CN113708873B - 低轨卫星tdma静中通系统的返向链路多普勒频移估计方法 - Google Patents

低轨卫星tdma静中通系统的返向链路多普勒频移估计方法 Download PDF

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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多普勒频移估计方法，包括步骤：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、卫星对主站的径向速度与星历时间的函数以及卫星对端站的径向速度与星历时间的函数；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；根据返向突发到达卫星的星历时间以及卫星对主站的径向速度与星历时间的函数和卫星对端站的径向速度与星历时间的函数估算出返向突发到达卫星时，卫星对主站的径向速度和卫星对端站的径向速度；估算出返向上行链路和返向下行链路的多普勒频移，并相加，得到整个返向链路的多普勒频移。

Description

低轨卫星TDMA静中通系统的返向链路多普勒频移估计方法
技术领域
本发明属于数字通信技术领域，涉及TDMA卫星通信系统的频率同步技术，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多普勒频移估计方法。
背景技术
在无线通信中，当信源和信宿在径向方向上存在相对运动时，信宿接收信号的频率与信源发射信号的频率不一致，即信宿接收信号的频率发生了偏移，这种现象称为多普勒效应。收发两端信号频率的偏差称为多普勒频移。如图1所示，信源静止，信宿以速度v延箭头指向的方向移动，并在移动中与信源进行通信。信源发射的信号的频率是fc。当信宿在Δt时间内从位置A移动到位置A′时，其接收信号产生的多普勒频移是
Figure BDA0003226630890000011
其中，θ是位置A′处信宿移动方向与信号传播方向的夹角，c是电磁波的传播速度，v·cos(θ)表示位置A′处信宿对信源的径向速度。
如图2所示，在透明转发低轨卫星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。
对于静中通场景，主站和端站的位置固定不变，而卫星处于运动状态。这等价于在返向上行链路中，信源静止，而信宿移动；在返向下行链路中，信源移动，而信宿静止。因此，在返向上行链路和返向下行链路中均存在信源和信宿在径向方向上的相对运动，即在返向上行链路和返向下行链路中均存在多普勒频移。分别估计出返向上行链路和返向下行链路的多普勒频移，然后将二者相加，就可以得到整个返向链路的多普勒频移。
在低轨卫星通信系统中，由于卫星的位置是随时间变化的，返向链路不是一条固定不变的传输链路，而是随时间变化而变化的。准确估计返向链路多普勒频移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该返向突发的返向链路。举例，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多普勒频移的关键。
发明内容
针对上述现状，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多普勒频移估计方法，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多普勒频移估计方法，包括以下步骤：
S1、建立直角坐标系
Figure BDA0003226630890000021
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 BDA0003226630890000022
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 BDA0003226630890000031
T是一个时间增量，且
Figure BDA0003226630890000032
Figure BDA0003226630890000033
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建立方法是：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，根据上述两点的坐标建立直线段方程，得
Figure BDA0003226630890000034
S3、求解直线l1和直线段l2的交点坐标tintersect：
Figure BDA0003226630890000035
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：卫星对主站的径向速度与星历时间的函数vSAT/HUB(t)＝h1(t)以及卫星对端站的径向速度与星历时间的函数vSAT/RCST(t)＝h2(t)，估算返向突发BF[n]到达卫星时，卫星对主站的径向速度vSAT/HUB(t′n)和卫星对端站的径向速度vSAT/RCST(t′n)，得
vSAT/HUB(t′n)＝h1(t′n)
vSAT/RCST(t′n)＝h2(t′n)；
S6、根据下式
Figure BDA0003226630890000041
Figure BDA0003226630890000042
估算返向上行链路的多普勒频移
Figure BDA0003226630890000043
和返向下行链路的多普勒频移
Figure BDA0003226630890000044
其中，
Figure BDA0003226630890000045
是返向上行链路载波的频率，
Figure BDA0003226630890000046
是返向下行链路载波的频率，c是电磁波的传播速度；
S7、将返向上行链路和返向下行链路的多普勒频移相加，得到返向链路的多普勒频移
Figure BDA0003226630890000047
即
Figure BDA0003226630890000048
本发明有益效果在于，提供一种透明转发低轨卫星TDMA静中通系统的返向链路多普勒频移估计方法。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是分析多普勒效应机理及计算多普勒频移的示意图。
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是本申请实施例中估算返向突发BF[n]到达卫星的星历时间t′n的方法的原理示意图。
图4是本申请实施例中步骤S1～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多普勒频移估计方法，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)、卫星对主站的径向速度与星历时间的函数vSAT/HUB(t)＝h1(t)以及卫星对端站的径向速度与星历时间的函数vSAT/RCST(t)＝h2(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)和函数关系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，根据返向突发BF[n]到达卫星的星历时间t′n以及函数关系vSAT/HUB(t)＝h1(t)和vSAT/RCST(t)＝h2(t)估算出返向突发BF[n]到达卫星时，卫星对主站的径向速度vSAT/HUB(t′n)和卫星对端站的径向速度vSAT/RCST(t′n)。
然后，根据卫星对端站的径向速度和卫星对主站的径向速度分别估算出返向上行链路的多普勒频移和返向下行链路的多普勒频移。
最后，将返向上行链路和返向下行链路的多普勒频移相加，得到整个返向链路的多普勒频移。
为使用本申请实施例所述方法准备两个前提条件：
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。
在上述前提条件下，为了简化返向链路多普勒频移估计的计算复杂度，需要预先准备三组参数：卫星/主站传输时延与星历时间的函数τSAT/HUB(t)＝g1(t)、卫星对主站的径向速度与星历时间的函数vSAT/HUB(t)＝h1(t)以及卫星对端站的径向速度与星历时间的函数vSAT/RCST(t)＝h2(t)。
其中，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。
其中，计算卫星对主站的径向速度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ECEF坐标系下的线速度与星历时间的函数v(t)＝q(t)。
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，根据卫星的星历信息和主站的位置信息，计算出卫星可视窗口内，卫星的线速度方向与卫星/主站连线的夹角θSAT/HUB(t)与星历时间的函数θSAT/HUB(t)＝s1(t)。4)根据v(t)＝q(t)和θSAT/HUB(t)＝s1(t)计算出卫星对主站的径向速度与星历时间的函数，即vSAT/HUB(t)＝v(t)·cos(θSAT/HUB(t))。
参照上述方法，可以计算出卫星对端站的径向速度与星历时间的函数。
在上述条件下，进行返向链路的多普勒频移估计：
S1、建立直角坐标系
Figure BDA0003226630890000061
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 BDA0003226630890000071
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 BDA0003226630890000072
其中，直线段方程l2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 BDA0003226630890000073
Figure BDA0003226630890000074
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 BDA0003226630890000075
S3、求解直线l1和直线段l2的交点坐标tintersect：
Figure BDA0003226630890000076
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 BDA0003226630890000081
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 BDA0003226630890000089
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 BDA0003226630890000082
的相交问题。综上所述，求解线性方程组
Figure BDA0003226630890000083
就可以得到返向突发BF[n]到达卫星的星历时间t′n。
S5、估算返向突发BF[n]到达卫星时，卫星对主站的径向速度vSAT/HUB(t′n)和卫星对端站的径向速度vSAT/RCST(t′n)，得
Figure BDA0003226630890000088
S6、根据下式
Figure BDA0003226630890000084
估算返向上行链路的多普勒频移
Figure BDA0003226630890000086
和返向下行链路的多普勒频移
Figure BDA0003226630890000087
其中，
Figure BDA0003226630890000091
是返向上行链路载波的频率，
Figure BDA0003226630890000092
是返向下行链路载波的频率，c是电磁波的传播速度；
S7、将返向上行链路和返向下行链路的多普勒频移相加，得到返向链路的多普勒频移
Figure BDA0003226630890000093
即
Figure BDA0003226630890000094

Claims (3)

1.一种透明转发低轨卫星TDMA静中通系统的返向链路多普勒频移估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立直角坐标系
Figure FDA0003226630880000011
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 FDA0003226630880000012
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 FDA0003226630880000013
T是一个时间增量，且
Figure FDA0003226630880000014
Figure FDA0003226630880000015
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：卫星对主站的径向速度与星历时间的函数vSAT/HUB(t)＝h1(t)以及卫星对端站的径向速度与星历时间的函数vSAT/RCST(t)＝h2(t)，估算返向突发BF[n]到达卫星时，卫星对主站的径向速度vSAT/HUB(t′n)和卫星对端站的径向速度vSAT/RCST(t′n)，得
Figure FDA0003226630880000016
S6、根据下式
Figure FDA0003226630880000021
估算返向上行链路的多普勒频移
Figure FDA0003226630880000022
和返向下行链路的多普勒频移
Figure FDA0003226630880000023
其中，
Figure FDA0003226630880000024
是返向上行链路载波的频率，
Figure FDA0003226630880000025
是返向下行链路载波的频率，c是电磁波的传播速度；
S7、将返向上行链路和返向下行链路的多普勒频移相加，得到返向链路的多普勒频移
Figure FDA0003226630880000026
即
Figure FDA0003226630880000027
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多普勒频移估计方法，其特征在于，直线段方程l2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；
然后，根据上述两点的坐标建立直线段方程，得
Figure FDA0003226630880000028
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多普勒频移估计方法，其特征在于，求解直线l1和直线段l2的交点坐标tintersect，得
Figure FDA0003226630880000029
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