一种实现卫星物联网突发信号快速捕获的方法
阅读说明：本技术 一种实现卫星物联网突发信号快速捕获的方法 (Method for rapidly capturing burst signals of satellite Internet of things ) 是由 郑爱武 于 2021-04-13 设计创作，主要内容包括：一种实现卫星物联网突发信号快速捕获的方法,增加地面终端的计算降低星上载荷计算量,将多普勒频移从±8～12KHz压缩至±3KHz以下,降低星上解调信息频率不确定性,消除多普勒频移对短时突发扩频信号捕获性能的影响,缩短捕获时间。卫星广播自身星历和全网其他卫星星历；地面终端在首次入网时确定自己的位置,并实时获取自己的位置,根据导航数据校正本地时间和时间精度,在开机后尝试捕获卫星广播帧,在捕获卫星广播帧后获取当前卫星星历,根据卫星星历在后续时间计算卫星位置、相对距离和相对速度；计算最佳发射时刻和使用的扩频码；计算最佳发射时刻的时延和星地多普勒频移；计算真正的发射时刻；到达真正的发射时刻终端反向预置频偏,突发数据。(A method for realizing rapid capture of burst signals of a satellite Internet of things increases calculation of a ground terminal to reduce satellite load calculation amount, compresses Doppler frequency shift from +/-8-12 KHz to be below +/-3 KHz, reduces satellite demodulation information frequency uncertainty, eliminates influence of the Doppler frequency shift on short-time burst spread spectrum signal capture performance, and shortens capture time. Broadcasting self ephemeris and other satellite ephemeris of the whole network by the satellite; the method comprises the steps that a ground terminal determines the position of the ground terminal when the ground terminal is connected to a network for the first time, acquires the position of the ground terminal in real time, corrects local time and time accuracy according to navigation data, tries to capture a satellite broadcast frame after the ground terminal is started, acquires a current satellite ephemeris after the satellite broadcast frame is captured, and calculates the position, relative distance and relative speed of the satellite according to the satellite ephemeris at the subsequent time; calculating the optimal transmitting time and the used spread spectrum code; calculating the time delay and the satellite-ground Doppler shift of the optimal transmitting moment; calculating the real transmitting time; and when the real transmission moment is reached, the terminal reversely presets frequency deviation and burst data.)
技术领域
本发明涉及卫星物联网领域，具体涉及一种实现卫星物联网突发信号快速捕获的方法。
背景技术
近年来，物联网的逐渐兴起，极大地改变了人们的生活方式，智能家居、环境监测、智慧城市等，几乎无处不在，但地面物联网受限于地面基站覆盖面积，无法实现全球覆盖，而卫星通信因其覆盖范围广、不受地理和气候因素限制的特点，可提供全球准实时短数据传输服务，在全球范围内实现真正的“万物互联”。
卫星物联网的通信频率主要工作在VHF频段(30MHz～300MHz，波长1m～10m)和UHF频段(300MHz～3GHz，波长1m～0.1m)，但是VHF频段多数用作电台和电视台广播，同时也是航空航海的通信频段，而UHF频段则广泛应用于移动通信。由于卫星物联网的通信覆盖率要求是全球100％覆盖，用户终端更是分布在不同的地域和空域，包括海上以及杳无人烟的沙漠和荒原。因此上下行频段均极易受到干扰，甚至普通无线电爱好者都可能对卫星物联网的通信造成干扰。其中，相对而言，卫星通信的上行链路比较脆弱。而对物联网卫星上行链路的干扰，主要为数以万计的各种地面台站、电台的干扰，其突出表现为本地噪声抬高和大功率突发干扰。
卫星物联网的用户终端采用突发的方式发送采集数据或通信数据，如何保证海量的卫星物联网用户终端上行突发发送采集数据而不发生碰撞，同时为了保证帧效率和极小的漏帧率，在每次突发起始很短的时间内必须高概率完成突发捕获同步。突发捕获与载波快速同步技术是物联网卫星突发解调系统的一项关键技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种在物联网卫星低信噪比和大多普勒频移环境下实现卫星物联网突发信号快速捕获的方法，能够保证海量的卫星物联网用户终端上行突发发送采集数据而不发生碰撞，并保证在每次突发起始很短的时间内高概率完成突发捕获同步；而且解决了卫星物联网短帧突发直接序列扩频通信要求在短时间内以很低虚警和漏警概率捕获信号这一难题。
根据本发明，提供了一种实现卫星物联网突发信号快速捕获的方法，所述方法以很低的代价增加了地面终端的一些计算，但大大降低了星上载荷的计算量，将多普勒频移从±8～12KHz压缩至±3KHz以下，降低了星上解调信息的频率不确定性，并大大提升了捕获时间。
优选地，所述实现卫星物联网突发信号快速捕获的方法包括：卫星以预定时间间隔不断广播自身星历和全网其他卫星星历；地面终端在首次入网时通过GPS和/或BD确定自己的位置，由此地面终端实时获取自己的位置，并根据导航数据校正本地时间和时间精度；此后，地面终端开机后尝试捕获卫星广播帧；地面终端在成功捕获卫星广播帧后获取当前卫星星历，并根据卫星星历在后续时间计算卫星位置、相对距离和相对速度；接着计算最佳发射时刻和使用的扩频码；然后计算最佳发射时刻的时延和星地多普勒频移；计算最佳发射时刻减去时延的差值作为真正的发射时刻；到达真正的发射时刻后，终端反向预置频偏，突发数据。
优选地，所述预定时间间隔是可设置的(默认是10s)。
优选地，地面终端采用导频的低功耗捕获策略来捕获卫星广播帧。
优选地，地面终端利用多个参数作为随机数计算最佳发射时隙。
本发明进行星地配合计算，虽然增加了地面终端的计算量，但大大降低了星上载荷的计算量，而地面终端的计算比较容易实现，而且代价不大；从而解决卫星物联网短帧突发直接序列扩频通信要求在短时间内以很低虚警和漏警概率捕获信号这一难题。
总而言之，本发明的优势至少包括：1.降低星上载荷的计算量。2.地面终端的计算比较容易实现，而且实现起来代价不大。3.将多普勒频移从±8～12KHz压缩至±3KHz以下，降低了星上解调信息的频率不确定性，有效消除了多普勒频移对短时突发扩频信号捕获性能的影响。4.将捕获时间提升3～4倍。
附图说明
结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的实现卫星物联网突发信号快速捕获的方法的流程图。
需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
具体实施方式
为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。
分散于全球各地的卫星物联网用户终端感知和采集数据后，在卫星过境时突发上传给卫星，通过物联网卫星下传给信关站，经地面网络传送到信息处理中心，经过分类处理后分发给相应的行业用户，可在短时间内获取分布在全球广域的终端数据，是一种基于天基系统的新型实时短数据收发系统，具有高容量、实时性、低成本等主要特点。
上行突发通信的难点在于信号捕获、相干载波和位定时等参数估计上，尤其对于短时突发直接序列扩频信号而言，扩频码同步和参数估计混合在一起，使得问题变得更为复杂。为了实现快速同步和信道参数估计，现有的技术常常在数据包前插入特定的前导序列，比如全“1”或全“0”序列，突发解调器利用前导序列实现快速同步捕获以及载波相位和位定时信息的估计。
有些现有技术设计了仅使用独特码的短时突发扩频信号帧结构，在接收端将扩频码与独特码作为一个复合扩频码看待，提出了基于FFT的高动态突发信号捕获方法，可同时快速完成突发信号检测、扩频码捕获、频偏估计、帧同步检测和位定时捕获等任务，仿真结果也表明该算法能有效消除多普勒频移对短时突发扩频信号捕获性能的影响。
从现有这些技术的实现方法上可以看出，这些算法都比较复杂，算法的计算量很大。用这些技术实现突发信号的快速捕获必须基于卫星上有强大的计算能力，而由于低成本低功耗的物联网卫星平台的限制，通常物联网卫星搭载的载荷计算能力是非常有限的。为了不增加物联网卫星的成本，又能实现突发信号的快速捕获，简化算法或者进一步降低计算量是解决问题的途径之一。
卫星物联网通信系统一般采用短帧突发直接序列扩频通信，具有信噪比低、多普勒频移大等特点。在低信噪比和大多普勒频移条件下，扩频信号捕获相对较难，平均捕获时间大幅增加。大频偏条件下进行扩频码捕获不但要考虑接收信号的码相位不确定因素，还要考虑由于多普勒频移效应及收发时钟源漂移造成的载波频偏和码频频偏的影响，主要以多普勒频移效应影响为主。
多普勒频移fd可由式(1-1)给出：
其中，fc为发射载波频率，v为用户终端的移动速度，c为光速，θ为用户终端运动方向和无线电波入射方向的夹角。
物联网卫星的轨道高度大约为500km～900km，经计算，载波频率为UHF/VHF频段的多普勒频移可以达到±8～12KHz，因此多普勒的影响不能忽略不计。这么大的多普勒，在星地时间无法同步的情况下，即使有足够长的引导序列，处理代价依然很高。如果通过有效的技术手段，使得星上频率搜索范围压缩到≤±3KHz，相同算法的情况下，捕获时间将提升3倍。这对突发信道是非常有利的。
本发明提出一种实现物联网卫星低信噪比和大多普勒频移环境下突发信号快速捕获的方法，即采用基于GPS/BD-2+广播信息+导频测量的反向同步方法。利用卫星星历和用户终端的位置，基于地面终端的计算能力增加地面终端的计算量，降低星上载荷的计算量，采用反向补偿方法将多普勒压缩至≤±3KHz。大大降低了星上解调信息的频率不确定性，从而显著降低星上解扩解调负担。
具体地，图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的实现卫星物联网突发信号快速捕获的方法的流程图。
如图1所示，根据本发明优选实施例的实现卫星物联网突发信号快速捕获的方法包括：
卫星以预定时间间隔(该预定时间间隔可设置，例如10s的间隔)不断广播自身星历和全网其他卫星星历；地面终端在首次入网时通过GPS和/或BD确定自己的位置，由此地面终端实时获取自己的位置，并根据导航数据校正本地时间和时间精度。
此后，地面终端开机后尝试捕获卫星广播帧(优选地采用导频的低功耗捕获策略来捕获卫星广播帧)。
地面终端在成功捕获卫星广播帧后获取当前卫星星历(优选地同时获取全网其他卫星星历)，并根据卫星星历在后续时间(优选地有效期≤10分钟)计算卫星位置、相对距离和相对速度。
在相对距离和相对速度计算相对准确的基础上，地面终端根据广播信息中的反向信道频率配置和码字配置以及时隙配置，计算在指定时隙内的准确发送频偏、发送时刻和发送功率(优选地，保证卫星接收到的信号频率在±3KHz范围以内)，保证卫星能够快速解调。
作为反向同步频偏补偿，地面终端增加的计算主要包括：
根据卫星星历计算指定时刻的卫星位置和多普勒参数。
根据卫星位置和终端位置(本地GPS)计算未来指定时刻(延迟时间)的星地距离。
计算最佳发射时隙(例如利用多个参数作为随机数计算最佳发射时隙)。
到达最佳发射时刻，提前时间(延迟时间)，通过反向预置频偏，终端突发数据。
这样进行星地配合计算，虽然增加了地面终端的计算量，但大大降低了星上载荷的计算量，而地面终端的计算比较容易实现，而且代价不大；从而解决卫星物联网短帧突发直接序列扩频通信要求在短时间内以很低虚警和漏警概率捕获信号这一难题。
总而言之，本发明的优势至少包括：1.降低星上载荷的计算量。2.地面终端的计算比较容易实现，而且实现起来代价不大。3.将多普勒频移从±8～12KHz压缩至±3KHz以下，降低了星上解调信息的频率不确定性。4.将捕获时间提升3～4倍。
需要说明的是，除非特别指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
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