CN108259079A - 基于星历的高速移动平台tdma卫星通信同步控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于星历的高速移动平台TDMA卫星通信同步控制方法，利用高精度的卫星星历信息，得到卫星相对于地球站径向速度和位置，通过平台的导航信息，等到平台位置和径向速度，最后叠加两者速度，平台根据结果补偿频率偏差，根据两者位置粗略估算两者测距距离，平台根据真实测距信息补偿定时偏差，最后达到同步要求。本发明能够补偿中低轨卫星和平台自身高速移动引起的多普勒频率和时延变化。

Description

基于星历的高速移动平台TDMA卫星通信同步控制方法

技术领域

本发明涉及一种中低轨道TDMA卫星通信系统中针对高速移动平台利用广播的 高精度星历时间同步与频率同步控制技术，属于卫星移动通信、同步控制、接入组网 等相关的技术领域。

背景技术

TDMA卫星通信系统有灵活组网和高效卫星信道利用等特点，在国内外卫星通信系统中被广泛应用。TDMA卫星通信过程中需要进行严格的同步控制，包括频率控制、 定时控制和功率控制3个方面；TDMA卫星通信中中低轨卫星除受到地球引力外，还 受到其它复杂摄动力的影响，处于高速运动状态的低轨卫星相对于地面接收机总存在 一个径向的速度分量，从而引起星地信号的多普勒频移和传输时延变化，同时地面高 速运动平台高速运动环境中，变化的速度和航向产生不确定的多普勒频偏和定时误差， 会对频率同步和定时同步造成影响。对于由于卫星和高速移动平台两种相对位移引起 的多普勒频移和传输时延的补偿对于TDMA卫星通信同步控制与接入组网具有重要 意义。

当前的TDMA卫星通信系统主要是基于同步轨道卫星，对于高速移动平台只考虑平台自身产生的多普勒频移和传输时延变化，同步轨道3万6千多公里，低速移动平 台在一定覆盖范围内传输时延的变化也基本可以忽略不计，在此系统中可以通过本平 台导航系统获取地理位置和航速等参数，计算出频率偏差和定时偏差，并采取相应的 补偿办法来实现TDMA卫星通信系统的参考捕获和时间同步，实现其组网功能。而面 向中低轨非同步轨道卫星，必须考虑卫星相对于地球的高速移动，加剧了多普勒频率 和传输时延的变化，带来的参考捕获和时间同步问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于卫星星历的移动平台TDMA卫星通信同步控制方法，利用高精度的卫星星历信息，得到卫星相对于地球站径向速度和 位置，通过平台的导航信息，等到平台位置和径向速度，最后叠加两者速度，平台根 据结果补偿频率偏差，根据两者位置粗略估算两者测距距离，平台根据真实测距信息 补偿定时偏差，最后达到同步要求。本发明能够补偿中低轨卫星和平台自身高速移动 引起的多普勒频率和时延变化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1，移动平台启动，获取本平台导航信息R_u(X_u，Y_u，Z_u)及速度V_u(V_ux， V_uy，V_uz)；将地面站接收机的经度λ、纬度、高度h转化为ECEF坐标下的位置矢 量其中，a₀为地球的半长轴，e₀为地球椭 圆偏心率；

步骤2，卫星正常运行，广播高精度卫星星历；卫星运行的平均角速度 其中，u＝398600.5×10⁹m³/s²，Δn为平均角速度改正数；轨道历元时刻 与初始历元时刻间隔为t_k＝t－t_oe，其中t_oe为历元起始时刻；卫星平近点角M_k＝M₀ +n₀t_k，其中M₀为t_oe时刻的平近点角；用迭代法计算历元时刻偏近点角的方程为E_k＝M_k +esinE_k，其中e为轨道偏心率；由偏近点角计算真近点角由真近点角计算升交距角φ_k＝v_k+ω，其中ω为t_oe时刻的近地点幅角；卫星矢径为r_k＝a(1－ecosE_k)，计算角距与半径修正量，并对角距与轨道半径进行修正

其中，C_us、C_uc为升交点角距正、余弦修正振幅；C_rs、C_rc为轨道半径正、余弦修正项振幅；那么卫星在轨道平面中的坐标为x_p＝r_kcosu_k，y_p＝r_ksinu_k，z_p＝0；结合轨道倾 角变化率，计算轨道倾角修正量并对轨道倾角进行修正

其中，i₀为参考时刻轨道倾角，i'为轨道倾角变化率，C_is、C_ic为轨道倾角正、余弦修正振幅；结合升交点赤经变化率和地球自转角速度Ω_e'，计算升交点经度 Ω_k＝Ω₀+(Ω'-Ω_e′)t_k-Ω_e′.t_oe其中，参考时刻升交点经度Ω₀；升交点赤经变化率Ω₁；

根据轨道平面坐标系与惯性坐标系的关系得卫星在ECI坐标系下位置矢量

考虑真春分点格林尼治恒星时角G_AST，则ECEF的位置矢量坐标与ECI位置矢 量坐标以及速度矢量的转换关系为：

步骤3，利用步骤1、步骤2中计算出来的本平台位置、速度矢量和卫星平台的位 置和速度矢量，计算多普勒频移和传输时延v是卫星与接收机相对运 动速度，f₀是信号载波频率，β是卫星与地面站间相对速度与卫星和地面站之间连线的 夹角；

步骤4，移动平台在初始入网或参考突发丢失时，使用f_d进行接收频率补偿后捕获参考突发，实现快速入网或再同步，接收到参考突发后，则根据参考突发的接收频 率估计更准确的多普勒频偏，并根据以下方法进行发送频率补偿：假设飞行器设定的 发送频率为f_T0，设定的接收频率为f_R0，飞行器接收到的下行链路频率为f_R，那么 地球站调整发送信号频率为f_T＝f_T0-ε(f_R-f_R0)，ε为收发频率调整因子；在飞行器组网 通信过程中，移动平台通过接收参考突发实时检测f_d的变化，并根据结果进行收发频 率补偿，完成频率控制根据结果进行收发频率补偿，完成频率控制；

步骤5，移动平台计算自身与卫星的距离从而得到本站的RTT＝2t_d，T₁为主站发 送第n帧的参考突发的时刻，即主站第n帧的发送起始时刻，T₂为业务站第n帧的 发送起始时刻，T₃为业务站收到主站第n帧参考突发的时刻，业务站在T₃时刻能够 估计出第n+m+1帧的各突发的发送时刻：

T_S＝T₅－T₃＝m T_Fr－RTT+D_n＝mT_Fr－2t_d+D_n

式中，T_Fr为帧长，D_n为第n帧中本站发送突发的时隙与控制时隙的时差，D_n参考帧下发的信息里所包含，m为正整数，满足m＞2t_d/T_Fr；

步骤6，根据步骤4和5确定的发送频率和业务发送时刻正常收发业务。

本发明的有益效果是：采用卫星的广播高精度星历信息和本平台的导航信息，计算出平台与卫星之间的相对径向速度和距离，从而计算出多普勒频率和传输往返时延， 进而利用该频率去捕获参考，同步捕获后解析参考信息，从而进行业务发送的定时， 为中低轨卫星移动TDAM通信同步控制组网的一种可行方案。

附图说明

图1是本发明基于卫星星历的频率和定时控制过程示意图；

图2是移动平台业务站发送时刻计算示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提供了一种基于星历的高速移动平台TDMA卫星通信同步控制方法。核 心思想是利用卫星的广播高精度星历信息和本平台的导航信息，计算出平台与卫星之 间的相对径向速度和距离，从而计算出多普勒频率和传输往返时延，进而利用该频率 去捕获参考，同步捕获后解析参考信息，从而进行业务发送的定时。

本发明包括以下步骤：

步骤1：初始化，移动平台启动，获取本平台导航信息R_u(X_u，Y_u，Z_u)及速度 V_u(V_ux，V_uy，V_uz)；一般情况下，通常用经度λ、纬度、高度h等参数来表示地面 站接收机的地理方位。利用下式把其转化为ECEF坐标下的位置矢量如(1)式所示：

a₀为地球的半长轴a₀＝6378.137km，e₀为地球椭圆偏心率，e² ₀＝6.69438e-3。

步骤2：卫星正常运行，利用信标天线或馈电链路广播高精度卫星星历；预报星 历基本内容是轨道6根数和轨道摄动9参数或其变形。轨道长半轴a(一般以a^1/2形 式给出)；轨道偏心率e；参考时刻平近点角M₀；参考时刻轨道倾角i₀；近地点辐角ω； 参考时刻升交点经度Ω₀；参考时刻t_oe；平均角速度改正数Δn；升交点赤经变化率Ω₁； 升交点角距正、余弦修正振幅C_us、C_uc；轨道半径正、余弦修正项振幅C_rs、C_rc；轨道 倾角变化率i'；轨道倾角正、余弦修正振幅C_is、C_ic，可以进行卫星位置矢量算和速度 矢量推导：卫星运行的平均角速度为其中a为半长轴，u＝ 398600.5×10⁹m³/s²；轨道历元时刻与初始历元时刻间隔为t_k＝t－t_oe，其中t_oe为历元 起始时刻；卫星平近点角为M_k＝M₀+n₀t_k，其中M₀为t_oe时刻的平近点角；用迭代法 计算历元时刻偏近点角的方程为E_k＝M_k+esinE_k，其中e为偏心率；由偏近点角计算真 近点角为由真近点角计算升交距角其中ω为 t_oe时刻的近地点幅角。卫星矢径为r_k＝a(1－ecosE_k)，计算角距与半径修正量，并对 角距与轨道半径进行修正如式(2)所示：

那么卫星在轨道平面中的x坐标为x_p＝r_kcosu_k，y坐标为y_p＝r_ksinu_k，z坐标为z_p＝0。结合轨道倾角变化率，计算轨道倾角修正量并对轨道倾角进行修正如式(3)所示：

结合升交点赤经变化率和地球自转角速度Ω_e'＝7.29211×10－5rad/s，计算升交点 经度如式(4)所示：

Ω_k＝Ω₀+(Ω'-Ω_e')t_k-Ω_e'.t_oe (4)

根据轨道平面坐标系与惯性坐标系的关系得卫星在ECI坐标系下位置矢量R_s-eci如式(5)所示，其中ik与Ωk分别为历元t时刻的卫星轨道倾角和升交点赤经。

考虑真春分点格林尼治恒星时角G_AST，则ECEF的位置矢量坐标与ECI位置矢 量坐标以及速度矢量的转换关系如式(6)和(7)所示：

步骤3：利用步骤1、步骤2中计算出来的本平台位置、速度矢量和卫星平台的位 置和速度矢量，计算多普勒频移和传输时延，其计算公式如下所示：v 是卫星与接收机相对运动速度，f₀是信号载波频率，β是卫星与地面站间相对速度与 卫星和地面站之间连线的夹角，多普勒频移与时延值如式(8)所示：

步骤4：高速移动平台(飞行器)在初始入网或参考突发丢失时，使用f_d进行接 收频率补偿后捕获参考突发，可以实现快速入网或再同步，接收到参考突发后，则根 据参考突发的接收频率估计更准确的多普勒频偏，并根据以下方法进行发送频率补偿： 假设飞行器设定的发送频率为f_T0，设定的接收频率为f_R0，由于多普勒效应，飞行器 接收到的下行链路频率为f_R(即飞行器到的多普勒频偏为f_R－f_R0)，那么地球站应该 调整它的发送信号频率为f_T，

f_T＝f_T0-ε(f_R-f_R0) (9)

ε为收发频率调整因子(即收发频率比)。在飞行器组网通信过程中，随着卫星按轨道规律不断变化位置和速度，飞行器航行方向和速度的变化，f_d会不断变化，高速 移动平台需要通过接收参考突发，实时检测f_d的变化，并根据结果进行收发频率补偿， 完成频率控制根据结果进行收发频率补偿，完成频率控制。

步骤5：定时控制，TDMA卫星通信系统需要严格的时间同步，如图2所示高速 移动平台可以使用式(8)计算自身与卫星的距离从而得到本站的RTT＝2t_d，T₁为主站 发送第n帧的参考突发的时刻，即主站第n帧的发送起始时刻，T₂为业务站第n帧 的发送起始时刻，T₃为业务站收到主站第n帧参考突发的时刻，根据图2可知，业务 站站可在T₃时刻可估计出第n+m+1帧的各突发的发送时刻：

T_S＝T₅－T₃＝m T_Fr－RTT+D_n＝mT_Fr－2t_d+D_n (10)

式中，T_Fr为帧长，D_n为第n帧中本站发送突发的时隙与控制时隙的时差，D_n参考帧下发的信息里所包含，m为正整数，满足m＞2t_d/T_Fr。

步骤6：根据步骤4和5确定的发送频率和业务发送时刻正常收发业务。

参照图1，本发明的实施例描述了于星历的高速移动平台TDMA卫星通信同步 控制的总体流程，首先初始化，启动接收卫星广播星历，读取规划好的TDMA卫星通 信系统的f，获取本平台导航信息，计算本平台的位置和速度，根据接收到的星历计 算出多普勒频移和传输距离，在f₀进行参考捕获，参考捕获成功功能后，根据移动平 台到卫星之间的距离，计算出RTT，进行频率控制定时控制。

为简化分析，本实例的系统包括一颗中轨卫星S、一个固定站和一个高速移动平台卫星终端U，参考载波和业务载波都在同一载波上，星历广播方式采用全向S频段 馈电链路，具体操作时：

步骤1：移动平台U站启动，读取导航信息，获取ECEF坐标系下速度矢量，由 公式(1)计算出ECEF坐标系下的位置矢量。

步骤2：移动平台利用S段天线侦收卫星星历，成功收到后，并按公式(8)计算 出多普勒频率f0和传输时延td。

步骤3：卫星终端U在f₀上进行参考捕获，若失败或参考丢失重新重复步骤1、2， 直至捕获成功或重新捕获。

步骤4：根据参考信息，根据公式(9)调整发送频率，完成频率控制.

步骤5：在接收到参考帧的时刻t，根据参考信息和公式(8)和公式(9)计算出 业务发送的时刻，完成定时控制。

步骤6：根据步骤4和步骤5入网成功后进行正常业务收发。

Claims (1)

1.一种基于星历的高速移动平台TDMA卫星通信同步控制方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1，移动平台启动，获取本平台导航信息R_u(X_u，Y_u，Z_u)及速度V_u(V_ux，V_uy，V_uz)；将地面站接收机的经度λ、纬度高度h转化为ECEF坐标下的位置矢量其中，a₀为地球的半长轴，e₀为地球椭圆偏心率；

步骤2，卫星正常运行，广播高精度卫星星历；卫星运行的平均角速度 其中，u＝398600.5×10⁹m³/s²，Δn为平均角速度改正数；轨道历元时刻与初始历元时刻间隔为t_k＝t－t_oe，其中t_oe为历元起始时刻；卫星平近点角M_k＝M₀+n₀t_k，其中M₀为t_oe时刻的平近点角；用迭代法计算历元时刻偏近点角的方程为E_k＝M_k+esinE_k，其中e为轨道偏心率；由偏近点角计算真近点角由真近点角计算升交距角φ_k＝v_k+ω，其中ω为t_oe时刻的近地点幅角；卫星矢径为r_k＝a(1－ecosE_k)，计算角距与半径修正量，并对角距与轨道半径进行修正

其中，C_us、C_uc为升交点角距正、余弦修正振幅；C_rs、C_rc为轨道半径正、余弦修正项振幅；那么卫星在轨道平面中的坐标为x_p＝r_kcosu_k，y_p＝r_ksinu_k，z_p＝0；结合轨道倾角变化率，计算轨道倾角修正量并对轨道倾角进行修正

其中，i₀为参考时刻轨道倾角，i'为轨道倾角变化率，C_is、C_ic为轨道倾角正、余弦修正振幅；结合升交点赤经变化率和地球自转角速度Ω_e'，计算升交点经度Ω_k＝Ω₀+(Ω'-Ω_e')t_k-Ω_e'.t_oe其中，参考时刻升交点经度Ω₀；升交点赤经变化率Ω₁；

根据轨道平面坐标系与惯性坐标系的关系得卫星在ECI坐标系下位置矢量

考虑真春分点格林尼治恒星时角G_AST，则ECEF的位置矢量坐标与ECI位置矢量坐标以及速度矢量的转换关系为：

步骤3，利用步骤1、步骤2中计算出来的本平台位置、速度矢量和卫星平台的位置和速度矢量，计算多普勒频移和传输时延v是卫星与接收机相对运动速度，f₀是信号载波频率，β是卫星与地面站间相对速度与卫星和地面站之间连线的夹角；

步骤4，移动平台在初始入网或参考突发丢失时，使用f_d进行接收频率补偿后捕获参考突发，实现快速入网或再同步，接收到参考突发后，则根据参考突发的接收频率估计更准确的多普勒频偏，并根据以下方法进行发送频率补偿：假设飞行器设定的发送频率为f_T0，设定的接收频率为f_R0，飞行器接收到的下行链路频率为f_R，那么地球站调整发送信号频率为f_T＝f_T0-ε(f_R-f_R0)，ε为收发频率调整因子；在飞行器组网通信过程中，移动平台通过接收参考突发实时检测f_d的变化，并根据结果进行收发频率补偿，完成频率控制根据结果进行收发频率补偿，完成频率控制；

步骤5，移动平台计算自身与卫星的距离从而得到本站的RTT＝2t_d，T₁为主站发送第n帧的参考突发的时刻，即主站第n帧的发送起始时刻，T₂为业务站第n帧的发送起始时刻，T₃为业务站收到主站第n帧参考突发的时刻，业务站在T₃时刻能够估计出第n+m+1帧的各突发的发送时刻：

T_S＝T₅－T₃＝mT_Fr－RTT+D_n＝mT_Fr－2t_d+D_n

式中，T_Fr为帧长，D_n为第n帧中本站发送突发的时隙与控制时隙的时差，D_n参考帧下发的信息里所包含，m为正整数，满足m＞2t_d/T_Fr；

步骤6，根据步骤4和5确定的发送频率和业务发送时刻正常收发业务。