CN113595617A - 一种卫星通信频偏校准方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星通信频偏校准方法及系统，所述方法包括如下步骤：接收前向信号并进行前端处理，得到前端信号；检测前端信号频率，搜索导频信道，根据前端信号和搜索到的导频信道连续计算Doppler频差，直至连续3次Doppler频差计算结果相同，记录收发信号时差；根据Doppler频差的计算结果对前端信号进行补偿，得到补偿后的信号；根据收发信号时差校准接收端中时钟的时间，输出带有时间信息的补偿后的信号；本发明既考虑了卫星和接收端之间的相对运动引起的Doppler频偏，又考虑到接收端的时钟漂移，通过导频信道解调器补偿Doppler频偏和时钟漂移，可快速实现卫星和接收端的频率同步。

Description

一种卫星通信频偏校准方法及系统

技术领域

本发明涉及一种卫星通信频偏校准方法及系统，涉及卫星导航、卫星通信以及无线通信应用等领域。

背景技术

随着现代科技的发展，卫星移动通信系统的应用领域越来越广泛，从最初的海上船载卫星移动通信，发展到现在的陆地车载,空中的机载及太空的星载卫星移动通信。随着载体的运动速度的增加,终端与卫星之间相对位置变化导致的多谱勒频移就越来越大，多谱勒频移达到一定程度时会对系统频带资源利用率和接收性能等造成很大影响，极大地限制系统的应用范围；为了扩展卫星移动通信系统的应用，多谱勒频移校准是不可缺少的技术。

由于卫星、地面发射系统及接收系统的时钟漂移、卫星运动等因素的影响，卫星通信系统中会引入较大的频偏，大频偏对于窄带接收系统的影响往往是致命的，传统的频率补偿方法只考虑由于高动态引起的多普勒频偏及多普勒频偏变化率，并未考虑到接收端时钟的老化漂移，由于接收端的时钟漂移可能会降低载波跟踪精度，导致载波环路不稳定甚至失锁，会导致地面接收系统不能正常解调出数据信息，无法完成业务数据的正常接收；因此，对于卫星通信系统的高动态环境下的应用，需要设计一种适用于大频偏的校准方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种卫星通信频偏校准方法及系统,可实现由于高动态引起的Doppler频偏，有效补偿因为接收端时钟老化引起的频率漂移。

本发明是通过下述技术方案实现的：

第一方面，提供了一种卫星通信频偏校准方法，包括如下步骤：接收前向信号并进行前端处理，得到前端信号；检测前端信号频率，搜索导频信道，根据前端信号和搜索到的导频信道连续计算Doppler频差，直至连续3次Doppler频差计算结果相同，记录收发信号时差；根据Doppler频差的计算结果对前端信号进行补偿，得到补偿后的信号；根据收发信号时差校准接收端中时钟的时间，输出带有时间信息的补偿后的信号。

结合第一方面，进一步的，检测前端信号频率的方法如下：

其中，f_r是接收端检测到的前向信号的频率值，v为接收端指向卫星的速度，c为光速，α为接收端的频率稳定度，当α小于设定值时，α＝β，f_d是前向信号的标称频率，f_sat为前向信号频率在离开卫星转发器时与标称频率之间的差值。

结合第一方面，进一步的，计算Doppler频差的方法如下：

其中，f_dpl为Doppler频差，f_det为接收端检测到的接收频差，f_sat为前向信号频率在离开卫星转发器时与标称频率之间的差值，f_d是前向信号的标称频率，v为接收端指向卫星的速度，c为光速，α为接收端的频率稳定度，当α小于设定值时，α＝β。

结合第一方面，进一步的，所述接收端检测到的接收频差通过如下方式检测：

其中，f_det为接收端检测到的接收频差，f_sat为前向信号频率在离开卫星转发器时与标称频率之间的差值，f_d是前向信号的标称频率，v为接收端指向卫星的速度，c为光速，α为接收端的频率稳定度，当α小于设定值时，α＝β。

结合第一方面，进一步的，带有时间信息的补偿后的信号为：

其中，f_t为补偿后的信号，f_u为接收端接发送信号的频率数值，f_dpl为Doppler频差，f_d是前向信号的标称频率，v为接收端指向卫星的速度，c为光速，α为接收端的频率稳定度，当α小于设定值时，α＝β。

第二方面，提供了一种卫星通信频偏校准系统，包括收发天线、射频前端、导频信道解调器及时钟；收发天线：用于接收和发送前向信号；射频前端：用于对收发天线接收到的前向信号进行前端处理，得到前端信号；导频信道解调器：用于检测前端信号频率，搜索导频信道，根据前端信号和搜索到的导频信道连续计算Doppler频差，直至连续3次Doppler频差计算结果相同，记录收发信号时差，根据Doppler频差的计算结果对前端信号进行补偿，得到补偿后的信号，根据收发信号时差校准接收端中时钟的时间，输出带有时间信息的补偿后的信号。

结合第二方面，进一步的，还包括其他信道解调器，所述其他信道解调器包括业务信道解调器和数据信道解调器；业务信道解调器和数据信道解调器通过所述带有时间信息的补偿后的信号和校准后的时间实现对业务信道和数据信道的解调。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

本发明提供的一种卫星通信频偏校准方法及系统，卫星通信信号经由收发天线接收和射频前端处理后得到前端信号，将前端信号送入导频信道解调器，导频信道解调器根据前端信号和搜索到的导频信道连续计算Doppler频差,直至连续3次Doppler频差计算结果相同，保证计算结果的准确性，并根据Doppler频差计算结果对接收到的信号进行补偿，导频信道解调器还用于记录收发信号时差，用于校准时钟的时间，输出带有时间信息的补偿后的信号，通过这种方式可实现快速补偿由于高动态引起的Doppler频偏及其变化率，并且有效补偿因为接收端时钟老化引起的频率漂移；

本发明提供的一种卫星通信频偏校准方法及系统，既考虑了卫星和接收端之间的相对运动引起的Doppler频偏，又考虑到接收端的时钟漂移，通过导频信道解调器补偿Doppler频偏和时钟漂移，可快速实现卫星和接收端的频率同步。

附图说明

为了更清楚地说明本方实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种卫星通信频偏校准方法的流程图；

图2是本发明提供的一种卫星通信频偏校准系统的校准原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一：

为了验证本发明中收发信号的频偏补偿，选用某一GEO卫星通信为例，其上行频率为6GHz，下行频率为4GHz。

如图1所示，本发明提供的一种卫星通信频偏校准方法，包括如下步骤：

S1、接收前向信号并进行前端处理，得到前端信号：

卫星通信系统一般会在导频信道中广播卫星频差：前向信号(地面业务管理站经由卫星转发器转发至接收端的信号为前向信号)在离开卫星转发器时与标称频率之间的差异f_sat，卫星前向的标称频率为f_d，则前向信号离开卫星的频率为：

f_ds＝f_d+f_sat

由于接收端的运动，其到达地面的频率为：

其中，v为接收端指向卫星的速度，c为光速。

接收端接收卫星发出的前向信号，对前向信号进行前端处理，得到并输出前端信号。

S2、检测前端信号频率，搜索导频信道，根据前端信号和搜索到的导频信道连续计算Doppler频差，直至连续3次Doppler频差计算结果相同，记录收发信号时差：

由于接收端的频率稳定度的影响，接收端所测得的前端信号频率为：

其中，α为接收端的频率稳定度，β为α的近似换算值，当α小于设定值时，α＝β；因而，有接收端检测到的前端信号的频率为：

其中，f_r是接收端检测到的前端信号的频率值，v为接收端指向卫星的速度，c为光速，α为接收端的频率稳定度，β为α的近似换算值，当α小于设定值时，α＝β，f_d是前向信号的标称频率，f_sat为前向信号频率在离开卫星转发器时与标称频率之间的差值。

在卫星通信系统中设计前导信道，地面业务管理站向卫星发射导频信号，导频信号的频点、电平等参数可以根据需要及实际运行情况进行灵活设置，上行导频发射信号经过卫星转发后下行，由地面业务管理站接收机负责接收，在地面业务管理站接收机进行导频信道的搜索，频偏搜索范围可以根据用户要求和实际频率搜索算法进行设计，当地面业务管理站接收机将卫星转发下行的导频信号的频率锁定之后，即可得到下行导频信号的频点。

接收端记录好检测到的前向信号的频率，并搜索预设好的导频信道。

接收端检测到的接收频差为：

其中，f_det为接收端检测到的接收频差，f_sat为前向信号频率在离开卫星转发器时与标称频率之间的差值，f_d是前向信号的标称频率，v为接收端指向卫星的速度，c为光速，α为接收端的频率稳定度，β为α的近似换算值，当α小于设定值时，α＝β。

Doppler频差的计算方法如下：

其中，f_dpl为Doppler频差，f_det为接收端检测到的接收频差，f_sat为前向信号频率在离开卫星转发器时与标称频率之间的差值，f_d是前向信号的标称频率，v为接收端指向卫星的速度，c为光速，α为接收端的频率稳定度，β为α的近似换算值，当α小于设定值时，α＝β。

根据上述计算方法连续计算Doppler频差，直至连续3次Doppler频差计算结果相同，保证计算结果的准确性解调出收发信号时差和频偏信息，记录收发信号时差。

S3、根据Doppler频差的计算结果对前端信号进行补偿，得到补偿后的信号：

接收端发送信号的频率为f_u，为了弥补Doppler频差，经补偿后实际发送的信号的频率为f_t’：

其中，f_dpl为Doppler频差，f_d是前向信号的标称频率，f_det为接收端检测到的接收频差，f_sat为前向信号频率在离开卫星转发器时与标称频率之间的差值；

因而补偿的频率分量为：

f_det包括f_检测和f_PLL，所以有：

其中，f_cmp为补偿的频率分量，f_det为接收端检测到的接收频差，f_sat为前向信号频率在离开卫星转发器时与标称频率之间的差值，f_u为接收端发送信号的频率，f_d是前向信号的标称频率。

由于接收端的频率稳定度的影响，接收端最终得到的补偿后的信号为：

其中，f_t为补偿后的信号，f_u为接收端接发送信号的频率数值，f_dpl为Doppler频差，f_d是前向信号的标称频率，v为接收端指向卫星的速度，c为光速，α为接收端的频率稳定度，β为α的近似换算值，当α小于设定值时，α＝β。

当接收端采用一般参考源时(参数精度在0.1ppm以下)则需要进行二次校频。如果终端采用原子钟(参考精度在0.001ppm以上)时，则接收端最终输出补偿后的信号计算公式中的后面两项可以忽略不计，有：

上行到达卫星的频率为：

其中，f_ts为上行到达卫星的频率，f_t为接收端最终输出的补偿后的信号，v为接收端指向卫星的速度，c为光速。

接收端对发送频率的补偿均在采样频率上完成，即在与射频前端处理不服完成对发送信号的上行频率补偿。

S4、根据收发信号时差校准接收端中时钟的时间，输出带有时间信息的补偿后的信号：

根据步骤S2中记录的收发信号时差，对接收端中时钟的时间进行校准，将校准后的时间信息并入步骤S3中得到的补偿后的信号中，并输出，从而实现对其他诸如业务信道、数据信道等信道的解调。

实施例二：

为了验证本发明中收发信号的频偏补偿，选用某一GEO卫星通信为例，其上行频率为6GHz，下行频率为4GHz。

本发明提供的一种卫星通信频偏校准系统，包括收发天线、射频前端、导频信道解调器及时钟，可以用于实施上述实施例一提供的一种卫星通信频偏校准方法。

收发天线和射频前端用于协同实施上述实施例一中的步骤S1:收发天线接收卫星发出的前向信号，射频前端对前向信号进行前端处理，得到前端信号,收发天线发送前端信号给导频信道解调器。

导频信道解调器和时钟用于协同实施上述实施例一中的步骤S2、S3、S4：检测前端信号频率，搜索导频信道，根据前端信号和搜索到的导频信道连续计算Doppler频差，直至连续3次Doppler频差计算结果相同，记录收发信号时差；根据Doppler频差的计算结果对前端信号进行补偿，得到补偿后的信号；根据收发信号时差校准接收端中时钟的时间，输出带有时间信息的补偿后的信号。

本发明提供的一种卫星通信频偏校准系统，还包括其他信道解调器，其他信道解调器包括业务信道解调器和数据信道解调器；业务信道解调器和数据信道解调器通过上述带有时间信息的补偿后的信号和校准后的时间实现对业务信道和数据信道的解调。

本发明提供的一种卫星通信频偏校准系统，既考虑了卫星和接收端之间的相对运动引起的Doppler频偏，又考虑到接收端的时钟漂移，通过导频信道解调器补偿Doppler频偏和时钟漂移，可快速实现卫星和接收端的频率同步。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种卫星通信频偏校准方法，其特征在于，包括如下步骤：

接收前向信号并进行前端处理，得到前端信号；

检测前端信号频率，搜索导频信道，根据前端信号和搜索到的导频信道连续计算Doppler频差，直至连续3次Doppler频差计算结果相同，记录收发信号时差；

根据Doppler频差的计算结果对前端信号进行补偿，得到补偿后的信号；

根据收发信号时差校准接收端中时钟的时间，输出带有时间信息的补偿后的信号。

2.根据权利要求1所述的一种卫星通信频偏校准方法，其特征在于，检测前端信号频率的方法如下：

其中，f_r是接收端检测到的前向信号的频率值，v为接收端指向卫星的速度，c为光速，α为接收端的频率稳定度，当α小于设定值时，α＝β，f_d是前向信号的标称频率，f_sat为前向信号频率在离开卫星转发器时与标称频率之间的差值。

3.根据权利要求1所述的一种卫星通信频偏校准方法，其特征在于，计算Doppler频差的方法如下：

其中，f_dpl为Doppler频差，f_det为接收端检测到的接收频差，f_sat为前向信号频率在离开卫星转发器时与标称频率之间的差值，f_d是前向信号的标称频率，v为接收端指向卫星的速度，c为光速，α为接收端的频率稳定度，当α小于设定值时，α＝β。

4.根据权利要求3所述的一种卫星通信频偏校准方法，其特征在于，所述接收端检测到的接收频差通过如下方式检测：

其中，f_det为接收端检测到的接收频差，f_sat为前向信号频率在离开卫星转发器时与标称频率之间的差值，f_d是前向信号的标称频率，v为接收端指向卫星的速度，c为光速，α为接收端的频率稳定度，当α小于设定值时，α＝β。

5.根据权利要求1所述的一种卫星通信频偏校准方法，其特征在于，所述带有时间信息的补偿后的信号为：

其中，f_t为补偿后的信号，f_u为接收端接发送信号的频率数值，f_dpl为Doppler频差，f_d是前向信号的标称频率，v为接收端指向卫星的速度，c为光速，α为接收端的频率稳定度，当α小于设定值时，α＝β。

6.一种卫星通信频偏校准系统，其特征在于，包括收发天线、射频前端、导频信道解调器及时钟；

收发天线：用于接收和发送前向信号，

射频前端：用于对收发天线接收到的前向信号进行前端处理，得到前端信号；

导频信道解调器：用于检测前端信号频率，搜索导频信道，根据前端信号和搜索到的导频信道连续计算Doppler频差，直至连续3次Doppler频差计算结果相同，记录收发信号时差，根据Doppler频差的计算结果对前端信号进行补偿，得到补偿后的信号，根据收发信号时差校准接收端中时钟的时间，输出带有时间信息的补偿后的信号。

7.根据权利要求6所述的一种卫星通信频偏校准系统，其特征在于，还包括其他信道解调器，所述其他信道解调器包括业务信道解调器和数据信道解调器；业务信道解调器和数据信道解调器通过所述带有时间信息的补偿后的信号和校准后的时间实现对业务信道和数据信道的解调。

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