低轨卫星物联网星地距离时间同步及多普勒频偏补偿技术.pdf
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1、 2023 年 8 月第 4 期 现代导航 283 低轨卫星物联网星地距离时间同步及多普勒频偏补偿技术 鲁东明,陈少峰(中国电子科技集团公司第二十研究所,西安 710068)摘 要:针对低轨卫星(LEO)围绕地球做高速运动造成的传播距离远、多普勒频移大的特点,分析多普勒频移对星地同步和通信质量造成的影响,采用基于星历信息和网络规划等态势预测手段实现多普勒频移计算和预补偿技术,对星地多普勒频移进行粗补偿,并结合物理层波形采用的直接扩频序列特点,通过延迟锁定完成频移跟踪修正,保证卫星链路的高质量可靠连接,确保卫星物联网的高效可靠安全运行。关键词:卫星物联网;星地距离时延补偿;多普勒频偏补偿;低轨卫
2、星 中图分类号:TN927 文献标志码:A 文章编号:1674-7976-(2023)-04-283-08 Time Synchronization of Space-ground Distance and Doppler Frequency Offset Compensation Technology for LEOIoT LU Dongming,CHEN Shaofeng Abstract:Aiming at the characteristics of long propagation distance and large Doppler frequency shift caused b
3、y the high-speed movement of low earth orbit(LEO)satellites around the earth,the impact of doppler frequency shift on satellite to ground synchronization and communication quality is analyzed.doppler frequency shift calculation and pre compensation techniques are implemented based on ephemeris infor
4、mation and network planning and other situation prediction methods to coarse compensate for satellite to ground doppler frequency shift,and the characteristics of direct spread spectrum sequences used in physical layer waveforms are combined,complete frequency shift tracking and correction through d
5、elay locking,ensuring high-quality and reliable connection of satellite links,and ensuring efficient,reliable,and safe operation of the satellite internet of things.Key words:LEOIoT;Delay Compensation of Space-Ground Distance;Doppler Frequency Offset Compensation;Low Earth Orbit 0 引言 随着物联网应用渗透到人类活动的
6、各个领域,其在一些大范围、跨地域、恶劣环境等数据采集的领域,出现了服务能力与需求失配的现象。究其原 收稿日期:2023-03-10。鲁东明(1994.10),河南长垣人,硕士,工程师,主要研究方向为信号处理。基金项目:“陕西省 2021 年重点研发计划”项目(2021ZDLGY04-05)因,主要是对于依靠无线接入的物联网来说,除了要有物联网终端外,还必须要有一个由足够多的基站构成的通信网络。但是在地面布设基站及连接基站的通信网却受到诸多的限制:无法在占地球表面大部分面积的海洋、沙漠等区域建立基站;在用户稀少或人员难以到达的边远地区建立基站的成本将会很高;发生自然灾害(如洪涝、地震、海啸等)或
7、战乱时地面网络容易被损坏。因此,地面物联网在一些应用场景中表现出了服务能力严重不足的问题1。284 现代导航 2023 年 如果将物联网基站搬到“天上”,即建立卫星物联网1,使之成为地面物联网的补充和延伸,则能够有效克服地面物联网的前述不足,并具有下列优势:覆盖地域广,可实现全球覆盖,传感器的布设几乎不受空间限制;几乎不受天气、地理条件影响,可全天时全天候工作;系统抗毁性强,在自然灾害、突发事件等紧急情况下依旧能够正常工作;易于向大范围运动目标(飞机、舰船等)提供无间断的网络连接等2。在卫星轨道的选择上,相比采用对地静止轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)卫星,采
8、用低轨道(Low Earth Orbit,LEO)卫星实现物联网,具有如下优点:能够降低传播时延,提高消息的时效性;减小传输损耗,有助于终端的小型化;通过多颗低轨卫星构成星座实现全球无缝覆盖(含两极),提高物联网的覆盖范围;实现见天通,解决特定地形内通信效果不佳问题;缓解 GEO 卫星轨道位置和频率协调难度大的问题。因此,近年来低轨卫星物联网得到了研究者的广泛关注。“全球物联网星座”、“全球低轨星座”新趋势开始大行其道,美国航天工程调查公司在 2018 年 1 月发布的市场预测显示,2018 年2020 年,预计有 936 颗低轨微纳卫星处于规划和设计阶段,在未来 5 年将有2 600 颗低轨
9、微纳卫星发射升空3。针对低轨卫星物联网的研究,特别是如何满足卫星载荷相对地面终端高速移动的多普勒频偏要求,开展技术攻关,对卫星物联网的推广应用十分必要。1 低轨卫星物联网载荷及终端设计 本文拟研制满足小型化、低功耗的卫星载荷一台和地面终端两台,三台终端共同组成卫星物联网模型,卫星载荷和地面终端组网方式如图 1 所示。在该网络中,卫星载荷为时间基准,两台地面终端在入网时,通过往返定时,采用星地距离自适应补偿技术,完成与卫星载荷的时间同步。地面终端与卫星间通信无需中继,两台地面终端间通信需通过卫星载荷进行中继。面对 LEO 卫星以每秒几公里的速度围绕地球做高速运动所造成的传播距离远、多普勒频移大的
10、特点,分析多普勒频移对星地同步和通信质量造成的影响,采用基于星历信息和网络规划等态势预测手段实现多普勒频移计算和与补偿技术,对星地多普勒频移进行预补偿,并结合波形采用的直接扩频序列技术,通过延迟锁定完成频移跟踪修正,保证卫星链路的高质量可靠连接,确保卫星物联网的高效可靠安全运行。图 1 卫星载荷及终端组网模型 本文涉及的研究内容主要分为两部分,分别是星地多普勒频移补偿和星地距离时延补偿技术。2 星地多普勒频移补偿 2.1 星地多普勒频移 卫星物联网终端的多普勒频移是指卫星与地面终端由于相对运动导致发送信号频率与接收信号频率出现的差值4。多普勒表达式为 cccffV (1)式中:cf为通信载波频
11、率,假设为1 GHz;c为光速;V为卫星与地面终端的径向相对运动速度,其最大值如式(2)所示 max()sinxyVVV (2)式中:xV为卫星对地速度7.2 km/s;yV为移动用户的水平速度;为用户卫星连线与对地法向的夹角,如图2所示。图 2 卫星与移动用户 A 的相对速度示意图 第 4 期 鲁东明等:低轨卫星物联网星地距离时间同步及多普勒频偏补偿技术 285 按照信号波形载波频率1 GHz,机载终端移动速度3马赫,卫星天线的最大半波束张角为60进行仿真,仿真结果如图3所示。0102030405060051015202530 图 3 多普勒频移仿真图 根据仿真结果,星地多普勒频移和用户卫星
12、连线与对地法向的夹角成正比,最大值为30 kHz。2.2 多普勒频移对卫星通信的影响 多普勒频移对卫星通信的影响包括:1)时间同步分析 地面终端开机先与卫星时钟对时,为了实现经长期静默后定时精度仍然保持50 s以内,地面终端的时钟稳定度需满足如表1所示条件。表1 地面终端时钟稳定度要求 静默时间/h 1.0 2.0 3.0 4.05.0稳定度/1e-8 1.39 0.694 0.46 0.360.28 前向公共信道测距:秒脉冲来临时,卫星在下行公共信道发送截短伪码,每秒改变截短伪码相位。若地面终端时钟达到表1所示稳定度,地面终端捕获伪码后解算与卫星之间的传播时延。在此基础上,地面终端计算定时提
13、前,确保发送的信道在预先分配的时隙到达卫星天线。按照10 Mcps的chip速率计算,码片宽度为 6chip 1/10 10s0.1sT (3)在噪声的影响下,相关峰可能偏差若干码片,以5个码片计,此时,测距精度为0.5 s。由于卫星与地面终端之间的高速运动,卫星与地面终端之间的距离变化导致的传输时延发生变化。卫星与地面终端之间的传播时延约为 813000 0002RTT86.667 ms3.0 10(4)则,卫星与地面终端之间的距离变化为12RTTvv,传输时延变化如式(5)所示 1282800680RTT86.667sc3.0 ms11.5000vv(5)定时误差为(500.51.005)
14、s51.505,由物理帧结构可知,时隙长度约为6 ms,若设保护间隔为10%的时隙长度,即600 s,则完全可以容许上述51.505 s的定时误差。2)采样点偏移 数据帧结构中包含用于粗同步和精同步的帧头,通过相关峰捕获运算确定数据段采样点的定时位置,以定时点为基准利用采样时钟进行码片采样能够精确保证采样数据与原始数据几乎不存在偏差5。对于星地链路,由于中低轨卫星的高速移动,星地通信终端的位置距离实时发生变化,当数据帧精同步后,报文段的码片数据会根据星地切向距离的远近产生漂移6,如图4所示。图 4 业务段随星地切向距离变化产生漂移示意图 286 现代导航 2023 年 微纳卫星的对地速度为7.
15、9 km/s,飞机的水平速度通常小于3马赫(1.02 km/s),卫星天线的最大半波束张角为60,因此星地切向的最大速度为8 km/s。若通信消息采用3 ms传输帧格式,星地切向速度引起的报文段距离偏移为020 m,折算时间偏移为067 ns;采用6 ms传输帧格式,星地切向速度引起的报文段距离偏移为040 m,折算时间偏移为0134 ns。本方案波形的码片速率为5 MHz,67 ns的时间偏移会使码片采样点偏移约1/3,134 ns的时间偏移会使码片采样点偏移约2/3,对接收机性能影响的仿真结果如图5所示。468101214161810e-810e-710e-610e-510e-410e-3
16、10e-210e-10 相偏+频偏 0KHz相偏+频偏 30KHz相偏+频偏 30KHz+50ns时间差相偏+频偏 15KHz+75ns时间差相偏+频偏 30KHz+75ns时间差图 5 不同时间偏差下接收信号的误比特率 多普勒频移为30 kHz,75 ns时间偏移与0 ns时间偏移在误比特率为1e-5时,大约损失10 dB;多普勒频移为30 kHz,50 ns时间偏移与0 ns时间偏移在误比特率为1e-5时,大约损失3 dB。根据仿真结果可以看出,时间偏移对接收机的性能影响非常严重,必须通过码跟踪技术实时修正采样点偏差。2.3 多普勒频移预补偿算法 多普勒频移预补偿包括:1)地面终端多普勒频
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