CN116996107A - 一种高动态星地一体化传输方法及系统 - Google Patents

一种高动态星地一体化传输方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高动态星地一体化传输方法及系统，涉及高动态卫星通信领域。本发明方法包括帧结构设计、下行同步和解调、高动态频率估计及钟偏估计、上行频率及钟偏补偿、上行同步和解调等步骤，可实现高动态参数估计和补偿的功能，完成星地大环同步，实现星地一体化调整的目的。其中，下行同步和解调包含下行调制信号发送、下行同步头捕获、下行频率估计、下行钟偏估计、时差信息解析、下行解调等步骤；上行同步和解调包含上行调制信号发送、上行同步头捕获、上行解调等步骤。本发明系统包括卫星系统、地面站和终端。本发明采用星地一体化设计，特别适用于卫星通信中高动态环境信号的传输。

Description

一种高动态星地一体化传输方法及系统
技术领域
本发明涉及通信系统中的高动态传输技术领域，特别是指一种高动态星地一体化传输方法及系统。
背景技术
卫星通信已经成为现代通信网络中不可或缺的一部分，尤其在较大区域内数据传输和通信方面，在传输效率、传输距离等方面，卫星通信具有其独特的优势。然而，由于基于卫星通信的数据传输在高速动态环境下存在天线指向误差、信道衰落、同步困难等技术问题，其可靠性和稳定性仍然具有挑战性。
为了解决这些技术问题，先前的技术方法使用了可调天线、高灵敏度接收器等措施，但是，这些方法并未完全解决问题，依然存在通信不稳定、星上资源紧张等问题。因此，随着工程实践对高动态的要求越来越高，非常需要一种更高效的方法，来实现通信性能稳定且星上资源占用较少的星地传输需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种高动态星地一体化传输方法及系统，可实现高动态参数估计和补偿的功能，完成星地大环同步，实现星地一体化调整的目的。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种高动态星地一体化传输方法，包括以下步骤：
(1)采用一体化设计构建星地帧结构，即星地帧结构的组成完全相同；帧结构以时隙为单元，时隙中填充同步信息、参数信息、业务信息三种不同功能的信息；
(2)以步骤(1)构建的帧结构为依托，进行下行同步和解调；下行同步采用高动态捕获方法来捕获同步信息，以完成帧定位；
(3)利用步骤(2)中捕获到的同步信息，进行高动态频率估计和钟偏估计，得到下行高动态的多普勒的频偏和钟偏；然后，根据多普勒的频偏和钟偏估计值调整下行地面解调器的频率和时钟，完成下行频率同步和时钟同步；调整后，下行地面解调器进行差分解调或相干解调；
(4)根据上行频率和下行频率的关系，将下行高动态的多普勒的频偏和钟偏转换为上行高动态的多普勒的频偏和钟偏，并补偿到上行发送频率和时钟上；
(5)补偿上行发送频率和时钟后，进行上行同步信息的捕获，根据实际捕获位置和期望位置的差值，得到地面设备实际发送时刻与期望时刻的时差信息；然后，将时差信息填入下行帧结构的参数信息时隙中作为下行信号发送，经过下行解调得到时差信息，反馈给上行调制信号，用来调整上行调制信号的发送时刻，经过不断的实时反馈调整后，上行发送时刻准确；发送时刻调整准确后，进行上行解调。
进一步地，步骤(1)中，同步信息为伪随机序列，占用1个或多个时隙；参数信息的内容为差错控制方式、编码方式、时差信息、帧号、设备号，占用为1个或多个时隙；业务信息承载通信内容，占用多个时隙。
进一步地，步骤(2)中，高动态捕获方法为多符号差分捕获方法，帧定位是指确定同步信息时隙的起始位置，并确定不同时隙的切换位置。
进一步地，多符号差分捕获方法的方式为，将相邻多个符号做差分运算后得到差分后信号，然后再与差分运算后的码字做相关运算，如果相关值大于门限，则判定捕获到同步信息，然后，根据捕获位置，确定同步信息所在时隙的起始位置和其他时隙的起始位置。
进一步地，步骤(3)中，进行高动态频率估计和钟偏估计的具体方式为，将捕获到的同步信息作为已知信息，进行基于FFT的高精度频率估计，得到频率估计结果；然后，根据多普勒频率和钟偏的关系，由频率估计结果，换算出时钟钟偏，再得出归一化钟偏。
进一步地，步骤(4)的具体方式为：
求出上行频点与下行频点的比值，然后将比值与下行多普勒的频偏做乘积，得到上行频偏；
求出上行时钟与下行时钟的比值，然后将比值与下行多普勒的钟偏做乘积，得到上行钟偏；
将上行频偏和上行钟偏取分别乘以-1，反向补偿上行发送频率和时钟。
进一步地，步骤(5)中，根据实际捕获位置和期望位置的差值，得到地面设备实际发送时刻与期望时刻的时差信息，具体方式为，以星上发送时隙的切换位置为基准和参考，收发一致，按照星上发送同步序列的时刻得出上行接收同步序列的期望时刻，然后计算实际捕获位置与期望位置的差值，该差值即为时差信息。
一种高动态星地一体化传输系统，包括卫星系统、地面站和终端，卫星系统包括多个卫星，每颗卫星载荷均包含星上调制器和星上解调器，用于接收、处理和转发终端的通信信号，地面站包含地面调制器和地面解调器，地面站连接卫星系统和终端，用于对终端进行管理和控制，同时也用于接收、处理和转发终端的通信信号，终端用于与地面站和其他终端进行通信；该系统采用如上任一项所述的高动态星地一体化传输方法实现星地信息传输。
本方法相较于背景技术，具有如下优点：
(1)本发明采用星地帧结构一体化设计，星地帧结构相同，星地调制解调器的代码可统一设计，减小传输处理工作量。
(2)本发明在地面设备上配置相应补偿模块来补偿上行信号，星上解调器不需要增加处理高动态的功能，可减轻星上处理的复杂度，节省星上硬件资源，减轻载荷重量。
(3)该传输系统的采用多颗卫星构成，覆盖区域广，组网灵活。
附图说明
图1为高动态星地一体化传输方法的原理框图。
图2为星地一体化帧结构组成示意图。
图3为高动态星地大环调整过程流程图。
图4为高动态星地一体化传输系统组成框图。
具体实施方式
下面对本发明做进一步的详细说明：
如图1所示，一种高动态星地一体化传输方法，包含以下步骤：
(1)帧结构设计。星地帧结构采用一体化设计，即星地帧结构的组成完全相同。帧结构以时隙为单元，时隙中填充三种不同功能的信息。三种不同功能的信息包括；同步信息、参数信息、业务信息。
(2)以此帧结构为依托，进行下行同步和解调。下行同步采用高动态捕获方法，来捕获同步信息，以完成帧定位。
(3)利用步骤(2)中捕获到的同步信息，进行高动态频率估计和钟偏估计，得到下行高动态的多普勒的频偏和钟偏，并根据多普勒的频偏和钟偏估计值调整下行接收地面解调器的频率和时钟；调整后，下行解调进行差分解调或相干解调。
(4)根据上行频率和下行频率的关系，将步骤(3)的多普勒的频偏和钟偏转换为上行高动态的多普勒的频偏和钟偏，并补偿到上行发送频率和时钟上。
(5)步骤(4)补偿频率和时钟后，进行上行同步信息的捕获，根据实际捕获位置和期望位置的差值，得到地面设备实际发送时刻与期望时刻的时差。将该时差信息填入下行帧结构的参数信息时隙中，经过下行解调得到该信息，并反馈给上行调制信号，用来调整上行调制信号发送时刻。发送时刻调整准确后，进行上行解调。
进一步地，如图2所示，步骤(1)中，帧结构中包含同步信息、参数信息、业务信息。其中，同步信息为伪随机序列，占用1个或若干个时隙，一般设计为2个时隙，内容可选m序列、Gold码等。参数信息的内容为差错控制方式、编码方式、时差信息、帧号、设备号等，占用N1个时隙，N1为正整数，N1的大小由参数信息内容的长短决定，N1一般为4左右。业务信息承载通信内容，占用N2个时隙，N2一般较大，为几十或者几百的整数。
进一步地，步骤(2)中，高动态捕获方法为多符号差分捕获方法。帧定位是指确定同步信息时隙的起始位置，同样确定不同时隙的切换位置，
进一步地，多符号差分捕获方法，是将相邻若干个符号做差分运算后得到差分后信号，然后再和差分运算后的码字做相关运算的方法。如果相关值大于门限，则判定捕获到同步信息，根据捕获位置，确定同步信息所在时隙的起始位置和其他时隙的起始位置。
进一步地，步骤(3)中，高动态频率估计和钟偏估计，将捕获到的同步信息作为已知信息，进行基于FFT的高精度频率估计，得到误差很小的频率估计结果；然后根据多普勒频率和钟偏的关系，由频率估计结果，换算出时钟钟偏，再得出归一化钟偏。
根据多普勒的频偏和钟偏估计值，调整下行接收地面解调器的频率和时钟，完成下行频率同步和时钟同步。同步以后进行解调。
进一步地，步骤(4)中，将下行多普勒的频偏和钟偏转换为上行高动态的多普勒的频偏和钟偏，方法是求出上行频点与下行频点的比值，然后将该比值与下行多普勒的频偏做乘积，得到上行频偏；同理，求出上行时钟与下行时钟的比值，然后将该比值与下行多普勒的钟偏做乘积，得到上行钟偏。将上行频偏和上行钟偏取分别乘以-1，反向补偿上行发送频率和时钟。
进一步地，步骤(5)中，根据实际捕获位置和期望位置的差值，得到地面设备实际发送时刻与期望时刻的时差。期望位置是以星上发送时隙的切换位置为基准和参考，收发一致，按照星上发送同步序列的时刻得出上行接收同步序列的期望时刻，然后计算实际捕获位置与期望位置的差值，该差值即为时差。
进一步地，如图3所示，步骤(5)中，时差信号填入下行帧结构中作为下行信号发送，下行接收并解析出该信号，送给上行调整发送时刻。该调整为闭环反馈调整，经过不断的实时反馈调整后，上行发送时刻准确，上行星上解调正确。
如图4所示，一种高动态星地一体化传输系统，包括卫星系统、地面站和终端。卫星系统包括多个卫星，每颗卫星载荷均包含星上调制器和星上解调器，用于接收、处理和转发终端的通信信号。地面站包含地面调制器和地面解调器，地面站连接卫星系统和终端，用于对终端进行管理和控制，同时也用于接收、处理和转发终端的通信信号。终端有多个，数量用N3表示，N3为正整数，用于与地面站和其他终端进行通信。
总之，本发明方法通过帧结构设计、下行同步和解调、高动态频率估计及钟偏估计、上行频率及钟偏补偿、上行同步和解调等步骤，可实现高动态参数估计和补偿的功能，完成星地大环同步，实现星地一体化调整的目的。其中，下行同步和解调包含下行调制信号发送、下行同步头捕获、下行频率估计、下行钟偏估计、时差信息解析、下行解调等步骤；上行同步和解调包含上行调制信号发送、上行同步头捕获、上行解调等步骤。本发明系统包括卫星系统、地面站和终端，卫星系统包括多个卫星，用于接收、处理和转发终端的通信信号，地面站连接卫星系统和终端，用于对终端进行管理和控制，同时也用于接收、处理和转发终端的通信信号，终端用于与地面站和其他终端进行通信。本发明采用星地一体化设计，特别适用于卫星通信中高动态环境信号的传输。
本发明书中未进行详细描述的内容为本领域的公知内容。
以上所述为本发明的一种具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员根据本发明的技术方案及其发明构思作出的等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高动态星地一体化传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用一体化设计构建星地帧结构，即星地帧结构的组成完全相同；帧结构以时隙为单元，时隙中填充同步信息、参数信息、业务信息三种不同功能的信息；
(2)以步骤(1)构建的帧结构为依托，进行下行同步和解调；下行同步采用高动态捕获方法来捕获同步信息，以完成帧定位；
(3)利用步骤(2)中捕获到的同步信息，进行高动态频率估计和钟偏估计，得到下行高动态的多普勒的频偏和钟偏；然后，根据多普勒的频偏和钟偏估计值调整下行地面解调器的频率和时钟，完成下行频率同步和时钟同步；调整后，下行地面解调器进行差分解调或相干解调；
(4)根据上行频率和下行频率的关系，将下行高动态的多普勒的频偏和钟偏转换为上行高动态的多普勒的频偏和钟偏，并补偿到上行发送频率和时钟上；
(5)补偿上行发送频率和时钟后，进行上行同步信息的捕获，根据实际捕获位置和期望位置的差值，得到地面设备实际发送时刻与期望时刻的时差信息；然后，将时差信息填入下行帧结构的参数信息时隙中作为下行信号发送，经过下行解调得到时差信息，反馈给上行调制信号，用来调整上行调制信号的发送时刻，经过不断的实时反馈调整后，上行发送时刻准确；发送时刻调整准确后，进行上行解调。
2.根据权利要求1所述的一种高动态星地一体化传输方法，其特征在于，步骤(1)中，同步信息为伪随机序列，占用1个或多个时隙；参数信息的内容为差错控制方式、编码方式、时差信息、帧号、设备号，占用为1个或多个时隙；业务信息承载通信内容，占用多个时隙。
3.根据权利要求1所述的一种高动态星地一体化传输方法，其特征在于，步骤(2)中，高动态捕获方法为多符号差分捕获方法，帧定位是指确定同步信息时隙的起始位置，并确定不同时隙的切换位置。
4.根据权利要求3所述的一种高动态星地一体化传输方法，其特征在于，多符号差分捕获方法的方式为，将相邻多个符号做差分运算后得到差分后信号，然后再与差分运算后的码字做相关运算，如果相关值大于门限，则判定捕获到同步信息，然后，根据捕获位置，确定同步信息所在时隙的起始位置和其他时隙的起始位置。
5.根据权利要求1所述的一种高动态星地一体化传输方法，其特征在于，步骤(3)中，进行高动态频率估计和钟偏估计的具体方式为，将捕获到的同步信息作为已知信息，进行基于FFT的高精度频率估计，得到频率估计结果；然后，根据多普勒频率和钟偏的关系，由频率估计结果，换算出时钟钟偏，再得出归一化钟偏。
6.根据权利要求1所述的一种高动态星地一体化传输方法，其特征在于，步骤(4)的具体方式为：
求出上行频点与下行频点的比值，然后将比值与下行多普勒的频偏做乘积，得到上行频偏；
求出上行时钟与下行时钟的比值，然后将比值与下行多普勒的钟偏做乘积，得到上行钟偏；
将上行频偏和上行钟偏取分别乘以-1，反向补偿上行发送频率和时钟。
7.根据权利要求1所述的一种高动态星地一体化传输方法，其特征在于，步骤(5)中，根据实际捕获位置和期望位置的差值，得到地面设备实际发送时刻与期望时刻的时差信息，具体方式为，以星上发送时隙的切换位置为基准和参考，收发一致，按照星上发送同步序列的时刻得出上行接收同步序列的期望时刻，然后计算实际捕获位置与期望位置的差值，该差值即为时差信息。
8.一种高动态星地一体化传输系统，其特征在于，包括卫星系统、地面站和终端，卫星系统包括多个卫星，每颗卫星载荷均包含星上调制器和星上解调器，用于接收、处理和转发终端的通信信号，地面站包含地面调制器和地面解调器，地面站连接卫星系统和终端，用于对终端进行管理和控制，同时也用于接收、处理和转发终端的通信信号，终端用于与地面站和其他终端进行通信；该系统采用如权利要求1-7中任一项所述的高动态星地一体化传输方法实现星地信息传输。
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