一种低轨卫星系统中多普勒频偏估计与补偿方法与流程

本发明属于卫星通信，具体涉及一种低轨卫星系统中多普勒频偏估计与补偿方法。

背景技术：

1、在与地面5g系统融合的低轨卫星系统中，采用基于正交频分复用(ofdm，orthogonal frequency division multiple)技术进行数据传输，ofdm系统对频偏非常敏感，针对存在大频偏的低轨卫星通信场景，只能采用较大的子载波间隔配置，降低了频谱效率。对于能力受限的小型终端，无法支持较大的带宽，这也降低了系统使用的灵活性。

2、在目前的低轨卫星系统中，多采用基于星历数据的方法或采用导频信号进行多普勒频偏估计，单独采用星历数据的方法对星历数据的精度要求较高，并且也要求终端获取自身的位置、速度等信息，单独采用导频信号的估计方法估计范围有限，两种方法联合使用也存在诸多限制。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种低轨卫星系统中多普勒频偏估计与补偿方法，解决了低轨卫星通信场景下的频偏难以精确估计的技术问题，本发明降低了对星历数据准确性和终端能力的要求，扩大了常规导频方法的频偏估计范围，提高了频偏估计精度。

2、为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种低轨卫星系统中多普勒频偏估计与补偿方法，包括：

4、s1根据卫星星历数据和终端设备的位置信息得到多普勒频偏粗估计值；

5、s2利用多普勒频偏粗估计值进行多普勒频偏预补偿；

6、基于导频分段的方法，对预补偿后的多普勒频偏进行残余多普勒频偏估计，得到残余多普勒频偏估计值；

7、s3基于最大后验概率方法，将多普勒频偏粗估计值作为先验信息，并结合残余多普勒频偏估计值进行残余多普勒频偏精确估计，得到残余多普勒频偏精确估计值；

8、s4利用残余多普勒频偏精确估计值进行多普勒频偏补偿。

9、进一步的，步骤s1中，根据卫星星历数据和终端设备的位置信息得到多普勒频偏粗估计值的方法包括：

10、s1.1根据卫星星历数据得到卫星在地心空间直角坐标系下的位置rs和速度vs，rs＝[xs,ys,zs]，vs＝[vsx,vsy,vsz]；

11、s1.2根据终端设备的位置信息得到终端设备在地心空间直角坐标系下的位置ru和速度vu，ru＝[xu,yu,zu]，vu＝[vux,vuy,vuz]；

12、s1.3根据卫星在地心空间直角坐标系下的位置rs和速度vs以及终端设备在地心空间直角坐标系下的位置ru和速度vu得到多普勒频偏粗估计值

13、

14、其中，fc为信号载波频率，c为真空中的光速。

15、进一步的，步骤s1.2中，终端设备的位置信息包括终端设备的经度ζ、纬度和高度ξ；

16、

17、

18、

19、式中，a为地球的半长轴，e为地球椭圆偏心率。

20、进一步的，步骤s2中，对预补偿后的多普勒频偏进行残余多普勒频偏估计，得到残余多普勒频偏估计值的方法包括：

21、s2.1假设导频符号采用块状结构，且每个子帧中第λ个ofdm符号为导频，λ为大于0的整数；

22、s2.2将导频符号等分为两段，得到两段序列，对两段序列进行相关计算，得到相关计算结果γi,λ；

23、s2.3根据相关计算结果γi,λ得到残余多普勒频偏估计值

24、进一步的，步骤s2.2中，

25、其中，ri,λ(·)表示终端设备第i子帧第λ个ofdm符号第·个采样点的接收信号，n表示采样点的序号，n为子载波数目；

26、步骤s2.3中，

27、其中，arg(·)为取角度操作，的范围为[-δfδf]，δf为子载波间隔。

28、进一步的，步骤s3中，基于最大后验概率方法，将多普勒频偏粗估计值作为先验信息，并结合残余多普勒频偏估计值进行残余多普勒频偏精确估计，得到残余多普勒频偏精确估计值的方法包括：

29、s3.1建立多普勒频偏的最大后验概率估计值关于多普勒频偏粗估计值的表达式；

30、s3.2对步骤s3.1所得表达式进行简化，得到多普勒频偏的最大后验概率估计值关于多普勒频偏粗估计值和残余多普勒频偏估计值的表达式，即残余多普勒频偏精确估计值。

31、进一步的，步骤s3.1中，多普勒频偏的最大后验概率估计值关于多普勒频偏粗估计值的表达式为：

32、

33、其中，是实际多普勒频偏的后验概率分布，ε是目标归一化多普勒频偏，r是接收到的ofdm信号，是接收信号的条件概率分布，是已知ε的条件下的概率分布函数，ζ(ε)是ε的先验分布概率，且ζ(ε)与ε和的最大值均互不相关。

34、进一步的，步骤s3.2中，对步骤s3.1所得表达式进行简化的方法包括：

35、s3.2.1在r与相互独立的条件下，得到的表达式：

36、

37、其中，n表示采样点的序号，n为子载波数目，re(·)为取复数的实部操作；

38、在莱斯信道下，*表示取共轭，plos为直射分量的功率，和分别为si,m(n)和wi,m(n)的方差，si,m(n)表示第i个子帧第m个ofdm符号的第n个采样点的时域数据，wi,m(n)表示第i个子帧第m个ofdm符号的第n个采样点的加性高斯白噪声；

39、s3.2.2假设终端设备以随机的速度与方向运动，则服从均值为ε，标准差为σε的高斯分布，表示为：

40、

41、s3.2.3在ζ(ε)与ε和的最大值均互不相关的条件下，忽略log[ζ(ε)]；

42、s3.2.4根据步骤s3.2.1中的表达式和步骤s3.2.2中的表达式得到多普勒频偏的最大后验概率估计值关于多普勒频偏粗估计值和残余多普勒频偏估计值的表达式(在中代入)，即残余多普勒频偏精确估计值。

43、进一步的，残余多普勒频偏精确估计值

44、

45、

46、其中，γ为接收信号的信噪比，

47、进一步的，残余多普勒频偏精确估计值采用网格搜索法确定，网格搜索法的范围为

48、本发明与现有技术相比具有如下至少一种有益效果：

49、(1)本发明创造性的提出一种低轨卫星系统中多普勒频偏估计与补偿方法，将基于星历数据得到的频偏粗估计作为先验信息，与基于导频分段的频偏估计方法相结合，利用最大后验概率方法得到频偏精确估计，提高了频偏估计精度；

50、(2)本发明降低了对星历数据准确性和终端能力的要求，扩大了常规导频方法的频偏估计范围，提高了频偏估计精度；

51、(3)本发明能够广泛应用于低轨卫星通信系统中，具有很高的实用性。

技术特征：

1.一种低轨卫星系统中多普勒频偏估计与补偿方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种低轨卫星系统中多普勒频偏估计与补偿方法，其特征在于，步骤s1中，根据卫星星历数据和终端设备的位置信息得到多普勒频偏粗估计值的方法包括：

3.根据权利要求2所述的一种低轨卫星系统中多普勒频偏估计与补偿方法，其特征在于，步骤s1.2中，终端设备的位置信息包括终端设备的经度ζ、纬度和高度ξ；

4.根据权利要求1所述的一种低轨卫星系统中多普勒频偏估计与补偿方法，其特征在于，步骤s2中，对预补偿后的多普勒频偏进行残余多普勒频偏估计，得到残余多普勒频偏估计值的方法包括：

5.根据权利要求4所述的一种低轨卫星系统中多普勒频偏估计与补偿方法，其特征在于，步骤s2.2中，

6.根据权利要求1所述的一种低轨卫星系统中多普勒频偏估计与补偿方法，其特征在于，步骤s3中，基于最大后验概率方法，将多普勒频偏粗估计值作为先验信息，并结合残余多普勒频偏估计值进行残余多普勒频偏精确估计，得到残余多普勒频偏精确估计值的方法包括：

7.根据权利要求6所述的一种低轨卫星系统中多普勒频偏估计与补偿方法，其特征在于，步骤s3.1中，多普勒频偏的最大后验概率估计值关于多普勒频偏粗估计值的表达式为：

8.根据权利要求7所述的一种低轨卫星系统中多普勒频偏估计与补偿方法，其特征在于，步骤s3.2中，对步骤s3.1所得表达式进行简化的方法包括：

9.根据权利要求8所述的一种低轨卫星系统中多普勒频偏估计与补偿方法，其特征在于，残余多普勒频偏精确估计值

10.根据权利要求9所述的一种低轨卫星系统中多普勒频偏估计与补偿方法，其特征在于，残余多普勒频偏精确估计值采用网格搜索法确定，网格搜索法的范围为

技术总结
本发明公开了一种低轨卫星系统中多普勒频偏估计与补偿方法，包括：根据卫星星历数据和终端设备的位置信息得到多普勒频偏粗估计值；利用多普勒频偏粗估计值进行多普勒频偏预补偿；基于导频分段的方法，对预补偿后的多普勒频偏进行残余多普勒频偏估计，得到残余多普勒频偏估计值；基于最大后验概率方法，将多普勒频偏粗估计值作为先验信息，并结合残余多普勒频偏估计值进行残余多普勒频偏精确估计，得到残余多普勒频偏精确估计值；利用残余多普勒频偏精确估计值进行多普勒频偏补偿。本发明降低了对星历数据准确性和终端能力的要求，扩大了常规导频方法的频偏估计范围，提高了频偏估计精度。

技术研发人员：孙垂强,贺宏洲,张传林,张剑,张旭
受保护的技术使用者：西安空间无线电技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12

网址：一种低轨卫星系统中多普勒频偏估计与补偿方法与流程 https://mxgxt.com/news/view/1632350

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