CN110247697B - 一种提高低轨通信卫星***频率利用率的方法 - Google Patents

一种提高低轨通信卫星***频率利用率的方法 Download PDF

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Abstract

一种提高低轨通信卫星***频率利用率的方法，属于卫星通信技术领域。本发明首先根据低轨卫星通信的特点量化分析了引起频率利用率低的三个主要因素，分别是由于用户终端频率源准确度和稳定度引起的偏差、由于卫星载荷频率源准确度和稳定度引起的偏差以及星地时延引起的多普勒变化残留频差；星上和终端分别比对其频率源和基准PPS秒脉冲之间的时间差后修正各自稳态偏差，实现对***频率源准确度和稳定度引起的偏差的校正；终端通过下行链路跟踪预测多普勒频率漂移进而补偿上行链路多普勒残留频率偏差。

Description

一种提高低轨通信卫星***频率利用率的方法
技术领域
本发明涉及一种提高低轨通信卫星***频率利用率的方法，属于卫星通信技术领域。
背景技术
低轨(LEO)卫星通信相对于传统的GEO(高地球轨道)卫星通信，具有轨道多样化、卫星生产批量化、终端小型化及顽存性强、通信时延短、频率利用率高、通信容量大、能全球覆盖的特点，是卫星移动通信的重要手段。特别是目前，国际上对轨道、频谱资源的争夺日益白热化，为占领太空制高点，迫切需要建立我国自主的全球天基信息***，去争取、维护我国的轨道和频谱权益。
国际上针对LEO轨道的卫星移动通信***主要包括两类，一类是以铱星***为代表的大LEO***，其特点是卫星平台及载荷能力较强，采用多波束以及星上处理和星间链路技术支持实时的语音及高速数据传输服务；另外一类是以Orbcomm***为代表的小LEO***，其特点是卫星平台及载荷能力较弱，***建设成本较低，主要支持数据采集、低速双向通信等业务。本发明主要聚焦在小LEO***的研制，通过提高频谱资源使用方式增加***的经济效益。
图1给出了典型小卫星通信***的组成框图，主要包括空间段、地面段以及用户段。空间段由微小卫星星座组成，包含多个轨道平面，星间一般不设置星间链路，卫星通过地面段信关站相联通。地面段包括信关站和卫星控制中心，信关站一方面为卫星星座与信关站之间提供射频链路，另一方面为特定服务区提供信息处理和用户管理功能；卫星控制中心则负责对整个***进行网络管理。用户终端使用的是较低成本的电子设备，天线设计简单、结构紧凑、安装灵活、功耗低；根据用户类型的不同，用户终端可以分为手持型、车载、机载、船载等多种移动终端。
在小卫星通信***中，涉及的主要通信链路包括卫星与信关站之间的双向通信链路以及卫星与用户之间的通信链路。卫星与信关站之间的双向通信链路属于点对点通信链路，一般传输速率较高，采用连续通信体制；卫星与用户之间的下行通信链路属于点对多点通信链路，一般采用TDM方式实现多址；卫星与用户之间的上行通信链路属于多点对单点通信链路，传输速率低，一般采用MF-TDMA方式实现多址。在小卫星通信***中，卫星上行链路的频谱利用率提升是整个***资源利用率提升的关键。
通过检索发现，针对减小保护带的***研究内容较少，主要偏重于对低轨卫星多普勒产生的分析及预补偿方法，要么需要卫星下发精确的导频信号，增加了卫星***的成本和复杂度；要么仅仅给出多普勒补偿的基本思路，并未从***的角度分析星地之间频率偏差关系，重点解决的是星地同步问题，而不是频率资源的高效利用。
发明内容
本发明解决的技术问题是：结合低轨卫星通信***特点，给出了一种提高低轨通信卫星***频率利用率的方法。
本发明的技术解决方案是：一种提高低轨通信卫星***频率利用率的方法，通过下述方式实现：
依据减小低轨通信卫星***上行链路保护宽带以提高频率利用率的目的，对星地频率偏差进行量化分析，确定影响上行链路频率偏差的因素；
对上述确定的影响上行链路频率偏差的因素进行补偿，提高低轨通信卫星***频率利用率。
优选的，所述的因素包括地面终端频率源准确度和稳定度引起的偏差、卫星载荷频率源准确度和稳定度引起的偏差以及星地时延引起的多普勒变化残留频差。
优选的，对卫星载荷频率源准确度和稳定度引起的偏差进行补偿通过下述方式实现：
卫星利用本地时钟采集卫星平台发送的PPS秒脉冲信号，根据时钟和秒脉冲的计数关系计算出本地时钟的偏差，进而计算出上行链路和下行链路的频率理论频率偏差，同时将该频率偏差补偿到数字上下变频模块。
优选的，对地面终端频率源准确度和稳定度引起的偏差进行补偿通过下述方式实现：
地面终端利用本地时钟采集PPS秒脉冲信号，根据时钟和秒脉冲的计数关系计算出本地时钟的偏差，进而计算出上行链路和下行链路的频率理论频率偏差，同时将该理论频率偏差以及多普勒偏差一起补偿到终端的数字上下变频模块。
优选的，对星地时延引起的多普勒变化残留频差进行补偿通过下述方式实现：
地面终端通过下行链路三阶锁相环跟踪下行链路多普勒频差，同时从解调信息中提取卫星星历信息，结合地面终端的位置信息进行多普勒变化参数建模，根据模型预测出传输时延后的多普勒频差，进而进一步补偿星地时延及高阶多普勒变化引起的残留频差。
优选的，频率偏差补偿通过时间偏差计算模块、加权平均处理模块、频率偏差补偿计算模块、频率偏差平滑处理模块实现，其中：
时间偏差计算模块由本地时钟采样外部输入的PPS秒脉冲信号，在固定的周期时间内计算时间偏差，得到代表时间偏差的本地时间偏差信号T_diff；
加权平均处理模块对本地时间偏差信号T_diff进行调理处理，得到本地时间偏差控制信号C_diff1；
频率偏差补偿计算模块根据本地时间偏差控制信号和***上下行链路理论设计值计算补偿周期时间内接收机补偿频率Fc_R和发射机补偿频率Fc_T；
频率偏差平滑处理模块对上述频率补偿量进行平滑处理，将平滑处理后的接收机数字下变频补偿频率Fc_R(t)以及发射机数字上变频补偿频率Fc_T(t)补偿到数字上下变频模块。
优选的，频率偏差补偿过程中还包括晶振老化模型分析模块；晶体老化模型分析模块根据每次加权平均处理模块输出的本地时间偏差控制信号C_diff1确定当前补偿频率的变化关系，利用该变化关系训练晶体的老化模型，当PPS秒脉冲中断时，采用晶体老化模型分析模块的参数外推后续本地时间偏差控制信号C_diff2送给频率偏差补偿计算模块；当PPS秒脉冲未中断时，频率偏差补偿计算模块选择C_diff1作为控制信号，当PPS秒脉冲中断时，频率偏差补偿计算模块选择C_diff2作为控制信号。
优选的，所述的平滑处理选择线性内插。
优选的，时间偏差的计算周期和***频率利用率所需精度以及本地工作时钟频率相关，***频率利用率所需精度越高、本地工作时钟频率越低，则所需的时间偏差计算周期越长，具体可参考公式
Figure BDA0002079241530000041
其中，T代表计算周期，单位是秒；ζ代表频率准确度的要求(例如，10-9)；FCLK代表本地工作时钟频率，单位是Hz。
优选的，通过外置非易失性存储器并周期性存储当前的频率补偿量以及晶振老化模型参数，当设备重启时读出并设置频率偏差补偿计算模块、频率偏差平滑处理模块、晶体老化模型分析模块的初始参数，实现频率快速补偿。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明量化分析了低轨通信***的上行链路频率偏差产生的来源，为***进行高精度频率补偿提供了理论支撑；
(2)、本发明所提出的频率偏差补偿方法能构有效实现***频率源准确度和稳定度引起的偏差的校正，理论上可达0.1Hz以内；
(3)、本发明所提出的频率偏差补偿方法补偿过程不会引起通信中断，设备重启时能够实现快速补偿；
(4)、本发明所提多普勒残留偏差补偿方式可以进一步减小高阶多普勒变化率引起的残留偏差，可使***的补偿精度进一步提高。
附图说明
图1为典型低轨小卫星通信***组成示意图；
图2为低轨小卫星通信***上行链路频率使用示意图；
图3为星地通信关键时间点示意图；
图4为星上频率偏差补偿图；
图5为地面终端频率偏差补偿图；
图6为多普勒残留偏差补偿图；
图7为频率偏差补偿模块组成及工作流程图；
具体实施方式
对于小卫星通信***，上行链路的整个频谱示意图如图2所示，一般包括多个载波的有用信号以及载波间的保护带宽。从频谱利用率角度出发，针对有用信号一般通过采用高效的调制方式以及低成型因子减小其传输带宽，提高其频谱利用率，但是在***传输体制确定的情况下，为了进一步提高上行链路的频谱利用率，需要重点关注保护带宽的使用，尽量减小保护带宽从而提高频谱利用率。本专利在分析影响保护带宽设计的基本因素的基础上，给出了减小低轨通信***保护带宽的具体方法，从而进一步提高了小卫星低轨通信***的上行链路频谱利用率。
本发明首先根据低轨卫星通信的特点量化分析了引起频率利用率低的三个主要因素，分别是用户终端频率源准确度和稳定度引起的频率偏差、卫星载荷频率源准确度和稳定度引起的偏差以及星地时延引起的多普勒变化残留频差；其次，星上和终端分别比对其本地时钟和PPS秒脉冲之间的时间差后修正各自稳态偏差，实现对用户终端频率源准确度和稳定度引起的偏差的校正；最后，终端通过下行链路跟踪预测多普勒频率漂移进而补偿上行链路多普勒残留频率偏差。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
图2给出了小卫星通信***上行链路频率使用示意图，一般包括多个载波的有用信号以及载波间的保护带宽。从频谱利用率角度出发，针对窄带通信信号而言，减小保护带宽的使用可以有效提高上行链路的频谱利用率，以0.4Kbps(占用有效带宽为0.5KHz)信号为例，保护间隔从1KHz降到10Hz以内可以将频率利用率从0.27bit/Hz提升至0.78bit/Hz。
为了能够细化、量化补偿方法，本发明首先对影响低轨通信***的上行链路保护带宽设置的因素进行了分析，具体分析过程如下所述。
(1)、影响低轨通信***上行链路保护带宽设置的基本因素共三个，分别是频率准确度、频率稳定度以及多普勒频率偏差。
频率准确度：晶体振荡器的频率相对与其规定标称值的最大允许偏差，会影响通信设备发送出来的频率和标称频率的差值，例如以最大±1ppm频率准确度为例，如果发送频率为1600MHz，则实际发送的频率和标称频率会有±1.6KHz的偏差，此时***如果不采取校正措施，则需要预留3.2KHz的保护带宽保证多个终端之间不相互干扰。另外，由于元件(主要是石英谐振器)老化而引起的输出频率随时间的***漂移，称之为老化率，***设计时也需要考虑。
频率稳定度：一般来说，准确度和稳定度作为评价振荡器频率的两个重要技术指标。且稳定度更为重要，因为只有频率“稳定”，才谈得上准确，也就是说，一个频率源的准确度是由它的稳定度来保证的。依据给定的不同时间间隔，将频率稳定度划分为瞬间频率稳定度、短期频率稳定度和长期频率稳定度。频率稳定度对***的频率使用影响和准确度影响原理相似，只是其最终校准补偿方式不一样。
多普勒频率偏差：相对运动引起的接收频率偏差。以600Km轨道高度，1600MHz的传输频率为例，最大多普勒频偏约为±36.72KHz。为了减小多谱勒频偏，低轨通信***一般通过多普勒补偿来减小上行链路的保护带宽，最常用的补偿方式是终端测量下行链路的多普勒偏差进而对上行多普勒偏差进行实时补偿。
(2)、为了准确补偿星地设备由于频率源准确度、稳定度以及多普勒频差引起的卫星上行链路的频率偏差，需要对星地频率偏差进行量化分析。分析的时间参考如图3所示，其中，T0为卫星发送下行链路信号时刻；T1为终端接收下行链路信号时刻；T2为终端发送上行链路信号时刻；T3为卫星接收上行链路信号。
为了便于分析，设：卫星上行链路标称频率为
Figure BDA0002079241530000071
卫星下行链路标称频率为
Figure BDA0002079241530000072
星上时钟参考源稳定度为
Figure BDA0002079241530000073
准确度为φsat(t)；终端时钟参考源稳定度为
Figure BDA0002079241530000074
准确度为φuser(t)；下行链路引入的多谱勒频率变化为αdpl_down(t)；上行链路引入的多谱勒频率变化为αdpl_up(t)。
卫星下行链路发送的实际频率为(T0时刻)：
Figure BDA0002079241530000075
那么，T3时刻实际到达卫星接收机的频率与卫星自身此时能接收的标准频率差值为：
Figure BDA0002079241530000076
以用户链路L(下行1500MHz，上行1600MHz)频段的为例，如果不进行多谱勒补偿，则上行载波频率偏差最大会超过30KHz以上，这在增加了星上接收机的实现难度的同时，也大大减小了上行链路的频率利用率。因此需要通过下行链路测量的实时频偏对上行链路进行多普勒补偿，如果用户终端利用下行接收到的频率误差信息，根据上下行频偏的频率关系进行对上行链路的频率偏差补偿，则到达星上的实际频率偏差如下：
Figure BDA0002079241530000077
一般而言，频率源的准确度和稳定度在100ms以内的变化很小，其对***而言残留的频率偏差可以忽略不计，另外，上式内的二次及二次以上的乘积项对解调器而言残留的频率偏差可以忽略不计，所以对上式进行简化可得：
Figure BDA0002079241530000081
低轨卫星最大多普勒变化简化公式为
Figure BDA0002079241530000082
(m是每天卫星绕地球转动次数)，因此多普勒变化的乘积也可以忽略。因此，对以上公式进行简化可得：
Figure BDA0002079241530000083
根据以上分析可知，引起上行链路频率偏差主要有三个因素，分别是：
①由于用户终端频率源准确度和稳定度引起的偏差：
Figure BDA0002079241530000084
②由于卫星载荷频率源准确度和稳定度引起的偏差：
Figure BDA0002079241530000085
③星地时延引起的多普勒变化残留频差：
Figure BDA0002079241530000086
本发明根据以上引起低轨通信***上行链路频率偏差的三个主要因素，提供了一种提高低轨通信卫星***频率利用率的方法，步骤如下：
(1)、卫星利用本地时钟采集卫星平台发送的PPS秒脉冲信号，根据时钟和秒脉冲的计数关系计算出本地时钟的偏差，进而计算出上行链路和下行链路的频率理论频率偏差，同时将该频率偏差补偿到数字上下变频模块，如图4所示。由于卫星平台发送的PPS秒脉冲信号是基于GNSS接收机***产生的，其理论的准确度可达到10E-11以上，因此，在1600MHz频段产生的频率偏差理论上不超过0.016Hz。
图4给出了典型的卫星频率偏差补偿处理流程。上行射频信号经过下变频通道产生上行中频信号后送给数字下变频模块处理产生基带信号；数字上变频模块将基带信号变换成下行中频信号后经上变频通道变换后产生最终的下行射频信号；频综模块产生上变频通道、下变频通道的模拟本振信号以及数字下变频模块和数字上变频模块的数字本振信号；频谱比对及误差分析计算模块根据数字处理板输入工作时钟和星载GNSS接收机产生的PPS秒脉冲计算***的频率偏差值后通过数字上变频模块及数字下变频模块进行补偿。
(2)、地面终端进行误差补偿的方法和星上类似，地面利用本地时钟采集PPS秒脉冲信号，根据时钟和秒脉冲的计数关系计算出本地时钟的偏差，进而计算出上行链路和下行链路的频率理论频率偏差，同时将该频率偏差以及多普勒偏差一起补偿到终端的数字上下变频模块，如图5所示。
图5给出了典型的地面终端频率偏差补偿处理流程，处理方法基本和卫星频率偏差补偿处理方法一样，不同之处在于地面终端需要通过调制解调模块跟踪下行链路的多普勒频率变化值进而补偿因星地时延产生的***频率偏差。
(3)、由于低轨卫星通信***的多普勒变化常常是多阶的，除了1阶的多普勒频率外，还存在多普勒频率变化率等高阶参数，以600Km的轨道及1600MHz的频率为例，最大多普勒频率变化率可达±500Hz/s，则星地往返时延8ms内积累的频率偏差可达±4Hz，这对一些窄带通信***的频率资源使用也会产生浪费，因而需要进一步消除。具体消除方法是地面终端通过下行链路三阶锁相环跟踪下行链路多普勒频差，同时从解调信息中提取卫星星历信息，结合地面终端的位置信息进行多普勒变化参数建模，根据模型预测出传输时延后的多普勒频差进而进一步补偿残留偏差，如图6所示。
由以上步骤可知，本发明给出了一种低轨卫星上行链路频率资源的提升方法，星上和终端分别比对其频率源和基准PPS秒脉冲之间的时间差后修正各自稳态偏差，终端通过下行链路跟踪预测多普勒频率漂移进而补偿上行链路多普勒残留频率偏差，从而提高了上行链路的频率资源效率，可达到Hz级以内，该方法实现流程简单，资源消耗少，适用于星载应用。下面重点介绍由于准确度及稳定度引起的频率偏差具体补偿方法。
(1)频率偏差补偿模块组成
图7给出了频率偏差补偿模块示意图，主要包括时间偏差计算模块、加权平均处理模块、频率偏差补偿计算模块、频率偏差平滑处理模块以及晶振老化模型分析模块组成。
(2)频率偏差补偿工作流程
时间偏差计算模块由本地时钟采样外部输入的PPS秒脉冲信号，在固定的周期时间内计算时间偏差，得到代表时间偏差的本地时间偏差信号T_diff；具体时间取决于最终的补偿精度以及本地时钟采样频率，一般情况下1000秒时即可达到10e-10的误差精度；
虽然GNSS***提供的时间基准有着非常好的长期稳定性，但由于人为因素和电波在大气中传输条件的影响，GNSS接收机输出的lpps叠加了一个随机误差，造成了短期稳定度的劣化，因此需要加权平均处理模块对秒脉冲信号进行调理处理，对于在均值附近的点，其加权系数可以选取的比较大，如等于1，对于偏差比较远的点，如偶尔的跳变点，则设置较小的加权系数，以降低它的影响；
频率偏差补偿计算模块根据本地时间偏差控制信号C_diff1和***上下行链路理论设计值计算补偿周期时间内接收机补偿频率Fc_R和发射机补偿频率Fc_T；为了保证接收机和发射机在补偿周期内出现频率突变引起的后端的调制解调模块失锁，需要对频率补偿量进行平滑处理，一般选择线性内插即可；将平滑处理后的接收机数字下变频补偿频率Fc_R(t)以及发射机数字上变频补偿频率Fc_T(t)补偿到数字上下变频模块。
由于PPS秒脉冲可能存在故障中断的情况，如果仅仅采用当前的参数维持补偿则会降低准确度，晶体老化模型模块根据每次加权平均处理模块输出的本地时间偏差控制信号C_diff1确定当前补偿频率的变化关系，利用该变化关系数据采用数据拟合的方式确定晶体的老化模型参数，采用晶体老化模型模块的参数外推后续本地时间偏差控制信号C_diff2送给频率偏差补偿计算模块；当PPS秒脉冲未中断时，频率偏差补偿计算模块选择C_diff1作为控制信号，当PPS秒脉冲中断时，频率偏差补偿计算模块选择C_diff2作为控制信号。
另外，为了实现设备重新开机后的频率快速补偿，需要将当前的频率补偿参数以及晶振老化模型参数实时存储到外部非易失性存储器中，当设备重启时读出并设置频率偏差补偿计算模块、频率偏差平滑处理模块、晶体老化模型分析模块的初始参数，实现频率快速补偿。
综上所述，本发明根据低轨卫星通信的特点量化分析了引起频率利用率低的三个主要因素；通过星上和终端分别比对其频率源和基准PPS秒脉冲之间的时间差后修正各自稳态偏差，实现***频率源准确度和稳定度引起的偏差的校正；通过终端下行链路跟踪预测多普勒频率漂移进而补偿上行链路多普勒残留频率偏差实现更精确的频率补偿；具体的频率偏差补偿方法能够提高***的频率准确度，且补偿过程不会引起通信中断，设备重启时能够实现快速补偿。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种提高低轨通信卫星***频率利用率的方法，其特征在于通过下述方式实现：
依据减小低轨通信卫星***上行链路保护宽带以提高频率利用率的目的，对星地频率偏差进行量化分析，确定影响上行链路频率偏差的因素；
对上述确定的影响上行链路频率偏差的因素进行补偿，提高低轨通信卫星***频率利用率；
所述的因素包括地面终端频率源准确度和稳定度引起的偏差、卫星载荷频率源准确度和稳定度引起的偏差以及星地时延引起的多普勒变化残留频差；
对卫星载荷频率源准确度和稳定度引起的偏差进行补偿通过下述方式实现：
卫星利用本地时钟采集卫星平台发送的PPS秒脉冲信号，根据时钟和秒脉冲的计数关系计算出本地时钟的偏差，进而计算出上行链路和下行链路的频率理论频率偏差，同时将该频率偏差补偿到数字上下变频模块；
对地面终端频率源准确度和稳定度引起的偏差进行补偿通过下述方式实现：
地面终端利用本地时钟采集PPS秒脉冲信号，根据时钟和秒脉冲的计数关系计算出本地时钟的偏差，进而计算出上行链路和下行链路的频率理论频率偏差，同时将该理论频率偏差以及多普勒偏差一起补偿到终端的数字上下变频模块；
对星地时延引起的多普勒变化残留频差进行补偿通过下述方式实现：
地面终端通过下行链路三阶锁相环跟踪下行链路多普勒频差，同时从解调信息中提取卫星星历信息，结合地面终端的位置信息进行多普勒变化参数建模，根据模型预测出传输时延后的多普勒频差，进而进一步补偿星地时延及高阶多普勒变化引起的残留频差。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：频率偏差补偿通过时间偏差计算模块、加权平均处理模块、频率偏差补偿计算模块、频率偏差平滑处理模块实现，其中：
时间偏差计算模块由本地时钟采样外部输入的PPS秒脉冲信号，在固定的周期时间内计算时间偏差，得到代表时间偏差的本地时间偏差信号T_diff；
加权平均处理模块对本地时间偏差信号T_diff进行调理处理，得到本地时间偏差控制信号C_diff1；
频率偏差补偿计算模块根据本地时间偏差控制信号和***上下行链路理论设计值计算补偿周期时间内接收机补偿频率Fc_R和发射机补偿频率Fc_T；
频率偏差平滑处理模块对上述频率补偿量进行平滑处理，将平滑处理后的接收机数字下变频补偿频率Fc_R(t)以及发射机数字上变频补偿频率Fc_T(t)补偿到数字上下变频模块。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：还包括晶振老化模型分析模块；
晶体老化模型分析模块根据每次加权平均处理模块输出的本地时间偏差控制信号C_diff1确定当前补偿频率的变化关系，利用该变化关系训练晶体的老化模型，当PPS秒脉冲中断时，采用晶体老化模型分析模块的参数外推后续本地时间偏差控制信号C_diff2送给频率偏差补偿计算模块；当PPS秒脉冲未中断时，频率偏差补偿计算模块选择C_diff1作为控制信号，当PPS秒脉冲中断时，频率偏差补偿计算模块选择C_diff2作为控制信号。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的平滑处理选择线性内插。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：时间偏差的计算周期和***频率利用率所需精度以及本地工作时钟频率相关，***频率利用率所需精度越高、本地工作时钟频率越低，则所需的时间偏差计算周期越长，根据实际情况确定时间偏差的计算周期。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于；依据如下公式确定时间偏差的计算周期：
Figure FDA0003145584130000031
其中，T代表计算周期，单位是秒；ζ代表频率准确度的要求；FCLK代表本地工作时钟频率，单位是Hz。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：通过外置非易失性存储器并周期性存储当前的频率补偿量以及晶振老化模型参数，当设备重启时读出并设置频率偏差补偿计算模块、频率偏差平滑处理模块、晶体老化模型分析模块的初始参数，实现频率快速补偿。
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