CN115065396B - 基于相控阵体制的毫米量级测量精度的星间链路设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相控阵体制的毫米量级测量精度的星间链路设计方法，其包括组网卫星星座内各卫星之间收发体制的设计、多波束星间链路设备的相控阵天线的接收发射波束设计、收发时隙设计。使多波束星间链路设备的相控阵天线具有N个接收波束和一个发射波束，具备收发同频全双工模式；在空闲阶段，N个接收波束重构形成宽波束，实现接入信号的帧听，实现随遇接入的功能。本发明通过提出波束重构的随遇接入机制、微小时间片时隙的划分及同频收发策略实现载波相位连续观测的支持，实现毫米量级精度的观测，多条链路的同时建立有效支持了卫星的自主定轨和钟差的确定。

Description

基于相控阵体制的毫米量级测量精度的星间链路设计方法

技术领域

本发明涉及星间链路技术领域，特别是一种基于相控阵体制的毫米量级测量精度的星间链路设计方法。

背景技术

星间链路体制主要为时分微波星间链路体制和激光星间链路体制两种。时分体制的星间链路解决了收发隔离问题，但是时间划片时间较长，仅能采用伪距测量，测量精度在厘米量级，且使用时还依赖建链规划。激光星间链路虽然具备较高的测量精度，但是面临对准问题、同时建链受限问题，依赖单套设备的观测数据条数受限，仅靠激光星间链路很难实现全网的自主定轨和钟差确定。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种基于相控阵体制的毫米量级测量精度的星间链路设计方法，实现毫米量级的星间测量精度，支持扩展用户的随遇接入。

本发明公开了一种基于相控阵体制的毫米量级测量精度的星间链路设计方法，包括组网卫星星座内各卫星之间收发体制的设计、多波束星间链路设备的相控阵天线的接收发射波束设计、收发时隙的设计。

进一步地，所述组网卫星星座内各卫星之间的收发体制的设计，具体包括：

组网卫星星座内各卫星之间采用同频全双工同时收发技术体制，组网卫星星间链路在同一个频点进行同时收发；不同卫星收发信号采用不同伪码进行区分。

进一步地，实现同频同时工作模式能够采用高隔离度天线、射频抵消装置、数字抵消装置。

进一步地，所述组网卫星星座中的同轨卫星之间距离和拓扑相对固定，同轨卫星之间的建链能够采用同一个接收波束时分复用。

进一步地，所述多波束星间链路设备的相控阵天线的接收波束的设计，具体包括：

使多波束星间链路设备的相控阵天线具有N个接收波束和一个发射波束，具备收发同频全双工模式；其中，N为正整数；

在空闲阶段，N个接收波束重构形成宽波束，实现接入信号的帧听和随遇接入。

进一步地，在所述N个接收波束重构形成宽波束之后，所述方法还包括：

用户/卫星接入时，依据先验信息将其发射波束指向待接入的卫星；

待接入的卫星利用宽波束进行帧听，搜索用户的接入信号，当检测到信号存在时，将宽波束配置为窄波束，利用窄波束进行空间范围的扫描，直到确定用户所在的方位为止。

进一步地，所述多波束星间链路设备根据控制信息设置成同频时分模式和多波束同频全双工收发模式。

进一步地，所述多波束星间链路设备配备同频抵消装置，以对接收通道中接收到的发射信号进行处理和抑制。

进一步地，所述收发时隙的设计，具体包括：

在微秒量级的短时隙模式下，以本地时间为参考，依据相关参数对发射时隙进行分配，其中相关参数包括重复频度和优先级；在整秒内分配有M组时隙间隔，每组时隙内，依据建链的原则对不同卫星划分了不同的更小的时隙；接收波束需要对发射卫星进行持续凝视，具备适应发射信号在不同时隙切换的能力；

当时隙到来时，发射波束指向目标卫星，在相应的时隙内，保持对目标卫星的凝视，下一个时隙到来时，发射波束快速切换至时隙对应的目标卫星。

进一步地，所述多波束星间链路设备具备多个接收波束：对异轨卫星，一个接收波束分配给一颗卫星进行建链，接收波束保持对发射信号卫星的持续凝视，依据时隙分配的结果，对到达的信号进行处理；对同轨卫星，可在同轨前后两个卫星之间共用一个波束，依据接收时隙进行复用。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：本发明提出的基于多波束星间链路同频收发设备、利用微小时间片的划分和可重构波束的设计，实现了组网卫星星座内各个节点卫星在兼容大时隙间隔时分收发的同时，具备了毫米量级的载波相位观测精度和能力，利用波束的可重构特性，可以实现，具备闲置帧听能力和随遇接入功能，为自主感知建链提供了基础和必要条件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种单波束发射和多波束接收的相控阵天线示意图；

图2为本发明实施例的一种接收侦听宽波束示意图；

图3为本发明实施例的一种时隙分配示意图；

图4为本发明实施例的一种长时隙时分体制的测距结果示意图；

图5为本发明实施例的一种新体制的伪距和载波相位测距效果示意图。

具体实施方式

结合附图和实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。

参见图1，白色波束为接收波束，f0表示工作频率，黑色的波束为发射波束，f0表示工作频率，表示终端具备同频同时收发的能力。参见图2，当存在空闲波束时，其中一个波束配置为宽波束(右侧深灰色波束)，对接入的用户进行检测。

参见图3，本发明提供了一种基于相控阵体制的毫米量级测量精度的星间链路设计方法的实施例，其包括组网卫星星座内各卫星之间收发体制的设计、多波束星间链路设备的相控阵天线的接收波束的设计、收发时隙的设计。

本实施例中，组网卫星星座内各卫星之间的收发体制的设计，具体包括：

组网卫星星座内各卫星之间采用同频全双工同时收发技术体制，组网卫星星间链路在同一个频点进行同时收发；不同卫星收发信号采用不同伪码进行区分。

本实施例中，实现同频同时工作模式能够采用高隔离度天线、射频抵消装置、数字抵消装置。

本实施例中，组网卫星星座中的同轨卫星之间距离和拓扑相对固定，同轨卫星之间的建链采用同一个接收波束时分复用。

本实施例中，多波束星间链路设备的相控阵天线的接收波束的设计，具体包括：

使多波束星间链路设备的相控阵天线具有N个接收波束和一个发射波束；

在空闲阶段，N个接收波束重构形成宽波束，实现接入信号的帧听。

本实施例中，在N个接收波束重构形成宽波束之后，方法还包括：

用户接入时，依据先验信息将其发射波束指向待接入的卫星；

待接入的卫星利用宽波束进行帧听，搜索用户的接入信号，当检测到信号存在时，将宽波束配置为窄波束，利用窄波束进行空间范围的扫描，直到确定用户所在的方位为止。

本实施例中，多波束星间链路设备根据控制信息设置成同频时分模式和多波束全双工收发模式。

本实施例中，多波束星间链路设备配备同频抵消装置，以对接收通道中的发射信号进行处理和抑制。

本实施例中，时隙的设计，具体包括：

在微秒量级的短时隙模式下，以本地时间为参考，依据相关参数对发射时隙进行分配。在整秒内分配有M组时隙间隔，每组时隙内，依据建链的原则对不同卫星划分了不同的时隙，例如图3中时隙12345构成一组，不同组可以根据设计进行重复或者不重复。在每组时隙内，会再次进行更小时隙的划分，如图3中每组时隙中的时隙1和时隙2分配给同轨卫星，时隙3、4、5分配给异轨卫星。注意，这里的时隙分配是指对发射波束时隙的分配，一般情况下，接收波束需要对发射卫星进行持续凝视，具备适应发射信号在不同时隙切换的能力。

当对应时隙时刻到来时，发射波束指向目标卫星，在相应的时隙内，保持对目标卫星的凝视，下一个时隙到来时，发射波束快速切换至时隙对应的目标卫星。

多波束相控阵具备多个接收波束，对异轨卫星，一个接收波束分配给一颗卫星进行建链，接收波束保持对发射信号卫星的持续凝视，依据时隙分配的结果，对到达的信号进行处理。对同轨卫星，可以在同轨前后两个卫星之间共用一个波束，依据接收时隙进行复用。

为了便于理解，本发明给出了一个更为具体的实施例：

传统星间链路依据时隙划分，不同的卫星在规划的时间段在同一个频点进行半双工的通信，仅能支持伪码测量。本专利提出的技术具备毫米量级精度测量的星间链路体制，利用波束重构技术、微小时隙的划分方式、以及同频全双工的技术途径，在兼容原有工作模式的同时，解决了不同卫星之间频率多色复用、大时隙时分模式制约载波相位高精度观测的问题，大幅提升了星间链路的观测精度，具有十分显著的优势。

对不同时分模式的情况进行仿真，图4给出了60s时间长度的仿真结果，载噪比为45dB-Hz。可以看出，对于每个时隙内部，载波相位误差波动显著小于伪距误差。但是由于每个时隙的信号都需要重新捕获跟踪，导致不同时隙之间载波相位存在未知的整周模糊无法消除。伪距测量精度仿真结果为0.27ns。

参见图5，对提出的体制和方法进行了仿真，假设每个时隙长度为0.25ms，每4个时隙长度出现1个有效时隙，因此等效载噪比下降为39dB-Hz。下图给出了60s时间长度的仿真结果，由于时隙之间信号跟踪不丢失，载波跟踪过程未发生周跳现象，整个建链时段内载波相位测量结果可用。在该应用场景下，伪距测量精度仿真结果为0.61ns，载波相位测量精度仿真结果为0.73ps，约合0.22mm。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于相控阵体制的毫米量级测量精度的星间链路设计方法，其特征在于，包括组网卫星星座内各卫星之间收发体制的设计、多波束星间链路设备的相控阵天线的接收发射波束设计、收发时隙的设计；

所述组网卫星星座内各卫星之间的收发体制的设计，具体包括：

组网卫星星座内各卫星之间采用同频全双工同时收发技术体制，组网卫星星间链路在同一个频点进行同时收发；不同卫星收发信号采用不同伪码进行区分；

所述多波束星间链路设备的相控阵天线的接收波束的设计，具体包括：

使多波束星间链路设备的相控阵天线具有N个接收波束和一个发射波束，具备收发同频全双工模式；其中，N为正整数；

在空闲阶段，N个接收波束重构形成宽波束，实现接入信号的帧听和随遇接入；

所述收发时隙的设计，具体包括：

在微秒量级的短时隙模式下，以本地时间为参考，依据相关参数对发射时隙进行分配，其中相关参数包括重复频度和优先级；在整秒内分配有M组时隙间隔，每组时隙内，依据建链的原则对不同卫星划分了不同的更小的时隙；接收波束需要对发射卫星进行持续凝视，具备适应发射信号在不同时隙切换的能力；

当时隙到来时，发射波束指向目标卫星，在相应的时隙内，保持对目标卫星的凝视，下一个时隙到来时，发射波束快速切换至时隙对应的目标卫星。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，实现同频同时工作模式能够采用高隔离度天线、射频抵消装置、数字抵消装置。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述组网卫星星座中的同轨卫星之间距离和拓扑相对固定，同轨卫星之间的建链能够采用同一个接收波束时分复用。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述N个接收波束重构形成宽波束之后，所述方法还包括：

用户/卫星接入时，依据先验信息将其发射波束指向待接入的卫星；

待接入的卫星利用宽波束进行帧听，搜索用户的接入信号，当检测到信号存在时，将宽波束配置为窄波束，利用窄波束进行空间范围的扫描，直到确定用户所在的方位为止。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多波束星间链路设备根据控制信息设置成同频时分模式和多波束同频全双工收发模式。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多波束星间链路设备配备同频抵消装置，以对接收通道中接收到的发射信号进行处理和抑制。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多波束星间链路设备具备多个接收波束：对异轨卫星，一个接收波束分配给一颗卫星进行建链，接收波束保持对发射信号卫星的持续凝视，依据时隙分配的结果，对到达的信号进行处理；对同轨卫星，可在同轨前后两个卫星之间共用一个波束，依据接收时隙进行复用。