CN112540388B - 一种卫星通信模组及其上行信号多普勒补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星通信模组及其上行信号多普勒补偿方法，该方法包括：对接收机的时钟进行校准，跟踪对应的卫星下行信号；获取卫星下行信号所对应的下行多普勒频偏并以此计算第一相对速度值，持续跟踪该卫星下行信号并获取更新后的卫星时钟偏差和第一相对速度值，利用第一速度值、第二速度值和第一相对速度值计算第二相对速度值，以获取上行信号所对应的上行多普勒频偏预估值，依据卫星时钟偏差、模组时钟偏差、下行多普勒频偏和上行多普勒频偏预估值计算得到上行信号的多普勒补偿值，以实现该模组上行信号的多普勒补偿。

Description

一种卫星通信模组及其上行信号多普勒补偿方法

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，更具体地，涉及一种卫星通信模组及其上行信号多普勒补偿方法。

背景技术

在卫星通信系统中，卫星以数十km/s的相对速度围绕地球运动，卫星与地面终端之间必定会产生较大的多普勒频移，而较大的多普勒频偏对接收机提出较高的要求，传统的做法就是加大接收机的多普勒捕获范围，但该方法会影响系统其他性能(如增加系统复杂性、延长捕获时间)，并会增加硬件成本。另外一种方法就是对多普勒频移进行估计，并根据估计结果进行多普勒的补偿或消除，但采用的多普勒预估的方法也存在计算量大，实时性差的缺点。

在卫星通信系统中，无论是卫星端接收机还是地面端接收机对通信信号的捕获和跟踪性能直接关系到整个系统工作性能，且严重影响数据的收发和信息的时效性、正确性，而在捕获和跟踪过程中，卫星和地面设备之间的多普勒效应是必须要考虑的问题，而行云卫星系统要求卫星通信模组满足系统上行信号多普勒补偿精度±100Hz的指标要求，因而对卫星通信模组的精度提出了更高的要求。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种卫星通信模组及其上行信号多普勒补偿方法，旨在解决卫星通信模组的精度问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种卫星通信模组的上行信号多普勒补偿方法，该方法包括：

获取卫星通信模组的接收机所对应的时钟偏差并进行校准，依据预设需求对卫星信号进行捕获和跟踪，以跟踪对应的卫星下行信号；

获取卫星下行信号所对应的下行多普勒频偏，并以此计算第一相对速度值，第一相对速度值为卫星下行信号对应的卫星与卫星通信模组之间的速度差值；持续跟踪该卫星下行信号并获取更新后的卫星时钟偏差和第一相对速度值，卫星时钟偏差为卫星下行信号对应的卫星与卫星通信模组之间的时钟偏差；

获取第一速度值和第二速度值，第一速度值和第二速度值分别为第一相对速度值更新时刻和上行信号发射时刻卫星通信模组的速度值；利用第一速度值、第二速度值和第一相对速度值计算第二相对速度值，第二相对速度值为上行信号发射时刻卫星和卫星通信模组之间的速度差值，并将第二相对速度值转换为上行信号所对应的上行多普勒频偏预估值；

依据卫星时钟偏差、模组时钟偏差、下行多普勒频偏和上行多普勒频偏预估值计算得到上行信号的多普勒补偿值，以实现该模组上行信号的多普勒补偿。

作为本发明的进一步改进，下行多普勒频偏通过计算卫星通信模组的跟踪环路输出的载波频率与卫星下行信号的基准频率之间的差值得到。

作为本发明的进一步改进，接收机为GPS/BDS接收机，通过配置接收机的1pps输入接口，在接收机正常定位的情况下，以1pps为基准进行卫星通信模组的时钟偏差校准，并根据载波NCO原理调整所述卫星通信模组上行发射频率的载波频率字。

作为本发明的进一步改进，卫星下行信号的捕获过程包括：

根据不同编号卫星扩频码初始相位的不同进行可见卫星的搜索，或者通过预测卫星过顶时间对特定卫星进行信号捕获和跟踪。

作为本发明的进一步改进，获取卫星下行信号所对应的下行多普勒频偏包括：

利用卫星通信模组的跟踪环路输出的载波频率与卫星下行信号基准频率之间的差值计算下行多普勒频偏。

作为本发明的进一步改进，对计算出的下行多普勒频偏进行αβγ滤波后的值作为卫星下行信号所对应的下行多普勒频偏。

为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种卫星通信模组，其包括：

校准和信号捕获模块，用于获取卫星通信模组的接收机所对应的时钟偏差并进行校准，依据预设需求对卫星信号进行捕获和跟踪，以跟踪对应的卫星下行信号；

下行多普勒频偏获取模块，用于获取卫星下行信号所对应的下行多普勒频偏，并以此计算第一相对速度值，第一相对速度值为卫星下行信号对应的卫星与卫星通信模组之间的速度差值；还用于持续跟踪该卫星下行信号并获取更新后的卫星时钟偏差和第一相对速度值，卫星时钟偏差为卫星下行信号对应的卫星与卫星通信模组之间的时钟偏差；

上行多普勒频偏预估模块，用于获取第一速度值和第二速度值，第一速度值和第二速度值分别为第一相对速度值更新时刻和上行信号发射时刻卫星通信模组的速度值；利用第一速度值、第二速度值和第一相对速度值计算第二相对速度值，第二相对速度值为上行信号发射时刻卫星和卫星通信模组之间的速度差值，并将第二相对速度值转换为上行信号所对应的上行多普勒频偏预估值；

多普勒补偿模块，用于依据卫星时钟偏差、模组时钟偏差、下行多普勒频偏和上行多普勒频偏预估值计算得到上行信号的多普勒补偿值，以实现该模组上行信号的多普勒补偿。

作为本发明的进一步改进，下行多普勒频偏通过计算卫星通信模组的跟踪环路输出的载波频率与卫星下行信号的基准频率之间的差值得到。

作为本发明的进一步改进，接收机为GPS/BDS接收机，通过配置接收机的1pps输入接口，在接收机正常定位的情况下，以1pps为基准进行卫星通信模组的时钟偏差校准，并根据载波NCO原理调整所述卫星通信模组上行发射频率的载波频率字。

作为本发明的进一步改进，卫星下行信号的捕获过程包括：

根据不同编号卫星扩频码初始相位的不同进行可见卫星的搜索，或者通过预测卫星过顶时间对特定卫星进行信号捕获和跟踪。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明提供的一种卫星通信模组及其上行信号多普勒补偿方法，其通过充分综合卫星下行信号多普勒、卫星时钟偏差、卫星位置和速度、通信模组位置和速度、通信模组时钟偏差等多种信息，实现一种卫星模组上行信号多普勒补偿方法和模块，将系统计算出来的多普勒值，转化为频率值，补偿到在基础发射频率上，实现上行多普勒补偿精度达±100Hz，大大减少了星上接收机多普勒搜索范围和信号搜索时间，极大地减小了星上接收机信号捕获压力，提高卫星用户接入量。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种卫星通信模组的上行信号多普勒补偿方法的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本发明实施例提供的一种卫星通信模组的上行信号多普勒补偿方法的示意图。如图1所示，一种卫星通信模组的上行信号多普勒补偿方法，该方法包括：

获取卫星通信模组接收机所对应的时钟偏差并进行校准，依据预设需求对卫星信号进行捕获和跟踪，以跟踪对应的卫星下行信号；

获取卫星下行信号所对应的下行多普勒频偏，并以此计算第一相对速度值，第一相对速度值为该卫星下行信号所对应的卫星与卫星通信模组之间的速度差值；优选的，卫星下行信号的下行多普勒频偏通过跟踪环路输出的载波频率与卫星下行信号基准频率之间的差值计算得到；

持续跟踪该卫星下行信号并获取更新后的卫星时钟偏差和第一相对速度值，具体地，通过不断更新卫星的时间偏差(卫星时间偏差模组解析卫星发送的数据信息获取)，计算出卫星时钟偏差，即卫星和卫星通信模组之间的相对时钟偏差；

获取第一速度值和第二速度值，第一速度值和第二速度值分别为第一相对速度值更新时刻和上行信号发射时刻卫星通信模组的速度值；利用第一速度值、第二速度值和第一相对速度值计算第二相对速度值，第二相对速度值为上行信号发射时刻卫星和卫星通信模组之间的速度差值，并将第二相对速度值转换为上行信号所对应的上行多普勒频偏预估值；

依据卫星时钟偏差、模组时钟偏差、下行多普勒频偏和上行多普勒频偏预估值计算得到上行信号的多普勒补偿值，以实现该模组上行信号的多普勒补偿。基于上述多普勒补偿方法，通过计算出的模组自身时钟偏差及预估的相对多普勒值，都转换成与标准上行发射频率相对应的多普勒值，并补偿到上行发射信号中去，卫星通信模组通过设置功率补偿表控制基础发射功率来实现发射功率自适应控制，通过分析下行信号特性和系统功率控制策略，充分结合卫星数据和模组数据进行对模组的上行信号发射功率的精准控制，保证补偿精度满足±100Hz精度的要求，大大减少了星上接收机多普勒搜索范围和信号搜索时间，极大地减小了星上接收机信号捕获压力，提高卫星用户接入量。

作为一个优选的实施例，卫星通信模组接收机为GPS/BDS接收机，通过配置该GPS/BDS接收机1pps输入接口，在GPS/BDS接收机正常定位的情况下，以1pps为基准进行卫星通信模组的时钟偏差校准，并根据载波NCO原理调整卫星通信模组上行发射频率的载波频率字。具体地，硬件上设计接收GPS/BDS接收机1pss脉冲的输入接口，以及GPS/BDS接收机的供电接口，模组上电后，GPS/BDS接收机进行导航卫星的搜索和定位，GPS/BDS接收机定位后，输出秒脉冲1pps。采用GPS接收机的1pps信号对模组自身的频率偏差进行校准，结合卫星下行信号的多普勒偏差和卫星下发的卫星频率偏差，对模组上行信号的多普勒进行补偿。由于上行多普勒信号的补偿需要GPS接收机的1pps信号，对于用户的某些应用场景无疑会增加整个地面终端的成本，因此，通信模组在对外接口中设置1pps输入接口，并设置模组自身的时钟频率偏差，在未配备GPS接收机的应用场合，采用预置的频率偏差，在上行多普勒补偿不满足系统要求时，可通过外置的GPS接收机再次对模组的时钟频率进行校准。

卫星导航接收机秒脉冲具有没有累积误差的特点，即长时间工作的秒脉冲与UTC秒脉冲的时间误差累积和为零。假如采用晶振的频率为f本地的信号对N个1pps之间的时间间隔进行计数，计数值记为f_i，i取1～N之间的整数，由于

计算出的实际输出频率f_实际与理论值f_本地存在差距，即本地时钟偏差，用Δf_本地表示，即Δf_本地＝f_实际-f_本地。

无论卫星还是通信模组，基本都是采用载波NCO的方法产生上行或下行基准频率，载波NCO数学表达式为其中，f_c为输出信号的频率，M载波相位控制字，N为载波NCO的阶数，f_本地为长生输出频率的晶振标称频率。根据载波NCO的产生方式，若已知f_本地和f_c则可得到载波相位控制字：

假设模组利用载波NCO方式产生的卫星上行信号的基准频率为f_基准，结合本地时钟偏差Δf_本地，则可计算出实际的上行卫星信号载波频率字：

作为一个优选的实施例，对应的卫星下行信号的具体捕获过程包括，根据不同编号卫星扩频码初始相位的不同进行可见卫星的搜索，或者通过卫星过顶时间预测，即根据卫星通信模组上次掉电之前存储的卫星过顶时间列表对特定卫星进行信号捕获和跟踪，结合本地时间对特定卫星进行捕获跟踪。

作为另一个优选的实施例，卫星下行信号的多普勒频偏具体包括：根据跟踪到的卫星下行信号，利用跟踪环路输出的载波频率与卫星下行信号基准频率之间的差值，计算出卫星下行信号的多普勒频偏，并根据多普勒频偏，计算出卫星下行信号所对应的卫星与卫星通信模组之间的相对速度值。卫星下行信号的跟踪过程为，卫星通信模组复制一个与卫星下行信号频率相同的载波信号，其跟踪环路初始频率设置为卫星下行信号的基准频率，信号跟踪过程中，跟踪环路通过不断调整复制的频率，直至与卫星下行信号的频率一致，在对卫星信号进行精准跟踪过程中，跟踪环路会输出卫星通信模组复制的载波信号与实际的卫星下行信号之间的频率差异，可根据环路输出值计算出卫星下行信号的多普勒值，对卫星下行信号的多普勒值使用αβγ滤波进行平滑处理，防止因卫星和卫星通信模组之间的相对运动中加速度和加加速度变化较大引起多普勒突变。

具体地，卫星与卫星通信模组由于之间的相对运动而产生的多普勒频移可表示为：

其中，f_多普勒为多普勒频移，f_卫星为卫星下行信号的载波频率，f_模组为通信模组跟踪卫星过程中复制的卫星下行信号载波频率(已考虑模组本地时钟偏差)，c为光速，V_R为卫星相对模组的径向速度。

假定目标近似作匀加加速直线运动，此时状态量X是三维向量：

其中，分别为目标的因速度、加速度和加加速度分量而形成的多普勒分量。同时，αβγ滤波算法还包括预测方程和更新方程，预测方程为：

更新方程为：

上式中，x_v(k),x₀(k)分别是k时刻目标多普勒的预测值和实际测量值；为k时刻目标加速度的预测值；x_s(k)为k时刻目标加加速度的更新值；T为采样周期，α、β和γ为滤波器的3个参数，依据最优稳态解，最佳取值关系满足式如下所示：

式中，ξ为系统等效传递函数的3个相等的实极点，且满足0＜ξ＜1。ξ值越小，系统收敛速度越快，但是跟踪精度会降低，ξ值越大，系统收敛速度越慢，但是跟踪精度提高。计算出来的下行信号多普勒设定为Δf_下行。假设卫星速度为V_卫星，模组速度为V_模组，则卫星和卫星通信模组之间的第一相对速度值为：

按照行云卫星系统特性，每5s下发一组下行星历，下行星历中包含行云卫星星历信息(包含卫星的位置、速度和时钟偏差等信息)，由于模组需要精度较高的上行多普勒补偿精度，所以需要对下行信号连续跟踪，实时更新卫星时钟偏差信息，若卫星时钟偏差为Δf_卫星，可得卫星时钟和卫星通信模组时钟相对偏差为：

Δf_时钟＝Δf_卫星-Δf_本地，

由于下行信令每5s发送一次，而上行发射信号是随机发送的，记录相第一相对速度值更新时刻时，卫星通信模组的第一速度值V₁。

根据发射上行信号时刻卫星通信模组的第二速度值V₂，计算出与第一速度值之间的差值ΔV，再结合第一相对速度值V_相对1，计算卫星通信模组上行信号发射时刻模组与卫星的第二相对速度值：

V_相对2＝V_相对1-(V₂-V₁)

将其转换为上行多普勒频偏预估值：

该上行多普勒频偏预估值为综合卫星时钟偏差和相对速度值得到的多普勒值。

综合卫星时钟偏差、模组时钟偏差、下行多普勒频偏、上行多普勒频偏预估值等参数，计算上行信号的多普勒补偿值，并补偿到上行发射信号中去，作为一个示例，调整模组发射的上行信号的载波NCO的载波频率字，最终得到的载波频率字为：

其中，f_基准为卫星上行信号的基准频率，f_本地为卫星通信模组的晶振标称频率，Δf_本地为本地时钟偏差，Δf_v上行为上行多普勒频偏预估值。

一种卫星通信模组，其包括：

校准和信号捕获模块，用于获取卫星通信模组的接收机所对应的时钟偏差并进行校准，依据预设需求对卫星信号进行捕获和跟踪，以跟踪对应的卫星下行信号；

下行多普勒频偏获取模块，用于获取卫星下行信号所对应的下行多普勒频偏，并以此计算第一相对速度值，第一相对速度值为卫星下行信号对应的卫星与卫星通信模组之间的速度差值；还用于持续跟踪该卫星下行信号并获取更新后的卫星时钟偏差和第一相对速度值，卫星时钟偏差为卫星下行信号对应的卫星与卫星通信模组之间的时钟偏差；

上行多普勒频偏预估模块，用于获取第一速度值和第二速度值，第一速度值和第二速度值分别为第一相对速度值更新时刻和上行信号发射时刻卫星通信模组的速度值；利用第一速度值、第二速度值和第一相对速度值计算第二相对速度值，第二相对速度值为上行信号发射时刻卫星和卫星通信模组之间的速度差值，并将第二相对速度值转换为上行信号所对应的上行多普勒频偏预估值；

多普勒补偿模块，用于依据卫星时钟偏差、模组时钟偏差、下行多普勒频偏和上行多普勒频偏预估值计算得到上行信号的多普勒补偿值，以实现该模组上行信号的多普勒补偿。该卫星通信模组的实现原理、技术效果与上述方法类似，此处不再赘述。

本实施例还提供了一种电子设备，其包括至少一个处理器、以及至少一个存储器，其中，存储器中存储有计算机程序，当计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行实施例中的应用于卫星通信的上行信号多普勒补偿方法的步骤，具体步骤参见实施例，此处不再赘述；本实施例中，处理器和存储器的类型不作具体限制，例如：处理器可以是微处理器、数字信息处理器、片上可编程逻辑系统等；存储器可以是易失性存储器、非易失性存储器或者它们的组合等。

该电子设备也可以与一个或多个外部设备(如键盘、指向终端、显示器等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该电子设备交互的终端通信，和/或与使得该电子设备能与一个或多个其它计算终端进行通信的任何终端(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口进行。并且，电子设备还可以通过网络适配器与一个或者多个网络(例如局域网(Local Area Network，LAN)，广域网(Wide Area Network，WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。

本实施例还提供了一种计算机可读介质，其存储有可由电子设备执行的计算机程序，当所述计算机程序在电子设备上运行时，使得所述电子设备执行实施例中的应用于卫星通信的上行信号多普勒补偿方法的步骤。计算机可读介质的类型包括但不限于SD卡、U盘、固定硬盘、移动硬盘等存储介质。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种卫星通信模组的上行信号多普勒补偿方法，其特征在于，所述方法包括：

获取卫星通信模组的接收机所对应的时钟偏差并进行校准，依据预设需求对卫星信号进行捕获和跟踪，以跟踪对应的卫星下行信号；

获取所述卫星下行信号所对应的下行多普勒频偏，并以此计算第一相对速度值，所述第一相对速度值为所述卫星下行信号对应的卫星与所述卫星通信模组之间的速度差值；持续跟踪该卫星下行信号并获取更新后的卫星时钟偏差和第一相对速度值，卫星时钟偏差为所述卫星下行信号对应的卫星与所述卫星通信模组之间的时钟偏差；

获取第一速度值和第二速度值，所述第一速度值和第二速度值分别为第一相对速度值更新时刻和上行信号发射时刻卫星通信模组的速度值；利用第一速度值、第二速度值和第一相对速度值计算第二相对速度值，第二相对速度值为上行信号发射时刻卫星和卫星通信模组之间的速度差值，并将第二相对速度值转换为上行信号所对应的上行多普勒频偏预估值；

依据卫星时钟偏差、模组时钟偏差、下行多普勒频偏和上行多普勒频偏预估值计算得到上行信号的多普勒补偿值，以实现该模组上行信号的多普勒补偿；

所述下行多普勒频偏通过计算所述卫星通信模组的跟踪环路输出的载波频率与卫星下行信号的基准频率之间的差值得到。

2.如权利要求1所述的一种卫星通信模组的上行信号多普勒补偿方法，其中，所述接收机为GPS/BDS接收机，通过配置所述接收机的1pps输入接口，在所述接收机正常定位的情况下，以1pps为基准进行卫星通信模组的时钟偏差校准，并根据载波NCO原理调整所述卫星通信模组上行发射频率的载波频率字。

3.如权利要求1所述的一种卫星通信模组的上行信号多普勒补偿方法，其中，所述卫星下行信号的捕获过程包括：

根据不同编号卫星扩频码初始相位的不同进行可见卫星的搜索，或者通过预测卫星过顶时间对特定卫星进行信号捕获和跟踪。

4.如权利要求1所述的一种卫星通信模组的上行信号多普勒补偿方法，其中，获取所述卫星下行信号所对应的下行多普勒频偏包括：

利用卫星通信模组的跟踪环路输出的载波频率与所述卫星下行信号基准频率之间的差值计算下行多普勒频偏。

5.如权利要求4所述的一种卫星通信模组的上行信号多普勒补偿方法，其中，对计算出的下行多普勒频偏进行αβγ滤波后的值作为所述卫星下行信号所对应的下行多普勒频偏。

6.一种卫星通信模组，其特征在于，所述卫星通信模组包括：

校准和信号捕获模块，用于获取卫星通信模组的接收机所对应的时钟偏差并进行校准，依据预设需求对卫星信号进行捕获和跟踪，以跟踪对应的卫星下行信号；

下行多普勒频偏获取模块，用于获取所述卫星下行信号所对应的下行多普勒频偏，并以此计算第一相对速度值，所述第一相对速度值为所述卫星下行信号对应的卫星与所述卫星通信模组之间的速度差值；还用于持续跟踪该卫星下行信号并获取更新后的卫星时钟偏差和第一相对速度值，卫星时钟偏差为所述卫星下行信号对应的卫星与所述卫星通信模组之间的时钟偏差；

上行多普勒频偏预估模块，用于获取第一速度值和第二速度值，所述第一速度值和第二速度值分别为第一相对速度值更新时刻和上行信号发射时刻卫星通信模组的速度值；利用第一速度值、第二速度值和第一相对速度值计算第二相对速度值，第二相对速度值为上行信号发射时刻卫星和卫星通信模组之间的速度差值，并将第二相对速度值转换为上行信号所对应的上行多普勒频偏预估值；

多普勒补偿模块，用于依据卫星时钟偏差、模组时钟偏差、下行多普勒频偏和上行多普勒频偏预估值计算得到上行信号的多普勒补偿值，以实现该模组上行信号的多普勒补偿；

其中，所述下行多普勒频偏通过计算所述卫星通信模组的跟踪环路输出的载波频率与卫星下行信号的基准频率之间的差值得到。

7.如权利要求6所述的一种卫星通信模组的上行信号多普勒补偿方法，其中，所述接收机为GPS/BDS接收机，通过配置所述接收机的1pps输入接口，在所述接收机正常定位的情况下，以1pps为基准进行卫星通信模组的时钟偏差校准，并根据载波NCO原理调整所述卫星通信模组上行发射频率的载波频率字。

8.如权利要求6所述的一种卫星通信模组的上行信号多普勒补偿方法，其中，所述卫星下行信号的捕获过程包括：

根据不同编号卫星扩频码初始相位的不同进行可见卫星的搜索，或者通过预测卫星过顶时间对特定卫星进行信号捕获和跟踪。