CN113489529B - 低轨星座卫星通信系统中站间同步方法 - Google Patents

低轨星座卫星通信系统中站间同步方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低轨星座卫星通信系统中站间同步方法，该方法具体为：信关站的地面基站根据星历数据计算传输延时，实时调整收发定时，使得地面基站与星载基站在星上上下行定时对齐；星载基站和地面基站根据星历数据计算共同相对参考点的多普勒频移，实时调整收发频率偏差，使得星载基站和地面基站在相对参考点的频率一致；该机制同样适应于搭载透明与处理转发载荷的中高轨道卫星的星载基站、地面基站的时间频率同步。本发明实现了星载基站和地面基站之间的信号同步，终端通过简单的同步过程即可实现再同步，极大简化了终端的实现复杂度。

Description

低轨星座卫星通信系统中站间同步方法
技术领域
本发明属于卫星通信技术领域，特别是一种低轨星座卫星通信系统中站间同步方法。
背景技术
1.低轨星座卫星通信系统
低轨星座卫星通信系统是通过低轨星座进行信号转发的卫星通信系统。目前世界上在建或已经建设完成的低轨星座卫星通信系统主要有starlink、O3B、OneWeb、Telesat等，我国主要有虹云、鸿雁等系统。一般来说，低轨星座卫星通信系统由空间段、地面段、应用段三部分组成，如图1所示。
(1)空间段
空间段由低轨道卫星星座组成。卫星星座是发射入轨能正常工作的卫星的集合，通常是由一些卫星环按一定的方式配置组成的一个卫星网。低轨道卫星星座是若干个低轨道卫星组成的低轨卫星网，如图2所示。
低轨卫星搭载处理与透明转发通信载荷，如图3所所示。每种载荷处理不同的用户波束，支持相同的通信体制，处理载荷包含了射频信号收发、基带处理、高层协议处理等完整基站的功能，称之为“星载基站”，透明载荷仅实现了用户链路信号到馈电链路信号的变频与放大功能，需地面信关站中基站配合才能够完成射频信号收发、基带处理、高层协议处理功能，此种基站称为“地面基站”。
(2)地面段
地面段作为低轨星座卫星通信系统的重要组成部分，完成卫星载荷的管理和低轨星座卫星通信系统的业务处理、网络管理、运营管理、跨国业务结算等功能，同时负责低轨星座卫星通信系统与其他系统的互联互通，主要由运行控制中心、全球运营服务中心、分布在全球各地的信关站组成。a)运行控制中心：运行控制中心简称运控中心，是低轨星座卫星通信系统运维管控的核心组成部分和管理中枢，为系统管控和应用管理提供集中、统一、综合、自动化的平台，保障星座和地面信关站网安全、稳定、可靠的运行。主要完成卫星载荷管理、星地资源运行情况及星地馈电链路状态监视、信关站系统任务规划等功能。b)全球运营服务中心：全球运营服务中心是支撑低轨星座卫星通信系统全球运营的重要组成部分。全球运营服务中心连接各个国家的综合网管及运营支撑系统，主要完成全球结算和信关站网络监控等功能，保障全球网络安全稳定运营。c)信关站系统：信关站系统为低轨星座卫星通信系统提供通信、业务、运营、管理等服务，承担着系统资源管理、用户鉴权与加密、业务路由与交换、业务服务、本地网络运营等功能。主要由部署于各个建站国家或地区的信关站及信关站之间的通信网络组成，是低轨星座卫星通信系统的主要地面设施。低轨星座卫星通信系统能够与地面PLMN、PSTN、Internet以及其他专网进行互联互通。
地面基站是信关站系统的核心组成部分，它通过卫星透明转发载荷实现了用户终端的信号收发、基带处理、高层协议处理等完整基站的功能。
(3)应用段
应用段由分布在低轨星座波束覆盖范围内的各种固定及移动终端组成，终端是用户接入低轨星座卫星通信系统的门户和应用平台，用于建立用户与卫星间的数据传输链路，每个终端具备在波束间、卫星间、信关站间的切换能力，能够为用户提供持续不断的业务服务。
2、站间同步
通常站间同步，是指利用GPS/北斗等全球定位授时系统，低轨卫星通信系统中分布在全球各地的信关站、运控中心、测控站等实现时钟源的同步。而本处的“站间同步”与传统的“站间同步”不同，它是指与某个卫星相关基站之间的同步，包括星载基站、馈电切换时两个地面基站等。如图4所示，与卫星S相关的基站包括星载基站、处于工作状态的信关站B的地面基站，刚进行馈电链路切换的信关站A的地面基站。
专利CN201110339403.5提供了一种家庭基站与宏基站的同步方法及家庭基站，通过计算与宏基站的传输延时，调整家庭基站定时关系。专利CN402121137.X提供了一种移动通信系统中基站间实现同步的方法，由配置同步时钟的基站发送同步信号，其他基站根据同步信号调整调整基站的定时关系。但是上述两个专利均为地面移动通信中两个基站的同步方式，并没有解决星载基站和地面基站之间的同步问题。
星载基站和地面基站往往服务同一颗同一卫星下的多个波束，在低轨卫星通信系统中，由于低轨卫星相对地面高速移动，对于同步轨道卫星通信系统中，由于高动态终端相对地面高速移动，以上两种情况下，用户跨波束切换是频繁不可避免的，而如果两个波束的信号不同步，终端在切换过程中，需要执行复杂的同步算法才能再同步，且终端实现复杂度较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低轨星座卫星通信系统中站间同步方法，以实现星载基站和地面基站之间的信号同步，且终端通过简单的同步过程即可实现再同步。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种低轨星座卫星通信系统中站间同步方法，具体如下：
信关站的地面基站根据星历数据计算传输延时，实时调整收发定时，使得地面基站与星载基站在星上上下行定时对齐；
星载基站和地面基站根据星历数据计算共同相对参考点的多普勒频移，实时调整收发频率偏差，使得星载基站和地面基站在相对参考点的频率一致。
进一步地，所述地面基站与星载基站在星上上下行定时对齐，具体如下：
运控系统通过测控站获得低轨星座所有卫星的星历数据，地面基站利用星历数据计算卫星在设定时刻相对地面的距离、传输延时，实时调整地面基站收发起始时刻，使馈电链路上下行信号收发起始时刻在卫星上对齐，从而使得卫星用户链路信号收发起始时刻对齐。
进一步地，所述星载基站和地面基站在相对参考点的频率一致，具体如下：
地面基站利用星历数据计算卫星在设定时刻相对于公共参考点的多普勒频移，从而实时调整地面基站收发频率，使卫星用户链路上传输的信号在参考点上同步，实现信关站的地面基站发出的信号在卫星上保持时间和频率同步。
进一步地，利用全球定位授时系统，地面基站与星载基站实现时钟源的同步，时钟源产生相同的时间基准信号。
进一步地，地面基站根据卫星S的星历信息，计算地面基站与卫星S之间的传输延时Tdelay，并调整信关站的收发起始时刻，假设当前信关站的时间基准为Tbase，其中发送起始时刻为TXof＝Tbase-Tdelay，接收起始时刻为RXof＝Tbase+Tdelay，计算与卫星S或者用户波束中心点之间的多普勒频偏Foffset，并调整地面基站的收发频率；星载基站根据当前的时间基准进行上下行帧定时，同时根据卫星S的星历数据计算与用户波束中心点之间的多普勒频偏Foffset，并预补偿星载基站每个波束收发信号的频率。
进一步地，时间基准信号为1PPS。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)实现了星载基站和地面基站之间的信号同步，终端通过简单的同步过程即可实现再同步，极大简化了终端的实现复杂度；(2)在卫星通信系统中，针对卫星搭载处理转发与透明转发载荷的特定系统，星载基站和地面基站时频同步可实现用户终端在两个基站之间的无缝切换，提高了终端在切换时的效率。
附图说明
图1为低轨星座卫星通信系统组成示意图。
图2为低轨星座示意图。
图3为搭载处理与透明转发载荷的卫星示意图。
图4为同一卫星下基站之间的同步关系示意图。
图5为地面基站地面定时与星上定时关系示意图。
图6为星载基站定时关系示意图。
具体实施方式
本发明一种低轨星座卫星通信系统中站间同步方法，具体如下：
信关站的地面基站根据星历数据计算传输延时，实时调整收发定时，使得地面基站与星载基站在星上上下行定时对齐；
星载基站和地面基站根据星历数据计算共同相对参考点的多普勒频移，实时调整收发频率偏差，使得星载基站和地面基站在相对参考点的频率一致。
进一步地，所述地面基站与星载基站在星上上下行定时对齐，具体如下：
运控系统通过测控站获得低轨星座所有卫星的星历数据，地面基站利用星历数据计算卫星在设定时刻相对地面的距离、传输延时，实时调整地面基站收发起始时刻，使馈电链路上下行信号收发起始时刻在卫星上对齐，从而使得卫星用户链路信号收发起始时刻对齐。
进一步地，所述星载基站和地面基站在相对参考点的频率一致，具体如下：
地面基站利用星历数据计算卫星在设定时刻相对于公共参考点的多普勒频移，从而实时调整地面基站收发频率，使卫星用户链路上传输的信号在参考点上同步，实现信关站的地面基站发出的信号在卫星上保持时间和频率同步。
进一步地，利用全球定位授时系统，地面基站与星载基站实现时钟源的同步，时钟源产生相同的时间基准信号。
进一步地，地面基站根据卫星S的星历信息，计算地面基站与卫星S之间的传输延时Tdelay，并调整信关站的收发起始时刻，假设当前信关站的时间基准为Tbase，其中发送起始时刻为TXof＝Tbase-Tdelay，接收起始时刻为RXof＝Tbase+Tdelay，计算与卫星S或者用户波束中心点之间的多普勒频偏Foffset，并调整地面基站的收发频率；星载基站根据当前的时间基准进行上下行帧定时，同时根据卫星S的星历数据计算与用户波束中心点之间的多普勒频偏Foffset，并预补偿星载基站每个波束收发信号的频率。
进一步地，时间基准信号为1PPS。
本发明的关键点包括以下三点：
1、信关站地面基站根据星历数据计算传输延时，实时调整收发定时，确保与星载基站在星上上下行定时对齐；
2、星载基站和地面基站根据星历数据计算共同相对参考点(星上、用户波束中心点)的多普勒频频，实时调整收发频率偏差，确保两个站点在相对参考点的频率一致；
3、该机制同样适应于搭载透明与处理转发载荷的中高轨道卫星的星载基站、地面基站的时间频率同步。
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述。
实施例
低轨卫星运行在一个相对固定的轨道上，运控系统通过测控站能够获得低轨星座所有卫星的精确星历信息。一方面，地面基站利用该星历数据可以计算卫星在某一时刻相对地面的距离、传输延时等，实时调整地面基站收发起始时刻，确保馈电链路上下行信号收发起始时刻在卫星上是对齐的，从而保证卫星用户链路信号收发起始时刻对齐；另一方面，地面基站也可利用星历数据计算卫星在某一时刻的相对于公共参考点(星上或者用户波束中心点)的多普勒频移，从而实时调整地面基站收发频率，确保卫星用户链路上传输的信号在某个参考点(星上或者用户波束中心点)上是同步的。利用这种方式，信关站的地面基站发出的信号在卫星上就可以保持时间和频率同步。同时由于星上收发帧起始时刻是对齐的，星载基站的收发起始时刻与之对齐，即可实现与地面信关站的基站在时间上保持同步。星载基站和地面基站选择共同的参考点来估算多普勒并加以补偿，两基站在频率上也可保持同步。
利用GPS/北斗等全球定位授时系统，地面基站与星载基站实现时钟源的同步，时钟源将产生相同的时间基准信号如1PPS；地面基站根据卫星S的星历信息，计算与卫星S之间的传输延时Tdelay，并调整信关站的收发起始时刻，假设当前信关站的时间基准为Tbase，其中发送起始时刻为TXof＝Tbase-Tdelay，接收起始时刻为RXof＝Tbase+Tdelay，计算与卫星S或者用户波束中心点之间的多普勒频偏Foffset，并调整地面基站的收发频率；星载基站根据当前的时间基准(如1PPS)进行上下行帧定时，同时根据卫星S的星历数据计算与用户波束中心点之间的多普勒频偏Foffset，并预补偿星载基站每个波束收发信号的频率。图5为地面基站地面定时与星上定时关系示意图，图6为星载基站定时关系示意图。
在卫星通信系统中，针对卫星搭载处理转发与透明转发载荷的特定系统，星载基站和地面基站时频同步可实现用户终端在两个基站之间的无缝切换，有效降低终端在切换时的实现复杂度。

Claims (2)

1.一种低轨星座卫星通信系统中站间同步方法，其特征在于，具体如下：
信关站的地面基站根据星历数据计算传输延时，实时调整收发定时，使得地面基站与星载基站在星上上下行定时对齐；
星载基站和地面基站根据星历数据计算共同相对参考点的多普勒频移，实时调整收发频率偏差，使得星载基站和地面基站在相对参考点的频率一致；
所述地面基站与星载基站在星上上下行定时对齐，具体如下：
运控系统通过测控站获得低轨星座所有卫星的星历数据，地面基站利用星历数据计算卫星在设定时刻相对地面的距离、传输延时，实时调整地面基站收发起始时刻，使馈电链路上下行信号收发起始时刻在卫星上对齐，从而使得卫星用户链路信号收发起始时刻对齐；
所述星载基站和地面基站在相对参考点的频率一致，具体如下：
地面基站利用星历数据计算卫星在设定时刻相对于公共参考点的多普勒频移，从而实时调整地面基站收发频率，使卫星用户链路上传输的信号在参考点上同步，实现信关站的地面基站发出的信号在卫星上保持时间和频率同步；
利用全球定位授时系统，地面基站与星载基站实现时钟源的同步，时钟源产生相同的时间基准信号；
地面基站根据卫星S的星历信息，计算地面基站与卫星S之间的传输延时T delay ，并调整信关站的收发起始时刻，假设当前信关站的时间基准为T base ，其中发送起始时刻为TXof=T base -T delay ，接收起始时刻为RXof=T base +T delay ，计算与卫星S或者用户波束中心点之间的多普勒频偏Foffset，并调整地面基站的收发频率；星载基站根据当前的时间基准进行上下行帧定时，同时根据卫星S的星历数据计算与用户波束中心点之间的多普勒频偏Foffset，并预补偿星载基站每个波束收发信号的频率。
2.根据权利要求1所述的低轨星座卫星通信系统中站间同步方法，其特征在于，时间基准信号为1PPS。
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