一種時間同步方法、通信地面站和用戶終端的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于小傾角同步軌道衛(wèi)星通信系統的時間同步方法及裝置。本方案所述時間同步裝置包括通信地面站和用戶終端，通過對收發(fā)信號進行多普勒頻率補償、全網的時間同步和發(fā)射信號的頻率預偏。本方案基于終端補償自己與SIGSO衛(wèi)星之間的路徑變化和信號多普勒頻偏；通信地面站測量并補償通信地面站與衛(wèi)星之間的路徑時延、多普勒頻偏以及衛(wèi)星轉發(fā)器時鐘漂移；通信地面站和用戶終端的發(fā)射機通過時間同步和發(fā)射頻率預偏保證信號到達通信地面站或終端時間正好是系統分配通信時隙的開始，可以大大提高通信信號的捕獲速度，進而提高通信系統的系統容量，降低單位通信成本。
【專利說明】
-種時間同步方法、通信地面站和用戶終端
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及衛(wèi)星通訊技術，特別是設及一種基于小傾角同步軌道衛(wèi)星通信系統的 時間同步方法、通信地面站和用戶終端。
【背景技術】
[0002] 隨著衛(wèi)星通信技術的發(fā)展，同步軌道衛(wèi)星資源和軌道資源都越來越緊缺，同時，發(fā) 射一顆同步軌道衛(wèi)星的成本非常高，因此最大限度地提高空間衛(wèi)星的利用率，延長衛(wèi)星的 在軌壽命成為衛(wèi)星通信應用的研究熱點。
[0003] 2002年，中國科學院艾國祥院±領銜發(fā)明了基于通信衛(wèi)星的導航系統（專利申請 號:CN200410046064.1，發(fā)明名稱:轉發(fā)器衛(wèi)星通信導航定位系統，發(fā)明人:艾國祥等，2009 年7月29日獲得授權）。該項發(fā)明采用通信衛(wèi)星轉發(fā)導航信號，開創(chuàng)了全頻導航通信的一個 新開端。轉發(fā)器衛(wèi)星通信導航定位系統對壽命末期的GE0通信衛(wèi)星采用傾軌操作，即只保持 衛(wèi)星的經度方向軌道位置，締度方向任其漂移，在日月地球引力的攝動作用下，GE0通信衛(wèi) 星漂移成為小傾角的傾斜地球同步軌道（Sli曲tly Inclined Geosynchronous Orbit,縮 寫為SIGSO)通信衛(wèi)星，（專利號:CN200610055909.2,發(fā)明名稱：用退役衛(wèi)星改作小傾角同步 導航衛(wèi)星的方法，發(fā)明人:施稱立等，2009年6月3日獲得授權）。
[0004] 轉發(fā)式衛(wèi)星導航系統使用的同步通信衛(wèi)星包括租用的在軌運行的GE0通信衛(wèi)星和 整星購買SIGS0通信衛(wèi)星。SIGS0衛(wèi)星一般不再適用于傳統的衛(wèi)星通信，通常為整星購買， SIGS0衛(wèi)星上的轉發(fā)器除數個用作衛(wèi)星導航信號轉發(fā)和測定軌外，上面富余的衛(wèi)星轉發(fā)器， 還可W實現衛(wèi)星通信應用。
[0005] 由于SIGS0衛(wèi)星經度方向的位置保持與調整耗費的燃料遠遠小于締度方向位置的 保持與調整，締度方向不做位置調整后，可W大大降低衛(wèi)星燃料消耗，一般作為GE0衛(wèi)星正 常使用半年耗費的燃料可供SIGS0衛(wèi)星工作5年W上，運樣就大大降低轉發(fā)式衛(wèi)星定位系統 的衛(wèi)星使用費用。
[0006] 從定位導航的角度看，利用GE0衛(wèi)星漂移為小傾角的傾斜同步軌道衛(wèi)星可W改善 導航定位的幾何精度因子(GD0P)，從而可W提高系統的導航定位精度。但小傾角的同步軌 道衛(wèi)星在進行衛(wèi)星通信應用服務時必須考慮衛(wèi)星運動對信號造成的影響，首先，衛(wèi)星的運 動會在通信信號中引入多普勒頻移，使捕獲時間加長;其次，衛(wèi)星的運動使衛(wèi)星與用戶之間 的距離發(fā)生周期變化，影響TDMA時隙的精度，對于大量用戶通信時，容易發(fā)生通信數據的碰 撞，降低通信的效率。鑒于此，目前還沒有小傾角的同步軌道衛(wèi)星通信系統的規(guī)模應用。
【發(fā)明內容】
[0007] 本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種基于小傾角同步軌道衛(wèi)星通信系統的時間 同步方法、通信地面站和用戶終端，W解決小傾角同步軌道衛(wèi)星南北運動漂移對信號的影 響，基于轉發(fā)式衛(wèi)星導航通信系統的小傾角同步軌道衛(wèi)星，實現高精度的系統時間同步。 [000引為解決上述技術問題，本發(fā)明采用下述技術方案：
[0009] 1、一種時間同步方法，其特征在于，該方法的步驟包括
[0010] S1、實時測量并存儲通信地面站與小傾角同步軌道衛(wèi)星之間的通信信號的多普勒 頻移和?目號時延；
[0011] S2、基于所述通信信號的多普勒頻移和信號時延，計算頻率控制字，并對通信地面 站發(fā)射信號的頻率偏值進行修正；
[0012] S3、用戶終端根據實時接收到的小傾角同步軌道衛(wèi)星廣播的衛(wèi)星星歷和信號多普 勒頻移，實時計算用戶、衛(wèi)星和通信地面站中間的距離；
[0013] S4、基于實時計算用戶、衛(wèi)星和通信地面站中間的距離，對用戶終端的信號發(fā)射頻 率和發(fā)射時間進行修正和控制，并將自身的位置坐標發(fā)送至通信地面站；
[0014] S5、通信地面站存儲網內每個用戶終端的位置坐標，并根據每個用戶終端的通信 請求，為其分配通信時隙，并控制出局信號發(fā)射時間。
[0015] 2、根據權利要求1所述的時間同步方法，其特征在于，所述通信地面站與衛(wèi)星之間 時延的計算步驟包括
[0016] 根據在地屯、地固坐標系下，通信地面站的Ξ維坐標(Xc，yc，Zc)和小傾角同步軌道 衛(wèi)星的Ξ維坐標(Xs，ys，Zs)，求得通信地面站與小傾角同步軌道衛(wèi)星的距離Ls:
[0017]
[0018] 根據通信地面站與小傾角同步軌道衛(wèi)星的距離Ls，計算通信地面站與小傾角同步 21 軌道衛(wèi)星的時延：Δ? = ^ + Γ、, + Γ。。，其中，c為光速，τs為衛(wèi)星的轉發(fā)器時延，τsys為通信地 C ' , 面站收發(fā)系統時延。
[0019] 3、根據權利要求1所述的時間同步方法，其特征在于，所述通信地面站通信信號的 多普勒頻移求解與補償的步驟包括：
[0020] 利用北斗導航系統和轉發(fā)式衛(wèi)星導航系統接收機進行自定位；
[0021] 根據衛(wèi)星星歷計算出通信地面站和衛(wèi)星之間的距離，捕獲跟蹤該衛(wèi)星，并獲取衛(wèi) 星的偽距和偽距變化率，W及地面站和衛(wèi)星之間距離的變化率；
[0022] 利用衛(wèi)星的位置、速度和時間信息計算載波頻偏和星鐘偏差，計算頻率控制字：
用來修正地面站通信信號的多普勒頻移，其中，fsys為系統 時鐘，N為寄存器長度，Δ f為頻偏值。
[0023] 4、根據權利要求1所述的時間同步方法，其特征在于，所述步驟S2中保證到達接收 點的通信地面站下行信號多普勒頻移接近于0。
[0024] 5、根據權利要求1所述的時間同步方法，其特征在于，所述用戶終端與衛(wèi)星之間距 離的計算步驟包括
[0025] 根據用戶終端的Ξ維坐標(Xu, yu，Zu)，求得用戶終端與小傾角同步軌道衛(wèi)星的距 罔 Lus ;
[0026] 基于用戶終端與小傾角同步軌道衛(wèi)星的距離Lus和通信地面站與小傾角同步軌道 衛(wèi)星的距離Ls，計算用戶站發(fā)射信號經衛(wèi)星轉發(fā)到達通信地面站的時延：Tw 其 中，C為光速。
[0027] 6、根據權利要求1所述的時間同步方法，其特征在于，所述用戶終端信號發(fā)射頻率 修正的步驟包括
[0028] 基于用戶當前的位置、速度和時間信息，計算器多普勒頻偏fdu;
[0029] 計算用戶終端的頻率控制字的修正值
其中，fsys為 系統時鐘，N為寄存器長度，并將其發(fā)送至基帶做頻率預偏。
[0030] 7、一種用于時間同步的通信地面站，其特征在于，該通信地面站包括：
[0031 ]鋼原子鐘，用于為通信地面站提供時間基準；
[0032] 第一信號接收單元，實時接收與小傾角同步軌道衛(wèi)星的通信信號；
[0033] 修正模塊，基于通信地面站與衛(wèi)星的通信信號的多普勒頻移和信號時延，計算頻 率控制字，并對通信地面站發(fā)射信號的頻率偏值進行修正；
[0034] 第一信號發(fā)射單元，W鋼原子鐘的基準時間作為基準，基于第一修正模塊提供的 頻率頻偏值，向通信衛(wèi)星發(fā)射通信信號；
[0035] 第一同步模塊，根據每個用戶終端的通信請求，為其分配通信時隙，并控制出局信 號發(fā)射時間。
[0036] 8、根據權利要求7所述的通信地面站，其特征在于，
[0037] 所述第一信號發(fā)射單元包括：
[0038] 參數發(fā)射基帶，用于向用戶終端廣播發(fā)射時間同步和頻率修正的參數；
[0039] 業(yè)務發(fā)射基帶，用于接收修正模塊發(fā)出的修正頻率字，對通信發(fā)射信號進行頻率 預偏，同時向衛(wèi)星通信系統發(fā)射通信業(yè)務信號；
[0040] 合路器，將參數發(fā)射基帶和業(yè)務發(fā)射基帶發(fā)出的不同頻率基帶信號合路成一路綜 合通信信號；
[0041] 第一上變頻器，用于對發(fā)送至衛(wèi)星的綜合通信信號進行上變頻處理；
[0042] 所述第一信號接收單元包括：
[0043] 第一下邊頻器，用于對衛(wèi)星反饋回的通信信號進行下變頻處理；
[0044] 低噪聲放大器，用于對反饋回的通信信號進行低噪聲的放大濾波處理;分路器，將 反饋的通信信號中的通信業(yè)務信號和時間同步及頻率修正信號分路；
[0045] 參數接收基帶，用于接收反饋給通信地面站的時間同步與頻率修正信號，并將該 信號中的信號頻偏發(fā)送至修正模塊，產生新的頻率控制字；
[0046] 業(yè)務接收基帶;用于接收經頻率修正的通信業(yè)務信號，完成系統信號通信；
[0047] 轉發(fā)式衛(wèi)星導航系統接收機，用于通過轉發(fā)式衛(wèi)星導航系統導航信號，對小傾角 同步軌道衛(wèi)星通信信號進行時間同步和頻偏修正。
[004引9、一種用于時間同步的用戶終端，其特征在于，該用戶終端包括：
[0049] 第二信號接收單元，實時接收與小傾角同步軌道衛(wèi)星的通信信號；
[0050] 第二同步模塊，基于小傾角同步軌道衛(wèi)星，對用戶終端的位置進行實時定位；
[0051] 數據處理單元，根據實時接收到的小傾角同步軌道衛(wèi)星廣播的衛(wèi)星星歷和信號多 普勒頻移，計算用戶、衛(wèi)星和通信地面站中間的距離，并對用戶終端的信號發(fā)射頻率和發(fā)射 時間進行修正和控制；
[0052] 第二信號發(fā)射單元，基于修正后的發(fā)射信號和發(fā)射時間，將自身的位置坐標發(fā)送 至通信地面站。
[0053] 10、根據權利要求9所述的用戶終端，其特征在于，
[0054] 所述第二信號接收單元包括：
[0055] 通信接收天線；
[0056] 第二下變頻器，對與小傾角同步軌道衛(wèi)星的通信信號進行下變頻處理；
[0057] 通信接收基帶，將下變頻后的通信信號轉換為基帶信號；
[005引所述第二信號發(fā)射單元包括：
[0059] 通信發(fā)射基帶，將數據處理單元計算出的移動終端位置坐標及數據信息轉換為發(fā) 射信號；
[0060] 第二上變頻器，對發(fā)射信號進行上變頻處理；
[0061] 通信發(fā)射天線。
[0062] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0063] 本發(fā)明所述技術方案在轉發(fā)式衛(wèi)星導航系統的基礎上實現了小傾角同步軌道衛(wèi) 星通信系統的時間同步方法，給出了通信地面站和用戶終端實現本方法進行的改造措施， 所用的小傾角同步軌道衛(wèi)星由轉發(fā)式衛(wèi)星導航系統進行實時的測定軌，并利用衛(wèi)星上的一 個轉發(fā)器廣播衛(wèi)星星歷和導航測距碼，可W用一個轉發(fā)式導航定位接收機低成本地實現時 間同步和信號多普勒測量。利用本技術方案可W低成本地實現所述小傾角同步軌道衛(wèi)星通 信系統的全網時間同步，大大提高整個通信系統的捕獲速度和通信效率。
【附圖說明】
[0064] 下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細的說明；
[0065] 圖1示出本發(fā)明所述時間同步方法的示意圖；
[0066] 圖2示出本發(fā)明所述用戶終端時間頻率修正的示意圖；
[0067] 圖3示出本發(fā)明所述通信地面站時間頻率修正的示意圖；
[0068] 圖4示出本發(fā)明所述用戶終端的時頻分配示意圖。
【具體實施方式】
[0069] 為了更清楚地說明本發(fā)明，下面結合優(yōu)選實施例和附圖對本發(fā)明做進一步的說 明。附圖中相似的部件W相同的附圖標記進行表示。本領域技術人員應當理解，下面所具體 描述的內容是說明性的而非限制性的，不應W此限制本發(fā)明的保護范圍。
[0070] 所述的系統時間同步方法的基本原理是用戶終端自行計算并修正用戶接收機與 衛(wèi)星之間的路徑時延和多普勒頻偏;通信地面站的時間同步設備測量并修正通信地面站與 衛(wèi)星之間的路徑時延、多普勒頻偏和衛(wèi)星轉發(fā)器鐘漂，保證信號到達通信地面站或用戶終 端的時間正好是整個通信系統所分配時隙的起點。
[0071] 如圖1所示，本發(fā)明公開了一種基于小傾角同步軌道衛(wèi)星通信系統的時間同步方 法，該方法的步驟包括
[0072] 步驟S1、實時測量并存儲通信地面站與小傾角同步軌道衛(wèi)星之間的通信信號的多 普勒頻移和信號時延；
[0073] 步驟S2、基于所述通信信號的多普勒頻移和信號時延，計算頻率控制字，并對通信 地面站發(fā)射信號的頻率偏值進行修正；
[0074] 步驟S3、用戶終端根據實時接收到的小傾角同步軌道衛(wèi)星廣播的衛(wèi)星星歷和信號 多普勒頻移，實時計算用戶、衛(wèi)星和通信地面站中間的距離；
[0075] 步驟S4、基于實時計算用戶、衛(wèi)星和通信地面站中間的距離，對用戶終端的信號發(fā) 射頻率和發(fā)射時間進行修正和控制，并將自身的位置坐標發(fā)送至通信地面站;如圖2所示，
[0076] 步驟S5、通信地面站存儲網內每個用戶終端的位置坐標，并根據每個用戶終端的 通信請求，為其分配通信時隙，并控制出局信號發(fā)射時間。
[0077] 如圖3所示，本發(fā)明進一步公開了一種用于時間同步的通信地面站，該通信地面站 包括:用于為通信地面站提供時間基準的鋼原子鐘、實時接收與小傾角同步軌道衛(wèi)星的通 信信號的第一信號接收單元、基于通信地面站與衛(wèi)星的通信信號的多普勒頻移和信號時 延，計算頻率控制字，并對通信地面站發(fā)射信號的頻率偏值進行修正的第一修正模塊、W鋼 原子鐘的基準時間作為基準，基于第一修正模塊提供的頻率頻偏值，向通信衛(wèi)星發(fā)射通信 信號的第一信號發(fā)射單元和根據每個用戶終端的通信請求，為其分配通信時隙，并控制出 局信號發(fā)射時間的第一同步模塊。其中，所述第一信號發(fā)射單元包括:用于向用戶終端廣播 發(fā)射時間同步和頻率修正參數的參數發(fā)射基帶、用于接收修正模塊發(fā)出的修正頻率字，對 通信發(fā)射信號進行頻率預偏，同時向衛(wèi)星通信系統發(fā)射通信業(yè)務信號的業(yè)務發(fā)射基帶、將 參數發(fā)射基帶和業(yè)務發(fā)射基帶發(fā)出的不同頻率基帶信號合路成一路綜合通信信號的合路 器，W及用于對發(fā)送至衛(wèi)星的綜合通信信號進行上變頻處理的第一上變頻器。本方案中，在 第一信號發(fā)射單元中設置合路器可W節(jié)省一套上變頻、發(fā)射機和天線組成的發(fā)射設備，降 低系統的復雜程度，運樣通信地面站就可W將綜合通信信號僅通過上變頻、發(fā)射機通過一 面天線上行到衛(wèi)星上。所述第一信號接收單元包括：用于對衛(wèi)星反饋回的通信信號進行下 變頻處理的第一下邊頻器、用于對反饋回的通信信號進行低噪聲的放大濾波處理的低噪聲 放大器、將反饋的通信信號中的通信業(yè)務信號和時間同步及頻率修正信號分路的分路器、 用于接收反饋給通信地面站的時間同步與頻率修正信號，并將該信號中的信號頻偏發(fā)送至 修正模塊，產生新的頻率控制字的參數接收基帶、用于在全網時間同步條件下接收經頻率 修正的通信業(yè)務信號，完成系統信號通信的業(yè)務接收基帶，W及用于通過轉發(fā)式衛(wèi)星導航 系統導航信號，對小傾角同步軌道衛(wèi)星通信信號進行時間同步和頻偏修正的轉發(fā)式衛(wèi)星導 航系統接收機。本方案中，轉發(fā)式衛(wèi)星導航系統接收機只需要接收信號，因為轉發(fā)式衛(wèi)星導 航系統會對所述的小傾角同步軌道衛(wèi)星進行測定軌，并通過該衛(wèi)星的一個轉發(fā)器廣播衛(wèi)星 星歷和導航測距碼信號，采用該接收機可W實現定位、時間同步和頻偏測量，而通信信號在 同一顆衛(wèi)星上轉發(fā)，只是頻率不同，頻偏可W換算，因此可W實現系統的全網時間同步和頻 偏修正。本方案中，通信地面站還包括GNSS設備，該設備主要用于接收小傾角通信衛(wèi)星上用 于導航定位的轉發(fā)器發(fā)送的衛(wèi)星星歷和導航測距碼，實現全網時間同步和多普勒修正，而 通信收發(fā)基帶則把GNSS設備測量得到的時間參數和信號頻偏用于收發(fā)信號的校正，確切地 說在接收端按照分配的時隙捕獲接收信號、在發(fā)送端則根據測量的多普勒頻偏對發(fā)射信號 進行頻率預偏，使信號到達接收端的信號頻偏為0。
[0078] 如圖4所示，本發(fā)明進一步公開了一種用于時間同步的用戶終端，該用戶終端包括 實時接收與小傾角同步軌道衛(wèi)星的通信信號的第二信號接收單元、基于小傾角同步軌道衛(wèi) 星，對用戶終端的位置進行實時定位的第二時間同步模塊、根據實時接收到的小傾角同步 軌道衛(wèi)星廣播的衛(wèi)星星歷和信號多普勒頻移，計算用戶、衛(wèi)星和通信地面站中間的距離，并 對用戶終端的信號發(fā)射頻率和發(fā)射時間進行修正和控制的數據處理單元和基于修正后的 發(fā)射信號和發(fā)射時間，將自身的位置坐標發(fā)送至通信地面站的第二信號發(fā)射單元。其中，所 述第二信號接收單元包括:通信接收天線;第二下變頻器，對與小傾角同步軌道衛(wèi)星的通信 信號進行下變頻處理；W及，通信接收基帶，將下變頻后的通信信號轉換為基帶信號。所述 第二信號發(fā)射單元包括:通信發(fā)射基帶，將數據處理單元計算出的移動終端位置坐標及數 據信息轉換為發(fā)射信號;第二上變頻器，對發(fā)射信號進行上變頻處理;通信發(fā)射天線。
[0079] 下面通過一組實施例對本發(fā)明做進一步說明：
[0080] 本發(fā)明所述時間同步方法是W通信地面站和用戶終端組成的時間同步裝置為硬 件基礎。在通信地面站，為保持高精度的系統時頻基準，配置了鋼原子鐘頻標，輸出lOMHz高 穩(wěn)頻率給通信地面站通信收發(fā)單元中的基帶及上下變頻器實現同源頻率。通信地面站的時 間同步設備還包括基于通信信號的多普勒頻移和信號時延，計算頻率控制字，并對通信地 面站發(fā)射信號的頻率偏值進行修正的修正模塊，實現衛(wèi)星和通信地面站的鏈路閉環(huán)測試修 正，該設計可W實時修正小傾角同步軌道衛(wèi)星運動引起的多普勒頻移。
[0081] 在由通信地面站和用戶終端組成的時間同步裝置的基礎上實現了通信地面站的 參數測量與修正，主要是測量得到站-星距離，自發(fā)自收測量多普勒頻偏，實現通信地面站 端發(fā)射的信號頻率修正，具體實現方式如下：
[0082] 站星距離的測量:在地屯、地固坐標系下，把通信地面站的經締度坐標轉換成Ξ維 坐標(Xc，yc，Zc)，根據衛(wèi)星星歷解析出小傾角同步軌道衛(wèi)星的軌道根數，換算成地屯、地固坐 標系下衛(wèi)星的Ξ維坐標(xs，ys，zs)，可求得通信地面站與小傾角同步軌道衛(wèi)星的距離：
[0083]
[0084] 對于通信地面站自發(fā)自收進行系統校準時，所計算的星地時延為：
[0085]
[0086] 其中，C為光速；
[0087] Ts為衛(wèi)星的轉發(fā)器時延；
[0088] Tsys為通信地面站收發(fā)系統時延；
[0089] 在上面的方程中，后兩項Ts和Tsys為系統的時延，可W通過系統校準或者直接測 定，^為路徑引起的時延，是時間同步中最為關屯、的時延。由于衛(wèi)星在不斷的運動，路徑 存 時延也需要實時地測量和修正。并把該路徑時延通過參考基準時隙廣播下行，供每個用戶 站接收用來修正入局發(fā)射時刻。
[0090] 通信主站信號多普勒頻移的求解與補償:轉發(fā)式衛(wèi)星導航系統的導航中屯、站在小 傾角同步軌道衛(wèi)星上廣播衛(wèi)星星歷和測距碼信號，可W獲得衛(wèi)星的運動狀態(tài)，通信地面站 在該衛(wèi)星上的通信收發(fā)信號由于衛(wèi)星運動引起的多普勒頻移可W很容易地求出來，具體來 說，配置在通信地面站的第一時間同步模塊首先利用轉發(fā)式衛(wèi)星導航系統接收機完成自定 位，并獲取衛(wèi)星的位置信息，根據衛(wèi)星星歷計算出星站距離，接收機輸出星站偽距及偽距變 化率，并利用衛(wèi)星實時的位置、速度和時間信息計算載波頻偏和碼鐘偏差，求得頻率控制 字用來修正信號多普勒頻移。
[0091] 根據多普勒頻移的定義：
[0092]
[0093] 其中，fd為信號的多普勒頻移；
[0094] fr為接收端信號的頻率；
[00M] ft為發(fā)送端信號的頻率；
[0096] f為信號發(fā)送端或接收端的運動速度矢量；
[0097] Θ為運動速度矢量與發(fā)送端或接收端連線的夾角；
[0098] 由上式可知，多普勒頻移與信號發(fā)射頻率成正比，而對于在同一顆衛(wèi)星上的不同 轉發(fā)器轉發(fā)的信號而言，由于衛(wèi)星與接收端的相對速度相等，夾角也相等，因此不同頻率信 號的多普勒頻移只取決于信號發(fā)出時的頻率，由此，通過求得了轉發(fā)導航信號的多普勒頻 率之后，該衛(wèi)星上所有信號的多普勒頻率都可W用下式求出：
[0099]
[0100] 其中:fdx為給定頻率的多普勒頻率
[0101] fx為給定的信號頻率
[0102] fn為已知的導航信號中屯、頻率
[0103] fdn為收發(fā)信號端相對運動在導航信號上產生的多普勒頻率
[0104] 求出信號的多普勒頻移后，在信號發(fā)送端進行修正，具體是采用通信地面站的參 數發(fā)射基帶與參數接收基帶構成自發(fā)自收鏈路，校正衛(wèi)星運動多普勒及轉發(fā)器頻偏。業(yè)務 發(fā)設基帶和業(yè)務接收基帶為收發(fā)通信業(yè)務運行基帶。參數接收基帶輸出頻偏值Δ?·，修正模 塊每收到一次載頻偏差值A f，根據下述公式計算出頻率字Δ FTW傳給參數發(fā)射基帶和業(yè)務 發(fā)射基帶進行發(fā)射頻率預偏。
[0105]
[0106] 其中，fsys為系統時鐘
[0107] N為寄存器長度，固定為32。
[0108] 為避免對載頻修正幅度過大造成接收端失鎖，在發(fā)射頻率預偏時每次修正1/8 Δ f。
[0109] 參數20000000為發(fā)射機使用的原子鐘lOMHz頻標的一倍頻參考頻率。
[0110] 本方案中，用戶終端、地面通信站和小傾角通信衛(wèi)星使用的是雙向和交互的同步 方式。
[0111] 本方案中，對于衛(wèi)星上起到透明轉發(fā)作用的衛(wèi)星轉發(fā)器，一般通過星載本振 2225MHz與上行信號進行混頻處理，下行信號頻率與上行信號頻率相差2225MHz的方式實現 收發(fā)隔離。
[0112] 用戶站與衛(wèi)星距離計算：用戶站配置的時間同步模塊包含一個雙模衛(wèi)星導航接收 機模塊，可W利用北斗衛(wèi)星導航系統和轉發(fā)式衛(wèi)星導航系統的導航信號為用戶站實現定 位。設所定的用戶站位置為(Xu, yu，zu)，則可w計算衛(wèi)星到用戶站的距離為
[0113]
[0114] 用戶站發(fā)射信號經衛(wèi)星轉發(fā)到達通信地面站的時延為：
[0115] 本實例中Tus大約為250US左右。 ,
[0116] 在用戶站向通信主站發(fā)送信息時，需要考慮Tus并在分配給自己的時隙內上行信 號。
[0117] 用戶站端發(fā)射頻率修正：
[0118] 用戶終端的發(fā)射頻率修正方法與通信地面站的測量修正方法類似，如附圖2所示， 時間同步模塊給出用戶站的位置(P)、速度(V)、時間(T)信息，發(fā)送給數據處理器，用戶站發(fā) 射基帶測出晶振頻差，通過串口發(fā)送給數據處理器;數據處理器根據時間同步模塊給出的 PVT信息，計算多普勒頻偏，再根據公式(5)計算出頻率字修正值給發(fā)基帶做頻率預偏。
[0119]
[0120] 其中，fsys為系統時鐘，N為寄存器長度。
[0121] 如圖4所示，為實現用戶終端收發(fā)信號的同源相參性，用戶終端的各模塊采用統一 的lOMHz溫補晶振，該溫補晶振安置在時間同步模塊上，并實現頻率的分路輸出，穩(wěn)定度在 Ippm，由于該溫補晶振的漂移會導致10化偏差，長期使用還需要考慮晶振的的老化。頻率漂 移會使頻率偏差有所增大，該偏差會增大用戶站發(fā)射信號的頻偏，增加信號接收端的捜索 捕獲時間，考慮到所用時間同步模塊的衛(wèi)星定位接收機時間可W溯源到星載原子鐘，具有 較高的長期穩(wěn)定性，為此采用了衛(wèi)星定位接收機輸出的Ipps脈沖作為觸發(fā)信號，由用戶終 端通信發(fā)射基帶內設置的比相器，定時測量溫補晶振輸出頻率的偏差，在計算頻率控制字 時對系統時鐘fsys進行修正，從而提高用戶站發(fā)射信號的頻率精度。
[0122] W上對于用戶終端頻率修正的方法，同樣地適用于固定站和移動站用戶終端。
[0123] 在對用戶終端的收發(fā)兩端時隙的同步并消除了晶振偏差和載波多普勒頻偏的基 礎上，大大加快了信號的捕獲速度，從而提高了 TDMA制式小傾角同步軌道衛(wèi)星通信系統的 通信效率。
[0124] 顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對 本發(fā)明的實施方式的限定，對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可 W做出其它不同形式的變化或變動，運里無法對所有的實施方式予W窮舉，凡是屬于本發(fā) 明的技術方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之列。
【主權項】
1. 一種時間同步方法，其特征在于，該方法的步驟包括 51、 實時測量并存儲通信地面站與小傾角同步軌道衛(wèi)星之間的通信信號的多普勒頻移 和信號時延； 52、 基于所述通信信號的多普勒頻移和信號時延，計算頻率控制字，并對通信地面站發(fā) 射信號的頻率偏值進行修正； 53、 用戶終端根據實時接收到的小傾角同步軌道衛(wèi)星廣播的衛(wèi)星星歷和信號多普勒頻 移，實時計算用戶、衛(wèi)星和通信地面站中間的距離； 54、 基于實時計算用戶、衛(wèi)星和通信地面站中間的距離，對用戶終端的信號發(fā)射頻率和 發(fā)射時間進行修正和控制，并將自身的位置坐標發(fā)送至通信地面站； 55、 通信地面站存儲網內每個用戶終端的位置坐標，并根據每個用戶終端的通信請求， 為其分配通信時隙，并控制出局信號發(fā)射時間。2. 根據權利要求1所述的時間同步方法，其特征在于，所述通信地面站與衛(wèi)星之間時延 的計算步驟包括 根據在地心地固坐標系下，通信地面站的三維坐標和小傾角同步軌道衛(wèi)星 的三維坐標（Xs，ys，Zs)，求得通信地面站與小傾角同步軌道衛(wèi)星的距離 Ls :根據通信地面站與小傾角同步軌道衛(wèi)星的距離Ls，計算通信地面站與小傾角同步軌道 ?/ 衛(wèi)星的時延：Δ? = 5，其中，c為光速，^為衛(wèi)星的轉發(fā)器時延，Tsys為通信地面站 c 收發(fā)系統時延。3. 根據權利要求1所述的時間同步方法，其特征在于，所述通信地面站通信信號的多普 勒頻移求解與補償的步驟包括： 利用北斗導航系統和轉發(fā)式衛(wèi)星導航系統接收機進行自定位； 根據衛(wèi)星星歷計算出通信地面站和衛(wèi)星之間的距離，捕獲跟蹤該衛(wèi)星，并獲取衛(wèi)星的 偽距和偽距變化率，以及地面站和衛(wèi)星之間距離的變化率； 利用衛(wèi)星的位置、速度和時間信息計算載波頻偏和星鐘偏差，計算頻率控制字：/：w，用來修正地面站通信信號的多普勒頻移，其中，f sys為系統 時鐘，N為寄存器長度，△ f為頻偏值。4. 根據權利要求1所述的時間同步方法，其特征在于，所述步驟S2中保證到達接收點的 通信地面站下行信號多普勒頻移接近于0。5. 根據權利要求1所述的時間同步方法，其特征在于，所述用戶終端與衛(wèi)星之間距離的 計算步驟包括 根據用戶終端的三維坐標(^，711，211)，求得用戶終端與小傾角同步軌道衛(wèi)星的距離1^ :基于用戶終端與小傾角同步軌道衛(wèi)星的距離Lus和通信地面站與小傾角同步軌道衛(wèi)星 的距離Ls，計算用戶站發(fā)射信號經衛(wèi)星轉發(fā)到達通信地面站的時延：r," 其中， c C 為光速。6. 根據權利要求1所述的時間同步方法，其特征在于，所述用戶終端信號發(fā)射頻率修正 的步驟包括 基于用戶當前的位置、速度和時間信息，計算器多普勒頻偏fdU; 計算用戶終端的頻率控制字的修正值：，其中，fsys為系統時 鐘，N為寄存器長度，并將其發(fā)送至基帶做頻率預偏。7. -種用于時間同步的通信地面站，其特征在于，該通信地面站包括： 銣原子鐘，用于為通信地面站提供時間基準； 第一信號接收單元，實時接收與小傾角同步軌道衛(wèi)星的通信信號； 修正模塊，基于通信地面站與衛(wèi)星的通信信號的多普勒頻移和信號時延，計算頻率控 制字，并對通信地面站發(fā)射信號的頻率偏值進行修正； 第一信號發(fā)射單元，以銣原子鐘的基準時間作為基準，基于第一修正模塊提供的頻率 頻偏值，向通信衛(wèi)星發(fā)射通信信號； 第一同步模塊，根據每個用戶終端的通信請求，為其分配通信時隙，并控制出局信號發(fā) 射時間。8. 根據權利要求7所述的通信地面站，其特征在于， 所述第一信號發(fā)射單元包括： 參數發(fā)射基帶，用于向用戶終端廣播發(fā)射時間同步和頻率修正的參數； 業(yè)務發(fā)射基帶，用于接收修正模塊發(fā)出的修正頻率字，對通信發(fā)射信號進行頻率預偏， 同時向衛(wèi)星通信系統發(fā)射通信業(yè)務信號； 合路器，將參數發(fā)射基帶和業(yè)務發(fā)射基帶發(fā)出的不同頻率基帶信號合路成一路綜合通 信信號； 第一上變頻器，用于對發(fā)送至衛(wèi)星的綜合通信信號進行上變頻處理； 所述第一信號接收單元包括： 第一下邊頻器，用于對衛(wèi)星反饋回的通信信號進行下變頻處理； 低噪聲放大器，用于對反饋回的通信信號進行低噪聲的放大濾波處理;分路器，將反饋 的通信信號中的通信業(yè)務信號和時間同步及頻率修正信號分路； 參數接收基帶，用于接收反饋給通信地面站的時間同步與頻率修正信號，并將該信號 中的信號頻偏發(fā)送至修正模塊，產生新的頻率控制字； 業(yè)務接收基帶;用于接收經頻率修正的通信業(yè)務信號，完成系統信號通信； 轉發(fā)式衛(wèi)星導航系統接收機，用于通過轉發(fā)式衛(wèi)星導航系統導航信號，對小傾角同步 軌道衛(wèi)星通信信號進行時間同步和頻偏修正。9. 一種用于時間同步的用戶終端，其特征在于，該用戶終端包括： 第二信號接收單元，實時接收與小傾角同步軌道衛(wèi)星的通信信號； 第二同步模塊，基于小傾角同步軌道衛(wèi)星，對用戶終端的位置進行實時定位； 數據處理單元，根據實時接收到的小傾角同步軌道衛(wèi)星廣播的衛(wèi)星星歷和信號多普勒 頻移，計算用戶、衛(wèi)星和通信地面站中間的距離，并對用戶終端的信號發(fā)射頻率和發(fā)射時間 進行修正和控制； 第二信號發(fā)射單元，基于修正后的發(fā)射信號和發(fā)射時間，將自身的位置坐標發(fā)送至通 信地面站。10.根據權利要求9所述的用戶終端，其特征在于， 所述第二信號接收單元包括： 通信接收天線； 第二下變頻器，對與小傾角同步軌道衛(wèi)星的通信信號進行下變頻處理； 通信接收基帶，將下變頻后的通信信號轉換為基帶信號； 所述第二信號發(fā)射單元包括： 通信發(fā)射基帶，將數據處理單元計算出的移動終端位置坐標及數據信息轉換為發(fā)射信 號； 第二上變頻器，對發(fā)射信號進行上變頻處理； 通信發(fā)射天線。
【文檔編號】H04J3/06GK105871495SQ201610190383
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月30日
【發(fā)明人】李圣明, 馬利華, 王曉嵐, 胡超, 侯金爽
【申請人】中國科學院國家天文臺