CN113422639B - 低轨卫星通信系统基于位置和星历的同步方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于低轨卫星通信技术领域，具体公开了一种低轨卫星通信系统基于位置和星历的同步方法和系统，该系统包括低轨卫星和终端，终端中存储有计算机程序，当计算机程序被终端执行时，使得终端实现该方法。采用本技术方案，通过卫星播发给用户的星历和终端位置计算多普勒频偏，以及频偏变化率，终端通过下行帧号、时隙号及频点估算出低轨卫星运动本身引起的多普勒频偏，能够有效在上行链路发射时候补偿多普勒频偏、频偏变化率，以及终端运动、晶振引起的频偏，降低了载荷解调的复杂度，提升了卫星通信系统的可靠性和稳定性。

Description

低轨卫星通信系统基于位置和星历的同步方法和系统

技术领域

本发明属于低轨卫星通信技术领域，涉及一种低轨卫星通信系统基于位置和星历的同步方法和系统。

背景技术

卫星通信网络作为海陆空信息平台联合的枢纽，使信息平台由相对分散变为联合成有机整体。低轨卫星系统成为地面移动通信系统的重要补充，弥补了地面移动通信系统自然地理障碍和有限覆盖范围的劣势。同时，低轨卫星具有运行轨道较低、传输时延短、组网灵活、覆盖范围广等独特优势，其可满足用户的任意时间、任意地点接入需求。

然而，低轨卫星运动速度快，轨道高度低，低轨卫星与地面移动终端通信时，会产生大多普勒频偏、频偏变化率，甚至更高阶的变化率，加大了卫星载荷对终端信号进行捕获和跟踪的难度，从而对解调产生严重影响，降低了卫星通信质量。

针对大多普勒频偏，卫星载荷可以用高采样速率对接收信号进行采样估计频偏，但高采样率提升了功耗，而卫星载荷功率受限，降低了系统的容量及寿命；且频偏变化率估计算法较复杂，增加了功耗及时延，同样降低了系统性能。

目前国外一些低轨卫星系统主要采用星历进行预补偿，然而，受全网时间同步的误差、以及各种摄动力影响，星历预补偿后仍有较大偏差，对窄带通信影响较大，另外，星地时钟的不稳定性，产生的频率偏差也会影响解调性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低轨卫星通信系统基于位置和星历的同步方法和系统，降低载荷解调的复杂度，提升卫星通信系统的可靠性和稳定性。

为了达到上述目的，本发明的基础方案为：一种低轨卫星通信系统基于位置和星历的同步方法，包括如下步骤：

周期性搜索具有最大信号电平的控制载波，完成PCH信号(paging channel，寻呼信道信号)的捕获，利用PCH信号获得下行链路频偏估计f_est，更新频偏估计值；

通过卫星播发的星历和终端位置计算星历多普勒频偏f_u，以及星历多普勒频偏变化率，所述星历多普勒频偏变化率至少包括一阶星历多普勒频偏变化率 f′_u；

通过接收信号时间t_r，结合发射频点计算低轨卫星运动引起的多普勒频偏 f_d；

根据下行链路频偏估计f_est和低轨卫星运动引起的多普勒频偏f_d，计算终端运动以及晶振引起的频偏f_r；

结合星历多普勒频偏f_u与频偏f_r，得出上行链路预补偿频偏值f_{u_est}；

根据上行链路预补偿频偏值f_{u_est}和频偏变化率f′_u，对上行链路发射信号 s(t)进行频偏补偿，并发射。

本基础方案的工作原理和有益效果在于：通过对接收下行链路信号频偏估计，得出终端运动、晶振引起的频偏。从而在上行链路发射时进行补偿，使到达卫星载荷的信号频偏较小。本发明联合星历与下行链路估计补偿上行链路频偏，降低了载荷解调的复杂度，提升了卫星通信系统的可靠性和稳定性。同时简化了通过终端位置和星历计算多普勒频偏及其变化率，利于运算。低轨卫星运动不仅有频偏，而且有频偏变化率，通过补偿频偏变化率可以提高捕获概率和系统性能。

该方法通过下行链路链路周期广播的增强信号进行频偏估计，以及利用接收时间估算出载荷发射时间计算出卫星本身的频偏，从而获得终端运动引起频偏及其晶振引起频偏，提高了上行链路补偿的精度。

进一步，对接收的PCH信号采用VV算法、MM算法、LR算法、Fitz算法或 FFT频偏估计算法之一，得到下行链路频偏估计值f_est。

FFT频偏估计算法计算速度快，效率高，便于使用。

进一步，通过卫星播发的星历和终端位置获取多普勒频偏f_u以及频偏变化率f′_u的具体步骤如下：

通过星历信息得到卫星的位置矢量L_SAT和速度矢量V_SAT：

L_SAT＝[L_SAT-X,L_SAT-Y,L_SAT-Z]

V_SAT＝[V_SAT-X,V_SAT-Y,V_SAT-Z]；

L_SAT-X,L_SAT-Y,L_SAT-Z分别为位置矢量L_SAT在X、Y、Z方向的分量， V_SAT-X,V_SAT-Y,V_SAT-Z分别为速度矢量V_SAT在X、Y、Z方向的分量；

通过定位系统获得终端位置L_UE：

L_UE＝[L_UE-X,L_UE-Y,L_UE-Z]；

其中，L_UE-X,L_UE-Y,L_UE-Z为终端在X、Y、Z方向的坐标；

通过终端位置信息和星历信息计算多普勒频偏f_u：

其中，f_c为载波频率，c为光速；

计算多普勒频偏f′_u，其计算表达式如下：

根据该方法计算多普勒频偏f_u以及频偏变化率f′_u，运算简单，利于使用。

进一步，结合发射频点计算低轨卫星运动引起的多普勒频偏f_d的具体步骤为：

记录接收信号的时刻t_r，根据卫星高度h，获取卫星载荷发射时间t_d：

通过卫星载荷发射时间t_d，计算多普勒频偏f_d：

其中，R为地球半径，r＝R+h；

θ_max最大仰角；arccos(*)为反余弦函数；cos(*)为余弦函数；

U(W)＝0.9983+1.354×10^-3W-2.612×10^-4W²+2.846×10^-6W³，W为星与终端的倾角。

根据该方法获取所需参数，提供所需计算表达式，便于使用。

进一步，根据频偏估计f_est和低轨卫星运动本身引起的多普勒频偏f_d，计算终端运动以及晶振引起的频偏f_r的方法为：f_r＝f_est-f_d。

简化计算表达式，利于运算。

进一步，结合多普勒频偏f_u和终端运动以及晶振引起的频偏f_r，获取上行链路预补偿频偏值f_{u_est}的方法为：

f_{u_est}＝f_u+f_r。

利用前面获取的相关参数，计算获取预补偿频偏值，操作简单，使用方便。

进一步，当星历多普勒频偏变化率为一阶星历多普勒频偏变化率时，对上行链路发射信号s(t)进行频偏补偿得到补偿信号s_t(t)：

其中，exp(*)为指数函数，t为发射时间；

当星历多普勒频偏变化率为高阶星历多普勒频偏变化率时，对上行链路发射信号s(t)进行频偏补偿得到补偿信号s_t(t)：

其中，f″_u为二阶星历多普勒频偏变化率，f_u ⁿ为n阶星历多普勒频偏变化率，所述n为大于2的正整数。

根据计算获取的参数，实现对上行链路发射信号s(t)的频偏补偿。

本发明还提供一种低轨卫星通信系统，包括低轨卫星和终端，终端中存储有计算机程序，当计算机程序被终端执行时，使得所述终端实现如上述的方法。

将本发明的方法集成在终端上运行，利于使用。

进一步，所述终端采用的晶振稳定度为1pps，频偏≤±2KHz。

设置合适参数的晶振，保证设备顺利运行。

进一步，终端支持高铁上通信频偏≤±5KHz。

设置能够使用终端的工作环境，保证终端正常工作。

附图说明

图1是本发明一种优选实施方式中低轨卫星通信系统基于位置和星历同步方法的流程示意图；

图2是本发明一种优选实施方式中低轨卫星通信系统基于位置和星历的同步方法的实现框图；

图3是本发明一种优选实施方式中低轨卫星通信系统的结构示意图；

图4是本发明一种优选实施方式中仿真得到的低轨卫星多普勒频移特性曲线；

图5是本发明一种优选实施方式中仿真得到的低轨卫星多普勒频移变化率特性曲线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1和2所示，本发明公开了一种低轨卫星通信系统基于位置和星历的同步方法，包括如下步骤：

S1，周期性(每隔一定时间)搜索具有最大信号电平的控制载波，完成PCH (寻呼信道，是用于传送与寻呼过程相关数据的下行传输信道，用于网络与终端进行初始化时)信号的捕获，利用PCH信号获得下行链路频偏估计f_est(下行链路频偏估计)，更新频偏估计值。优选对接收的PCH信号采用VV算法、MM算法、LR算法、Fitz算法或FFT频偏估计算法之一，得到下行链路频偏估计值f_est。

S2，通过卫星播发的星历和终端位置计算星历多普勒频偏f_u，以及星历多普勒频偏变化率，星历多普勒频偏变化率至少包括一阶星历多普勒频偏变化率 f′_u。

S3，通过接收信号时间t_r，结合发射频点计算低轨卫星运动引起的多普勒频偏f_d。

S4，根据下行链路频偏估计f_est和低轨卫星运动引起的多普勒频偏f_d，计算终端运动以及晶振引起的频偏f_r。终端运动以及晶振引起的频偏f_r的计算表达式如下：

f_r＝f_est-f_d。

S5，结合星历多普勒频偏f_u与频偏f_r，得出上行链路预补偿频偏值f_{u_est}；上行链路预补偿频偏值f_{u_est}的计算表达式如下：

f_{u_est}＝f_u+f_r。

S6，根据上行链路预补偿频偏值f_{u_est}和频偏变化率f′_u，对上行链路发射信号s(t)进行频偏补偿，并发射。当星历多普勒频偏变化率为一阶星历多普勒频偏变化率时，对上行链路发射信号s(t)进行频偏补偿得到补偿信号s_t(t)：

其中，exp(*)为指数函数，t为发射时间。星历多普勒频偏变化率为高阶星历多普勒频偏变化率时，对上行链路发射信号s(t)进行频偏补偿得到补偿信号 s_t(t)：

其中，f″_u为二阶星历多普勒频偏变化率，

为n阶星历多普勒频偏变化率，所述n为大于2的正整数。

本发明的一种优选方案中，通过卫星播发的星历和终端位置获取多普勒频偏f_u以及频偏变化率f′_u的具体步骤如下：

通过星历信息得到卫星的位置矢量L_SAT和速度矢量V_SAT：

L_SAT＝[L_SAT-X,L_SAT-Y,L_SAT-Z]

V_SAT＝[V_SAT-X,V_SAT-Y,V_SAT-Z]；

L_SAT-X,L_SAT-Y,L_SAT-Z分别为位置矢量L_SAT在X、Y、Z方向的分量， V_SAT-X,V_SAT-Y,V_SAT-Z分别为速度矢量V_SAT在X、Y、Z方向的分量；

利用下行链路估计终端运动速度引起的多普勒频偏，则终端速度矢量为 V_UE＝[0,0,0]，通过定位系统(如GPS或北斗)获得终端位置L_UE：

L_UE＝[L_UE-X,L_UE-Y,L_UE-Z]；

其中，L_UE-X,L_UE-Y,L_UE-Z为终端在X、Y、Z方向的坐标；

通过终端位置信息和星历信息计算多普勒频偏f_u：

其中，f_c为载波频率，c为光速，c＝3.0*10⁸m/s；

通过终端位置信息和星历计算多普勒频偏f′_u，其计算表达式如下：

本方案中，结合发射频点计算低轨卫星运动引起的多普勒频偏f_d的具体操作步骤为：

记录接收信号的时刻t_r，根据卫星高度h，获取卫星载荷发射时间t_d，计算表达式如下：

通过卫星载荷发射时间t_d，计算多普勒频偏f_d：

其中，R为地球半径，R＝6370Km，r＝R+h；

θ_max最大仰角；arccos(*) 为反余弦函数；cos(*)为余弦函数；

采用近似计算；U(W)＝0.9983+1.354×10^-3W-2.612×10^-4W²+2.846×10^-6W³，W为星与终端的倾角。

如图3所示，本发明还提供一种低轨卫星通信系统，包括低轨卫星和终端，终端中存储有计算机程序，当计算机程序被终端执行时，使得所述终端实现如上述的方法。

本系统用于L移动通信场景，采用L频段进行通信。低轨卫星运动引起的多普勒频偏≤±40KHz，频偏变化率≤±400Hz/s。优选终端采用的晶振稳定度为1pps，频偏≤±2KHz。终端支持高铁上通信频偏≤±5KHz。

在一种具体应用实施例中，根据时间估计低轨卫星运动引起的频偏及变化率仿真结果如图4、图5所示。从图中可知，低轨卫星通信系统卫星可视窗口内用户最大仰角分别为20°、30°、60°和90°时相对多普勒频移曲线。当用户处于星下点轨迹上时(用户最大仰角90°)，卫星可视时间最长；当卫星进入用户视野时，多普勒频移最大，多普勒变化率幅度最小，由于有最小仰角的约束，多普勒变化率不为零；之后多普勒频移由大变小，并在用户出现最大仰角时达到零值，此时多普勒变化率幅度最大；此后，低轨卫星系统最大仰角与相对多普勒频移的关系多普勒频移由正变负，逐渐变小，多普勒变化率幅度也逐渐变小，并在卫星离开可视区时达到多普勒频移最小值。多普勒频移是可视时间的对称函数。

本发明针对低轨卫星通信大多普勒频偏、频偏变化率，甚至更高阶的变化率，卫星载荷加大了对终端信号进行捕获和跟踪的难度，本发明一方面通过卫星播发给用户的星历和终端位置计算多普勒频偏，以及频偏变化率；另一方面终端通过下行帧号、时隙号及频点估算出低轨卫星运动本身引起的多普勒频偏，结合对接收下行链路信号频偏估计，得出终端运动、晶振引起的频偏，从而在上行链路发射时候补偿多普勒频偏、频偏变化率，以及终端运动、晶振引起的频偏，这样到达卫星载荷的信号频偏较小，降低了载荷解调的复杂度，提升了卫星通信系统的可靠性和稳定性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种低轨卫星通信系统基于位置和星历的同步方法，其特征在于，包括如下步骤：

周期性搜索具有最大信号电平的控制载波，完成PCH信号的捕获，利用PCH信号获得下行链路频偏估计f_est，更新频偏估计值；

通过卫星播发的星历和终端位置计算星历多普勒频偏f_u，以及星历多普勒频偏变化率，所述星历多普勒频偏变化率至少包括一阶星历多普勒频偏变化率f′_u；

通过接收信号时间t_r，结合发射频点计算低轨卫星运动引起的多普勒频偏f_d；

根据下行链路频偏估计f_est和低轨卫星运动引起的多普勒频偏f_d，计算终端运动以及晶振引起的频偏f_r；

结合星历多普勒频偏f_u与终端运动以及晶振引起的频偏f_r，得出上行链路预补偿频偏值f_{u_est}；

根据上行链路预补偿频偏值f_{u_est}和频偏变化率f′_u，对上行链路发射信号s(t)进行频偏补偿，并发射。

2.如权利要求1所述的低轨卫星通信系统基于位置和星历的同步方法，其特征在于，对接收的PCH信号采用VV算法、MM算法、LR算法、Fitz算法或FFT频偏估计算法之一，得到下行链路频偏估计值f_est。

3.如权利要求1所述的低轨卫星通信系统基于位置和星历的同步方法，其特征在于，通过卫星播发的星历和终端位置获取多普勒频偏f_u以及频偏变化率f′_u的具体步骤如下：

通过星历信息得到卫星的位置矢量L_SAT和速度矢量V_SAT：

L_SAT＝[L_SAT-X,L_SAT-Y,L_SAT-Z]

V_SAT＝[V_SAT-X,V_SAT-Y,V_SAT-Z]；

L_SAT-X,L_SAT-Y,L_SAT-Z分别为位置矢量L_SAT在X、Y、Z方向的分量，V_SAT-X,V_SAT-Y,V_SAT-Z分别为速度矢量V_SAT在X、Y、Z方向的分量；

通过定位系统获得终端位置L_UE：

L_UE＝[L_UE-X,L_UE-Y,L_UE-Z]；

其中，L_UE-X,L_UE-Y,L_UE-Z为终端在X、Y、Z方向的坐标；

通过终端位置信息和星历信息计算多普勒频偏f_u：

其中，f_c为载波频率，c为光速；

计算多普勒频偏f′_u，其计算表达式如下：

4.如权利要求1所述的低轨卫星通信系统基于位置和星历的同步方法，其特征在于，结合发射频点计算低轨卫星运动引起的多普勒频偏f_d的具体步骤为：

记录接收信号的时刻t_r，根据卫星高度h，获取卫星载荷发射时间t_d：

通过卫星载荷发射时间t_d，计算多普勒频偏f_d：

其中，R为地球半径，r＝R+h；

θ_max为最大仰角；arccos(*)为反余弦函数；cos(*)为余弦函数；

U(W)＝0.9983+1.354×10^-3W-2.612×10^-4W²+2.846×10^-6W³，g为重力加速度，r_e为地球的近似平均半径，W为星与终端的倾角。

5.如权利要求1所述的低轨卫星通信系统基于位置和星历的同步方法，其特征在于，根据下行链路频偏估计f_est和低轨卫星运动本身引起的多普勒频偏f_d，计算终端运动以及晶振引起的频偏f_r的方法为：

f_r＝f_est-f_d。

6.如权利要求1所述的低轨卫星通信系统基于位置和星历的同步方法，其特征在于，结合多普勒频偏f_u和终端运动以及晶振引起的频偏f_r，获取上行链路预补偿频偏值f_{u_est}的方法为：

f_{u_est}＝f_u+f_r。

7.如权利要求1所述的低轨卫星通信系统基于位置和星历的同步方法，其特征在于，当星历多普勒频偏变化率为一阶星历多普勒频偏变化率时，对上行链路发射信号s(t)进行频偏补偿得到补偿信号s_t(t)：

其中，exp(*)为指数函数，t为发射时间；

当星历多普勒频偏变化率为高阶星历多普勒频偏变化率时，对上行链路发射信号s(t)进行频偏补偿得到补偿信号s_t(t)：

其中，f″_u为二阶星历多普勒频偏变化率，

为n阶星历多普勒频偏变化率，所述n为大于2的正整数。

8.一种低轨卫星通信系统，其特征在于，包括低轨卫星和终端，终端中存储有计算机程序，当计算机程序被终端执行时，使得所述终端实现如权利要求1-7任一项所述的方法。

9.如权利要求8所述的低轨卫星通信系统，其特征在于，所述终端采用的晶振稳定度为1pps，频偏≤±2KHz。

10.如权利要求8所述的低轨卫星通信系统，其特征在于，终端支持高铁上通信频偏≤±5KHz。

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