北斗短报文信号多普勒频偏补偿方法与流程

1.本发明属于航天工程技术领域，涉及一种北斗短报文信号多普勒频偏补偿方法。


背景技术：

2.北斗卫星入站信号的频偏参数不能大于一定范围，否则会造成因地面站无法正常解调导致丢帧。
3.实际工程实现过程中，造成北斗短报文入站信号频偏的因素包括：北斗短报文终端与北斗卫星相对运动速度导致的多普勒频偏和短报文终端参考时钟误差。通常情况下，北斗用户的移动类型属于步行(《5m/s)、机动车(《140m/s)、飞机(《320m/s)等中低速运动，此时北斗短报文终端与北斗卫星相对运动带来的频偏极小，不会对地面站的解调带来影响，可以忽略。当北斗用户处于火箭、卫星等高速运动平台时，北斗短报文终端与北斗卫星之间的相对运动带来的多普勒频偏将超出北斗地面站的解调范围，造成短报文通信过程中发生丢帧率上升，甚至完全无法通信的问题。因此，必须解决北斗卫星入站信号的频偏问题，才能在火箭、卫星等高速运动的情况下应用北斗短报文。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种北斗短报文信号多普勒频偏补偿方法，解决了运动速度造成的北斗短报文信号频偏导致的传统北斗短报文终端无法应用于火箭、卫星等高速运动平台的技术问题。本发明通信成功率高，在航天领域中具有广泛的应用前景。
5.为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种北斗短报文信号多普勒频偏补偿方法，包括：
7.s1获取北斗卫星的波束信号及其载噪比；
8.s2将载噪比最大的波束信号作为北斗短报文终端的响应波束；
9.s3确定北斗短报文终端与响应波束所属北斗卫星的相对径向运动速度ν
径向
和相对径向运动加速度a
径向
；
10.s4根据相对径向运动速度ν
径向
和相对径向运动加速度a
径向
分别得到北斗短报文终端的补偿频偏值f
补偿
和补偿频偏值变化率δf
补偿
；
11.s5利用补偿频偏值f
补偿
和补偿频偏值变化率δf
补偿
对北斗短报文终端的发射频率进行补偿，北斗短报文终端以补偿后的发射频率向北斗卫星发射短报文信号。
12.进一步的，步骤s1中的北斗卫星为geo卫星；步骤s1中，获取北斗卫星的全部波束信号及其载噪比。
13.进一步的，步骤s2中，采用载波相位差分测速法或载波跟踪环nco换算法，确定北斗短报文终端与响应波束所属北斗卫星的相对径向运动速度ν
径向
和相对径向运动加速度a
径向
。
14.进一步的，采用载波相位差分测速法确定北斗短报文终端与响应波束所属北斗卫
星的相对径向运动速度ν
径向
和相对径向运动加速度a
径向
的方法为：
15.利用历元t-h和t+h的载波相位观测值φ1和φ2，作中心差分，可以获得历元t的径向速度观测值ν
径向
：
[0016][0017]
其中，λ为卫星发射信号的波长，h≥1；
[0018]a径向
＝v
′
径向
。
[0019]
进一步的，采用载波跟踪环nco换算法确定北斗短报文终端与响应波束所属北斗卫星的相对径向运动速度ν
径向
和相对径向运动加速度a
径向
的方法为：
[0020][0021]
其中，f
nco
为北斗短报文终端载波同步环路的nco输出频率，fc为卫星发射信号的载波频率，c为光速；
[0022]a径向
＝v
′
径向
。
[0023]
进一步的，步骤s3中，根据相对径向运动速度ν
径向
和相对径向运动加速度a
径向
分别得到北斗短报文终端的补偿频偏值f
补偿
和补偿频偏值变化率δf
补偿
的方法包括：
[0024][0025][0026]
其中，f
发射
为短报文发射载波频率，c为光速。
[0027]
进一步的，步骤s5中，利用补偿频偏值f
补偿
和补偿频偏值变化率δf
补偿
对北斗短报文终端的发射频率进行补偿的方法为，将补偿频偏值f
补偿
和补偿频偏值变化率δf
补偿
补偿至北斗短报文终端的发射本振频率上。补偿前，发射本振频率值应等于f
发射
，补偿后，发射本振频率值不等于f
发射
。
[0028]
进一步的，还包括步骤s6，实时重复步骤s1-s5，实现补偿频偏值f
补偿
对相对径向运动速度ν
径向
的实时跟随。
[0029]
本发明与现有技术相比具有如下至少一种有益效果：
[0030]
(1)本发明创造性的提出一种北斗短报文信号多普勒频偏补偿方法，能够利用多普勒频偏补偿原理，对北斗短报文入站信号进行主动频偏补偿，实现通信成功率95％；
[0031]
(2)本发明方法适合在火箭、卫星等高速平台上应用，而传统无补偿的北斗短报文终端在航天应用场景下丢帧率高，通信成功率低，不适合高速运动平台使用。
附图说明
[0032]
图1为本发明北斗短报文信号多普勒频偏补偿方法的流程图；
[0033]
图2为本发明对北斗短报文终端的发射频率进行补偿的流程图；
[0034]
图3为北斗短报文通信示意图。
具体实施方式
[0035]
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
[0036]
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
[0037]
本发明是一种基于北斗卫星短报文体制，实现火箭、卫星等高速移动平台的多普勒补偿方法，成功地解决了航天工程中运动速度造成的北斗短报文信号频偏问题。本发明一种基于频偏补偿的北斗短报文信号发射方法，包括：
[0038]
(1)北斗短报文终端获取北斗geo卫星的所有波束信号及其载噪比，以北斗二号为例，波束信号为10个(如果是北斗三号则波束信号为14个)，将波束信号记为s1～s
10
，载噪比记为
[0039]
(2)根据波束信号s1～s
10
的载噪比，选取载噪比最大的波束si作为北斗短报文终端的响应波束；
[0040]
(3)使用载波相位差分测速法或其他可行方法，计算北斗短报文终端与响应波束所属北斗geo卫星的相对径向运动速度ν
径向
及其加速度a
径向
；
[0041]
(4)使用径向运动速度ν
径向
计算北斗短报文终端的补偿频偏值f
补偿
及其变化率δf
补偿
；
[0042]
(5)根据补偿频偏值f
补偿
和变化率δf
补偿
，对北斗短报文终端的发射频率进行补偿，同时发射短报文信号；
[0043]
(6)为保证补偿值能够实时跟随运动速度，在短报文通信器件不断重复(1)～(5)。
[0044]
本发明解决满足航天需要的频偏补偿问题，实现了北斗短报文终端在高速移动场景中的应用。
[0045]
多普勒补偿处理逻辑设计如下：
[0046]
北斗二号的rdss系统是由一个主控地面站、多个同步卫星(geo)和若干用户终端组成。主控地面站位于北京，当前有5颗geo卫星，每颗卫星播发2个波束的信号，共10个波束，系统服务区域覆盖我国及周边。rdss工作原理是主控地面站管理生成各波束出站信号，通过上行链路发射到对应卫星，卫星将其信号变频到s频点转发至波束服务区域；用户终端产生入站信号，通过l频点发射至卫星，卫星将其信号变频至下行链路转发回主控地面站。根据系统设计，出站信号是连续播发的，其方式类似于广播，出站信号主要承载的信息包括卫星星历、用户定位消息、用户短消息等。入站信号是突发式的，一次发射一般几十至几百毫秒；主要为用户定位消息入站请求、用户入站短消息。如图3所示。
[0047]
北斗短报文终端飞行过程中，需要对接收和发送多普勒频偏进行补偿。如果多普勒频偏补偿错误也会导致全程无北斗短报文。
[0048]
动态条件下的发送多普勒补偿。由于北斗卫星仅能容忍的入站信号多普勒频偏有限，而卫星、火箭等平台的北斗短报文终端所达到的l频段径向多普勒频偏高达35khz以上(按径向速度6500m/s计算)，若不进行多普勒补偿，在大动态的情况下，北斗地面站将无法接收入站信息。
[0049]
因此北斗短报文终端的软件中对入站信号做了多普勒补偿，补偿分为载波多普勒
补偿和码多普勒补偿。在进行载波多普勒补偿时，从对应波束的接收通道获取当前载波多普勒值，按标称的入站和出站的中心频率进行换算补偿。在进行码多普勒补偿时，由于载波和码具有相同的多普勒偏移方向，因此入站信号码的多普勒补偿方向和载波的一致。
[0050]
本发明方法的多普勒补偿误差分析如下：
[0051]
当采用本算法进行多普勒频偏补偿时，发射频率误差主要由当前载波测量误差、多普勒变化率导致的频率偏移误差以及参考时钟误差组成：
[0052]
a)载波测量误差
[0053]
本文提到的2种获取径向速度方法的误差均与环路热噪声相关。接收机科思塔斯环相位抖动引起的载波相位随机误差计算公式如下：
[0054][0055]
其中：σ
pllt
为环路的热噪声颤动；
[0056]bn
为环路滤波器的噪声带宽；
[0057]
c/n0为接收信号的信噪比；
[0058]
t为环路相干积分时间；
[0059]
λ为卫星发射信号的波长；
[0060]
对于北斗短报文信号接收，接收机参数bn＝10hz，t＝2ms，c/0按44dbhz考虑，fc为北斗卫星波束的中心频率，代入上式，得到载波相位随机误差σ
pllt
＝0.0004m，h＝0.01s，径向速度随机误差为0.02m/s，加上空间段0.006m/s的误差，则测速误差为0.026m/s，对应的北斗短报文链路载波误差≤1hz。
[0061]
b)频率偏移误差
[0062]
由于多普勒频率变化率的影响，发射频率修正时需要采用上一采样点的测量值，这将带来误差，这是发射频率准确度误差的主要来源。设出站信号测量频率为10hz，则最大采样间隔为100ms，最大多普勒变化率为3khz/s，则100ms的多普勒变化约为300hz。
[0063]
c)参考时钟误差
[0064]
北斗短报文终端采用高稳恒温晶振作为参考时钟源，根据时钟单元指标，参考时钟准确度优于
±
1.5
×
10-7
，由此带来的发射信号频率误差≤243hz。
[0065]
根据以上分析，发射频率误差≤544hz。
[0066]
综上，本发明旨在解决现有北斗短报文终端无法应用在火箭、卫星等高速运动平台的问题，计算简单，工程实现容易，在北斗短报文应用领域具有广泛的应用前景。
[0067]
实施例：
[0068]
如图1，本发明北斗短报文信号多普勒频偏补偿方法，包括如下步骤：
[0069]
(1)获取北斗geo卫星的10个波束信号(如果是北斗三号则为14个波束)s1～s
10
及其载噪比
[0070]
(2)根据波束信号s1～s
10
的载噪比，比较并选取最大载噪比c/n
0max
，确定该载噪比所在的波束si作为北斗短报文终端的响应波束；
[0071]
(3)使用载波相位差分测速法或载波跟踪环nco换算法，计算北斗短报文终端与响应波束所属北斗geo卫星的相对径向运动速度ν
径向
及其加速度a
径向
；
[0072]
采用载波相位差分测速的原理如下：
[0073]
利用历元t-h和t+h的载波相位观测值φ1和φ2，作中心差分，可以获得历元t的径向速度观测值：
[0074][0075]
采用载波跟踪环nco换算法的原理如下：
[0076]
北斗短报文终端的载波同步大多是通过科思塔斯环实现的，可利用完成载波同步后的环路的载波nco频率值f
nco
，换算出径向速度观测值：
[0077][0078]
其中f
nco
为接收机载波同步环路的nco输出频率，fc为卫星发射信号的载波频率，c为光速。
[0079]
对径向速度观测值进行求导可得到加速度：
[0080]a径向
＝v
′
径向
[0081]
(4)使用径向运动速度ν
径向
计算北斗短报文终端的补偿频偏值f
补偿
及其变化率δf
补偿
：
[0082][0083][0084]
其中f
发射
为短报文发射载波频率，c为光速。
[0085]
(5)根据补偿频偏值f
补偿
和变化率δf
补偿
，对北斗短报文终端的发射频率进行补偿。发射频率补偿示意图如图2，具体的，将补偿频偏值f
补偿
和补偿频偏值变化率δf
补偿
补偿至北斗短报文终端的发射本振频率上。
[0086]
(6)为保证补偿值能够实时跟随运动速度，在短报文通信器件不断重复(1)～(5)。
[0087]
完成频偏补偿的入站信号能够被北斗卫星地面站正确解调，使火箭/卫星平台的短报文通信成功率提升至95％。
[0088]
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
[0089]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

技术特征：
1.一种北斗短报文信号多普勒频偏补偿方法，其特征在于，包括：s1获取北斗卫星的波束信号及其载噪比；s2将载噪比最大的波束信号作为北斗短报文终端的响应波束；s3确定北斗短报文终端与响应波束所属北斗卫星的相对径向运动速度ν
径向
和相对径向运动加速度a
径向
；s4根据相对径向运动速度ν
径向
和相对径向运动加速度a
径向
分别得到北斗短报文终端的补偿频偏值f
补偿
和补偿频偏值变化率δf
补偿
；s5利用补偿频偏值f
补偿
和补偿频偏值变化率δf
补偿
对北斗短报文终端的发射频率进行补偿，北斗短报文终端以补偿后的发射频率向北斗卫星发射短报文信号。2.根据权利要求1所述的一种北斗短报文信号多普勒频偏补偿方法，其特征在于，步骤s1中的北斗卫星为geo卫星。3.根据权利要求1所述的一种北斗短报文信号多普勒频偏补偿方法，其特征在于，步骤s1中，获取北斗卫星的全部波束信号及其载噪比。4.根据权利要求1所述的一种北斗短报文信号多普勒频偏补偿方法，其特征在于，步骤s2中，采用载波相位差分测速法或载波跟踪环nco换算法，确定北斗短报文终端与响应波束所属北斗卫星的相对径向运动速度ν
径向
和相对径向运动加速度a
径向
。5.根据权利要求4所述的一种北斗短报文信号多普勒频偏补偿方法，其特征在于，采用载波相位差分测速法确定北斗短报文终端与响应波束所属北斗卫星的相对径向运动速度ν
径向
和相对径向运动加速度a
径向
的方法为：利用历元t-h和t+h的载波相位观测值φ1和φ2，作中心差分，可以获得历元t的径向速度观测值ν
径向
：其中，λ为卫星发射信号的波长，h≥1；a
径向
＝v
′
径向
。6.根据权利要求4所述的一种北斗短报文信号多普勒频偏补偿方法，其特征在于，采用载波跟踪环nco换算法确定北斗短报文终端与响应波束所属北斗卫星的相对径向运动速度ν
径向
和相对径向运动加速度a
径向
的方法为：其中，f
nco
为北斗短报文终端载波同步环路的nco输出频率，f
c
为卫星发射信号的载波频率，c为光速；a
径向
＝v
′
径向
。7.根据权利要求1所述的一种北斗短报文信号多普勒频偏补偿方法，其特征在于，步骤s3中，根据相对径向运动速度ν
径向
和相对径向运动加速度a
径向
分别得到北斗短报文终端的补偿频偏值f
补偿
和补偿频偏值变化率δf
补偿
的方法包括：
其中，f
发射
为短报文发射载波频率，c为光速。8.根据权利要求1所述的一种北斗短报文信号多普勒频偏补偿方法，其特征在于，步骤s5中，利用补偿频偏值f
补偿
和补偿频偏值变化率δf
补偿
对北斗短报文终端的发射频率进行补偿的方法为，将补偿频偏值f
补偿
和补偿频偏值变化率δf
补偿
补偿至北斗短报文终端的发射本振频率上。9.根据权利要求1所述的一种北斗短报文信号多普勒频偏补偿方法，其特征在于，还包括步骤s6，实时重复步骤s1-s5，实现补偿频偏值f
补偿
对相对径向运动速度ν
径向
的实时跟随。

技术总结
本发明公开了一种北斗短报文信号多普勒频偏补偿方法，包括：获取北斗卫星的波束信号及其载噪比；将载噪比最大的波束信号作为北斗短报文终端的响应波束；确定北斗短报文终端与响应波束所属北斗卫星的相对径向运动速度ν


技术研发人员：武春飞 张晋 肖振 姜鹏 潘明健 曹娟娟 杨志涛 王少华 孙石杰 韩天宇 谢飞强
受保护的技术使用者：北京临近空间飞行器系统工程研究所
技术研发日：2023.06.28
技术公布日：2023/10/6