CN111641445A - 卫星通信与导航一体化处理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种卫星通信与导航一体化处理系统及方法，该系统中低轨微纳卫星内设置有通信导航一体化收发机。通信基带信号产生单元发出的通信信号顺次经数模转换模块、正交上变频模块、功率放大模块和发射天线发送至地面通信设备。接收天线接收GPS卫星的导航信号、北斗卫星的导航信号和地面通信设备的通信信号，接收到的信号顺次经低噪声放大模块、正交下变频模块、数模转换模块进入通信导航信号分离模块进行信号分离，然后经数字频谱搬移模块消除频偏后，分别发送到GPS信号处理模块、北斗信号处理模块或通信基带信号处理模块进行处理。本发明的卫星通信与导航一体化处理系统及方法，具有高集成度和轻量化和小型化的显著优势。

Description

卫星通信与导航一体化处理系统及方法
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种卫星通信与导航一体化处理系统及方法。
背景技术
随着卫星通信和卫星导航技术的发展，在进行卫星通信的同时实现卫星导航功能已经成为重要的发展趋势，这就需要设计通信与导航一体化系统。目前，通信与导航的一体化主要包括以下几种实现途径：
(1)机构结构一体化：主要是设计统一的机箱结构和板卡尺寸，将通信收发机和导航接收机的所有板卡封装在同一结构内，板卡的配电由配电管理单元统一提供，并在天线端设计宽频带天线同时接收通信与导航信号。
(2)数字处理一体化：融合通信收发机和导航接收机数字处理板卡的功能，将接收到的通信号导航信号用同一信号处理板卡进行处理，并提供统一的对外信息交互和控制接口。
(3)信号体制一体化：主要是突破现有导航信号形式，设计兼顾通信功能和导航功能的信号体制。例如，在正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)调制或通用滤波多载波调制(Universal Filtered Multi-Carrier，UFMC)等多载波通信系统中，利用导频符号或者定时同步训练符号承载导航电文，在通信的同时完成测距等导航功能。另一种解决思路是在导航电文中加入通信电文，实现通信数据在导航信号中的传输。
发明人发现现有技术至少存在以下问题：
(1)不论是机构结构一体化和还是数字处理一体化，都是在硬件层面实现了通信功能和导航功能对部分硬件资源的复用。在这些方案中，通信和导航仍然采用独立的信号收发通道，难以满足高集成度小型化的应用需求。
(2)信号体制一体化打破了现有的导航信号体制，无法与北斗或GPS等成熟且广泛应用的卫星导航系统兼容，在应用场景方面具有很大的局限性。与此同时，基于多载波的通信导航一体化信号体制要求通信信号只能以多载波方式传输，应用灵活性上有待改进；通信与导航电文融合的一体化信号体制只能支持低速通信任务，并且会降低导航性能与精度。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种卫星通信与导航一体化处理系统及方法。具体技术方案如下：
第一方面，提供了一种卫星通信与导航一体化处理系统，所述系统包括：GPS卫星、北斗卫星、低轨微纳卫星和地面通信设备；
所述低轨微纳卫星内设置有通信导航一体化收发机，所述收发机包括通信基带信号产生单元、数模转换模块、正交上变频模块、功率放大模块、发射天线、接收天线、低噪声放大模块、正交下变频模块、模数转换模块、通信导航信号分离模块、数字频谱搬移模块、通信基带信号处理模块、GPS信号处理模块和北斗信号处理模块；
所述通信基带信号产生单元发出的通信信号顺次经所述数模转换模块、所述正交上变频模块、所述功率放大模块和所述发射天线发送至所述地面通信设备；
所述接收天线接收所述GPS卫星的导航信号、所述北斗卫星的导航信号和所述地面通信设备的通信信号，接收到的信号顺次经所述低噪声放大模块、所述正交下变频模块、所述数模转换模块进入所述通信导航信号分离模块进行信号分离，然后经所述数字频谱搬移模块消除频偏后，分别发送到所述GPS信号处理模块、所述北斗信号处理模块或所述通信基带信号处理模块进行处理。
在一种可能的设计中，所述通信基带信号产生单元、所述通信导航信号分离模块、所述数字频谱搬移模块、所述通信基带信号处理模块、所述GPS信号处理模块和所述北斗信号处理模块在可编程处理芯片内实现；所述数模转换模块、所述正交上变频模块、所述功率放大模块、所述低噪声放大模块、所述正交下变频模块和所述模数转换模块选用高集成收发芯片来实现。
第二方面，提供了一种卫星通信与导航一体化处理方法，所述方法包括：
通信基带信号产生单元发出通信信号，通信信号经数模转换模块进行数模转换，再经正交上变频模块调制到预设频段截波上，经功率放大模块进行功率放大后通过发射天线发送至地面通信设备；
接收天线获取预设频段范围内的信号，该预设频段范围内的信号包括北斗导航信号、GPS导航信号和地面通信设备发出的通信信号，接收信号经低噪声放大模块进行低噪声放大后，经正交下变频模块选择预设载波频率进行正交下变频，经模数转换模块进行模数转换后得到I/Q基带数字信号，通信导航信号分离模块将位于相邻频带的北斗导航信号、GPS导航信号和通信信号分离，数字频谱搬移模块消除各信号的频偏，将北斗导航信号、GPS导航信号和通信信号分别发送到北斗信号处理模块、GPS信号处理模块或通信基带信号处理模块进行处理。
在一种可能的设计中，导航接收频段选为1555MHz至1580MHz，覆盖GPS系统的L1频点信号1575.42MHz±1.023MHz与北斗系统B1频点信号1561.098MHz±2.046MHz；地面通信设备至卫星的上行通信链路频段为1530MHz至1555MHz的L频段，信号载波频率为fc。
在一种可能的设计中，正交上变频模块将通信信号调制到S频段载波上；低轨微纳卫星与地面通信设备之间的下行通信链路工作在S频段；接收天线接收1530MHz～1580MHz频带范围内的信号，经低噪声放大后，选择1555MHz载波频率进行正交下变频。
在一种可能的设计中，令接收信号频带宽度为BW，分布范围为[-BW/2,BW/2]，模数转换模块以采样频率fs对信号进行U倍过采样，即fs＝U·BW，在宽度为BW的信号频带内通信信号的带宽为BW1，在信号频带内占用的频率范围为[-BW1-Δ1,-Δ1]；B1频点北斗导航信号的带宽为BW2，在信号频带内占用的频率范围为[Δ2,Δ2+BW2]；设计阶数为N-1并且满足如下要求的数字低通滤波器h(n),n＝0,1,…,N-1：
a.通带截止频率ωc满足
Figure BDA0002455905720000031
b.过渡带宽度不超过
Figure BDA0002455905720000032
在一种可能的设计中，通过下述公式，令ω0＝-π/2，分离通信信号：
Figure BDA0002455905720000033
式中，x(n)表示接收到的基带信号，y0(n)表示从x(n)中分离出的通信信号，“*”表示卷积运算；
对y0(n)进行1/2抽取得到：
Figure BDA0002455905720000034
其中，xp(m)＝x(2m-p)，hp(m)＝h(2m+p)；
通过下述公式，令ω1＝π/2，分离导航信号y1(n)：
Figure BDA0002455905720000041
对导航信号进行1/2抽取得到：
Figure BDA0002455905720000042
Figure BDA0002455905720000043
与
Figure BDA0002455905720000044
可以统一表示为如下形式：
Figure BDA0002455905720000045
用
Figure BDA0002455905720000046
表示在
Figure BDA0002455905720000047
基础上进一步进行1/U抽取得到的信号，则有：
Figure BDA0002455905720000048
其中z(l)＝(xp(m)·(-1)m*hp(m))m＝Ul可以进一步表示为：
Figure BDA0002455905720000049
其中，xp,d(i)＝xp(Ui-d)，hp,d(i)＝hp(Ui+d)。
在一种可能的设计中，信号分离过程包括输入加权、滤波和后处理；
输入加权：将数据x(4n),x(4n+1),n＝0,1,2,…直接输入滤波器，将数据x(4n+2),x(4n+3),n＝0,1,2,…乘以-1后输入滤波器；
将h(n),n＝0,1,…,N-1重组为如下2U行：
Figure BDA0002455905720000051
进而按照如下顺序调整行次序：
2U-1→2U→2U-3→2U-2→2U-5→2U-4→…→3→4→1→2
行次序调整完毕后，将N/(2U)列系数分别存储在滤波器的N/(2U)个乘法器对应的抽头系数寄存器组中；此外在每个加法器的输入端，也分别配置一个长度为2U的数据寄存器组，用于存储中间计算结果；在当滤波器工作过程中，每输入一个有效数据，便对抽头系数寄存器组和数据寄存器组循环移位一次；
后处理：滤波器输出的奇数序号数值(第1个，第3个，……)送入后处理单元的下支路，偶数序号数值(第2个，第4个，……)送入上支路；每个支路利用U个输入数据计算一个累加结果，然后两个支路的累加结果并行加权后执行基-2蝶形运算，得到
Figure BDA0002455905720000052
与
Figure BDA0002455905720000053
累加结果的加权规则为：奇数序号的累加结果保持不变，直接用于蝶形运算；偶数序号的累加结果乘以-1后再进行蝶形运算。
在一种可能的设计中，将通信信号和导航信号分离后，通过计算
Figure BDA0002455905720000054
消除通信信号中的残余频偏；
分别计算
Figure BDA0002455905720000055
和
Figure BDA0002455905720000056
消除导航信号频偏后，设置通带宽度为0.2π，过渡带宽度不超过0.5π的低通滤波器分离GPS导航信号和北斗导航信号。
在一种可能的设计中，地面通信设备根据低轨微纳卫星相对于地面通信设备的通信仰角对通信信号的发射功率进行控制。
本发明技术方案的主要优点如下：
本发明的卫星通信与导航一体化处理系统及方法，低轨微纳卫星内搭载通信导航一体化收发机，通过信号处理技术增加了GPS与北斗双模导航信号的接收和处理能力，实现了通信与导航功能从天线、射频接收到基带处理的一体化复用，具有高集成度和轻量化小型化的显著优势，特别适用于微纳卫星等体积、重量受限的卫星平台。且兼容北斗、GPS等卫星导航系统的现有信号体制，并且对通信信号体制无约束，支持多载波、单载波、扩频等多类体制，应用范围较广，灵活性更强。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一实施例提供的卫星通信与导航一体化处理系统的架构图；
图2为本发明一实施例提供的卫星通信与导航一体化处理系统中收发机的结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的卫星通信与导航一体化处理方法中接收天线接收信号频谱示意图；
图4为本发明一实施例提供的卫星通信与导航一体化处理方法中通信与导航信号分离示意图；
图5-1为本发明一实施例提供的卫星通信与导航一体化处理方法中用于对导航信号滤波的低通滤波器频率响应设计参数示意图；
图5-2为本发明一实施例提供的卫星通信与导航一体化处理方法中用于对导航信号滤波的低通滤波器冲激响应幅度值设计参数示意图；
图6为本发明一实施例提供的卫星通信与导航一体化处理方法中数字频谱搬移装置内部工作原理示意图；
图7为本发明一实施例提供的卫星通信与导航一体化处理方法中地面通信设备发射ERIP随通信仰角变化关系示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。
第一方面，本发明实施例提供了一种卫星通信与导航一体化处理系统，如附图1所示，该系统包括：GPS卫星、北斗卫星、低轨微纳卫星和地面通信设备。低轨微纳卫星内设置有通信导航一体化收发机，收发机包括通信基带信号产生单元、数模转换模块、正交上变频模块、功率放大模块、发射天线、接收天线、低噪声放大模块、正交下变频模块、模数转换模块、通信导航信号分离模块、数字频谱搬移模块、通信基带信号处理模块、GPS信号处理模块和北斗信号处理模块；通信基带信号产生单元发出的通信信号顺次经数模转换模块、正交上变频模块、功率放大模块和发射天线发送至地面通信设备。接收天线接收GPS卫星的导航信号、北斗卫星的导航信号和地面通信设备的通信信号，接收到的信号顺次经低噪声放大模块、正交下变频模块、数模转换模块进入通信导航信号分离模块进行信号分离，然后经数字频谱搬移模块消除频偏后，分别发送到GPS信号处理模块、北斗信号处理模块或通信基带信号处理模块进行处理。
本发明实施例提供的卫星通信与导航一体化处理系统，低轨微纳卫星内搭载的通信导航一体化收发机，通过信号处理技术增加了GPS与北斗双模导航信号的接收和处理能力，实现了通信与导航功能从天线、射频接收到基带处理的一体化复用，具有高集成度和轻量化小型化的显著优势，特别适用于微纳卫星等体积、重量受限的卫星平台。且兼容北斗、GPS等卫星导航系统的现有信号体制，并且对通信信号体制无约束，支持多载波、单载波、扩频等多类体制，应用范围较广，灵活性更强。
如附图2所示，该通信导航一体化收发机中，通信基带信号产生单元、通信导航信号分离模块、数字频谱搬移模块、通信基带信号处理模块、GPS信号处理模块和北斗信号处理模块可以划归为数字部分，可以在可编程处理芯片(例如，FPGA、DSP等)内实现。数模转换模块、正交上变频模块、功率放大模块、低噪声放大模块、正交下变频模块和模数转换模块可以划归为射频/模拟部分，可以选用高集成收发芯片(例如，AD9361、AD9371等)来实现。由上可知，本发明实施例在不改变收发机硬件的条件下，即可实现通信导航一体化功能。
第二方面，本发明实施例提供了一种卫星通信与导航一体化处理方法，该方法包括：
通信基带信号产生单元发出通信信号，通信信号经数模转换模块进行数模转换，再经正交上变频模块调制到预设频段截波上，经功率放大模块进行功率放大后通过发射天线发送至地面通信设备；
接收天线获取预设频段范围内的信号，该预设频段范围内的信号包括北斗导航信号、GPS导航信号和地面通信设备发出的通信信号，接收信号经低噪声放大模块进行低噪声放大后，经正交下变频模块选择预设载波频率进行正交下变频，经模数转换模块进行模数转换后得到I/Q基带数字信号，通信导航信号分离模块将位于相邻频带的北斗导航信号、GPS导航信号和通信信号分离，数字频谱搬移模块消除各信号的频偏，将北斗导航信号、GPS导航信号和通信信号分别发送到北斗信号处理模块、GPS信号处理模块或通信基带信号处理模块进行处理。
本发明实施例提供的卫星通信与导航一体化处理方法，通过信号处理技术增加了GPS与北斗双模导航信号的接收和处理能力，实现了通信与导航功能从天线、射频接收到基带处理的一体化复用，具有高集成度和轻量化小型化的显著优势，特别适用于微纳卫星等体积、重量受限的卫星平台。且兼容北斗、GPS等卫星导航系统的现有信号体制，并且对通信信号体制无约束，支持多载波、单载波、扩频等多类体制，应用范围较广，灵活性更强。
具体地，对于低轨微纳卫星内的通信导航一体化收发机的具体工作原理，以下结合示例进行说明：
首先，进行系统频率划分：
(1)导航接收频段选为1555MHz至1580MHz，覆盖了GPS系统的L1频点信号1575.42MHz±1.023MHz与北斗系统B1频点信号1561.098MHz±2.046MHz；
(2)地面通信设备至卫星的上行通信链路频段为1530MHz至1555MHz的L频段，与导航接收频段相邻，信号载波频率为fc；
(3)卫星至地面通信设备的下行通信链路工作在S频段，实际应用时根据收发隔离度指标进行确定。
基于上述频率划分，低轨微纳卫星向地面通信设备发送通信信号时，正交上变频模块将信号调制到S频段载波上。接收天线获取1530MHz～1580MHz频带范围内的信号，经低噪声放大后，选择1555MHz载波频率进行正交下变频。
本发明实施例中，通信基带信号的产生与处理、GPS与北斗导航信号的处理均基于已有成熟方案，而通信导航信号分离模块与数字频谱搬移模块则是为实现通信导航一体化处理而设计的新模块。以下对该两个模块进行详细说明：
对于接收通道得到的IQ基带数字信号，其频谱如图3所示。根据上述频率划分方案，接收信号频带宽度为BW＝50MHz，分布范围为[-BW/2,BW/2]。模数转换模块以采样频率为fs对信号进行U倍过采样，即fs＝U·BW。在宽度为BW的信号频带内通信信号的带宽为BW1，在信号频带内占用的频率范围为[-BW1-Δ1,-Δ1]；B1频点北斗导航信号的带宽为BW2＝2.046MHz，在信号频带内占用的频率范围为[Δ2,Δ2+BW2]。设计阶数为N-1并且满足如下要求的数字低通滤波器h(n),n＝0,1,…,N-1：
a.通带截止频率ωc满足
Figure BDA0002455905720000081
b.过渡带宽度不超过
Figure BDA0002455905720000082
用x(n)表示接收到的基带信号，y0(n)表示从x(n)中分离出的通信信号，令ω0＝-π/2，则有：
Figure BDA0002455905720000091
其中“*”表示卷积运算。滤除导航信号后，在[-fs/2,fs/2]的频带范围内只有通信信号，因此可以对y0(n)进行1/2抽取得到：
Figure BDA0002455905720000092
其中xp(m)＝x(2m-p)，hp(m)＝h(2m+p)。将ω0＝-π/2替换为ω1＝π/2，其余保持不变，仿照上述过程可以得到x(n)中分离出的导航信号为：
Figure BDA0002455905720000093
同样也对导航信号进行1/2抽取，可以得到：
Figure BDA0002455905720000094
Figure BDA0002455905720000095
与
Figure BDA0002455905720000096
可以统一表示为如下形式：
Figure BDA0002455905720000097
由于采样频率fs是通信或者导航频带宽度BW/2的2U倍，这说明在
Figure BDA0002455905720000098
与
Figure BDA0002455905720000099
的基础上，还可以对信号进行1/U抽取而不带来信号失真。用
Figure BDA00024559057200000910
表示在
Figure BDA00024559057200000911
基础上进一步进行1/U抽取得到的信号，则：
Figure BDA00024559057200000912
其中z(l)＝(xp(m)·(-1)m*hp(m))|m＝Ul可以进一步表示为：
Figure BDA0002455905720000101
这里xp,d(i)＝xp(Ui-d)，hp,d(i)＝hp(Ui+d)。
基于上述通信导航信号分离方法，提出的信号分离过程如图4所示，将通信导航信号分离模块的工作过程分为三步：输入加权、滤波及后处理，下面对工作流程进行介绍：
a.输入加权：将数据x(4n),x(4n+1),n＝0,1,2,…直接输入滤波器，将数据x(4n+2),x(4n+3),n＝0,1,2,…乘以-1后输入滤波器；
b.滤波：将h(n),n＝0,1,…,N-1重组为如下2U行：
Figure BDA0002455905720000102
进而按照如下顺序调整行次序：
2U-1→2U→2U-3→2U-2→2U-5→2U-4→…→3→4→1→2
行次序调整完毕后，将N/(2U)列系数分别存储在滤波器的N/(2U)个乘法器对应的抽头系数寄存器组中。此外在每个加法器的输入端，也分别配置一个长度为2U的数据寄存器组，用于存储中间计算结果。在当滤波器工作过程中，每输入一个有效数据，便对抽头系数寄存器组和数据寄存器组循环移位一次。
c.后处理：滤波器输出的奇数序号数值(第1个，第3个，……)送入后处理单元的下支路，偶数序号数值(第2个，第4个，……)送入上支路。每个支路利用U个输入数据计算一个累加结果，然后两个支路的累加结果并行加权后执行基-2蝶形运算，得到
Figure BDA0002455905720000103
与
Figure BDA0002455905720000104
累加结果的加权规则为：奇数序号的累加结果保持不变，直接用于蝶形运算；偶数序号的累加结果乘以-1后再进行蝶形运算。
由此，完成通信导航信号分离过程，由于对输入数据的加权和后处理单元中的数据加权都可以通过减法器和逻辑判断来实现，本发明提出的通信与导航信号分离装置的主要资源开销为：滤波模块占用N/(2U)个乘法器和N/(2U)-1个加法器，后处理模块占用4个加法器，总共开销为N/(2U)个乘法器和N/(2U)+3个加法器。而如果直接利用h(n)对
Figure BDA0002455905720000111
和
Figure BDA0002455905720000112
进行并行滤波，则需要2N个乘法器和2N-2个加法器，资源开销大约为本发明所提方案的4U倍。
以下对数字频谱搬移模块的工作原理进行详细阐述：
信号分离模块的输出通信与导航信号的采样频率均变为BW/2＝25MHz，不过还存在着残余频偏，需要通过数字频谱搬移装置将通信和导航信号的频偏消除，然后再将信号送到相应的模块处理。不同信号的频偏分析如下：
通信信号的载频为fc，经降采样和信号分离模块处理后，信号的残余频偏为Δf0＝fc-1555+BW/2＝fc-1542.5MHz。因此通过计算
Figure BDA0002455905720000113
即可消除通信信号中的残余频偏。
导航信号包括了GPS系统L1频点和北斗系统B1频点两种体制的信号，其中GPS信号的残余频偏为Δf1＝1575.42-1555-BW/2＝7.92MHz，北斗信号的残余频偏为Δf2＝1561.098-1555-BW/2＝-6.402MHz。分别计算
Figure BDA0002455905720000114
和
Figure BDA0002455905720000115
消除信号频偏后，还需要进行低通滤波来分离两种体制的导航信号。由于此时导航信号的采样频率25MHz，导航信号的占用的最大频带宽度为4.092MHz，并且两种不同体制导航信号的频带间隔为：
min{1575.42-1.023-1561.098-2.046,1561.098-2.046-1555+1580-1575.42-1.023}＝7.609MHz
因此这里低通滤波器的通带宽度可以设置为0.2π，过渡带宽度不超过0.5π即可。注意到低通滤波器过渡带有很大余量，因此滤波器阶数要求并不高。如图5-1和附图5-2所示，基于Kaiser窗函数的19阶低通滤波器即可满足设计要求，其阻带衰减能力达到80dB。
基于上述认知，本发明实施例提供的数字频谱搬移模块的内部工作原理示意图如图6所示，其主要用于计算
Figure BDA0002455905720000116
i＝0,1,v＝0,1,2，输出的导航信号还需要进行滤波，再送入导航信号处理单元。频率Δfv对应的正弦和余弦信号通过直接数字频率合成(Direct Digital Synthesis，DDS)模块来产生。DDS模块的工作时钟设定为fclk＝BW/2＝25MHz，与信号
Figure BDA0002455905720000117
的采样时钟频率一致。当DDS模块累加器位宽为K比特时，Δfv的频率控制字为round(Δfv·2K/fclk)＝round(Δfv·2K+1/BW)，其中round(·)表示四舍五入操作。可以看到，DDS模块对频率Δfv的近似误差不会超过其频率分辨率fclk/2K的一半，这一频率近似误差可以在后续信号处理过程中被当做是信号多普勒频偏的一部分，通过相应算法完全消除。
本发明实施例利用一个射频通道同时接收通信与导航信号，为同时保证对通信和导航信号的高灵敏接收，需要对通信信号的发射功率进行控制，使之到达低轨微纳卫星接收天线的功率与导航信号的功率接近，这样两者经过低噪声放大模块时不会出现通信信号对导航信号放大倍数的抑制问题。由于地面发射设备已知卫星星历，当卫星过顶时能够实时计算得到的卫星相对于地面设备的通信仰角α，本发明实施例中利用通信仰角来控制通信信号的等效全向辐射功率(Effective Isotropic Radiated Power，ERIP)。首先，当卫星轨道高度为h(单位为Km)、仰角为α(单位为度)时，卫星与地面设备的通信距离可以表示为：
Figure BDA0002455905720000121
这里Re＝6371Km表示地球半径。按照自由空间传播损耗模型，距离d对应的信号传播衰减为：
Ls＝32.45+20lg(fc)+20lg(d)dB
其中fc(单位为MHz)表示信号载波频率。用Er(单位为dBm)表示卫星接收的信号强度，Gr表示接收天线增益，Lrain表示降雨、水汽等因素带来的额外链路损耗，δ表示链路余量，那么发送ERIP可以表示为：
ERIP＝Er+Ls+Lrain-Gr+δdBm
在该表达式中，Er选取与导航信号相近的信号强度，除空间传播损耗Ls外的其他变量均为定值。由于Ls直接受传输距离d影响，而d又与通信仰角α相关，因此可以建立发送ERIP与通信仰角α的对应关系。图7中的虚线以Er＝-120dBm，Lrain＝0dB，Gr＝-5dB，δ＝3dB，载波频率fc＝1540MHz，卫星轨道高度h＝500Km为例，描述了发送ERIP与通信仰角的关系。为降低控制复杂度，在实际应用中可以当仰角变化超过一定范围时，按照梯次对ERIP进行调整，如图7中阶梯状实线所示。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种卫星通信与导航一体化处理系统，其特征在于，所述系统包括：GPS卫星、北斗卫星、低轨微纳卫星和地面通信设备；
所述低轨微纳卫星内设置有通信导航一体化收发机，所述收发机包括通信基带信号产生单元、数模转换模块、正交上变频模块、功率放大模块、发射天线、接收天线、低噪声放大模块、正交下变频模块、模数转换模块、通信导航信号分离模块、数字频谱搬移模块、通信基带信号处理模块、GPS信号处理模块和北斗信号处理模块；
所述通信基带信号产生单元发出的通信信号顺次经所述数模转换模块、所述正交上变频模块、所述功率放大模块和所述发射天线发送至所述地面通信设备；
所述接收天线接收所述GPS卫星的导航信号、所述北斗卫星的导航信号和所述地面通信设备的通信信号，接收到的信号顺次经所述低噪声放大模块、所述正交下变频模块、所述数模转换模块进入所述通信导航信号分离模块进行信号分离，然后经所述数字频谱搬移模块消除频偏后，分别发送到所述GPS信号处理模块、所述北斗信号处理模块或所述通信基带信号处理模块进行处理。
2.根据权利要求1所述的卫星通信与导航一体化处理系统，其特征在于，所述通信基带信号产生单元、所述通信导航信号分离模块、所述数字频谱搬移模块、所述通信基带信号处理模块、所述GPS信号处理模块和所述北斗信号处理模块在可编程处理芯片内实现；
所述数模转换模块、所述正交上变频模块、所述功率放大模块、所述低噪声放大模块、所述正交下变频模块和所述模数转换模块选用高集成收发芯片来实现。
3.一种卫星通信与导航一体化处理方法，其特征在于，所述方法包括：
通信基带信号产生单元发出通信信号，通信信号经数模转换模块进行数模转换，再经正交上变频模块调制到预设频段截波上，经功率放大模块进行功率放大后通过发射天线发送至地面通信设备；
接收天线获取预设频段范围内的信号，该预设频段范围内的信号包括北斗导航信号、GPS导航信号和地面通信设备发出的通信信号，接收信号经低噪声放大模块进行低噪声放大后，经正交下变频模块选择预设载波频率进行正交下变频，经模数转换模块进行模数转换后得到I/Q基带数字信号，通信导航信号分离模块将位于相邻频带的北斗导航信号、GPS导航信号和通信信号分离，数字频谱搬移模块消除各信号的频偏，将北斗导航信号、GPS导航信号和通信信号分别发送到北斗信号处理模块、GPS信号处理模块或通信基带信号处理模块进行处理。
4.根据权利要求3所述的卫星通信与导航一体化处理方法，其特征在于，导航接收频段选为1555MHz至1580MHz，覆盖GPS系统的L1频点信号1575.42MHz±1.023MHz与北斗系统B1频点信号1561.098MHz±2.046MHz；
地面通信设备至卫星的上行通信链路频段为1530MHz至1555MHz的L频段，信号载波频率为fc。
5.根据权利要求4所述的卫星通信与导航一体化处理方法，其特征在于，
正交上变频模块将通信信号调制到S频段载波上；低轨微纳卫星与地面通信设备之间的下行通信链路工作在S频段；
接收天线接收1530MHz～1580MHz频带范围内的信号，经低噪声放大后，选择1555MHz载波频率进行正交下变频。
6.根据权利要求5所述的卫星通信与导航一体化处理方法，其特征在于，令接收信号频带宽度为BW，分布范围为[-BW/2,BW/2]，模数转换模块以采样频率fs对信号进行U倍过采样，即fs＝U·BW，在宽度为BW的信号频带内通信信号的带宽为BW1，在信号频带内占用的频率范围为[-BW1-Δ1,-Δ1]；B1频点北斗导航信号的带宽为BW2，在信号频带内占用的频率范围为[Δ2,Δ2+BW2]；设计阶数为N-1并且满足如下要求的数字低通滤波器h(n),n＝0,1,…,N-1：
a.通带截止频率ωc满足
Figure FDA0002455905710000021
b.过渡带宽度不超过
Figure FDA0002455905710000022
7.根据权利要求6所述的卫星通信与导航一体化处理方法，其特征在于，通过下述公式，令ω0＝-π/2，分离通信信号：
Figure FDA0002455905710000023
式中，x(n)表示接收到的基带信号，y0(n)表示从x(n)中分离出的通信信号，“*”表示卷积运算；
对y0(n)进行1/2抽取得到：
Figure FDA0002455905710000031
其中，xp(m)＝x(2m-p)，hp(m)＝h(2m+p)；
通过下述公式，令ω1＝π/2，分离导航信号y1(n)：
Figure FDA0002455905710000032
对导航信号进行1/2抽取得到：
Figure FDA0002455905710000033
Figure FDA0002455905710000034
与
Figure FDA0002455905710000035
可以统一表示为如下形式：
Figure FDA0002455905710000036
用
Figure FDA0002455905710000037
表示在
Figure FDA0002455905710000038
基础上进一步进行1/U抽取得到的信号，则有：
Figure FDA0002455905710000039
其中z(l)＝(xp(m)·(-1)m*hp(m))|m＝Ul可以进一步表示为：
Figure FDA00024559057100000310
其中，xp,d(i)＝xp(Ui-d)，hp,d(i)＝hp(Ui+d)。
8.根据权利要求7所述的卫星通信与导航一体化处理方法，其特征在于，信号分离过程包括输入加权、滤波和后处理；
输入加权：将数据x(4n),x(4n+1),n＝0,1,2,…直接输入滤波器，将数据x(4n+2),x(4n+3),n＝0,1,2,…乘以-1后输入滤波器；
将h(n),n＝0,1,…,N-1重组为如下2U行：
Figure FDA0002455905710000041
进而按照如下顺序调整行次序：
2U-1→2U→2U-3→2U-2→2U-5→2U-4→…→3→4→1→2
行次序调整完毕后，将N/(2U)列系数分别存储在滤波器的N/(2U)个乘法器对应的抽头系数寄存器组中；此外在每个加法器的输入端，也分别配置一个长度为2U的数据寄存器组，用于存储中间计算结果；在当滤波器工作过程中，每输入一个有效数据，便对抽头系数寄存器组和数据寄存器组循环移位一次；
后处理：滤波器输出的奇数序号数值(第1个，第3个，……)送入后处理单元的下支路，偶数序号数值(第2个，第4个，……)送入上支路；每个支路利用U个输入数据计算一个累加结果，然后两个支路的累加结果并行加权后执行基-2蝶形运算，得到
Figure FDA0002455905710000042
与
Figure FDA0002455905710000043
累加结果的加权规则为：奇数序号的累加结果保持不变，直接用于蝶形运算；偶数序号的累加结果乘以-1后再进行蝶形运算。
9.根据权利要求8所述的卫星通信与导航一体化处理方法，其特征在于，将通信信号和导航信号分离后，通过计算
Figure FDA0002455905710000044
消除通信信号中的残余频偏；
分别计算
Figure FDA0002455905710000045
和
Figure FDA0002455905710000046
消除导航信号频偏后，设置通带宽度为0.2π，过渡带宽度不超过0.5π的低通滤波器分离GPS导航信号和北斗导航信号。
10.根据权利要求9所述的卫星通信与导航一体化处理方法，其特征在于，地面通信设备根据低轨微纳卫星相对于地面通信设备的通信仰角对通信信号的发射功率进行控制。
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