CN115549753B - 一种gnss辅助的leo地面通信收发系统及方法 - Google Patents

一种gnss辅助的leo地面通信收发系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)辅助的低轨(LEO Earth Orbit,LEO)卫星地面通信收发系统及方法。本发明旨在提高LEO卫星通信系统的可靠性、保密性和抗干扰性。该收发系统利用GNSS信号接收单元提供的时间、位置和速度信息，以及LEO卫星轨道信息，实现地面通信收发系统与LEO卫星之间方向信息的估算，并利用该方向信息作为导向矢量，通过多通道射频单元以及天线阵列形成波束，指向LEO卫星，并根据动态实时调整，从而达到实时跟踪LEO卫星信号，有效降低地面收发系统发射功率，提高信号接收性能的目的。

Description

一种GNSS辅助的LEO地面通信收发系统及方法
技术领域
本发明属于低轨卫星通信系统领域，特别涉及一种全球导航卫星系统(GlobalNavigation Satellite System,GNSS)辅助的低轨(LEO Earth Orbit,LEO)卫星地面通信收发系统及方法。
背景技术
全球导航卫星系统是一种星基无线电定位、导航系统，包括美国的全球定位系统(Global Positioning System，GPS)、中国北斗系统、欧洲伽利略、俄罗斯格洛纳斯系统等。GNSS提供了全球导航功能，极大地满足了军事和民用中的导航定位和授时需求。但GNSS基本没有通信功能，北斗系统虽然具有短报文通信功能，但过低的通信速率不能满足人们日益强烈的网络、视频、图片等大带宽通信需求要求。
随着电子、通信技术，以及火箭发射技术的逐步成熟，近年来低轨道卫星通信技术得到了突飞猛进的发展。低轨卫星通信由于覆盖面广，能有效实现偏远地区、山中、海上、沙漠等地区的网络通信，可广泛应用于电视、电话、广播、网络和军事领域。目前全球主要四大低轨卫星营运商主要为：美国SpaceX、美国Amazon、加拿大Telesat、英国OneWeb，其中以SpaceX的星链(Starlink)计划规模最为庞大，将投入12,000颗卫星组成巨型通讯卫星星系。我国也陆续出台了支持卫星通信行业发展的政策文件，在短、中、长期各个阶段，积极部署卫星通信产业发展，促进“天地一体”发展。星地一体融合组网技术将是6G重要的潜在技术之一，低轨卫星通信开启商业化时代，成为未来通信发展的主要方向。
与传统地面基站通信相比，低轨卫星通信由于星地距离较远，信号落地功率低，地面收发设备容易受到电磁干扰等影响，通信性能较差。为保证通信性能，以SpaceX的星链(Starlink)系统为例，接收设备往往需要一个体积较大的天线装置，且需要人工对准，这大大提高了系统的复杂度，降低了用户使用的便捷性。另一方面，在军事以及个人通信中，地面发射功率的大幅度提高，也会造成通信的保密性难以保证，导致用户信息的泄露。因此，如何有效提高低轨卫星通信的稳定性、抗干扰性与保密性，是其未来发展的主要问题之一。
发明内容
针对现有低轨卫星地面通信收发系统及方法存在的通信性能差、体积大、功耗大等问题，本发明提供了一种GNSS辅助的LEO地面通信收发系统及方法，可有效提高低轨通信系统的稳定性、抗干扰性和保密性。
本发明的思路如下：
LEO地面通信收发系统集成天线阵列和GNSS信号接收模组，收发系统首先利用GNSS接收系统计算出当前收发系统的时间和位置信息；基于该时空信息，以及LEO卫星轨道信息计算出LEO卫星所在位置；利用地面通信收发系统位置与LEO卫星位置方向矢量作为导向矢量，通过波束形成算法实现天线阵列波束指向低轨卫星，从而达到提高地面通信收发系统通信性能的目的。
本发明采用如下的技术方案：
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种GNSS辅助的LEO地面通信收发系统，包括依次连接的天线阵列、多通道射频单元、基带信号处理单元和GNSS信号接收单元；
所述天线阵列包括多个阵元，各阵元通过馈线与多通道射频单元的各通道一一对应连接，多通道射频单元与基带信号处理单元连接，所述基带信号处理单元与GNSS信号接收单元连接；
所述GNSS信号接收单元，用于接收并处理GNSS信号，获得时间、位置和速度信息；
所述基带信号处理单元，用于根据GNSS信号接收单元提供的时间、位置信息，以及LEO卫星的轨道信息，实现地面通信收发系统与LEO卫星之间方向信息的估算，并将该方向信息作为导向矢量，利用波束形成算法计算出天线阵列各个阵元的权重，并将权重乘以各阵元对应的射频通道输出，最后将所有阵元的相乘结果相加，实现对各阵元的发射信号和接收信号进行加权，将发射波束和接收波束指向LEO卫星；
所述基带信号处理单元，还用于根据GNSS信号接收单元提供的时间、速度信息，以及LEO卫星的轨道信息对LEO卫星和地面通信收发系统之间的方向矢量变化进行数学建模，并根据建立的动态模型，以及观测到的LEO卫星信号信噪比，通过波束形成算法不断调整阵元权重，实现对LEO卫星的方向跟踪。
优选地，所述基带信号处理单元包括：波束形成模块、发射信号处理模块和接收信号处理模块；
所述波束形成模块与所述多通道射频单元连接；所述波束形成模块还分别与所述发射信号处理模块、接收信号处理模块连接；所述波束形成模块还与GNSS信号接收单元连接；
所述波束形成模块，用于接收GNSS信号接收单元提供的时间、位置和速度信息，通过波束形成算法形成波束权重，对各天线阵元的发射信号和接收信号进行加权处理；
所述发射信号处理模块和所述接收信号处理模块，用于实现地面通信收发系统的信号发射与接收处理。
可选地，所述天线阵列为任意阵型，阵元数目依据实际情况任意设定。
优选地，所述GNSS信号接收单元与地面通信收发系统集成在一起，作为同一个系统。
根据本发明的另一方面，本发明提供了一种GNSS辅助的LEO地面通信收发方法，包括以下步骤：
S1：在信号发射时，基带信号处理单元中的发射信号处理模块对所需发射信息进行调制产生调制信号，并将调制信号传输至波束形成模块；
S2：波束形成模块根据GNSS信号接收单元提供的时间、位置信息以及LEO卫星的轨道信息，计算出地面通信收发系统与LEO卫星的方向矢量，并利用波束形成算法计算天线阵列各阵元权重，通过对发射信号和接收信号加权，将发射波束和接收波束指向LEO卫星；
S3：在信号接收时，基带信号处理单元中的波束形成模块通过方向跟踪算法调整各阵元权重，对天线阵列各阵元接收到的信号进行加权，并将加权结果传输至接收信号处理模块，接收信号处理模块通过解调恢复出信息。
优选地，步骤S2具体包括：
S2.1：在地面通信收发系统与LEO卫星进行通信时，GNSS信号接收单元通过接收并处理GNSS信号，获得GNSS信号接收单元的位置、时间和速度信息；
S2.2：基带信号处理单元根据时间信息和LEO卫星轨道信息计算出当前时刻的LEO卫星的位置信息；
S2.3：基带信号处理单元根据GNSS信号接收单元提供的位置信息以及LEO卫星的位置信息计算出地面通信收发系统与LEO卫星的方向矢量；
S2.4：基带信号处理单元以方向矢量作为导向矢量，利用波束形成算法计算出天线阵列各个阵元的权重，并将权重乘以各阵元对应的射频通道输出，最后将所有阵元的相乘结果相加，实现对各阵元的发射信号和接收信号进行加权，将发射波束和接收波束指向LEO卫星。
优选地，在实现步骤S2中的波束指向以后，基带信号处理单元通过接收到的LEO卫星信号功率，根据波束形成算法不断微调各阵元权重，进一步提高波束指向的精准性。
优选地，步骤S3中，所述方向跟踪算法具体包括：
S3.1：基带信号处理单元根据GNSS信号接收单元提供的时间信息、速度信息，以及LEO卫星的轨道信息对LEO卫星和地面通信收发系统之间的方向矢量变化进行数学建模；
S3.2：基带信号处理单元根据建立的动态模型，以及观测到的LEO卫星信号信噪比，通过波束形成算法不断调整阵元权重，实现对LEO卫星的方向跟踪，从而达到在移动环境中也能实现精准波束指向的目的。
可选地，上述过程中，LEO卫星的位置信息也可以通过LEO卫星上的GNSS接收机直接计算并提供给LEO地面通信收发系统，这种情况下，LEO地面通信收发系统不再需要LEO卫星的轨道信息。
优选地，上述步骤S2.4中的波束形成算法可形成多个波束，分别指向不同的LEO卫星，从而实现同时与多颗LEO卫星通信的目的。
可选地，所述基带信号处理单元在进行方向矢量的建模时，也可以直接利用LEO卫星上的GNSS接收机提供的位置、速度与时间信息，这种情况下，不再需要LEO卫星的轨道信息。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
(1)本发明提供的LEO地面通信收发系统，可利用GNSS信号接收单元提供的时间和位置信息，以及LEO卫星的轨道信息，计算出地面通信收发系统与LEO卫星的方向，从而通过波束形成算法使天线阵列指向LEO卫星，提高通信的可靠性、保密性，以及抗干扰性能。
(2)本发明提供的LEO地面通信收发系统可通过接收到的LEO卫星信号功率，对波束指向进行微调，从而提高波束指向的精准性。
(3)本发明提供的LEO地面通信收发系统可通过数学建模的方式，随着LEO卫星的移动和地面终端的移动，而动态地调整波束指向，实现对地面通信收发系统与LEO卫星之间的方向进行跟踪的目的。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例GNSS辅助的LEO地面通信收发系统结构图；
图2是本发明实施例LEO地面通信收发系统的波束形成方法流程图；
图3是本发明实施例LEO地面通信收发系统的方向跟踪方法流程图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
实施例一：
参考图1，本实施例提供了一种GNSS辅助的LEO地面通信收发系统，包括依次连接的天线阵列、多通道射频单元、基带信号处理单元和GNSS信号接收单元；
天线阵列包括多个阵元，各阵元通过馈线与多通道射频单元的各通道一一对应连接，多通道射频单元与基带信号处理单元连接，基带信号处理单元与GNSS信号接收单元连接；
GNSS信号接收单元，用于接收并处理GNSS信号，获得时间、位置和速度信息；
基带信号处理单元，用于根据GNSS信号接收单元提供的时间、位置信息，以及LEO卫星的轨道信息，实现地面通信收发系统与LEO卫星之间方向信息的估算，并将该方向信息作为导向矢量，利用波束形成算法计算出天线阵列各个阵元的权重，并将权重乘以各阵元对应的射频通道输出，最后将所有阵元的相乘结果相加，实现对各阵元的发射信号和接收信号进行加权，将发射波束和接收波束指向LEO卫星；
基带信号处理单元，还用于根据GNSS信号接收单元提供的时间、速度信息，以及LEO卫星的轨道信息对LEO卫星和地面通信收发系统之间的方向矢量变化进行数学建模，并根据建立的动态模型，以及观测到的LEO卫星信号信噪比，通过波束形成算法不断调整阵元权重，实现对LEO卫星的方向跟踪。
本实施例中，优选天线阵列设置为圆形，共有四个阵元。射频单元的通道数与天线阵元数字相同，天线阵元的主要功能是对LEO卫星信号的收发，多通道射频单元对每个天线阵元的信号实现混频处理。
需要说明的是，在其他实施例中，天线阵列也可以为任意阵型，阵元数目可依据实际情况任意设定。
参考图1，本实施例中，基带信号处理单元进一步分为波束形成模块、发射信号处理模块，以及接收信号处理模块。基带信号处理单元中的波束形成模块通过波束形成算法形成波束权重，对各天线阵列的发射和接收信号进行加权处理。发射信号处理模块、接收信号处理模块均与波束形成模块相连接，实现地面通信收发系统的信号发射与接收处理。
波束形成模块还与GNSS信号接收单元相连接，GNSS信号接收单元估算出的位置、速度和时间信息，提供给波束形成模块。
需要说明的是，本实施例中，将GNSS信号接收单元与地面通信收发系统集成在一起，作为同一个系统。
实施例二：
参考图2和图3，基于实施例一所述的GNSS辅助的LEO地面通信收发系统，本实施例提供了一种GNSS辅助的LEO地面通信收发方法，具体包括以下步骤：
S1：在信号发射时，基带信号处理单元中的发射信号处理模块对所需发射信息进行调制产生调制信号，并将调制信号传输至波束形成模块；
S2：波束形成模块根据GNSS信号接收单元提供的时间、位置信息以及LEO卫星的轨道信息，计算出地面通信收发系统与LEO卫星的方向矢量，并利用波束形成算法计算天线阵列各阵元权重，通过对发射信号和接收信号加权，将发射波束和接收波束指向LEO卫星；
S3：在信号接收时，基带信号处理单元中的波束形成模块通过方向跟踪算法调整各阵元权重，对天线阵列各阵元接收到的信号进行加权，并将加权结果传输至接收信号处理模块，接收信号处理模块通过解调恢复出信息。
参考图2，步骤S2中波束形成方法的具体流程如下：
LEO地面通信收发系统与低轨卫星进行通信时，GNSS信号接收单元首先通过接收并处理GNSS信号，获得自身系统的位置、时间和速度信息。LEO地面通信收发系统的基带信号处理单元利用时间信息和LEO卫星轨道信息计算出当前时刻的LEO卫星的位置信息。其中，LEO卫星轨道信息提前预存至地面通信收发系统中。接着，LEO地面通信收发系统的基带信号处理单元利用GNSS信号接收单元提供的位置信息以及LEO卫星的位置信息计算出地面通信收发系统与LEO卫星的方向矢量。最后，以该方向矢量作为导向矢量，利用波束形成算法计算出天线阵列各个阵元的权重，并对各个阵元的收发信号进行加权，从而达到提高地面通信收发系统通信性能的目的。
需要说明的是，根据导向矢量，利用波束形成算法计算各阵元权重的方法，常常被考虑为线性约束最优化问题的求解，根据其约束准则的不同，自适应阵列处理有很多分类。本实施例以线性约束最小方差准则为例对权重求取方法进行说明。线性约束最小方差(LCMV)准则是在保证期望信号不衰减的情况下，使阵列输出的方差(即输出功率)最小化，方程式为：
Figure BDA0003829910680000071
其中，y(k)表示k时刻的输出，w为所求权值序列，RXX表示各阵元输入信号之间的互相关矩阵，s为期望信号的导向矢量。由该准则求出的最佳权重矢量为：
Figure BDA0003829910680000072
求取出最佳权重矢量后，在每个采样点，将最佳权重矢量与阵列输入信号矢量相乘，可以获得加权后的信号：
Figure BDA0003829910680000081
其中，x(k)表示k时刻的阵列输入信号矢量，
Figure BDA0003829910680000082
表示阵列最佳权重矢量的共轭对称矢量。
上述权重的求取准则，以及实现方法仅作为实施例说明中的一种举例。
在其他实施例中，波束形成算法可以是现有的各类成熟波束形成算法。
上述的波束形成算法可形成多个波束，分别指向不同的LEO卫星，从而实现同时与多颗LEO卫星通信的目的。
随着LEO卫星的快速移动以及LEO地面通信收发系统的移动，LEO低轨卫星与地面通信收发系统之间的方向矢量会发生变化。为此，本发明提供了一种方向跟踪算法进行波束指向跟踪，参考图3，步骤S3的方向跟踪方法的具体过程如下：
LEO地面通信收发系统的基带信号处理单元利用GNSS信号接收单元提供的时间信息和LEO卫星的轨道信息对LEO卫星的位置和速度进行估算；然后，系统利用GNSS信号接收单元提供的自身位置和速度信息，以及LEO卫星的位置和速度建立两者之间的动态模型，对其两者之间的方向矢量变化进行数学建模；最后，LEO地面通信收发系统的基带信号处理单元根据建立的动态模型，以及观测到的LEO卫星信号信噪比，通过波束形成算法不断调整阵元权重，实现对LEO卫星的方向跟踪(波束指向动态跟踪)，从而达到在移动环境中也能实现精准波束指向的目的。
作为一种可选地实施方式，LEO卫星的位置信息也可以通过LEO卫星上的GNSS接收机直接计算并提供给LEO地面通信收发系统，这种情况下，LEO地面通信收发系统不再需要LEO卫星的轨道信息。
作为一种可选地实施方式，基带信号处理单元在进行方向矢量的建模时，也可以直接利用LEO卫星上的GNSS接收机提供的位置、速度与时间信息，这种情况下，不再需要LEO卫星的轨道信息。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。词语第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些词语解释为标识。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种GNSS辅助的LEO地面通信收发系统，其特征在于，包括依次连接的天线阵列、多通道射频单元、基带信号处理单元和GNSS信号接收单元；
所述天线阵列包括多个阵元，各阵元通过馈线与多通道射频单元的各通道一一对应连接，多通道射频单元与基带信号处理单元连接，基带信号处理单元与GNSS信号接收单元连接；
所述GNSS信号接收单元，用于接收并处理GNSS信号，获得时间、位置和速度信息；
所述基带信号处理单元，用于根据GNSS信号接收单元提供的时间、位置信息，以及LEO卫星的轨道信息，实现地面通信收发系统与LEO卫星之间方向信息的估算，并将该方向信息作为导向矢量，利用波束形成算法计算出天线阵列各个阵元的权重，并将权重乘以各阵元对应的射频通道输出，最后将所有阵元的相乘结果相加，实现对各阵元的发射信号和接收信号进行加权，将发射波束和接收波束指向LEO卫星；
所述基带信号处理单元，还用于根据GNSS信号接收单元提供的时间、速度信息，以及LEO卫星的轨道信息对LEO卫星和地面通信收发系统之间的方向矢量变化进行数学建模，并根据建立的动态模型，以及观测到的LEO卫星信号信噪比，通过波束形成算法不断调整阵元权重，实现对LEO卫星的方向跟踪。
2.根据权利要求1所述的GNSS辅助的LEO地面通信收发系统，其特征在于，所述基带信号处理单元包括：波束形成模块、发射信号处理模块和接收信号处理模块；
所述波束形成模块与所述多通道射频单元连接；所述波束形成模块还分别与所述发射信号处理模块、接收信号处理模块连接；所述波束形成模块还与GNSS信号接收单元连接；
所述波束形成模块，用于接收GNSS信号接收单元提供的时间、位置和速度信息，通过波束形成算法形成波束权重，对各天线阵元的发射信号和接收信号进行加权处理；
所述发射信号处理模块和所述接收信号处理模块，用于实现地面通信收发系统的信号发射与接收处理。
3.根据权利要求1所述的GNSS辅助的LEO地面通信收发系统，其特征在于，所述天线阵列为任意阵型，阵元数目依据实际情况任意设定。
4.根据权利要求1所述的GNSS辅助的LEO地面通信收发系统，其特征在于，所述GNSS信号接收单元与地面通信收发系统集成在一起，作为同一个系统。
5.一种GNSS辅助的LEO地面通信收发方法，应用于如权利要求2所述的GNSS辅助的LEO地面通信收发系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在信号发射时，基带信号处理单元中的发射信号处理模块对所需发射信息进行调制产生调制信号，并将调制信号传输至波束形成模块；
S2：波束形成模块根据GNSS信号接收单元提供的时间、位置信息以及LEO卫星的轨道信息，计算出地面通信收发系统与LEO卫星的方向矢量，并利用波束形成算法计算天线阵列各阵元权重，通过对发射信号和接收信号加权，将发射波束和接收波束指向LEO卫星；
S3：在信号接收时，基带信号处理单元中的波束形成模块通过方向跟踪算法调整各阵元权重，对天线阵列各阵元接收到的信号进行加权，并将加权结果传输至接收信号处理模块，接收信号处理模块通过解调恢复出信息；
步骤S3中，所述方向跟踪算法具体包括：
S3.1：基带信号处理单元根据GNSS信号接收单元提供的时间信息、速度信息，以及LEO卫星的轨道信息对LEO卫星和地面通信收发系统之间的方向矢量变化进行数学建模；
S3.2：基带信号处理单元根据建立的动态模型，以及观测到的LEO卫星信号信噪比，通过波束形成算法不断调整阵元权重，实现对LEO卫星的方向跟踪，从而达到在移动环境中也能实现精准波束指向的目的。
6.如权利要求5所述的GNSS辅助的LEO地面通信收发方法，其特征在于，步骤S2具体包括：
S2.1：在地面通信收发系统与LEO卫星进行通信时，GNSS信号接收单元通过接收并处理GNSS信号，获得GNSS信号接收单元的位置、时间和速度信息；
S2.2：基带信号处理单元根据时间信息和LEO卫星轨道信息计算出当前时刻的LEO卫星的位置信息；
S2.3：基带信号处理单元根据GNSS信号接收单元提供的位置信息以及LEO卫星的位置信息计算出地面通信收发系统与LEO卫星的方向矢量；
S2.4：基带信号处理单元以方向矢量作为导向矢量，利用波束形成算法计算出天线阵列各个阵元的权重，并将权重乘以各阵元对应的射频通道输出，最后将所有阵元的相乘结果相加，实现对各阵元的发射信号和接收信号进行加权，将发射波束和接收波束指向LEO卫星。
7.如权利要求5所述的GNSS辅助的LEO地面通信收发方法，其特征在于，在实现步骤S2中的波束指向以后，基带信号处理单元通过接收到的LEO卫星信号功率，根据波束形成算法不断微调各阵元权重，进一步提高波束指向的精准性。
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