT电文；PRN码速率为Rc，码片宽度为Tc＝1/Rc。PRN码信号的带宽小于BW-BWsubband，即2Rc≤1/2(BW-BWsubband)。导频PRN码序列{cp,i}长度为Np个码片，数据PRN码序列{cd,i}长度为Nd个码片；
②生成CW信号的全1或者全-1序列，CW信号的长度等于NCW个码片宽度，CW基带信号等价于一个全1或者全-1的序列{cCW,i}，cCW,i＝1，i＝0，…，NCW-1；
③SPT信号的CW信号、导频PRN码和数据PRN码进行时分，有(NCW+Np+Nd)Tc＝TSPT，SPT信号的基带信号表示为：
Figure BDA0002142277040000051
式中，p(t)是宽度为Tc的矩形函数。
Figure BDA0002142277040000052
④sSPT(t)经一个对称的FIR低通滤波器进行滤波，sSPT(t)低通滤波后记为
Figure BDA0002142277040000053
步骤2中SPT信号窄带扩频生成，可以通过以下方法得到：
①生成SPT信号的扩频PRN码，包括导频PRN码和数据PRN码，数据PRN码调制SPT电文；PRN码速率为Rc，码片宽度为Tc＝1/Rc。PRN码信号的带宽小于BW-BWsubband，即2Rc≤1/2(BW-BWsubband)。导频PRN码序列{cp,i}长度为Np,d个码片，数据PRN码序列{cd,i}长度为Np,d个码片；
②生成CW信号的全1或者全-1序列，CW信号的长度等于NCW个码片宽度，CW信号等价于一个全1或者全-1的序列{cCW,i}，cCW,i＝1，i＝0，…，NCW-1；
③SPT信号的导频PRN码和数据PRN码位于正交支路上，与CW进行时分，有(NCW+Np,d)Tc＝TSPT，SPT信号的基带表示为：
sSPT(t)＝sSPT,I(t)+jsSPT,Q(t)
式中，sSPT,I(t)是I支路信号，sSPT,Q(t)是Q支路信号，分别表示为：
Figure BDA0002142277040000061
Figure BDA0002142277040000062
④sSPT,I(t)和sSPT,Q(t)经同一个FIR低通滤波器进行滤波，滤波后分别为
Figure BDA0002142277040000063
和
Figure BDA0002142277040000064
低通滤波后的SPT信号记为
Figure BDA0002142277040000065
步骤2中跳频图案确定与跳频调制，通过以下方法得到：
(1)SPT信号的频率在BW-BWsubband带宽内跳动，为了便于信号生成，将整个BW-BWsubband带宽等分为NHF个跳频载波带宽，每个载波带宽为BWHF＝(BW-BWsubband/NHF)，2Rc≤BWHF；
(2)将步骤(1)NHF个跳频载波的载波频率，记为
Figure BDA0002142277040000066
有
Figure BDA0002142277040000067
SPT信号调制在每个BWHF中心频率上播发；
(3)采用一个伪随机数发生器控制步骤(2)跳频载波的载波频率的选择；即对于每一个SPT信号，伪随机数发生器输出一个0到NHF-1的数i，该SPT信号的载波频率就为fi HF；i＝0到NHF-1
(4)将窄带扩频后的基带SPT信号进行跳频调制，调制到数字中频fi HF，得到中频信号为：
Figure BDA0002142277040000071
式中，t表示时间，j表示虚部单位。
步骤2中波束轮询图案，具体如下：
低轨移动通信卫星共有Nbeam个波束，平均分为NGroup组，每组有N个波束，N＝Nbeam/NGroup。为了缩短SPT信号的轮询间隔，同时播发NGroup个SPT信号，每个SPT信号在N个波束中进行时分轮询；
SPT信号按照预设方式，在N个波束间依次轮询，波束轮询图案为：波束1、波束2、…、波束N、波束1、波束2、…、波束N、…；
从一个波束来看，每隔N·TF时间，播发一个长为TSPT的SPT帧，时域占空比为TSPT/(N·TF)。
步骤2波束轮询图案，通过以下方法得到：
低轨移动通信卫星共有Nbeam个波束，平均分为NGroup组，每组有N个波束，N＝Nbeam/NGroup。为了缩短SPT信号的轮询间隔，同时播发NGroup个SPT信号，每个SPT信号在N个波束中进行时分轮询；
SPT信号按照随机方式，在N个波束间随机时分轮询，波束轮询图案可由一个伪随机数发生器控制，对于每一个SPT信号，伪随机数发生器输出一个处于1到N的数nbeam作为播发播发该SPT信号的波束号；
从一个波束来看，SPT信号出现的间隔是随机不等的，等效于引入了跳时特性。
优选的，步骤2中波束成形与SPT信号播发，通过以下方法得到：
①根据波束轮询图案，选择播发SPT信号的波束为波束nbeam；
②调整数字波束成形(DBF)系数，将SPT信号调制到波束nbeam；
③对调制到波束nbeam的SPT信号依次进行DAC、上变频、放大后，经多波束天线进行播发。
优选的，在播发寻呼信道PCH信号的NPCH个时隙中，不播发其他控制信息和业务信息。(其他控制信息优选包括广播控制信息、波束广播信息以及专用控制信息，业务信息包括专用业务信息和分组数据业务信息。)
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明给出的SPT信号，针对低轨移动通信信号体制特点，在PCH播发的时隙进行播发，能够充分利用卫星的功率、频率和时隙资源，不对通信业务造成影响。
(2)本发明给出的SPT信号，采用跳频跳时窄带扩频体制，与单独的窄带扩频体制相比，抗干扰能力显著提升。
(3)本发明利用通信寻呼信道时分轮询的特点，通过设计SPT的跳频图案与时分轮询图案，实现跳频+伪跳时+窄带扩频，进一步提升了信号的抗干扰性能。
(4)本发明通过在通信系统中，引入SPT信号，实现了通信业务与定位授时业务的深度融合，终端接收通信系统的信号，能够同时进行通信和定位，提升了频谱利用率。
(5)本发明利用通信系统的PCH信号独占频率、功率、时隙资源，采用时分轮询播发的特点，在播发PCH信号时，同步播发具有定位授时功能的SPT信号，利用高的瞬时功率以及跳频跳时特点，在通信系统中实现安全的定位授时服务。在卫星导航信号不可用时，通信系统提供的SPT服务依然可用。
附图说明
图1为本发明公开的跳频跳时SPT信号方案；
图2为低轨移动通信卫星信号的时分结构；
图3为低轨移动通信卫星信号的频分结构；
图4为SPT信号与PCH的时域与频域关系示意图；
图5为SPT信号帧结构示意图；
图6为跳频图案示意图；
图7为等间隔时分轮询图案示意图；
图8为随机时分轮询图案示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明一种基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统，包括低轨移动通信卫星和地面终端；低轨移动通信卫星上设置有多波束天线，低轨移动通信卫星能够通过多波束天线向地面终端发送基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星信号，系统的基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星信号具有高的瞬时落地功率，结合跳频跳时特征，具有强的抗干扰能力，能够提供安全的定位授时服务。地面终端只需接收至少一颗低轨移动通信卫星播发的信号，能够实现对终端自身的定位与授时功能。
卫星导航系统是当前获取时空信息的主要方法，定位导航授时服务的可靠获取，不仅与人们的经济、生活密切相关，而且关系国家安全。然而，卫星导航信号的落地功率低，室内可用性差，抗干扰能力有限。
针对传统卫星导航系统的上述问题，本发明提出一种基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统。低轨移动通信卫星轨道低，通信信号的瞬时落地功率高，甚至比导航信号的落地功率高30dB。在低轨通信系统上播发具有导航定位授时功能的信号，能够利用瞬时落地功率高的优势，提高室内可用性，为室内用户提供定位授时服务；结合跳频跳时特征，实现抗干扰能力的提升，在卫星导航信号不可用时，能够为关键基础设施，如电网、基站提供安全的定位授时服务。跳频跳时SPT信号方案如图1所示。
所提出的基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统，其特征在于：包括低轨移动通信卫星和地面终端；低轨移动通信卫星上设置有多波束天线，低轨移动通信卫星能够通过多波束天线向地面终端发送基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星信号，
所述通信卫星信号时域结构为信号在时域采用时分复用体制，以基本帧、时隙进行通信业务；具体为：通信卫星信号，包括多个基本帧，每个基本帧包括多个时隙，每个用户至少占用一个时隙，通过时隙传递通信信息，通信信息包括语音。信号以TF为一个基本帧长，每个基本帧分为Nslot个时隙，每个时隙长度为Tslot＝TF/Nslot。时分结构如图2所示。该信号同时支持通信业务与定位授时业务，通信业务的帧结构包括独特码、信道编码后的信息、循环冗余检验(CRC)码，时隙间存在保护间隔，定位授时业务帧结构中，时隙间是连续的。
所述通信卫星信号的频域结构为，信号在频域采用频分复用体制，频域包括上行频带和下行频带，整个下行频带占据带宽BW，带宽BW划分为Nsubband个BWsubband＝BW/Nsubband的子频带，频分结构如图3所示，每一个子频带根据需要划分为多个更小的带宽,带宽即载波间隔。
发送低轨移动通信卫星信号的多波束天线采用多色复用体制，多色复用体制是具有多波束天线的卫星采用的一种频率复用方案，常见的是四色复用方案，用于提升频谱利用效率，将整个信号频谱带宽分为多个子频带，每个波束根据需要使用一个或者几个子频带，同时保证相邻的波束间使用不同的子频带，实现避免波束间同频干扰。
移动通信卫星信号中包括寻呼信道(PCH)信号和安全定位授时(SPT)信号，PCH信号是单向下行信号，用于下行同步(下行同步即用户的移动终端开机，终端捕获低轨移动卫星的PCH信号进行同步，实现终端时钟信号与通信信号时隙的同步)、被叫寻呼(被叫寻呼即向本波束内的被叫终端发送由起呼终端发起的寻呼信息)以及播发广播信息(广播信息包括了卫星号、波束号)，PCH信号固定在一个子频带播发。
PCH信号使用一个基本帧的NPCH个时隙，长度为TPCH＝NPCH·Tslot。NPCH小于Nslot；为了避免波束间的同频干扰，低轨移动通信卫星的不同波束间PCH信号采用时分轮询的方式播发；SPT信号在播发PCH信号的NPCH个时隙中播发，SPT信号是一个跳频跳时窄带扩频信号，SPT信号使用PCH信号子频带以外的子频带，具有定位授时能力，SPT信号也在波束间进行时分轮询播发。每个波束都要发送SPT信号，采用时分轮询方式播发。SPT信号与PCH的时域与频域关系示意图如图4所示。
SPT信号帧长受限于PCH信号帧长，SPT信号包含连续波(CW)和窄带扩频PRN码，SPT信号帧结构如图5所示。终端接收SPT信号，测得SPT信号的多普勒偏移，利用单星多普勒测量定位原理，实现定位功能。通过测量PRN码的码相位，结合电文包含的卫星轨道、时标信息，得到终端到卫星的伪距，与终端到卫星的真实距离作差，得到终端的钟差，实现对终端的授时功能。
PCH信号和SPT信号共享卫星的功率和频率，因此能够实现高的瞬时落地功率，因为通信信号是窄带扩频信号，抗干扰能力相比导航信号较弱，因此引入跳频和跳时技术，提升抗干扰能力。
将PCH固定在最低或者最高频率的子频带播发，则SPT信号可以使用剩余的其他子频带播发，提升了频谱利用率。SPT是一个窄带扩频信号，在其他子频带进行跳频调制后，等效于一个宽带信号的抗干扰能力，跳频图案示意图如图6所示。同时，利用SPT信号在多个波束间时分轮询的播发的特点，可以采用等间隔时分轮询图案，如图7所示。当进一步采用随机时分轮询图案，能够达到等效的跳时效果，进一步提升了SPT信号的抗干扰能力。
本发明的基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统的一个具体实施方式如下：
包括低轨移动通信卫星和地面终端；低轨移动通信卫星上设置有多波束天线，低轨移动通信卫星能够通过多波束天线向地面终端发送基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星信号。
所述通信卫星信号时域结构为信号在时域采用时分复用体制，以基本帧、时隙进行通信业务。所述通信卫星信号的频域结构为，信号在频域采用频分复用体制。发送低轨移动通信卫星信号的多波束天线采用多色复用体制，每个波束根据需要使用一个或者多个子频带，同时满足相邻波束能够多色复用，避免波束间干扰。移动通信卫星信号中包括寻呼信道(PCH)信号和安全定位授时(SPT)信号。
(1)时域结构。
信号以帧为单位，一个基本帧长为TF＝40ms，一个帧等分为Nslot＝20时隙，一个时隙长度为Tslot＝2ms。
(2)频域结构。
通信信号在频域采用频分复用体制，整个下行频带占据带宽BW＝6MHz，划分为Nsubband＝40个BWsubband＝150kHz的子频带，每一个子频带根据需要可以划分为多个更小的载波间隔，如划分为5个30kHz的载波间隔。
(3)多波束天线多色复用体制
低轨移动通信卫星共有Nbeam＝50个波束，采用多色复用体制，每个波束根据需要使用一个或者多个150kHz子频带，同时满足相邻波束的多色复用，降低波束间干扰。
(4)寻呼信道(PCH)信号。
PCH使用一个基本帧的NPCH＝8个时隙，长度为TPCH＝16ms，在每个基本帧的前16ms播发。为了避免波束间的同频干扰，同一个卫星下不同波束间PCH采用时分轮询的方式播发。PCH使用频率最低的子频带150kHz，在5个载波中间的30kHz载波播发。
(5)安全定位授时(SPT)信号结构。
SPT信号在播发PCH的8个时隙中播发，SPT信号是一个跳频跳时窄带扩频信号，该窄带扩频SPT信号使用PCH子频带以外的5.85MHz子频带，具有定位授时能力，SPT信号也在波束间进行时分轮询播发，方法如下：
1)SPT信号帧结构。
SPT信号与PCH信号一致，也在每个基本帧的前8个时隙播发，SPT帧长TSPT＝16ms。由连续波(CW)和宽带扩频PRN两部分组成，CW用于信号的快速捕获，窄带扩频PRN码部分用于测量以及SPT电文播发。CW的长度为TCW＝4ms。
2)SPT信号窄带扩频调制。
窄带扩频PRN码部分的长度为12ms，分为导频PRN码和数据PRN码，导频和数据位于正交的两个支路上。PRN码速率为Rc＝75kcps，导频PRN码序列{cp,i}主码长度为Np,d＝150个码片，调制SPT电文后的数据PRN码序列{cd,i}主码长度也为为150个码片，一个主码周期是2ms，12ms为6个主码周期。
生成CW基带信号的全1或者全-1序列。CW的长度等于NCW＝300个码片宽度，基带等价于一个全1或者全-1的序列{cCW,i}，cCW,i＝1，i＝0，…，NCW-1；
SPT信号的导频PRN码和数据PRN码，与CW进行时分，SPT一个突发信号的基带表示为：
sSPT(t)＝sSPT,I(t)+jsSPT,Q(t)
式中，sSPT,I(t)是I支路信号，sSPT,Q(t)是Q支路信号，分别表示为：
Figure BDA0002142277040000131
Figure BDA0002142277040000132
sSPT,I(t)和sSPT,Q(t)经同一个FIR低通滤波器进行滤波，滤波后的分别为
Figure BDA0002142277040000133
和
Figure BDA0002142277040000134
低通滤波后记为
Figure BDA0002142277040000135
3)跳频图案设计与跳频调制，可以通过以下方法得到。
SPT信号帧的频率在5.85MHz带宽内跳动，等分为NHF＝39个跳频载波带宽，每个载波带宽为BWHF＝150kHz。39个载波带宽的中心频率记为
Figure BDA0002142277040000141
有
Figure BDA0002142277040000142
SPT信号调制在每个BWHF中心频率上播发；
跳频频率的选择采用一个伪随机数发生器控制，每一个SPT信号帧，伪随机数发生器输出一个0到38的数i，该SPT信号帧的中心频率就为fi HF；将窄带扩频后的基带SPT信号进行跳频调制，调制到数字中频fi HF，为：
Figure BDA0002142277040000143
4)波束轮询图案设计。
将低轨移动通信卫星的Nbeam＝50个波束，平均分为NGroup＝2组，每组有N＝25个波束，同时播发2个SPT信号，每个SPT信号在25个波束中进行时分轮询；波束轮询图案由一个伪随机数发生器控制，每一个SPT信号，伪随机数发生器输出一个处于1到25的数nbeam，SPT信号按照随机方式，在25个波束间轮询；从一个波束来看，SPT信号出现的间隔是随机不等的，等效于引入了跳时特性，平均接收到SPT信号的间隔为25*40ms＝1s。
5)波束选择与SPT信号播发。
根据波束轮询图案，选择播发SPT信号的波束为波束nbeam；调整数字波束成形(DBF)系数，将SPT信号调制到波束nbeam；经DAC、上变频、滤波、放大后，经多波束天线进行播发。
本发明通过理论分析和仿真进行了测试，结果表明，相比于铱星STL信号，同等播发功率时，本发明的SPT信号抗干扰能力提升20dB以上。
本发明给出的SPT信号，针对低轨移动通信信号体制特点，在PCH播发的时隙进行播发，能够充分利用卫星的功率、频率和时隙资源，不对通信业务造成影响；本发明给出的SPT信号，采用跳频跳时窄带扩频体制，与单独的窄带扩频体制相比，抗干扰能力显著提升；本发明利用通信寻呼信道时分轮询的特点，通过设计SPT的跳频图案与时分轮询图案，实现跳频+伪跳时+窄带扩频，进一步提升了信号的抗干扰性能。
本发明通过在通信系统中，引入SPT信号，实现了通信业务与定位授时业务的深度融合，终端接收通信系统的信号，能够同时进行通信和定位，提升了频谱利用率；本发明利用通信系统的PCH信号独占频率、功率、时隙资源，采用时分轮询播发的特点，在播发PCH信号时，同步播发具有定位授时功能的SPT信号，利用高的瞬时功率以及跳频跳时特点，在通信系统中实现安全的定位授时服务。在卫星导航信号不可用时，通信系统提供的SPT服务依然可用。

Claims (10)

1.一种基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统，其特征在于：包括低轨移动通信卫星和地面终端；低轨移动通信卫星上设置有多波束天线，低轨移动通信卫星能够通过多波束天线向地面终端发送基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星信号，
所述通信卫星信号的时域结构为信号在时域采用时分复用体制，以基本帧、时隙进行通信业务；信号以TF为一个基本帧长，每个基本帧分为Nslot个时隙，每个时隙长度为Tslot＝TF/Nslot；
所述通信卫星信号的频域结构为，信号在频域采用频分复用体制，整个下行频带占据带宽BW，带宽BW划分为Nsubband个BWsubband＝BW/Nsubband的子频带，每一个子频带根据需要划分为多个更小的带宽；
发送低轨移动通信卫星信号的多波束天线采用多色复用体制，每个波束根据需要使用一个或者几个子频带，同时保证相邻的波束间使用不同的子频带，实现避免波束间同频干扰；
移动通信卫星信号中包括寻呼信道(PCH)信号和安全定位授时(SPT)信号，PCH信号是单向下行信号，用于下行同步、被叫寻呼以及播发广播信息，PCH信号固定在一个子频带播发；
寻呼信道(PCH)信号使用一个基本帧的NPCH个时隙，长度为TPCH＝NPCH·Tslot；NPCH小于Nslot；为了避免波束间的同频干扰，低轨移动通信卫星的不同波束间PCH信号采用时分轮询的方式播发；
安全定位授时(SPT)信号在播发寻呼信道(PCH)信号的NPCH个时隙中播发，SPT信号是一个跳频跳时窄带扩频信号，SPT信号使用PCH信号子频带以外的子频带，具有定位授时能力，SPT信号也在波束间进行时分轮询播发。
2.根据权利要求1所述的一种基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统，其特征在于：SPT信号的调制方法，如下：
(1)确定SPT信号帧结构，SPT信号帧长受限于PCH信号帧长，SPT信号包含窄带扩频PRN，实现测距、定位和授时功能；
(2)根据步骤(1)确定的SPT信号帧结构，利用扩频码进行窄带扩频调制，形成窄带扩频基带信号；
(3)将步骤(2)窄带扩频基带信号调制到需要的频率上，得到数字中频信号，实现跳频调制；
(4)确定SPT信号的播发波束，SPT信号在多个波束进行时分轮询播发，轮询方式由波束轮询图案决定；
(5)将步骤(3)的数字中频信号进行数字波束成形，通过步骤(4)确定的SPT信号的播发波束进行播发。
3.根据权利要求1所述的一种基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统，其特征在于：SPT信号在PCH子频带以外的子频带进行跳频调制，且需要的频率根据跳频图案确定。
4.根据权利要求2所述的一种基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统，其特征在于：步骤(2)中SPT信号帧结构，满足以下要求：
1)PCH使用频率最低或者频率最高的子频带，即PCH信号位于整个BW带宽的边上，SPT使用剩下的BW-BWsubband频带作为SPT信号的播发频带，每一个基本帧长TF，PCH信号占用TPCH，使用每个基本帧的NPCH个时隙播发，SPT信号也在这NPCH个时隙内播发；
2)SPT信号的帧长为TSPT，TSPT≤TPCH，SPT信号由连续波(CW)信号和窄带扩频PRN两部分组成，连续波(CW)信号位于窄带扩频PRN之前，CW信号用于信号的快速捕获，窄带扩频PRN码部分用于测量以及SPT电文播发；
3)CW信号的长度为TCW，0≤TCW≤1/2TSPT，当TCW＝0时，SPT信号不含CW；
4)窄带扩频PRN码部分的长度TPRN＝TSPT-TCW。
5.根据权利要求4所述的一种基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统，其特征在于：SPT信号中带有调制的SPT电文，包括卫星的轨道、速度、钟差以及时标信息。
6.根据权利要求2所述的一种基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统，其特征在于：步骤(2)中SPT信号窄带扩频调制，具体调制方法如下：
1)生成SPT信号的扩频PRN码，包括导频PRN码和数据PRN码，数据PRN码调制SPT电文；PRN码速率为Rc，码片宽度为Tc＝1/Rc；PRN码信号的带宽小于BW-BWsubband，即2Rc≤1/2(BW-BWsubband)，导频PRN码序列{cp,i}长度为Np个码片，数据PRN码序列{cd,i}长度为Nd个码片；
2)生成CW信号的全1或者全-1序列，CW信号的长度等于NCW个码片宽度，CW基带信号等价于一个全1或者全-1的序列{cCW,i}，cCW,i＝1，i＝0，…，NCW-1；
3)SPT信号的CW信号、导频PRN码和数据PRN码进行时分，有(NCW+Np+Nd)Tc＝TSPT，SPT信号的帧长为TSPT，SPT信号的基带信号表示为：
Figure FDA0003308644240000031
式中，p(t)是宽度为Tc的矩形函数；
Figure FDA0003308644240000032
4)sSPT(t)经一个对称的FIR低通滤波器进行滤波，sSPT(t)低通滤波后记为
Figure FDA0003308644240000033
7.根据权利要求2所述的一种基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统，其特征在于：步骤(2)中SPT信号窄带扩频生成，通过以下方法得到：
1)生成SPT信号的扩频PRN码，包括导频PRN码和数据PRN码，数据PRN码调制SPT电文；PRN码速率为Rc，码片宽度为Tc＝1/Rc；PRN码信号的带宽小于BW-BWsubband，即2Rc≤1/2(BW-BWsubband)；导频PRN码序列{cp,i}长度为Np,d个码片，数据PRN码序列{cd,i}长度为Np,d个码片；
2)生成CW信号的全1或者全-1序列，CW信号的长度等于NCW个码片宽度，CW信号等价于一个全1或者全-1的序列{cCW,i}，cCW,i＝1，i＝0，…，NCW-1；
3)SPT信号的导频PRN码和数据PRN码位于正交支路上，与CW信号进行时分，有(NCW+Np,d)Tc＝TSPT，SPT信号的帧长为TSPT，SPT信号的基带表示为：
sSPT(t)＝sSPT,I(t)+jsSPT,Q(t)
式中，sSPT,I(t)是I支路信号，sSPT,Q(t)是Q支路信号，分别表示为：
Figure FDA0003308644240000041
Figure FDA0003308644240000042
其中，导频PRN码序列{cp,i}长度为Np,d个码片；
p(t)是宽度为Tc的矩形函数；
Figure FDA0003308644240000043
4)sSPT,I(t)和sSPT,Q(t)经同一个FIR低通滤波器进行滤波，滤波后分别为
Figure FDA0003308644240000044
和
Figure FDA0003308644240000045
低通滤波后的SPT信号记为
Figure FDA0003308644240000046
8.根据权利要求3所述的一种基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统，其特征在于：所述SPT信号在PCH子频带以外的子频带进行跳频调制，且需要的频率根据跳频图案确定，通过以下方法得到：
1)SPT信号的频率在BW-BWsubband带宽内跳动，为了便于信号生成，将整个BW-BWsubband带宽等分为NHF个跳频载波带宽，每个载波带宽为BWHF＝(BW-BWsubband) /NHF，PRN码速率为Rc，2Rc≤BWHF；
2)将步骤1)NHF个跳频载波的载波频率，记为
Figure FDA0003308644240000051
有
Figure FDA0003308644240000052
SPT信号调制在每个BWHF中心频率上播发；
3)采用一个伪随机数发生器控制步骤2)跳频载波的载波频率的选择；即对于每一个SPT信号，伪随机数发生器输出一个0到NHF-1的数i，该SPT信号的载波频率就为fi HF；i＝0到NHF-1；
4)将窄带扩频后的基带SPT信号进行跳频调制，调制到数字中频fi HF，得到中频信号为：
Figure FDA0003308644240000053
式中，
Figure FDA0003308644240000054
为低通滤波后的SPT信号，t表示时间，j表示虚部单位。
9.根据权利要求2所述的一种基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统，其特征在于：步骤(4)中波束轮询图案，具体如下：
低轨移动通信卫星共有Nbeam个波束，平均分为NGroup组，每组有N个波束，N＝Nbeam/NGroup；为了缩短SPT信号的轮询间隔，同时播发NGroup个SPT信号，每个SPT信号在N个波束中进行时分轮询；
SPT信号按照预设方式，在N个波束间依次轮询，波束轮询图案为：波束1、波束2、…、波束N、波束1、波束2、…、波束N、…；
从一个波束来看，每隔N·TF时间，播发一个长为TSPT的SPT帧，时域占空比为TSPT/(N·TF)。
10.根据权利要求1所述的一种基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统，其特征在于：在播发寻呼信道PCH信号的NPCH个时隙中，不播发其他控制信息和业务信息。
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