CN112019252B - 低轨卫星通信系统返向频偏校正方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明一个实施例公开了低轨卫星通信系统返向频偏校正方法，包括：S100、接收来自信关站，并经卫星转发的单音信号，完成频率估计，获得前向总频偏Δf_前向；S102、对接收到的由信关站发送并经卫星转发的前向窄带控制信号进行频率校正，完成解调，获得卫星星历、信关站位置、馈电链路上行频率fc1、用户链路下行频率fc2、用户链路上行频率fc3和馈电链路下行频率fc4；S104、获取前向链路多普勒频偏fd_前向和返向链路多普勒频偏fd_返向；S106、根据所述Δf_前向和fd_前向，获得前向链路射频频偏Δf_前向射频；S108、计算返向链路射频频偏Δf_返向射频；S110、获得返向链路预校正频偏值Δf_返向，用户终端对发送的信号按照Δf_返向进行实时频率预矫正后，经过卫星转发，并发送至信关站。

Description

低轨卫星通信系统返向频偏校正方法和系统

技术领域

本发明涉及低轨卫星通信领域。更具体地，涉及一种低轨卫星通信系统返向频偏校正方法和系统。

背景技术

对于通信系统而言，无论是地面通信系统、高轨卫星通信系统、还是中低轨卫星通信系统，都不可避免的存在频偏。频偏主要包括多普勒频移和射频频偏两方面，多普勒频移主要由相对运动引起，固有射频频偏由晶振频率精度引起。高轨卫星通信系统和地面通信系统中，卫星和地面基站静止，多普勒频移由用户终端运动引起，通常仅为几KHz，固有射频频偏可准确标定。低轨卫星相对地面以较大的时空尺度运动，为星地信号传输带来高动态多普勒频移变化，Ka频段多普勒频移高达1MHz以上，而且卫星运动也使固有射频频偏在轨准确标定变的不可实现，因此传统的高轨卫星通信系统及地面通信系统频偏估计及补偿方式不适用于低轨卫星通信。另外，在点对多点通信系统中，由于返向链路具有突发性、多用户合成信号频偏差异性，不适合采用点对点通信系统对称设计的频率同步方式。

发明内容

为解决上述问题中的至少一个，本发明的第一方面提供一种低轨卫星通信系统返向频偏校正方法，由用户终端执行，该方法包括：

S100、接收来自信关站，并经卫星转发的单音信号，完成频率估计，获得前向总频偏Δf_前向；

S102、对接收到的由所述信关站发送并经所述卫星转发的前向窄带控制信号进行频率校正，完成解调，获得卫星星历、信关站位置、馈电链路上行频率fc1、用户链路下行频率fc2、用户链路上行频率fc3和馈电链路下行频率fc4；

S104、获取前向链路多普勒频偏fd_前向和返向链路多普勒频偏fd_返向；

S106、根据所述前向总频偏Δf_前向和所述前向链路多普勒频偏fd_前向，获得晶振引起的前向链路射频频偏Δf_前向射频＝Δf_前向-fd_前向；

S108、根据所述Δf_前向射频、fc1、fc2、fc3、fc4，计算晶振引起的返向链路射频频偏Δf_返向射频；

S110、获得返向链路预校正频偏值Δf_返向＝fd_返向+Δf_返向射频，用户终端对发送的信号按照Δf_返向进行实时频率预矫正后，经过所述卫星转发，并发送至所述信关站。

在一个具体实施例中，获取所述前向链路多普勒频偏fd_前向包括：

根据所述卫星星历、信关站位置获得馈电链路星地相对径向运动速度v1；

根据所述fc1和v1获得馈电链路上行多普勒频偏fd1；

根据所述卫星星历、用户终端位置获得用户链路星地相对径向运动速度v2；

根据所述fc2和v2获得用户链路下行多普勒频偏fd2；

计算所述前向链路多普勒频偏fd_前向＝fd1+fd2。

在一个具体实施例中，获取所述返向链路多普勒频偏fd_返向包括：

根据所述卫星星历、用户终端位置获得用户链路星地相对径向运动速度v2；

根据所述fc3和v2获得用户链路上行多普勒频偏fd3；

根据所述卫星星历、信关站位置获得馈电链路星地相对径向运动速度v1；

根据fc4和v1获得馈电链路下行多普勒频偏fd4；

计算所述返向链路多普勒频偏fd_返向＝fd3+fd4。

在一个具体实施例中，所述返向链路晶振引起的频偏Δf_返向射频的计算公式如下式：

式中，Δf1为信关站发送信号频率和标准值偏差，Δf2为载荷前向链路发送信号频率和标准值偏差，Δf3为用户终端接收本振信号频率和标准值偏差，Δf4为用户终端发送信号频率和标准值偏差，Δf5为信关站接收信号频率和标准值偏差，Δf1+Δf2+Δf3为所述晶振引起的前向链路射频频偏Δf_前向射频，Δf1、Δf3、Δf4、Δf5在地面标定。

本发明的第二方面提供一种低轨卫星通信系统返向频偏校正系统，该系统包括：

信关站，用于发送单音信号和前向窄带控制信号；

卫星，用于转发所述单音信号和前向窄带控制信号给用户终端；

以及用户终端，用于实现如本发明第一方面所述的方法。

本发明的有益效果如下：

本发明在用户终端采用发送端频率预补偿的方式，从系统层面提出一种低轨卫星通信系统返向频偏估计及预补偿方法，以克服系统频差，减少信关站的运算压力，进一步提高返向信号质量和频率同步效果。返向链路在用户终端发送时对频偏预补偿，信关站不需要对每个用户终端进行接收频率估计，有利于大大减少信关站的运算量；在发端进行频率预补偿有利于节省频率同步前导开销；综合考虑了多普勒频偏及射频频偏，有利于提高返向链路解调门限。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出实施本发明的一个实施例的低轨卫星通信系统返向频偏校正方法的系统架构示意图。

图2示出本发明的一个实施例的低轨卫星通信系统返向频偏校正方法的流程图。

图3示出实施本发明的一个实施例的低轨卫星通信系统返向频偏校正方法的流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

图1示出了可以应用本发明的低轨卫星通信系统返向频偏校正方法的实施例的示例性系统架构。

如图1所示，系统架构可以包括信关站1、卫星2和用户终端3。信关站1的信号通过卫星2转发到达用户终端3构成低轨卫星通信系统的前向链路，为图1所示的实线箭头部分。用户终端3的信号通过卫星2转发到达信关站1构成低轨卫星通信系统的返向链路，为图1所示的虚线箭头部分。

需要说明的是，一个低轨卫星通信系统对应于多个用户终端3，本发明并不对用户终端3的个数进行限定。

实施例一

如图2所示，本发明的一个实施例提供了一种低轨卫星通信系统返向频偏校正方法，图3示出了实施本发明的一个实施例的低轨卫星通信系统返向频偏校正方法的流程图，在一个示例中，实现在图1的用户终端3中，包括以下步骤：

S100、接收来自信关站，并经卫星转发的单音信号，完成频率估计，获得前向总频偏Δf_前向。

在一个具体示例中，信关站同时发送单音信号及控制载波信号，单音信号及控制载波信号经无线传输给卫星，卫星又经无线传输给用户终端。在前向链路提供标准单音信号可以为用户终端提供基准参考。前向链路提供的窄带控制信号可以包括卫星星历、信关站位置、频率信息。

用户终端根据接收到的单音信号，可以跟踪整个前向链路的频差，估计出前向链路的总频偏Δf_前向，前向链路的总频偏Δf_前向用来补偿控制信号的频偏，保证控制信号能够正常解析。

S102、对接收到的由所述信关站发送并经所述卫星转发的前向窄带控制信号进行频率校正，完成解调，获得卫星星历、信关站位置、馈电链路上行频率fc1、用户链路下行频率fc2、用户链路上行频率fc3和馈电链路下行频率fc4。

在一个具体示例中，由单音信号估计得到的前向链路总频偏Δf_前向，用来对控制信号的频偏进行补偿，经过解调译码一系列处理后，解析出卫星星历、信关站位置、馈电链路上行频率fc1、用户链路下行频率fc2、用户链路上行频率fc3和馈电链路下行频率fc4。

S104、获取前向链路多普勒频偏fd_前向和返向链路多普勒频偏fd_返向。

在一个具体示例中，根据卫星星历信息、信关站位置、用户终端导航接收机提供的用户终端位置信息和时间信息可以获得馈电链路星地相对径向运动速度v1和用户链路星地相对径向运动速度v2；根据所述fc1和v1可以获得馈电链路上行多普勒频偏fd1，根据所述fc2和v2可以获得用户链路下行多普勒频偏fd2；根据所述fc3和v2获得用户链路上行多普勒频偏fd3，根据所述fc4和v1获得馈电链路下行多普勒频偏fd4，由此所述前向链路多普勒频偏fd_前向＝fd1+fd2，返向链路多普勒频偏fd_返向＝fd3+fd4。

S106、根据所述前向总频偏Δf_前向和所述前向链路多普勒频偏fd_前向，获得晶振引起的前向链路射频频偏Δf_前向射频＝Δf_前向-fd_前向。

在一个具体示例中，多普勒频偏包括卫星和信关站相对运动引起的多普勒频偏、卫星和用户终端相对运动引起的多普勒频偏，在前向链路中，这两种多普勒频偏的和即为上述前向链路多普勒频偏fd_前向，参考晶振精度偏差产生射频频偏的位置主要包括信关站、卫星载荷、用户终端等三处射频处理的变频模块，这三处射频处理的变频模块的和为前向总频偏Δf_前向减去前向链路多普勒频偏fd_前向，即晶振引起的前向链路射频频偏Δf_前向射频＝Δf_前向-fd_前向。

S108、根据所述Δf_前向射频、fc1、fc2、fc3、fc4，计算晶振引起的返向链路射频频偏Δf_返向射频。

在一个具体示例中，馈电链路频率包括馈电链路上行频率fc1和馈电链路下行频率fc4；用户链路频率包括用户链路下行频率fc2和用户链路上行频率fc3。

所述晶振引起的返向链路射频频偏Δf_返向射频的计算公式如下式：

式中，Δf_返向射频的计算公式中的“≈”指的是公式右边的值在一定误差范围内，都认为是约等于的含义，Δf1为信关站发送信号频率和标准值偏差，Δf2为载荷前向链路发送信号频率和标准值偏差，Δf3为用户终端接收本振信号频率和标准值偏差，Δf1+Δf2+Δf3的值即为前向链路晶振引起的频偏Δf_前向射频，Δf1、Δf3、Δf₄、Δf₅在地面可标定，Δf2由Δf_前向射频减去Δf1和Δf3的值计算得到。

S110、获得返向链路预校正频偏值Δf_返向＝fd_返向+Δf_返向射频，用户终端对发送的信号按照Δf_返向进行实时频率预矫正后，经过所述卫星转发，并发送至所述信关站。

在一个具体示例中，由上面所述步骤得到返向链路多普勒频偏fd_返向和返向链路晶振引起的合成频偏Δf_返向射频后，可以计算出返向链路预校正频偏值Δf_返向＝fd_返向+Δf_返向射频，返向链路在用户终端发送时对频偏预补偿，经过所述卫星转发，并发送至所述信关站，信关站不需要对每个用户终端进行接收频率估计。

本发明针对目前现有的问题，制定一种低轨卫星通信系统返向频偏校正方法，能够克服系统频差，减少信关站的运算压力，进一步提高返向信号质量和频率同步效果。返向链路在用户终端发送时对频偏预补偿，信关站不需要对每个用户终端进行接收频率估计，有利于大大减少信关站的运算量；在发端进行频率预补偿有利于节省频率同步前导开销；综合考虑了多普勒频偏及射频频偏，有利于提高返向链路解调门限。

实施例二

本发明的一个实施例还提供一种低轨卫星通信系统返向频偏校正系统，包括：

信关站，用于发送单音信号和前向窄带控制信号；

卫星，用于转发所述单音信号和前向窄带控制信号给用户终端；

以及用户终端，用于实现如本发明实施例一所述的方法。

本发明针对目前现有的问题，制定一种低轨卫星通信系统返向频偏校正系统，能够克服系统频差，减少信关站的运算压力，进一步提高返向信号质量和频率同步效果。返向链路在用户终端发送时对频偏预补偿，信关站不需要对每个用户终端进行接收频率估计，有利于大大减少信关站的运算量；在发端进行频率预补偿有利于节省频率同步前导开销；综合考虑了多普勒频偏及射频频偏，有利于提高返向链路解调门限。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (4)

1.一种低轨卫星通信系统返向频偏校正方法，由用户终端执行，其特征在于，该方法包括：

S100、接收来自信关站，并经卫星转发的单音信号，完成频率估计，获得前向总频偏Δf_前向；

S102、对接收到的由所述信关站发送并经所述卫星转发的前向窄带控制信号进行频率校正，完成解调，获得卫星星历、信关站位置、馈电链路上行频率fc1、用户链路下行频率fc2、用户链路上行频率fc3和馈电链路下行频率fc4；

S104、获取前向链路多普勒频偏fd_前向和返向链路多普勒频偏fd_返向；

S106、根据所述前向总频偏Δf_前向和所述前向链路多普勒频偏fd_前向，获得晶振引起的前向链路射频频偏Δf_前向射频＝Δf_前向-fd_前向；

S108、根据所述Δf_前向射频、fc1、fc2、fc3、fc4，计算晶振引起的返向链路射频频偏Δf_返向射频；其中，所述返向链路晶振引起的频偏Δf_返向射频的计算公式如下式：

其中Δf2＝Δf_前向射频-Δf1-Δf3

式中，Δf1为信关站发送信号频率和标准值偏差，Δf2为载荷前向链路发送信号频率和标准值偏差，Δf3为用户终端接收本振信号频率和标准值偏差，Δf4为用户终端发送信号频率和标准值偏差，Δf5为信关站接收信号频率和标准值偏差，Δf1+Δf2+Δf3为所述晶振引起的前向链路射频频偏Δf_前向射频，Δf1、Δf3、Δf4、Δf5在地面标定；

S110、获得返向链路预校正频偏值Δf_返向＝fd_返向+Δf_返向射频，用户终端对发送的信号按照Δf_返向进行实时频率预矫正后，经过所述卫星转发，并发送至所述信关站。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取所述前向链路多普勒频偏fd_前向包括：

根据所述卫星星历、信关站位置获得馈电链路星地相对径向运动速度v1；

根据所述fc1和v1获得馈电链路上行多普勒频偏fd1；

根据所述卫星星历、用户终端位置获得用户链路星地相对径向运动速度v2；

根据所述fc2和v2获得用户链路下行多普勒频偏fd2；

计算所述前向链路多普勒频偏fd_前向＝fd1+fd2。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取所述返向链路多普勒频偏fd_返向包括：

根据所述卫星星历、用户终端位置获得用户链路星地相对径向运动速度v2；

根据所述fc3和v2获得用户链路上行多普勒频偏fd3，

根据所述卫星星历、信关站位置获得馈电链路星地相对径向运动速度v1；

根据fc4和v1获得馈电链路下行多普勒频偏fd4；

计算所述返向链路多普勒频偏fd_返向＝fd3+fd4。

4.一种低轨卫星通信系统返向频偏校正系统，其特征在于，该系统包括：

信关站，用于发送单音信号和前向窄带控制信号；

卫星，用于转发所述单音信号和前向窄带控制信号给用户终端；

以及用户终端，用于实现如权利要求1-3中任一项所述的方法。

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