CN113660718A - 一种卫星通信中时间同步的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种卫星通信中时间同步的方法及系统，本发明将卫星基站和地面终端分别同步到GPS卫星，由地面终端接收卫星基站发送的下行信号，根据下行信号和扩频码序列进行相关，寻找相关峰值超过阈值的时刻，然后测量该时刻与参考时钟的时间差，根据该时间差调整下行参考时钟延时，完成下行时间同步，根据该时间差调整上行参考时钟提前量，完成上行时间同步。通过本发明能够准确的完成卫星通信中时间同步。而且该下行时间同步和上行时间同步简单，不需要专门的上行Preamble，仅通过一次下行信号接收即可完成上行时间同步。同时，本发明的同步范围广，可覆盖到几千公里。

Description

一种卫星通信中时间同步的方法及系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种卫星通信中时间同步的方法及系统。

背景技术

卫星通信由于其在覆盖面积、通信带宽上的优势，逐渐受到人们的重视。卫星移动通信指移动用户之间或移动用户与固定用户之间，利用通信卫星作为中继站进行的通信方式。低地球轨道(Low Earth Orbit，LEO)卫星的轨道高度在500～2000公里之间，因而低地球轨道卫星移动通信系统信号的路径衰耗小，信号时延相比地球同步轨道(GeostationaryOrbit，GEO)卫星、中地球轨道(Middle Earth Orbit，MEO)卫星要小。LEO卫星的重量较小、研制周期短，费用低，且能以“一箭多星”的方式发射，可做到真正的全球覆盖。

低地球轨道卫星移动通信系统具有许多优点，但同时也面临着诸多挑战。卫星移动通信系统中卫星与地面用户终端的距离比起地面移动通信系统的基站与终端的距离大很多。LEO卫星与地球的星地距离在500km-2000km之间，地面移动通信中的基站与终端的距离在几公里左右。一方面，较大的通信距离产生较大的时延；另一方面，LEO卫星与地球的星地距离处于不断的实时变化中，即，通信时延也处在不断的变化之中。这种实时变化的大时延给卫星与地面终端的时间同步带来了挑战。

因此，如何设计一种能够准确的完成卫星通信中时间同步的方法及系统，成为本领域当前要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种卫星通信中时间同步的方法及系统，解决了传统通信系统不能准确完成卫星通信中时间同步的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种卫星通信中时间同步的方法，该方法包括：

分别将地面终端和卫星基站同步到GPS卫星，通过所述地面终端接收所述卫星基站发送的下行信号；

通过所述地面终端产生扩频码序列；

将所述扩频码序列与所述下行信号中的数据进行相关，得到峰值；

判断所述峰值是否超过阈值；

若否，将所述扩频码序列进行循环移位，返回步骤“将所述扩频码序列与所述下行信号中的数据进行相关，得到峰值”；

若是，测量所述峰值超过阈值的出现时刻与所述地面终端的参考时钟的时间差，所述时间差为所述下行信号在空间中的飞行时间；

根据所述时间差调整所述地面终端的下行参考时钟延时，完成下行时间同步；

根据所述时间差调整所述地面终端的上行参考时钟的提前量，完成上行时间同步。

可选的，所述卫星基站发送下行信号具体包括：

通过所述卫星基站的第一GPS接收机接收所述GPS卫星的导航信号；

根据所述导航信号解调出所述卫星基站的星历数据和第一PPS秒脉冲信号，并将所述星历数据发送给发信机的第一基带，将所述第一PPS秒脉冲信号发送给发信机的第一时钟驯服电路；

通过所述第一时钟驯服电路输出与所述第一PPS秒脉冲信号同步的第一时钟和第一参考时钟，并将所述第一时钟和所述第一参考时钟输入到所述第一基带，使所述卫星基站同步到所述GPS卫星；

通过所述卫星基站的第一数据管理单元将第一业务数据也发送给所述第一基带；

将所述第一基带接收到的所述星历数据和所述第一业务数据以及第一基带自产生的状态信息进行处理得到第一中频信号，所述第一基带自产生的状态信息包括基站配置器产生的基站配置表和调度器产生的调度信息，所述调度信息包括下行资源分配表、上行资源分配表；所述基站配置表包括网络中心ID、网关ID、卫星ID、波束ID；其中，所述星历数据、所述基站配置表和所述调度信息组成广播数据；

将所述第一中频信号输入到所述发信机的第一发射前端进行上变频、功率放大和滤波，得到第一射频信号，所述第一射频信号即为下行信号；

通过发信机的第一发射天线将所述第一射频信号发送出去。

可选的，所述下行信号为若干个时分复用无线帧，每个所述时分复用无线帧包括若干个子帧，每个子帧包括若干个时隙，每个时隙包括若干个符号；所述子帧包括数据子帧和下行同步控制子帧，所述数据子帧承载第一业务数据，所述下行同步控制子帧承载所述广播数据。

可选的，将所述第一基带接收到的所述星历数据和所述第一业务数据以及第一基带自产生的状态信息进行处理得到第一中频信号具体包括：

将所述第一业务数据进行相位调制，得到第一复数数据；

对所述第一复数数据进行资源映射、IFFT变换，得到第一多载波信号；

对所述第一多载波信号添加循环前缀，完成CP-OFDM调制，得到调制后的第一业务数据；

将所述基站配置表、所述调度信息和所述星历数据在第一复接器中按照时间进行复接，得到第一组合数据；

将所述第一组合数据进行相位调制，得到第二复数数据；

将所述第二复数数据与特定的扩频码相乘，完成扩频调制，得到调制后的广播数据；

将所述调制后的第一业务数据和所述调制后的广播数据在第二复接器中按照时间进行复接，得到第二组合数据；

将所述第二组合数据存入到第一乒乓FIFO中，所述第一乒乓FIFO的读出端口在所述第一参考时钟的触发下读出；

将读出的数据依次通过第一数模转换器和第一滤波器进行数模转换和滤波，得到所述第一中频信号。

可选的，将所述扩频码序列与所述下行信号中的数据进行相关，得到峰值具体包括：

通过收发信机的第一接收天线接收所述下行信号；

将所述下行信号发送给第一接收前端进行下变频，得到第一中频信号；

将所述第一中频信号依次通过第二滤波器和第一模数转换器进行滤波和模数转换，得到采样数据点；

将所述采样数据点存入到第二乒乓FIFO中；

从所述第二乒乓FIFO中采用滑动窗口获取采样数据点；

通过第二基带的本地扩频码单元产生扩频码序列；

将所述扩频码序列与所述获取的采样数据点进行相关，得到峰值。

本发明还提供了一种卫星通信中时间同步的系统，该系统包括：卫星基站和地面终端；所述卫星基站安装在低地球轨道卫星上，所述地面终端在地面使用；

所述卫星基站包括：

第一GPS接收机，与GPS卫星接收天线连接，用于接收GPS卫星的导航信号，并根据所述导航信号解调出所述卫星基站的星历数据和第一PPS秒脉冲信号；

第一数据管理单元，用于生成第一业务数据；

发信机，分别与所述第一GPS接收机和所述第一数据管理单元连接，用于接收所述星历数据、所述第一PPS秒脉冲信号和所述第一业务数据；所述发信机根据所述第一PPS秒脉冲信号同步到所述GPS卫星，所述发信机根据接收到的所述星历数据和所述第一业务数据以及所述发信机的第一基带自产生的状态信息得到下行信号，将所述下行信号发送给所述地面终端；

所述地面终端包括：

第二GPS接收机，与所述GPS卫星接收天线连接，用于接收所述GPS卫星的导航信号，并根据所述导航信号解调出所述地面终端的接收机位置数据和第二PPS秒脉冲信号；

第二数据管理单元，用于生成第二业务数据；

收发信机，分别与所述第二GPS接收机和所述第二数据管理单元连接，用于接收所述下行信号；所述收发信机还用于接收所述接收机位置数据、所述第二PPS秒脉冲信号和所述第二业务数据；所述收发信机根据所述第二PPS秒脉冲信号同步到所述GPS卫星，所述收发信机根据接收到的所述接收机位置数据和所述第二业务数据以及所述收发信机的第二基带自产生的状态信息得到上行信号，将所述上行信号发送给所述卫星基站。

可选的，所述发信机包括：

第一时钟驯服电路，与所述第一GPS接收机连接，用于输出与所述GPS卫星同步的第一时钟和第一参考时钟；

第一基带，分别与所述第一时钟驯服电路、所述第一GPS接收机和所述第一数据管理单元连接，用于接收所述第一时钟和所述第一参考时钟，使所述卫星基站同步到所述GPS卫星；还用于接收所述星历数据和所述第一业务数据，并根据所述星历数据、所述第一业务数据和所述第一基带自产生的状态信息得到第一中频信号；

第一发射前端，与所述第一基带连接，用于接收所述第一中频信号，并将所述第一中频信号进行变频、功率放大和滤波得到第一射频信号，所述第一射频信号即为下行信号；

第一发射天线，与所述第一发射前端连接，用于发送所述第一射频信号。

可选的，所述第一基带包括：

第一相位调制器，与所述第一数据管理单元连接，用于对所述第一业务数据进行相位调制，得到第一复数数据；

第一资源映射单元，与所述第一相位调制器连接，用于对所述第一复数数据进行资源映射、IFFT变换，得到第一多载波信号；

第一CP-OFDM调制单元，与所述第一资源映射单元连接，用于对所述第一多载波信号添加循环前缀，完成CP-OFDM调制，得到调制后的第一业务数据；

调度器，用于产生调度信息，所述调度信息包括下行资源分配表、上行资源分配表；

基站配置器，用于产生基站配置表，所述基站配置表包括网络中心ID、网关ID、卫星ID、波束ID；

第一复接器，分别与所述调度器、所述基站配置器和所述第一GPS接收机通信连接，用于将所述基站配置表、所述调度信息和所述星历数据按照时间进行复接，得到第一组合数据；其中，所述星历数据、所述基站配置表和所述调度信息组成广播数据；

第二相位调制器，与所述第一复接器连接，用于对所述第一组合数据进行相位调制，得到第二复数数据；

扩频调制器，与所述第二相位调制器连接，用于将所述第二复数数据与特定的扩频码相乘，完成扩频调制，得到调制后的广播数据；

第二复接器，分别与所述第一CP-OFDM调制单元和所述扩频调制器连接，用于将所述调制后的第一业务数据和所述调制后的广播数据按照时间进行复接，得到第二组合数据；

第一乒乓FIFO，与所述第二复接器连接，用于存储所述第二组合数据，所述第一乒乓FIFO的读出端口在所述第一参考时钟的触发下读出；

第一数模转换器，与所述第一乒乓FIFO连接，用于将读出的数据进行数模转换，得到数模转换后的第一读出数据；

第一滤波器，与所述第一数模转换器连接，用于将所述第一读出数据进行滤波，得到第一中频信号。

可选的，所述收发信机包括：

第二时钟驯服电路，与所述第二GPS接收机连接，用于输出与所述GPS卫星同步的第二时钟和第二参考时钟；

第二基带，分别与所述第二时钟驯服电路、所述第二GPS接收机和所述第二数据管理单元连接，用于接收所述第二时钟和所述第二参考时钟，使所述地面终端同步到所述GPS卫星；还用于接收所述接收机位置数据和所述第二业务数据，并根据所述接收机位置数据、所述第二业务数据和所述第二基带自产生的状态信息得到第二中频信号；

第二发射前端，与所述第二基带连接，用于接收所述第二中频信号，并将所述第二中频信号进行变频、功率放大和滤波得到第二射频信号，所述第二射频信号即为上行信号；

第二发射天线，与所述第二发射前端连接，用于发送所述第二射频信号；

第一接收天线，用于接收所述下行信号；

第一接收前端，分别与所述第一接收天线和所述第二基带连接，用于接收所述下行信号，将所述下行信号进行下变频，得到第一中频信号，并将所述第一中频信号发送给所述第二基带。

可选的，所述第二基带包括：

第二滤波器，与所述第一接收前端连接，用于对所述第一中频信号进行滤波，得到滤波后的第一中频信号；

第一模数转换器，与所述第二滤波器连接，用于对所述滤波后的第一中频信号进行模数转换，得到采样数据点；

第二乒乓FIFO，与所述第一模数转换器连接，用于存储所述采样数据点；

滑动窗口单元，与所述第二乒乓FIFO连接，用于从所述第二乒乓FIFO中采用滑动窗口获取采样数据点；

本地扩频码单元，用于产生扩频码序列；

相关单元，分别与所述滑动窗口单元和所述本地扩频码单元连接，用于将所述扩频码序列与所述获取的采样数据点进行相关，得到峰值；

峰值检测单元，分别与所述相关单元和所述本地扩频码单元连接，用于判断所述峰值是否超过阈值；

若否，将所述扩频码序列进行循环移位，返回相关单元；

若是，通过时差测量与调整单元测量所述峰值超过阈值的出现时刻与所述地面终端的参考时钟的时间差，所述时间差为所述下行信号在空间中的飞行时间；根据所述时间差调整所述地面终端的下行参考时钟延时，完成下行时间同步；根据所述时间差调整所述地面终端的上行参考时钟的提前量，完成上行时间同步；

所述第二基带还包括：

第二相位调制器，与所述第二数据管理单元连接，用于对所述第二业务数据进行相位调制，得到第三复数数据；

第二资源映射单元，与所述第二相位调制器连接，用于对所述第三复数数据进行资源映射、IFFT变换，得到第二多载波信号；

第二CP-OFDM调制单元，与所述第二资源映射单元连接，用于对所述第二多载波信号添加循环前缀，完成CP-OFDM调制，得到调制后的第二业务数据；

第三乒乓FIFO，分别与所述时差测量与调整单元和所述第二CP-OFDM调制单元连接，用于存储所述调制后的第二业务数据，所述第三乒乓FIFO的读出端口在所述上行参考时钟的触发下读出；

第二数模转换器，与所述第三乒乓FIFO连接，用于将读出的数据进行数模转换，得到数模转换后的第二读出数据；

第三滤波器，与所述第二数模转换器连接，用于将所述第二读出数据进行滤波，得到第二中频信号。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种卫星通信中时间同步的方法及系统，本发明将卫星基站和地面终端分别同步到GPS卫星，由地面终端接收卫星基站发送的下行信号，根据下行信号和扩频码序列进行相关，寻找相关峰值超过阈值的时刻，然后测量该时刻与参考时钟的时间差，根据该时间差调整下行参考时钟延时，完成下行时间同步，根据该时间差调整上行参考时钟提前量，完成上行时间同步。通过本发明能够准确的完成卫星通信中时间同步。而且该下行时间同步和上行时间同步简单，不需要专门的上行Preamble，仅通过一次下行信号接收即可完成上行时间同步。同时，本发明的同步范围广，可覆盖到几千公里。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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为本发明实施例1提供的一种卫星通信中时间同步的方法的流程图；

图2为本发明实施例2提供的一种卫星通信中时间同步的系统的结构示意图；

图3为卫星基站的结构示意图；

图4为第一时钟驯服电路功能示意图；

图5为卫星基站无线帧格式示意图；

图6为第一基带的功能流程示意图；

图7为地面终端的结构示意图；

图8为第二基带的功能流程示意图；

图9为时间同步流程示意图。

符号说明：

1、卫星基站；2、GPS卫星接收天线；3、地面终端；11、第一GPS接收机；12、第一数据管理单元；13、发信机；131、第一时钟驯服电路；132、第一基带；133、第一发射前端；134、第一发射天线；1321、调度器；1322、基站配置器；1323、第一复接器；1324、第二复接器；1325、第一乒乓FIFO；1326、第一数模转换器；1327、第一滤波器；1328、第一相位调制器；1329、第一资源映射单元；13210、第一CP-OFDM调制单元；13211、第二相位调制器；13212、扩频调制器；31、第二GPS接收机；32、第二数据管理单元；33、收发信机；331、第二时钟驯服电路；332、第二基带；333、第一接收前端；334、第一接收天线；335、第二发射前端；336、第二发射天线；3321、第二滤波器；3322、第一模数转换器；3323、第二乒乓FIFO；3324、本地扩频码单元；3325、时差测量与调整单元；3326、第一解复接器；3327、解扩频调制器；3328、第一解相位调制器；3329、第二解复接器；33210、解CP-OFDM调制单元；33211、解映射单元；33212、第二解相位调制器；33213、第三乒乓FIFO；33214、第二数模转换器；33215、第三滤波器；33216、滑动窗口单元；33217、相关单元；33218、峰值检测单元；33219、第二相位调制器；33220、第二资源映射单元；33221、第二CP-OFDM调制单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种卫星通信中时间同步的方法及系统，通过本发明能够准确的完成卫星通信中时间同步，而且仅通过一次下行信号接收即可完成上下时间同步。

与本发明有关的专业术语的定义如下：

CP-OFDM，Cyclic Prefix-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，循环前缀正交频分复用；

LEO，Low Earth Orbit，低地球轨道；

MEO，Middle Earth Orbit，中地球轨道；

GEO，Geostationary Orbit，地球静止(同步)轨道；

FIFO，First InputFirst Output，先入先出队列；

PPS，Pulse Per Second，秒脉冲。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

请参阅图1，本发明提供了一种卫星通信中时间同步的方法，该方法包括：

S1：分别将地面终端和卫星基站同步到GPS卫星，通过所述地面终端接收所述卫星基站发送的下行信号；

S2：通过所述地面终端产生扩频码序列；

S3：将所述扩频码序列与所述下行信号中的数据进行相关，得到峰值；

S4：判断所述峰值是否超过阈值；

S5：若否，将所述扩频码序列进行循环移位，返回步骤“将所述扩频码序列与所述下行信号中的数据进行相关，得到峰值”；

S6：若是，测量所述峰值超过阈值的出现时刻与所述地面终端的参考时钟的时间差，所述时间差为所述下行信号在空间中的飞行时间；

S7：根据所述时间差调整所述地面终端的下行参考时钟延时，完成下行时间同步；

S8：根据所述时间差调整所述地面终端的上行参考时钟的提前量，完成上行时间同步。

具体的时间同步流程如图9所示。

在步骤S1中，所述卫星基站发送下行信号具体包括：

S11：通过所述卫星基站的第一GPS接收机接收所述GPS卫星的导航信号；

S12：根据所述导航信号解调出所述卫星基站的星历数据和第一PPS秒脉冲信号，并将所述星历数据发送给发信机的第一基带，将所述第一PPS秒脉冲信号发送给发信机的第一时钟驯服电路；其中，星历数据包括第一GPS接收机的位置、速度和时间信息，也即LEO卫星的位置、速度和时间信息。

S13：通过所述第一时钟驯服电路输出与所述第一PPS秒脉冲信号同步的第一时钟和第一参考时钟，并将所述第一时钟和所述第一参考时钟输入到所述第一基带，使所述卫星基站同步到所述GPS卫星；

其中第一时钟驯服电路用于驯服本地时钟，即将卫星基站本地的晶振时钟同步到GPS卫星上，同时生成参考时钟。晶振时钟用做系统时钟，参考时钟用于触发下行信号帧中某一个单帧的发送，即第一基带接收到参考时钟的触发时启动一帧的发送，该参考信号用于帧的同步、对齐发送。参考时钟脉冲的周期与帧的长度相关。参考时钟脉冲的前沿与PPS前沿同步。由于基站开机的随机性及其他随机因素，晶振时钟信号相位也是随机的。当所有的卫星基站的时钟都驯服、同步到GPS卫星时，所有的基站也就获得时钟同步；所有的卫星基站参考时钟都同步到GPS卫星系统的PPS时，所有的基站获得下行信号帧的同步。第一时钟驯服电路的功能示意图见图4，该电路的实现方案已经比较成熟，在此不再赘述。

S14：通过所述卫星基站的第一数据管理单元将第一业务数据也发送给所述第一基带；

S15：将所述第一基带接收到的所述星历数据和所述第一业务数据以及第一基带自产生的状态信息进行处理得到第一中频信号，所述第一基带自产生的状态信息包括基站配置器产生的基站配置表和调度器产生的调度信息，所述调度信息包括下行资源分配表、上行资源分配表；所述基站配置表包括网络中心ID、网关ID、卫星ID、波束ID；其中，所述星历数据、所述基站配置表和所述调度信息组成广播数据；

S16：将所述第一中频信号输入到所述发信机的第一发射前端进行上变频、功率放大和滤波，得到第一射频信号，所述第一射频信号即为下行信号；

S17：通过发信机的第一发射天线将所述第一射频信号发送出去。

如图5所示，所述下行信号为若干个时分复用无线帧，每个所述时分复用无线帧包括若干个子帧，每个子帧包括若干个时隙，每个时隙包括若干个符号；所述子帧包括数据子帧和下行同步控制子帧，所述数据子帧承载第一业务数据，例如语音、图像、数据等；所述下行同步控制子帧承载所述广播数据，同时具有下行同步控制功能。广播数据根据不同卫星、卫星的不同状态而不同。

在本实施例的步骤S15中，将所述第一基带接收到的所述星历数据和所述第一业务数据以及第一基带自产生的状态信息进行处理得到第一中频信号具体包括：

S151：将所述第一业务数据进行相位调制，BPSK、QPSK、8APSK或32APSK等，得到第一复数数据；

S152：对所述第一复数数据进行资源映射、IFFT变换，得到第一多载波信号，IFFT的长度(32、64、512、1024、2048、4096等)依据系统设计而定，此处不做限定；

S153：对所述第一多载波信号添加循环前缀，完成CP-OFDM调制，得到调制后的第一业务数据；

S154：将所述基站配置表、所述调度信息和所述星历数据在第一复接器中按照时间进行复接，得到第一组合数据；

S155：将所述第一组合数据进行相位调制，BPSK、QPSK等，得到第二复数数据；

S156：将所述第二复数数据与特定的扩频码相乘，完成扩频调制，得到调制后的广播数据；其中，扩频码的类型、长度等依据系统设计而定，扩频码可以是m序列、GOLD序列或Zadoff-chu序列。

S157：将所述调制后的第一业务数据和所述调制后的广播数据在第二复接器中按照时间进行复接，得到第二组合数据；

S158：将所述第二组合数据存入到第一乒乓FIFO中，所述第一乒乓FIFO的读出端口在所述第一参考时钟的触发下读出；

S159：将读出的数据依次通过第一数模转换器和第一滤波器进行数模转换和滤波，得到所述第一中频信号。

在本实施例中的步骤S3中，将所述扩频码序列与所述下行信号中的数据进行相关，得到峰值具体包括：

S31：通过收发信机的第一接收天线接收所述下行信号；

S32：将所述下行信号发送给第一接收前端进行下变频，得到第一中频信号；

S33：将所述第一中频信号依次通过第二滤波器和第一模数转换器进行滤波和模数转换，得到采样数据点；

S34：将所述采样数据点存入到第二乒乓FIFO中；第二乒乓FIFO中缓存数据的长度大于2个时分复用无线帧长度。

S35：从所述第二乒乓FIFO中采用滑动窗口获取一段采样数据点，该段采样数据点的长度等于下行同步控制子帧的长度；

S36：通过第二基带的本地扩频码单元产生扩频码序列；

S37：将所述扩频码序列与所述获取的采样数据点进行相关，得到峰值。

具体的，在上下行时间同步完成后，进行下行信号数据接收。

第一解复接器以下行参考时钟为参考，按照时分复用无线帧格式将第二乒乓FIFO中的数据解复接，得到广播数据和第一业务数据。

针对广播数据：首先利用上下行同步过程中的捕获扩频码序列(移位后的扩频序列)，对解复接后的数据进行解扩频，然后对解扩频后的数据进行相位解调，BPSK、QPSK等。解调后的数据在第二解复接器中解析出基站配置表、调度信息和星历数据，完成广播数据的接收。

针对业务数据：首先去除解复接后的数据的循环前缀，然后进行FFT，FFT点数与卫星发信机相同。FFT后的数据依次解映射、相位解调等，完成第一业务数据的接收。

通过本发明提供的卫星通信中时间同步的方法，可以既简单又准确的实现下行时间同步和上行时间同步，而且仅通通过一次下行信号接收即可完成上行时间同步，因此，可以大大提高通信效率。

下面以具体的实施例说明本发明的同步过程：

若卫星近地点高度804公里、远地点高度821公里。最大斜距约2800km，对应的时延约9.3ms。下行频率137.77MHz。

时分复用无线帧长度100ms，每个时分复用无线帧包含10个子帧，每个数据子帧长度10ms，下行同步控制子帧长10ms。

当前的星历为：时间：2021年4月8日18时43分56秒0毫秒，经度161W、纬度63N。地面终端的位置为经度151W、纬度65N，当前的星地距离为1023km。

系统扩频码采用m序列伪随机码，序列长度16383。码速率1.6383MHz，码重复周期为10ms。

卫星基站端，第一基带通过第二时钟驯服电路将卫星基站同步到GPS卫星。第一发信机将网络中心ID、网关ID、卫星ID、波束ID、卫星基站当前星历进行BPSK并对调制后的复数数据扩频调制，按照时分复用无线帧格式与第一业务数据复接组合，并在参考时钟的触发下发送到地面终端。

地面终端通过第二时钟驯服电路同步到GPS卫星，接收卫星基站发送的下行信号。

下行信号的空间传播时间为1023km/3×10⁸m/s＝3.4ms，即时延为Δt＝3.4ms。

在地面终端侧，地面终端接收到的时分复用无线帧的同步控制子帧的起始点相对于地面终端第二参考时钟脉冲的前沿延时为：100ms-10ms-3.4ms＝86.6ms。

地面终端的第二乒乓FIFO缓存200ms数据，滑动窗口为10ms依次从第二乒乓FIFO中获取数据，并与本地m序列的数据做相关运算，并检测峰值。当滑窗到第9段，且本地伪随机码移位5586位时接收数据与本地扩频码的相关峰最大。此时可计算得到相对时间差Δt＝3.4ms。然后根据该时差，将地面终端下行参考时钟延时3.4ms，完成下行同步。将地面终端上行参考时钟提前3.4ms，完成上行同步。

实施例2：

请参阅图2，本发明提供了一种卫星通信中时间同步的系统，该系统包括：

包括：卫星基站1和地面终端3；所述卫星基站1安装在低地球轨道卫星上，所述地面终端3在地面使用；

如图3所示，所述卫星基站1包括：

第一GPS接收机11，与GPS卫星接收天线2连接，用于接收GPS卫星的导航信号，并根据所述导航信号解调出所述卫星基站1的星历数据和第一PPS秒脉冲信号；

第一数据管理单元12，用于生成第一业务数据；

发信机13，分别与所述第一GPS接收机11和所述第一数据管理单元12连接，用于接收所述星历数据、所述第一PPS秒脉冲信号和所述第一业务数据；所述发信机13根据所述第一PPS秒脉冲信号同步到所述GPS卫星，所述发信机13根据接收到的所述星历数据和所述第一业务数据以及所述发信机的第一基带132自产生的状态信息得到下行信号，将所述下行信号发送给所述地面终端3；

如图7所示，所述地面终端3包括：

第二GPS接收机31，与所述GPS卫星接收天线2连接，用于接收GPS卫星的导航信号，并根据所述导航信号解调出所述地面终端3的接收机位置数据和第二PPS秒脉冲信号；

第二数据管理单元32，用于生成第二业务数据；

收发信机33，分别与所述第二GPS接收机31和所述第二数据管理单元32连接，用于接收所述下行信号；所述收发信机33还用于接收所述接收机位置数据、所述第二PPS秒脉冲信号和所述第二业务数据；所述收发信机33根据所述第二PPS秒脉冲信号同步到所述GPS卫星，所述收发信机33根据接收到的所述接收机位置数据和所述第二业务数据以及所述收发信机33的第二基带332自产生的状态信息得到上行信号，将所述上行信号发送给所述卫星基站1。

具体的，所述发信机13包括：

第一时钟驯服电路131，与所述第一GPS接收机11连接，用于输出与所述GPS卫星同步的第一时钟和第一参考时钟；

第一基带132，分别与所述第一时钟驯服电路131、所述第一GPS接收机11和所述第一数据管理单元12连接，用于接收所述第一时钟和所述第一参考时钟，使所述卫星基站1同步到GPS卫星；还用于接收所述星历数据和所述第一业务数据，并根据所述星历数据、所述第一业务数据和所述第一基带132自产生的状态信息得到第一中频信号；

第一发射前端133，与所述第一基带132连接，用于接收所述第一中频信号，并将所述第一中频信号进行变频、功率放大和滤波得到第一射频信号，所述第一射频信号即为下行信号；

第一发射天线134，与所述第一发射前端133连接，用于发送所述第一射频信号。

如图6所示，所述第一基带132包括：

第一相位调制器1328，与所述第一数据管理单元12连接，用于对所述第一业务数据进行相位调制，得到第一复数数据；

第一资源映射单元1329，与所述第一相位调制器1328连接，用于对所述第一复数数据进行资源映射、IFFT变换，得到第一多载波信号；

第一CP-OFDM调制单元13210，与所述第一资源映射单元1329连接，用于对所述第一多载波信号添加循环前缀，完成CP-OFDM调制，得到调制后的第一业务数据；

调度器1321，用于产生调度信息，所述调度信息包括下行资源分配表、上行资源分配表；

基站配置器1322，用于产生基站配置表，所述基站配置表包括网络中心ID、网关ID、卫星ID、波束ID；

第一复接器1323，分别与所述调度器1321、所述基站配置器1322和所述第一GPS接收机11通信连接，用于将所述基站配置表、所述调度信息和所述星历数据按照时间进行复接，得到第一组合数据；其中，所述星历数据、所述基站配置表和所述调度信息组成广播数据；

第二相位调制器13211，与所述第一复接器1323连接，用于对所述第一组合数据进行相位调制，得到第二复数数据；

扩频调制器13212，与所述第二相位调制器13211连接，用于将所述第二复数数据与特定的扩频码相乘，完成扩频调制，得到调制后的广播数据；

第二复接器1324，分别与所述第一CP-OFDM调制单元13210和所述扩频调制器13212连接，用于将所述调制后的第一业务数据和所述调制后的广播数据按照时间进行复接，得到第二组合数据；

第一乒乓FIFO 1325，与所述第二复接器1324连接，用于存储所述第二组合数据，所述第一乒乓FIFO 1325的读出端口在所述第一参考时钟的触发下读出；

第一数模转换器1326，与所述第一乒乓FIFO 1325连接，用于将读出的数据进行数模转换，得到数模转换后的第一读出数据；

第一滤波器1327，与所述第一数模转换器1326连接，用于将所述第一读出数据进行滤波，得到第一中频信号。

具体的，所述收发信机33包括：

第二时钟驯服电路331，与所述第二GPS接收机31连接，用于输出与所述GPS卫星同步的第二时钟和第二参考时钟；所述第二时钟驯服电路331的功能与所述第一时钟驯服电路131的功能相同，不再赘述。

第二基带332，分别与所述第二时钟驯服电路331、所述第二GPS接收机31和所述第二数据管理单元32连接，用于接收所述第二时钟和所述第二参考时钟，使所述地面终端3同步到所述GPS卫星；还用于接收所述接收机位置数据和所述第二业务数据，并根据所述接收机位置数据、所述第二业务数据和所述第二基带自产生的状态信息得到第二中频信号；

第二发射前端335，与所述第二基带332连接，用于接收所述第二中频信号，并将所述第二中频信号进行变频、功率放大和滤波得到第二射频信号，所述第二射频信号即为上行信号；

第二发射天线336，与所述第二发射前端335连接，用于发送所述第二射频信号；

第一接收天线334，用于接收所述下行信号；

第一接收前端333，分别与所述第一接收天线334和所述第二基带332连接，用于接收所述下行信号，将所述下行信号进行下变频，得到第一中频信号，并将所述第一中频信号发送给所述第二基带332。

如图8所示，所述第二基带332包括：

第二滤波器3321，与所述第一接收前端333连接，用于对所述第一中频信号进行滤波，得到滤波后的第一中频信号；

第一模数转换器3322，与所述第二滤波器3321连接，用于对所述滤波后的第一中频信号进行模数转换，得到采样数据点；

第二乒乓FIFO 3323，与所述第一模数转换器3322连接，用于存储所述采样数据点；

滑动窗口单元33216，与所述第二乒乓FIFO 3323连接，用于从所述第二乒乓FIFO3323中采用滑动窗口获取采样数据点；

本地扩频码单元3324，用于产生扩频码序列；

相关单元33217，分别与所述滑动窗口单元33216和所述本地扩频码单元3324连接，用于将所述扩频码序列与所述获取的采样数据点进行相关，得到峰值；

峰值检测单元33218，分别与所述相关单元33217和所述本地扩频码单元3324连接，用于判断所述峰值是否超过阈值；

若否，将所述扩频码序列进行循环移位，返回相关单元33217；

若是，通过时差测量与调整单元3325测量所述峰值超过阈值的出现时刻与所述地面终端的参考时钟的时间差，所述时间差为所述下行信号在空间中的飞行时间；根据所述时间差调整所述地面终端3的下行参考时钟延时，完成下行时间同步；根据所述时间差调整所述地面终端3的上行参考时钟的提前量，完成上行时间同步；

具体的，所述第二基带332还包括：

第二相位调制器33219，与所述第二数据管理单元32连接，用于对所述第二业务数据进行相位调制，得到第三复数数据；

第二资源映射单元33220，与所述第二相位调制器33219连接，用于对所述第三复数数据进行资源映射、IFFT变换，得到第二多载波信号；

第二CP-OFDM调制单元33221，与所述第二资源映射单元33220连接，用于对所述第二多载波信号添加循环前缀，完成CP-OFDM调制，得到调制后的第二业务数据；

第三乒乓FIFO 33213，分别与所述时差测量与调整单元3325和所述第二CP-OFDM调制单元33221连接，用于存储所述调制后的第二业务数据，所述第三乒乓FIFO的读出端口在所述上行参考时钟的触发下读出；

第二数模转换器33214，与所述第三乒乓FIFO 33213连接，用于将读出的数据进行数模转换，得到数模转换后的第二读出数据；

第三滤波器33215，与所述第二数模转换器33214连接，用于将所述第二读出数据进行滤波，得到第二中频信号。

如图8所示，所述第二基带332还包括：

第一解复接器3326，分别与所述第二乒乓FIFO 3323和所述时差测量与调整单元3325连接，用于以下行参考时钟为参考，按照时分复用无线帧格式将所述第二乒乓FIFO3323中的数据解复接，得到第一解复接数据；

解扩频调制器3327，与所述第一解复接器3326连接，用于对所述第一解复接数据进行解扩频，得到解扩频数据；

第一解相位调制器3328，与所述解扩频调制器3327连接，用于对所述解扩频数据进行相位解调，得到第一解调数据；

第二解复接器3329，与所述第一解相位调制器3328连接，用于对所述第一解调数据进行解析，得到基站配置表、调度信息和星历数据，完成广播数据的接收。

解CP-OFDM调制单元33210，与所述第一解复接器3326连接，用于去除所述第一解复接数据的循环前缀，进行FFT，得到解CP-OFDM调制数据；

解映射单元33211，与所述解CP-OFDM调制单元33210连接，用于对所述解CP-OFDM调制数据进行解映射，得到解映射数据；

第二解相位调制器33212，与所述解映射单元33211连接，用于对所述解映射数据进行解调，得到第一业务数据，完成第一业务数据的接收。

通过本发明提供的卫星通信中时间同步的系统，可以既简单又准确的实现下行时间同步和上行时间同步，而且仅通通过一次下行信号接收即可完成上行时间同步，因此，可以大大提高通信效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种卫星通信中时间同步的方法，其特征在于，包括：

分别将地面终端和卫星基站同步到GPS卫星，通过所述地面终端接收所述卫星基站发送的下行信号；

通过所述地面终端产生扩频码序列；

将所述扩频码序列与所述下行信号中的数据进行相关，得到峰值；

判断所述峰值是否超过阈值；

若否，将所述扩频码序列进行循环移位，返回步骤“将所述扩频码序列与所述下行信号中的数据进行相关，得到峰值”；

若是，测量所述峰值超过阈值的出现时刻与所述地面终端的参考时钟的时间差，所述时间差为所述下行信号在空间中的飞行时间；

根据所述时间差调整所述地面终端的下行参考时钟延时，完成下行时间同步；

根据所述时间差调整所述地面终端的上行参考时钟的提前量，完成上行时间同步。

2.根据权利要求1所述的卫星通信中时间同步的方法，其特征在于，所述卫星基站发送下行信号，具体包括：

通过所述卫星基站的第一GPS接收机接收所述GPS卫星的导航信号；

根据所述导航信号解调出所述卫星基站的星历数据和第一PPS秒脉冲信号，并将所述星历数据发送给发信机的第一基带，将所述第一PPS秒脉冲信号发送给发信机的第一时钟驯服电路；

通过所述第一时钟驯服电路输出与所述第一PPS秒脉冲信号同步的第一时钟和第一参考时钟，并将所述第一时钟和所述第一参考时钟输入到所述第一基带，使所述卫星基站同步到所述GPS卫星；

通过所述卫星基站的第一数据管理单元将第一业务数据也发送给所述第一基带；

将所述第一基带接收到的所述星历数据和所述第一业务数据以及第一基带自产生的状态信息进行处理得到第一中频信号，所述第一基带自产生的状态信息包括基站配置器产生的基站配置表和调度器产生的调度信息，所述调度信息包括下行资源分配表、上行资源分配表；所述基站配置表包括网络中心ID、网关ID、卫星ID、波束ID；其中，所述星历数据、所述基站配置表和所述调度信息组成广播数据；

将所述第一中频信号输入到所述发信机的第一发射前端进行上变频、功率放大和滤波，得到第一射频信号，所述第一射频信号即为下行信号；

通过发信机的第一发射天线将所述第一射频信号发送出去。

3.根据权利要求2所述的卫星通信中时间同步的方法，其特征在于，所述下行信号为若干个时分复用无线帧，每个所述时分复用无线帧包括若干个子帧，每个子帧包括若干个时隙，每个时隙包括若干个符号；所述子帧包括数据子帧和下行同步控制子帧，所述数据子帧承载第一业务数据，所述下行同步控制子帧承载所述广播数据。

4.根据权利要求2所述的卫星通信中时间同步的方法，其特征在于，将所述第一基带接收到的所述星历数据和所述第一业务数据以及第一基带自产生的状态信息进行处理得到第一中频信号具体包括：

将所述第一业务数据进行相位调制，得到第一复数数据；

对所述第一复数数据进行资源映射、IFFT变换，得到第一多载波信号；

对所述第一多载波信号添加循环前缀，完成CP-OFDM调制，得到调制后的第一业务数据；

将所述基站配置表、所述调度信息和所述星历数据在第一复接器中按照时间进行复接，得到第一组合数据；

将所述第一组合数据进行相位调制，得到第二复数数据；

将所述第二复数数据与特定的扩频码相乘，完成扩频调制，得到调制后的广播数据；

将所述调制后的第一业务数据和所述调制后的广播数据在第二复接器中按照时间进行复接，得到第二组合数据；

将所述第二组合数据存入到第一乒乓FIFO中，所述第一乒乓FIFO的读出端口在所述第一参考时钟的触发下读出；

将读出的数据依次通过第一数模转换器和第一滤波器进行数模转换和滤波，得到所述第一中频信号。

5.根据权利要求1所述的卫星通信中时间同步的方法，其特征在于，通过所述地面终端产生扩频码序列，将所述扩频码序列与所述下行信号中的数据进行相关，得到峰值具体包括：

通过收发信机的第一接收天线接收所述下行信号；

将所述下行信号发送给第一接收前端进行下变频，得到第一中频信号；

将所述第一中频信号依次通过第二滤波器和第一模数转换器进行滤波和模数转换，得到采样数据点；

将所述采样数据点存入到第二乒乓FIFO中；

从所述第二乒乓FIFO中采用滑动窗口获取采样数据点；

通过第二基带的本地扩频码单元产生扩频码序列；

将所述扩频码序列与所述获取的采样数据点进行相关，得到峰值。

6.一种卫星通信中时间同步的系统，其特征在于，包括：卫星基站和地面终端；所述卫星基站安装在低地球轨道卫星上，所述地面终端在地面使用；

所述卫星基站包括：

第一GPS接收机，与GPS卫星接收天线连接，用于接收GPS卫星的导航信号，并根据所述导航信号解调出所述卫星基站的星历数据和第一PPS秒脉冲信号；

第一数据管理单元，用于生成第一业务数据；

发信机，分别与所述第一GPS接收机和所述第一数据管理单元连接，用于接收所述星历数据、所述第一PPS秒脉冲信号和所述第一业务数据；所述发信机根据所述第一PPS秒脉冲信号同步到所述GPS卫星，所述发信机根据接收到的所述星历数据和所述第一业务数据以及所述发信机的第一基带自产生的状态信息得到下行信号，将所述下行信号发送给所述地面终端；

所述地面终端包括：

第二GPS接收机，与GPS卫星接收天线连接，用于接收所述GPS卫星的导航信号，并根据所述导航信号解调出所述地面终端的接收机位置数据和第二PPS秒脉冲信号；

第二数据管理单元，用于生成第二业务数据；

收发信机，分别与所述第二GPS接收机和所述第二数据管理单元连接，用于接收所述下行信号；所述收发信机还用于接收所述接收机位置数据、所述第二PPS秒脉冲信号和所述第二业务数据；所述收发信机根据所述第二PPS秒脉冲信号同步到所述GPS卫星，所述收发信机根据接收到的所述接收机位置数据和所述第二业务数据以及所述收发信机的第二基带自产生的状态信息得到上行信号，将所述上行信号发送给所述卫星基站。

7.根据权利要求6所述的一种卫星通信中时间同步的系统，其特征在于，所述发信机包括：

第一时钟驯服电路，与所述第一GPS接收机连接，用于输出与所述GPS卫星同步的第一时钟和第一参考时钟；

第一基带，分别与所述第一时钟驯服电路、所述第一GPS接收机和所述第一数据管理单元连接，用于接收所述第一时钟和所述第一参考时钟，使所述卫星基站同步到所述GPS卫星；还用于接收所述星历数据和所述第一业务数据，并根据所述星历数据、所述第一业务数据和所述第一基带自产生的状态信息得到第一中频信号；

第一发射前端，与所述第一基带连接，用于接收所述第一中频信号，并将所述第一中频信号进行变频、功率放大和滤波得到第一射频信号，所述第一射频信号即为下行信号；

第一发射天线，与所述第一发射前端连接，用于发送所述第一射频信号。

8.根据权利要求7所述的一种卫星通信中时间同步的系统，其特征在于，所述第一基带包括：

第一相位调制器，与所述第一数据管理单元连接，用于对所述第一业务数据进行相位调制，得到第一复数数据；

第一资源映射单元，与所述第一相位调制器连接，用于对所述第一复数数据进行资源映射、IFFT变换，得到第一多载波信号；

第一CP-OFDM调制单元，与所述第一资源映射单元连接，用于对所述第一多载波信号添加循环前缀，完成CP-OFDM调制，得到调制后的第一业务数据；

调度器，用于产生调度信息，所述调度信息包括下行资源分配表、上行资源分配表；

基站配置器，用于产生基站配置表，所述基站配置表包括网络中心ID、网关ID、卫星ID、波束ID；

第一复接器，分别与所述调度器、所述基站配置器和所述第一GPS接收机通信连接，用于将所述基站配置表、所述调度信息和所述星历数据按照时间进行复接，得到第一组合数据；其中，所述星历数据、所述基站配置表和所述调度信息组成广播数据；

第二相位调制器，与所述第一复接器连接，用于对所述第一组合数据进行相位调制，得到第二复数数据；

扩频调制器，与所述第二相位调制器连接，用于将所述第二复数数据与特定的扩频码相乘，完成扩频调制，得到调制后的广播数据；

第二复接器，分别与所述第一CP-OFDM调制单元和所述扩频调制器连接，用于将所述调制后的第一业务数据和所述调制后的广播数据按照时间进行复接，得到第二组合数据；

第一乒乓FIFO，与所述第二复接器连接，用于存储所述第二组合数据，所述第一乒乓FIFO的读出端口在所述第一参考时钟的触发下读出；

第一数模转换器，与所述第一乒乓FIFO连接，用于将读出的数据进行数模转换，得到数模转换后的第一读出数据；

第一滤波器，与所述第一数模转换器连接，用于将所述第一读出数据进行滤波，得到第一中频信号。

9.根据权利要求6所述的一种卫星通信中时间同步的系统，其特征在于，所述收发信机包括：

第二时钟驯服电路，与所述第二GPS接收机连接，用于输出与所述GPS卫星同步的第二时钟和第二参考时钟；

第二基带，分别与所述第二时钟驯服电路、所述第二GPS接收机和所述第二数据管理单元连接，用于接收所述第二时钟和所述第二参考时钟，使所述地面终端同步到所述GPS卫星；还用于接收所述接收机位置数据和所述第二业务数据，并根据所述接收机位置数据、所述第二业务数据和所述第二基带自产生的状态信息得到第二中频信号；

第二发射前端，与所述第二基带连接，用于接收所述第二中频信号，并将所述第二中频信号进行变频、功率放大和滤波得到第二射频信号，所述第二射频信号即为上行信号；

第二发射天线，与所述第二发射前端连接，用于发送所述第二射频信号；

第一接收天线，用于接收所述下行信号；

第一接收前端，分别与所述第一接收天线和所述第二基带连接，用于接收所述下行信号，将所述下行信号进行下变频，得到第一中频信号，并将所述第一中频信号发送给所述第二基带。

10.根据权利要求9所述的一种卫星通信中时间同步的系统，其特征在于，所述第二基带包括：

第二滤波器，与所述第一接收前端连接，用于对所述第一中频信号进行滤波，得到滤波后的第一中频信号；

第一模数转换器，与所述第二滤波器连接，用于对所述滤波后的第一中频信号进行模数转换，得到采样数据点；

第二乒乓FIFO，与所述第一模数转换器连接，用于存储所述采样数据点；

滑动窗口单元，与所述第二乒乓FIFO连接，用于从所述第二乒乓FIFO中采用滑动窗口获取采样数据点；

本地扩频码单元，用于产生扩频码序列；

相关单元，分别与所述滑动窗口单元和所述本地扩频码单元连接，用于将所述扩频码序列与所述获取的采样数据点进行相关，得到峰值；

峰值检测单元，分别与所述相关单元和所述本地扩频码单元连接，用于判断所述峰值是否超过阈值；

若否，将所述扩频码序列进行循环移位，返回相关单元；

若是，通过时差测量与调整单元测量所述峰值超过阈值的出现时刻与所述地面终端的参考时钟的时间差，所述时间差为所述下行信号在空间中的飞行时间；根据所述时间差调整所述地面终端的下行参考时钟延时，完成下行时间同步；根据所述时间差调整所述地面终端的上行参考时钟的提前量，完成上行时间同步；

所述第二基带还包括：

第二相位调制器，与所述第二数据管理单元连接，用于对所述第二业务数据进行相位调制，得到第三复数数据；

第二资源映射单元，与所述第二相位调制器连接，用于对所述第三复数数据进行资源映射、IFFT变换，得到第二多载波信号；

第二CP-OFDM调制单元，与所述第二资源映射单元连接，用于对所述第二多载波信号添加循环前缀，完成CP-OFDM调制，得到调制后的第二业务数据；

第三乒乓FIFO，分别与所述时差测量与调整单元和所述第二CP-OFDM调制单元连接，用于存储所述调制后的第二业务数据，所述第三乒乓FIFO的读出端口在所述上行参考时钟的触发下读出；

第二数模转换器，与所述第三乒乓FIFO连接，用于将读出的数据进行数模转换，得到数模转换后的第二读出数据；

第三滤波器，与所述第二数模转换器连接，用于将所述第二读出数据进行滤波，得到第二中频信号。

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