用于高铁或飞机vsat宽带卫星通信的多普勒补偿方法

用于高铁或飞机vsat宽带卫星通信的多普勒补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于VSAT宽带卫星通信领域，特别是涉及一种用于高铁或飞机上的频分-时分多址(FD-TDMA)方式的VSAT宽带卫星通信的多普勒补偿方法。
【背景技术】
[0002] 相对于传统的单路单载波(SCPC)卫星通信，目前主流的VSAT宽带卫星通信多采用 频分-时分多址(FD-TDMA)方式，实现对卫星带宽的高复用性。时分多址(TDMA)通信方式对 于通信两端的时间同步具有极高的要求。
[0003] 近年来，VSAT宽带卫星通信已经广泛应用于移动通信领域，例如电视转播、应急通 信、防灾救灾等。这些应用主要是利用汽车作为载体，将动中通卫星天线安装在汽车顶部， 通过天线在汽车运动中自动调整角度，对准卫星，进行通信。根据国际电联的规定，常规的 时分多址(TDMA)通信方式可以适应时速在120千米以下(非高速）的情况，因此对于汽车动 中通卫星通信，采用常规的（非高速)VSAT宽带卫星通信就可以实现稳定通信。但是，当运输 工具的时速超过120千米(高速)时，采用常规的VSAT宽带卫星通信则会遇到一系列特殊的 技术难题。
[0004] 其中，在高速运动过程中保持卫星通信稳定，遇到的技术难题之一就是要克服多 普勒效应。当卫星通信终端高速运动时，其接收和发送的卫星信号的频率会发生畸变，称为 多普勒效应。多普勒效应会导致通信不稳定，甚至中断。因此对于时速超过120千米的移动 通信系统必须对多普勒效应进行动态补偿，才能保证通信正常。特别是当高速运动从二维 空间发展到三维空间（飞机）时，三维空间的高速运动（飞机）相比于二维空间的高速运动 (高铁)造成多普勒效应的成因更为复杂，多普勒效应对通信的影响也更为显著。
[0005] 目前，常用的对多普勒效应进行动态补偿的方法是采用硬件的方式，即利用频率 综合器和频率计数器测量实际发生的多普勒频率，对其进行补偿。但这种采用硬件的动态 补偿方法造价昂贵且稳定性较差。由于目前世界上主流的VSAT宽带卫星通信系统都不是为 了高速运动的环境设计的，因此如果将这种硬件多普勒动态补偿方法用于现有的VSAT宽带 卫星通信系统，需要对现有的VSAT宽带卫星通信系统的硬件进行大规模改造，而如果为了 高速运动的应用环境设计专用的VSAT宽带卫星通信系统，则需要投入巨大的研发成本和运 行成本。

【发明内容】

[0006] 本发明的目的在于，提供一种新的用于高铁或飞机VSAT宽带卫星通信的多普勒补 偿方法，所要解决的技术问题是采用模块化的设计思想，通过独立于VSAT宽带卫星通信终 端之外的服务器或嵌入式系统，配合GPS或北斗导航的数据，根据实时输入的高铁或飞机的 经度、炜度和高度三个数据进行多普勒频率的计算，并将计算得到的多普勒频率实时提供 给VSAT宽带卫星通信终端，由于是采用软件动态计算多普勒频率的外部多普勒补偿方法， 因此不需要对现有的非高速VSAT宽带卫星通信终端做任何硬件和软件的改动，就可以有效 利用现有的非高速VSAT宽带卫星通信系统实现高铁或飞机的宽带卫星通信，具有明显的经 济效益，且技术风险较低。
[0007] 本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出 的一种用于高铁或飞机VSAT宽带卫星通信的多普勒补偿方法，是将VSAT宽带卫星通信终端 与服务器或嵌入式系统连接，将GPS接收机或北斗接收机与服务器或者嵌入式系统连接，月艮 务器或嵌入式系统执行以下步骤：
[0008] 从GPS接收机或北斗接收机获取k时刻高铁或飞机的经度、炜度和高度数据；
[0009] 根据高铁或飞机的经度、炜度和高度数据计算高铁或飞机k时刻在地心坐标系的 坐标 Xak、YadPZak;
[0010] 计算通信卫星k时刻在地心坐标系的坐标Xsk、Ysk和Zsk;
[0011] 根据k时刻高铁或飞机在地心坐标系的坐标xak、Yak和Z ak和通信卫星在地心坐标系 的坐标Xsk、Ysk和Zsk计算k时刻高铁或飞机到通信卫星的矢径Rk;
[0012] 利用差分法，根据k时刻高铁或飞机到通信卫星的矢径Rk计算k时刻高铁或飞机相 对通信卫星的径向速度V;
[0013 ]通过式α -1)计算k时刻的多普勒频率Fd:
[0014] Fd=(V/C)Fo (1-1)
[0015]其中，C为光速，Fo为信号中心频率；以及
[0016]将k时刻的多普勒频率Fd输送至VSAT宽带卫星通信终端。
[0017] 本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
[0018] 前述的用于高铁或飞机VSAT宽带卫星通信的多普勒补偿方法，其中在从GPS接收 机或北斗接收机获取k时刻高铁或飞机的经度、炜度和高度数据后还包括：
[0019] 对从GPS接收机或北斗接收机获取的导航数据进行动力学分析及滤波，其中滤波 是采用截断式卡尔曼滤波的方法。
[0020] 前述的用于高铁或飞机VSAT宽带卫星通信的多普勒补偿方法，其中VSAT宽带卫星 通信终端将通过卫星信道实时接收的卫星通信主站传送来的动态频偏数据传送给服务器 或嵌入式系统，作为多普勒补偿的校准和效果评估。
[0021] 前述的用于高铁或飞机VSAT宽带卫星通信的多普勒补偿方法，其中采用GPS接收 机或北斗接收机数据中的时间戳作为计时工具。
[0022]前述的用于高铁或飞机VSAT宽带卫星通信的多普勒补偿方法，其中VSAT宽带卫星 通信终端是连接到服务器或者嵌入式系统的LAN端口，GPS接收机或北斗接收机是连接到服 务器或者嵌入式系统的串口。
[0023] -般计算多普勒频率的方法是首先计算飞机或高铁的速度，再将速度矢量投影到 卫星矢量方向获得飞机或高铁相对卫星的径向速度，然后根据此径向速度计算出多普勒频 率。这种计算多普勒频率的方法要用到飞机或高铁的速度，飞机的航向角，飞机或高铁对于 卫星的方位角，以及飞机对于卫星的俯仰角等参数。这些参数均为推导数据，当测量时间间 隔很小时，极易受到位置测量误差的污染，使角度、速度等数据不稳定，同时实际飞机飞行 和高铁运行数据也表明，角度数据和速度数据极易发生不合理的跳动。
[0024] 本发明的多普勒补偿方法利用高铁或飞机的经度、炜度、高度三个数据进行多普 勒频率的计算，避免了使用GPS的航向角、方位角、速度等不稳定数据，如图2所示，其数学模 型是:a)先利用GPS的经度、炜度和高度数据计算出飞机在地心坐标系的矢径再计算 通信卫星在地心坐标系的矢径,Ep)然后根据矢量$和$计算飞机到通信卫星的矢径 之后利用差分方法，根据矢径算出飞机相对通信卫星的径向速度V;e)最后再 根据径向速度V计算多普勒频移FD。
[0025]由于飞机和高铁对于设备体积和重量有严格的要求，因此要求负责计算多普勒频 率的服务器或嵌入式系统要小巧灵便，同时，高速运动对于多普勒频率的实时性有很高的 要求，这就要求多普勒频率的计算要使用简洁的数学模型，尽量避免三角函数运算，避免大 数据量存储。从本发明的上述数学模型可知:本发明的多普勒补偿方法将计算控制在有限 次数的三角函数运算和四则运算之内，使计算在毫秒级完成，因此可以适用于高速运动的 实时系统，并且对硬件要求较低。
[0026] 在时分多址(TDMA)通信方式中，卫星通信主站可以实时测量卫星通信终端发射频 率的偏移，这个频率偏移虽然包含多种频率分量，但是仍然可以作为多普勒补偿的一种标 校。因此本发明还将卫星通信主站实时测量的频偏数据通过卫星信道提供给VSAT宽带卫星 通信终端，对多普勒频率进行动态校准，作为对多普勒补偿的反馈、修正和补充。为此，本发 明在卫星通信主站内嵌入一个小巧的采集软件，动态采集每个VSAT宽带卫星通信终端的频 率偏移，以UDP方式通过卫星信道实时传送给VSAT宽带卫星通信终端，再由VSAT宽带卫星通 信终端传送给外接的服务器或嵌入式系统，从而根据卫星通信主站传送来的动态频率偏 移，可以评估多普勒补偿的效果。例如说，如果本发明计算得到多普勒频率从2000Hz变化到 3000Hz，而卫星通信主站检测到的频率偏移始终不变，则说明VSAT宽带卫星通信终端发生 异常，需要提示报警。由于这一功能是在外接的服务器或嵌入式系统内部完成，因此无需对 VSAT宽带卫星通信终端进行更改。
[0027] 由于本发明的方法对计时系统有较高的要求，为了降低成本，避免使用昂贵的硬 件计时系统，本发明巧妙地采用GPS接收机或北斗接收机数据中的时间戳作为计时工具，这 种设计既可以保证计时精度，又避免了额外的硬件开支。
[0028] 本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明 用于高铁或飞机VSAT宽带卫星通信的多普勒补偿方法至少具有下列优点及有益效果:本发 明采用模块化的设计思想，通过独立于VSAT宽带卫星通信终端之外的服务器或者嵌入式系 统，配合GPS或者北斗导航的数据，根据实时输入的高铁或飞机的经度、炜度和高度三个数 据进行多普勒频率的计算，并将多普勒频率实时提供给VSAT宽带卫星通信终端，由于是采 用软件动态计算多普勒频率的外部多普勒补偿方法，因此不需要对现有的非高速VSAT宽带 卫星通信终端做任何硬件和软件的改动，就可以有效利用现有的非高速VSAT宽带卫星通信 系统实现高铁或飞机宽带卫星通信，具有明显的经济效益，且技术风险较低。
[0029] 上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段， 而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够 更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
【附图说明】
[0030] 图1是本发明一种用于高铁或飞机VSAT宽带卫星通信的多普勒补偿方法的步骤流 程图。
[0031]图2是本发明一较佳实施例的飞机和卫星在WGS-84地心坐标系的示意图。
[0032]图3是本发明实验一显示其全部实验数据的示意图。
【具体实施方式】
[0033]为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合 附图及较佳实施例，对依据本发明提出的用于高铁或飞机VSAT宽带卫星通信的多普勒补偿 方法其【具体实施方式】、方法、步骤、特征及其功效，详细说明如后。
[0034]本发明是利用独立于VSAT宽带卫星通信终端外部的服务器或嵌入式系统，分别与 VSAT宽带卫星通信终端和GPS接收机或北斗接收机连接，由服务器或嵌入式系统运行软件， 根据GPS或北斗导航的数据实时计算高铁或飞机VSAT宽带卫星通信产生的多普勒频率，并 将多普勒频率实时提供给VSAT宽带卫星通信终端，对多普勒效应进行动态补偿，从而使得 现