CN114726470A - 一种非地面网络的终端同步系统及方法 - Google Patents

一种非地面网络的终端同步系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及非地面网络通信系统技术领域，公开了一种非地面网络的终端同步系统及方法，该系统，包括终端、地面站、N个分别与所述终端进行信息交互的NTN节点，地面站利用馈电链路实现与NTN节点的信息交互，NTN节点包括一个与所述终端通过用户链路进行信息交互的NTN主节点、N‑1个分别与所述终端通过用户链路进行信息交互的NTN辅节点，NTN节点1～NTN节点N之间通过NTN节点间无线链路进行信息交互；NTN主节点与终端的用户链路配置有同步信道，NTN辅节点与终端的用户链路不配置同步信道。本发明解决了现有技术存在的终端与所有NTN节点的用户链路均需要配置同步信道，并且同步流程繁琐、复杂等问题。

Description

一种非地面网络的终端同步系统及方法
技术领域
本发明涉及非地面网络通信系统技术领域，具体是一种非地面网络的 终端同步系统及方法。
背景技术
非地面网络(Non-terrestrial Network，NTN)通信系统由NTN节点、 地面站及地面终端组成。其中，NTN节点包括高轨道卫星、中/低轨卫星、 临近空间飞行平台、飞行器、导弹等各类型平台所携带的通信节点，NTN节 点之间通过NTN节点间无线链路进行通信；地面站与NTN节点建立馈电链 路，实现通信数据的回传并完成对NTN节点的管理；地面终端与NTN节点 建立用户链路，实现用户数据传输、测控等功能。
与传统地面蜂窝网络相比，NTN节点的信号具有覆盖广、无盲区的显著 优势，可以在地面网络覆盖薄弱地区提供低成本、高可靠覆盖方案。NTN通 信系统在军事、运输、公共安全、能源、农业等行业中将发挥重要作用。
典型的NTN通信系统为多卫星通信系统。多卫星通信系统一般是指由 多个卫星构成的可以进行实时信息传输处理的大型卫星系统。目前的多卫 星通信系统包括高轨道卫星和中/低轨道卫星通信系统。
高轨道卫星通信系统是由轨道高度20000km以上的卫星或卫星群(星 座)构成的移动通信系统。当轨道高度约36000km，卫星的运行与地球的自 转是同步的，则称其为地球同步卫星，由于卫星相对于星下点的地球表面 是静止的，也称静止轨道卫星。由这样的卫星或星座构成的移动通信系统， 称做静止轨道卫星移动通信系统。
低轨道卫星通信系统是由轨道高度约1000km的卫星或卫星群(星座) 构成的移动通信系统。由于低轨道卫星距地面高度比高轨道卫星小，故空 间传输损耗较小。低轨通信卫星形成的覆盖小区在地球表面很快移动，绕 地球一周约需2小时。在低轨道卫星通信系统中，卫星的轨道高度低使得 传输延时短，路径损耗小。多个低轨卫星组成的通讯系统可以实现真正的 全球覆盖，频率复用更有效。
由于NTN节点到地面终端的物理距离较远，使得信号的双向传播延时 通常远大于地面网络的对应值，因此，上行、下行时间同步是一个难点。 在现有技术中，终端下行用户链路的时间同步是通过终端搜索下行同步信 道(SCH)实现的。
如图1所示，在NTN通信系统中，终端需要与多个NTN节点同时建立 用户链路。因此，终端需要跟多个NTN节点分别进行下行时间同步，然后 再建立完整的用户链路。每个NTN节点与终端的用户链路均需要配置同步 信道，终端首先利用同步信道与NTN节点进行时间同步，然后再建立用户 链路，假设NTN通信系统中共有N个NTN节点，则上述同步流程需要分别 进行N次独立的处理，并且N条用户链路均需要配置同步信道(SCH)。
目前技术的主要缺点是终端与所有NTN节点的用户链路均需要配置同 步信道(SCH)，并且同步流程繁琐、复杂。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种非地面网络的终端同步系 统及方法，解决现有技术存在的终端与所有NTN节点的用户链路均需要配 置同步信道(SCH)，并且同步流程繁琐、复杂等问题。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
一种非地面网络的终端同步系统，包括终端、地面站、N个分别与所述 终端进行信息交互的NTN节点，地面站利用馈电链路实现与NTN节点的信 息交互，NTN节点包括一个与所述终端通过用户链路进行信息交互的NTN主 节点、N-1个分别与所述终端通过用户链路进行信息交互的NTN辅节点，NTN 主节点记为NTN节点1，多个NTN辅节点分别记为NTN节点2～N，NTN节点1～NTN节点N之间通过NTN节点间无线链路进行信息交互；NTN主节点与终 端的用户链路配置有同步信道，NTN辅节点与终端的用户链路不配置同步信 道；其中，N≥2且N为正整数。
一种非地面网络的终端同步方法，基于所述的一种非地面网络的终端 同步系统，包括以下步骤：
S1，地面站利用馈电链路实现与NTN节点的信息交互，并根据当前时 刻的NTN节点的空间分布状态，将NTN通信系统中的NTN节点分为一个NTN 主节点和多个NTN辅节点；
S2，终端首搜索同步信道，完成与NTN主节点的下行时间同步，记录 定时时刻为t1，并建立完整的上下行用户链路；
S3，NTN主节点将自身与NTN辅节点的轨道信息及主辅节点间时差T21 发送给终端；
S4，终端获取自身GPS位置坐标信息；
S5，终端利用NTN主节点与NTN辅节点的轨道信息、主辅节点间时差 以及终端自身GPS位置坐标信息计算出NTN辅节点相对NTN主节点的对地 传播时间差Δt21；
S6，终端在与NTN主节点同步的定时时刻t1基础上补偿NTN辅节点相 对NTN主节点的对地传播时间差Δt21，即完成了终端与其他NTN辅节点的 下行时间同步。
作为一种优选的技术方案，步骤S3中，所述轨道信息包括经纬、纬度、 距地心高度。
作为一种优选的技术方案，步骤S3中，如果NTN节点之间是完全同步 关系，则主辅节点间时差T21＝0。
作为一种优选的技术方案，还包括以下步骤：
S7，当终端位置坐标发生变化时，重复步骤S4～S6，更新终端的同步定 时时刻。
作为一种优选的技术方案，还包括以下步骤：
S8，当NTN节点的轨道参数或主辅节点间时差发生变化时，重复步骤 S3～S6，更新终端的同步定时时刻。
作为一种优选的技术方案，还包括以下步骤：
S9，当终端与NTN节点的用户链路发生断链后，重复步骤S2～S6，重新 搜索终端的同步定时时刻。
作为一种优选的技术方案，还包括以下步骤：
S10，当NTN主节点飞出当前地面覆盖区域后，重复步骤S1～S6，重新 配置新的NTN主节点，并建立用户链路。
作为一种优选的技术方案，步骤S5中，Δt21的计算公式为：
Figure BDA0003544791350000041
其中，
Figure BDA0003544791350000042
Figure BDA0003544791350000043
(xs1,ys1,zs1)表示NTN主节点的坐标，(xs2,ys2,zs2)表示NTN辅节 点的坐标，C表示光速；
Figure BDA0003544791350000044
Figure BDA0003544791350000045
Figure BDA0003544791350000046
表示NTN主节点的轨道信息，θ1表示NTN主节点 的经纬，
Figure BDA0003544791350000047
表示NTN主节点的纬度，H1表示NTN主节点距地心高度；
Figure BDA0003544791350000048
表示NTN辅节点的轨道信息，θ2表示NTN辅节点的经纬，
Figure BDA0003544791350000049
表 示NTN辅节点的纬度，H2表示NTN辅节点距地心高度。
作为一种优选的技术方案，步骤S6中，Δt21的计算公式为：
t2＝t1+Δt21。
本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：
(1)本发明优化了各用户链路的同步信道配置，节省了空口无线频谱 资源；只需要NTN主节点用户链路配置同步信道，其他NTN辅节点无需配 置同步信道，节省了空口无线频谱资源；另一方面，终端不再需要与每一 个NTN节点进行同步信道搜索，简化了终端的同步流程；
(2)本发明地面站根据当前时刻的NTN节点的空间分布状态，将NTN 通信系统中的NTN节点分为一个NTN主节点和多个NTN辅节点，其中，NTN 主节点与终端的用户链路必须配置同步信道，NTN辅节点与终端的用户链路 可以不配置同步信道；
(3)本发明终端首先利用同步信道跟NTN主节点完成同步后，NTN主 节点将自身与NTN辅节点的轨道信息(经纬，纬度，距地心高度)及主辅 节点间时差发送给终端；
(4)本发明终端利用NTN主节点与NTN辅节点的轨道信息、主辅节点 间时差以及终端自身GPS位置坐标信息计算出NTN辅节点相对NTN主节点 的对地传播时间差；
(5)本发明终端在完成与NTN主节点同步的基础上补偿NTN辅节点相 对NTN主节点的对地传播时间差，即完成了终端与其他NTN辅节点的时间 同步。
附图说明
图1为现有技术的NTN通信系统的结构示意图；
图2为本发明的NTN通信系统示意图；
图3为本发明NTN通信系统的终端同步方法示意图；
图4为地心地固坐标系示意图；
图5为本发明主星、辅星与终端的坐标、星间时差示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的 实施方式不限于此。
实施例1
如图1至图5所示，本发明优化各用户链路的同步信道配置方案，并 且简化终端的同步流程。
在NTN通信系统中，终端需要与多个NTN节点同时建立用户链路。
步骤1：首先，地面站利用馈电链路实现与NTN节点的信息交互，并根 据当前时刻的NTN节点的空间分布状态，将NTN通信系统中的NTN节点分 为一个NTN主节点和多个NTN辅节点，其中，NTN主节点与终端的用户链路 必须配置同步信道，NTN辅节点与终端的用户链路可以不配置同步信道。假 设NTN通信系统中共有N个NTN节点，则所有NTN节点被分为1个NTN主 节点和(N-1)个NTN辅节点。如图2所示。
步骤2：终端首先搜索同步信道，完成与NTN主节点的下行时间同步， 记录定时时刻为t1，并建立完整的上下行用户链路。
步骤3：NTN主节点将自身与NTN辅节点的轨道信息(经纬，纬度，距 地心高度)及主辅节点间时差T21发送给终端。
步骤4：终端获取自身GPS位置坐标信息。
步骤5：终端利用NTN主节点与NTN辅节点的轨道信息、主辅节点间时 差以及终端自身GPS位置坐标信息计算出NTN辅节点相对NTN主节点的对 地传播时间差Δt21。
步骤6：终端在与NTN主节点同步的定时时刻t1基础上补偿NTN辅节 点相对NTN主节点的对地传播时间差Δt21，即完成了终端与其他NTN辅节 点的下行时间同步。
步骤7：当终端位置坐标发生变化时，重复步骤4～6，更新终端的同步 定时时刻。
步骤8：当NTN节点的轨道参数(经纬θ，纬度φ，距地心高度H)或 主辅节点间时差发生变化时，重复步骤3～6，更新终端的同步定时时刻。
步骤9：当终端与NTN节点的用户链路发生断链后，重复步骤2～6，重 新搜索终端的同步定时时刻。
步骤10：当NTN主节点飞出当前地面覆盖区域后，重复步骤1～6，重 新配置新的NTN主节点，并建立用户链路。
本发明优点：只需要NTN主节点配置同步信道，其他NTN辅节点无需 配置同步信道，并且简化了终端的同步过程。
NTN通信系统的终端同步方法关键流程如图3所示。
实施例2
如图1至图5所示，作为实施例1的进一步优化，本实施例包含了实 施例1的全部技术特征，除此之外，本实施例还包括以下技术特征：
本发明应用于NTN通信或测控系统，终端与多个NTN节点同时进行通 信、测控的场景。
例如：卫星、航空飞行器、导弹等平台的通信、测控系统。其中，以 卫星平台为主要应用场景。
下面的实施例以多卫星通信系统为例进行具体说明。
定义如图4所示的地心地固坐标系ECEF：以地心为坐标原点，经度0 度方向为x轴，经度90度方向为y轴，北极方向为z轴。
为了便于描述，下文以N＝2为例进行说明，多卫星通信系统包含1个 主星和1个辅星。如图5所示：
主星与终端之间的通信链路为用户链路1，主星与终端之间的星地距离 为d1；
辅星与终端之间的通信链路为用户链路2，辅星与终端之间的星地距离 为d2。
主星在地心地固坐标系中的坐标为(xs1,ys1,zs1)，辅星在地心地固坐标 系中的坐标为(xs2,ys2,zs2)，终端在地心地固坐标系中的坐标为(xt,yt,zt)。
主星与辅星之间的星间时差为T21。
具体处理流程如下：
(1)地面信关站利用馈电链路实现与卫星的信息交互，并根据当前时 刻卫星的空间分布状态，将多卫星通信系统中的卫星分为1个主星和1个 辅星，其中，主星-终端的用户链路必须配置同步信道，辅星-终端的用户 链路可以不配置同步信道。
地面信关站选择主星和辅星的方法：在当前可见(可正常建立用户链 路)的卫星集合中，按照用户链路SNR排序，选择SNR最高的卫星为主星， 其余卫星为辅星。
(2)终端首先搜索用户链路1的同步信道，完成与主星的下行时间同 步，记录用户链路1的定时时刻为t1，并建立完整的上下行用户链路1。
(3)主星将自身与辅星的轨道信息(经纬θ，纬度φ，距地心高度H) 及星间时差T21发送给终端。其中，如果卫星之间是完全同步关系，则星 间时差T21＝0。
(4)终端利用主星的轨道信息(经纬θ1，纬度φ1，距地心高度H1) 计算主星在地心地固坐标系中的坐标(xs1,ys1,zs1)：
Figure BDA0003544791350000081
Figure BDA0003544791350000091
(5)终端利用辅星的轨道信息(经纬θ2，纬度φ2，距地心高度H2) 计算辅星在地心地固坐标系中的坐标(xs2,ys2,zs2)：
Figure BDA0003544791350000092
Figure BDA0003544791350000093
(6)终端获取自身GPS信息，得到终端在地心地固坐标系中的坐标 (xt,yt,zt)。
(7)终端计算主星与终端之间的星地距离d1：
Figure BDA0003544791350000094
(8)终端计算辅星与终端之间的星地距离d2：
Figure BDA0003544791350000095
(9)终端计算辅星相对主星的对地传播时间差Δt21：
Figure BDA0003544791350000096
其中，C为光速。
(10)终端利用用户链路1的定时时刻t1和辅星相对主星的对地传播 时间差Δt21计算用户链路2的定时时刻t2：
t2＝t1+Δt21
(11)终端利用t2调整用户链路2的定时时刻，从而实现终端与辅星 的下行时间同步。
(12)当终端位置坐标(xt,yt，zt)发生变化后，重复步骤(6)～(11)， 更新终端的同步定时时刻。
(13)当卫星的轨道参数(经纬θ，纬度φ，距地心高度H)或星间时 差发生变化后，重复步骤(3)～(11)，更新终端的同步定时时刻。
(14)当终端与卫星用户链路发生断链后，重复步骤(2)～(11)，重 新搜索终端的同步定时时刻。
(15)对于低轨卫星，当主星完成过境后，重复步骤(1)～(11)，重 新配置新的主星，并建立用户链路。
只需要主星用户链路配置同步信道，其他辅星无需配置同步信道，节 省了空口无线频谱资源。另一方面，简化了终端的同步流程。
优化了各用户链路的同步信道配置，节省了空口无线频谱资源。
只需要主星用户链路配置同步信道，其他辅星无需配置同步信道，节 省了空口无线频谱资源。
另一方面，终端不再需要与每一个卫星进行同步信道搜索，简化了终 端的同步流程。
本发明优化了各用户链路的同步信道配置，节省了空口无线频谱资源。 只需要NTN主节点用户链路配置同步信道，其他NTN辅节点无需配置同步 信道，节省了空口无线频谱资源。另一方面，终端不再需要与每一个NTN 节点进行同步信道搜索，简化了终端的同步流程。
本发明地面站根据当前时刻的NTN节点的空间分布状态，将NTN通信 系统中的NTN节点分为一个NTN主节点和多个NTN辅节点，其中，NTN主节 点与终端的用户链路必须配置同步信道，NTN辅节点与终端的用户链路可以 不配置同步信道。
本发明终端首先利用同步信道跟NTN主节点完成同步后，NTN主节点将 自身与NTN辅节点的轨道信息(经纬，纬度，距地心高度)及主辅节点间 时差发送给终端。
本发明终端利用NTN主节点与NTN辅节点的轨道信息、主辅节点间时 差以及终端自身GPS位置坐标信息计算出NTN辅节点相对NTN主节点的对 地传播时间差。
本发明终端在完成与NTN主节点同步的基础上补偿NTN辅节点相对NTN 主节点的对地传播时间差，即完成了终端与其他NTN辅节点的时间同步。
如上所述，可较好地实现本发明。
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过 程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合 和/或扩展、替换。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式 上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上 实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术 方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非地面网络的终端同步系统，其特征在于，包括终端、地面站、N个分别与所述终端进行信息交互的NTN节点，地面站利用馈电链路实现与NTN节点的信息交互，NTN节点包括一个与所述终端通过用户链路进行信息交互的NTN主节点、N-1个分别与所述终端通过用户链路进行信息交互的NTN辅节点，NTN主节点记为NTN节点1，多个NTN辅节点分别记为NTN节点2～N，NTN节点1～NTN节点N之间通过NTN节点间无线链路进行信息交互；NTN主节点与终端的用户链路配置有同步信道，NTN辅节点与终端的用户链路不配置同步信道；其中，N≥2且N为正整数。
2.一种非地面网络的终端同步方法，其特征在于，基于权利要求1所述的一种非地面网络的终端同步系统，包括以下步骤：
S1，地面站利用馈电链路实现与NTN节点的信息交互，并根据当前时刻的NTN节点的空间分布状态，将NTN通信系统中的NTN节点分为一个NTN主节点和多个NTN辅节点；
S2，终端首搜索同步信道，完成与NTN主节点的下行时间同步，记录定时时刻为t1，并建立完整的上下行用户链路；
S3，NTN主节点将自身与NTN辅节点的轨道信息及主辅节点间时差T21发送给终端；
S4，终端获取自身GPS位置坐标信息；
S5，终端利用NTN主节点与NTN辅节点的轨道信息、主辅节点间时差以及终端自身GPS位置坐标信息计算出NTN辅节点相对NTN主节点的对地传播时间差Δt21；
S6，终端在与NTN主节点同步的定时时刻t1基础上补偿NTN辅节点相对NTN主节点的对地传播时间差Δt21，即完成了终端与其他NTN辅节点的下行时间同步。
3.根据权利要求2所述的一种非地面网络的终端同步方法，其特征在于，步骤S3中，所述轨道信息包括经纬、纬度、距地心高度。
4.根据权利要求3所述的一种非地面网络的终端同步方法，其特征在于，步骤S3中，如果NTN节点之间是完全同步关系，则主辅节点间时差T21＝0。
5.根据权利要求4所述的一种非地面网络的终端同步方法，其特征在于，还包括以下步骤：
S7，当终端位置坐标发生变化时，重复步骤S4～S6，更新终端的同步定时时刻。
6.根据权利要求5所述的一种非地面网络的终端同步方法，其特征在于，还包括以下步骤：
S8，当NTN节点的轨道参数或主辅节点间时差发生变化时，重复步骤S3～S6，更新终端的同步定时时刻。
7.根据权利要求6所述的一种非地面网络的终端同步方法，其特征在于，还包括以下步骤：
S9，当终端与NTN节点的用户链路发生断链后，重复步骤S2～S6，重新搜索终端的同步定时时刻。
8.根据权利要求5所述的一种非地面网络的终端同步方法，其特征在于，还包括以下步骤：
S10，当NTN主节点飞出当前地面覆盖区域后，重复步骤S1～S6，重新配置新的NTN主节点，并建立用户链路。
9.根据权利要求5所述的一种非地面网络的终端同步方法，其特征在于，步骤S5中，Δt21的计算公式为：
Figure FDA0003544791340000021
其中，
Figure FDA0003544791340000022
Figure FDA0003544791340000023
(xs1,ys1,zs1)表示NTN主节点的坐标，(xs2,ys2,zs2)表示NTN辅节点的坐标，C表示光速；
Figure FDA0003544791340000031
Figure FDA0003544791340000032
Figure FDA0003544791340000033
表示NTN主节点的轨道信息，θ1表示NTN主节点的经纬，
Figure FDA0003544791340000034
表示NTN主节点的纬度，H1表示NTN主节点距地心高度；
Figure FDA0003544791340000035
表示NTN辅节点的轨道信息，θ2表示NTN辅节点的经纬，
Figure FDA0003544791340000036
表示NTN辅节点的纬度，H2表示NTN辅节点距地心高度。
10.根据权利要求9所述的一种非地面网络的终端同步方法，其特征在于，步骤S6中，Δt21的计算公式为：
t2＝t1+Δt21。
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