一种卫星移动通信的阴影遮挡检测方法与流程

本发明属于卫星通信技术领域，涉及一种卫星移动通信的阴影遮挡检测方法。

背景技术：

在动中通卫星通信中，载体的运动会导致卫星通信信道环境的随机变化。Ku波段的电磁波波长只有几厘米，当目标卫星受到路边的高楼、广告牌、路上的天桥、涵洞等障碍物的视线遮挡时，动中通将无法接收到信号，卫星通信链路会被阻断。快速、准确地判断动中通卫星链路的状态是确保动中通可靠通信的必然要求。

根据动中通天线波束宽度、障碍物尺寸以及两者之间的位置关系，视线遮挡可分为部分遮挡和完全遮挡，在部分遮挡的条件下，如电线杆、广告牌等障碍物的遮挡，接收机仍然能接收到部分信号，但接收的信号幅度较小。由于障碍物尺寸较小，遮挡时间一般很短，若载体速度很快，那么可以忽略这种遮挡的影响；当障碍物尺寸较大，如道路旁边的高楼、涵洞等会完全阻断卫星通信链路，此时动中通将无法接收到有用信号。

实际工作中，动中通还会受到路旁树木的遮挡。Ku频段电磁波的波长与春、秋季节时的树叶间隙相差不大，因此可以穿过狭小的树叶缝隙，动中通在春、秋季节经过树木等形成的阴影区域时，接收机中的信号强度会呈现随机起伏变化的特点，既有深度衰落也有轻度衰落。其深度衰落是由树叶、树干的遮挡造成，轻度衰落则是由于电磁波穿过树叶、树与树之间的缝隙导致的；若夏季路边的树木枝叶茂盛，动中通卫星链路则会被完全遮挡，导致接收信号的深度衰落。

已公开的卫星动中通阴影遮挡检测方法的情况如下：

1)“移动式卫星跟踪天线系统的控制方法”，(起亚自动车株式会社，中华人民共和国发明专利，ZL200310118219.3，2005)，该专利通过天线的360度旋转来测定天线指向是否受到障碍物的遮挡，但该方法无法判断树木阴影等情况，且由于需要将天线进行360度的旋转，一次判断耗时较长。

2)“信号电平检测动态跟踪卫星天线”，(庞江帆，中华人民共和国使用新型专利，ZL200420058643.3，2006)，该专利采用卫星接收信号强度对时间的导数来判断天线指向是否被遮挡物遮挡，但该方法无法有效判断间歇性的遮挡，如路边树木、电线杆等。另外，由于梯度的敏感性，该方法在实际应用中会产生大量的虚假判断，缺乏可实践性。

综上所述，到目前为止，尚未发现一种能对卫星移动通信中各种类型的阴影遮挡进行快速、准确检测的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种卫星移动通信的阴影遮挡检测方法，该方法能够快速、准确的检测卫星通信是否被阴影遮挡。

为达到上述目的，本发明所述的卫星移动通信的阴影遮挡检测方法包括以下步骤：

1)开机启动卫星移动通信系统，启动天线指向的稳定工作模式，搜索及捕获目标卫星，再启动跟踪过程，实现动中通波束与目标卫星的对准；

2)当无遮挡且动中通波束与目标卫星的对准时，采集N个接收信号的强度值V＝[V₁,V₂,…V_N]，并统计分析接收信号强度值的最大值M，再设置接收信号的强度门限值T_n及T_r，其中，T_n为完全遮挡条件下接收信号的强度的上限值，T_r为无阴影遮挡条件下接收信号的强度的下限值，将0～M划分为L₁区间、L₂区间及L₂区间，其中，L₁＝[0,T_n)、L₂＝[T_n,T_r)、L₃＝[T_r,M)，计算接收信号的强度值在L₁区间、L₂区间及L₂区间内的频数G_i及频率P_i＝G_i/N，其中，i＝1,2,3，设置定时器标志Flag₁＝0、Flag₂＝0；

3)在t时刻采集接收信号的强度值为V_t；

4)启动定时器，当V_t<T_n时，则表明目标卫星被完全遮挡，判断检测定时器是否到达定时时间，当定时器到达定时时间时，则返回步骤1)，否则，停止天线跟踪卫星，并保持当前波束指向不变，再返回步骤3)；当V_t≥T_n时，则转至步骤5)；

5)更新接收信号的强度值V，令V(n-1)更新为V(n)，其中n＝2,3,…,N，V(n)＝V_t，并更新P_i＝G_i/N；

6)设η为正常条件下接收的统计量P₃的下限，η>0.5，当P₃>η，且天线接收到的信号的强度发生突变时，则表明天线的载体进入遮挡区域，启动定时器，并使天线停止跟踪卫星，保持天线当前波束的指向，并返回步骤3)；当P₃>η时，当天线接收到的信号强度没有发生突变，则表明天线的载体没有进入或者走出阴影遮挡区域，此时当天线的载体没有进入阴影遮挡区域，则使天线继续跟踪卫星，当天线的载体走出阴影遮挡区域时，则重新启动天线跟踪卫星；

当P₃≤η时，则表明天线的载体处于阴影遮挡区域内，天线接收的信号强度不在正常状态，此时，当没有启动定时器，则启动进行定时器，并返回步骤3)；当定时器已经启动时，则计算定时器的启动时间，并根据定时器的启动时间判断定时器是否达到定时时间，当定时器达到定时时间时，则表明天线重新捕获到卫星，并返回步骤1)；当定时器没有达到定时时间时，则停止天线跟踪卫星，并保持天线的波束当前的指向，再返回步骤3)。

步骤2)中t＝(N+K)Δt，其中，Δt为信号强度的更新间隔。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的卫星移动通信的阴影遮挡检测方法在具体操作时，将传统的卫星移动通信中的链路状态划分为三种类型，即卫星被完全遮挡、天线没有进入阴影遮挡区域及天线走进阴影遮挡区域，从而更加符合实际工作情况，同时本发明通过定时器对接收信号的强度采用短时统计，消除以往将天线指向旋转360°耗时长的问题，提高阴影遮挡检测判断的速度，同时消除传统利用接收信号强度的梯度检测判断时带来的虚假判断以及检测判断过于敏感的问题，提高阴影遮挡检测判断的准确性。

附图说明

图1为本发明中卫星移动通信不受遮挡的示意图；

图2为本发明中卫星移动通信受大尺寸障碍物完全遮挡的示意图；

图3为本发明的原理图；

图4为本发明的流程图；

图5为实施例一中卫星信号接收的原理图；

图6为实施例一中无遮挡条件下接收的卫星信号强度变化图；

图7为实施例一中目标卫星受电线杆与天桥遮挡时的接收信号强度变化图；

图8为实施例一中目标卫星受树木阴影遮挡时的接收信号强度变化图；

图9为实施例一中卫星移动通信受大尺寸障碍物遮挡时算法判断的示意图；

图10为实施例一中卫星移动通信受树木阴影遮挡时算法判断的示意图；

图11为实施例一中卫星移动通信受树木阴影遮挡时算法判断的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的卫星移动通信的阴影遮挡检测方法包括以下步骤：

1)开机启动卫星移动通信系统，启动天线指向的稳定工作模式，搜索及捕获目标卫星，再启动跟踪过程，实现动中通波束与目标卫星的对准；

2)当无遮挡且动中通波束与目标卫星的对准时，采集N个接收信号的强度值V＝[V₁,V₂,…V_N]，并统计分析接收信号强度值的最大值M，再设置接收信号的强度门限值T_n及T_r，其中，T_n为完全遮挡条件下接收信号的强度的上限值，T_r为无阴影遮挡条件下接收信号的强度的下限值，将0～M划分为L₁区间、L₂区间及L₂区间，其中，L₁＝[0,T_n)、L₂＝[T_n,T_r)、L₃＝[T_r,M)，计算接收信号的强度值在L₁区间、L₂区间及L₂区间内的频数G_i及频率P_i＝G_i/N，其中，i＝1,2,3，设置定时器标志Flag₁＝0、Flag₂＝0；

3)在t时刻采集接收信号的强度值为V_t，t＝(N+K)Δt，其中，Δt为信号强度的更新频率；

4)启动定时器，当V_t<T_n时，则表明目标卫星被完全遮挡，判断检测定时器是否到达定时时间，当定时器到达定时时间时，则返回步骤1)，否则，停止天线跟踪卫星，并保持当前波束指向不变，再返回步骤3)；当V_t≥T_n时，则转至步骤5)；

5)更新接收信号的强度值V，令V(n-1)更新为V(n)，其中n＝2,3,…,N，V(n)＝V_t，并更新P_i＝G_i/N；

6)设η为正常条件下接收的统计量P₃的下限，η>0.5，当P₃>η，且天线接收到的信号的强度发生突变时，则表明天线的载体进入遮挡区域，启动定时器，并使天线停止跟踪卫星，保持天线当前波束的指向，并返回步骤3)；当P₃>η时，当天线接收到的信号强度没有发生突变，则表明天线的载体没有进入或者走出阴影遮挡区域，此时当天线的载体没有进入阴影遮挡区域，则使天线继续跟踪卫星，当天线的载体走出阴影遮挡区域时，则重新启动天线跟踪卫星；

当P₃≤η时，则表明天线的载体处于阴影遮挡区域内，天线接收的信号强度不在正常状态，此时，当没有启动定时器，则启动进行定时器，并返回步骤3)；当定时器已经启动时，则计算定时器的启动时间，并根据定时器的启动时间判断定时器是否达到定时时间，当定时器达到定时时间时，则表明天线重新捕获到卫星，并返回步骤1)；当定时器没有达到定时时间时，则停止天线跟踪卫星，并保持天线的波束当前的指向，再返回步骤3)。

需要说明的是

(1)载体在开阔区域，采集到的N个信号强度值大部分处在L₃区间范围内，G₃约等于N，程序主要在步骤3、步骤5、步骤6循环，卫星移动通信的稳定和跟踪过程均正常工作，记为状态3。

(2)目标卫星被完全遮挡，并且遮挡的时间T小于保持门限的时间T_threshold，程序主要在步骤3、步骤4循环，接收信号的强度基本为零，系统跟踪过程停止工作，记为状态2。

(3)载体进入树木阴影或短时遮挡区域，测控系统保持波束指向对准目标卫星，程序主要在步骤3、步骤5、步骤6循环，系统跟踪过程停止工作，记为状态1。

(4)载体处于完全遮挡区域并且持续时间T大于保持门限的时间T_threshold，程序将返回步骤1，对目标卫星进行再捕获，记为状态0。

实施例一

在西安地区(纬度34.16N，经度108.54E)使用0.6m反射面卫星动中通天线接收亚太3S卫星(经度105.5°E)，采用信标接收机监测接收信号强度变化，如附图5所示。

1、接收信号强度的特征分析

根据试验前测得的接收信号强度的变化情况，划分以下3个区间：L₁＝[0,0.5)、L₂＝[0.5,3)、L₃＝[3,+∞)。

(1)在开阔区域，动中通接收信号的强度(如附图6所示)主要在4.05±0.2V内抖动，信号强度大，变化小，此时，P₃＝1，P₁＝P₂＝0，所有信号强度都在L₃区间中；

(2)在有电线杆和天桥遮挡的公路上行驶，车辆行驶速度大于30km/h，动中通接收信号强度变化如附图7所示。

对t＝1～41s(途中有电线杆遮挡)的接收信号的强度值进行统计分析，可得P₁＝P₂＝0，P₃＝1，信号强度在各个区间的频数分布与天线在开阔区域时的频数分布基本相同，验证了载体快速行驶时电线杆等小尺寸障碍物遮挡对接收信号影响很小。

对t＝42～48s(天桥遮挡区域)的接收信号的强度值进行统计分析，可得P₁＝0.8361，P₂＝0.0164，P₃＝0.1475，表明受大尺寸障碍物遮挡时，接收信号强度值有80％以上处于L₁区间，即接收信号的强度基本为零，部分非零值则是在刚进入遮挡区域时得到。

车辆快速行驶过程中，电线杆导致的信号强度衰落很小，基本没有影响；而在经过天桥时，动中通的通信链路被完全阻断，导致接收信号的强度直接降低至零，发生了深度衰落。

(3)车辆经过树木阴影区域时接收信号强度变化如附图8所示。

对t＝65～115s(树木阴影下)的接收信号的强度值进行统计分析，可得P₁＝0.1158，P₂＝0.3533，P₃＝0.5309，和前两种情况相比较，树木阴影导致接收信号的强度的分布更为分散，接收信号的强度既含有深度衰落也带有轻度衰落。

2、判断阴影遮挡

卫星移动通信系统的工作状态分别用0、1、2、3四个数字表示：“状态0”为需要再捕获和跟踪；“状态1”为由于进入阴影区域停止跟踪过程、保持当前波束指向的状态；“状态2”为由于进入遮挡区域停止跟踪过程、保持当前波束指向的状态，“状态3”为正常通信状态。

(1)设定统计数据的长度N＝50，遮挡判断门限参数值η＝0.9，再捕获门限参数值delta＝12，为检验本发明的性能，设定定时器时长为T_threshold＝4s，对大尺寸障碍物遮挡的判断结果如附图9所示，本发明能够对载体进入或离开遮挡区域的时间准确判断，当遮挡时间超过设置的门限T_threshold时，系统状态由状态2(停止跟踪，保持指向)转变为状态0(需要再捕获)。

(2)设定统计数据的长度N＝50，阴影判断门限参数值η＝0.9，设定定时器时长为T_threshold＝20s，分别设置delta＝15和delta＝8，对树木阴影的判断结果如附图6、附图7所示。

由附图10、附图11可以看出，本发明能够准确判断载体进入阴影区域的时间，但对载体离开阴影的判断存在短时间的滞后，这种对载体离开阴影区域的判断的滞后是由delta引起的，且不可避免，若减小delta，树木阴影中的短暂间隔可能会造成算法的误判，如附图11中在t＝90～95s之间的状态改变；若增大delta，则会增大判断载体离开阴影区域的滞后时间，因此两者需要进行平衡，如果树木的间隔较大，可以通过增大delta，以减小误判的概率；如果树木的间隔较小，则可以通过减小delta来减小判断离开阴影区域的滞后时间。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。