CN113708870B - 低轨卫星tdma动中通系统的返向突发发送时间估计方法 - Google Patents

低轨卫星tdma动中通系统的返向突发发送时间估计方法 Download PDF

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CN113708870B CN202110972844.2A CN202110972844A CN113708870B CN 113708870 B CN113708870 B CN 113708870B CN 202110972844 A CN202110972844 A CN 202110972844A CN 113708870 B CN113708870 B CN 113708870B
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Abstract

一种透明转发低轨卫星TDMA动中通系统的返向突发发送时间估计方法，包括：预先计算卫星/主站传输时延与星历时间的函数；根据返向突发到达主站目标时隙的期望星历时间，估算出返向突发到达卫星的星历时间；估算出端站在返向突发到达卫星之前一段时间内的移动过程中，返向上行链路传输时延与星历时间的函数的线性近似函数；根据返向突发到达卫星的星历时间，估算出发送返向突发的星历时间；根据端站侧星历时间与NCR时间的映射关系，将发送返向突发的星历时间映射成端站本地的NCR时间。本方法无需估算返向链路的传输时延便可直接估计出返向突发的发送时间，准确度高且计算简便。

Description

低轨卫星TDMA动中通系统的返向突发发送时间估计方法
技术领域
本发明属于数字通信技术领域，涉及TDMA卫星通信系统的时间同步技术，尤其涉及一种透明转发低轨卫星TDMA动中通系统的返向突发发送时间估计方法。
背景技术
TDMA系统是一种基于时分多址技术的多用户通信系统。在TDMA卫星通信系统中，主站对返向链路的各种时隙进行规划，并为每个入网的端站分配专用时隙进行数据传输。不同端站则根据时隙规划分时共享同一个物理信道。因此，所有端站都需要建立与主站一致的计时系统，以便于准确识别主站规划的时隙及其范围，以及恰当选择返向突发的发送时间，以使返向突发在期望的时间达到期望的时隙。这就是TDMA系统的全网时间同步，其包含两个部分：前向链路时间同步和返向链路时间同步。前向链路时间同步的作用是实现网络时钟参考(NCR)同步，即建立端站计时系统与主站计时系统之间的映射关系，进而达到端站通过本地计时系统识别主站时隙位置的目的。而返向链路时间同步的作用是实现返向突发的到达时间(ToA)同步，即端站准确估计出返向突发的发送时间，并在此时间发送返向突发，以使其准确地落入目标时隙。
如图1所示，估算返向突发发送时间的一般方法是：首先，估算出传输返向突发BF[n]的返向链路的传输时延τRL[n]。然后，用返向突发BF[n]到达主站目标时隙的期望时间tn(已知量)减去返向链路的传输时延τRL[n]，得到返向突发的发送时间t″n。
在低轨卫星通信系统中，由于卫星的位置是随时间变化的，所以返向链路不是一条固定不变的传输链路，它是随时间变化而变化的。准确估计返向链路传输时延的首要前提是正确找到待估计的返向链路是哪一条。对于动中通场景，主站的位置固定不变，而卫星和端站的位置随时间变化，所以返向链路由卫星和端站的位置唯一确定。如图2所示，返向突发BF[n]在t″n时刻从端站发出，在t′n时刻达到卫星，随后被卫星转发给主站，并在tn时刻到达主站。在t″n时刻，端站的位置是R(t″n)；在t′n时刻，卫星的位置是P(t′n)。因此，传输BF[n]的返向链路就是R(t″n)→P(t′n)→H。由于动中通端站处于运动状态，所以，在t″n之前，不可能准确知道端站的位置R(t″n)，进而，无法准确估计出返向链路的传输时延τRL[n]。因此，采用上述方法难以准确估计出返向突发的发送时间。
发明内容
为了解决上述相关现有技术问题，本发明提供一种透明转发低轨卫星TDMA动中通系统的返向突发发送时间估计方法，无需估算返向链路的传输时延便可直接估计出返向突发的发送时间，准确度高且计算简便。
为了实现本发明的目的，本发明拟通过以下技术方案实现：
一种透明转发低轨卫星TDMA动中通系统的返向突发发送时间估计方法，包括以下步骤：
S1、建立直角坐标系
Figure BDA0003226523030000021
以星历时间t为横坐标，并以返向突发BF[n]到达主站目标时隙的期望星历时间tn为横坐标原点；以卫星/主站间的传输时延τ′SAT/HUB(t)为纵坐标，并以0为纵坐标原点。
S2、在直角坐标系
Figure BDA0003226523030000022
中，建立两个线性方程。一个是反恒等直线方程l1:τ′SAT/HUB(t)＝-t，另一个是卫星/主站传输时延与星历时间的函数τSAT/HUB(t)＝g1(t)的坐标平移版本τ′SAT/HUB(t)＝τSAT/HUB(t+tn)＝g1(t+tn)在区间[-T,0]上的局部近似直线段方程l2:/>
Figure BDA0003226523030000023
后者的建立方法是：首先，在曲线τ′SAT/HUB(t)＝g1(t+tn),t∈[-T,0]上选取两个相邻的点(0,g1(tn))和(-T,g1(tμ))，其中，tμ＝tn-T，T是一个时间增量，且/>
Figure BDA0003226523030000031
Figure BDA0003226523030000032
表示返向下行链路自由空间传输时延的最大值。然后，根据上述两点的坐标建立直线段方程，得
Figure BDA0003226523030000033
S3、求解直线l1和直线段l2的交点坐标，得
Figure BDA0003226523030000034
S4、估算返向突发BF[n]到达卫星的星历时间，得
t′n＝tn+tintersect。
S5、建立直角坐标系
Figure BDA0003226523030000035
以星历时间t为横坐标，并以返向突发BF[n]到达卫星的星历时间t′n为横坐标原点；以卫星/端站间的传输时延τ′SAT/RCST(t|t′n)为纵坐标，并以0为纵坐标原点。
S6、在直角坐标系
Figure BDA0003226523030000036
中，建立两个线性方程。一个是反恒等直线方程l3:τ′SAT/RCST(t|t′n)＝-t，另一个是卫星/端站传输时延与星历时间的函数τSAT/RCST(t|t′n)＝g2(t)的坐标平移版本τ′SAT/RCST(t|t′n)＝τSAT/RCST(t+t′n|t′n)＝g2(t+t′n)在区间[-Tα,0]上的局部近似直线段方程l4:/>
Figure BDA0003226523030000037
后者的建立方法是：首先，在曲线τ′SAT/RCST(t|t′n)＝g2(t+t′n),t∈[-Tα,0]上选取两个点(-Tα,g2(tα))和(-Tβ,g2(tβ))，其中，tα＝t′n-Tα，tβ＝t′n-Tβ，Tα和Tβ是两个时间增量，且/>
Figure BDA0003226523030000038
Figure BDA0003226523030000039
表示返向上行链路自由空间传输时延的最大值。然后，根据上述两点的坐标建立直线段方程，得
Figure BDA00032265230300000310
S7、求解直线l3和直线段l4的交点坐标，得
Figure BDA0003226523030000041
S8、估算发送返向突发BF[n]的星历时间，得
t″n＝t′n+t′intersect。
S9、根据端站侧星历时间与NCR时间的映射关系，将发送返向突发BF[n]的星历时间t″n映射成端站本地的NCR时间。
本发明有益效果在于：
无需估算返向链路的传输时延便可直接估计出返向突发的发送时间，准确度高且计算简便。
附图说明
图1是透明转发低轨卫星TDMA通信系统中，返向突发发送时间、返向突发到达时间和返向链路传输时延三者关系的示意图。
图2是透明转发低轨卫星TDMA通信系统的返向链路示意图。
图3是本发明中估算返向突发BF[n]到达卫星的星历时间t′n的方法的原理示意图。
图4是本发明的方法中步骤S1～S3的几何示意图。
图5是本发明中估算发送返向突发BF[n]的星历时间t″n的方法的原理示意图。
图6是本发明的方法中步骤S5～S7的几何示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和具体实施方法更为清楚，结合附图实例对本申请进行进一步详细说明。
如图1所示为透明转发低轨卫星TDMA通信系统中，返向突发发送时间、返向突发到达时间和返向链路传输时延三者关系的示意图。返向突发的发送时间等于返向突发到达主站目标时隙的期望时间减去返向链路的传输时延。
如图2所示为透明转发低轨卫星TDMA通信系统的返向链路示意图。返向链路是一条从端站到卫星，再到主站的传输链路，由返向上行链路和返向下行链路两部分组成。其中，返向上行链路是指从端站到卫星的传输链路，返向下行链路是指从卫星到主站的传输链路。由于低轨卫星的位置是随时间变化的，所以返向链路不是一条固定不变的传输链路，它是随时间变化而变化的。对于动中通场景，主站的位置固定不变，而卫星和端站的位置随时间变化，所以返向链路由卫星和端站的位置唯一确定。
本申请实施例提供一种透明转发低轨卫星TDMA动中通系统的返向突发发送时间估计方法，该方法的设计思路如下：
首先，根据卫星的星历信息和主站的GNSS位置信息预先计算出卫星可视窗口内，卫星/主站传输时延与星历时间的函数τSAT/HUB(t)＝g1(t)。
然后，根据返向突发BF[n]到达主站目标时隙的期望星历时间tn(已知量)和函数τSAT/HUB(t)＝g1(t)，估算出返向突发BF[n]到达卫星的星历时间t′n。
然后，估算出端站在时间段t∈[t′n-Tα,t′n]内的移动过程中，返向上行链路R(t)→P(t′n)的传输时延与星历时间的函数τSAT/RCST(t|t′n)＝g2(t)的线性近似函数
Figure BDA0003226523030000051
其中Tα＞0是一个时间增量，形如f(t|t′n)的函数是关于t′n的条件函数，表示在参数t′n确定的条件下，建立的关于变量t的函数。
然后，根据返向突发BF[n]到达卫星的星历时间t′n和函数
Figure BDA0003226523030000052
估算出发送返向突发BF[n]的星历时间t″n。
最后，根据端站侧星历时间与NCR时间的映射关系，将发送返向突发BF[n]的星历时间映射成端站本地的NCR时间。
首先，为使用本发明所述方法准备三个前提条件：
1、在主站侧，建立NCR时间与星历时间的映射关系。
2、端站完成前向链路时间同步，即NCR同步。
3、端站能够实时获取到自身的GNSS位置信息。
在上述前提条件下，为了简化返向突发发送时间估计的计算复杂度，预先准备一组参数，即卫星/主站传输时延与星历时间的函数，其具体计算方法如下：
1)根据卫星的星历信息计算出卫星可视窗口内，卫星在地心地固(ECEF)坐标系下的位置与星历时间的函数。
2)根据主站的GNSS位置换算得到主站在ECEF坐标系下的位置。
3)在ECEF坐标系下，根据卫星和主站的位置信息，计算出卫星/主站距离与星历时间的函数dSAT/HUB(t)＝f1(t)。
4)用dSAT/HUB(t)＝f1(t)除以电磁波的传播速度c，得到卫星/主站传输时延与星历时间的函数τSAT/HUB(t)＝dSAT/HUB(t)/c。
在上述条件下，进行返向突发发送时间估计：
S1、建立直角坐标系
Figure BDA0003226523030000061
以星历时间t为横坐标，并以返向突发BF[n]到达主站目标时隙的期望星历时间tn为横坐标原点；以卫星/主站间的传输时延τ′SAT/HUB(t)为纵坐标，并以0为纵坐标原点。
S2、在直角坐标系
Figure BDA0003226523030000062
中，建立两个线性方程。一个是反恒等直线方程l1:τ′SAT/HUB(t)＝-t，另一个是卫星/主站传输时延与星历时间的函数τSAT/HUB(t)＝g1(t)的坐标平移版本τ′SAT/HUB(t)＝τSAT/HUB(t+tn)＝g1(t+tn)在区间[-T,0]上的局部近似直线段方程l2:/>
Figure BDA0003226523030000063
后者的建立方法是：首先，在曲线τ′SAT/HUB(t)＝g1(t+tn),t∈[-T,0]上选取两个相邻的点(0,g1(tn))和(-T,g1(tμ))，其中，tμ＝tn-T，T是一个时间增量，且/>
Figure BDA0003226523030000071
Figure BDA0003226523030000072
表示返向下行链路自由空间传输时延的最大值。然后，根据上述两点的坐标建立直线段方程，得
Figure BDA0003226523030000073
S3、求解直线l1和直线段l2的交点坐标，得
Figure BDA0003226523030000074
如图4所示为S1～S3的几何示意图，其代表的场景是卫星与主站的距离逐渐减小，因此返向下行链路的传输时延也逐渐减小。
S4、估算返向突发BF[n]到达卫星的星历时间，得
t′n＝tn+tintersect。
具体的，估算返向突发BF[n]到达卫星的星历时间t′n的方法如下：如图2所示，在t″n时刻，返向突发BF[n]从端站发出，并在t′n时刻到达卫星。此时，卫星的位置是P(t′n)。随后，BF[n]被卫星转发给主站，并在tn时刻到达主站。而在tn-t′n的时间内，卫星也从位置P(t′n)移动到了新的位置P(tn)。卫星在轨道P(t′n)→P(tn)上的运动时间与BF[n]在返向下行链路P(t′n)→H上的传输时延恰好相等，即直线τSAT/HUB(t)＝-t+tn与曲线τSAT/HUB(t)＝g1(t)在tn之前必然相交，且交点就是t′n(如图3所示，其代表的场景是卫星与主站的距离逐渐减小，因此返向下行链路的传输时延也逐渐减小。在本图中，g1(t′n)＝tn-t′n)。因此，求解非线性方程组
Figure BDA0003226523030000075
就可以得到返向突发BF[n]到达卫星的星历时间t′n。
通常，在低轨卫星通信系统中，返向下行链路的自由空间传输时延很小，卫星在这段时间的移动距离很短，其运动轨迹可以近似为直线段。因此，曲线τSAT/HUB(t)＝g1(t)在tn附近的区域也可以近似为直线段。令此直线段的方程为
Figure BDA0003226523030000081
其中，T是一个时间增量。进而，上述问题可以简化为：
直线τSAT/HUB(t)＝-t+tn和直线段
Figure BDA0003226523030000082
的相交问题。
综上所述，求解线性方程组
Figure BDA0003226523030000083
就可以得到返向突发BF[n]到达卫星的星历时间t′n。
S5、建立直角坐标系
Figure BDA0003226523030000084
以星历时间t为横坐标，并以返向突发BF[n]到达卫星的星历时间t′n为横坐标原点；以卫星/端站间的传输时延τ′SAT/RCST(t|t′n)为纵坐标，并以0为纵坐标原点。
S6、在直角坐标系
Figure BDA0003226523030000085
中，建立两个线性方程。一个是反恒等直线方程l3:τ′SAT/RCST(t|t′n)＝-t，另一个是卫星/端站传输时延与星历时间的函数τSAT/RCST(t|t′n)＝g2(t)的坐标平移版本τ′SAT/RCST(t|t′n)＝τSAT/RCST(t+t′n|t′n)＝g2(t+t′n)在区间[-Tα,0]上的局部近似直线段方程l4:/>
Figure BDA0003226523030000086
后者的建立方法是：首先，在曲线τ′SAT/RCST(t|t′n)＝g2(t+t′n),t∈[-Tα,0]上选取两个点(-Tα,g2(tα))和(-Tβ,g2(tβ))，其中，tα＝t′n-Tα，tβ＝t′n-Tβ，Tα和Tβ是两个时间增量，且/>
Figure BDA0003226523030000087
Figure BDA0003226523030000088
表示返向上行链路自由空间传输时延的最大值。然后，根据上述两点的坐标建立直线段方程，得
Figure BDA0003226523030000091
其中，g2(tα)和g2(tβ)的计算方法如下：
1)根据卫星的星历信息和返向突发BF[n]到达卫星的星历时间t′n，估算出此时卫星在ECEF坐标系下的位置P(t′n)。
2)在时间段[t′n-Tα,t′n]内，分别选取两个时刻tα＝t′n-Tα和tβ＝t′n-Tβ
Figure BDA0003226523030000092
获取端站在这两个时刻的GNSS位置RGNSS(tα)和RGNSS(tβ)，并换算出它们对应的ECEF坐标R(tα)和R(tβ)。
3)在ECEF坐标系下，分别计算出卫星位置P(t′n)到端站位置R(tα)和R(tβ)间的传输距离。
4)用传输距离除以电磁波的传播速度，得到卫星位置P(t′n)到端站位置R(tα)和R(tβ)间的传输时延g2(tα)和g2(tβ)。
S7、求解直线l3和直线段l4的交点坐标，得
Figure BDA0003226523030000093
如图6所示，为S5～S7的几何示意图，其代表的场景是动中通端站与卫星的距离逐渐减小，因此返向上行链路的传输时延也逐渐减小。
S8、估算发送返向突发BF[n]的星历时间，得
t″n＝t′n+t′intersect。
具体的，估算发送返向突发BF[n]的星历时间t″n的方法如下：如图2所示，在t″n时刻，端站发出返向突发BF[n]，此时，卫星位于P(t″n)的位置。之后，BF[n]在返向上行链路中传输，而卫星继续沿着箭头指向的方向在轨道上运动。在t′n时刻，卫星运动到新的位置P(t′n)，而此时，BF[n]也刚好到达卫星，即经过时延t′n-t″n后BF[n]与卫星相遇。在上述相遇问题中，卫星在轨道P(t″n)→P(t′n)上的运动时间与BF[n]在返向上行链路R(t″n)→P(t′n)上的传输时延恰好相等，即直线τSAT/RCST(t|t′n)＝-t+t′n与曲线τSAT/RCST(t|t′n)＝g2(t)在t′n之前必然相交，且交点就是t″n(如图5所示，其代表的场景是动中通端站与卫星的距离逐渐减小，因此返向上行链路的传输时延也逐渐减小。在本图中，g2(t″n)＝t′n-t″n)。因此，求解非线性方程组
Figure BDA0003226523030000101
就可以得到发送返向突发BF[n]的星历时间t″n。
通常，在t′n附近一个很小的时间段内，端站的移动距离很短，其运动轨迹可以近似为直线段。因此，曲线τSAT/RCST(t|t′n)＝g2(t)在t′n附近的区域也可以近似为直线段。令此直线段的方程为
Figure BDA0003226523030000102
其中，Tα是一个时间增量。进而，上述问题可以简化为：
直线τSAT/RCST(t|t′n)＝-t+t′n和直线段
Figure BDA0003226523030000103
的相交问题；
综上所述，求解线性方程组
Figure BDA0003226523030000104
就可以得到发送返向突发BF[n]的星历时间t″n。
S9、根据端站侧星历时间与NCR时间的映射关系，将发送返向突发BF[n]的星历时间t″n映射成端站本地的NCR时间。

Claims (6)

1.一种透明转发低轨卫星TDMA动中通系统的返向突发发送时间估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立直角坐标系
Figure FDA0003226523020000011
以星历时间t为横坐标，并以返向突发BF[n]到达主站目标时隙的期望星历时间tn为横坐标原点；以卫星/主站间的传输时延τ′SAT/HUB(t)为纵坐标，并以0为纵坐标原点；
S2、在直角坐标系
Figure FDA0003226523020000012
中，建立两个线性方程：一个是反恒等直线方程l1:τ′SAT/HUB(t)＝-t，另一个是卫星/主站传输时延与星历时间的函数τSAT/HUB(t)＝g1(t)的坐标平移版本τ′SAT/HUB(t)＝τSAT/HUB(t+tn)＝g1(t+tn)在点[-T,0]的局部近似直线段方程
Figure FDA0003226523020000013
T是一个时间增量，且/>
Figure FDA0003226523020000014
Figure FDA0003226523020000015
表示返向下行链路自由空间传输时延的最大值；
S3、求解直线l1和直线段l2的交点坐标tintersect；
S4、估算返向突发BF[n]到达卫星的星历时间，得
t′n＝tn+tintersect；
S5、建立直角坐标系
Figure FDA0003226523020000016
以星历时间t为横坐标，并以返向突发BF[n]到达卫星的星历时间t′n为横坐标原点，以卫星/端站间的传输时延τ′SAT/RCST(t|t′n)为纵坐标，并以0为纵坐标原点；
S6、在直角坐标系
Figure FDA0003226523020000017
中，建立两个线性方程：一个是反恒等直线方程l3:τ′SAT/RCST(t|t′n)＝-t，另一个是卫星/端站传输时延与星历时间的函数τSAT/RCST(t|t′n)＝g2(t)的坐标平移版本τ′SAT/RCST(t|t′n)＝τSAT/RCST(t+t′n|t′n)＝g2(t+t′n)在区间[-Tα,0]上的局部近似直线段方程/>
Figure FDA0003226523020000018
Tα是一个时间增量，且
Figure FDA0003226523020000019
Figure FDA00032265230200000110
表示返向上行链路自由空间传输时延的最大值，形如f(t|t′n)的函数是关于t′n的条件函数，表示在参数t′n确定的条件下，建立的关于变量t的函数；
S7、求解直线l3和直线段l4的交点坐标t′intersect；
S8、估算发送返向突发BF[n]的星历时间，得
t″n＝t′n+t′intersect；
S9、根据端站侧星历时间与NCR时间的映射关系，将发送返向突发BF[n]的星历时间t″n映射成端站本地的NCR时间。
2.根据权利要求1所述的透明转发低轨卫星TDMA动中通系统的返向突发发送时间估计方法，其特征在于，直线段方程l2的建立方法如下：
首先，在曲线τ′SAT/HUB(t)＝g1(t+tn),t∈[-T,0]上选取两个相邻的点(0,g1(tn))和(-T,g1(tμ))，其中，tμ＝tn-T；
然后，根据(0,g1(tn))和(-T,g1(tμ))两点的坐标建立直线段方程，得：
Figure FDA0003226523020000021
3.根据权利要求2所述的透明转发低轨卫星TDMA动中通系统的返向突发发送时间估计方法，其特征在于，直线l1和直线段l2的交点坐标tintersect通过如下公式求解：
Figure FDA0003226523020000022
4.根据权利要求1所述的透明转发低轨卫星TDMA动中通系统的返向突发发送时间估计方法，其特征在于，直线段方程l4的建立方法如下：
首先，在曲线τ′SAT/RCST(t|t′n)＝g2(t+t′n),t∈[-Tα,0]上选取两个点(-Tα,g2(tα))和(-Tβ,g2(tβ))，其中，tα＝t′n-Tα，tβ＝t′n-Tβ，Tα和Tβ是两个时间增量，且
Figure FDA0003226523020000023
然后，根据(-Tα,g2(tα))和(-Tβ,g2(tβ))两点的坐标建立直线段方程，得
Figure FDA0003226523020000031
5.根据权利要求4所述的透明转发低轨卫星TDMA动中通系统的返向突发发送时间估计方法，其特征在于，直线l3和直线段l4的交点坐标t′intersect通过如下公式求解：
Figure FDA0003226523020000032
6.根据权利要求4所述的透明转发低轨卫星TDMA动中通系统的返向突发发送时间估计方法，其特征在于，g2(tα)和g2(tβ)的计算方法如下：
根据卫星的星历信息和返向突发BF[n]到达卫星的星历时间t′n，估算出此时卫星在地心地固(ECEF)坐标系下的位置P(t′n)；
在时间段[t′n-Tα,t′n]内，分别选取两个时刻tα＝t′n-Tα和tβ＝t′n-Tβ
Figure FDA0003226523020000033
获取端站在这两个时刻的GNSS位置RGNSS(tα)和RGNSS(tβ)，并换算出它们对应的ECEF坐标R(tα)和R(tβ)；
在ECEF坐标系下，分别计算出卫星位置P(t′n)到端站位置R(tα)和R(tβ)间的传输距离；
用传输距离除以电磁波的传播速度，得到卫星位置P(t′n)到端站位置R(tα)和R(tβ)间的传输时延g2(tα)和g2(tβ)。
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