CN110557191B - 一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位方法及装置 - Google Patents

一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位方法及装置，该方法包括：地面终端对卫星发送的下行同步信号和下行广播信道分别进行定时同步检测和广播信道检测，获取各个时刻的同步峰值信噪比和相邻时刻的伪距差，以及各个时刻卫星的坐标，利用数据聚类方法对测量结果进行分类，剔除非视距数据后利用一阶泰勒展开迭代方法计算出地面终端坐标。本发明利用单颗低轨卫星下行同步检测和无监督学习方法对地面终端进行定位，实现了卫星移动通信与卫星定位的结合，使得地面终端位置信息获取不再依赖于其它卫星导航系统，并且避免了额外的测距资源开销。同时，剔除非视距测量数据可以有效降低误差影响，提高终端定位精度，具有较高的实用价值。

Description

一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位方法及装置
技术领域
本发明涉及一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位的方法及装置，属于卫星移动通信和卫星导航定位技术领域。
背景技术
卫星移动通信系统具有组网灵活、覆盖面积广以及不受自然灾害影响等特点，近年来得到不断发展，卫星与地面移动通信系统相互融合，共同构成全球无缝覆盖的天地一体化通信网络，满足用户无处不在的多种业务需求，是未来通信发展的重要方向。此外，在3GPP组织的5G标准中，明确定义了包括卫星在内的面向非地面网络(Non-terrestrialNetwork，NTN)的部署场景。卫星移动通信系统通常使用地理位置信息来简化系统的接入和传输过程，传统的地理位置信息获取方法是利用现有的全球导航卫星系统(GlobalNavigation Satellite System，GNSS)，一旦GNSS系统失效，卫星移动通信系统也将无法正常工作。此外，由于地面终端附近散射体遮挡物引起的非视距(Nonline-of-Sight，NLOS)信号会给测量数据带来较大的误差，尤其在低轨(Low Earth Orbit，LEO)卫星移动通信系统中，卫星仰角会不断发生变化，测距误差将达到几十甚至几百米，从而引起定位精度的恶化。针对这些问题，本发明提出一种低轨卫星移动通信系统中利用下行同步检测和无监督学习的终端定位方法，实现卫星移动通信与卫星定位的结合，避免对GNSS的依赖，可以有效保障系统的稳定可靠工作。同时，剔除NLOS测量数据可以有效降低误差影响，提高终端定位精度，在实际低轨卫星移动通信系统中具有较高的实用价值。
发明内容
发明目的：针对现有技术的不足，本发明目的在于提出一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位方法及装置，不依赖于其他卫星导航系统，将卫星移动通信与卫星定位相结合，利用低轨卫星移动通信系统中周期性传输的下行同步信号和下行广播信道，采用多次测量的方法实现对地面终端的定位。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位方法，该方法包括如下步骤：
(1)地面终端对卫星发送的下行同步信号和下行广播信道分别进行定时同步检测和广播信道检测；
(2)地面终端根据定时同步检测结果得到各个时刻的同步峰值信噪比，和相邻时刻伪距差，并根据下行广播信道检测结果得到各个时刻的卫星坐标；
(3)将峰值信噪比和伪距差组成特征向量，利用无监督学习中的数据聚类方法对测量结果进行分类；
(4)剔除非视距测量数据后，利用视距测量数据重新计算相邻时刻的伪距差；
(5)根据多个视距测量数据，联立伪距差方程，迭代计算地面终端的位置坐标。
优选的，所述方法利用单颗低轨卫星周期性地传输下行同步信号和下行广播信道，下行广播信道中包括下行波束中心点坐标，以及卫星坐标或卫星轨道参数信息。
优选的，所述地面终端以固定时间间隔进行多次下行同步检测和下行广播信道检测，包含视距以及非视距环境下的测量结果。
优选的，所述步骤(2)中相邻两次测量时刻的伪距差为Δρi＝Δτi·Ts·c，其中，
Figure BDA0002192234290000021
Figure BDA0002192234290000022
和
Figure BDA0002192234290000023
分别为第i和i+1次测量的定时同步检测位置，N为测量次数，Ts是地面终端接收信号的采样时间间隔，c是光速。
优选的，所述步骤(2)中如果下行广播信道中包括卫星坐标，则地面终端直接通过检测下行广播信道得到卫星在各时刻的坐标；如果下行广播信道中包括卫星轨道参数信息，则地面终端通过检测下行广播信道中的卫星轨道参数计算得到各时刻的卫星坐标。
优选的，所述步骤(3)中数据聚类过程如下：首先根据步骤(1)和步骤(2)的测量数据得到一组样本集；随后根据样本特征判断样本集可分为几类；如果样本只有一类，则所有样本均为视距测量数据；如果样本可分为两类，则样本包含视距和非视距测量数据，并将所有样本根据样本特征归入相应的类。
优选的，所述步骤(4)和(5)中根据步骤(3)的数据分类结果，如果只有视距测量数据，则利用所有数据进行终端坐标定位；如果测量数据包含视距和非视距两类，则剔除非视距测量数据，只利用剩余视距测量数据进行终端坐标定位。
优选的，所述步骤(5)中伪距差方程表示为：
Figure BDA0002192234290000031
其中，(xi,yi,zi)和(xi+1,yi+1,zi+1)分别为第i和i+1个视距观察时刻的卫星坐标，ΔρLOS,i为第i和i+1个视距观察时刻的伪距差值，(x,y,z)为地面终端坐标，(xini,yini,zini)为地面终端初始位置，
Figure BDA0002192234290000032
Figure BDA0002192234290000033
ni为伪距差误差。
优选的，采用迭代方法计算地面终端坐标，并利用下行波束中心点的坐标，作为迭代过程中地面终端位置的初始值。
一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现所述的低轨卫星移动通信系统中的终端定位方法。
有益效果：本发明提出的一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位方法及装置，与现有技术相比，利用单颗低轨卫星下行同步信号检测和无监督学习方法对地面终端进行定位，实现了卫星移动通信与卫星定位的结合，使得卫星移动通信系统地面终端位置信息获取不再依赖于其它卫星导航系统，并且避免了额外的测距资源开销。同时，剔除非视距测量数据可以有效降低误差影响，提高终端定位精度，在实际低轨卫星移动通信系统中具有较高的实用价值。
附图说明
图1为本发明实施例所采用的低轨卫星移动通信系统终端定位场景示意图。
图2为本发明实施例所采用的低轨卫星移动通信场景非视距信号示意图
图3为本发明实施例所采用的低轨卫星移动通信系统终端定位流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明实施例中所述低轨卫星移动通信系统采用5G NR空口体制通过点波束与地面终端进行通信。图1为低轨卫星移动通信系统终端定位场景示意图，卫星在飞行过程中，地面终端以ΔT为测量间隔进行多次测量，测量过程中地面终端位置不变，第1,2,…,N次测量时卫星与地面终端间距离为d1,d2,…,dN，下行信号到达地面终端的传输时延为t1,t2,…,tN。假设卫星移动通信系统下行发射天线数为NT，终端接收天线数为NR，第p根发射天线上时域信号为sp(n)，其中p∈[1,NT]。同步序列参考5G NR系统的m序列，长度为127。发射信号经过卫星传输信道后，假设信道相干时间大于OFDM符号长度，则第q根接收天线上第n个离散采样符号可以表示为
Figure BDA0002192234290000041
其中，NOFDM表示OFDM符号长度，hp,q(l)表示第p根发射天线到第q根接收天线之间第l径的时不变信号冲激响应，L表示信道中径的总数，τ为卫星与地面终端间的归一化定时误差，表示为τ＝t/Ts，Ts为地面终端接收信号的采样时间间隔，ωq(n)为第q根接收天线处的高斯白噪声，均值为0，方差为
Figure BDA0002192234290000042
将接收离散时间序列与本地同步序列副本进行互相关，得到下行定时同步检测结果，可表示为：
Figure BDA0002192234290000043
其中，
Figure BDA0002192234290000044
为第q根接收天线第nF帧的时域接收序列，s(n)为本地序列副本，NF为合并帧数。根据同步互相关结果得到第i次测量时同步峰值信噪比为
γi＝Pi/Γi (公式3)
其中，同步互相关峰值功率为Pi，同步互相关噪声功率Γi可取值为峰值附近互相关结果的平均值。相邻两次同步检测结果的变化量可表示为
Figure BDA0002192234290000045
其中，
Figure BDA0002192234290000051
和
Figure BDA0002192234290000052
分别为第i和i+1次测量的定时同步检测位置。由公式(4)可计算得到相邻两次测量的伪距差为
Δρi＝Δτi·Ts·c,i＝1,2,…,N-1 (公式5)
其中，Ts是地面终端接收信号的采样时间间隔，c为光速。
由于卫星在飞行过程中，相对于地面终端附近存在散射体遮挡物，并且卫星仰角不断发生变化，信号传播的距离和路径也在不断发生变化。如图2所示，终端在不同的时刻可能通过LOS信号进行检测，也可能通过NLOS信号进行检测，NLOS会引起较大的伪距测量误差。本发明实施例采用无监督学习中的数据聚类方法对测量数据进行分类。首先，地面终端根据公式(2)和公式(3)进行N次下行同步检测，得到N个同步检测结果
Figure BDA0002192234290000053
以及N个PSNR值γ1,…,γN，并根据公式(4)和公式(5)得到N-1个伪距差结果Δρ1,…,ΔρN-1。根据这些测量结果得到一组样本集
A＝(a1,a2,…,aN) (公式6)
其中，ai为PSNR和伪距差组成的样本特征向量，表示为
ai＝(γi,υi) (公式7)
其中，
Figure BDA0002192234290000054
然后，采用k-means++算法对测量数据样本进行分类，首先，从测量数据样本集中随机选择一个样本aj作为第1个聚类簇中心，此时簇的均值向量为μ1＝aj；对于样本集中的每一个样本，计算其与第一个簇中心的距离ηi＝||ai-μ1||2；找到最大距离ηm＝max([η1,…,ηN])，如果ηm大于某一阈值ηthreshold，则判断当前样本簇的个数为2，否则样本簇的个数为1，阈值ηthreshold通过提前仿真获得；如果簇的个数为2，令第2个簇的中心为样本am，该簇的均值向量为μ2＝am；随后，计算每个样本与每个聚类中心的距离
Figure BDA0002192234290000055
并将其归入最近的簇；对于每个簇，计算所有样本的均值μk,new，并将其作为新的聚类中心；重复上述两步，直到聚类中心不再发生变化。
通过以上聚类方法对测量样本中的LOS和NLOS信号进行分类，随后剔除NLOS数据，得到LOS环境下的测量数据样本为
Figure BDA0002192234290000061
样本个数为NLOS，则LOS环境下相邻两个测量样本对应的伪距差为ΔρLOS,i＝ΔτLOS,i·Ts·c,i＝1,2,…,NLOS-1 (公式9)
其中，
Figure BDA0002192234290000062
在通过聚类剔除NLOS数据后，利用剩下的LOS数据对地面终端进行定位。假设地面终端通过下行广播信道得到卫星在各个时刻的坐标，令第i个观察时刻的卫星坐标为(xi,yi,zi)，用户坐标为(x,y,z)，则第i个观察时刻的伪距值可表示为
Figure BDA0002192234290000063
其中，δt,u和δt,s分别为接收机时钟和卫星时钟相对于标准时钟偏差，
Figure BDA0002192234290000064
和
Figure BDA0002192234290000065
分别为电离层和对流层折射效应影响，ξi为同步计算误差导致的伪距误差。相邻两次观测的伪距差为
Figure BDA0002192234290000066
令ΔρLOS,i＝ρLOS,i+1-ρLOS,i，即公式(9)计算得到的LOS下的伪距差值，
Figure BDA0002192234290000067
表示电离层影响、对流层影响以及同步算法导致的伪距差误差，假设误差ni独立同分布，均值为0，方差为
Figure BDA0002192234290000068
由此，公式(11)可表示为
Figure BDA0002192234290000069
假设终端初始位置为(xini,yini,zini)，初始值可设为下行波束地面中心点坐标，对公式(12)在(xini,yini,zini)处进行一阶泰勒展开，可得
Figure BDA0002192234290000071
其中，
Figure BDA0002192234290000072
且
Figure BDA0002192234290000073
根据分类后的LOS测量数据，可得到NLOS-1个如公式(13)的方程，联立这些方程，可得
B＝AX+n (公式14)
其中，X＝[x y z]T，
Figure BDA0002192234290000074
并且
Figure BDA0002192234290000075
Figure BDA0002192234290000076
公式(14)的最小二乘解为
Figure BDA0002192234290000077
将公式(17)结果作为新的(xini,yini,zini)，重新代入式公式(14)(15)(16)中，进行迭代计算，直到相邻两次结果的偏差小于某一阈值，即满足
Figure BDA0002192234290000078
时，迭代停止，阈值χthreshold可通过仿真提前得到。综上，所提一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位方法的流程图如图3所示，主要包括：
步骤1：地面终端对卫星发送的下行同步信号进行下行定时同步检测并对卫星下行广播信道进行检测。本步骤中，利用单颗低轨卫星周期性地传输下行同步信号和下行广播信道，下行广播信道中包括下行波束中心点坐标、卫星坐标或卫星轨道参数信息，如果下行广播信道中包括卫星坐标，则地面终端直接通过检测下行广播信道得到卫星在各时刻的坐标；如果下行广播信道中包括卫星轨道参数信息，则地面终端通过检测下行广播信道中的卫星轨道参数计算得到各时刻的卫星坐标。地面终端以固定时间间隔进行多次下行同步检测和下行广播信道检测，包含视距以及非视距环境下的测量结果。
步骤2：地面终端根据定时同步检测结果得到各个时刻的同步峰值信噪比和相邻时刻伪距差；并根据下行广播信道检测结果得到各个时刻的卫星坐标。
步骤3：将峰值信噪比和伪距差组成特征向量，利用无监督学习中的数据聚类方法对测量结果进行分类。本步骤中首先根据前两步的大量测量数据得到一组样本集；随后根据样本特征判断样本集可分为几类；如果样本只有一类，则所有样本均为视距测量数据；如果样本可分为两类，则样本包含视距和非视距测量数据，并将所有样本根据样本特征归入相应的类。
步骤4：剔除非视距测量数据后，利用视距测量数据重新计算相邻时刻的伪距差。根据数据分类结果，如果只有视距测量数据，则利用所有数据进行终端坐标定位；如果测量数据包含视距和非视距两类，则剔除非视距测量数据，只利用剩余视距测量数据进行终端坐标定位。
步骤5：根据多个视距测量数据，联立伪距差方程，迭代计算地面终端的位置坐标。
基于相同的发明构思，本发明实施例公开的一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现所述的低轨卫星移动通信系统中的终端定位方法。具体实现中，该终端定位装置包括处理器，通信总线，存储器以及通信接口，其形式可以包括各种具有无线通信功能的手持设备、车载设备、可穿戴设备、计算设备或连接到无线调制解调器的其它处理设备。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)地面终端对卫星发送的下行同步信号和下行广播信道分别进行定时同步检测和广播信道检测；
(2)地面终端根据定时同步检测结果得到各个时刻的同步峰值信噪比，和相邻时刻伪距差，并根据下行广播信道检测结果得到各个时刻的卫星坐标；相邻两次测量时刻的伪距差为Δρi＝Δτi·Ts·c，其中，
Figure FDA0002986136380000011
Figure FDA0002986136380000012
和
Figure FDA0002986136380000013
分别为第i和i+1次测量的定时同步检测位置，N为测量次数，Ts是地面终端接收信号的采样时间间隔，c是光速；
(3)将峰值信噪比和伪距差组成特征向量，利用无监督学习中的数据聚类方法对测量结果进行分类；
(4)剔除非视距测量数据后，利用视距测量数据重新计算相邻时刻的伪距差；
(5)根据多个视距测量数据，联立伪距差方程，迭代计算地面终端的位置坐标；其中，伪距差方程表示为：
Figure FDA0002986136380000014
其中，(xi,yi,zi)和(xi+1,yi+1,zi+1)分别为第i和i+1个视距观察时刻的卫星坐标，ΔρLOS,i为第i和i+1个视距观察时刻的伪距差值，(x,y,z)为地面终端坐标，(xini,yini,zini)为地面终端初始位置，
Figure FDA0002986136380000015
Figure FDA0002986136380000016
ni为伪距差误差；迭代求解如下方程B＝AX+n得到地面终端坐标，其中，X＝[x y z]T，
Figure FDA0002986136380000017
并且
Figure FDA0002986136380000021
Figure FDA0002986136380000022
NLOS为视距测量数据样本个数；通过求解方程的最小二乘解
Figure FDA0002986136380000023
并将结果作为新的(xini,yini,zini)进行迭代计算，直到相邻两次结果的偏差小于设定阈值停止迭代得到地面终端的位置坐标。
2.根据权利要求1所述的一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位方法，其特征在于，利用单颗低轨卫星周期性地传输下行同步信号和下行广播信道，下行广播信道中包括下行波束中心点坐标，以及卫星坐标或卫星轨道参数信息。
3.根据权利要求1所述的一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位方法，其特征在于，所述地面终端以固定时间间隔进行多次下行同步检测和下行广播信道检测，包含视距以及非视距环境下的测量结果。
4.根据权利要求1所述的一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位方法，其特征在于，所述步骤(2)中如果下行广播信道中包括卫星坐标，则地面终端直接通过检测下行广播信道得到卫星在各时刻的坐标；如果下行广播信道中包括卫星轨道参数信息，则地面终端通过检测下行广播信道中的卫星轨道参数计算得到各时刻的卫星坐标。
5.根据权利要求1所述的一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位方法，其特征在于，所述步骤(3)中数据聚类过程如下：首先根据步骤(1)和步骤(2)的测量数据得到一组样本集；随后根据样本特征判断样本集可分为几类；如果样本只有一类，则所有样本均为视距测量数据；如果样本可分为两类，则样本包含视距和非视距测量数据，并将所有样本根据样本特征归入相应的类。
6.根据权利要求5所述的一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位方法，其特征在于，所述步骤(4)和(5)中根据步骤(3)的数据分类结果，如果只有视距测量数据，则利用所有数据进行终端坐标定位；如果测量数据包含视距和非视距两类，则剔除非视距测量数据，只利用剩余视距测量数据进行终端坐标定位。
7.根据权利要求1所述的一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位方法，其特征在于，利用下行波束中心点的坐标，作为迭代过程中地面终端位置的初始值。
8.一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被加载至处理器时实现根据权利要求1-7任一项所述的低轨卫星移动通信系统中的终端定位方法。
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