一种低轨卫星通信的上行链路准同步接入方法及装置制造方法

一种低轨卫星通信的上行链路准同步接入方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种低轨卫星通信的上行链路准同步接入方法，地面终端K进行下行导频信号的解扩解调，将上行短帧进行扩频调制，将扩频后的信号进行载波调制，得到上行调制信号，将信号发送给卫星，卫星解扩解调出上行短帧，获取帧头到达时刻和K的ID得到时差，卫星将K的ID信息和时差插入下行导频帧下发；K从发送的下行导频信号中获取ID信息以及时差，与自身ID比对，一致则计算卫星与地面终端的短时相对运动速度，预测实际发射上行业务帧的时延变化量，形成延迟控制量，上行业务帧进行扩频调制之后进行载波调制，得到上行调制信号将信号发送给卫星；K从持续接收的导频信号中获取该终端和卫星间的伪距变化，指导终端进行发送码时钟及频率的调整。
【专利说明】一种低轨卫星通信的上行链路准同步接入方法及装置

【技术领域】
[0001] 本发明涉及卫星通信领域，尤其涉及一种低轨卫星通信领域，具体地涉及一种低 轨卫星通信系统中上行链路的通信技术体制。

【背景技术】
[0002] 在传统的无线通信系统中，由于地面终端的地理位置随机分布特性以及移动性等 特点，很难实现对地面终端信号到达时刻的严格控制，因此上行链路一般采用异步方式，异 步CDMA系统是一个随机接入系统，具有网络的结构及其控制简单的特点，但由于各地面终 端的相对时延在整个扩频序列周期内随机均匀分布，多址干扰比较严重，系统容量收到限 制；此外，由于多址干扰的存在，使得异步CDMA系统的另一个缺点即远近效应的影响十分 严重，因此异步CDMA系统需要严格的功率控制，但在低轨卫星通信的应用条件下，开环功 率控制精度较差，而闭环功率控制存在实时性、稳定性较差等问题，很难满足系统需求。
[0003] 为了达到以较小代价实现系统容量提高的目的，在低轨卫星上行链路中一个比较 折衷的思路是采用准同步CDMA方式，各地面终端并不严格同步，而是存在一定的相对时 延，即存在一个准同步窗口，该窗口范围远小于异步CDMA范围即扩频码序列周期，通常是 在几个码片之内。
[0004] 欧洲航天局在其提交的SW-CTDMA建议中前向信道采用了同步CDMA，而反向信道 采用了准同步CDMA多址方式，这是第一次准同步CDMA出现在标准建议中。但国内外没有 查到关于低轨卫星上行链路准同步接入方法的具体实现步骤、信号MAC层结构以及扩频 序列的选择方法等的相关报道。


【发明内容】

[0005] 本发明的技术解决问题是：克服低轨卫星通信上行链路异步接入方式多址干扰严 重、地面终端容量受限问题，提供一种准同步接入方法，该方法能够保证各终端上行到达时 间仅存在码片级的相对时延，从而可以通过选择存在零相关区的扩频码来解决多址干扰问 题。
[0006] 根据本发明的一个方面，提供一种在用于低轨卫星通信的地面终端K中上行链路 准同步接入控制方法，所述地面终端K与至少一个低轨卫星通讯，所述低轨卫星与其覆盖 区域内若干地面终端进行通讯，所述若干地面终端优选地以码分多址方式接入所述低轨卫 星，其特征在于，包括如下步骤：
[0007] i.接收来自所述低轨卫星的下行导频信号；
[0008] iii.在时刻<(〇对上行短帧进行处理，得到上行调制信号；
[0009] iv.将所述上行调制信号发送给所述低轨卫星；
[0010] ii.对所述下行导频信号进行处理，获取时差sk(t)，所述时差sk(t)为信号到达 所述低轨卫星的期望同步到达时刻Tsys(t)与信号实际到达时刻的差值，该差值由所 述低轨卫星通过导频下发。
[0011] 优选地，在所述步骤iii中，对所述上行短帧进行处理的方式为，对所述上行短帧 进行扩频调制，然后将扩频后的信号进行载波调制。
[0012] 优选地，上述控制方法还包括如下步骤：
[0013] Vi.计算所述低轨卫星与所述地面终端K的短时相对运动速度；
[0014] vii.计算实际发射上行业务帧的时延变化量Ak(t)，确定延迟控制量 8 k(t) +Ak(t)；
[0015] viii.在时刻+ ) + &⑴+ 对所述上行业务帧进行处理，再次得到上 行调制信号，其中，所述1^为导频信号扩频码周期，其中n为正整数；
[0016] ix.将所述上行调制信号发送给所述低轨卫星。
[0017] 优选地，在所述步骤viii中，对所述上行业务帧进行处理的步骤包括：
[0018] _将所述上行业务帧进行扩频调制；
[0019]-将扩频后的信号进行载波调制。
[0020] 优选地，所述将所述上行业务帧进行扩频调制的步骤中，优选地，所述业务帧的扩 频码选择具有零相关窗口的扩频序列，且进一步优选地结合扩频码速率以及上行链路容量 需求确定所述扩频码。
[0021] 优选地，所述步骤Vii中所述计算实际发射上行业务帧的时延变化量Ak(t)的步 骤包括：归一化多普勒频移乘以[nTPN+Sk(t)]，所述归一化多普勒频移通过从所述地面终 端K持续接收的导频信号中获取。
[0022] 优选地，所述地面终端K从持续接收的下行导频信号中获取所述地面终端K与所 述低轨卫星间的伪距变化，推算多普勒频移；根据获取的伪距变化和多普勒频移，调整所述 地面终端K的发送码时钟及频率，补偿所述地面终端K与所述低轨卫星之间相对运动所引 起的上行信号的传输时延和载波频率变化。
[0023] 根据本发明的另一个方面，提供一种用于低轨卫星通信的地面终端K中控制上行 链路准同步接入的控制装置，所述地面终端K与至少一个低轨卫星通讯，所述低轨卫星与 其覆盖区域内若干地面终端进行通讯，所述若干地面终端优选地以码分多址方式接入所述 低轨卫星，其特征在于，所述控制装置包括如下装置：
[0024] 第一接收装置，其用于接收来自所述低轨卫星的下行导频信号；
[0025] 第二处理装置，其用于在时刻<⑴对上行短帧进行处理，得到上行调制信号；
[0026] 第一发送装置，其用于将所述上行调制信号发送给所述低轨卫星；以及
[0027] 第一处理装置，其用于对所述下行导频信号进行处理，获取时差Sk(t)，其中，所 述时差Sk(t)为信号到达所述低轨卫星的期望同步到达时刻Tsys(t)与信号实际到达时刻 7^(/)的差值。
[0028] 优选地，所述第二处理装置包括：
[0029] 第三处理装置，其用于对所述上行短帧进行扩频调制；以及
[0030] 第四处理装置，其用于将扩频后的信号进行载波调制。
[0031] 优选地，还包括如下装置：
[0032] 第二接收装置，其用于再次接收来自所述低轨卫星的下行导频信号；
[0033] 第一计算装置，其用于计算所述低轨卫星与所述地面终端K的短时相对运动速 度；
[0034] 第二计算装置，其用于计算实际发射上行业务帧的时延变化量Ak(t)，确定延迟 控制量 Sk(t) + Ak(t);
[0035] 第五处理装置，其用于在时刻+ + ?⑴+ Aa_⑴对所述上行业务帧进行处 理，再次得到上行调制信号，其中，所述TpnS导频信号扩频码周期，其中n为正整数；
[0036] 第二发送装置，其用于再次将所述上行调制信号发送给所述低轨卫星。
[0037] 优选地，所述第五处理装置包括：
[0038] _第六处理装置，其用于将所述上行业务帧进行扩频调制；以及
[0039] _第七处理装置，其用于将扩频后的信号进行载波调制。
[0040] 优选地，所述将所述上行业务帧进行扩频调制的步骤中，优选地，所述业务帧的扩 频码选择具有零相关窗口的扩频序列，且进一步优选地结合扩频码速率以及上行链路容量 需求确定所述扩频码。
[0041] 优选地，所述第四处理装置包括：第八处理装置，其用于进行归一化多普勒频移乘 以[nTPN+Sk(t)]的处理，所述归一化多普勒频移通过从所述地面终端K持续接收的导频信 号中获取。
[0042] 根据本发明的又一个方面，还提供一种在用于低轨卫星通信的地面终端K中上行 链路准同步接入控制方法，所述地面终端K与至少一个低轨卫星通讯，所述低轨卫星与其 覆盖区域内若干地面终端进行通讯，所述若干地面终端优选地以码分多址方式接入所述低 轨卫星，其特征在于，包括如下步骤：
[0043] i.接收来自所述低轨卫星的下行导频信号；
[0044] ii.对所述下行导频信号进行处理，获取时差Sk(t)，所述时差Sk(t)为信号到 达所述低轨卫星的期望同步到达时刻Tsys(t)与信号实际到达时刻r/(〇的差值；
[0045] iii.在时刻<(0对上行短帧进行处理，得到上行调制信号；
[0046] iv.将所述上行调制信号发送给所述低轨卫星。
[0047] 优选地，所述步骤iii中，对所述上行短帧进行处理的方式为，对所述上行短帧进 行扩频调制，然后将扩频后的信号进行载波调制。
[0048] 优选地，还包括如下步骤：
[0049] V.再次接收来自所述低轨卫星的下行导频信号；
[0050] vi.计算所述低轨卫星与所述地面终端K的短时相对运动速度；
[0051] vii.计算实际发射上行业务帧的时延变化量Ak(t)，确定延迟控制量 8 k(t) +Ak(t)；
[0052] viii.在时刻+ + &⑴+ A&⑴对所述上行业务帧进行处理，再次得到上 行调制信号，其中，所述1^为导频信号扩频码周期，其中n为正整数；
[0053] ix.再次将所述上行调制信号发送给所述低轨卫星。
[0054] 优选地，在所述步骤viii中，对所述上行业务帧进行处理的步骤包括：
[0055] _将所述上行业务帧进行扩频调制；
[0056] -将扩频后的信号进行载波调制。
[0057] 优选地，所述将所述上行业务帧进行扩频调制的步骤中，优选地，所述业务帧的扩 频码选择具有零相关窗口的扩频序列，且进一步优选地结合扩频码速率以及上行链路容量 需求确定所述扩频码。
[0058] 优选地，所述步骤Vii中所述计算实际发射上行业务帧的时延变化量Ak(t)的步 骤包括：归一化多普勒频移乘以[nTPN+Sk(t)]，所述归一化多普勒频移通过从所述地面终 端K持续接收的导频信号中获取。
[0059] 优选地，所述地面终端K从持续接收的下行导频信号中获取所述地面终端K与所 述低轨卫星间的伪距变化，推算多普勒频移；根据获取的伪距变化和多普勒频移，调整所述 地面终端K的发送码时钟及频率，补偿所述地面终端K与所述低轨卫星之间相对运动所引 起的上行信号的传输时延和载波频率变化。
[0060] 本发明还提供一种用于低轨卫星通信的地面终端K中控制上行链路准同步接入 的控制装置，所述地面终端K与至少一个低轨卫星通讯，所述低轨卫星与其覆盖区域内若 干地面终端进行通讯，所述若干地面终端优选地以码分多址方式接入所述低轨卫星，其特 征在于，所述控制装置包括如下装置：
[0061] 第一接收装置，其用于接收来自所述低轨卫星的下行导频信号；
[0062] 第一处理装置，其用于对所述下行导频信号进行处理，获取时差Sk(t)，其中，所 述时差sk(t)为信号到达所述低轨卫星的期望同步到达时刻Tsys(t)与信号实际到达时刻 C⑴的差值；
[0063] 第二处理装置，其用于在时刻 对上行短帧进行处理，得到上行调制信号；
[0064] 第一发送装置，其用于将所述上行调制信号发送给所述低轨卫星。
[0065] 优选地，所述第二处理装置包括：
[0066] 第三处理装置，其用于对所述上行短帧进行扩频调制；以及
[0067] 第四处理装置，其用于将扩频后的信号进行载波调制。
[0068] 优选地，还包括如下装置：
[0069] 第二接收装置，其用于再次接收来自所述低轨卫星的下行导频信号；
[0070] 第一计算装置，其用于计算所述低轨卫星与所述地面终端K的短时相对运动速 度；
[0071] 第二计算装置，其用于计算实际发射上行业务帧的时延变化量Ak(t)，确定延迟 控制量 Sk(t) + Ak(t);
[0072] 第五处理装置，其用于在时刻+ + + 对所述上行业务帧进行处 理，再次得到上行调制信号，其中，所述TpnS导频信号扩频码周期，其中n为正整数；
[0073] 第二发送装置，其用于再次将所述上行调制信号发送给所述低轨卫星。
[0074] 优选地，所述第五处理装置包括：
[0075] _第六处理装置，其用于将所述上行业务帧进行扩频调制；以及
[0076] _第七处理装置，其用于将扩频后的信号进行载波调制。
[0077] 优选地，所述将所述上行业务帧进行扩频调制的步骤中，优选地，所述业务帧的扩 频码选择具有零相关窗口的扩频序列，且进一步优选地结合扩频码速率以及上行链路容量 需求确定所述扩频码。
[0078] 优选地，所述第四处理装置包括：第八处理装置，其用于进行归一化多普勒频移乘 以[nTPN+Sk(t)]的处理，所述归一化多普勒频移通过从所述地面终端K持续接收的导频信 号中获取。
[0079] 优选地，所述时刻4⑴、C、Tsys(t)、⑶+ --2^) + (^〇) + 4〇)均以导频信号 特定的扩频码相位作为时间参考。
[0080] 优选地，所述下行导频信号MAC层结构包括如下信息：
[0081] -帧头；以及
[0082] -帧内容。
[0083] 优选地，所述帧内容包括如下信息：
[0084] -地面终端ID;
[0085] _地面终端与低轨卫星时差；
[0086] -低轨卫星轨道；以及
[0087] -帧计数字。
[0088] 优选地，所述上行业务帧信号MAC层结构包括如下信息：
[0089] -同步头；
[0090] -帧指示；以及
[0091] -业务数据。
[0092] 本发明还提供一种在低轨卫星中上行链路准同步接入辅助控制方法，所述低轨卫 星与其覆盖区域内若干地面终端进行通讯，其中所述若干地面终端中至少包含一地面终端 K，所述若干地面终端优选地以码分多址方式接入所述低轨卫星，其特征在于，包括如下步 骤：
[0093] a.所述低轨卫星接收来自所述地面终端K的上行调制信号后，对所述调制信号进 行处理并获得上行短帧，进而获得所述上行短帧到达时刻、所述地面终端K的ID 信息；
[0094] b.根据期望同步到达时刻Tsys(t)以及所述上行短帧到达时刻7^(/)进行计算，并 获得所述两个时刻的时差4⑴=7二
[0095] c.将所述地面终端K的ID信息以及所述时差S k(t)插入下行导频帧并将处理后 的下行导频帧下发到所述地面终端K。
[0096] 优选地，所述步骤a中的上行短帧信号MAC层结构包括如下信息：
[0097] -同步头；
[0098] -帧指示；以及
[0099] -地面终端K的ID。
[0100] 优选地，所述步骤a中所述获得所述到达时刻7^(/)的步骤包括：所述低轨卫星完 成上行短帧的同步后，检测到该帧帧头时下行导频信号扩频码相位对应时刻为^0。
[0101] 优选地，所述步骤b中所述获得所述期望同步到达时刻刻Tsys(t)的步骤包括：期 望所述地面终端K上行信号到达时下行导频信号扩频码相位对应时刻为Tsys(t)。
[0102] 本发明还提供一种在低轨卫星中控制上行链路准同步接入的辅助控制装置，所述 低轨卫星与其覆盖区域内若干地面终端进行通讯，其中所述若干地面终端中至少包含一地 面终端K，所述若干地面终端优选地以码分多址方式接入所述低轨卫星，其特征在于，所述 辅助控制装置包括如下装置：
[0103] 第九处理装置，其用于在所述低轨卫星接收来自所述地面终端K的上行调制信号 后，对所述调制信号进行处理并获得上行短帧，进而获得所述上行短帧到达时刻7;'(/)、所 述地面终端K的ID信息；
[0104] 第三计算装置，其用于根据期望同步到达时刻Tsys(t)以及所述上行短帧到达时刻 f⑴进行计算，并获得所述两个时刻的时差&⑷=t - C⑴；
[0105] 第十处理装置，其用于将所述地面终端K的ID信息以及所述时差Sk(t)插入下 行导频帧并将处理后的下行导频帧下发到所述地面终端K。
[0106] 优选地，所述第九处理装置在所述低轨卫星完成所述上行短帧的同步后，检测到 该帧帧头时下行导频信号扩频码相位对应时刻为7^(/)。
[0107] 优选地，所述第十处理装置在期望所述地面终端K上行信号到达时下行导频信 号扩频码相位对应时刻为Tsys(t)。
[0108] 本发明的准同步精度分析如下：误差来源包括空间段、传输段、终端。空间段主要 是低轨卫星，利用导频测距，低轨卫星不用播发自身的轨道位置，只需提供时间基准，由于 卫星上时钟误差对于所有地面终端都是共同的，即使卫星时钟稳定度不高，也不影响地面 终端到达时刻的一致性，因此空间段的误差可以不用考虑。传输段的误差主要来自对流层、 电离层，该项误差在十纳秒量级。终端引入的误差主要包括测量噪声及发射预测误差，该项 误差在十纳秒量级。综上所述，本发明实现了十纳秒量级的准同步窗口范围。

【专利附图】

【附图说明】
[0109] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0110] 图1示出根据本发明的第一实施例的，低轨卫星通信的上行链路准同步接入方法 所支持的低轨卫星通信系统的系统架构示意图；
[0111] 图2示出根据本发明的第一实施例的，在用于低轨卫星通信的地面终端K中上行 链路准同步接入控制方法的流程图；
[0112] 图3示出根据本发明的第一实施例的，在低轨卫星中上行链路准同步接入辅助控 制方法的流程图；
[0113] 图4示出根据本发明的第一实施例的，低轨卫星通信上行链路准同步接入方法的 实现过程流程图；
[0114] 图5示出根据本发明的第一实施例的，低轨卫星通信的地面终端K中控制上行链 路准同步接入的控制装置的结构示意图；以及
[0115] 图6示出根据本发明的第一实施例的，低轨卫星中控制上行链路准同步接入的辅 助控制装置的结构示意图。

【具体实施方式】
[0116] 由于在通常的地面终端与卫星的通信过程中，因传输的过程中，存在着卫星本身 的系统误差、地面终端的系统误差以及传输路径的存在所导致的误差，使得地面终端与卫 星的通信之间存在着一定的误差，故提供一种用于低轨卫星通信中，地面终端的上行链路 的准同步接入控制方法，能够很好地消除如前所述的误差，更大程度上地实现地面终端与 低轨卫星的同步，使得通信过程更为精准以及具有更大的抗干扰性。结合附图，将对所述在 低轨卫星通信中，地面终端的上行链路的准同步接入控制方法进行进一步地说明和解释。
[0117] 图1示出根据本发明的第一实施例的，低轨卫星通信的上行链路准同步接入方法 所支持的低轨卫星通信系统的系统架构示意图。优选地，本领域技术人员理解，在本通信系 统中，包括至少一个低轨卫星和多个地面终端，其中多个地面终端与所述低轨卫星的通信 交互方式和原理是一样的，故仅通过对其中一个地面终端K，在低轨卫星通信中，地面终端 K中上行链路准同步接入控制方法的进行进一步地解释和说明，其他地面终端与低轨卫星 的通信方式原理与所述地面终端K的通信原理一样，仅对所述地面终端K的通信方式进行 详细说明，对其他地面终端不再赘述。优选地，本领域技术人员理解，在如图1所示的低轨 卫星通信系统的系统架构示意图中，主要包括两个部分：低轨卫星和若干地面终端。其中， 所述低轨卫星连续地向发射导频信号，进而实现低轨卫星与地面终端的通信。进一步地， 若干地面终端则处在低轨卫星的覆盖区域内，能够很好地实现地面终端与低轨卫星进行通 信。优选地，各个地面终端以码分多址方式即通常所说的CDMA技术接入系统，实现各地面 终端与低轨卫星的交互和通信，在这里需要注意的是，各个地面终端与低轨卫星接入所述 通信系统并不唯一地以CDMA方式接入，以WCDMA同样可以实现本发明，这里并不影响本发 明的实质内容，在此仅以码分多址即CDMA技术的系统接入方式为例。
[0118] 优选地，本领域技术人员理解，所述低轨卫星在本发明中主要有如下作用，与所述 地面终端进行交互、通信，接收来自于地面终端所上发的上行调制信号，从上行调制信号中 解扩解调出上行短帧，获取所述地面终端K的ID信息，得到时差Sk(t)即信号到达所述低 轨卫星的期望的同步到达时刻与信号实际到达时刻的差值；对接收到的信号进行处理，且 将得到的地面终端K的ID信息以及时差S k(t)插入下行导频帧下发到所述地面终端K。
[0119] 进一步地，本领域技术人员理解，所述地面终端K主要用来持续跟踪接收经过 低轨卫星处理以后下发的导频信号，上发短帧供卫星提取地面终端K的ID信息与时差 Sk(t)，从导频内容中提取包括地面终端K的ID信息、时差等在内的相关信息，根据从导频 获取的时差以及计算得到的时延变化量调整发射时刻，上发业务帧供卫星接收，从下行导 频信号推算归一化多普勒频移等信号动态特性以及获取地面终端K和低轨卫星之间的伪 距变化，指导终端进行发送码时钟及频率的调整，补偿用户与卫星之间相对运动会引起上 行信号的传输时延和载波频率变化。
[0120] 图2示出根据本发明的第一实施例的，在用于低轨卫星通信的地面终端K中上行 链路准同步接入控制方法的流程图。结合图1所示的所述地面终端K实现低轨卫星通信的 系统架构图，图2具体示出了图1中所述地面终端K在图1所提供的系统架构中，具体地实 现低轨卫星通信的方法和流程。
[0121] 优选地，本领域技术人员理解，所述地面终端K与所述低轨卫星之间的通信是一 个连续的过程，进一步地，所述地面终端接收来自于经过所述低轨卫星处理后的导频信号， 所述地面终端K接收以后，将接收到的信号进行处理，得到自己想要的信息之后，再对信号 进行处理，然后上传到所述低轨卫星，所述低轨卫星接收到信号以后，进行处理，得到所需 要的信息，然后再将信号下发给所述地面终端K。如此持续循环下去，便实现了所述地面终 端K与所述低轨卫星的通信和交互。
[0122] 进一步地，本领域技术人员理解，为了实现所述地面终端K的低轨卫星通信，应首 先执行步骤S201，即接收来自低轨卫星的下行导频信号。所述下行导频信号是在所述地面 终端K与所述低轨卫星进行交互通信过程中，通过天线接收的。进一步地，本领域技术人员 理解，所述低轨卫星发送给所述地面终端K的下行导频信号，是由所述地面终端K发送给 所述低轨卫星且经过所述低轨卫星处理过的，且携带有与所述地面终端K有关的信息。对 于所述低轨卫星对导频信号如何处理将在图3中即结合所述低轨卫星中上行链路准同步 接入辅助控制方法的流程图进行详细的解释和说明，在此不再赘述。
[0123] 然后执行步骤S203即在时刻（(/)将上行业务帧进行扩频调制，再将扩频后的信号 进行载波调制，得到上行调制信号。优选地，本领域技术人员理解，所述的扩频调制是一种 信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽，频带的扩展是 通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关，在接 收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。优选地，扩频调制可以分 为直接序列扩频、跳频、时跳扩频、线性调频以及混和扩频方式等多种方式，在这里并不做 唯一的限定，任何一种能够实现扩频调制的方式均可以，这并不影响本发明的实质内容，在 此不再赘述。将经过扩频调制后的信号再进行载波调制，然后便可以得到调制信号。
[0124] 然后进入步骤S204即将上行调制信号发送给低轨卫星。优选地，本领域技术人员 理解，可以通过天线将得到的上行调制信号发送给所述低轨卫星。
[0125] 然后进入步骤S202即对下行导频信号进行处理，获取时差Sk(t)。优选地，本领域 技术人员理解，在经过了步骤S201之后，可以得到所述低轨卫星发送给所述地面终端K的 下行导频信号。在得到所述导频信号之后，所述地面终端需要对其接收到的下行导频信号 进行解析处理，从而可以得到所述低轨卫星所发送的信号以及其所携带的信息。优选地，本 领域技术人员理解，对所述下行导频信号的解析处理应该是对所述下行导频信号进行解扩 解调，优选地，所述地面终端与所述低轨卫星之间的通信采用的是扩频技术，即在天线之前 发射链路的某处简单的引入相应的扩频码即扩频处理，结果将信息扩散到一个更宽的频带 内，在接收链路中数据恢复之前移去扩频码，即为解扩过程。优选地，在信息传输通路的两 端即所述地面终端K 一端与所述低轨卫星一端均预先知道所用的扩频码。进一步地，本领 域技术人员理解，对所述下行导频信号进行解扩解调之后得到下行导频信号MAC层结构， 所述下行导频信号MAC层结构包括如下信息：帧头以及帧内容。进一步地，所述帧内容包括 所述地面终端K的ID信息以及所述地面终端K与所述低轨卫星之间的时差Sk(t)。优选 地，所述时差Sk(t)为信号到达所述低轨卫星的期望的同步到达时刻与信号实际到达时刻 的差值。
[0126] 然后进入步骤S206即计算低轨卫星与地面终端的短时相对运动速度。优选地，本 领域技术人员理解，在计算所述低轨卫星与所述地面终端的短时相对速度时，需要先将所 述地面终端K所获取的下行导频信号中获取的ID信息与所述地面终端K自身的ID信息进 行比对，若二者一致，则计算所述低轨卫星与所述地面终端K的短时相对运动速度。因为只 有当所在所述下行导频信号中获得的地面终端的ID与所述地面终端K的ID信息一致，才 能断定这次所接收到的信号为所述地面终端K与所述低轨卫星进行通信交互的信号，而不 会是其他地面终端与所述低轨卫星进行交所得到的信号。只有在传输同一个信号时，在所 述地面终端K与所述低轨卫星之间进行信号传输时才能够基于多次信号在两者之间的传 输来计算出所述地面终端K与所述低轨卫星之间的短时相对速度。进一步地，本领域技术 人员理解，如果从所述下行导频信号中获取的ID信息与所述地面终端K自身的ID信息经 过比对，得到的比对结果不一致，则说明所述地面终端K接收来自于所述低轨卫星发送的 下行导频信号不是所述地面终端K在之前所发送过去的信号，也不是二者进行交互且进行 处理的同一个信号，则放弃此次得到的下行导频信号，继续接收来自于所述低轨卫星发送 的下行导频信号，然后继续进行ID信息的比对，直至从所述低轨卫星获取到的地面终端的 ID信息与所述地面终端K的ID信息一致，然后再进入之后的步骤。
[0127] 然后执行步骤S207即计算实际发射上行业务帧的时延变化量Ak(t)，形成延迟控 制量Sk(t) + Ak(t)。优选地，本领域技术人员理解，所述实际发射上行业务帧的时延变化 量Ak(t)的计算方法为：归一化多普勒频移乘以[nTPN+Sk(t)]，其中所述归一化多普勒频 移通过从所述地面终端K持续接收的导频信号中获取。
[0128] 然后进入步骤S208即在时刻 + + 4⑴+ ~⑴对上行业务帧进行扩频调 制，再将扩频后的信号进行载波调制，得到上行调制信号。优选地，本领域技术人员理解， 在时刻 + + 对上行业务帧所进行的处理可以参照步骤S203中在时刻 <(〇将上行业务帧进行扩频调制，再将扩频后的信号进行载波调制，得到上行调制信号的 这一步骤中的解释和说明，二者所进行的处理方式相同，所不同的是进行信号处理的时刻 不同，因此可以参照步骤S203中的处理方式来进行理解，在此不再赘述。
[0129] 最后执行步骤S209即将上行调制信号发送给低轨卫星。同样地，也是通过天线将 所述上行调制信号发送给所述低轨卫星，这并不影响本发明的实质内容，因此不再赘述。
[0130] 图3示出根据本发明的第一实施例的，在低轨卫星中上行链路准同步接入辅助控 制方法的流程图。优选地，本领域技术人员理解，首先执行步骤S301即低轨卫星接收来自 地面终端K的上行调制信号，对所述上行调制信号进行处理并获得上行短帧，得到上行短 帧到达时刻G1 (7)、地面终端K的ID信息。优选地，本领域技术人员理解，上行短帧信号MAC 层结构包括：同步头，帧指示以及所述地面终端K的ID。进一步地，所述低轨卫星对所述上 行调制信号进行解扩解调便可以得到上行短帧到达时刻HO以及地面终端K的ID信息。 优选地，本领域技术人员理解，所述到达时间7/(0的提取方法为：卫星完成上行短帧的同 步后，检测到该帧帧头时下行导频信号扩频码相位对应时刻为7；/(〇。
[0131] 然后进入步骤S302即根据期望的到达同步时刻Tsys(t)以及步骤2获取的短帧到 达时刻计算得到时差久(〇 = 7；#)一优选地，本领域技术人员理解，期望的到 达同步时刻Tsys(t)的提取方法为：期望地面终端上行信号到达时下行导频信号扩频码相 位对应时刻为Tsys(t)。
[0132] 最后执行步骤S303即低轨卫星将地面终端K的ID信息以及时差S k(t)插入下 行导频帧，下发到地面终端K。
[0133] 图4示出根据本发明的第一实施例的，低轨卫星通信上行链路准同步接入方法的 实现过程图。优选地，本领域技术人员理解，首先执行步骤S401，即所述地面终端K接收来 自低轨卫星的下行导频信号。然后进入步骤S403,在时刻<(0将上行短帧进行扩频调制， 再将扩频后的信号进行载波调制，得到上行调制信号。然后进入步骤S404,将上行调制信 号通过天线发送给所述低轨卫星。然后进入步骤S405,所述低轨卫星接收到所述地面终端 K发送的上行调制信号后，从中解扩解调出上行短帧，获取帧头到达时间得到地面 终端K的ID信息。然后执行步骤S406根据期望的到达同步时刻Tsys(t)以及获取的短帧 到达时刻r/⑴计算得到时差4(〇=^〇-^〇。然后进入步骤3407，所述低轨卫星将得 到的地面终端K的ID信息以及得到的时差Sk(t)插入下行导频帧下发。然后进入S402， 即将接收到的下行导频信道的解扩解调，然后获取时差Sk(t)。优选地，本领域技术人员 理解，所述地面终端K从所述低轨卫星发送的下行导频信号中获取地面终端的ID信息以及 时差Sk(t)，与所述地面终端K的自身ID比对，若二者一致则进入步骤S409,计算所述低 轨卫星与所述地面终端K的短时相对运动速度，然后执行步骤S410,预测实际发射上行业 务帧的时延变化量Ak(t)，形成延迟控制量Sk(t) + Ak(t)。然后进入步骤S411，即在时刻 + + ?⑴+ AJ?)将上行业务帧进行扩频调制，再将扩频后的信号进行载波调制， 得到上行调制信号，最后执行步骤S412,将上行调制信号通过天线发送给所述低轨卫星。在 通信过程中，所述地面终端K从持续接收的导频信号中获取所述地面终端K和所述低轨卫 星间的伪距变化，推算多普勒频移，指导所述地面终端进行发送码时钟及频率的调整，补偿 地面终端与所述低轨卫星之间的相对运动所引起的上行信号的传输时延和载波频率变化。
[0134] 图5示出根据本发明的第一实施例的，低轨卫星通信的地面终端K中控制上行链 路准同步接入的控制装置的结构示意图。优选地，本领域技术人员理解，所述控制装置主要 有若干个接收装置、处理装置、计算装置和发送装置构成。进一步地，所述接收装置是所述 地面终端K用来接收来自于所述低轨卫星所发送的下行导频信号，处理装置是用来对接收 到的信号进行调制解调，得到所述地面终端K所需要的信息，并且对所述地面终端K所需要 发送给所述低轨卫星的上行调制信号进行处理。计算装置主要是用来对所述地面终端K与 所述低轨卫星进行通讯交互过程中所需要通过计算才能得到的各种参数。发送装置主要是 所述地面终端K用来将经过处理好的上行调制信号发送给所述低轨卫星。
[0135] 具体地，本领域技术人员理解，所述控制装置包括第一接收装置51，用于接收来 自所述低轨卫星的下行导频信号。第二处理装置53,用于在时刻<⑴对上行短帧进行处 理，得到上行调制信号。第一发送装置54,用于将所述上行调制信号发送给所述低轨卫星。 第一处理装置52,用于对所述下行导频信号进行处理，获取时差Sk(t)，其中，所述时差 Sk(t)为信号至IJ达所述低轨卫星的期望同步到达时亥ljTsys(t)与信号实际到达时亥lj T丨、'{!) 的差值。第一计算装置56,用于计算所述低轨卫星与所述地面终端K的短时相对运动速 度。第二计算装置57,用于计算实际发射上行业务帧的时延变化量Ak(t)，确定延迟控制 量Sk(t) + Ak(t)。第五处理装置58,用于在时刻饮+ + ?⑴+ A,⑴对所述上行业务 帧进行处理，再次得到上行调制信号。第二发送装置59,用于再次将所述上行调制信号发送 给所述低轨卫星。进一步地，第二处理装置53还包括第三处理装置530,用于对所述上行短 帧进行扩频调制。以及第四处理装置531，用于将扩频后的信号进行载波调制。其中所述第 四处理装置531还包括第八处理装置5310,用于进行归一化多普勒频移乘以[nTPN+ S k(t)] 的处理。进一步地，所述第五处理装置58还包括第六处理装置580,用于将所述上行业务帧 进行扩频调制和第七处理装置581，用于将扩频后的信号进行载波调制。
[0136] 进一步地，本领域技术人员理解，所述控制装置首先通过所述第一接收装置51，接 收来自于所述低轨卫星发送的下行导频信号。然后，进入所述第二处理装置53,首先由第 三处理装置530进行信号的处理，即对上行短帧进行扩频调制。然后将经过扩频调制后的 信号传递给第四处理装置531，所述第四处理装置531将扩频后的信号进行载波调制。然后 将经过所述第二处理装置53处理后的信号，传递给第一发送装置54。所述第一发送装置 54将得到的经过处理的信号发送给所述低轨卫星。进一步地，所述第四处理装置对接收到 的信号进行解扩解调，进而获取时差Sk(t)，其中，时差Sk(t)为信号到达所述低轨卫星的 期望同步到达时刻Tsys(t)与信号实际到达时刻7；/(〇的差值。。然后，通过所述第一计算装 置56,计算出所述低轨卫星与所述地面终端K的短时相对运动速度。然后将信号通过第二 计算装置57进行归一化多普勒频移乘以[nTPN+Sk(t)]的处理，得到实际发射上行业务帧 的时延变化量Ak(t)，进而确定延迟控制量Sk(t) + Ak(t)。信号经过第二计算装置之后， 进入第五处理装置58,所述第五处理装置58在时刻+ + ?⑴+ AJO对所述上行业 务帧进行处理，此处的处理是由第六处理装置580和第七处理装置581来完成的。进一步 地，所述第六处理装置在时刻+ + 4⑴+ ~(〇对所述上行业务帧进行扩频调制，然 后进入所述第七处理装置581。所述第七处理装置581将经过第六处理装置处理过的信号 再进行载波调制。进而得到上行调制信号。然后所述上行调制信号经过第二发送装置59， 所述第二发送装置59将经过处理后的上行调制信号发送到所述低轨卫星。
[0137] 图6示出根据本发明的第一实施例的，低轨卫星中控制上行链路准同步接入的辅 助控制装置的结构示意图。具体地，在本实施例中，所述辅助控制装置包括第九处理装置 61，第三计算装置62以及第十处理装置63。其中，所述第九处理装置61，用于在所述低轨 卫星接收来自所述地面终端K的上行调制信号后，对所述调制信号进行处理并获得上行短 帧，进而获得所述上行短帧到达时刻、所述K的ID信息。所述第三计算装置62用于 根据期望同步到达时刻Tsys(t)以及所述上行短帧到达时刻7；心)进行计算，并获得所述两 个时刻的时差4(〇 = 。所述第十处理装置63用来将所述地面终端K的ID信息 以及所述时差Sk(t)插入下行导频帧并将处理后的下行导频帧下发到所述地面终端K。
[0138] 具体地，本领域技术人员理解，首先所述第九处理装置61将接收到的来自于所述 地面终端K的上行调制信号进行处理，具体地，对所述上行调制信号进行解扩解调，进而可 以调制出上行短帧的到达时刻厂'(/)以及所述地面终端K的ID信息。然后将所得到的信息 通过所述第三计算装置62进行计算，具体地，根据期望同步到达时刻Tsys (t)以及所述上行 短帧到达时刻r/⑴进行计算，进而获得所述两个时刻的时差~(〇 = 7；s(〇-fW。最后 将经过第三计算装置得到的信号通过第十处理装置63进行处理，所述第十处理装置63将 得到的所述地面终端K的ID信息以及所述时差sk(t)插入下行导频帧，然后将所述下行 导频帧下发到所述地面终端K。
[0139] 下行导频信号MAC层结构见表1 :

【权利要求】
1. 一种低轨卫星通信的上行链路准同步接入控制方法，一地面终端K与一颗低轨卫星 或多颗无重叠覆盖区域的低轨卫星系统通讯，所述低轨卫星与其覆盖区域内若干所述地面 终端进行通讯，所述若干地面终端优选地以码分多址方式接入所述低轨卫星，其特征在于， 包括如下步骤：
1. 接收来自所述低轨卫星的下行导频信号； iii. 在时刻<⑴对上行短帧进行处理，得到上行调制信号； iv. 将所述上行调制信号发送给所述低轨卫星； ii.对所述下行导频信号进行处理，获取时差Sk(t)，所述时差Sk(t)为信号到达所述 低轨卫星的期望同步到达时刻Tsys(t)与信号实际到达时刻TkA(t)的差值，该差值由所述低 轨卫星通过导频下发。
2. 根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤iii中，对所述上行短帧进 行处理的方式为，对所述上行短帧进行扩频调制，然后将扩频后的信号进行载波调制。
3. 根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，还包括如下步骤： vi. 计算所述低轨卫星与所述地面终端K的短时相对运动速度； vii. 计算实际发射上行业务帧的时延变化量Ak(t)，确定延迟控制量Sk(t) +Ak(t); viii. 在时刻+ +久(〇 +A,⑴对所述上行业务帧进行处理，再次得到上行调 制信号，其中，所述Tpi^j导频信号扩频码周期，其中n为正整数； ix. 将所述上行调制信号发送给所述低轨卫星。
4. 根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，在所述步骤viii中，对所述上行业务 帧进行处理的步骤包括： _将所述上行业务帧进行扩频调制； -将扩频后的信号进行载波调制。
5. 根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述将所述上行业务帧进行扩频调 制的步骤中，优选地，所述业务帧的扩频码选择具有零相关窗口的扩频序列，且进一步优选 地结合扩频码速率以及上行链路容量需求确定所述扩频码。
6. 根据权利要求3至5中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述步骤Vii中所 述计算实际发射上行业务帧的时延变化量Ak(t)的步骤包括：归一化多普勒频移乘以 [nTPN+Sk (t)]，所述归一化多普勒频移通过从所述地面终端K持续接收的导频信号中获取。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述地面终端K从持续 接收的下行导频信号中获取所述地面终端K与所述低轨卫星间的伪距变化，推算多普勒频 移；根据获取的伪距变化和多普勒频移，调整所述地面终端K的发送码时钟及频率，补偿所 述地面终端K与所述低轨卫星之间相对运动所引起的上行信号的传输时延和载波频率变 化。
8. -种低轨卫星通信的上行链路准同步接入的控制装置，一地面终端K与至少一个低 轨卫星通讯，所述低轨卫星与其覆盖区域内若干所述地面终端进行通讯，所述若干地面终 端优选地以码分多址方式接入所述低轨卫星，其特征在于，所述控制装置包括如下装置： 第一接收装置，其用于接收来自所述低轨卫星的下行导频信号； 第二处理装置，其用于在时刻<(〇对上行短帧进行处理，得到上行调制信号； 第一发送装置，其用于将所述上行调制信号发送给所述低轨卫星；以及 第一处理装置，其用于对所述下行导频信号进行处理，获取时差Sk(t)，其中，所述 时差sk(t)为信号到达所述低轨卫星的期望同步到达时刻Tsys(t)与信号实际到达时刻 TkA(t)的差值。
9. 根据权利要求8所述的控制装置，其特征在于，所述第二处理装置包括： 第三处理装置，其用于对所述上行短帧进行扩频调制；以及 第四处理装置，其用于将扩频后的信号进行载波调制。
10. 根据权利要求8或9所述的控制装置，其特征在于，还包括如下装置： 第一计算装置，其用于计算所述低轨卫星与所述地面终端K的短时相对运动速度； 第二计算装置，其用于计算实际发射上行业务帧的时延变化量Ak(t)，确定延迟控制 量Sk(t) +Ak(t); 第五处理装置，其用于在时刻+ + + ⑴对所述上行业务帧进行处理， 再次得到上行调制信号，其中，所述Tpi^j导频信号扩频码周期，其中n为正整数；以及 第二发送装置，其用于再次将所述上行调制信号发送给所述低轨卫星。
11. 根据权利要求10所述的控制装置，其特征在于，所述第五处理装置包括： -第六处理装置，其用于将所述上行业务帧进行扩频调制；以及 -第七处理装置，其用于将扩频后的信号进行载波调制。
12. 根据权利要求11所述的控制装置，其特征在于，所述将所述上行业务帧进行扩频 调制的步骤中，优选地，所述业务帧的扩频码选择具有零相关窗口的扩频序列，且进一步优 选地结合扩频码速率以及上行链路容量需求确定所述扩频码。
13. 根据权利要求10至12中任一项所述的控制装置，其特征在于，所述第四处理装置 包括：第八处理装置，其用于进行归一化多普勒频移乘以[nTPN+Sk(t)]的处理，所述归一 化多普勒频移通过从所述地面终端K持续接收的导频信号中获取。
14. 根据权利要求1至7中任一项所述的控制方法和/或根据权利要求8至13中任一 项所述的控制装置，其特征在于，所述时刻你）、TkA(t)、Tsys(t)、/冰+ /27^) + 4(/) + 4(/) 均以导频信号特定的扩频码相位作为时间参考。
15. 根据权利要求1至7中任一项所述的控制方法和/或根据权利要求8至14中任一 项所述权利要求，其特征在于，所述下行导频信号MAC层结构包括如下信息： -帧头；以及 -帧内容。
16. 根据权利要求15所述的控制方法和/或控制装置，其特征在于所述帧内容包括如 下信息： -地面终端ID; -地面终端与低轨卫星时差； -低轨卫星轨道；以及 -帧计数字。
17. 根据权利要求3至7中任一项所述的控制方法和/或根据权利要求8至16中任一 项所述权利要求，其特征在于，所述上行业务帧信号MC层结构包括如下信息： -同步头； -帧指示；以及 -业务数据。
18. -种在低轨卫星中上行链路准同步接入辅助控制方法，所述低轨卫星与其覆盖区 域内若干地面终端进行通讯，其中所述若干地面终端中至少包含一地面终端K，所述若干地 面终端优选地以码分多址方式接入所述低轨卫星，其特征在于，包括如下步骤： a. 所述低轨卫星接收来自所述地面终端K的上行调制信号后，对所述调制信号进行处 理并获得上行短帧，进而获得所述上行短帧到达时刻TkA(t)、所述地面终端K的ID信息； b. 根据期望同步到达时刻Tsys(t)以及所述上行短帧到达时刻TkA(t)进行计算，并获得 所述两个时刻的时差Sk(t) =Tsys(t)-TkA(t); c. 将所述地面终端K的ID信息以及所述时差Sk(t)插入下行导频帧并将处理后的下 行导频帧下发到所述地面终端K。
19. 根据权利要求18所述的辅助控制方法，其特征在于，所述步骤a中的上行短帧信号 MAC层结构包括如下信息： -同步头； -帧指示；以及 -地面终端K的ID。
20. 根据权利要求18或19所述的辅助控制方法，其特征在于，所述步骤a中所述获得 所述到达时刻TkA(t)的步骤包括：所述低轨卫星完成上行短帧的同步后，检测到该帧帧头 时下行导频信号扩频码相位对应时刻为TkA(t)。
21. 根据权利要求18至20中任一项所述的辅助控制方法，其特征在于，所述步骤b中 所述获得所述期望同步到达时刻刻Tsys (t)的步骤包括：期望所述地面终端K上行信号到达 时下行导频信号扩频码相位对应时刻为Tsys (t)。
22. -种在低轨卫星中控制上行链路准同步接入的辅助控制装置，所述低轨卫星与其 覆盖区域内若干地面终端进行通讯，其中所述若干地面终端中至少包含一地面终端K，所述 若干地面终端优选地以码分多址方式接入所述低轨卫星，其特征在于，所述辅助控制装置 包括如下装置： 第九处理装置，其用于在所述低轨卫星接收来自所述地面终端K的上行调制信号后， 对所述调制信号进行处理并获得上行短帧，进而获得所述上行短帧到达时刻TkA(t)、所述地 面终端K的ID信息； 第三计算装置，其用于根据期望同步到达时刻Tsys(t)以及所述上行短帧到达时刻TkA(t)进行计算，并获得所述两个时刻的时差Sk(t) =Tsys(t)-TkA(t); 第十处理装置，其用于将所述地面终端K的ID信息以及所述时差Sk(t)插入下行导 频帧并将处理后的下行导频帧下发到所述地面终端K。
23. 根据权利要求22所述的辅助控制装置，其特征在于，所述第九处理装置在所述低 轨卫星完成所述上行短帧的同步后，检测到该帧帧头时下行导频信号扩频码相位对应时刻 为TkA(t)。
24. 根据权利要求22或23所述的辅助控制装置，其特征在于，所述第十处理装置在期 望所述地面终端K上行信号到达时下行导频信号扩频码相位对应时刻为Tsys (t)。
【文档编号】H04B7/185GK104506267SQ201410545013
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年10月15日 优先权日:2014年10月15日
【发明者】梁旭文, 丁晟, 张传胜, 刘会杰, 陈毅君, 吴康, 侯缋玲, 马陆 申请人:上海欧科微航天科技有限公司