CN115119299B - 一种卫星移动通信***多信关站间的时频同步方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种卫星移动通信***多信关站间的时频同步方法及装置,该方法为:A信关站自发自收两个同步信号,确定A信关站发送和接收信号的帧边界;B信关站先接收A发送的GFR信号,通过自发自收GFR信号得到星地传输时延,调整B信关站发送信号帧边界,完成多信关站之间的定时同步;A、B信关站分别自发自收两个同步信号,补偿频率偏差,实现多信关站之间的频率同步。同步装置包括***同步单元和时钟频率分发单元,通过星地环路完成星地一体化时频同步,产生精确的定时同步信号和频率信号,并通过时钟频率分发单元为信关站接入网设备提供定时和频率参考。本发明不依赖其他授时***,具有同步时间短、同步精度高、设备容易实现的特点。
Description
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域,特别涉及一种卫星移动通信***多信关站间的时频同步方法及装置。
背景技术
卫星移动通信***组成如图1所示。***包括通信卫星、运控分***、应用分***三部分。通信卫星由平台和有效载荷两部分组成,卫星用户天线采用多波束天线技术,形成上百个固定点波束。运控分***是***管理控制中心,完成对卫星监视、转发器控制和应用***的管理,业务测控站完成对卫星的遥测遥控、载波监视等功能。应用***由分布在卫星覆盖范围内的各类终端、多个信关站等组成。
将卫星移动通信***中的卫星和多个信关站构成“一张网”,实现通信业务在卫星覆盖范围内自动漫游,增加***用户容量,提升***恶劣环境下的通信能力。在联合组网条件下,多个信关站间可以实现业务动态分担或能力备份,提升***整体使用效能,多信关站间的时间和频率同步是多站联合组网的前提条件。
卫星通信***地面段包含同时工作的多个信关站,馈电波束可以同时覆盖***部署的多个信关站,要求多个信关站的发送信号在卫星载荷馈电接收天线处帧对齐,同时保证不同信关站通过卫星转发器发送的频率为标称频率。
针对单星下多信关站同步,现有技术主要有两种方法:一种方法是卫星向地面多个信关站发送同步信号,各个信关站基于接收的帧定时向卫星发送帧同步信号,计算信关站发送帧边界提前量;另外一种方法是地面多个信关站定时和频率均同步到卫星导航***(例如北斗卫星导航***)的时间和频率上。采用卫星发送信号的方法增加卫星载荷的设计复杂度,增加了卫星负载,实现成本较大;采用卫星导航***授时同步的方法,使得卫星移动通信***不具有独立性,***顽存性低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种同步时间短、同步精度高、设备容易实现且成本低的卫星移动通信***多信关站间的时频同步方法及装置。
实现本发明目的的技术解决方案为:一种卫星移动通信***多信关站间的时频同步方法,每个信关站都配有***同步单元SSU,每个SSU都配有一个铷钟源,利用卫星透明转发器,A信关站先自发自收PSS信号和GFR信号,确定A信关站发送和接收信号的定时帧边界;B信关站首先接收A信关站发送的GFR信号,B信关站然后通过自发自收GFR信号测算B信关站与卫星之间的链路延迟,调整B信关站发送信号的帧边界,完成B信关站与A信关站的定时同步;A信关站和B信关站分别通过自发自收PSS信号、GFR信号,计算PSS信号、GFR信号相对于标称频率的频差,并补偿频率偏差,实现同一个卫星下多个信关站之间的频率同步;其中GFR表示信关站帧参考信号,PSS表示负载同步信号。
一种卫星移动通信***多信关站间的时频同步装置,包括***同步单元和时钟频率分发单元,***同步单元通过星地环路完成星地一体化时频同步,产生定时同步信号和频率信号,并通过时钟频率分发单元为信关站接入网多路设备提供定时和频率参考;
***同步单元SSU通过星地环路自发自收两条无线链路同步信号PSS和GFR,通过闭环解调两条环路信号,完成频偏、定时信号的校正,输出发送信号帧边界TXSOF、接收信号帧边界RXSOF、发送链路帧号TxFN、接收链路帧号RxFN、归一化的卫星载荷频率漂移、归一化的多普勒频率偏移率;
时钟频率分发单元将SSU产生的收发定时脉冲和帧号通过多级分发设备分发至通信子***各设备中,为整个***提供统一基准,向线性接口切换单元LISU、信关站收发台GTS设备提供参考源,使信关站设备实现同步。
本发明与现有技术相比,其显著优点为:(1)利用卫星透明转发器,信关站自发自收同步信号完成星地同步和多信关站同步,不需要卫星向多个信关站主动发送同步信号,***容易实现,同时降低了卫星载荷的设计复杂度,减小了卫星负载;(2)不依赖于卫星导航授时***,同步于本地时钟源的1pps上,***具有独立性、健壮性和顽存性;(3)采用窄带低速信号进行***同步,同步时间短,设备容易实现,同步精度高;(4)采用馈电链路进行定时和频率校正,只使用馈电波束,不受卫星用户链路波束覆盖区域的限制。
附图说明
图1是卫星移动通信***的组成图。
图2是多信关站时间频率同步示意图。
图3是多信关站时间同步时序图。
图4是多信关站时间频率同步流程图。
图5是***时频同步设备组成框架示意图。
图6是***同步单元SSU设备组成示意图。
具体实施方式
本发明一种卫星移动通信***多信关站间的时频同步方法,每个信关站都配有***同步单元SSU,每个SSU都配有一个铷钟源,利用卫星透明转发器,A信关站先自发自收PSS信号和GFR信号,确定A信关站发送和接收信号的定时帧边界;B信关站首先接收A信关站发送的GFR信号,B信关站然后通过自发自收GFR信号测算B信关站与卫星之间的链路延迟,调整B信关站发送信号的帧边界,完成B信关站与A信关站的定时同步;A信关站和B信关站分别通过自发自收PSS信号、GFR信号,计算PSS信号、GFR信号相对于标称频率的频差,并补偿频率偏差,实现同一个卫星下多个信关站之间的频率同步;其中GFR(Gateway FrameReference)表示信关站帧参考信号,PSS(Payload Synchronization Signal)表示负载同步信号。
作为一种具体示例,所述的卫星移动通信***多信关站间的时频同步方法,具体步骤如下:
步骤2,A信关站SSU将接收PSS信号的帧边界,作为A信关站发送信号的帧边界,A信关站SSU输出发送帧边界TXSOF_A,并输出发送帧号TxFN,并将此边界TXSOF_A作为GFR信号的发送帧边界,A信关站SSU选取频率发送GFR信号;
步骤3,A信关站SSU接收经卫星透明转发器转发下来的GFR信号,将接收到的GFR信号帧边界作为A信关站接收帧边界,A信关站SSU输出接收帧边界RXSOF_A,并输出接收帧号RxFN;
步骤5,B信关站接收自己发送经卫星透明转发器转发下来的GFR信号,B信关站SSU解调GFR信号,计算B信关站与卫星之间的时延n;
步骤7,B信关站SSU接收发送帧边界调整之后的GFR信号,将接收到的GFR信号帧边界作为接收帧边界,B信关站SSU输出接收帧边界RXSOF_B,并输出接收帧号RxFN;
步骤9,计算相对于A信关站的归一化多普勒频率偏移,并计算相对于A信关站的归一化卫星载荷频率漂移;
步骤10,校正A信关站的发送频率;
步骤11,按照步骤8和步骤9的方式,计算卫星相对于B信关站的归一化的卫星载荷频率漂移和归一化的多普勒频率偏移,校正B信关站的发送频率。
作为一种具体示例,所述的卫星移动通信***多信关站间的时频同步方法中,步骤9具体如下:
计算相对于A信关站的归一化多普勒频率偏移:
计算相对于A信关站的归一化卫星载荷频率漂移:
其中,
作为一种具体示例,所述的卫星移动通信***多信关站间的时频同步方法中,步骤10中校正A信关站的发送频率为:
作为一种具体示例,所述的卫星移动通信***多信关站间的时频同步方法,步骤11中计算卫星相对于信关站B的归一化的卫星载荷频率漂移和归一化的多普勒频率偏移,具体如下:
校正B信关站发送信号的频率为:
其中,
作为一种具体示例,所述的卫星移动通信***多信关站间的时频同步方法,信号PSS和信号GFR采用相同的帧格式,两个信号通过使用不同的独特字和频率进行区分,其中PSS信号的发送频率为6.725GHz,GFR信号的发送频率为6.755GHz,符号速率为9.6ksps,采用BPSK调制方式,信号帧长为60ms,成形系数为1。
作为一种具体示例,所述的卫星移动通信***多信关站间的时频同步方法,信号PSS和信号GFR均采用独特字加半帧号HFN比特的帧结构,由两段组成,每段独特字长度为256bit,每段数据长度为32bit,数据bit用来承载信关站当前的帧号。
作为一种具体示例,所述的卫星移动通信***多信关站间的时频同步方法,每个SSU都配有一个频率准确度优于1E-12,频率稳定度优于1E-11/s的铷钟源。
本发明一种卫星移动通信***多信关站间的时频同步装置,包括***同步单元和时钟频率分发单元,***同步单元通过星地环路完成星地一体化时频同步,产生定时同步信号和稳定的频率信号,并通过时钟频率分发单元为信关站接入网多路设备提供定时和频率参考;
***同步单元SSU通过星地环路自发自收两条无线链路同步信号PSS和GFR,通过闭环解调两条环路信号,完成频偏、定时信号的校正,输出发送信号帧边界TXSOF、接收信号帧边界RXSOF、发送链路帧号TxFN、接收链路帧号RxFN、归一化的卫星载荷频率漂移、归一化的多普勒频率偏移率;
时钟频率分发单元将SSU产生的收发定时脉冲和帧号通过多级分发设备分发至通信子***各设备中,为整个***提供统一基准,向线性接口切换单元LISU、信关站收发台GTS设备提供参考源,使信关站设备实现同步。
作为一种具体示例,***同步单元SSU包括调制解调板、接口板、CPU板、电源板、时钟板,其中:
调制解调板有2个发送通道,3个接收通道,完成PSS和GFR数字基带信号处理;
电源板提供交流220V到直流12V、5V电压转换;
时钟板完成10M源时钟信号本地晶振和外部输入源的自动切换,给其他模块提供10M时钟源;
CPU板完成硬件控制和管理、组播信号生成;
接口板包括两个帧号、帧边界输出接口,接口为RS422;还包括两个千兆以太网接口,1个发组播信号,1个接OSS;1路主备同步接口用于主、被设备信号交互,接口为RS422;1路RS232调试口。
以下结合附图对本发明实施例进行详细说明,以下所说明的实施例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明在卫星不发送同步信号,并且不依赖卫星导航***的情况下,通过星地环路自发自收两条无线链路信号,完成星地一体化时频同步。B信关站先接收A信关站发送的GFR信号,来测算B信关站与卫星之间的链路延迟,调整其上行的发送信号的帧边界,完成与A信关站的定时同步;然后分别计算接收信号PSS(Payload Synchronization Signal)、GFR(Gateway Frame Reference)相对于标称频率的频差,补偿频率偏移,实现多个信关站之间的时间和频率同步。通过***同步单元产生精确的定时同步信号和稳定的频率信号,并通过时钟频率分发单元为信关站接入网多路设备提供定时和频率参考。
PSS和GFR信号是以60ms为帧长的调制信号,信号帧中包含***帧号,帧号以超高帧(313344)循环,***帧号为0~313343。整个信关站内部所有子***的时钟和帧边界定时都是从SSU分发出去的。每个信关站都配有一个SSU,每个SSU都配有一个精度足够高的铷时钟。SSU维护卫星载荷频率漂移和多普勒频移偏移。SSU维护绝对的超高帧号。
结合图2、图3、图4,本实施例一种卫星移动通信***多信关站间的时间频率同步方法,包括以下步骤:
步骤2,A信关站根据接收信号RX_PSS的帧边界,选取频率发送A_TX_GFR信号,图3中A_TX_GFR_sat表示A信关站GFR信号到达卫星的时刻图,SSU输出发送帧边界TXSOF_A和帧号TxFN;
步骤3,A_TX_GFR信号经卫星透明转发器转发,A信关站SSU设备解调,将接收到的A_RX_GFR信号帧边界作为A信关站的接收帧边界,SSU输出接收帧边界RXSOF_A和帧号RxFN;
步骤4,同一卫星下馈电波束可以同时覆盖两个信关站,B信关站可以接收到A信关站发送的信号。
步骤5,B信关站SSU接收B_RX_GFR信号,解调B_RX_GFR信号,计算与卫星之间的时延n;
步骤7,B_TX_GFR_n信号经卫星透明转发器转发,B信关站SSU解调B_RX_GFR_n信号,将接收到的GFR信号帧边界作为接收帧边界,B信关站SSU输出接收帧边界RXSOF_B和帧号RxFN;
步骤8,频率同步的目的是实现卫星发送频率与***标称频率一致。
根据前面步骤所述每个信关站都发送了PPS和GFR信号。在同一个卫星转发器转发下,已知发送信号的标称频率,根据透明转发器发收频率的映射关系,可以得到接收信号的标称频率。根据信关站SSU设备解调PSS和GFR信号,得到两个信号的接收频率与标称频率的频差。
频率频移主要是由于卫星相对信关站站运动,和卫星载荷时钟漂移引起的。因此,PSS和GFR信号接收频率与标称频率的频差可以表示为:
其中,
步骤9,解步骤8中的方程组,得到相对于A信关站的归一化多普勒频率偏移:
其中,
计算相对于A信关站的归一化多普勒频率偏移:
步骤10,根据步骤8描述的频差公式,A信关站发送信号经卫星转发器转发后发送,信关站发送信号频率与卫星标称发送频率(地面设备标称接收频率)之间的关系,用以下公式表示:
在已知标称接收频率,得到A信关站馈电链路的发送频率为:
步骤11,重复上述步骤8和步骤9,计算卫星对于信关站B的归一化的卫星载荷频率漂移和归一化的多普勒频率偏移,校正B信关站馈电链路的发送频率。
至此,实现同一卫星下A信关站和B信关站之间的时间和频率同步。
结合图5、图6,本实施例提供一种信关站***时频同步装置,主要由***同步单元和时钟频率分发单元组成,主要功能是通过星地环路完成星地一体化时频同步,产生精确的定时同步信号和稳定的频率信号,并通过时钟频率分发单元为信关站接入网多路设备提供定时和频率参考。
***同步单元SSU通过星地环路自发自收两条无线链路同步信号PSS和GFR,通过闭环解调两条环路信号,完成频偏、定时信号的校正,输出发送信号帧边界TXSOF、接收信号帧边界RXSOF、发送链路帧号TxFN、接收链路帧号RxFN、归一化的卫星载荷频率漂移、归一化的多普勒频率偏移率。
***同步单元SSU包括调制解调板、接口板、CPU板、电源板、时钟板。调制解调板有2个发送通道,3个接收通道,完成PSS和GFR数字基带信号处理。电源板提供交流220V到直流12V、5V电压转换。时钟板完成10M源时钟信号本地晶振和外部输入源的自动切换,给其他模块提供10M时钟源。CPU板完成硬件控制和管理、组播信号生成等。对外接口包括两个帧号帧边界输出接口,接口为RS422;还包括两个千兆以太网接口,1个发组播信号,1个接OSS;1路主备同步接口用于主、被设备信号交互,接口为RS422;1路RS232调试口。
时钟频率分发单元将SSU产生的收发定时脉冲和帧号通过多级分发设备分发至通信子***各设备中,为整个***提供统一基准,向LISU、GTS设备提供参考源,使信关站设备实现精确的同步。
综上所述,本发明利用卫星透明转发器完成星地同步和多信关站之间同步,降低卫星载荷的设计复杂度,***容易实现;使用馈电波束完成多信关站间的同步,不受卫星用户链路波束覆盖区域的限制;同步装置具有独立性、健壮性和顽存性,不依赖其他***;通过本发明设计的同步信号,具有同步时间短,同步精度高,设备容易实现的特点。
Claims (9)
1.一种卫星移动通信***多信关站间的时频同步方法,其特征在于,每个信关站都配有***同步单元SSU,每个SSU都配有一个铷钟源,利用卫星透明转发器,A信关站先自发自收PSS信号和GFR信号,确定A信关站发送和接收信号的定时帧边界;B信关站首先接收A信关站发送的GFR信号,B信关站然后通过自发自收GFR信号测算B信关站与卫星之间的链路延迟,调整B信关站发送信号的帧边界,完成B信关站与A信关站的定时同步;A信关站和B信关站分别通过自发自收PSS信号、GFR信号,计算PSS信号、GFR信号相对于标称频率的频差,并补偿频率偏差,实现同一个卫星下多个信关站之间的频率同步;其中GFR表示信关站帧参考信号,PSS表示负载同步信号;
所述的卫星移动通信***多信关站间的时频同步方法,具体步骤如下:
步骤2,A信关站SSU将接收PSS信号的帧边界,作为A信关站发送信号的帧边界,A信关站SSU输出发送帧边界TXSOF_A,并输出发送帧号TxFN,并将帧边界TXSOF_A作为GFR信号的发送帧边界,A信关站SSU选取频率发送GFR信号;
步骤3,A信关站SSU接收经卫星透明转发器转发下来的GFR信号,将接收到的GFR信号帧边界作为A信关站接收帧边界,A信关站SSU输出接收帧边界RXSOF_A,并输出接收帧号RxFN;
步骤5,B信关站接收自己发送经卫星透明转发器转发下来的GFR信号,B信关站SSU解调GFR信号,计算B信关站与卫星之间的时延n;
步骤7,B信关站SSU接收发送帧边界调整之后的GFR信号,将接收到的GFR信号帧边界作为接收帧边界,B信关站SSU输出接收帧边界RXSOF_B,并输出接收帧号RxFN;
步骤9,计算相对于A信关站的归一化多普勒频率偏移,并计算相对于A信关站的归一化卫星载荷频率漂移;
步骤10,校正A信关站的发送频率;
步骤11,按照步骤8和步骤9的方式,计算卫星相对于B信关站的归一化的卫星载荷频率漂移和归一化的多普勒频率偏移,校正B信关站的发送频率。
5.根据权利要求1所述的卫星移动通信***多信关站间的时频同步方法,其特征在于,信号PSS和信号GFR采用相同的帧格式,两个信号通过使用不同的独特字和频率进行区分,其中PSS信号的发送频率为6.725GHz,GFR信号的发送频率为6.755GHz,符号速率为9.6ksps,采用BPSK调制方式,信号帧长为60ms,成形系数为1。
6.根据权利要求1所述的卫星移动通信***多信关站间的时频同步方法,其特征在于,信号PSS和信号GFR均采用独特字加半帧号HFN比特的帧结构,由两段组成,每段独特字长度为256bit,每段数据长度为32bit,数据bit用来承载信关站当前的帧号。
7.根据权利要求1所述的卫星移动通信***多信关站间的时频同步方法,其特征在于,每个SSU都配有一个频率准确度优于1E-12,频率稳定度优于1E-11/s的铷钟源。
8.一种卫星移动通信***多信关站间的时频同步装置,其特征在于,包括***同步单元和时钟频率分发单元,***同步单元通过星地环路完成星地一体化时频同步,产生定时同步信号和频率信号,并通过时钟频率分发单元为信关站接入网多路设备提供定时和频率参考;
***同步单元SSU通过星地环路自发自收两条无线链路同步信号PSS和GFR,通过闭环解调两条环路信号,完成频偏、定时信号的校正,输出发送信号帧边界TXSOF、接收信号帧边界RXSOF、发送链路帧号TxFN、接收链路帧号RxFN、归一化的卫星载荷频率漂移、归一化的多普勒频率偏移率;
时钟频率分发单元将SSU产生的收发定时脉冲和帧号通过多级分发设备分发至信关站通信子***各设备中,为整个***提供统一基准,向线性接口切换单元LISU、信关站收发台GTS设备提供参考源,使信关站设备实现同步。
9.根据权利要求8所述的卫星移动通信***多信关站间的时频同步装置,其特征在于,***同步单元SSU包括调制解调板、接口板、CPU板、电源板、时钟板,其中:
调制解调板有2个发送通道,3个接收通道,完成PSS和GFR数字基带信号处理;
电源板提供交流220V到直流12V、5V电压转换;
时钟板完成10M源时钟信号本地晶振和外部输入源的自动切换,给其他模块提供10M时钟源;
CPU板完成硬件控制和管理、组播信号生成;
接口板包括两个帧号、帧边界输出接口,接口为RS422;还包括两个千兆以太网接口,1个发组播信号,1个接OSS;1路主备同步接口用于主、被设备信号交互,接口为RS422;1路RS232调试口。
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