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

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）

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。

卫星物联网；星地距离时延补偿；多普勒频偏补偿；低轨卫星

0 引言

随着物联网应用渗透到人类活动的各个领域，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]。

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

图2 卫星与移动用户A的相对速度示意图

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。

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 μs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

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

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 μs。

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

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

微纳卫星的对地速度为7.9 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0～20 m，折算时间偏移为0～67 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0～40 m，折算时间偏移为0～134 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。

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）地面终端多普勒频移预补偿

根据规划文件中的卫星轨道基本参数以及星历信息[7]，能够计算出卫星的实时位置以及速度矢量；根据地面终端惯导或者GPS/北斗获取自己的位置信息以及速度矢量如式（6）所示

将式（6）带入多普勒计算公式（1）即可求得卫星相对地面终端的多普勒频移值，用其进行星地链路频偏预补偿，当估计误差小于15%时，补偿后的星地多普勒频移在±5 kHz范围内，对地面终端接收灵敏度几乎没有影响。

2）卫星物联网终端多普勒频移预补偿

卫星需要与广域覆盖范围内所有的用户进行通信，而预估计多普勒至少需要知道通信双方的位置信息。因此，卫星根据地面终端周期发送的入网消息，在星上实时维护全网用户的位置信息，根据时隙规划中时隙的源发平台编识号，提前查询上星时隙的源发用户位置信息，结合卫星星历预估计星地多普勒频移，具体方法如下：

根据卫星的轨道基本参数以及星历信息，可以计算卫星的实时位置R以及速度矢量V。由于用户的位置信息R已知，速度矢量为0，根据式（7）即可求得卫星相对用户的多普勒频移

卫星发送、接收地面号时，采用该值进行星地链路频偏预补偿，即可将卫星覆盖区域内，移动用户与卫星的多普勒频移补偿至一定误差范围内，最大误差为

图6 基于星历预估计的频偏补偿流程示意图

3）扩频码跟踪修正

本文波形采用32位伪码对5 bits数据采用循环码移键控（Cyclic Code Shift Keying，CCSK）的直接序列扩频方式，能够通过延迟锁定环对扩频码的采样点进行跟踪修正[8]，如图7所示。

接收机采用40 MHz的时钟对每个码片进行8倍采样，并对输入的路和路数据进行两次时钟延迟，每次延迟一个采样点周期，这样便可得到三路数据，中间一路为实时路，前后两路分别为滞后路和超前路。由于每码片采样点数较少，不需要采用复杂的环路滤波算法，只是将三路相关值作比较，通过相关值的大小趋势提取采样点误差，调整延迟时钟，即可修正相对距离变化引起的采样点渐变偏移。

3 星地距离时延补偿及时间统一

3.1 传输帧时隙适配

传输帧时隙适配包括：

1）卫星收发时隙控制

微纳卫星通信系统的星地通信距离存在500 ～1 500 km的动态变化，需要根据卫星轨道参数在发送和接收地面通信信号时进行时延自适应修正[9]，具体方法如下：

根据微纳卫星的轨道高度，离卫星最近用户的星地距离为垂直星下点高度500 km，将这一高度记为地面用户与卫星的传输必经距离。对于上行链路，卫星接收时隙起始时刻参考地面传输时隙自适应延迟2 ms（500 km折算），传输保护时间用于保证近卫星用户和远卫星用户星地距离差引起的卫星接收时间抖动，如图8所示。

图8 用户发送时隙与卫星接收时隙对应关系示意图

对于下行链路，卫星发送时隙起始时刻参考地面传输时隙自适应提前2 ms，传输保护时间用于保证近卫星用户和远卫星用户星地距离差引起的用户接收时间抖动，如图9所示。

图9 用户的接收时隙越界示意图

根据分析，在星地同步时间误差小于500 μs条件下，采用2 ms保护段能够支持最远1 500 km的星地传输距离（折算卫星覆盖直径为2 500 km）。

2）通信时隙规划约束

为保证地面终端传输体制不变，卫星的接收时隙相对于地面需延迟2 ms，发送时隙相对于地面需提前2 ms，因此星上存在同时收发时隙的可能，若卫星具备频分双工能力，则不会产生收发信号相互干扰。但受限于微纳卫星的平台和天线设计，卫星只能采用时分双工模式（即收发不同时）。因此需要限制中继时隙的前一个时隙不能是需中继的通信时隙，否则会导致卫星收发信号碰撞[10]，如图10所示。

为避免卫星收发信号不碰撞，需要采用星地通信时隙与视距通信时隙插空规划的方式，如图11所示。

图10 需中继时隙和中继时隙碰撞示意图

图11 星地通信时隙与视距通信时隙穿插规划示意

3.2 星地时间统一

星地时间统一包括：

1）微纳卫星粗同步

在通信网络规划时，指定唯一成员作为时基，指定微纳卫星作为辅助时基。微纳卫星到达覆盖区域时，在约定的频点实时监听时基发送的入网消息，当接收到入网消息后，获取系统时间和入网工作参数，此时卫星将获取系统时间与地面时基存在时间偏差，偏差范围为2～4.83 ms。

图12 微纳卫星入网阶段发送接收时序的关系

2）微纳卫星精同步

图13 微纳卫星与时基RTT询问应答过程

4 算法的实验验证

4.1 实验验证系统

算法仿真效能评估原型系统以及基于原型端机的半实物实验环境构建如图14所示，达到星地一体通信典型示例性能测试与功能演示的效果。其中基于零中频的信号处理模块主要为实验验证提供通信原型端机。本文的多普勒频移预补偿及星地距离时间统一算法运行在星地通信仿真效能评估原型系统中。

图14 仿真效能评估原型系统

4.2 性能测试

利用实验验证平台对微纳卫星载荷的多普勒频移预补偿及星地距离时间统一算法进行功能性能测试与验证，分析算法在不同轨道条件下的抗多普勒频移量及星地时间同步精度，轨道高度为500 ～1 500 km的近地轨道。在不同轨道条件下，进行1 000次蒙特卡洛实验，通过统计通信成功次数及星地时间差来计算抗多普勒频移量和星地时间同步精度。

实验结果表明：

1）星地链路频偏预补偿算法估计误差小于13%，补偿后的星地多普勒频移在±5 kHz范围内，对星地通信几乎没有影响；

2）星地同步时间误差小于530 μs，适当增加通信数据包的时间保护段即可，对通信性能基本没有影响。

5 结语

面对低轨卫星围绕地球做高速运动所造成的传输距离变化大、多普勒频移效应明显的特点[11]，本文算法分析传播时延和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星地距离自适应补偿，对星地距离和多普勒频移进行粗补偿后，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，对低轨卫星物联网的大规模应用提供了一定的理论与技术支持。

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Time Synchronization of Space-ground Distance and Doppler Frequency Offset Compensation Technology for LEOIoT

LU Dongming, CHEN Shaofeng

Aiming at the characteristics of long propagation distance and large Doppler frequency shift caused by 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 information 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 delay locking, ensuring high-quality and reliable connection of satellite links, and ensuring efficient, reliable, and safe operation of the satellite internet of things.

LEOIoT; Delay Compensation of Space-Ground Distance; Doppler Frequency Offset Compensation; Low Earth Orbit

TN927

A

1674-7976-(2023)-04-283-08

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。

“陕西省2021年重点研发计划”项目（2021ZDLGY04-05）