一种知识与数据双驱动的低轨卫星频偏估计补偿方法

本发明属于低轨卫星无线通信，具体涉及一种知识与数据双驱动的低轨卫星频偏估计补偿方法。

背景技术：

1、在信息传输与交换过程中，高传输容量、高动态信道下的稳定收发等需求至关重要。在军事卫星通信场景中，常常面临高动态环境，卫星和地面站之间存在较大的相对径向运动。发射端相对于接收端会产生较大的频率偏移，当多普勒频移过大时，可能导致载波同步无法完成，经过一段时间的累积，信号相位可能发生偏转，从而引发解调误判。

2、现有的技术通过对卫星、移动终端以及星下轨迹的几何分析，又或是利用一种以链路距离变化率作为相对速度来计算多普勒频移，但是这些方法计算较为繁琐，而且只适用于圆形轨道卫星；其他的频率补偿方案大多基于时域和频域分析的方法：利用时域和频域分析技术，如自相关函数、相位锁定环路(pll)或快速傅里叶变换(fft)，对接收信号进行频偏估计和补偿。这些方法通常需要复杂的算法和计算过程，并且在高速移动环境或大频偏范围下可能存在精度限制。

3、现有技术中，卫星星历辅助的频偏估计方法可能因卫星轨道参数估计误差的影响，导致频偏补偿准确性降低，从而使初步估计的误差较大。这对于对频率补偿精度要求较高的应用场景而言，可能并不理想。

4、载波频偏估计算法过于复杂，复杂的算法通常需要更多的计算资源和处理能力。如果计算复杂度过高，可能会导致系统无法满足实时性要求，延迟增加，甚至无法跟踪到载波频率的变化。同时，复杂的算法通常需要更多的设计和调试工作，包括参数调优、性能验证等。这可能增加开发和测试的难度，并带来额外的工作量和时间成本。

5、对于一些高动态环境下的低轨卫星通信，实时性是一个重要的考虑因素。然而，一些现有技术在实时性方面存在挑战，无法及时跟踪和补偿频率偏移的变化，影响通信的可靠性和性能。

6、综上所述，现有技术在计算精度、复杂度、与实时性方面存在一定的限制。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种知识与数据双驱动的低轨卫星频偏估计补偿方法，利用卫星两行轨道根数(two-line elements，tle)数据，对卫星一段时间内的实时位置和速度进行计算，进而得到多普勒频偏的初步估计，进行粗补偿后，再利用改进的基于抛物线插值的pmf-fft的频偏精确估计技术，利用导频序列进行频偏精估计，实现载波频偏的精确补偿；该方法具有较高的实时性和准确性，且易于实现。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种知识与数据双驱动的低轨卫星频偏估计补偿方法，包括以下步骤；

4、步骤1，根据低轨卫星星历的tle数据报导，得到给定时间段内地心地固坐标系下卫星的速度和位置信息；

5、步骤2：获取导入地面坐标终端信息；

6、步骤3：将地面坐标终端信息进行坐标系转化，得到其地心地固坐标系下的位置坐标；

7、步骤4：在得到卫星的速度和位置信息以及地面位置坐标后，计算多普勒大小，进行初次预补偿，得到频偏估计记为fd1；

8、步骤5：对频偏估计进行pmf-fft计算，然后进行频率补偿进行修正；

9、步骤6：通过捕获时fft最高峰的位置检测估计出频偏的大小，并且通过分段减小相关峰值的损失，得到频率粗估计值fd2。

10、步骤7：对步骤5和步骤6的估计值修正，得到二次频率补偿值fd3；

11、步骤8：将步骤4得到的频偏估计视作第一次频率粗估值进行预补偿，将步骤7得到的频率精确估计值作为二次补偿值进行补偿，得到接收端最终的载波频率值，从而最终实现整个系统频率的校正。

12、所述步骤1具体为：

13、在星地系统刚开机时，首先导入预先下载好的卫星tle星历，读取卫星的tle两行报表数据；得到初始化的参数以及计算常量，并根据已知的参数计算卫星的平均运动、半长轴、周期，得到顺势轨道根数，对卫星在地心坐标系下每一时刻的速度和位置进行计算，卫星的位置矢量记为r1＝(rx,ry,rz)，速度矢量记为v1＝(vx,vy,vz)。

14、所述tle数据的第一行包含的信息有：卫星的编号、卫星类别、卫星发射个数、tle历时(包含年份后两位以及一年中的第几日和日中的小数部分)等等信息，第二行数据包括卫星编号、轨道的交角、升交点赤经、轨道偏心率、近地点辐角、平近点角、每天环绕地球天数的信息。

15、所述步骤2具体为：

16、以地面终端的参考位置，在一定的海拔高度设置地面终端，那么地面终端的经纬高坐标在lla坐标系下表示为l＝(lon，lat，alt)。

17、所述步骤3具体为：

18、将地面坐标进行坐标系转化，得到其地心地固坐标系下的位置坐标l1＝(lx,ly,lz)：转换公式如下：

19、

20、其中：

21、

22、其中e为偏心率，a为基准椭球体的长半径，b为基准椭球体的短半径，n为基准椭球体的曲率半径。

23、所述步骤4具体为：

24、已知在地心地固坐标系(earth-centered earth-fixed,ecef)下卫星位置矢量r1＝(rx,ry,rz)、速度矢量v1＝(vx,vy,vz)，以及地面的位置矢量l1＝(lx,ly,lz)，由以上条件得到二者的相对速度：

25、

26、最后根据多普勒频偏计算公式

27、其中fc为载频大小，c＝3×108m/s，得到多普勒频偏的大小，此时得到频偏估计记为fd1。

28、fdl＝fc/c*vr

29、所述步骤5具体为：

30、对频偏估计进行pmf-fft计算，在存在多普勒频偏的系统中，接收到的导频序列表示为：

31、

32、其中fd代表频偏大小，代表相偏大小，p(t)代表导频；

33、在高动态环境下，接收端接收到的信号会存在较大频偏，第i段长为l的部分匹配相关引入的频偏为2πfdilts，通过fft的方法进行频率估计，然后进行频率补偿进行修正：

34、

35、其中为频率补偿因子，k为fft的运算点数；

36、基于离散傅立叶变换，则基于fft的分段部分相关算法的归一化峰值表示为

37、

38、式子中n＝0,1,2,...,l-1；

39、当本地产生的伪码与接收信号中的伪码序列相位对齐时，相关的峰值就会出现，得到：

40、

41、所述步骤6具体为：

42、估计频偏为：

43、

44、其中，kmax为fft最大值的位置，rb为信息速率。

45、以上利用pmf-fft可以得到频率粗估计值fd2。

46、所述步骤7具体为：在步骤5和步骤6的基础上，首先建立一个二次多项式：y＝ax2+bx+c；a、b、c皆为系数，pmf-fft求出的实际峰值点为(kmax,fkmax)，两个点为fft变换之后峰值点左右两侧的次最大值点，(k,f)则为理论上幅值的最大点，实际的峰值位置分布在kmax-1和kmax+1之间，在kmax-1和kmax+1之间进行插值，加入一个修正系数，就能在两个点之间找到最佳的峰值点；

47、设最大值点坐标为(km,ym)，左右两侧的点为(kl,yl)(kr,yr)；

48、将这三点坐标带入抛物线线方程可得到：

49、

50、解上面的方程得到：

51、

52、对于开口向下抛物线，最大值在函数顶点的坐标处：

53、

54、因此得到修正系数

55、

56、因此，利用插值法改进后的多普勒频移估计值为：

57、

58、整理得到

59、

60、最终得到修正系数

61、

62、改进的多普勒频率估计为

63、

64、于是fd3可视作二次频率补偿值。

65、本发明的有益效果：

66、本发明结合了两种实时性和精确性较高的频偏估计手段，利用卫星两行轨道根数(two-line elements，tle)数据，对卫星一段时间内的实时位置和速度进行计算，进而得到多普勒频偏的初步估计，进行粗补偿后，再利用改进的基于抛物线插值的pmf-fft的频偏精确估计技术，对导频序列进行频偏精估计，实现载波频偏的精确补偿。适合卫星通信系统中所面临的高动态、大频偏环境应用。

67、本发明将卫星tle数据估计频偏与pmf-fft方法相结合，利用tle星历提供的初步频偏估计作为初次预补偿的值，再对前导序列利用pmf-fft方法进行更精确的频偏估计。这种整合可以提高频偏估计的准确性和可靠性。

68、本发明tle数据估计频偏是一种快速的方法，可以在接收到卫星信号后立即进行初步补偿。而pmf-fft方法虽然需要一定的计算时间，但可以在较短的时间内完成频偏估计，提供更准确的结果。关键点是在实时性和准确性之间找到平衡，以满足实际应用的需求。