CN115173877B - 通信卫星转发器及锁相转发系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供的通信卫星转发器，包括接收端、放大器、分频器、混频装置及发射端。通信卫星转发器通过放大器对接收端接收的通信信号放大后，利用分频器进行分频，并将分频后的信号作为本振与通信信号进行混频。由于本振为通信信号分频后的信号，因此，不会像常规的通信卫星转发器一样引入由星载的本地振荡器相位抖动导致的额外传输误差。本申请提供的锁相转发系统包括发射源、通信卫星及地面信号处理系统。地面信号处理系统中相位补偿装置针对通信卫星的下行信号和地面转发器的参考信号的相位差，对上行信号和下行信号进行相位补偿。这种在上、下行信号相位补偿的方法可以将卫星上的星载钟实时不间断伺服于地面高精度的频率基准。

Description

通信卫星转发器及锁相转发系统

技术领域

本申请涉及卫星信号传输技术领域，特别是涉及一种通信卫星转发器及锁相转发系统。

背景技术

通信卫星转发器是通信卫星有效载荷的主要组成部分，负责将天线收到的通信信号进行处理、放大，再送回天线并对外辐射。传统通信卫星转发器主要由放大器、输入多工器、混频器等组成。传统通信卫星转发器普遍采用变频转发工作模式，例如，Ku波段的通信卫星往往将上行的信号接收、放大之后与星载的本地振荡器下混频后再放大发回地面。这一工作模式下，回传至地面的信号之中包含了星载的本地振荡器的频率及其相位，单频锁相环内始终有此未知变量，即，传统通信卫星转发器会引入由星载的本地振荡器相位抖动导致的额外传输误差。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术中，传统通信卫星转发器会引入由星载的本地振荡器相位抖动导致额外传输误差的问题，提供一种通信卫星转发器及锁相转发系统。

本发明提供了一种通信卫星转发器，包括：

接收端，用于接收通信信号；

放大器，所述放大器的输入端与所述接收端连接，用于对所述通信信号进行放大；

分频器，与所述放大器输出端连接，用于对放大后的所述通信信号进行分频得到分频信号；

混频装置，分别与所述放大器输出端和所述分频器输出端连接，用于对放大后的所述通信信号和所述分频信号进行下混频，得到混频信号；

发射端，与所述混频装置输出端连接，用于发射所述混频信号。

本发明提供了一种锁相转发系统，包括：

发射源，用于发射上行信号；

通信卫星，包含上述通信卫星转发器，用于接收所述上行信号并处理所述上行信号得到下行信号；

地面信号处理系统，包括地面转发器和相位补偿控制装置；所述地面转发器采用上述通信卫星转发器，分别与所述发射源和所述相位补偿控制装置连接，用于接收所述上行信号并处理所述上行信号得到参考信号；所述相位补偿控制装置，分别与所述通信卫星和所述地面转发器连接，用于接收所述下行信号和所述参考信号，并根据所述下行信号和所述参考信号的相位差对所述上行信号和所述下行信号进行相位补偿。

在其中一个实施例中，所述相位补偿控制装置包括：

地面站天线收发系统，分别与所述通信卫星和所述发射源连接，用于将所述上行信号发送给所述通信卫星，同时接收并转发所述下行信号；

控制反馈装置，分别与所述地面站天线收发系统和所述地面转发器连接，用于根据所述地面站天线收发系统转发的所述下行信号和所述参考信号的所述相位差生成第一相位补偿信号和第二相位补偿信号；

第一移相器，分别与所述发射源、所述地面站天线收发系统和所述控制反馈装置连接，用于根据所述第一相位补偿信号对所述上行信号进行第一补偿处理，所述地面站天线收发系统还用于将进行所述第一补偿处理后的所述上行信号发送至所述通信卫星，所述通信卫星还用于接收并处理进行所述第一补偿处理后的所述上行信号得到所述下行信号；

第二移相器，分别与所述地面站天线收发系统和所述控制反馈装置连接，用于根据所述第二相位补偿信号对所述下行信号进行第二补偿处理，所述控制反馈装置还用于根据进行所述第二补偿处理后的所述下行信号和所述参考信号生成新的所述第一补偿信号和所述第二补偿信号。

在其中一个实施例中，所述控制反馈装置包括：

相位测算装置，分别与所述地面站天线收发系统和所述地面转发器连接，用于计算所述下行信号和所述参考信号相位差，得到相位差信号；

控制信号生成装置，与所述相位测算装置相连，用于根据所述相位差信号控制信号；

补偿信号生成装置，分别与所述第一移相器、所述第二移相器和所述控制装置相连，用于根据所述控制信号生成所述第一补偿信号和所述第二补偿信号。

在其中一个实施例中，所述锁相转发系统还包括：

氢钟，与所述发射源连接，用于为所述发射源的相位提供基准。

在其中一个实施例中，所述锁相转发系统还包括：

低噪声放大器，分别与所述通信卫星和所述第二移相器连接，用于对所述下行信号进行放大，并将放大后的所述下行信号传输至所述第二移相器。

在其中一个实施例中，所述锁相转发系统还包括：

锁相介质振荡器，分别与所述地面转发器、所述第二移相器和所述相位测算装置连接，用于将所述第二移相器输出的所述下行信号和所述地面转发器输出的所述参考信号进行下变频至基带，并将所述锁相介质振荡器的输出信号传输至所述相位测算测算装置。

本发明提供了一种锁相转发控制方法，采用上述锁相转发系统，包括：

控制发射源发射上行信号；

控制通信卫星接收所述上行信号并通过通信卫星转发器处理得到下行信号；

控制地面转发器接收所述上行信号，得到参考信号；

利用相位补偿控制装置计算所述下行信号和所述参考信号的相位差，根据所述相位差对所述上行信号和所述下行信号进行相位补偿。

在其中一个实施例中，利用相位补偿控制装置根据所述相位差对所述上行信号和所述下行信号进行相位补偿包括：

根据所述相位差生成第一相位补偿信号和第二相位补偿信号；

根据所述第一相位补偿信号对所述上行信号进行第一补偿处理；

根据所述第二相位补偿信号对所述下行信号进行第二补偿处理。

在其中一个实施例中，根据所述相位差生成第一相位补偿信号和第二相位补偿信号包括：

根据所述下行信号和所述参考信号的相位差的相位差生成相位差信号；

根据所述相位差信号生成控制信号；

根据所述控制信号及比例关系，生成所述第一补偿信号和所述第二补偿信号，所述比例关系为上行信号和下行信号的频率比例关系。

本申请实施例提供的通信卫星转发器包括接收端、放大器、分频器、混频装置及发射端。通信卫星转发器通过放大器对接收端接收的通信信号放大后，利用分频器进行分频，并将分频后的信号作为本振与通信信号进行混频。由于本振来为通信信号分频后的信号，因此，不会像常规的通信卫星转发器一样引入由星载的本地振荡器相位抖动导致的额外传输误差。本申请实施例提供的锁相转发系统包括发射源、通信卫星及地面信号处理系统，地面信号处理系统中相位补偿装置针对通信卫星的下行信号和地面转发器的参考信号的相位差，对上行信号和下行信号进行相位补偿。这种在上行、下行同时进行相位补偿的方法可以将地面的钟相位复现到卫星中，从而将卫星上的星载钟实时不间断伺服于地面高精度的频率基准上，并实现星载钟的时间频率与地面基准钟的精密锁定。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为通信卫星转发器的结构图；

图2为锁相转发系统结构图一；

图3为锁相转发系统结构图二；

图4为锁相转发系统结构图三；

图5为锁相转发控制方法流程图。

附图标号：

接收端110；放大器120；分频器130；混频装置140；发射端150；发射源200；通信卫星300；地面信号处理系统400；地面转发器500；相位补偿控制装置600；地面站天线收发系统610；控制反馈装置620；相位测算装置621；控制信号生成装置622；补偿信号生成装置623；第一移相器630；第二移相器640；氢钟700。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

通信卫星转发器是通信卫星300有效载荷的主要组成部分，负责将天线收到的通信信号进行处理、放大，再送回天线并对外辐射。传统通信卫星转发器主要由放大器120、输入多工器、混频器等组成。传统通信卫星300普遍采用变频转发工作模式。例如，Ku波段的通信卫星300往往将上行的信号进行接收、放大之后与星载的本地振荡器下混频后，再将混频后的信号放大发回至地面。在这一工作模式下，由通信卫星300处理并回传至地面的信号之中包含了星载的本地振荡器的频率及其相位。因此，在含有常规的通信卫星转发器的单频锁相环内始终有此未知变量，这一未知变量为由星载的本地振荡器相位抖动导致的额外传输误差。

基于此，本申请实施例提供一种通信卫星转发器。

请一并参见图1，本申请实施例提供一种通信卫星转发器，包括：

接收端110，用于接收通信信号；

放大器120，所述放大器120的输入端与所述接收端110连接，用于对所述通信信号进行放大；

分频器130，与所述放大器120输出端连接，用于对放大后的所述通信信号进行分频得到分频信号；

混频装置140，分别与所述放大器120输出端和所述分频器130输出端连接，用于对放大后的所述通信信号和所述分频信号进行下混频，得到混频信号；

发射端，与所述混频装置140输出端连接，用于发射所述混频信号。

本申请实施例提供的通信卫星转发器通过分频器130对放大后的通信信号进行分频得到分频信号，并将分频信号作为本振信号与放大后的通信信号进行混频得到混频信号。由于本振信号来源于通信信号分频，因此，不会像常规的通信卫星转发器一样引入由星载的本地振荡器相位抖动导致的额外传输误差，并且本申请实施例所提供的通信卫星转发器可有望将提高远程时频绝对比对精度。

请一并参见图2，本申请实施例提供了一种锁相转发系统，包括：

发射源200，用于发射上行信号；

通信卫星300，包含上述通信卫星转发器，用于接收所述上行信号并处理所述上行信号得到下行信号；

地面信号处理系统400，包括地面转发器500和相位补偿控制装置600；所述地面转发器500采用上述通信卫星转发器，分别与所述发射源200和所述相位补偿控制装置600连接，用于接收所述上行信号并处理所述上行信号得到参考信号；所述相位补偿控制装置600，分别与所述通信卫星300和所述地面转发器500连接，用于接收所述下行信号和所述参考信号，并根据所述下行信号和所述参考信号的相位差对所述上行信号和所述下行信号进行相位补偿。

具体地，发射源200可以发射高精度的时频基准信号作为上行信号。通信卫星300在接收上行信号后，由星载的通信卫星转发器对上行信号进行处理。处理过程包括将上行信号放大后通过分频器130获得α倍频的分频信号，以α倍频的分频信号作为本振，将其与放大后的上行信号进行下混频，得到(1-α)倍频的混频信号。最终，将(1-α)倍频的混频信号作为下行信号，由通信卫星转发器发射端的发射天线发射至卫星，再由卫星将下行信号发送至地面信号处理系统400。在其中一个实施例中，α可以为0.1222。

地面信号处理系统400中地面转发器500对发射源200发射的上行信号放大后通过分频器获得α倍频的分频信号，以α倍频的分频信号作为本振，将其与放大后的上行信号进行下混频，得到(1-α)倍频的混频信号。以(1-α)倍频的混频信号作为参考信号。本申请实施例中地面转发器500和通信卫星转发器结构相同。

进一步地，地面信号处理系统400中的相位补偿控制装置600实时将参考信号和下行信号进行对比，计算两者相位差，并根据相位差对上行信号和下行信号进行相位补偿处理，以达到将地面的高精度时频基准信号复现于通信卫星300上。通信卫星300在还用于接收进行相位补偿处理后的上行信号，由星载的通信卫星转发器对相位补偿后的上行信号进行处理。处理过程包括将相位补偿后的上行信号放大后通过分频器130获得α倍频的分频信号，以α倍频的分频信号作为本振，将其与放大后的上行信号进行下混频，得到(1-α)倍频的混频信号并将(1-α)倍频的混频信号作为下行信号，再由通信卫星转发器发射端的发射天线发射至卫星，最终由卫星将下行信号发送至地面信号处理系统400。

本申请实施例的锁相转发系统中将相位补偿分为两部分，分别对上行信号和下行信号进行相位补偿，因此，本申请实施例中通信卫星300收发链路上行与下行的信号在相位将是始终锁定的。相比于常见的变频转发式卫星通信技术，本申请实施例的锁相转发系统采用锁相变频转发的工作模式，能有效地将地面的高精度时频基准信号复现于卫星上，不但保障转发变频信号的短期和长期稳定性，同时避免像常规的通信卫星转发器一样引入由星载的本地振荡器相位抖动导致的额外传输误差。

请一并参见图3，在其中一个实施例中，所述相位补偿控制装置600包括：

地面站天线收发系统610，分别与所述通信卫星300和所述发射源200连接，用于将所述上行信号发送给所述通信卫星300，同时接收并转发所述下行信号；

控制反馈装置620，分别与所述地面站天线收发系统610和所述地面转发器500连接，用于根据所述地面站天线收发系统610转发的所述下行信号和所述参考信号的所述相位差生成第一相位补偿信号和第二相位补偿信号；

第一移相器630，分别与所述发射源200、所述地面站天线收发系统610和所述控制反馈装置620连接，用于根据所述第一相位补偿信号对所述上行信号进行第一补偿处理，所述地面站天线收发系统610还用于将进行所述第一补偿处理后的所述上行信号发送至所述通信卫星300，所述通信卫星300还用于接收并处理进行所述第一补偿处理后的所述上行信号得到所述下行信号；

第二移相器640，分别与所述地面站天线收发系统610和所述控制反馈装置620连接，用于根据所述第二相位补偿信号对所述下行信号进行第二补偿处理，所述控制反馈装置620还用于根据进行所述第二补偿处理后的所述下行信号和所述参考信号生成新的所述第一补偿信号和所述第二补偿信号。

具体地，在上行链路中存在第一移相器630，第一移相器630受到控制反馈装置620的控制，用于对上行信号进行移相。除此之外，在上行链路中存在第二移相器640，第二移相器640受到控制反馈装置620的控制，用于对下行信号进行移相。本申请实施例中通过设置第一移相器630和第二移相器640，以使卫星上的星载钟实时不间断伺服于地面高精度的频率基准。

请一并参见图4，在其中一个实施例中，所述控制反馈装置620包括：

相位测算装置621，分别与所述地面站天线收发系统610和所述地面转发器500连接，用于计算所述下行信号和所述参考信号相位差，得到相位差信号；

控制信号生成装置622，与所述相位测算装置621相连，用于根据所述相位差信号生成控制信号；

补偿信号生成装置623，分别与所述第一移相器630、所述第二移相器640和所述控制信号生成装置622相连，用于根据所述控制信号生成所述第一补偿信号和所述第二补偿信号。

具体地，下行信号和参考信号输入到相位测算装置621中，相位测算装置621计算两者相位差并得到相位差信号。控制信号生成装置622可以为比例积分微分(PID；Proportion Integration Differentiation)系统。控制信号生成装置622可根据相位差构成控制偏差，并将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制信号。补偿信号生成装置623可以为锁相频率综合器。补偿信号生成装置623可以根据控制信号及比例关系分别给上下行链路分别生成补偿信号。

在其中一个实施例中，锁相转发系统还包括：

氢钟700，与所述发射源200连接，用于为所述发射源200的相位提供基准。

具体地，氢钟700分别与发射源200和地面信号处理系统400相连，氢钟700为发射源200的相位提供基准，以便发射源200可以发射高精度时频基准信号。

进一步地，氢钟700与地面信号处理系统400中控制反馈装置620连接，控制反馈装置620可以以氢钟700相位为基准，将上行信号和下行信号的相位差与氢钟700相位基准进行对比，生成第一相位补偿信号和第二相位补偿信号，最终实现上下行链路信号相位实时锁定，并与氢钟700相位近似在一致的位置附近进行轻微波动。因此，本申请实施例可以使地面站天线收发系统610的氢钟700相位复现到卫星中，从而将卫星上的星载钟实时不间断伺服于地面高精度的频率基准上，实现星载钟的时间频率与地面站天线收发系统610的基准钟的精密锁定。

在其中一个实施例中，锁相转发系统还包括：

低噪声放大器120，分别与所述通信卫星300和所述第二移相器640连接，用于对所述下行信号进行放大，并将放大后的所述下行信号传输至所述第二移相器640。

具体地，本申请实施例中地面信号处理系统400还包括低噪声放大器120和锁相介质振荡器。在地面站天线收发系统610接收到下行信号后，地面站天线收发系统610转发的下行信号首先进入低噪声放大器120进行低噪声放大。低噪声放大器120可以为地面站天线收发系统610接收卫星信号使用的专业放大器。低噪声放大器120作为下行链路的最前端，可以与地面站天线收发系统610天线直接连接。

在一个实施例中，低噪声放大器120可以为下行信号提供60dB的增益。

在其中一个实施例中，锁相转发系统还包括：

锁相介质振荡器，分别与与所述地面转发器500、所述第二移相器640和所述相位测算装置621连接，用于将所述第二移相器640输出的所述下行信号和所述地面转发器500输出的所述参考信号进行下变频至基带，并将所述锁相介质振荡器的输出信号传输至所述相位测算装置621。

进一步地，本申请实施例中地面站天线收发系统610接收下行信号并将其进行低噪声放大后，还需将下行信号下变频至基带，便于对下行信号进行数字采样。

本申请实施例中的上行信号可以为Ku波段信号。由于Ku波段信号功率随微波线缆衰减严重，在卫星天线后端需要完成第一次下混频，第一次下混频即通信卫星转发器中混频装置140进行的下混频。经过第一级下混频后，地面站天线收发系统610天线接收的下行信号进入到L波段，在经过低噪声放大器120放大后下行信号向室内实验室传递。实验室内使用锁相介质振荡器对所述第二移相器640输出的下行信号和所述地面转发器500输出的所述参考信号进行第二、三次下混频，降低下行信号和参考信号频率，方便进行数字采样。

在一个实施例中，对下行信号和参考信号进行第二次下混频可以使其频率降低至77.5MHz。

在一个实施例中，对下行信号和参考信号进行第三次下混频可以使其频率降低至1MHz。

请一并参见图5，本申请实施例提供了一种锁相转发控制方法，采用上述锁相转发系统，包括：

S502，控制发射源200发射上行信号；

S504，控制通信卫星300接收所述上行信号并通过通信卫星转发器处理得到下行信号；

S506，控制地面转发器500接收所述上行信号，得到参考信号；

S508，利用相位补偿控制装置600计算所述下行信号和所述参考信号的相位差，根据所述相位差对所述上行信号和所述下行信号进行相位补偿。

具体地，上行信号可以为高精度的频率基准信号。通信卫星300在接收上行信号后，由星载的通信卫星转发器对上行信号进行处理。处理过程包括将上行信号放大后通过分频器130进行α倍频，以α倍频后的分频信号作为本振，将其与放大后的上行信号进行下混频，得到(1-α)倍频的混频信号。(1-α)倍频的下混频信号作为下行信号，由通信卫星转发器发射端的发射天线发射至卫星，再由卫星将下行信号发送至相位补偿控制装置600。

本申请实施例中地面转发器500和通信卫星转发器结构相同。本申请的锁相转发控制方法中控制地面转发器500对发射源200发射的上行信号处理得到参考信号。

进一步地，本申请的锁相转发控制方法中控制相位补偿控制装置600实时将参考信号和下行信号进行对比，计算两者相位差，并根据相位差对上行信号和下行信号进行相位补偿，以达到将地面的高精度时频基准信号复现于卫星上。

本申请实施例的锁相转发控制方法中将相位补偿分为两部分，分别对上行信号和下行信号进行相位补偿，因此，本申请实施例中通信卫星300收发链路上行与下行的信号在相位将是始终锁定的。相比于常见的变频转发式卫星通信技术，本申请实施例的锁相转发控制方法能有效地将地面的高精度时频基准信号复现于卫星上，不但保障转发变频信号的短期和长期稳定性，同时避免像常规的通信卫星转发器一样引入由星载的本地振荡器相位抖动导致的额外传输误差。

在其中一个实施例中，S508，利用相位补偿控制装置600根据所述相位差对所述上行信号和所述下行信号进行相位补偿，包括：

根据所述相位差生成第一相位补偿信号和第二相位补偿信号；

根据所述第一相位补偿信号对所述上行信号进行第一补偿处理；

根据所述第二相位补偿信号对所述下行信号进行第二补偿处理。

具体地，在上行链路和下行链路中分别存在第一移相器630和第二移相器640。本申请的锁相转发控制方法中控制第一移相器630根据第一相位补偿信号对上行信号进行第一补偿处理。同理，本申请的锁相转发控制方法中控制第二移相器640根据第二相位补偿信号对下行信号进行第二补偿处理。因此，本申请的锁相转发控制方法可以将卫星上的星载钟实时不间断伺服于地面高精度的频率基准上，实现星载钟的时间频率与地面站天线收发系统610的基准钟的精密锁定。

在其中一个实施例中，根据所述相位差生成第一相位补偿信号和第二相位补偿信号包括：

根据所述下行信号和所述参考信号的相位差的相位差生成相位差信号；

根据所述相位差信号生成控制信号；

根据所述控制信号及比例关系，生成所述第一补偿信号和所述第二补偿信号，所述比例关系为上行信号和下行信号的频率比例关系。

具体地，在一定的精度范围内，例如，小于20ps，上下行链路的相位延迟与其频率成比例。本申请的锁相转发控制方法中控制相位测算装置计算上行信号和下行信号的相位差并生成相位差信号；其次，控制控制信号生成装置根据相位差信号生成控制偏差，并将偏差按比例、积分和微分通过线性组合生成控制信号；控制补偿信号生成装置根据控制信号及上行信号和下行信号的频率比例关系生成第一补偿信号和第二补偿信号。

应该理解的是，虽然如上述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

与常规的通信卫星转发器使用星载的本地振荡器作为下变频的本振不同，本申请实施例提供的通信卫星转发器直接对接收到的上行信号即Ku波段信号进行分频，再将分频后的信号作为本振对接收到上行信号的信号进行下变频得到下行信号。地面转发器会对接收到的发射源发射的上行信号进行实时的计算处理得到参考信号。相位补偿控制装置会将参考信号与下行信号进行实时处理，相位补偿控制装置还会将处理结果与氢钟进行相位比，分别对上下行信号进行相位补偿，最后达到将卫星上的星载钟实时不间断伺服于地面高精度的频率基准的结果。

下面将分别从开环建模及闭环分相补偿两个角度对这种锁相转发系统进行建模论述。

首先考虑开环建模的情况。

y(t)＝A_Kuexp{j*ω_u(t+τ_G1)} (4)

假设地面站天线收发系统发射的信号如式(4)，那么仅考虑到大气延时及多普勒多普勒效应，通信卫星接收到的信号的相位满足：

通讯卫星转发器会对进行ω_s/ω_u的分频，因此星上本振/>满足：

进而可以得到通信卫星发射的下行信号的相位满足：

通信卫星发射的下行信号在传播过程中同样会受到多普勒效应、大气延时等影响，因此，在到达地面站天线收发系统，并由地面站天线收发系统下变频至基带之后，其相位φ_G1(t)满足：

下面考虑闭环情况。在式(11)的基础上，如果将总的实时补偿量分成上行和下行两个部分，分别补偿在卫星的收发链路上，则可以将锁定点移至卫星接收端，从而实现地面站天线收发系统氢钟的星上复现。

其中在上行链路和下行链路中存在两个移相器A和B，移相器A为第一移相器，移相器B为第二移相器，这两个移相器受到控制反馈装置的控制，但其移相的比例关系严格满足：

其中φ_G1(t)是移相器A所移的相位；φ_G1(t)是移相器B所移的相位。

由上述开环系统的推理，同理可以得到和φ_G1(t)如下：

当卫星的下行Ku波段信号至地面站天线收发系统并下变频至基带之后，还需要经过移相器B的移相，因此，实际进入控制反馈装置的相位满足：

当系统达到稳定状态之后，会倾向于使得那么可求得：

将(18)式代入(13)、(14)、(15)、(16)中可得：

由(19)式可知，由这种在上行、下行同时移相的方法可以将地面站天线收发系统的钟相位复现到卫星中，从而将卫星上的星载钟实时不间断伺服于地面高精度的频率基准上，实现星载钟的时间频率与地面站天线收发系统的基准钟的精密锁定。

这种锁相转发系统中上行与下行的信号在相位将是始终锁定的。相比于常见的变频转发式卫星通信技术，锁相转发系统中锁相变频转发的工作模式，能有效地将地面的高精度时频基准信号复现于星上，并保障转发变频信号的短期和长期稳定性，同时避免像常规的转发器一样引入由星载晶振相位抖动导致的额外传输误差。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为本专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种通信卫星转发器，其特征在于，包括：

接收端（110），用于接收通信信号，所述通信信号为时频基准信号；

放大器（120），所述放大器（120）的输入端与所述接收端（110）连接，用于对所述通信信号进行放大；

分频器（130），与所述放大器（120）输出端连接，用于直接对放大后的所述通信信号进行分频得到分频信号；

混频装置（140），分别与所述放大器（120）输出端和所述分频器（130）输出端连接，用于将所述分频信号作为本振信号与放大后的所述通信信号进行下混频，得到混频信号；

发射端（150），与所述混频装置（140）输出端连接，用于发射所述混频信号。

2.一种锁相转发系统，其特征在于，包括：

发射源（200），用于发射上行信号；

通信卫星（300），包含如权利要求1所述的通信卫星转发器，用于接收所述上行信号并处理所述上行信号得到下行信号；

地面信号处理系统（400），包括地面转发器（500）和相位补偿控制装置（600）；所述地面转发器（500）采用权利要求1所述的通信卫星转发器，分别与所述发射源（200）和所述相位补偿控制装置（600）连接，用于接收所述上行信号并处理所述上行信号得到参考信号；所述相位补偿控制装置（600），分别与所述通信卫星（300）和所述地面转发器（500）连接，用于接收所述下行信号和所述参考信号，并根据所述下行信号和所述参考信号的相位差对所述上行信号和所述下行信号进行相位补偿。

3.如权利要求2所述的锁相转发系统，其特征在于，所述相位补偿控制装置（600）包括：

地面站天线收发系统（610），分别与所述通信卫星（300）和所述发射源（200）连接，用于将所述上行信号发送给所述通信卫星（300），同时接收并转发所述下行信号；

控制反馈装置（620），分别与所述地面站天线收发系统（610）和所述地面转发器（500）连接，用于根据所述地面站天线收发系统（610）转发的所述下行信号和所述参考信号的所述相位差生成第一相位补偿信号和第二相位补偿信号；

第一移相器（630），分别与所述发射源（200）、所述地面站天线收发系统（610）和所述控制反馈装置（620）连接，用于根据所述第一相位补偿信号对所述上行信号进行第一补偿处理，所述地面站天线收发系统（610）还用于将进行所述第一补偿处理后的所述上行信号发送至所述通信卫星（300），所述通信卫星（300）还用于接收并处理进行所述第一补偿处理后的所述上行信号得到所述下行信号；

第二移相器（640），分别与所述地面站天线收发系统（610）和所述控制反馈装置（620）连接，用于根据所述第二相位补偿信号对所述下行信号进行第二补偿处理，所述控制反馈装置（620）还用于根据进行所述第二补偿处理后的所述下行信号和所述参考信号生成新的所述第一补偿信号和所述第二补偿信号。

4.如权利要求3所述的锁相转发系统，其特征在于，所述控制反馈装置（620）包括：

相位测算装置（621），分别与所述地面站天线收发系统（610）和所述地面转发器（500）连接，用于计算所述下行信号和所述参考信号相位差，得到相位差信号；

控制信号生成装置（622），与所述相位测算装置（621）相连，用于根据所述相位差信号生成控制信号；

补偿信号生成装置（623），分别与所述第一移相器（630）、所述第二移相器（640）和所述控制信号生成装置（622）相连，用于根据所述控制信号生成所述第一补偿信号和所述第二补偿信号。

5.如权利要求2所述的锁相转发系统，其特征在于，所述锁相转发系统还包括：

氢钟（700），与所述发射源（200）连接，用于为所述发射源（200）的相位提供基准。

6.如权利要求3所述的锁相转发系统，其特征在于，所述锁相转发系统还包括：

低噪声放大器，分别与所述地面站天线收发系统（610）和所述第二移相器（640）连接，用于对所述下行信号进行放大，并将放大后的所述下行信号传输至所述第二移相器（640）。

7.如权利要求4所述的锁相转发系统，其特征在于，所述锁相转发系统还包括：

锁相介质振荡器，分别与所述地面转发器（500）、所述第二移相器（640）和所述相位测算装置（621）连接，用于将所述第二移相器（640）输出的所述下行信号和所述地面转发器（500）输出的所述参考信号进行下变频至基带，并将所述锁相介质振荡器的输出信号传输至所述相位测算装置（621）。

8.一种锁相转发控制方法，采用权利要求2-7任一所述的锁相转发系统，其特征在于，包括：

控制发射源（200）发射上行信号；

控制通信卫星（300）接收所述上行信号并通过通信卫星转发器处理得到下行信号；

控制地面转发器（500）接收所述上行信号，得到参考信号；

利用相位补偿控制装置（600）计算所述下行信号和所述参考信号的相位差，根据所述相位差对所述上行信号和所述下行信号进行相位补偿。

9.如权利要求8所述的锁相转发控制方法，其特征在于，根据所述相位差对所述上行信号和所述下行信号进行相位补偿包括：

根据所述相位差生成第一相位补偿信号和第二相位补偿信号；

根据所述第一相位补偿信号对所述上行信号进行第一补偿处理；

根据所述第二相位补偿信号对所述下行信号进行第二补偿处理。

10.如权利要求9所述的锁相转发控制方法，其特征在于，根据所述相位差生成第一相位补偿信号和第二相位补偿信号包括：

根据所述下行信号和所述参考信号的相位差的相位差生成相位差信号；

根据所述相位差信号生成控制信号；

根据所述控制信号及比例关系，生成所述第一补偿信号和所述第二补偿信号，所述比例关系为上行信号和下行信号的频率比例关系。