CN113708871B - 低轨卫星tdma静中通系统的返向链路时延估计方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种透明转发低轨卫星TDMA静中通系统的返向链路时延估计方法，包括步骤：预先计算卫星/主站传输时延与星历时间的函数和卫星/端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；根据卫星/主站传输时延与星历时间的函数、卫星/端站传输时延与星历时间的函数以及返向突发到达卫星的星历时间，分别估算出返向上行链路和返向下行链路的自由空间传输时延，并将二者相加，得到返向链路的自由空间传输时延。本方法采用了基于线性近似的外推估计法，计算简便；在卫星星历信息准确的条件下，可以获得良好的估计性能。
Description
技术领域
本发明涉及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静中通系统的返向链路时延估计方法。
背景技术
TDMA系统的全网时间同步包含两个部分：前向链路时间同步和返向链路时间同步。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，即端站对时间基准偏移量和返向链路传输时延进行估计和补偿，以使其发送的返向突发能够准确落入目标时隙。
广义的返向链路传输时延包含以下四个部分：返向链路的发送侧处理时延、返向链路的接收侧处理时延、星上处理时延和返向链路的自由空间传输时延。对于透明转发卫星而言，星载转发器仅对信号进行滤波、放大、变频等简单处理，其时延远小于返向链路的自由空间传输时延，因此可以忽略。而返向链路的发送侧处理时延和接收侧处理时延均可以根据具体的处理机制准确地估计。因此，估计返向链路传输时延的关键是估计返向链路的自由空间传输时延。
如图1所示，在透明转发卫星TDMA通信系统中，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。因此，只要分别估计出返向上行链路和返向下行链路的自由空间传输时延，然后将二者相加，就可以得到返向链路的自由空间传输时延。
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。准确估计返向链路自由空间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。
对于静中通场景，因为主站和端站的位置都是固定不变的，所以返向链路由卫星的位置唯一确定。而卫星的位置是时间的函数，因此，只要确定了返向突发到达卫星的时间，就能够确定相应时刻卫星的位置，进而唯一地确定传输返向突发的返向链路。举例，如图1所示，返向突发BF[n]在t″n时刻从端站发出，在t′n时刻到达卫星，随后被卫星转发给主站。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→P(t′n)→H。综上所述，确定返向突发到达卫星的时间是准确估计返向链路自由空间传输时延的关键。
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静中通系统的返向链路时延估计方法，该方法采用了基于线性近似的外推估计法，计算简便；在卫星星历信息准确的条件下，可以获得良好的估计性能。
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静中通系统的返向链路时延估计方法，包括步骤：
S1、建立直角坐标系t-Otn-τ′SAT/HUB(t)，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t-Otn-τ′SAT/HUB(t)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:
t∈[-T,0]，T是一个小的时间增量，且
表示返向下行链路自由空间传输时延的最大值；
其中，直线段方程l2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；
根据上述两点的坐标建立直线段方程，得
S3、求解直线l1和直线段l2的交点坐标
S4、估算返向突发BF[n]到达卫星的星历时间，得
t′n＝tn+tintersect；
S5、根据预先计算的两组参数：卫星/主站传输时延与星历时间的函数τSAT/HUB(t)和卫星/端站传输时延与星历时间的函数τSAT/RCST(t)，以及返向突发BF[n]到达卫星的星历时间t′n，分别估算出返向上行链路的自由空间传输时延τRL/UL(t′n)和返向下行链路的自由空间传输时延τRL/DL(t′n)：
S6、将返向上行链路和返向下行链路的自由空间传输时延相加，得到返向链路的自由空间传输时延τRL/FS(t′n)，即
τRL/FS(t′n)＝τRL/UL(t′n)+τRL/DL(t′n)。
本发明有益效果在于：
提供了一种透明转发低轨卫星TDMA静中通系统的返向链路时延估计方法，该方法采用了基于线性近似的外推估计法，计算简便；在卫星星历信息准确的条件下，可以获得良好的估计性能。
附图说明
图1是透明转发低轨卫星TDMA通信系统的返向链路示意图。
图2是本申请中估算返向突发BF[n]到达卫星的星历时间t′n的方法的原理示意图。
图3是本申请所述方法中步骤S1～步骤S3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。
本申请实施例提供一种透明转发低轨卫星TDMA静中通系统的返向链路时延估计方法，该方法的设计思路如下：
首先，根据卫星的星历信息以及主站和端站的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)和卫星/端站传输时延与星历时间的函数τSAT/RCST(t)＝g2(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，通过函数τSAT/RCST(t)＝g2(t)和τSAT/HUB(t)＝g1(t)分别估算出返向上行链路的自由空间传输时延τRL/UL(t′n)＝τSAT/RCST(t′n)和返向下行链路的自由空间传输时延τRL/DL(t′n)＝τSAT/HUB(t′n)。
最后，将返向上行链路和返向下行链路的自由空间传输时延相加，得到返向链路的自由空间传输时延。
上述方法基于两个前提条件：
1)在主站侧，建立了NCR时间与星历时间的映射关系。
2)端站已经完成了前向链路时间同步，即NCR同步。
在上述前提条件下，为了简化返向链路传输时延估计的计算复杂度，预先准备两组参数：卫星/主站传输时延与星历时间的函数和卫星/端站传输时延与星历时间的函数。
计算卫星/主站传输时延与星历时间的函数的方法如下：
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。
采用类似的方法，可以计算出卫星/端站传输时延与星历时间的函数τSAT/RCST(t)，其中τSAT/RCST(t)＝dSAT/RCST(t)/c，dSAT/RCST(t)＝f2(t)为卫星/端站距离与星历时间的函数。
在上述条件下，进行返向链路的自由空间传输时延估计：
S1、建立直角坐标系
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
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:
t∈[-T,0]。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是一个小的时间增量，且
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
S3、求解直线l1和直线段l2的交点坐标，得
如图3所示，是本方法中步骤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。
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1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2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
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
t∈[tn-T,tn]，其中，T是一个小的时间增量。进而，上述问题可以简化为直线τSAT/HUB(t)＝-t+tn和直线段
t∈[tn-T,tn]的相交问题。综述所述，求解线性方程组
就可以得到返向突发BF[n]到达卫星的星历时间的近似估计值t′n。
S5、根据下式
分别估算出返向上行链路的自由空间传输时延τRL/UL(t′n)和返向下行链路的自由空间传输时延τRL/DL(t′n)。
S6、将返向上行链路和返向下行链路的自由空间传输时延相加，得到返向链路的自由空间传输时延τRL/FS(t′n)，即
τRL/FS(t′n)＝τRL/UL(t′n)+τRL/DL(t′n)。
Claims (3)
1.一种透明转发低轨卫星TDMA静中通系统的返向链路时延估计方法，其特征在于，包括步骤：
S1、建立直角坐标系
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
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:
T是一个时间增量，且
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、根据预先计算的两组参数：卫星/主站传输时延与星历时间的函数τSAT/HUB(t)和卫星/端站传输时延与星历时间的函数τSAT/RCST(t)，以及返向突发BF[n]到达卫星的星历时间t′n，分别估算出返向上行链路的自由空间传输时延τRL/UL(t′n)和返向下行链路的自由空间传输时延τRL/DL(t′n)：
S6、将返向上行链路和返向下行链路的自由空间传输时延相加，得到返向链路的自由空间传输时延τRL/FS(t′n)，即
τRL/FS(t′n)＝τRL/UL(t′n)+τRL/DL(t′n)。
2.根据权利要求1所述的透明转发低轨卫星TDMA静中通系统的返向链路时延估计方法，其特征在于，直线段l2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；
根据上述两点的坐标建立直线段方程，得
3.根据权利要求2所述的透明转发低轨卫星TDMA静中通系统的返向链路时延估计方法，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：
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