一种星地快速建立通信链接的方法和系统与流程

本发明涉及一种星地快速建立通信链接的方法和系统，属于卫星通信。

背景技术：

1、目前有一些低轨卫星和通信终端之间采用周期长达数天的长码进行通信，在低轨长码信号的多普勒、码相位未知的前提下，低轨卫星和通信终端很难建立连接。然而，低轨长码信号的码相位需要计算两者之间的传播延迟，目前计算传播时延的方式需要已知低轨卫星系统时间，再结合低轨卫星星历和终端位置，即可计算传播时延；另外，多普勒补偿需要已知通信终端钟漂。，目前可以获取低轨导航系统时间和钟漂的常用手段可以采用接收卫星导航信号并定位的方式获取，该方式需要通信终端具备接收卫星导航信号并定位的能力，获取后将卫星导航系统时间转换为低轨卫星系统时间；或者通信终端具备被授时和守时能力，但还是无法获取通信终端钟漂。这导致通信终端设计较为复杂，需额外具备导航定位能力。

技术实现思路

1、本发明的技术解决问题是：克服现有技术不足，提供了一种星地快速建立通信链接的方法和系统,对低轨长码信号的简单补偿，无需导航授时也无需提供终端钟漂，就可以使低轨卫星和通信终端快速建立连接。

2、本发明的技术解决方案是：一种星地快速建立通信链接的方法，应用于通信终端，所述方法包括如下步骤：

3、s1-1、接收低轨卫星发送的广播下行信号，所述广播下行信号中调制控制数据帧，控制数据帧的帧头起始时刻与低轨卫星整秒时刻对齐，控制数据帧中包括当前帧头对应整秒时间、控制信息、低轨卫星星历，控制信息包括通信终端的通信上行信号和通信下行信号所使用的伪随机码初相信息；

4、s1-2、实时跟踪低轨卫星广播下行信号，当通信终端收到伪随机码初相信息开始通信时，记录控制数据帧中帧头起始时刻对应的低轨卫星整秒时间t1，并恢复出当前控制数据帧帧头接收时刻对应的秒脉冲信号；

5、s1-3、根据低轨卫星星历，计算低轨卫星下一整秒时刻t2所对应的低轨卫星与通信终端之间的信号传播延迟τ；

6、s1-4、以步骤s1-2恢复出的当前控制数据帧帧头接收时刻对应的秒脉冲信号为基准，延迟一段时间，得到通信上行信号发射时刻t3；

7、s1-5、记录通信上行信号发射时刻t3对应的广播下行信号跟踪多普勒ftrack，并换算成通信上行信号的多普勒fdop；

8、s1-6、按照从控制数据帧中所包含的控制信息，配置通信上行信号所使用的伪随机码及其初相信息，按照步骤s1-5计算的通信上行信号的多普勒fdop调制通信上行信号的载波，在通信上行信号发射时刻t3开始向低轨卫星发送通信上行信号，使得通信上行信号到达低轨卫星时，正好为低轨卫星下一整秒时刻，且运动多普勒为零，便于低轨卫星按照约定的伪随机码及其初相信息，在低轨卫星下一整秒时刻快速捕获并跟踪通信上行信号；

9、s1-7、按照伪随机码及其初相信息，接收低轨卫星发送的通信下行信号，与低轨卫星快速建立通信链接。

10、本发明提供的另一个技术方案是：一种星地快速建立通信链接的方法，应用于低轨卫星，所述方法包括如下步骤：

11、s2-1、向通信终端发送广播下行信号，所述广播下行信号中调制控制数据帧，控制数据帧的帧头起始时刻与低轨卫星整秒时刻对齐，控制数据帧中包括当前帧头对应整秒时间、控制信息、低轨卫星星历，控制信息包括低轨卫星与通信终端通信时上行信号和下行信号所使用的伪随机码初相信息；

12、s2-2、按照约定的伪随机码及其初相信息，在低轨卫星下一整秒时刻捕获并跟踪通信上行信号，与通信终端快速建立连接；

13、所述通信上行信号正好在低轨卫星下一整秒时刻到达低轨卫星，且通信上行信号到达低轨卫星时，运动多普勒为零；

14、s2-3、按照约定的伪随机码及其初相信息，发送通信下行信号，与通信终端快速建立通信链接。

15、优选地，所述通信上行信号由通信终端通过如下方法得到：

16、s2-2-1、跟踪低轨卫星广播下行信号，获取控制数据帧中帧头起始时刻对应的低轨卫星整秒时间t1，并恢复出当前控制数据帧帧头接收时刻对应的秒脉冲信号；

17、s2-2-2、根据低轨卫星星历，计算低轨卫星下一整秒时刻t2所对应的低轨卫星与通信终端之间的信号传播延迟τ；

18、s2-2-3、以步骤s2-2-1恢复出的当前控制数据帧帧头接收时刻对应的秒脉冲信号为基准，延迟一段时间，得到通信上行信号发射时刻t3，使得通信上行信号到达低轨卫星时，为低轨卫星下一整秒时刻；

19、s2-2-4、记录通信上行信号发射时刻t3的广播下行信号跟踪多普勒ftrack，并换算成通信上行信号的多普勒fdop，使得通信上行信号到达低轨卫星时，运动多普勒为零；

20、s2-2-5、按照从控制数据帧中所包含的控制信息配置通信上行信号所使用的伪随机码初相信息，按照步骤s2-2-4计算的通信上行信号的多普勒fdop调制通信上行信号的载波，在通信上行信号发射时刻t3开始向低轨卫星发送通信上行信号。

21、优选地，所述低轨卫星下一整秒时刻t2为：

22、t2＝t1+1。

23、优选地，所述低轨卫星下一整秒时刻t2所对应的低轨卫星与通信终端之间的信号传播延迟τ通过如下方法计算得到：

24、

25、其中，(xs,ys,zs)为低轨卫星下一整秒时刻t2对应的卫星位置，

26、(xu,yu,zu)为低轨卫星下一整秒时刻t2对应的通信终端位置。

27、优选地，所述通信上行信号的发射时刻t3所对应的低轨卫星时间为t1+1-τ，其中，τ为下一整秒时刻的时延。

28、优选地，通信终端采用原子钟。

29、优选地，所述通信上行信号多普勒fdop为：

30、fdop＝-k×ftrack

31、其中，k为通信上行信号载波标称频率/广播下行信号载波标称频率；ftrack为通信上行信号发射时刻对应的广播下行信号跟踪多普勒。

32、优选地，所述广播下行信号采用扩频bpsk调制。

33、优选地，广播下行信号伪码为gold码。

34、本发明的有一个技术方案是：一种星地快速建立通信链接的系统，该系统包括低轨卫星和通信终端；

35、低轨卫星，向通信终端发送广播下行信号，所述广播下行信号中调制控制数据帧，控制数据帧的帧头起始时刻与低轨卫星整秒时刻对齐，控制数据帧中包括当前帧头对应整秒时间、控制信息、低轨卫星星历，控制信息包括低轨卫星与通信终端通信时上行信号和下行信号所使用的伪随机码初相信息；按照约定的伪随机码及其初相信息，在低轨卫星系统时间下一整秒时刻快速捕获并跟踪通信上行信号；

36、通信终端，接收低轨卫星发送的广播下行信号，实时跟踪低轨卫星广播下行信号，当通信终端收到伪随机码初相信息开始通信时，记录控制数据帧中帧头起始时刻对应的低轨卫星整秒时间t1，并恢复出当前控制数据帧帧头接收时刻对应的秒脉冲信号；根据低轨卫星星历，计算低轨卫星下一整秒时刻t2所对应的低轨卫星与通信终端之间的信号传播延迟τ；以恢复出的当前控制数据帧帧头接收时刻对应的秒脉冲信号为基准，延迟一段时间，得到通信上行信号发射时刻t3；记录通信上行信号发射时刻t3对应的广播下行信号跟踪多普勒ftrack，并换算成通信上行信号的多普勒fdop；按照从控制数据帧中所包含的控制信息，配置通信上行信号所使用的伪随机码及其初相信息，按照计算的通信上行信号的多普勒fdop调制通信上行信号的载波，在通信上行信号发射时刻t3开始向低轨卫星发送通信上行信号，使得通信上行信号到达低轨卫星时，为低轨卫星下一整秒时刻，且运动多普勒为零；按照伪随机码及其初相信息，接收低轨卫星发送的通信下行信号，与低轨卫星快速建立通信链接。

37、所述一段时间为1-2τ。

38、本发明与现有技术相比的有益效果是：

39、(1)、本方法获取当前卫星导航系统时间方式简单。通过本发明所提供的方法可以利用从已接收下行信号获取当前帧头时刻的低轨卫星系统时间，计算低轨卫星系统的下一整秒发射时刻，该时刻误差仅为低轨卫星的传播时延，对于低轨卫星动态要求的多普勒和码相位精度，完全满足其授时精度。

40、(2)、本发明无需获取通信终端钟漂，计算多普勒方式简单。由于通信终端采用原子钟，载荷和通信终端的钟漂误差小于上行信号多普勒的补偿精度要求，可以忽略，仅需通过下行信号跟踪获取的多普勒即可计算补偿多普勒。