CN112468215B - 适应低轨卫星高动态环境的下行频率盲补偿方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适应低轨卫星高动态环境的下行频率盲补偿方法及系统，其中，该方法如下步骤：(1)基于星历信息中的平均移动速度，计算出卫星的轨道半径；(2)依据波束空间位置分布和步骤(1)中卫星的轨道半径，计算各类型波束几何中心点与卫星的距离，同时得到各类型波束几何中心与星地连线的夹角；(3)计算各类型波束的下行频率盲补偿频率；(4)在星上处理时，对每个波束的均增加下行频率盲补偿频率。本发明提高了地面终端与卫星进行频率同步的速度，降低了地面终端的处理复杂度，提升了低轨卫星星座系统的接入效率。

Description

适应低轨卫星高动态环境的下行频率盲补偿方法及系统
技术领域
本发明属于卫星通信技术领域，尤其涉及一种适应低轨卫星高动态环境的下行频率盲补偿方法及系统。
背景技术
由于LEO卫星的高动态特性，因此地面终端通过下行信道发现并同步卫星信号是星地通信建立的首要条件，是地面终端开机时首先要完成的任务。同样还是由于LEO卫星的高动态特性，用户链路下行信道的信号到达地面终端时，会产生较大的多普勒频移，使得地面终端首次同步卫星信号的过程变得漫长且复杂，极大的影响了用户体验。
现有的技术针对低轨移动卫星星座系统，已有成果中的下行多普勒频率补偿算法主要是基于接收端的后处理，而不是在发射端进行预补偿或盲补偿。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种适应低轨卫星高动态环境的下行频率盲补偿方法及系统，提高了地面终端与卫星进行频率同步的速度，降低了地面终端的处理复杂度，提升了低轨卫星星座系统的接入效率。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种适应低轨卫星高动态环境的下行频率盲补偿方法，所述方法包括如下步骤：(1)基于星历信息中的平均移动速度，计算出卫星的轨道半径；(2)依据波束空间位置分布和步骤(1)中卫星的轨道半径，计算各类型波束几何中心点与卫星的距离，同时得到各类型波束几何中心与星地连线的夹角；(3)计算各类型波束的下行频率盲补偿频率；(4)在星上处理时，对每个波束的均增加下行频率盲补偿频率。
上述适应低轨卫星高动态环境的下行频率盲补偿方法中，在步骤(1)中，卫星的轨道半径为：
Figure BDA0002781009550000021
其中，R为卫星轨道半径，μ＝3.986005×1014m3/s2为以地球为中心的引力常数，n0星历信息中的平均移动速度。
上述适应低轨卫星高动态环境的下行频率盲补偿方法中，在步骤(2)中，波束类型的划分是依据卫星波束排布图中每个波束几何中心点到星下点之间距离，距离相同的波束划分为同一类波束。
上述适应低轨卫星高动态环境的下行频率盲补偿方法中，波束类型共3类，将这3类波束定义为中心波束、内圈波束、外圈波束。
上述适应低轨卫星高动态环境的下行频率盲补偿方法中，在步骤(3)中，各类型波束的下行频率盲补偿频率为：
Figure BDA0002781009550000022
其中，G＝6.67259×10-11Nm2/kg2为万有引力常数，M＝5.965×1024kg为地球质量，R为卫星的轨道半径，c＝3×108m/s为光速，f为通信频率，fi为各类型波束的下行频率盲补偿频率，i为波束的类型。
上述适应低轨卫星高动态环境的下行频率盲补偿方法中，中心波束几何中心距离卫星1114.5km，内圈波束几何中心距离卫星1491.3km，外圈波束结合中心距离卫星2231.7km。
上述适应低轨卫星高动态环境的下行频率盲补偿方法中，卫星的轨道半径为7448km。
一种适应低轨卫星高动态环境的下行频率盲补偿系统，包括：第一模块，用于基于星历信息中的平均移动速度，计算出卫星的轨道半径；第二模块，用于依据波束空间位置分布和卫星的轨道半径，计算各类型波束几何中心点与卫星的距离，同时得到各类型波束几何中心与星地连线的夹角；第三模块，用于计算各类型波束的下行频率盲补偿频率；第四模块，用于在星上处理时，对每个波束的均增加下行频率盲补偿频率。
上述适应低轨卫星高动态环境的下行频率盲补偿系统中，卫星的轨道半径为：
Figure BDA0002781009550000031
其中，R为卫星轨道半径，μ＝3.986005×1014m3/s2为以地球为中心的引力常数，n0星历信息中的平均移动速度。
上述适应低轨卫星高动态环境的下行频率盲补偿系统中，波束类型的划分是依据卫星波束排布图中每个波束几何中心点到星下点之间距离，距离相同的波束划分为同一类波束。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
本发明基于每个类型的波束的空间位置分布信息、星历信息中的平均移动速度信息，分析星上每个类型的波束应该盲补偿的频率大小，然后在星上处理中进行补偿的方法，该方法可以有效的提高地面终端与卫星进行频率同步的速度，降低地面终端的处理复杂度，提升低轨卫星星座系统的接入效率。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例下行多波束低轨卫星星座系统的典型链路的示意图；
图2为本发明实施例卫星波束排布的示意图；
图3为本发明实施例波束几何中心与卫星的距离的示意图；
图4为本发明实施例卫星处于不同位置时波束几何中心与星地连线夹角示意图；
图5为本发明实施例下行频率盲补偿处理框图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
具有下行多波束的低轨卫星星座系统的典型链路如图1所示，采用星上处理转发的方式，其中用户上下行链路均为多波束信号，是一种点对多点通信。该系统的一般特点是没有下行信标信号，也没有全覆盖的广播信号，仅有每个波束内的广播信号，因此简化了卫星星上的处理，但相应的增加了星地频率同步的难度，使地面终端变得复杂。
为了进一步提高地面终端与卫星进行频率同步的速度，降低地面终端的处理复杂度，提升低轨卫星星座系统的接入效率，本专利中设计的下行频率盲补偿方法，包括四个步骤：
(1)基于星历信息中的平均移动速度，计算出卫星的轨道半径；
(2)依据波束空间位置分布，和步骤(1)中计算出的轨道半径，计算不同类型的波束几何中心点与卫星的距离，同时可以得到各类型波束几何中心与星地连线的夹角。所述波束类型的划分是依据卫星波束排布图中每个波束几何中心点到星下点之间距离，距离相同的波束划分为同一类波束。
(3)计算各类波束的下行频率盲补偿大小。
(4)根据频率大小，在星上处理时，对每个波束的处理中均增加频偏盲补偿模块。
以下内容中，各个参数都给出了具体数值作为示例。
(1)轨道半径计算
星历信息中的平均移动速度：以n0＝13.5转/天为例，则依据公式1计算卫星轨道半径：
Figure BDA0002781009550000051
其中，R为卫星轨道半径，μ＝3.986005×1014m3/s2为以地球为中心的引力常数，n0星历信息中的平均移动速度。可以计算得R＝7448km，则卫星轨道据地面高度为1070km。
(2)波束几何中心点与卫星的距离计算
以单星52个波束为例，如图2所示，分为3圈，因此该例中波束类型共3类，现将这3类波束定义为中心波束、内圈波束、外圈波束；
卫星的中心波束、内圈波束、外圈波束的几何中心与卫星的距离，可用简单的几何方法计算出来，这里直接给出结果，如图3所示，中心波束几何中心距离卫星1114.5km，内圈波束几何中心距离卫星1491.3km，外圈波束结合中心距离卫星2231.7km；
各类型波束几何中心与星地连线的夹角也可用简单的几何方法计算，为：θ1＝15°、θ2＝40°、θ3＝53.5°，如图4所示。
(3)下行频率盲补偿大小计算
各个波束下行频率盲补偿大小可以按照公式2计算：
Figure BDA0002781009550000052
其中，G＝6.67259×10-11Nm2/kg2为万有引力常数，M＝5.965×1024kg为地球质量，R为卫星轨道半径，c＝3×108m/s为光速，f为通信频率，这里取L频段频率，i＝1,2,3。
则可计算得到：f1＝10.56kHz、f2＝26.24kHz、f3＝32.81kHz，
盲补偿后地面终端需处理的频偏对比如下表：
表1下行频率盲补偿前后的对比
Figure BDA0002781009550000053
Figure BDA0002781009550000061
(4)星上盲补偿处理
在按照以上方法获得了所有波束的下行频率盲补偿值后，将其实现于星上处理器中，进行补偿频率生成，就可以实现下行频率盲补偿处理，处理过程如图5所示，原始波束信号经过与产生的频率生成信号进行相乘，得到补偿后的信号。
本实施例还提供了一种适应低轨卫星高动态环境的下行频率盲补偿系统，包括：第一模块，用于基于星历信息中的平均移动速度，计算出卫星的轨道半径；第二模块，用于依据波束空间位置分布和卫星的轨道半径，计算各类型波束几何中心点与卫星的距离，同时得到各类型波束几何中心与星地连线的夹角；第三模块，用于计算各类型波束的下行频率盲补偿频率；第四模块，用于在星上处理时，对每个波束的均增加下行频率盲补偿频率。
上述实施中，卫星的轨道半径为：
Figure BDA0002781009550000062
其中，R为卫星轨道半径，μ＝3.986005×1014m3/s2为以地球为中心的引力常数，n0星历信息中的平均移动速度。
上述实施中，波束类型的划分是依据卫星波束排布图中每个波束几何中心点到星下点之间距离，距离相同的波束划分为同一类波束。
本发明基于每个类型的波束的空间位置分布信息、星历信息中的平均移动速度信息，分析星上每个类型的波束应该盲补偿的频率大小，然后在星上处理中进行补偿的方法，该方法可以有效的提高地面终端与卫星进行频率同步的速度，降低地面终端的处理复杂度，提升低轨卫星星座系统的接入效率。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种适应低轨卫星高动态环境的下行频率盲补偿方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)基于星历信息中的平均移动速度，计算出卫星的轨道半径；
(2)依据波束空间位置分布和步骤(1)中卫星的轨道半径，计算各类型波束几何中心点与卫星的距离，同时得到各类型波束几何中心与星地连线的夹角；其中，在步骤(2)中，波束类型的划分是依据卫星波束排布图中每个波束几何中心点到星下点之间距离，距离相同的波束划分为同一类波束；波束类型共3类，将这3类波束定义为中心波束、内圈波束、外圈波束；
(3)计算各类型波束的下行频率盲补偿频率；其中，在步骤(3)中，各类型波束的下行频率盲补偿频率为：
Figure FDA0003773694110000011
其中，G＝6.67259×10-11Nm2/kg2为万有引力常数，M＝5.965×1024kg为地球质量，R为卫星的轨道半径，c＝3×108m/s为光速，f为通信频率，fi为各类型波束的下行频率盲补偿频率，i为波束的类型；
(4)在星上处理时，对每个波束均增加下行频率盲补偿频率。
2.根据权利要求1所述的适应低轨卫星高动态环境的下行频率盲补偿方法，其特征在于：在步骤(1)中，卫星的轨道半径为：
Figure FDA0003773694110000012
其中，R为卫星轨道半径，μ＝3.986005×1014m3/s2为以地球为中心的引力常数，n0星历信息中的平均移动速度。
3.根据权利要求1所述的适应低轨卫星高动态环境的下行频率盲补偿方法，其特征在于：中心波束几何中心距离卫星1114.5km，内圈波束几何中心距离卫星1491.3km，外圈波束结合中心距离卫星2231.7km。
4.根据权利要求1所述的适应低轨卫星高动态环境的下行频率盲补偿方法，其特征在于：卫星的轨道半径为7448km。
5.一种适应低轨卫星高动态环境的下行频率盲补偿系统，其特征在于包括：
第一模块，用于基于星历信息中的平均移动速度，计算出卫星的轨道半径；
第二模块，用于依据波束空间位置分布和卫星的轨道半径，计算各类型波束几何中心点与卫星的距离，同时得到各类型波束几何中心与星地连线的夹角；其中，波束类型的划分是依据卫星波束排布图中每个波束几何中心点到星下点之间距离，距离相同的波束划分为同一类波束；波束类型共3类，将这3类波束定义为中心波束、内圈波束、外圈波束；
第三模块，用于计算各类型波束的下行频率盲补偿频率；其中，各类型波束的下行频率盲补偿频率为：
Figure FDA0003773694110000021
其中，G＝6.67259×10-11Nm2/kg2为万有引力常数，M＝5.965×1024kg为地球质量，R为卫星的轨道半径，c＝3×108m/s为光速，f为通信频率，fi为各类型波束的下行频率盲补偿频率，i为波束的类型；
第四模块，用于在星上处理时，对每个波束均增加下行频率盲补偿频率。
6.根据权利要求5所述的适应低轨卫星高动态环境的下行频率盲补偿系统，其特征在于：卫星的轨道半径为：
Figure FDA0003773694110000022
其中，R为卫星轨道半径，μ＝3.986005×1014m3/s2为以地球为中心的引力常数，n0星历信息中的平均移动速度。
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