[發明專利]一種低軌衛星通信動態時延和多普勒模擬方法

有效

• 申請號: 202011276417.2
• 申請日: 2020-11-16
• 公開（公告）號: CN112311449B
• 公開（公告）日: 2022-02-01
• 發明（設計）人: 王聞今;孫港樂;李靈瑄;陳婷婷
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H04B7/185
• 分類號: H04B7/185;H04B17/391;H04L27/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 彭雄

1.一種低軌衛星通信動態時延和多普勒模擬方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，利用低軌衛星運行軌道和地面終端的空間幾何位置關系計算出低軌衛星過頂過程的實時動態通信距離，進而得到動態傳輸時延T_D(t)和多普勒頻偏Δf(t)；

步驟2，利用低軌衛星信號傳輸模型設計動態時延模擬系統，并根據低軌衛星傳輸信號過程中的動態傳輸時延更新模擬系統中動態時延濾波器的系數；

步驟2.1，建立動態時延和多普勒場景下的低軌衛星信號傳輸模型：

令低軌衛星發送的QAM基帶信號為u(t)，其表達式為：

u(t)＝s_I(t)+j₀s_Q(t)

其中，s_I(t)為I路基帶信號，s_Q(t)為Q路基帶信號，基帶信號u(t)經過頻率為f_c的載頻調制后得到發送信號s(t)，其表達式為：

其中，Re為取實數的操作，j₀為

發送信號s(t)經過動態傳輸時延T_D(t)后被地面終端接收；在不考慮信號衰減、多徑傳播因素，只考慮傳輸時延的情況下地面終端接收到的接收信號r(t)表達式：

接收信號r(t)經過周期為T_s的采樣后得到離散信號r(nT_s)，再經過解調后變成離散基帶信號u′(nT_s)，其表達式：

其中，n＝1,2,...,N，N為離散基帶信號u′(nT_s)的采樣數量；

定義傳輸時延倍數D(n)表示第n個采樣時刻的傳輸時延T_D(nT_s)與采樣間隔T_s的比值，其表達式為

其中，I(n)表示D(n)的整數部分，d(n)表示D(n)的小數部分；

當d(n)＝0時，離散基帶信號u′(nT_s)表達式中的u(nT_s-T_D(nT_s))即為發送端的第n-D(n)個離散基帶信號u(nT_s-D(n)T_s)；然而，當d(n)≠0時，u(nT_s-T_D(nT_s))并不是發送端的某個離散信號無法直接得到，需要用衛星端發送過的各離散基帶信號u(nT_s)表示；認為u(nT_s-T_D(nT_s))是衛星端發送的離散基帶信號u(nT_s)通過頻率響應為的FIR濾波器后的輸出信號；假設M階因果FIR濾波器的系數為h(i),i＝0,1,...,M-1，則動態時延場景下的低軌衛星信號傳輸模型為：

步驟2.2，設計動態時延模擬系統：當傳輸時延倍數D(n)較大時，將傳輸時延倍數D(n)中整數部分和小數部分用兩個模塊級聯分別予以實現，具體包括以下三個步驟：

步驟2.2.1，設計隊列結構實現傳輸時延倍數D(n)中整數部分I(n)：為了實現傳輸時延倍數D(n)中的整數部分I(n)，只需要將衛星端的發送信號延遲I(n)個采樣間隔即可予以實現；為此，通過隊列中“先入先出”的結構對衛星端的發送信號進行相應延遲輸出，將衛星端的發送信號u(nT_s)傳輸至隊列結構中得到輸出信號為u_I(nT_s)，其具體表達式為：

u_I(nT_s)＝u((n-I(n))·T_s)

步驟2.2.2，設計動態時延濾波器實現傳輸時延倍數D(n)中小數部分d(n)：采用頻率響應性能良好的拉格朗日插值濾波器作為動態時延濾波器，由于只需要實現傳輸時延倍數D(n)中小數部分d(n)，進而動態時延濾波器的頻率響應為因此，M階拉格朗日插值濾波器系數表達式為：

M階拉格朗日插值濾波器用Farrow結構予以實現，即FIR濾波器系數寫成關于小數部分d(n)的多項式形式；因此，用Farrow結構實現的M階拉格朗日插值濾波器系數表達式寫成：

其中，d(n)^j表示d(n)的j次方，M階拉格朗日插值濾波器系數h(i)多項式中d(n)^j項前系數a_i,j通過展開M階拉格朗日插值濾波器系數表達式得到；除此之外，a_i,j通過計算M階范德蒙德矩陣的逆矩陣得到，由a_i,j組成的M階實數方陣A表達式為：

M階實數方陣A只和濾波器階數M有關，與傳輸時延無關；因此，更新動態時延濾波器時，預先計算出矩陣A的值，再向動態時延濾波器輸入傳輸時延倍數D(n)中的小數部分d(n)即得到實時動態濾波器系數，表達式為：

步驟2.2.3，設計乘法器實現信號傳輸模型中指數部分：通過乘法器將系數與分數時延濾波器的輸出信號相乘，即可實現信號傳輸模型中的指數部分：

步驟2.2.4，結合步驟2.2.1、步驟2.2.2和步驟2.2.3代入步驟2.1中的低軌衛星信號傳輸模型，得到動態時延模擬系統：

步驟3，將衛星端的發送信號進行升采樣濾波處理后通過動態時延模擬系統，并將動態時延模擬系統的輸出信號進行降采樣處理模擬得到經過動態時延和多普勒頻偏后的地面接收信號；

進行升采樣濾波處理的方法：

假設升采樣速率為信號采樣速率的p倍，即升采樣的采樣周期為經過升采樣處理后的衛星發送信號寫成：

其中，表示升采樣處理后信號的第l個數據，l＝1,2,...,pN；

升采樣處理后的衛星發送信號經過M_LP階的低通濾波器后，得到低通濾波后的信號其表達式寫成：

其中，h_LP(i₀)為M_LP階低通濾波器系數，i₀＝0,1,...,M_LP-1；

低通濾波后的信號經過隊列結構的延遲后輸入到動態時延濾波器中，再經過乘法器得到的接收信號為：

其中，I′(l)和d′(l)分別為升采樣后的傳輸時延倍數D′(l)的整數部分和小數部分，而升采樣后的傳輸時延倍數D′(l)表達式為

通過計算模擬接收信號和理想接收信號y_n之間的均方誤差MSE估計模擬的地面接收信號準確性，其表達式為：

其中，N為地面終端采樣點總數。