一种利用快速搜星和星上频偏处理的VDES通信方法与流程

一种利用快速搜星和星上频偏处理的vdes通信方法
技术领域
1.本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种利用快速搜星和星上频偏处理的vdes通信方法。


背景技术：

2.随着海上运输业的繁荣，海事通信的需求也越来越大，原有的船舶自动识别系统(automatic identification system，ais)会出现拥塞，且不能满足多元化信息传输的需求，因此国际航标协会(international association of lighthouse authorities，iala)提出了甚高频数据交换系统(vhf data exchange system，vdes)。vdes是海陆空三位一体的全球性的数据交换系统，其空中部分是由高轨道卫星和低轨道卫星组成的空中网络，其中高轨道卫星是指地球同步卫星，vdes利用地球同步卫星来辅助定位和导航，利用低轨道卫星来快速的传输数据。
3.vdes用低轨道卫星传输数据时，低轨道卫星一般作为中继，为船舶转发数据，例如船舶发送的数据经低轨道卫星转发到地面接收站或其它船舶。船舶发送数据之前需要先搜索最佳接入低轨道卫星进行上行接入，《iala g1139》建议书和已有文献采用的均是传统的全方位、全仰角的低轨道卫星搜索方法，从而寻找最佳接入低轨道卫星，这种搜星方式既消耗船舶终端的通信和计算资源，且搜索时间长、接入慢，接入慢又会带来数据传输的时延长，不能满足实时性数据传输的需求。因此如何设计船舶的快速搜星方法，来减少通信的接入时延、保障数据传输的实时性是当前需要解决的关键问题。
4.此外，低轨道卫星相对于地面的运动速度较大，因此船舶与低轨道卫星之间、低轨道卫星与地面接收站之间的多普勒频移均较大，通信过程中需要进行频偏的估计和纠正。已有文献如“vdes中qpsk信号同步参数估计研究”(作者史珂，天津理工大学硕士学位论文，2019年03月)和“vdes中频偏估计与相位跟踪算法研究”(作者范家辉，电子测量技术，第43卷23期，2020年12月，51
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56页)给出了一些传统的频偏估计方法，例如fitz算法、l&r算法和m&m算法，并指出这些方法可用于vdes系统，然而这些频偏估计方法均是针对低轨道卫星到船舶、或者低轨道卫星到地面接收站这样的下行链路进行的频偏估计和纠正。针对完整的船舶
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卫星
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地面接收站的链路，仅在地面接收站上使用这些传统的频偏估计方法是不合适的，其主要原因是完整的链路包含了上行和下行两条链路，频率偏移是上行频移和下行频移的叠加，易超出传统频偏估计方法的估计范围，因此使用这些传统的频偏估计方法容易导致频偏估计失败、接受信号不准确、通信质量下降等问题。虽然在传统方法中，低轨道卫星只是用作转发中继，然而目前多数低轨道卫星均配备了越来越多的先进设备，例如改进后的电源、强大的芯片和电路板等，具有较强的星上处理能力。而已有的文献和研究都没有考虑通过中继低轨道卫星上的星上处理来减少通信中频偏估计失败的可能和降低频偏估计误差。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种利用快速搜星和星上频偏处理的vdes通信方法，该方法可以实现船舶的快速搜星，并且通过中继低轨道卫星上的星上频偏处理来减少频偏估计失败的可能、降低频偏估计误差。
6.本发明解决上述技术问题的方案是：
7.一种利用快速搜星和星上频偏处理的vdes通信方法，该方法包括以下步骤：
8.步骤一：地球同步卫星收集相关数据
9.设低轨道卫星的数量为m，船舶的数量为n；如果所述的n艘船舶中的船舶i需要发送数据到地面接收站，则船舶i需要借助低轨道卫星来转发数据到地面接收站，其中i∈{1，2，
…
，n}；所述的船舶i需要首先将自己的位置、航行方向、航行速度和服务要求信息发送给高轨道卫星，即地球同步卫星；所有低轨道卫星需要周期性的向所述的地球同步卫星报告自己的运行轨道、运行速度、当前位置；地球同步卫星记录并保存这些信息；
10.步骤二：地球同步卫星计算出船舶i的最佳接入低轨道卫星j
*
11.根据收集到的数据，地球同步卫星计算出船舶i的最佳接入低轨道卫星j
*
、接入方向、接入仰角，以及船舶i到所述的卫星j
*
的多普勒频移，并将这些计算结果发送给船舶i和卫星j
*
，具体过程为：
12.根据收集到的数据，地球同步卫星计算船舶i到所有低轨道卫星的多普勒频移，计算公式为其中为船舶i到低轨道卫星j的多普勒频移，j∈{1，2，
…
，m}，λ
i
为船舶i的发送电磁波波长，v
ij
是船舶i与低轨道卫星j的相对运动速度，θ
ij
表示船舶i与低轨道卫星j的连线与船舶i的运动方向的夹角；
13.根据船舶i到所有低轨道卫星的多普勒频移，找到卫星j
*
，并根据卫星j
*
和船舶i的位置得到船舶i相对于卫星j
*
的接入方向和接入仰角其中且j
*
∈{1，2，
…
，m}，即船舶i到卫星j
*
的多普勒频移为
14.地球同步卫星将计算得到的船舶i的最佳接入低轨道卫星j
*
、接入方向、接入仰角，以及船舶i到卫星j
*
的多普勒频移分别发送给船舶i和卫星j
*
；
15.步骤三：船舶i直接搜索并接入卫星j
*
16.船舶i接收地球同步卫星发送的计算结果，根据计算结果中的接入方向、接入仰角，直接搜索并接入卫星j
*
；
17.步骤四：船舶i向卫星j
*
发送数据，卫星j
*
对接收到的数据进行星上频偏处理并转发给地面接收站
18.船舶i向卫星j
*
发送数据，卫星j
*
对接收到的数据进行星上频偏处理，所述的星上频偏处理的具体过程为：
19.依次进行根据的频偏预纠正、匹配滤波和码元同步，然后利用现有的频偏估计方法，例如fitz算法、l&r算法或m&m算法进行频偏估计和频偏再纠正；卫星j
*
将频偏处理后的信号利用放大转发的方式，转发给地面接收站；
20.步骤五：地面接收站对收到的数据进行频偏处理和判决
21.地面接收站对收到的数据利用现有的频偏估计方法进行下行链路的频偏估计和纠正，然后再对处理后的数据进行判决还原即可。
22.本发明公开了一种利用快速搜星和星上频偏处理的vdes通信方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：
23.1、通过低轨道卫星与地球同步卫星的结合，利用地球同步卫星来辅助进行低轨道卫星的搜索和接入。即首先在地球同步卫星上计算船舶的最佳接入低轨道卫星、接入方向、接入仰角等，然后将这些结果发送给船舶，船舶直接按照接入方向、接入仰角来搜索和接入最佳接入低轨道卫星。与现有的船舶全方位、全仰角搜索低轨道卫星的方法相比，可以实现快速搜星，减少了通信的接入时延，保障了数据传输的实时性。
24.2、通过中继低轨道卫星的星上处理来估计和纠正上行链路的频偏，也即是在中继低轨道卫星上先进行上行链路的频偏估计和纠正，然后再转发。因此最终地面接收端的多普勒频移主要是由下行链路产生的，上行链路的多普勒频移已经在中继低轨道卫星处纠正过了，地面接收端只需负责下行链路的频偏估计和纠正即可。这样就将完整的链路划分为上、下行两段，分别对上行和下行链路的频偏进行估计和纠正。与现有的只在地面接收站上进行频偏估计和纠正的方法相比，所述的星上频偏处理可以减少最终频偏估计失败的可能，降低频偏估计误差，提高地面接收端接收信号的准确性。
附图说明
25.图1为本发明所公开的一种利用快速搜星和星上频偏处理的vdes通信方法的总体流程框图；
26.图2为本发明所公开的一种利用快速搜星和星上频偏处理的vdes通信方法的系统模型示意图；
27.图3为本发明所公开的一种利用快速搜星和星上频偏处理的vdes通信方法中的星上频偏处理流程框图；
28.图4为本发明所公开的一种利用快速搜星和星上频偏处理的vdes通信方法中的频偏估计均方误差的仿真结果图；
具体实施方式
29.下面结合附图对本发明作进一步解说。
30.实施例1
31.如图1所示，本发明所公开的一种利用快速搜星和星上频偏处理的vdes通信方法，包括以下步骤：
32.步骤一：地球同步卫星收集相关数据
33.设低轨道卫星的数量为m，船舶的数量为n；如图2所示，如果所述的n艘船舶中的船舶i需要发送数据到地面接收站，则船舶i需要借助低轨道卫星来转发数据到地面接收站，其中i∈{1，2，
…
，n}；所述的船舶i需要首先将自己的位置、航行方向、航行速度和服务要求信息发送给高轨道卫星，即地球同步卫星；所有低轨道卫星需要周期性的向所述的地球同步卫星报告自己的运行轨道、运行速度、当前位置；地球同步卫星记录并保存这些信息；
34.步骤二：地球同步卫星计算出船舶i的最佳接入低轨道卫星j
*
35.根据收集到的数据，地球同步卫星计算出船舶i的最佳接入低轨道卫星j
*
、接入方向、接入仰角，以及船舶i到所述的卫星j
*
的多普勒频移，并将这些计算结果发送给船舶i和卫星j
*
，具体过程为：
36.根据收集到的数据，地球同步卫星计算船舶i到所有低轨道卫星的多普勒频移，计算公式为其中为船舶i到低轨道卫星j的多普勒频移，j∈{1，2，
…
，m}，λ
i
为船舶i的发送电磁波波长，v
ij
是船舶i与低轨道卫星j的相对运动速度，θ
ij
表示船舶i与低轨道卫星j的连线与船舶i的运动方向的夹角；
37.根据船舶i到所有低轨道卫星的多普勒频移，找到卫星j
*
，并根据卫星j
*
和船舶i的位置得到船舶i相对于卫星j
*
的接入方向和接入仰角其中且j
*
∈{1，2，
…
，m}，即船舶i到卫星j
*
的多普勒频移为
38.地球同步卫星将计算得到的船舶i的最佳接入低轨道卫星j
*
、接入方向、接入仰角，以及船舶i到卫星j
*
的多普勒频移分别发送给船舶i和卫星j
*
；
39.步骤三：船舶i直接搜索并接入卫星j
*
40.船舶i接收地球同步卫星发送的计算结果，根据计算结果中的接入方向、接入仰角，直接搜索并接入卫星j
*
；
41.步骤四：船舶i向卫星j
*
发送数据，卫星j
*
对接收到的数据进行星上频偏处理并转发给地面接收站
42.船舶i向卫星j
*
发送数据，卫星j
*
对接收到的数据进行星上频偏处理，所述的星上频偏处理的流程图如图3所示，具体过程为：
43.依次进行根据的频偏预纠正、匹配滤波和码元同步，然后利用现有的频偏估计方法，例如fitz算法、l&r算法或m&m算法进行频偏估计和频偏再纠正；卫星j
*
将频偏处理后的信号利用放大转发的方式，转发给地面接收站；
44.步骤五：地面接收站对收到的数据进行频偏处理和判决
45.地面接收站对收到的数据利用现有的频偏估计方法进行下行链路的频偏估计和纠正，然后再对处理后的数据进行判决还原即可。
46.实施例2(实验例)
47.根据本发明所公开的一种利用快速搜星和星上频偏处理的通信方法，进行仿真实验，对加了星上频偏处理的频偏估计与传统的频偏估计进行比较，以说明本发明方法的可行性和有效性。
48.仿真时信道设为awgn信道，qpsk调制，低轨道卫星的轨道高度为600km，训练序列长度为48bit，码元持续时间为秒，为了比较加了星上频偏处理的频偏估计与传统的频偏估计，设上行和下行的总频偏为500hz，信息传输速率为9600bit/s。
49.仿真结果如图4所示，其中“传统l&r算法”是指没有加星上频偏处理、只在地面接收站进行l&r频偏估计的方法；“星上频偏处理+l&r算法”是指本发明所公开的加了星上频偏处理的频偏估计方法，其流程中涉及到的已有频偏估计均采用传统的l&r算法；“克拉美
罗界”是频偏估计的下边界。已有频偏估计采用传统的fitz算法、m&m算法时，与采用l&r算法有类似的结果，所以没有在仿真结果中赘述。
50.图4中横坐标为信噪比，纵坐标为完整链路的频偏估计均方误差。图4中可以看出，随着信噪比的增加，“传统l&r算法”和“星上频偏处理+l&r算法”的频偏估计均方误差都在减少。本发明所公开的“星上频偏处理+l&r算法”更接近“克拉美罗界”，且明显优于“传统l&r算法”。这是由于通过星上频偏处理，上行链路的多普勒频移已经在中继低轨道卫星处纠正过了，地面接收站只需负责下行链路的频偏估计和纠正，这样将完整的链路划分为上、下行两段，分别对上行和下行的频偏进行估计和处理，可以减小整条链路的频偏估计误差，从而提高接收信号的准确性。而且分为两段处理，每一段的频偏值较小，不会超出传统频偏估计方法的估计范围，因此可以降低频偏估计失败的可能。
51.综上所述，本发明公开了一种利用快速搜星和星上频偏处理的vdes通信方法，与现有的全方位、全仰角搜星方法相比，可以实现船舶的快速搜星，减少接入时延，保障了数据传输的实时性；与现有的只在地面接收站上进行频偏估计和纠正的方法相比，增加了中继低轨道卫星的星上频偏估计和纠正，可以减少地面接收站最终频偏估计失败的可能，降低频偏估计误差。