CN114679358A - 一种基于卫星轨道预报的物联网终端发射频率补偿方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于卫星轨道预报的物联网终端发射频率补偿方法，该方法包括：步骤1，获取多普勒效应下，卫星载荷接收信号的第一信号频率；步骤2，计算第一信号频率等于物联网数据采集终端原始发射信号的第二信号频率时，物联网数据采集终端的信号发射频率补偿因子；步骤3，根据信号发射频率补偿因子和下行多普勒频移，对第二信号频率进行频率补偿，生成第三信号频率，其中，第三信号频率被用于物联网数据采集终端向卫星载荷发送信号。通过本申请中的技术方案，通过对物联网数据采集终端的发射频率进行补偿，使得卫星载荷能够准确确定接收信号的频段，减小了信号频率频偏范围，从而缩短信号捕获时间。

Description

一种基于卫星轨道预报的物联网终端发射频率补偿方法

技术领域

本申请涉及物联网的技术领域，具体而言，涉及一种基于卫星轨道预报的物联网终端发射频率补偿方法。

背景技术

天基物联网是以天基通信网络为核心和基础，并融合了天基导航、遥感等服务，为物品与物品、人与物品、人与人提供无障碍交互的综合信息系统。通过天基物联网卫星载荷和物联网数据采集终端设备，将复杂环境下的传感器连入天基物联网，实现物联信息的跨地域传输，是解决目前传统地面物联网短板的有效途径。随着我国天地一体化信息网络技术的不断发展，天基物联网的应用前景充满潜力。

在天基物联网系统中，地面的数据采集类终端众多，广泛应用于森林、矿产、海洋、农业、电力等领域的监测方面。这类数据采集类终端有一共同特点，那就是数量多、但数据量少，属于典型的窄带物联网应用，面临着接入容量瓶颈这一共性问题。且由于卫星载荷与地面之间的距离在500～3000公里之间变化，卫星载荷与数据采集终端之间由于相对运动会产生多普勒频移，而多普勒频移会影响卫星载荷上的信号接收解调性能，从而会影响卫星上载荷的用户接入数量。

而现有技术中，天基物联网系统中对多普勒频移的处理方案是：卫星载荷接收端采用扩频直扩体制，设定一个最大频偏范围，在频率轴上对接收信号按照一定的频率步进进行线性搜索，找到最大值所在的频点，然后再基于这个频点进行解调处理。而这种处理方案由于不能确定物联网数据采集终端的发射频率对应的频段，使得卫星载荷接收端只能够按照最大频偏范围去搜索信号，导致信号搜索时间过长，不利于对信号进行快速捕获。

发明内容

本申请的目的在于：如何降低卫星载荷接收端信号搜索时长，快速对信号进行捕获。

本申请的技术方案是：提供了一种基于卫星轨道预报的物联网终端发射频率补偿方法，该方法包括：步骤1，获取多普勒效应下，卫星载荷接收信号的第一信号频率f_Rx；步骤2，计算第一信号频率等于物联网数据采集终端原始发射信号的第二信号频率f_L0时，物联网数据采集终端的信号发射频率补偿因子α；步骤3，根据信号发射频率补偿因子α和下行多普勒频移f_d，对第二信号频率f_L0进行频率补偿，生成第三信号频率f_Tx，其中，第三信号频率f_Tx被用于物联网数据采集终端向卫星载荷发送信号。

上述任一项技术方案中，进一步地，信号发射频率补偿因子α的计算公式为：

第三信号频率f_Tx的计算公式为：

f_Tx＝f_L0-α·f_d

式中，f_L0为物联网数据采集终端原始发射信号的第二信号频率，f_d为下行多普勒频移，f_S0为卫星原始发射信号的第四信号频率。

上述任一项技术方案中，进一步地，步骤3中，下行多普勒频移f_d为物联网数据采集终端与卫星载荷之间的下行多普勒频移，下行多普勒频移f_d的计算公式为：

式中，v_d为物联网数据采集终端与卫星之间的径向速度，c为光速，f_S0为卫星原始发射信号的第四信号频率。

上述任一项技术方案中，进一步地，物联网数据采集终端与卫星之间的径向速度v_d的计算过程，具体包括：根据卫星的轨道预报数据，计算卫星在地心地固坐标系下从预报起始时刻到终止时刻的卫星位置矢量以及卫星速度矢量；根据物联网数据采集终端的经度和纬度，计算物联网数据采集终端在地心地固坐标系下的从预报起始时刻到终止时刻的终端位置矢量以及终端速度矢量；根据卫星位置矢量、卫星速度矢量、终端位置矢量以及终端速度矢量，计算物联网数据采集终端与卫星之间相对位置和相对速度；根据相对位置和相对速度，计算径向速度v_d，径向速度v_d的计算公式为：

式中，x、y、z分别为在地心地固坐标系下卫星和物联网数据采集终端之间的相对位置，v_x、v_y、v_z分别为在地心地固坐标系下卫星和物联网数据采集终端的相对速度。

本申请的有益效果是：由物联网数据采集终端利用卫星轨道预报结果，测量得到卫星与终端之间的下行多普勒频移，再通过计算卫星载荷接收信号频率等于物联网数据采集终端原始发射信号条件下，物联网数据采集终端的信号发射频率补偿因子，对物联网数据采集终端原始发射信号的频率进行补偿，并由物联网数据采集终端根据补偿后的频率向卫星载荷发送信号，以使卫星载荷能够准确确定接收信号的频段，从而能够缩短卫星载荷信号捕获时间，实现信号快速捕获的同时，有助于提高通信成功率。

附图说明

本申请的上述和/或附加方面的优点在结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本申请的一个实施例的基于卫星轨道预报的物联网终端发射频率补偿方法的示意流程图；

图2是根据本申请的一个实施例的物联网数据采集终端的示意框图；

图3是根据本申请的一个实施例的卫星与物联网数据采集终端之间为准关系的示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

在下面的描述中，阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本实施例提供了一种基于卫星轨道预报的物联网终端发射频率补偿方法，该方法包括：

步骤1，获取多普勒效应下，卫星载荷接收信号的第一信号频率f_Rx；

具体的，本实施例中的频率补偿方法主要依据天基物联网系统中卫星载荷上行接收信号的第一信号频率f_Rx，对物联网数据采集终端的信号发射频率进行频率补偿，确定物联网数据采集终端的第三信号频率f_Tx，以保证在多普勒效应的影响下，卫星载荷上接收到的信号频率与物联网数据采集终端的原始发射信号频率一致。

如图2所示，该物联网数据采集终端主要包括数据收发模块、GNSS模块、数据采集模块、存储芯片、轨道预报计算与任务调度模块等，其中，数据收发模块负责与卫星载荷进行数据收发，GNSS模块负责给物联网数据采集终端提供经纬度和时间信息，数据采集模块负责采集传感器信息，存储芯片负责存储数据采集模块采集的传感器信息，轨道预报计算与任务调度模块作为计算和控制芯片负责轨道预报和控制各模块的工作。

本实施例中，物联网数据采集终端通过设定的RTC闹钟唤醒，打开GNSS模块进入卫星轨道预报模式，利用轨道预报的起始时刻、预报天数、物联网数据采集终端的经度纬度信息以及卫星入境仰角阈值，根据SGP4卫星轨道模型，解析卫星两行根数，确定卫星载荷的航行数据。再结合相应的坐标系，如地心地固坐标系，即可计算出卫星载荷在该坐标系下的位置矢量和速度矢量，进而确定下行多普勒频移，以对卫星物联网信号的频率进行补偿。

由于多普勒效应的影响，卫星载荷接收信号的第一信号频率可以被拆分为两部分，一部分为物联网数据采集终端的发射频率，另一部分为卫星载荷对应的上行多普勒频移，相应的计算公式为：

f_Rx＝f_Tx+f_d′

式中，f_Rx为卫星载荷接收信号的第一信号频率，f_Tx为物联网数据采集终端向卫星载荷发送信号的频率，其中，第一信号频率f_Rx由卫星载荷接收信号确定，卫星载荷与物联网数据采集终端之间的上行多普勒频移f_d′由卫星载荷与物联网数据采集终端之间的多普勒效应确定。

步骤2，计算第一信号频率等于物联网数据采集终端原始发射信号的第二信号频率f_L0时，物联网数据采集终端的信号发射频率补偿因子α，其中，信号发射频率补偿因子α的计算公式为：

式中，f_L0为物联网数据采集终端原始发射信号的第二信号频率，f_d为物联网数据采集终端与卫星载荷之间的下行多普勒频移，f_S0为卫星原始发射信号的第四信号频率。

具体的，按照多普勒效应的原理，设定物联网数据采集终端与卫星载荷之间的下行多普勒频移为f_d，相应的计算公式为：

式中，v_d为物联网数据采集终端与卫星之间的径向速度，c为光速，f_S0为卫星原始发射信号的第四信号频率，即卫星下行信号的频率，由卫星载荷自身参数确定。

同理，设定卫星载荷与物联网数据采集终端之间的上行多普勒频移为f_d′，相应的计算公式为：

式中，f_Tx为物联网数据采集终端向卫星载荷发送信号的频率，记作第三信号频率，该频率f_Tx受多普勒效应影响，其中，第三信号频率f_Tx对应的计算公式为：

f_Tx＝f_L0-α·f_d

式中，f_L0为物联网数据采集终端原始发射信号的第二信号频率，即物联网数据采集终端的上行信号，由物联网数据采集终端自身参数确定，α为信号发射频率补偿因子，f_d为物联网数据采集终端与卫星载荷之间的下行多普勒频移。

结合卫星载荷接收信号的第一信号频率f_Rx，当其与物联网数据采集终端原始发射信号的第二信号频率f_L0相等时，即消除了多普勒效应对卫星物联网信号的影响，因此，信号发射频率补偿因子α应满足下列等式：

f_Tx+fd′＝f_Tx+α·f_d

对上式进行转换可得：

步骤3，根据信号发射频率补偿因子α和下行多普勒频移f_d，对第二信号频率f_L0进行频率补偿，生成第三信号频率f_Tx，其中，第三信号频率f_Tx被用于物联网数据采集终端向卫星载荷发送信号。第三信号频率f_Tx的计算公式为：

f_Tx＝f_L0-α·f_d

式中，f_Tx为物联网数据采集终端向卫星载荷发送信号的第三信号频率，f_L0为物联网数据采集终端原始发射信号的第二信号频率，α为信号发射频率补偿因子，f_d为物联网数据采集终端与卫星载荷之间的下行多普勒频移。

具体的，由于卫星载荷与物联网数据采集终端之间的上行多普勒频移f_d′和物联网数据采集终端补偿的发射频率α·f_d相互抵消，从而卫星载荷接收端的信号频率近似为f_L0，减少了卫星载荷信号捕获频偏范围。

因此，通过上述过程，当卫星载荷接收到通过上述方式频率补偿后的信号时，基于多普勒效应原理，能够准确确定信号频率频偏范围，无需按照最大频偏范围去搜索信号频偏，有助于实现信号的快速捕获。

如图3所示，在上述实施例的基础上，本实施例示出了一种物联网数据采集终端与卫星之间的径向速度v_d的计算过程，该计算过程具体包括：

步骤A，根据卫星的轨道预报数据，计算卫星在地心地固坐标系下从预报起始时刻到终止时刻的卫星位置矢量以及卫星速度矢量；

具体的，物联网数据采集终端通过设定的RTC闹钟唤醒，打开GNSS模块进入卫星轨道预报模式，利用SGP4卫星轨道模型解析卫星两行根数，计算卫星在地心地固坐标系下从预报起始时刻到终止时刻的卫星位置矢量(λ_x,λ_y,λ_z)以及卫星速度矢量(v_sx,v_sy,v_sz)，具体计算过程不再赘述。

步骤B，根据物联网数据采集终端的经度和纬度，计算物联网数据采集终端在地心地固坐标系下的从预报起始时刻到终止时刻的终端位置矢量(μ_x,μ_y,μ_z)以及终端速度矢量(v_lx,v_ly,v_lz)；

步骤C，根据卫星位置矢量、卫星速度矢量、终端位置矢量以及终端速度矢量，计算物联网数据采集终端与卫星之间相对位置和相对速度；

具体的，设定x、y、z分别为在地心地固坐标系下卫星和物联网数据采集终端之间的相对位置，对应的计算公式为：

x＝λ_x-μ_x

y＝λ_y-μ_y

z＝λ_z-μ_z

设定v_x、v_y、v_z分别为在地心地固坐标系下卫星和物联网数据采集终端的相对速度，对应的计算公式为：

v_x＝v_sx-v_lx

v_y＝v_sy-v_ly

v_z＝v_sz-v_lz

步骤D，根据相对位置和相对速度，计算径向速度v_d，径向速度v_d的计算公式为：

式中，x、y、z分别为在地心地固坐标系下卫星和物联网数据采集终端之间的相对位置，v_x、v_y、v_z分别为在地心地固坐标系下卫星和物联网数据采集终端的相对速度。

因此，按照多普勒效应的原理，根据上述物联网数据采集终端与卫星之间的径向速度v_d，即可计算出物联网数据采集终端与卫星载荷之间的下行多普勒频移f_d，相应的计算公式为：

式中，v_d为物联网数据采集终端与卫星之间的径向速度，c为光速，f_S0为卫星原始发射信号的第四信号频率，即卫星下行信号的频率，由卫星载荷自身参数确定。

以上结合附图详细说明了本申请的技术方案，本申请提出了一种基于卫星轨道预报的物联网终端发射频率补偿方法，该方法包括：步骤1，获取多普勒效应下，卫星载荷接收信号的第一信号频率；步骤2，计算第一信号频率等于物联网数据采集终端原始发射信号的第二信号频率时，物联网数据采集终端的信号发射频率补偿因子；步骤3，根据信号发射频率补偿因子和下行多普勒频移，对第二信号频率进行频率补偿，生成第三信号频率，其中，第三信号频率被用于物联网数据采集终端向卫星载荷发送信号。通过本申请中的技术方案，通过对物联网数据采集终端的发射频率进行补偿，使得卫星载荷能够准确确定接收信号的频段，减小了信号频率频偏范围，从而缩短信号捕获时间。

本申请中的步骤可根据实际需求进行顺序调整、合并和删减。

本申请装置中的单元可根据实际需求进行合并、划分和删减。

尽管参考附图详地公开了本申请，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本申请的应用。本申请的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本申请保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (4)

1.一种基于卫星轨道预报的物联网终端发射频率补偿方法，其特征在于，该方法包括：

步骤1，获取多普勒效应下，卫星载荷接收信号的第一信号频率f_Rx；

步骤2，计算所述第一信号频率等于物联网数据采集终端原始发射信号的第二信号频率f_L0时，所述物联网数据采集终端的信号发射频率补偿因子α；

步骤3，根据所述信号发射频率补偿因子α和下行多普勒频移f_d，对所述第二信号频率f_L0进行频率补偿，生成第三信号频率f_Tx，

其中，所述第三信号频率f_Tx被用于所述物联网数据采集终端向所述卫星载荷发送信号。

2.如权利要求1所述的基于卫星轨道预报的物联网终端发射频率补偿方法，其特征在于，所述信号发射频率补偿因子α的计算公式为：

所述第三信号频率f_Tx的计算公式为：

f_Tx＝f_L0-α·f_d

式中，f_L0为所述物联网数据采集终端原始发射信号的第二信号频率，f_d为所述下行多普勒频移，f_S0为所述卫星原始发射信号的第四信号频率。

3.如权利要求1所述的基于卫星轨道预报的物联网终端发射频率补偿方法，其特征在于，所述步骤3中，所述下行多普勒频移f_d为所述物联网数据采集终端与所述卫星载荷之间的下行多普勒频移，所述下行多普勒频移f_d的计算公式为：

式中，v_d为所述物联网数据采集终端与所述卫星之间的径向速度，c为光速，f_S0为所述卫星原始发射信号的第四信号频率。

4.如权利要求3所述的基于卫星轨道预报的物联网终端发射频率补偿方法，其特征在于，所述物联网数据采集终端与所述卫星之间的径向速度v_d的计算过程，具体包括：

根据所述卫星的轨道预报数据，计算所述卫星在地心地固坐标系下从预报起始时刻到终止时刻的卫星位置矢量以及卫星速度矢量；

根据所述物联网数据采集终端的经度和纬度，计算所述物联网数据采集终端在所述地心地固坐标系下的从所述预报起始时刻到所述终止时刻的终端位置矢量以及终端速度矢量；

根据所述卫星位置矢量、所述卫星速度矢量、所述终端位置矢量以及所述终端速度矢量，计算所述物联网数据采集终端与所述卫星之间相对位置和相对速度；

根据所述相对位置和所述相对速度，计算所述径向速度v_d，所述径向速度v_d的计算公式为：

式中，x、y、z分别为在所述地心地固坐标系下所述卫星和所述物联网数据采集终端之间的相对位置，v_x、v_y、v_z分别为在所述地心地固坐标系下所述卫星和所述物联网数据采集终端的相对速度。

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