低轨卫星信号捕获与跟踪技术综述.pdf
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1、816 Radio Communications TechnologyVol.49 No.5 2023doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2023.05.006引用格式:方一鸣,赵祥天,赵亚飞,等.低轨卫星信号捕获与跟踪技术综述J.无线电通信技术,2023,49(5):816-825.FANG Yiming,ZHAO Xiangtian,ZHAO Yafei,et al.A Survey on Low Earth Orbit Satellite Signal Acquisition and Tracking Technology J.Radio Communication
2、s Technology,2023,49(5):816-825.低轨卫星信号捕获与跟踪技术综述方一鸣,赵祥天,赵亚飞,孙耀华,彭木根(北京邮电大学 信息与通信工程学院 网络与交换技术国家重点实验室,北京 100876)摘 要:低轨(Low Earth Orbit,LEO)卫星互联网相较于地面网络有更大的网络覆盖范围与更强的网络稳定性,有利于实现全球立体无缝网络覆盖,是未来 6G 网络重要的发展趋势。低轨卫星相较于中高轨卫星具有更高的运行速度,因此,低轨卫星信号具有更大的多普勒频移和动态特性,而低轨卫星信号的高精度捕获与跟踪是低轨卫星通信的基础。随着相控阵天线在低轨卫星和卫星终端上的推广应用,多
3、波束和跳波束技术也为信号的捕获与跟踪带来挑战。从低轨卫星信号互联网的信号特点出发,提出了信号捕获与跟踪过程中的技术挑战,重点阐述了现有捕获与跟踪方法的基本原理与适用范围,探讨了低轨卫星网络中信号捕获与跟踪技术的未来发展方向。关键词:低轨卫星互联网;信号捕获;信号跟踪;波束控制中图分类号:TN927.2 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID):文章编号:1003-3114(2023)05-0816-10A Survey on Low Earth Orbit Satellite Signal Acquisition and Tracking TechnologyFANG Yimin
4、g,ZHAO Xiangtian,ZHAO Yafei,SUN Yaohua,PENG Mugen(State Key Laboratory of Networking and Switching Technology,School of Information and Communication Engineering,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876,China)Abstract:Compared with terrestrial networks,Low Earth Orbit(LEO)ha
5、s larger network coverage and stronger network stability,which is beneficial to the realization of global three-dimensional seamless network coverage,and is an important direction trend of the fu-ture 6G network.LEO satellites have higher operating speeds compared to medium and high Earth orbit sate
6、llites.Therefore,LEO satel-lite signals have larger Doppler frequency shifts and dynamic characteristics.The high-precision acquisition and tracking of LEO satellite signals is the foundation of integrated satellite-terrestrial communication.With the promotion and application of phased array antenna
7、s in LEO satellites and satellite terminals,multi-beam and hopping beam technologies also pose challenges for signal acquisition and track-ing.This paper presents technical challenges in signal acquisition and tracking in view of signal characteristics of LEO satellite signal,focuses on basic princi
8、ples and scope of application of existing acquisition and tracking methods,and finally discusses future develop-ment direction of signal acquisition and tracking technology in LEO satellite network.Keywords:LEO satellite internet;signal acquisition;signal tracking;beam control收稿日期:2023-06-03基金项目:中国博
9、士后科学基金(2023M730337)Foundation Item:China Postdoctoral Science Foundation(2023M730337)0 引言通信技术的价值在于为尽可能多的用户提供广泛、便捷、快速、稳定的网络覆盖。现有通信系统可以通过以光纤为代表的有线服务和以 WiFi 为代表的无线服务来为用户提供低时延、大容量和高可靠的通信服务,但在较为偏远,且不适宜构建地面通信系统的地区存在覆盖不全面的问题,例如偏远山区、沙漠和海洋,无法提供有效的通信服务;另外由于地面设施相对固定,在发生自然灾害时,地面通信系统会受到影响而无法工作,这些问题导致现有地面系统无法完全满足
10、全部通信要求。而处于高空的卫星2023年第49卷第5期无线电通信技术817 已经在遥感、导航与检测领域证明其广覆盖、高可靠的特性,因此采用低轨(Low Earth Orbit,LEO)卫星网络进行通信可以实现通信的高质量与广泛覆盖,这也是通信网络发展的必然趋势1-5。在低轨卫星通信场景下,由于卫星载体的运动,会导致传输过程中接收机接收信号有较大的多普勒频移和多普勒频率变化率,这种高动态特性会导致接收机无法正常对信号进行接收,需要采取高性能的信号捕获与跟踪技术,实现信号同步,才能实现星间以及星地的信号正常传输,进而实现低轨卫星通信6。本文从低轨卫星互联网实际应用场景出发,探讨信号特点与挑战,重点
11、分析阐述信号同步过程中信号捕获、跟踪与波束控制技术的特点与基本原理,最后展望未来低轨卫星通信场景下信号捕获与跟踪技术可能的发展趋势。1 低轨卫星互联网应用低轨卫星网络由于其距地面较近且覆盖范围大,因此有利于为较大范围内用户提供低时延、强稳定、高通信质量、高公平且资源利用率高的通信服务5,7。低轨卫星通信主要应用场景包括手机直连、边远地区覆盖、应急情况保障和通导遥 一体等8。1.1 手机直连手机直连卫星实现通信是低轨卫星网络最核心也是最基础的应用,通过手机直连,用户可以在任何区域内获得网络连接。基于移动性管理,用户可以同时与多颗卫星及地面基站通信,实现真正的“无缝切换”;基于频谱管理,精确化管理
12、小区覆盖,提供更可靠更稳定的信息传输,同时降低地面通信系统负载。1.2 边远地区通信覆盖由于环境以及成本限制,传统地面通信系统无法完全覆盖所有地区。而卫星具有高覆盖与无视地理环境等传输特性,因此采用低轨卫星进行通信可以破除地理环境限制,低成本地为所有用户提供通信与数据服务,实现全球通信覆盖。1.3 应急通信保障由于地面通信系统基于地面固定设备实现通信,因此当遇到地震、洪水等地质灾害时,会由于设备受损与停电而中止地区通信服务。因此采用低轨卫星进行通信可以在出现应急状况时,全面接管通信传输任务,保障基础服务,进而提高救灾恢复效率,提高通信系统的抗毁性。1.4 通导遥一体低轨卫星互联网可以将太空低轨
13、通信卫星、导航卫星、遥感卫星融合,实现通导遥一体,在这种情况下,可以根据任务由卫星互联网传递遥感、导航需求与指令,并快速传输具体的导航与遥感数据,让地面能够及时、准确地获得特定导航与遥感信息9-10。2 低轨卫星信号特点2.1 低轨卫星链路构成与分析在低轨卫星网络中主要有星间链路、馈电链路、用户链路和测控链路,具体构成如图 1 所示。其中星间链路指的是卫星之间的通信链路,馈电链路指的是卫星与信关站之间的通信链路,而用户链路则指的是卫星与移动终端之间的通信链路。卫星测控链路则是卫星与地面测控站之间的通信控制链路,用于实现对卫星的控制与遥测。卫星测控链路中指令的准确传输直接关系到卫星的安全运行,因
14、此卫星测控链路着重于信息传输的准确性与可靠性,通常采用抗干扰性能强的扩频通信体制进行通信。而星间链路、用户链路和馈电链路则由于效率等方面原因较少采用扩频体制,通常基于 3GPP 的 5G 体制进行设计,如 AST 和 Lynk 等,只有 Globalstar 与苹果手机直连中由于 Globalstar 采用的私有通信协议而导致用户链路使用扩频体制,以及应用场景出于保密与抗干扰需求才会选择扩频体制。图 1 低轨卫星网络链路构成Fig.1 LEO satellite network link architecture本文主要介绍具有普适性且适用于各种终端的信号捕获与跟踪技术,另外考虑到卫星网络中存
15、在扩818 Radio Communications TechnologyVol.49 No.5 2023频体制以及捕获与跟踪技术的多样性,因此也列举了一些主要针对扩频体制的信号捕获与跟踪技术。2.2 信号特性分析低轨卫星通信系统中卫星主要运行在 500 1 500 km 的低空轨道中,由于其轨道高度低,因此具有传输损耗低和低时延的特性,是最有可能实现卫星互联网的卫星通信系统。但由于卫星本身体积与宇宙空间环境限制,卫星发射功率有限,同时也因为距离以及干扰等因素导致接收机所收信号信噪比较低。另外,卫星较快的运动速度会给信号带来多达几百 kHz 的多普勒频移,如此大的频谱偏移会给接收机设计带来挑战
16、,迫使接收机放大前端带宽,进而导致带外噪声引入,使得接收信噪比降低,同时如此大的频谱偏移还会导致同步中频率搜索区间过大,给信号同步带来更大挑战,影响信号接收。由于卫星信号具有信噪比低且多普勒频移大的动态特性,因此如何在这种环境下,实现稳定可靠接收成为了实现低轨卫星通信的关键点。2.3 低轨卫星波束特点2.3.1 卫星多波束特点及挑战多波束技术可以通过数字波束合成(Digital Beam Forming,DBF)来指向低轨卫星信号接收方向,提高接收信号信噪比11-12。多波束技术在接收时需要分析波束指向来达到最佳接受性能。遍历所有情况找出最大接收功率显然效率较低,因此如何迅速根据接收信号分配权
17、值合成最佳接收波束成为实现波束捕获的主要挑战。2.3.2 卫星跳波束特点及挑战跳波束技术基于相控阵技术实现,通过改变相位来快速调整波束方向,实现信号发送与接收13。跳波束技术使低轨卫星频谱资源能够被灵活调配,在功率有限情况下,产生更高质量的信号,有效提高低轨卫星系统频谱效率;同时跳波束技术可以让低轨卫星通信系统灵活适应不同吞吐率,根据需求 求 解 出 时 隙 切 换 表,进 行 波 束 的 周 期 性调整14-15。由于低轨卫星通信中的跳波束技术在不断变换波束,而只有成功捕获波束才能正常接收信号,因此如何在短时间内跟踪到波束指向并进行跟踪控制成为了跳波束应用的主要挑战。3 关键技术信号接收过程
18、中,首先需要进行的是波束捕获与跟踪控制。波束捕获的目的是在接收到信号后能迅速锁定到接收信号对应的波束,从而进行跟踪控制,实现波束对准。波束跟踪控制针对多波束技术而言,通过分析找出实现波束对准所需权值,通过设置相控阵权值来对准波束,完成接收。通过波束捕获与跟踪控制,完成波束对准,实现信号的准确接收,然后需要获取接收信号的多普勒频移和码相位偏移来实现同步。其中对信号的同步具体包含捕获过程和跟踪过程。首先是进行捕获,通过信号捕获技术获取较为粗略的码相位信息与多普勒频移信息,这些低分辨率的信息有助于之后的信号跟踪;之后进行跟踪,通过信号跟踪技术利用捕获得到的信息精确估计码相位信息与载波频率,解调出导航
19、数据。3.1 波束捕获与跟踪控制3.1.1 波束捕获低轨卫星通信网络中通常采用跳波束技术来提高频谱利用效率,会存在波束的频繁切换,需要波束捕获技术来及时跟踪捕获波束变化,实现准确接收。低延迟快速捕获(Low Delay Fast Acquisition,LDFA)是一种用于在卫星通信系统中快速捕获和跟踪通信波束的算法。LDFA 算法的目标是最小化与卫星建立可靠通信链路所需的时间,这对于延迟敏感的应用(如实时语音和视频通信)来说非常重要。为了与卫星建立通信链路,地面站必须首先确定其当前所在的波束,然后将其接收器调谐到适当的频率,这个过程被称为波束采集。LDFA 算法旨在通过结合使用快速信号处理技
20、术和智能搜索策略,将执行波束捕获所需的时间降至最低。低延迟快速捕获算法通常涉及以下步骤:使用宽带接收机搜索卫星。一旦检测到卫星,将接收机调谐到卫星信号的频率,并对信号进行解调,以提取关于波束结构和可用波束的信息。确定地面站当前所处波束,并将接收机调谐到该波束的适当频率。在波束移动时跟踪波束,根据需要调整接收机频率,以保持可靠的通信链路。3.1.2 波束跟踪控制在卫星通信中应用多波束技术可以方便快捷地针对信号来源处产生对应波束,以较高信噪比接收信号。传统波束跟踪过程中采用机械电机结构来实现2023年第49卷第5期无线电通信技术819 波束对准,其中天线方向决定波束方向,通过不断转动实现接收信噪比
21、最大化。但这种方式需要精密的机械结构、高昂的制造成本以及较慢的对准过程,因此使用效果并不能满足低轨卫星互联网通信需求。而采用数字波束合成的多波束技术可以通过数字方式简单、方便地控制波束方向,快速追踪波束。波束跟踪控制主要有两种方法:波束自适应控制和波束切换控制。波束自适应控制方法根据输入信号情况自适应调整阵列权值,从而在无需估计输入信号方向情况下给出最优波束控制方向。但自适应控制每次都需要重新估计,导致计算复杂度过高,因此实时性较差,且需要较多的硬件资源,在实际情况下应用较少。波束切换控制方法会在设备中预存有对应方向的波束权值,过程中需要确定输入信号方向,通过比较各个指向上的功率,来判断信号指
22、向,再通过查询权值表获得波束指向的正确权值。这种方式可以预先求解出各个波束指向的权值,进而在实际控制过程中直接查表获取权值,相比较于自适应控制方法更简单、高效。在实际情况中,可以借助先验信息(例如星历、轨道信息)来缩小搜索范围,加快波束切换控制方法的搜索。波束捕获流程图如图 2所示。图 2 波束捕获流程图Fig.2 Flowchart of beam acquisition3.2 信号捕获技术传统的捕获方法中,常常通过相关运算和能量检测来观察较高的能量峰,以此来找到码相位,但实际情况下会由于多普勒频移导致载波不能完全消除进而导致能量峰急剧下降,从而难以找到正确的码相位。因此,十分有必要得到准确
23、的载波信息,将其对相关峰的影响完全消除,进而得到较为准确的码相位,实现捕获。信号捕获的目标是将相位差别控制在半个码元宽度内。本节介绍的滑动相关捕获算法、并行捕获算法和序列估计捕获算法主要用于测控链路中扩频信号的捕获,而匹配滤波器算法、FFT 捕获算法和PMF-FFT 捕获算法则可以用于馈电链路、星间链路、用户链路和测控链路。3.2.1 滑动相关捕获算法滑动相关算法是最常见的信号捕获方法,通常用于扩频体制下的信号捕获,在低轨卫星网络中可以用于测控链路,其本质是一种二维搜索法,同时搜索载波频率与相位。其为伪码生成器设置与接收信号不同的速率,进而实现二者相对滑动,在一个相关周期内一般伪码会滑动半个码
24、片,滑动会一直持续到两个码序列相位对齐时,此时便得到所接收伪码的相位。另外对于载波频率的搜索可以通过改变本地载波来实现,当本地载波频率与伪码载波频率接近时,可以输出相关峰,因此可以通过对相关峰的检测来得到伪码载波频率。滑动相关算法结构如图 3 所示,其将对伪码载波频率与相位的搜索分别转化成对本地载波频率和本地伪码发生器时钟的控制,当相位一致且出现足够的相关峰时,便搜索得到伪码的载波频率与相位,从而实现捕获16。图 3 滑动相关法伪码捕获的结构框图Fig.3 Block diagram of the structure of pseudocode acquisition by slide cor
25、relation method820 Radio Communications TechnologyVol.49 No.5 20233.2.2 并行捕获算法并行捕获算法与滑动相关算法类似,均针对测控链路中的扩频体制实现捕获,不同的是其在通过本地载波解调进行载波剥离后,会并行使用2N 个支路的伪码序列相关解扩器分别处理,之后使用最大值选择器选择各并行支路的最大值,由于输出最大值的相位与接收信号相位误差最低,因此其相位可以作为捕获得到的伪码相位,进而实现 信 号 捕 获16。并 行 捕 获 算 法 原 理 如 图 4所示。图 4 并行捕获算法Fig.4 Parallel acquisition m
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