CN207460175U - 一种卫星通信多普勒频移补偿装置及卫星通信系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了卫星通信多普勒频移补偿装置。该装置包括授时模块、基带模块和计算模块，授时模块接收导航卫星发出的授时信号转换输出授时秒脉冲，基带模块接收通信卫星发出的导频信号转换输出导频秒脉冲，这两种秒脉冲均输入至计算模块计算得到时刻偏差，再利用该时刻偏差计算星地距离、星地距离相对时间的变化值，从而进一步得到上行信号频偏和下行信号频偏，据此对上行信号和下行信号的频率进行补偿。本实用新型能够对频偏进行准确计算和连续跟踪，无需卫星通信系统额外进行校频，有利于节省通信卫星的系统资源，并且具有频偏补偿精度高，可以进行动态连续跟踪。本实用新型还公开应用该卫星通信多普勒频移补偿装置的卫星通信系统。

Description

一种卫星通信多普勒频移补偿装置及卫星通信系统

技术领域

本实用新型涉及卫星通信领域，尤其涉及一种卫星通信多普勒频移补偿装置及卫星通信系统。

背景技术

随着移动卫星通信的快速发展，卫星通信中的载波频率将随着卫星相对地面的速度改变而发生多普勒频移效应，特别是在高动态环境(如航空通信、低轨卫星通信等)下，由于多普勒效应，地面卫星通信设备向通信卫星发射的上行信号的频率，到达通信卫星时会存在偏差，而由通信卫星向地面卫星通信设备发射的下行信号的频率，在到达地面卫星通信设备时也存在偏差，而当这种频率偏差超过预设门限时，将会对上行信号和下行信号的正常接收产生影响，以致影响卫星通信的质量。

因此，克服多普勒频移效应是卫星通信技术领域的一项关键技术问题。

实用新型内容

本实用新型主要解决的技术问题是提供一种卫星通信多普勒频移补偿装置及卫星通信系统，解决卫星通信现有技术中的普勒频移补偿工作体制复杂、补偿精度低、实时性不强等问题。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是提供一种卫星通信多普勒频移补偿装置，该补偿装置包括授时模块、基带模块和计算模块，该授时模块接收导航卫星发出的授时信号，并利用该授时信号转换输出授时秒脉冲至该计算模块，该基带模块接收通信卫星发出的导频信号，并利用该导频信号转换输出导频秒脉冲至该计算模块，该计算模块接收该授时秒脉冲和导频秒脉冲，并计算该授时秒脉冲和导频秒脉冲的时刻偏差，再利用该时刻偏差计算该通信卫星与该地面卫星通信设备之间的星地距离，连续计算该时刻偏差和该星地距离，求出该星地距离相对时间的变化值，得到该通信卫星相对该地面卫星通信设备的相对运动速度，再根据该相对运动速度和通信卫星的下行信号的标称频率，计算下行信号频偏，该基带模块利用该下行信号频偏，补偿校正该地面卫星通信设备的接收频率。

在本实用新型卫星通信多普勒频移补偿装置另一实施例中，该计算模块还根据该相对运动速度和该地面卫星通信设备的上行信号的标称频率，计算上行信号频偏，该基带模块利用该上行信号频偏，补偿校正该地面卫星通信设备的发射频率。

在本实用新型卫星通信多普勒频移补偿装置另一实施例中，该计算模块计算得到该通信卫星相对该地面卫星通信设备的相对运动速度v，该通信卫星的下行信号的标称频率为f_l，计算得到下行信号频偏为该基带模块补偿校正该地面卫星通信设备的接收频率为其中c为光速。

在本实用新型卫星通信多普勒频移补偿装置另一实施例中，该计算模块计算得到该通信卫星相对该地面卫星通信设备的相对运动速度v，该地面卫星通信设备的上行信号的标称频率为f_u，计算得到上行信号频偏为该基带模块补偿校正该地面卫星通信设备的发射频率为其中c为光速。

本实用新型还提供了一种卫星通信系统实施例，该卫星通信系统包括上述卫星通信多普勒频移补偿装置实施例。

本实用新型的有益效果是：本实用新型卫星通信多普勒频移补偿装置包括授时模块、基带模块和计算模块，授时模块接收导航卫星发出的授时信号，并利用该授时信号转换输出授时秒脉冲至计算模块，基带模块接收通信卫星发出的导频信号，并利用该导频信号转换输出导频秒脉冲至计算模块，计算模块计算授时秒脉冲和导频秒脉冲的时刻偏差，再利用该时刻偏差计算通信卫星与地面卫星通信设备之间的星地距离，连续计算时刻偏差和星地距离，求出星地距离相对时间的变化值，得到通信卫星相对地面卫星通信设备的相对运动速度，再根据相对运动速度和通信卫星的下行信号的标称频率，计算下行信号频偏，基带模块再利用下行信号频偏，补偿校正所述地面卫星通信设备的接收频率，另外，计算模块还根据相对运动速度和地面卫星通信设备的上行信号的标称频率，计算上行信号频偏，基带模块利用上行信号频偏，补偿校正所述地面卫星通信设备的发射频率。通过这种方式，本实用新型能够使得对频偏进行准确计算和连续跟踪，无需卫星通信系统额外进行校频，有利于节省通信卫星的系统资源，并且具有频偏补偿精度高，可以满足动态连续跟踪，扩大了本实用新型实施例在卫星通信领域中的应用范围。

附图说明

图1是根据卫星通信多普勒频移补偿方法一实施例的流程图；

图2是根据卫星通信多普勒频移补偿方法一实施例中的秒脉冲比较示意图。

图3是根据本实用新型卫星通信多普勒频移补偿装置一实施例的组成框图。

图4是根据本实用新型卫星通信多普勒频移补偿装置一实施例的组成框图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例，对本实用新型进行更详细的说明。附图中给出了本实用新型的较佳的实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本实用新型。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1显示了卫星通信多普勒频移补偿方法一实施例的流程图。在图1中，包括：

步骤S11：接收信号，地面卫星通信设备同时接收导航卫星发出的授时信号和通信卫星发出的导频信号。

在该步骤中，地面卫星通信设备具有接收授时信号和导频信号的能力，因此该地面卫星通信设备中具有相应信号的功能模块，例如接收授时信号的授时模块，接收导频信号的基带模块。并且，授时信号是由导航卫星发出的下行信号，例如GPS卫星、北斗卫星发出的授时信号。发送授时信号的目的是使得地面卫星通信设备具有统一的、精准的参考时钟。

这里需要说明，导频信号则是由通信卫星发出的一个下行信号，该导频信号与通信卫星中转发的下行信号不同，不是直接用于通信目的，其目的是为了便于地面卫星通信设备通过接收导频信号实现高效精准的运行管理，有利于地面卫星通信设备正确接收信息，快速完成载波同步、信息解调等工作，可以包括时钟信息等内容。因此，由通信卫星发出导频信号，这是本申请中的一个重要设计内容。

优选的，导频信号是直接序列扩频信号，该直接序列扩频信号被划分为帧结构，每一帧的帧周期是1s，通过捕获帧同步头可提取导频信号中的导频秒脉冲信号。进一步的，例如在TDMA体制的卫星导频信号中包含有时隙分配信息和时钟信息，可以用于指示该地面卫星通信设备所工作的多址时隙。因此可以由导频信号获取卫星发射该导频信号的时钟信息。

步骤S12：输出秒脉冲，地面卫星通信设备利用授时信号转换输出授时秒脉冲，以及利用导频信号转换输出导频秒脉冲。

这里，地面卫星通信设备中的授时模块从接收的授时信号中取得高精度的标准时钟信息，利用该标准时钟信息校正输出该授时模块输出的授时秒脉冲(PPS，Pulse PerSecond)，由该授时秒脉冲得到卫星授时的标准时钟信息，该授时秒脉冲可以作为该地面卫星通信设备的时钟脉冲参考。而地面卫星通信设备中的基带模块从接收的卫星导频信号中得到该通信卫星发出的导频时钟信息，该导频时钟信息进一步包含在基带模块输出的导频秒脉冲中。因此，通过比较授时秒脉冲和导频秒脉冲的脉冲时间差，就可以得到通信卫星上的导频时钟相对于标准时钟的偏差。

步骤S13：计算时差和距离，计算授时秒脉冲和导频秒脉冲的时刻偏差，再利用该时刻偏差计算通信卫星与地面卫星通信设备之间的星地距离。

图2显示了卫星通信多普勒频移补偿方法一实施例中的秒脉冲比较示意图。其中，授时秒脉冲包含了连续的两个秒脉冲，即第一授时秒脉冲PS1和第二授时秒脉冲PS2，导频秒脉冲也包含了连续的两个秒脉冲，即第一导频秒脉冲PX1和第二导频秒脉冲PX2，并且，第一授时秒脉冲PS1代表的时刻与第一导频秒脉冲PX1代表的时刻是相同时刻，但二者存储时刻偏差，该时差就是Tp。

进一步的，对图2中时差Tp的测量精度还要依据相应功能模块的工作基准频率。例如，授时模块基于使用一定频率的晶体振荡器工作，其所输出的授时秒脉冲均是以该晶体振荡器的工作频率为基准进行累积输出，例如晶体振荡器的工作频率是20MHz，则输出的秒脉冲则以该20MHz信号源的一个周期(50ns)为基准，连续累积2×10⁷个该基准周期为1个授时秒脉冲输出，因此对该授时秒脉冲计算的误差精度是50ns。同理，基带模块也是基于使用一定频率的晶体振荡器工作，其所输出的导频秒脉冲均是以基带模块的晶体振荡器的工作频率为基准进行累积输出，例如基带模块的晶体振荡器的工作频率是80MHz，则输出的秒脉冲则以该80MHz信号源的一个周期(12.5ns)为基准，连续累积8×10⁷个该基准周期为1个导频秒脉冲输出，因此对该授时秒脉冲计算的误差精度是12.5ns。而当计算授时秒脉冲和导频秒脉冲的时刻偏差精度时，则最大误差精度为50ns+12.5ns＝62.5ns。

进一步优选的，还可以对通信卫星与地面卫星设备之间的距离进行优化和预测，这是因为通常通信卫星是按照既定轨道运行，通信卫星与地面卫星通信设备之间的距离变化相对平滑，因此可以采用卡尔曼滤波的方法，有效预测通信卫星与地面卫星通信设备之间的距离变化。

这里采用的卡尔曼滤波方法具体是：首先给出系统转移方程，由于短时间内通信卫星和地面卫星通信设备之间的相对运动速度变化很小，可近似认为是匀速运动，系统转移方程为：

X(k|k-1)＝2·X_k-1-X_k-2+R_k

其中，X_k-1和X_k-2为前两次测量经过卡尔曼滤波后得到的距离最优值，R_k为状态转移误差。

进一步得到测量方程为：

Z_k＝X_k+V_k

Z_k为当前时刻测量得到的距离值，V_k为测量误差。

再根据公式：

X_k＝X(k|k-1)+Kg(k)·[Z(k)-X(k|k-1)]

即可得到当前时刻的距离最优值X_k，其中P(k|k-1)为距离预测值(X(k|k-1))的方差，R_v为测量值方差。进一步的，通过当前时刻的距离最优值X_k预测出下一秒通信卫星和地面通信卫星设备之间的的距离为：

X(k+1|k)＝2·X_k-X_k-1

可以看出，通过对通信卫星和地面通信卫星设备之间的的距离进行预测，可以得到当前时刻的距离最优值，并预测下一计量时刻(如下一秒)通信卫星和地面通信卫星设备之间的的距离，便于提前估测距离变化值和速度变化值。

步骤S14：计算相对速度，连续计算时刻偏差和星地距离，求出星地距离相对时间的变化值，得到通信卫星相对地面卫星通信设备的相对运动速度；

优选的，每1s可计算一次时刻偏差ΔT_k，并由该时刻偏差ΔT_k计算出通信卫星与地面卫星设备之间的距离Z_k。类似的，接着在下1s计算出时刻偏差ΔT_k+1，以及通信卫星与地面卫星设备之间的距离Z_k+1，由于这两个星地距离的测量时间间隔为1s，进一步得到星地距离相对时间的变化值为Z_k+1-Z_k，单位为m/s，因此得到此时通信卫星相对地面卫星通信设备的相对运动速度v的取值就是Z_k+1-Z_k。

步骤S15：计算下行信号频偏，根据所述相对运动速度和通信卫星的下行信号的标称频率，计算下行信号频偏；

步骤S16：补偿接收频率，所述地面卫星通信设备利用所述下行信号频偏，补偿校正所述地面卫星通信设备的接收频率。

针对步骤S15和S16，若计算得到的通信卫星与地面卫星通信设备之间的相对运动速度为v，f_l为通信卫星下行信号的标准频率，计算得到下行信号频偏为进一步的，地面卫星通信设备利用下行信号频偏补偿校正地面卫星通信设备的接收频率为

优选的，除了上述对下行信号进行频偏计算和校频外，还包括以下对上行信号进行频偏计算和校频：

步骤S17：计算上行信号频偏，根据所述相对运动速度和所述地面卫星通信设备的上行信号的标称频率，计算上行信号频偏；

步骤S18：补偿发射频率，所述地面卫星通信设备利用所述上行信号频偏，补偿校正所述地面卫星通信设备的发射频率。

针对步骤S17和S18，若计算得到的通信卫星与地面卫星通信设备之间的相对运动速度为v，f_u为地面卫星通信设备的上行信号的标称频率，也就是通信卫星接收的由地面卫星通信设备发出的上行信号的标称频率，若地面卫星通信设备的实际发射频率为f_c，该发射频率f_c到达通信卫星时的上行信号频偏计算为由于应该满足：f_u＝f_c-f_d，从而得到实际的发射频率为因此，可知上行信号频偏计算为

可以看出，通过对地面卫星通信设备的发射频率进行补偿校正，使得上行信号到达卫星时，该上行信号的频率就是通信卫星应该接收的上行信号的标称频率，这样就使得通信卫星在接收上行信号时不会因为上行信号偏离标称频率而难以正常接收和解调上行信号，降低了上行信号不被通信卫星正常接收的风险，同时也不必使得通信卫星对接收上行信号的频偏范围有过宽要求，有利于降低通信卫星的技术难度和研制成本。

由此可见，图1所示的卫星通信多普勒频移补偿方法实施例是基于同时接收由导航卫星发出的授时信号和由通信卫星发出的导频信号，计算出通信卫星到地面卫星通信设备之间的时刻偏差，进而得到通信卫星到地面卫星通信设备之间的距离，以及该距离随时间的变化值，即通信卫星相对于地面卫星通信设备的运动速度，再进一步计算出通信卫星的下行信号载波频率的频偏值，以及地面卫星通信设备的上行信号载波频率的频偏值，从而能够对下行信号和上行信号的载波频率都能够进行准确而快速的校正，有利于通信信号在通信卫星与地面卫星通信设备之间进行稳定准确的传输。这种卫星信号工作体制，将大大有利于地面卫星通信设备处于高动态时(如安装在高速飞行的飞机上，或高速运行的列车上等)也能够与通信卫星建立稳定的通信，也有利于通信卫星相对于地面卫星通信设备处于高动态时(低轨移动通信卫星)也能够与地面卫星通信设备建立稳定的通信。

基于与上述卫星通信多普勒频移补偿方法实施例同一构思，如图3所示，本实用新型提供一种卫星通信多普勒频移补偿装置实施例，该装置可以是地面卫星通信设备的一个组成部分。该装置包括授时模块31、基带模块32和计算模块33。其中，授时模块31接收导航卫星发出的授时信号，并利用授时信号转换输出授时秒脉冲，基带模块32接收通信卫星发出的导频信号，并利用导频信号转换输出导频秒脉冲。计算模块33接收授时秒脉冲和导频秒脉冲，计算授时秒脉冲和导频秒脉冲的时刻偏差，再利用该时刻偏差计算通信卫星与地面卫星通信设备之间的星地距离，连续计算该时刻偏差和所述星地距离，求出星地距离相对时间的变化值，得到通信卫星相对地面卫星通信设备的相对运动速度，再根据相对运动速度和通信卫星的下行信号的标称频率，计算下行信号频偏，基带模块32利用所述下行信号频偏，补偿校正地面卫星通信设备的接收频率。

基于与上述图1所述实施例中的步骤S15和S16同一构思，计算模块33计算得到通信卫星相对地面卫星通信设备的相对运动速度v，通信卫星的下行信号的标称频率为f_l，计算得到下行信号频偏为基带模块32补偿校正地面卫星通信设备的接收频率为其中c为光速。

进一步优选的，计算模块33还根据相对运动速度和地面卫星通信设备的上行信号的标称频率，计算上行信号频偏，基带模块32利用上行信号频偏，补偿校正地面卫星通信设备的发射频率。

基于与上述图1所述实施例中的步骤S17和S18同一构思，所述计算模块33计算得到通信卫星相对地面卫星通信设备的相对运动速度v，地面卫星通信设备的上行信号的标称频率为f_u，计算得到上行信号频偏为基带模块32补偿校正地面卫星通信设备的发射频率为其中c为光速。

图3所示实施例与图1所示的卫星通信多普勒频移补偿方法实施例是基于同一构思，进一步的相关内容可以参考对图1所示实施例的说明，此处不再赘述。

如图4所示，本发明还提供卫星通信多普勒频移补偿装置另一实施例，与图3相比，图4的主要区别在于还包括与计算模块33电连接的存储器34，以及与存储器34电连接的卡尔曼滤波器35。在该实施例中，由计算模块33得到当前的时刻偏差后，根据当前时刻偏差进一步计算当前通信卫星到地面卫星通信设备的距离，然后将该距离值存储到存储器34中，由于通信卫星是相对于地面处于运动状态，通信卫星到地面卫星通信设备的距离也处于变化之中，但这种距离变化相对平滑，是可以预测的，因此可以采用卡尔曼滤波器35有效预测通信卫星与地面卫星通信设备之间的距离变化。这里，卡尔曼滤波器35需要从存储器34中获取已存储的距离值，通常是包含与当前通信卫星到地面卫星通信设备的距离相邻的多个距离值，基于这些距离值通过卡尔曼滤波器35可以预测有效的预测通信卫星与地面卫星通信设备之间的距离变化，卡尔曼滤波器35将预测距离值再发送给计算模块33。基于同一构思，卡尔曼滤波器35对星地距离的预测计算方法可以参考图1所示实施例中对步骤S13的具体说明。由计算模块33根据卡尔曼滤波器35输出的变化距离值，进一步求出星地距离相对时间的变化值，得到通信卫星相对地面卫星通信设备的相对运动速度，再根据相对运动速度和通信卫星的下行信号的标称频率，计算下行信号频偏(或者是频差)，基带模块32利用下行信号频偏，补偿校正地面卫星通信设备的接收频率。计算模块33还根据相对运动速度和地面卫星通信设备的上行信号的标称频率，计算上行信号频偏(或者是频差)，基带模块32利用上行信号频偏，补偿校正地面卫星通信设备的发射频率。

图4所示实施例有利于提高对星地距离的计算精准度，也有利于提前进行准确预测，使得后续对频偏的补偿校正更加及时准确，防止出现频率突变而难以校正和跟踪的问题。

本实用新型还提供了一种卫星通信系统实施例，在该卫星通信系统实施例中的地面卫星通信设备包含有上述卫星通信多普勒频移补偿装置实施例，因此该卫星通信系统实施例现对于现有技术而言能够包含更多的地面卫星通信设备，增强了该卫星通信系统实施例的系统容量。

由此可见，卫星通信多普勒频移补偿方法、补偿装置及卫星通信系统是基于地面卫星通信设备同时接收导航卫星发出的授时信号和通信卫星发出的导频信号后，对应产生输出授时秒脉冲和导频秒脉冲，并比较这两种秒脉冲的时刻偏差，再以该时刻偏差计算通信卫星与地面卫星通信设备之间的距离和距离随时间的变化，即通信卫星与地面卫星通信设备之间的相对运动速度，从而进一步得到上行信号频偏和下行信号频偏，地面卫星通信设备由此可以准确的对上行信号的频率进行补偿，以及对下行信号的频率进行补偿。通过这种方式，本实用新型能够使得对频偏进行准确计算和连续跟踪，无需卫星通信系统额外进行校频，有利于节省通信卫星的系统资源，并且具有频偏补偿精度高，可以满足动态连续跟踪，扩大了本实用新型实施例在卫星通信领域中的应用范围。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种卫星通信多普勒频移补偿装置，其特征在于，所述补偿装置包括授时模块、基带模块和计算模块，所述授时模块接收导航卫星发出的授时信号，并利用所述授时信号转换输出授时秒脉冲至所述计算模块，所述基带模块接收通信卫星发出的导频信号，并利用所述导频信号转换输出导频秒脉冲至所述计算模块，所述计算模块接收所述授时秒脉冲和导频秒脉冲，并计算所述授时秒脉冲和导频秒脉冲的时刻偏差，再利用所述时刻偏差计算所述通信卫星与地面卫星通信设备之间的星地距离，连续计算所述时刻偏差和所述星地距离，求出所述星地距离相对时间的变化值，得到所述通信卫星相对所述地面卫星通信设备的相对运动速度，再根据所述相对运动速度和通信卫星的下行信号的标称频率，计算下行信号频偏，所述基带模块利用所述下行信号频偏，补偿校正所述地面卫星通信设备的接收频率。

2.根据权利要求1所述的卫星通信多普勒频移补偿装置，其特征在于，所述计算模块还根据所述相对运动速度和所述地面卫星通信设备的上行信号的标称频率，计算上行信号频偏，所述基带模块利用所述上行信号频偏，补偿校正所述地面卫星通信设备的发射频率。

3.根据权利要求2所述的卫星通信多普勒频移补偿装置，其特征在于，所述计算模块计算得到所述通信卫星相对所述地面卫星通信设备的相对运动速度v，所述通信卫星的下行信号的标称频率为f_l，计算得到下行信号频偏为所述基带模块补偿校正所述地面卫星通信设备的接收频率为其中c为光速。

4.根据权利要求3所述的卫星通信多普勒频移补偿装置，其特征在于，所述计算模块计算得到所述通信卫星相对所述地面卫星通信设备的相对运动速度v，所述地面卫星通信设备的上行信号的标称频率为f_u，计算得到上行信号频偏为所述基带模块补偿校正所述地面卫星通信设备的发射频率为其中c为光速。

5.一种卫星通信系统，其特征在于，所述卫星通信系统包括权利要求1至4任一项所述的卫星通信多普勒频移补偿装置。