低轨卫星信号捕获与跟踪技术综述

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。     

标校卫星地面应用系统方案设计

卫星标校技术采用低轨卫星搭载标校载荷为地面测控设备标定系统误差,由于国内标校卫星发展较晚,相关研究主要集中于地面具体型号测控设备的卫星标校方法,缺少标校卫星地面系统研究以及真实卫星数据和试验验证手段。针对国内首个标校卫星型号“天平”一号卫星地面应用系统,设计了系统工作模式,提出了标校卫星任务规划方法,并对精密定轨调度和标校数据处理业务流程进行了分析设计。标校卫星地面应用系统面向标校用户提供测控设备标校服务,并为后续研究提供真实卫星数据和试验验证平台。     

对低轨卫星星座天基测控服务模式的设计与应用

随着大规模低轨卫星星座的全面部署,对天基测控服务模式提出了新的挑战。分析了低轨卫星星座在常态运行、应急使用以及智能化应用中的测控需求;构建了新型天基测控服务系统,设计了前返向实时跟踪波束和全域静态波束组合应用的天基测控资源保障模式。提出了基于地面运管中心统一调度的天基测控服务模式,给出了即时计划驱动和“返向全时分发+前向业务驱动”两种典型模式下的系统工作流程,归纳总结了所述服务模式产生的效益。详细梳理了与所述服务模式相适配的卫星终端设计要求,明确了不同模式下的卫星终端工作状态。可用于指导后续对低轨卫星星座天基测控服务的工程化应用。     

一种考虑反向缝的全球低轨卫星通信系统的波束排布方法

针对全球低轨卫星通信系统的动态性引起的反向缝区域覆盖问题,采用辐射场到地球覆盖区的转换方法,仿真分析了单个卫星服务区为圆形、椭圆和矩形时的全球覆盖情况,并采用椭圆子波束排布对椭圆和矩形的卫星覆盖进行了分析。结果表明,在不增加波束个数的前提下,采用波导缝隙阵的长椭圆子波束,单个卫星矩形覆盖可以有效解决卫星反向缝区域无法完全覆盖的问题。通过对多星影响下的载干比统计方法进行分析,得出这种卫星波束排布方法满足卫星通信的要求,为低轨卫星的天线波束设计提供了理论参考。     

基于带宽协调的多波束卫星同频组网技术

多波束卫星广泛采用三色/四色等传统频率复用方案，建立了多波束卫星系统模型，并将地面移动通信中的同频组网技术引入多波束卫星通信系统中，提出了一种基于带宽协调的频率复用技术。该技术将系统资源分配分为波束间资源分配和波束内资源分配，波束间资源基于部分频率复用方法进行分配，波束内资源采用均匀方式和基于注水算法2种方式进行分配。仿真结果表明，相比于传统复用技术，所提出的基于带宽协调的频率复用技术在系统总吞吐量性能方面有较大提升。     

高低轨频率共存卫星通信系统鲁棒波束成形算法研究

针对静止轨道(Geostationary Earth Orbit, GEO)卫星系统和低轨道(Low Earth Orbit, LEO)卫星系统频率共享时存在的干扰问题,本文基于低轨分布式卫星编队提出了一种鲁棒自适应波束成形算法,从空间域功率隔离角度解决了高低轨卫星通信系统上行链路共用频谱时GEO用户对于LEO卫星共线干扰问题。算法中综合考虑卫星通信系统长传播时延导致的阵列导向矢量存在一定误差,在基于线性约束最小方差(LCMV)准则的自适应波束成形器中设计了考虑系统最恶劣误差情况的鲁棒性约束,并采用泰勒级数逼近法求解波束成形器加权矢量。仿真结果表明本文的鲁棒波束成形算法在卫星通信环境下适应度较高,能够有效地缓解高低轨卫星通信系统频率共享带来的同频干扰问题。      

一种新的分布式小卫星SAR系统抗干扰方法

针对分布式小卫星SAR系统抗干扰时编队构形的限制,研究了优化阵列在超稀疏构形抗干扰中的应用.使用优化阵列确定编队构形中小卫星的相对位置,可以提高方向分辨率,减小达到一定波束形成性能所需要的孔径长度,减小所需小卫星数目,降低硬件开销.分析了卫星位置偏差对抗干扰性能的影响.仿真证明,采用优化阵列构形可以使分布式小卫星SAR系统获得良好抗干扰性能.     

C波段双波束卫星接收天线及高效双模双波束馈源系统

本文采用偏置馈源口径场技术从理论上分析了偏置波束场型和增益,研究和计算了慧形象差影响所引起的增益损失。研制出的双波束馈源系统,可用于任意前馈卫星站的改造;3m双波束卫星接收天线增益高、副瓣低、噪声小。     

低轨卫星通信系统干扰分析及策略研究

卫星通信技术日益进步,低轨卫星通信系统已然成为新的发展趋势。由于频谱资源受限,低轨卫星通信系统可能面临自身及与外部地面和卫星系统的同频干扰问题。文章指出从外部系统对低轨卫星通信系统干扰、低轨卫星通信系统对外部系统干扰以及低轨卫星通信系统内部干扰3个方面进行了系统干扰场景分析,在此基础上,根据不同的干扰情况分别给出了外部地面干扰、低轨卫星通信系统与同步静止轨道卫星以及系统内部的干扰规避策略,可以为低轨卫星通信系统设计提供一定的参考,保障系统能有效可靠地运行。     

浅谈低轨卫星星载通信信号处理关键技术

近年来,国家在卫星体系建设方面投入了大量的人力、财力和物力资源,卫星系统的发展也取得了一系列的成果。低轨卫星是卫星系统的重要组成部分,而且由于低轨卫星具有许多其他卫星不具备的特点而引起了广泛的关注。文章围绕低轨卫星在信号处理方面所需的关键技术进行研究,试图为改进低轨卫星的运行做出一定的努力。     

基于拓扑和位置感知的卫星导航增强信息播发网络构建研究

It is an effective method to broadcast the augmentation information of satellite navigation system using GEO technology. However, it becomes difficult to receive GEO signal in some special situation, for example in cities or canyons, in which the signal will be sheltered by big buildings or mountains. In order to solve this problem, an Internet based broadcast network has been proposed to utilize the infrastructure of the Internet to broadcast the augmentation information of satellite navigation system, which is based on application layer multicast protocols. In this paper, a topology and position aware overlay network construction protocol is proposed to build the network for augmentation information of satellite navigation system. Simulation results show that the new algorithm is able to achieve better performance in terms of delay, depth and degree utilization.     

A modified power control scheme for remedying the effects of traffic nonuniformity in LEO satellite communications systems

It has been shown in our previous studies that the geographical traffic nonuniformity considerably affects the performance of the low earth orbit satellite communications systems. In this paper, a new scheme for improving the throughput characteristics of these systems at nonuniform traffic distribution is proposed. In this method, some parts of the users under the satellite which is flying over the area with high traffic load are assigned to its neighbor satellites with lower transmitting power levels. It is shown that the method equalizes the traffic loads of the satellites to some degree and, hence, can improve the throughput characteristics of the system.     

卫星覆盖区测试方法及工程应用

卫星覆盖区是卫星系统为用户提供服务能力的重要指标之一,也是卫星系统测试的重要内容。研究通过几个主要评判参数:出站链路卫星发射EIRPs、用户接收误码率,入站链路卫星G/T值的测试评判卫星覆盖区范围。同时介绍并对比了目前卫星覆盖区测试的2种测试方法:移动测试法和卫星姿态偏置测试法,以及测试所需测试设备组成和测试流程,并通过卫星覆盖区测试的工程实践说明了测试的可行性和有效性。     

北斗系统对流层延迟改正模型精度分析

北斗系统是我国自主研制的卫星导航定位系统,为提高该系统的定位精度,必须对其误差源引起的定位误差进行修正。对流层延迟是影响北斗卫星定位精度的误差源之一,它是由对流层大气对卫星信号的折射而引起,因此需要进行对流层延迟改正,其改正精度将直接影响卫星的定位精度。针对目前导航系统常用的3种对流层延迟模型,利用公认的电波射线描迹法进行比对,得到了各个模型的特征和适用范围,从而为我国北斗导航卫星定位应用中的对流层延迟模型选择奠定基础。     

综合应用静止轨道(GEO)和中轨道(MEO)的卫星移动通信系统研究

本文针对我国的具体国情，研究了一个综合应用静止轨道（ＧＥＯ）和中轨道（ＭＥＯ）卫星的区域卫星移动通信系统，它具有投资少，见效快，风险小等特点，并在此基础上对系统中存在的若干关键技术进行了研究。     

ASSESSMENT OF A PUBLIC MOBILE SATELLITE SYSTEM COMPATIBLE WITH THE GSM CELLULAR NETWORK

The integration between cellular networks and satellite systems is a very promising issue, since it permits the immediate provision of the radio services offered by the cellular networks to areas lacking in terrestrial facilities. In this paper the viability of a full integration between the GSM cellular network and a satellite system is dealt with. The L-band land mobile payload has been assumed as a reference; nevertheless the presented results can be extended to other payloads. The basic requirement of full integration is that the insertion of the satellite system does not entail any modification of the already existing GSM network. The integration analysis has been carried out by examining both the link feasibility and the network architecture. As far as link feasibility is concerned, the analysis is performed by means of an ad hoc simulation tool developed at CSELT (Turin). The simulation results are displayed for GSM speech channels at both full-rate (TCH/FS) and half-rate (TCH/HS). Such results are used in order to compute the satellite link budgets and the satellite system capacity. The characteristics of the satellite propagation channel, of the satellite-compatible mobile station and of the reference payload are explained as well. As far as the network architecture is concerned, the paper identifies the most promising satellite system configuration and the satellite system counterpart of the GSM functional areas (cell, location area, MSC area). Moreover, the problems and the relevant solutions related to the extension of the main GSM procedures (e.g. call set-up, cell selection/reselection, handover) to the integrated network are dealt with. This paper is based upon the work performed by the authors in the framework of the European Space Agency (ESA) study: ‘Assessment of a public mobile satellite system compatible with the GSM cellular network’, Telespazio (Rome) is the prime contractor of this study. The opinions herewith reported are not necessarily those of ESA.     

Efficient dynamic authentication for mobile satellite communication systems without verification table

The mobile satellite system is an important wireless communication system widely used nowadays. The issue of protecting the transmission security in low‐earth‐orbit satellite networks thus becomes more and more critical. It is known that several authentication schemes for satellite communication systems have been proposed to deal with the issue. However, previous protocols either employ complicated public key computation or have to maintain a verification table. In this paper, the author will introduce a new dynamic authentication protocol for mobile satellite communication systems without using a verification table. The comparison results will also show that the proposed scheme has lower computational costs. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

对地面某区域某时段连续覆盖的卫星轨道计算

为了对地面某一区域在未来某一时段连续覆盖,需要对在轨卫星变轨,并计算变轨后的卫星轨道参数。基于在轨卫星部分轨道参数(椭圆轨道a,i,e,圆轨道a,i)和t时刻星下点的位置坐标及卫星的地面高度,计算卫星的6个轨道参数,从而得到t时刻对星下点位置为中心的区域覆盖所需要的卫星轨道参数。利用t时刻卫星在J2000.0平天球坐标系3个坐标轴的位置与速度分量计算其卫星轨道参数。用STK卫星工具箱软件6.0高精确度轨道产生器仿真,输入所得的t时刻卫星轨道参数,运行STK 6.0得到的星下点位置与事先设置的星下点相距6.63 m,完全满足卫星对地面覆盖的需要。欲对该区域在t时刻以后的一段时间连续覆盖,所需要的卫星轨道参数可按共地面轨迹计算;通过STK 6.0高精确度轨道产生器对计算得到的卫星轨道参数进行仿真,验证了计算结果的正确性。     

卫星应急通信指挥平台设计方法论

卫星应急通信指挥平台设计是一项复杂的系统设计工作,需要设计人员掌握和运用多种设计方法。本文概括性地归纳了卫星应急通信指挥平台设计的一般性方法论,分析了卫星应急通信指挥平台设计的基本原则、主要特征、性质分类,总结了设计过程中运用的传统设计方法和现代设计方法,包括模型设计法、常规设计法、系统设计法和可靠性设计法等4种主要设计方法,为设计人员进行卫星应急通信指挥平台设计提供了理论指导。     

天地一体化信息网络中天基卫星网络架构设计

为了充分利用各种空间设施资源,提升天基信息网络覆盖与传输能力,分别从天基信息网络体系架构和逻辑功能架构角度进行了系统性设计。与以往天基网络的设计不同,该设计更注重各类卫星网络的深度融合应用,为此将网络虚拟化技术引入天基卫星网络。同时,还提出了解决新架构下卫星组网难题的方法,将电磁涡旋、卫星灵活载荷和边缘计算技术设计到天基网络。仿真表明,所提出的架构能有效提升频谱利用率和减少卫星网络信令开销。