CN112051543A - 低轨卫星移动通信地面终端无源定位系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种低轨卫星移动通信地面终端无源定位系统，旨在提供一种能够减少定位站数量，降低地面终端复杂度的无源定位系统。本发明通过下述技术方案实现，频率信息提取模块接收卫星下行网控信号，实时获取给通信终端分配的通信频率；频率信息提取模块与信号频率测量模块同时将获取的分配通信频率和实际频率送入多普勒频移估计模块，估计通信终端相对卫星的多普勒频移；目标位置分布曲线计算模块根据多普勒频移和星历预测模块送来的卫星星历，解算出的通信终端位置分布曲线；定位解算模块利用干涉仪测向模块对通信终端发射信号进行无源测向获得通信终端相对定位站的方位信息的示向线和通信终端位置分布曲线，求解通信终端位置得到无源定位结果。

Description

低轨卫星移动通信地面终端无源定位系统
技术领域
本发明涉及一种主要用于地面通信终端的无源定位系统。更具体地说，是一种基于低轨卫星移动通信系统地面通信终端多普勒频移预补偿机制、利用单站进行的快速无源定位系统。
背景技术
低轨道小卫星(LE0)通信系统，属于卫星移动通信系统，采用多颗低轨道小卫星覆盖进行通信业务的范围。低轨道卫星移动通信是利用运行轨道比地球同步轨道低得多的一组卫星，实现移动用户之间或移动用户与固定用户之间的通信。低轨卫星移动通信系统主要由卫星星座、地面关口站、系统控制中心、网络控制中心和用户单元组成。
低轨道卫星的轨道高度低，运行周期短，相对于地球的高速运动造成了通信中大范围快速时变的多普勒频移，其仰角的变化直接关系到信号的多径和遮蔽效应，另外不同的通信环境信号的衰落特性也有所不同。与其它通信信道相比，移动信道因为时变的缘故而更加复杂。无线电信号通过移动信道时会遭受到来自不同途径的衰减损害。由于卫星运动使信号产生很大的多普勒频移，再加上卫星空间传播过程中的种种其他干扰，使系统工作于时变衰落信道。低轨卫星移动通信系统为了充分利用信道带宽资源，系统统一对信道资源进行动态分配，在地面终端业务申请阶段通过网控信号指定通信终端工作频率。
在低轨卫星移动通信系统中，低轨卫星平台对地的相对高速运动，在卫星和地面终端之间的发射信号和接收到的信号之间会存在多普勒频移，接收机需要使用宽带滤波器,由此引入了大量噪声,降低了系统性能,为保证可靠通信,必须进行补偿和消除。多普勒频移是因为通信中的收发双方存在相对运动引起的。卫星移动通信系统中卫星对地高速运动,因此有较大范围的多普勒频移。前向广播信道中的多普勒频移高达几十至几百千赫兹,而且是时变的,传统的扫频捕获方式速率较慢,不易捕获广播信道,因此系统设计时必须考虑多普勒频移补偿。多普勒频移与载波频率成正比,适当降低工作频率可以减小多普勒频移,但较低的工作频段可用带宽少,受地面干扰严重,而且这种方法不能提高频带利用率,是不可取的。卫星与地面基站和卫星与移动终端之间产生的过大的多普勒频移会造成严重的解调错误，产生误码，影响通信质量。卫星通信系统中多普勒频移是影响载波频率的主要原因。消除多普勒频移的影响也成为载波同步的主要目标。解决该问题主要的方法有：由PARon—cagliolo等提出的信号捕获方法与锁相环相结合的方法完成频率同步，即使用锁频环对信号频率进行大范围的捕获，然后再将捕获成功的信号利用锁相环进行精确跟踪。但该方法如果遇到星地之间高速相对运动或极低信噪比的情况，会对硬件环路造成压力，严重的情况会造成失锁，捕获跟踪失败，影响整个同步过程。而另一种同步思想是QingchongLiu等提出的，通过移动终端发射2 个导频信号到基站，基站通过统计接收到的信号频率之差来估计多普勒频移，再通过频率补偿的方法，缩小收发双方的频率误差，以达到收发双方的频率同步。但由于受到传输过程中多普勒频移对用户链路和馈线链路上载波频率的影响，从而影响了多普勒频移估计值，影响频率同步的精度。信号通过终端发送到卫星接收的过程中产生的多普勒频率；信号通过卫星转发到基站接收过程中在馈线链路上产生的多普勒频移；馈线链路产生的多普勒频移会影响对信号载波频率的估计，使得估计值偏差增大。而且随着卫星通信越来越广泛地被使用，用户数量越来越多，如果每个移动终端都通过发送请求信息，经基站处理后再将多普勒中值信息发送给移动终端，无疑加重了基站的负担，对基站的负荷量要求也越来越高。目前为了避免不同位置通信终端发射信号的多普勒频移造成相邻信道之间由于干扰，低轨卫星移动通信系统采用了一种通信终端工作频率“多普勒频移预补偿”的工作方式，即通信终端根据与卫星之间的多普勒频率预计，对发射信号的频率进行反方向的多普率频移预补偿，使得卫星平台接收到的通信终端信号频率为标称的分配频率而避免频率冲突。
随着移动通信需求的急剧增长以及低轨卫星通信系统正在蓬勃发展并大量应用，对地面通信终端无源定位的需求也越来越多。由于低轨卫星移动通信系统通信终端发射信号频率变化的特点，基于卫星或飞机的单平台测多普勒变化率定位的方法不能适用。基于双星或双机平台的时频差定位方法可对移动通信终端信号定位，但多平台的定位系统相对复杂，平台之间需要数据传输链路及高精度的时频统一基准，实现代价较大。单星或单机平台多次测向交汇的方法也可对移动通信终端信号定位，但需要一定的收敛时间，不能实现快速定位。因此，本发明提出的低轨卫星移动通信系统地面终端无源定位系统对地面终端的监视具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是针对低轨卫星移动通信系统地面终端的定位技术存在的不足之处，提供一种能够减少定位站的数量，降低地面终端无源定位系统复杂度的低轨卫星移动通信地面终端无源定位系统。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种低轨卫星移动通信地面终端无源定位系统，包括，连接目标位置分布曲线计算模块的星历预测模块，与多普勒频移估计模块相连的频率信息提取模块和信号频率测量模块，与定位解算模块相连的干涉仪测向模块，其特征在于：频率信息提取模块接收卫星下行网控信号，利用非协同信号处理、协议分析通信终端分配信息，实时获取给通信终端分配的通信频率；信号频率测量模块接收通信终端上行信号，测量获取通信终端发射信号的实际频率，频率信息提取模块与信号频率测量模块同时将上述获取的分配通信频率和实际频率送入多普勒频移估计模块，多普勒频移估计模块利用实际频率与分配频率的差来估计获得通信终端相对卫星的多普勒频移；目标位置分布曲线计算模块基于多普勒频移估计模块估计获得的多普勒频移，根据星历预测模块送来的卫星星历，进行满足多普勒频移条件的目标位置分布曲线计算，将解算出的通信终端可能位置分布曲线送入定位解算模块；定位解算模块利用干涉仪测向模块对通信终端发射信号进行无源测向获得的通信终端相对定位站的方位信息的示向线和通信终端位置分布曲线，求解通信终端位置，得到通信地面终端无源定位结果。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
本发明充分利用了低轨卫星移动通信系统体制特点，基于低轨卫星通信系统“多普勒频移预补偿”机制与网控信令解析方式，获取多普率频移信息。采用定位站频率信息提取模块接收卫星下行网控信号，利用非协同信号处理、协议分析通信终端分配信息，实时获取给通信终端分配的通信频率；信号频率测量模块接收通信终端上行信号，通过频率测量获取通信终端发射信号的实际频率；频率信息提取模块和信号频率测量模块分别将通信终端分配信息及测量的实际频率送入多普勒频移估计模块，多普勒频移估计模利用实际频率与分配频率的差来估计获得通信终端相对卫星的多普勒频移。此种获取多普率频移的方法可以避开馈线链路和星上转换误差对多普勒估计值的影响，提高多普勒频移估计精度，当馈线链路载波频率变大的情况下，计算出的多普勒频移精度也就越高。
本发明利用了低轨卫星通信系统自身特点，通过网控信号指定通信终端工作频率、通信终端对发射信号频率进行反方向多普率频移预补偿这一特点，通过获取补偿频率信息，反推地面通信终端与卫星的位置关系而定位。采用星历预测模块实时获取卫星信号进行卫星星历预测，得到卫星位置信息和速度向量；采用基于多普勒频移的目标位置分布曲线计算模块，根据星历预测模块获取的卫星星历和多普勒频移估计模块估计获得的通信终端相对卫星的多普勒频移进行满足多普勒频移条件的目标位置分布曲线计算，解算出通信终端可能位置分布曲线；采用干涉仪测向模块利用干涉仪测向方法对通信终端发射信号进行无源测向，获取通信终端相对定位站的方位信息的示向线；定位解算模块根据获取的可能位置分布曲线和示向线，求解通信终端位置，得到通信地面终端无源定位结果。相比以往双星或双机时频差定位方法，减少了定位站的数量，降低了系统复杂度，相比单星或单机平台多次测向交汇的方法缩短了定位时间。
附图说明
为了进一步说明而不是限制本发明的上述实现方式，下面结合附图给出最佳实施例，从而使本发明的细节和优点变得更为明显。
图1是低轨卫星移动通信系统地面终端无源定位系统的原理示意图。
图2是满足多普勒频移的通信终端可能位置分布曲线示意图。
具体实施方式
参阅图1-图2。在以下描述的低轨卫星移动通信系统地面终端的定位技术的实施例中，一种低轨卫星移动通信地面终端无源定位系统，包括，连接目标位置分布曲线计算模块的星历预测模块，与多普勒频移估计模块相连的频率信息提取模块和信号频率测量模块，与定位解算模块相连的干涉仪测向模块，星历预测模块实时获取卫星广播的星历信号，获得卫星位置信息和速度向量；频率信息提取模块接收卫星下行网控信号，利用非协同信号处理、协议分析通信终端分配信息，实时获取给通信终端分配的通信频率；信号频率测量模块接收通信终端上行信号，测量获取通信终端发射信号的实际频率，频率信息提取模块与信号频率测量模块同时将上述获取的分配通信频率和实际频率送入多普勒频移估计模块，多普勒频移估计模块利用实际频率与分配频率的差来估计获得通信终端相对卫星的多普勒频移；目标位置分布曲线计算模块基于多普勒频移估计模块估计获得的多普勒频移，根据星历预测模块送来的卫星星历，进行满足多普勒频移条件的目标位置分布曲线计算，将解算出的通信终端可能位置分布曲线送入定位解算模块；定位解算模块利用干涉仪测向模块对通信终端发射信号进行无源测向获得的通信终端相对定位站的方位信息的示向线和通信终端位置分布曲线，求解通信终端位置，得到通信地面终端无源定位结果。
干涉仪测向模块根据接收通信终端上行信号，对通信终端发射信号进行无源测向，获得通信终端相对定位站的方位信息的示向线，将所述示向线送入定位解算模块。
在可选的实施例中，星历预测模块根据工作场景进行卫星星历预测，实时获取卫星星历信号。星历预测模块实时获取卫星信号进行卫星星历预测，得到卫星位置信息和速度向量。
定位站通过星历预测模块获得的卫星星历获取卫星的地心地固坐标系的空间位置 (xs,ys,zs)，以及速度向量(vx,vy,vz)，接收处理下行信号，解析网控信号，获取通信终端临时身份识别码及通信频率分配信息，通过频率映射表，得到分配给通信终端通信发射工作频率fA；信号频率测量模块接收处理通信终端上行信号，完成通信终端发射信号频率测量，获得通信终端实际发射频率fM。
多普勒频移估计模块根据通信终端通信发射工作频率fA和通信终端实际发射频率fM，通过通信终端补偿机制，获得通信终端相对卫星的多普勒频移fd＝fA-fM。
目标位置分布曲线计算模块根据地心地固坐标系的空间位置坐标(xs,ys,zs)、速度向量坐标(vx,vy,vz)和通信终端通信发射工作频率fA，计算满足卫星多普勒频移fd与地面终端的位置(xT,yT,zT)分布曲线：
Figure BDA0002657020470000051
式中,C为光速，R为地球半径。
干涉仪测向模块接收通信终端上行信号，对通信终端发射信号进行无源测向，完成无源测向，获得通信终端位置坐标(xP,yP,zP)的方位角θ和俯仰角
Figure BDA0002657020470000053
的坐标
Figure BDA0002657020470000054
定位解算模块利用干涉仪测向模块获得的通信终端相对定位站(xP,yP,zP)的方位信息的示向线、满足卫星多普勒频移fd与地面终端的位置(xT,yT,zT)分布曲线，
Figure BDA0002657020470000052
求解通信终端位置，得到通信地面终端无源定位结果。
以上结合附图对本发明进行了详细描述，但需要指出的是，上述实例所描述的是仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，比如针对的定位站平台，可以是实例以外的其他慢速运动或固定平台；在信号测向时，可以采用实例以外的其他无源测向方法或者是直接应用其他渠道获取的方向信息。在星历获取时，可以采用实例以外的直接应用其他渠道获得的实时星历。在建立坐标系时，可以采用实例以外的其他坐标系。在计算求解时，可以采用实例以外的其他计算方法。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种低轨卫星移动通信地面终端无源定位系统，包括，连接目标位置分布曲线计算模块的星历预测模块，与多普勒频移估计模块相连的频率信息提取模块和信号频率测量模块，与定位解算模块相连的干涉仪测向模块，其特征在于：星历预测模块实时获取卫星广播的星历信号，获得卫星位置信息和速度向量；频率信息提取模块接收卫星下行网控信号，利用非协同信号处理、协议分析通信终端分配信息，实时获取给通信终端分配的通信频率；信号频率测量模块接收通信终端上行信号，测量获取通信终端发射信号的实际频率，频率信息提取模块与信号频率测量模块同时将上述获取的分配通信频率和实际频率送入多普勒频移估计模块，多普勒频移估计模块利用实际频率与分配频率的差来估计获得通信终端相对卫星的多普勒频移；目标位置分布曲线计算模块基于多普勒频移估计模块估计获得的多普勒频移，根据星历预测模块送来的卫星星历，进行满足多普勒频移条件的目标位置分布曲线计算，将解算出的通信终端可能位置分布曲线送入定位解算模块；定位解算模块利用干涉仪测向模块对通信终端发射信号进行无源测向获得的通信终端相对定位站的方位信息的示向线和通信终端位置分布曲线，求解通信终端位置，得到通信地面终端无源定位结果。
2.如权利要求1所述的低轨卫星移动通信地面终端无源定位系统，其特征在于：干涉仪测向模块根据接收通信终端上行信号，对通信终端发射信号进行无源测向，获得通信终端相对定位站的方位信息的示向线，将所述示向线送入定位解算模块。
3.如权利要求1所述的低轨卫星移动通信地面终端无源定位系统，其特征在于：星历预测模块根据工作场景进行卫星星历预测，实时获取卫星星历信号，进行卫星星历预测得到卫星位置信息和速度向量。
4.如权利要求1所述的低轨卫星移动通信地面终端无源定位系统，其特征在于：定位站通过星历预测模块获得的卫星星历获取卫星的地心地固坐标系的空间位置(xs,ys,zs)，以及速度向量(vx,vy,vz)，接收处理下行信号，解析网控信号，获取通信终端临时身份识别码及通信频率分配信息，通过频率映射表，得到分配给通信终端通信发射工作频率fA。
5.如权利要求1所述的低轨卫星移动通信地面终端无源定位系统，其特征在于：信号频率测量模块接收处理通信终端上行信号，完成通信终端发射信号频率测量，获得通信终端实际发射频率fM。
6.如权利要求1所述的低轨卫星移动通信地面终端无源定位系统，其特征在于：多普勒频移估计模块根据通信终端通信发射工作频率fA和通信终端实际发射频率fM，通过通信终端补偿机制，获得通信终端相对卫星的多普勒频移fd＝fA-fM。
7.如权利要求1所述的低轨卫星移动通信地面终端无源定位系统，其特征在于：目标位置分布曲线计算模块根据地心地固坐标系的空间位置坐标(xs,ys,zs)、速度向量坐标(vx,vy,vz)和通信终端通信发射工作频率fA，计算满足卫星多普勒频移fd与地面终端的位置(xT,yT,zT)分布曲线：
Figure FDA0002657020460000021
式中,C为光速，R为地球半径。
8.如权利要求1所述的低轨卫星移动通信地面终端无源定位系统，其特征在于：干涉仪测向模块接收通信终端上行信号，对通信终端发射信号进行无源测向，完成无源测向，获得通信终端位置相对于坐标为(xP,yP,zP)的定位站的方位角θ和俯仰角
Figure FDA0002657020460000023
的坐标
Figure FDA0002657020460000024
9.如权利要求8所述的低轨卫星移动通信地面终端无源定位系统，其特征在于：定位解算模块利用干涉仪测向模块获得的通信终端相对定位站(xP,yP,zP)的方位信息的示向线、满足卫星多普勒频移fd与地面终端的位置(xT,yT,zT)分布曲线，
Figure FDA0002657020460000022
求解通信终端位置，得到通信地面终端无源定位结果。
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