一种卫星移动通信系统高动态终端及切换方法技术方案

本发明专利技术公开了一种卫星移动通信系统高动态终端及接入方法，该终端包括天线射频模块、高稳晶振模块、基带模块和协议处理模块。方法为：采用并行计算和星历数据辅助自适应快速捕获技术进行高动态链路条件下初始同步；信关站检测卫星终端上行业务信道定时或频偏，向信关站发送测距突发PAB3，信关站根据PAB3对终端上行定时和频偏进行精确调整，并发送给卫星终端；卫星终端利用PAB3突发向信关站发送切换接入信令，用于对上行时差与频差的测量，电路信道和分组信道共用切换接入信令，进行终端跨星切换和终端跨波束切换。本发明专利技术在不增加新通信模式的条件下，利用卫星移动通信系统实现高动态终端接入，降低了网络运营复杂度，提高了系统资源利用率。统资源利用率。统资源利用率。

【技术实现步骤摘要】
一种卫星移动通信系统高动态终端及切换方法


[0001]本专利技术涉及卫星移动通信终端
，特别是一种卫星移动通信系统高动态终端及切换方法。

技术介绍

[0002]卫星移动通信系统作为地面蜂窝移动通信的延伸和补充，多用于偏远地区的通信和应急通信，较好地解决了地面蜂窝移动通信系统在偏远地区以及海域中覆盖能力有限的问题。一般来说，典型卫星移动通信系统由GEO/LEO卫星、卫星终端/移动地球站、信关站GW和运控系统等元素组成，可以为用户提供网内电话、短消息、上网、传真等业务，通过与PSTN、PLMN、Internet互联，实现全球范围内业务互联。图1所示给出了基于GMR
‑
1标准的卫星移动通信系统元素组成图。
[0003]用户终端为了获取卫星移动通信系统的业务服务，首先盲搜系统广播的FCCH信号，并根据接收电平的大小选择最佳波束进行驻留，获得系统广播信道BCCH中的网络信息，之后，用户通过随机接入信道RACH获得专用控制信道资源DACCH，并在该信道上完成入网鉴权的流程。入网完成后，用户终端可以向网络申请电路业务信道(如NT3)或分组业务信道(如PNB(10，3))，通过不同的业务信道完成相应的业务数据传输。
[0004]由于L或S频段卫星终端在小型化、低功耗方面的优势，得到了低轨航天器、超高音速飞行器等高动态平台的青睐，利用L或S频段卫星终端实现轨迹监视、飞行控制、机动变轨、遥测/遥控等任务，然而，卫星移动通信系统主要为较低运动速率的地面、海上、空中等卫星终端提供中低速业务接入服务，系统支持最大的定时变化率为0.32us/s，最大的频率变化率为24.6Hz/s。然而，高动态平台的运动速度高、速度变化快，导致卫星终端超过了移动通信系统支持的定时变化率和频率变化率门限。
[0005]当前卫星移动通信系统主要针对地面、海上、空中等低动态终端的接入设计，无法支持搭载在低轨航天器、超高音速飞行器等高动态平台的卫星终端，常见的做法是研制一套独立的系统来支持高动态卫星终端的接入，然而，这将导致系统运营复杂且资源利用率低下。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种支持卫星移动通信系统高动态卫星终端接入、系统运营复杂度低、系统资源利用率高的卫星移动通信系统高动态终端及接入方法。
[0007]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种卫星移动通信系统高动态终端，包括天线射频模块、高稳晶振模块、基带模块和协议处理模块；
[0008]所述天线射频模块，采用多面阵元天线设计，通过在不同方向的阵面上部署多个天线阵元，实现不同通信仰角下对移动通信卫星信号的收发；所有阵面配置独立的低噪声放大器，通过高速发射电子切换开关共享一个功率放大器；射频通道包括2条独立的下变频通道和1条上变频通道，分别连接2个ADC和1个DAC；下变频通道与低噪声放大器之间通过高
速接收电子切换开关互联；ADC对整个通信频带内的信号进行采样形成宽带数字中频信号；
[0009]所述高稳晶振模块，采用高稳定度的晶振，为变频器、ADC/DAC、FPGA模块提供时钟，可以以外部时钟作为参考信号；
[0010]所述基带模块，运行在FPGA上，在移动通信基带处理的基础上，增加多路并行捕获模块、高动态专用信道处理模块和链路预补偿机制模块；其中，所述多路并行捕获模块用于对宽带数字中频信号与多普勒预补偿后的数字本振信号进行混频后，再经过多级滤波器抽取，形成多路广播信道基带数据缓冲区，最后对基带数据缓冲区的数据进行并行盲捕获、精同步后，生成驻留的频点及时频偏信息；所述高动态专用信道处理模块用于信道的调制解调、编解码、功率控制功能；所述链路预补偿机制模块用于根据本地时间和位置、卫星星历信息，计算终端与卫星的相对距离和速度，从而估算出时差和频差信息，调整系统定时；
[0011]所述协议处理模块，运行在通用CPU上，在移动通信高层协议基础上，增加链路层时频调整模块、系统切换控制模块、测量模块和射频切换控制模块；其中，所述链路层时频调整模块根据信关站发送的时频调整命令实时调整上行信号的发送定时和频偏，当SyncStatus＝0时发送PAB3测距消息，加快系统定时快速收敛；所述系统切换控制模块与信关站之间完成跨星跨波束切换流程，实现切换过程中时频资源重配置、数据重发；所述测量模块周期性执行当前服务波束的临波束的测量，并上报邻波束的接收电平，当终端运动距离超过一定的门限后，上报当前终端的位置信息；所述射频切换控制模块根据本地时间位置、卫星星历信息实时推算终端到通信卫星的指向，从而将业务通道切换到相应的天线阵面及配套射频链路上进行信号接收与发送，并且根据测量模块需求将测量通道切换到相应的天线阵面及配套射频链路上进行信号接收。
[0012]进一步地，所述高动态终端，还需要为卫星终端提供与GNSS同步的时钟信号、高精度的位置和时间信息，用于系统同步、切换控制和链路预补偿。
[0013]一种卫星移动通信系统高动态终端的接入方法，基于所述卫星移动通信系统高动态终端，包括高动态链路条件下初始同步流程、高动态链路条件下同步保持流程、终端跨星切换流程和终端跨波束切换流程。
[0014]本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：本专利技术在已有卫星移动通信系统的基础设施，通过“共享公共控制信道”和“扩展业务信道”方式，实现高动态卫星终端的接入，降低了系统运营复杂度，提高了系统资源利用率。
附图说明
[0015]图1是典型卫星通信系统网络的结构示意图。
[0016]图2是本专利技术一种卫星移动通信系统高动态终端的结构示意图。
[0017]图3是本专利技术中终端跨星切换的流程示意图。
[0018]图4是本专利技术中终端跨波束切换的流程示意图。
[0019]图5是实施例中在某可视弧段内低轨卫星星载终端接收多普勒频偏的曲线图。
[0020]图6是实施例中在某可视弧段内低轨卫星星载终端接收多普勒频偏变化率曲线图。
[0021]图7是实施例中在某可视弧段内低轨卫星星载终端与移动通信卫星时延变化率曲线图。
具体实施方式
[0022]结合图2，一种卫星移动通信系统高动态终端，包括天线射频模块、高稳晶振模块、基带模块和协议处理模块；
[0023]所述天线射频模块，采用多面阵元天线设计，通过在不同方向的阵面上部署多个天线阵元，实现不同通信仰角下对移动通信卫星信号的收发；所有阵面配置独立的低噪声放大器，通过高速发射电子切换开关共享一个功率放大器；射频通道包括2条独立的下变频通道和1条上变频通道，分别连接2个ADC和1个DAC；下变频通道与低噪声放大器之间通过高速接收电子切换开关互联；ADC对整个通信频带内的信号进行采样形成宽带数字中频信号；
[0024]所述高稳晶振模块，采用高稳定度的晶振，为变频器、ADC/DAC、FPGA模块提供时钟，可以以外部时钟作为参考信号；
[0025]所述基带模块，运行在FPGA上，在移动通信基带处理的基础上，增加多路并行捕获模块、高动态专用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种卫星移动通信系统高动态终端，其特征在于，包括天线射频模块、高稳晶振模块、基带模块和协议处理模块；所述天线射频模块，采用多面阵元天线设计，通过在不同方向的阵面上部署多个天线阵元，实现不同通信仰角下对移动通信卫星信号的收发；所有阵面配置独立的低噪声放大器，通过高速发射电子切换开关共享一个功率放大器；射频通道包括2条独立的下变频通道和1条上变频通道，分别连接2个ADC和1个DAC；下变频通道与低噪声放大器之间通过高速接收电子切换开关互联；ADC对整个通信频带内的信号进行采样形成宽带数字中频信号；所述高稳晶振模块，采用高稳定度的晶振，为变频器、ADC/DAC、FPGA模块提供时钟，可以以外部时钟作为参考信号；所述基带模块，运行在FPGA上，在移动通信基带处理的基础上，增加多路并行捕获模块、高动态专用信道处理模块和链路预补偿机制模块；其中，所述多路并行捕获模块用于对宽带数字中频信号与多普勒预补偿后的数字本振信号进行混频后，再经过多级滤波器抽取，形成多路广播信道基带数据缓冲区，最后对基带数据缓冲区的数据进行并行盲捕获、精同步后，生成驻留的频点及时频偏信息；所述高动态专用信道处理模块用于信道的调制解调、编解码、功率控制功能；所述链路预补偿机制模块用于根据本地时间和位置、卫星星历信息，计算终端与卫星的相对距离和速度，从而估算出时差和频差信息，调整系统定时；所述协议处理模块，运行在通用CPU上，在移动通信高层协议基础上，增加链路层时频调整模块、系统切换控制模块、测量模块和射频切换控制模块；其中，所述链路层时频调整模块根据信关站发送的时频调整命令实时调整上行信号的发送定时和频偏，当链路同步失败时发送PAB3测距消息；所述系统切换控制模块与信关站之间完成跨星跨波束切换流程，实现切换过程中时频资源重配置、数据重发；所述测量模块周期性执行当前服务波束的临波束的测量，并上报邻波束的接收电平，当终端运动距离超过设定的门限后，上报当前终端的位置信息；所述射频切换控制模块根据本地时间位置、卫星星历信息实时推算终端到通信卫星的指向，从而将业务通道切换到相应的天线阵面及配套射频链路上进行信号接收与发送，并且根据测量模块需求将测量通道切换到相应的天线阵面及配套射频链路上进行信号接收。2.根据权利要求1所述的卫星移动通信系统高动态终端，其特征在于，所述高动态终端，为卫星终端提供与GNSS同步的时钟信号、位置和时间信息，用于辅助系统同步、切换控制和链路预补偿。3.一种卫星移动通信系统高动态终端的接入方法，其特征在于，该方法基于权利要求1或2所述的卫星移动通信系统高动态终端，包括高动态链路条件下初始同步流程、高动态链路条件下同步保持流程、终端跨星切换流程和终端跨波束切换流程。4.根据步骤3所述的卫星移动通信系统高动态终端的接入方法，其特征在于，所述高动态链路条件下初始同步流程，包括以下步骤：步骤1.1、将广播信道频点列表、星历数据、波束指向数据等信息写入到高动态卫星终端非易失存储设备中，或在轨运行阶段，通过测控通道向卫星终端上注广播频点列表、星历、波束指向等更新数据；步骤1.2、卫星终端根据本地时间和位置信息、星历数据、波束指向数据等信息，估算到达移动通信卫星的覆盖范围的时间T，并设置唤醒定时器，进入休眠状态等待唤醒；
步骤1.3、当卫星终端醒来后，根据本地时间和位置信息、星历数据和波束指向数据估算当前位置的所有波束的广播信道，并形成候选广播频点集合进行频率搜索，以减少无用同步信道的相关计算；步骤1.4、若星历数据未过期，则根据本地时间、位置信息、星历数据外推移动通信卫星的位置和相对速度，并结合候选信道集合中的广播信道中心频点计算多普勒频移，对其进行预补偿，通过多路并行计算来加快同步过程，每一路都利用匹配滤波器进行滑动搜索，选择幅度最大的一路作为接入信道；步骤1.5、若星历数据已过期，则卫星终端进入并行搜索阶段，则针对候选广播信道频点集合中的每一个中心频点进行并行捕获计算；步骤1.6、一旦选择频点后，卫星终端则连续接收广播信号，并获得最新星历信息，若星历数据未过期，则根据本地时间、位置信息、星历数据等外推通信卫星的位置和相对速度，并结合候选信道集合中的广播信道中心频点计算多普勒频移及往返延时，并对上行随机接入信道进行时间频率预补偿；步骤1.7、信关站收到卫星终端发送的随机接入消息后，对随机接入突发进行测量，计算时差频偏后，并立即通过AGCH信道向终端反馈时频差和分配专用的业务信道进行传输。5.根据权利要求4所述的卫星移动通信系统高动态终端的接入方法，其特征在于，步骤1.4所述的若星历数据未过期，则根据本地时间、位置信息、星历数据外推移动通信卫星的位置和相对速度，并结合候选信道集合中的广播信道中心频点计算多普勒频移，对其进行预补偿，通过多路并行计算来加快同步过程，每一路都利用匹配滤波器进行滑动搜索，选择幅度最大的一路作为接入信道，具体如下：步骤1.4.1、通过ADC对整个通信频带内的信号进行采样，形成宽带数字中频信号，数字中频信号与多普勒预补偿后的数字本振信号进行混频后，再经过多级滤波器抽取，形成多路广播信道基带数据缓冲区；步骤1.4.2、对每个基带数据缓冲区中的数据进行盲检测，将基带数据与本地产生的双Chirp信号进行滑动相关处理s(t)，找到相关峰能量最大位置，调整缓冲区指针位置到能量最大点，并进行精同步；其中，f为chirp信号的扫频频率，T为突发间隔；步骤1.4.3、将本地产生的s
up
(t)与基带缓冲区中的数据进行相关，并进行FFT运算，寻找幅度的峰值，并计算信噪比SNR，若当前信噪比SNR小于设定的门限信噪比，则判定未检测到广播信号，终止搜索；反之，若SNR高于设定的门限信噪比，则判定信号到达，记录此时的FFT峰值f
up
，终止搜索；s
up
(t)的计算公式为：步骤1.4.4、待所有路径搜索完成后，选择SNR最大的广播信道作为驻留信道，将值s
dn
(t)与其基带缓冲区中的数据进行相关后，进行FFT运算，记录此时的FFT峰值f
dn
，以此计算此时的频移和时延估计；s
dn
(t)的计算公式为：f
d
＝0.5
·
(f
dn
+f
up
)其中，f
s
为移动通信系统的符号速率。6.根据权利要求4所述的卫星移动通信系统高动态终端的接入方法，其特征在于，步骤1.5所述的若星历数据已过期，则卫星终端进入并行搜索阶段，则针对候选广播信道频点集合中的每一个中心频点进行并行捕获计算，具体如下：步骤1.5.1、根据广播信道中心频点、搜索窗口大小Win
search
、最大多普勒频率Max
do...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁亚南，江丹，鲍峰，孙亮亮，肖跃，刘剑锋，
申请(专利权)人：中电防务科技有限公司，
类型：发明
国别省市：