一种基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统技术方案

本发明专利技术一种基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统，包括低轨移动通信卫星和地面终端；低轨移动通信卫星上设置有多波束天线，低轨移动通信卫星能够通过多波束天线向地面终端发送基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星信号，系统的基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星信号具有高的瞬时落地功率，结合跳频跳时特征，具有强的抗干扰能力，能够提供安全的定位授时服务。地面终端只需接收至少一颗低轨移动通信卫星播发的信号，能够实现对终端自身的定位与授时功能。

A kind of LEO Mobile Communication Satellite System Based on the function of frequency hopping, time hopping, positioning and timing

The invention relates to a low orbit mobile communication satellite system based on the time hopping positioning and timing function, which comprises a low orbit mobile communication satellite and a ground terminal; the low orbit mobile communication satellite is provided with a multi beam antenna, and the low orbit mobile communication satellite can send the low orbit mobile communication satellite signal based on the time hopping positioning and timing function to the ground terminal through the multi beam antenna The LEO Mobile communication satellite signal with FH time hopping function has high instantaneous landing power, combined with FH time hopping characteristics, has strong anti-interference ability, and can provide safe positioning time service. The ground terminal only needs to receive the signals from at least one LEO Mobile communication satellite, which can realize the positioning and timing functions of the terminal itself.

【技术实现步骤摘要】
一种基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统
本专利技术涉及一种基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统，属于低轨移动通信跳频跳时定位授时

技术介绍
全球卫星导航系统(GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS)以其全气候全天时提供定位导航授时服务的能力，在国民经济、交通、娱乐、国防安全等各个领域发挥着越来越重大的作用，已成为不可或缺的空间基础设施。然而，GNSS信号落地功率受限，其易受遮挡，抗干扰能力弱的特点受到关注。随着当前低轨铱星星座的发展，特别是低轨移动通信卫星的发展，为提供一种安全定位授时(SecurityPositioningandTiming,SPT)服务成为了可能。低轨移动通信卫星信号的瞬时落地功率限制高于GNSS信号，基于通导融合信号体制涉及，充分挥发低轨移动通信卫星瞬时落地功率高的优势，转化为抗干扰能力的提升。美国高完好性GPS项目(或称为iGPS项目)，曾计划利用下一代铱星(IridiumNext)低地球轨道通信卫星系统播发类GPS信号和GPS辅助增强信息，提高定位精度和抗干扰能力。iGPS对原铱星信号进行了适应性改造，利用空闲的通信信道资源播发导航测距信号(专利号：US7579987B2)，但是其上行信号和下行信号采用同频时分结构，导航信号是不连续播发的，当通信业务繁忙时，定位授时功能可能中断。iGPS未在下一代铱星上播发，取而代之的是播发了一个卫星定位授时(SatelliteTimeandLocation,STL)信号。STL是对铱星信号的寻呼信道进行了再设计，是一个25kHz符号速率，采用QPSK。该专有的STL突发包括一个CW、一个PRN码序列，以及调制数据。STL突发平均每1.4s播发一次，在铱星多个波束中时分轮询播发。虽然STL信号落地功率比GPS高30dB，但是，由于STL是窄带扩频脉冲信号，而GNSS是宽带扩频信号，STL信号本身的抗干扰能力提升有限。国内方面，专利“卫星导航通信一体化方法及系统”(专利号：CN201410514108.2)给出一种卫星导航通信一体化方法，将导航信号与通信信号进行多载波调制，获得调制信号后发送。专利“广播定位信号生成方法、定位方法及装置”(专利号：CN201010517356.4)，则将测距扩频码隐藏在OFDM调制的通信信号中，实现定位功能。专利“扩跳频体制的无线电导航系统”(专利号：CN2009100072086.8)给出一种扩跳频体制的无线电导航系统，导航电文在扩跳频调制模块中进行直扩调制和跳频调制。专利“一种双频低轨星基卫星导航增强信号产生方法”(专利号：201811449036.2)公开了一种双频低轨星基卫星导航增强信号生成方法，通过设计两套发射频率，产生双频卫星导航增强信号。可以看到，上述专利中，播发这些信号的系统，能够同时提供通信业务和定位授时业务，但是，通常的做法是在通信信号中添加或者播发类似GNSS信号的导航信号，因此系统提供的通信业务和定位授时业务是完全分离的，降低了频谱利用率。播发iGPS信号的系统利用空闲的通信业务信道播发窄带PRN，但是当通信业务多时无法播发IGPS信号，因此其提供的定位授时业务的连续性可用性没有保障；播发STL信号的系统则是对铱星原有的单向时隙进行改进，是一种窄带脉冲扩频信号，系统提供定位授时服务时，系统本身的抗干扰能力有限，难以在强干扰条件下提供服务。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种具有跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统，针对低轨移动通信卫星，设计通信导航融合SPT信号体制，实现定位授时以及抗干扰能力提升。解决了基于低轨移动通信卫星的通导深度融合问题，在提供通信业务的同时能够提供定位授时服务，提升了频谱利用率。定位授时服务不影响通信业务，且不受通信业务量的制约，能够提供连续的可用的定位授时服务。解决了信号抗干扰能力弱的问题，能够在干扰情况下提供安全的定位授时业务。本专利技术解决的技术方案为：一种基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统，包括低轨移动通信卫星和地面终端；低轨移动通信卫星上设置有多波束天线，低轨移动通信卫星能够通过多波束天线向地面终端发送基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星信号，所述通信卫星信号时域结构为信号在时域采用时分复用体制，以基本帧、时隙进行通信业务；(以基本帧、时隙进行通信，优选为：通信卫星信号，包括多个基本帧，每个基本帧包括多个时隙，每个用户至少占用一个时隙，通过时隙传递通信信息，通信信息包括语音。)信号以TF为一个基本帧长，每个基本帧分为Nslot个时隙，每个时隙长度为Tslot＝TF/Nslot。；优选方案为该信号同时支持通信业务与定位授时业务，通信业务的帧结构包括独特码、信道编码后的信息、循环冗余检验(CRC)码，时隙间存在保护间隔，定位授时业务帧结构中，时隙间是连续的。所述通信卫星信号的频域结构为，信号在频域采用频分复用体制，(频域优选包括上行频带和下行频带)，整个下行频带占据带宽BW，带宽BW划分为Nsubband个BWsubband＝BW/Nsubband的子频带，每一个子频带根据需要划分为多个更小的带宽(带宽即载波间隔)。发送低轨移动通信卫星信号的多波束天线采用多色复用体制，多色复用体制是具有多波束天线的卫星采用的一种频率复用方案，常见的是四色复用方案，用于提升频谱利用效率，将整个信号频谱带宽分为多个子频带，每个波束根据需要使用一个或者几个子频带，同时保证相邻的波束间使用不同的子频带，实现避免波束间同频干扰。移动通信卫星信号中包括寻呼信道(PCH)信号和安全定位授时(SPT)信号，PCH信号是单向下行信号，用于下行同步(下行同步优选是指即用户的移动终端开机，终端捕获低轨移动卫星的PCH信号进行同步，实现终端时钟信号与通信信号时隙的同步)、被叫寻呼(被叫寻呼优选方案为向本波束内的被叫终端发送由起呼终端发起的寻呼信息)以及播发广播信息(广播信息优选包括了卫星号、波束号)，PCH信号固定在一个子频带播发。PCH信号使用一个基本帧的NPCH个时隙，长度为TPCH＝NPCH·Tslot。NPCH小于Nslot；为了避免波束间的同频干扰，低轨移动通信卫星的不同波束间PCH信号采用时分轮询的方式播发；SPT信号在播发PCH信号的NPCH个时隙中播发，SPT信号是一个跳频跳时窄带扩频信号，SPT信号使用PCH信号子频带以外的子频带，具有定位授时能力，SPT信号也在波束间进行时分轮询播发。(每个波束都要发送SPT信号，采用时分轮询方式播发。)SPT信号的调制方法，优选步骤如下：(1)确定SPT信号帧结构，SPT信号帧长受限于PCH信号帧长，SPT信号包含窄带扩频PRN，实现测距、定位和授时功能。(2)根据步骤(1)确定的SPT信号帧结构，利用扩频码进行窄带扩频调制，形成窄带扩频基带信号；(3)将步骤(2)窄带扩频基带信号调制到需要的频率上，得到数字中频信号，实现跳频调制；...

【技术保护点】
1.一种基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统，其特征在于：包括低轨移动通信卫星和地面终端；低轨移动通信卫星上设置有多波束天线，低轨移动通信卫星能够通过多波束天线向地面终端发送基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星信号，/n所述通信卫星信号时域结构为信号在时域采用时分复用体制，以基本帧、时隙进行通信业务；信号以T

【技术特征摘要】
1.一种基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统，其特征在于：包括低轨移动通信卫星和地面终端；低轨移动通信卫星上设置有多波束天线，低轨移动通信卫星能够通过多波束天线向地面终端发送基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星信号，
所述通信卫星信号时域结构为信号在时域采用时分复用体制，以基本帧、时隙进行通信业务；信号以TF为一个基本帧长，每个基本帧分为Nslot个时隙，每个时隙长度为Tslot＝TF/Nslot；；
所述通信卫星信号的频域结构为，信号在频域采用频分复用体制，整个下行频带占据带宽BW，带宽BW划分为Nsubband个BWsubband＝BW/Nsubband的子频带，每一个子频带根据需要划分为多个更小的带宽；
发送低轨移动通信卫星信号的多波束天线采用多色复用体制，每个波束根据需要使用一个或者几个子频带，同时保证相邻的波束间使用不同的子频带，实现避免波束间同频干扰；
移动通信卫星信号中包括寻呼信道(PCH)信号和安全定位授时(SPT)信号，PCH信号是单向下行信号，用于下行同步、被叫寻呼以及播发广播信息，PCH信号固定在一个子频带播发；
寻呼信道(PCH)信号使用一个基本帧的NPCH个时隙，长度为TPCH＝NPCH·Tslot；NPCH小于Nslot；为了避免波束间的同频干扰，低轨移动通信卫星的不同波束间PCH信号采用时分轮询的方式播发；
安全定位授时(SPT)信号在播发寻呼信道(PCH)信号的NPCH个时隙中播发，SPT信号是一个跳频跳时窄带扩频信号，SPT信号使用PCH信号子频带以外的子频带，具有定位授时能力，SPT信号也在波束间进行时分轮询播发。


2.根据权利要求1所述的一种基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统，其特征在于：SPT信号的调制方法，如下：
(1)确定SPT信号帧结构，SPT信号帧长受限于PCH信号帧长，SPT信号包含窄带扩频PRN，实现测距、定位和授时功能；
(2)根据步骤(1)确定的SPT信号帧结构，利用扩频码进行窄带扩频调制，形成窄带扩频基带信号；
(3)将步骤(2)窄带扩频基带信号调制到需要的频率上，得到数字中频信号，实现跳频调制；
(4)确定SPT信号的播发波束，SPT信号在多个波束进行时分轮询播发，轮询方式由波束轮询图案决定；
(5)将步骤(3)的数字中频信号进行数字波束成形，通过步骤(4)确定的SPT信号的播发波束进行播发。


3.根据权利要求1所述的一种基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统，其特征在于：SPT信号在PCH子频带以外的子频带进行跳频调制，且需要的频率根据跳频图案确定。


4.根据权利要求1所述的一种基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统，其特征在于：步骤2中SPT信号帧结构，满足以下要求：
1)PCH使用频率最低或者频率最高的子频带，即PCH信号位于整个BW带宽的边上，SPT使用剩下的BW-BWsubband频带作为SPT信号的播发频带，每一个基本帧长TF，PCH信号占用TPCH，使用每个基本帧的NPCH个时隙播发，SPT信号也在这NPCH个时隙内播发；
2)SPT信号的帧长为TSPT，TSPT≤TPCH，SPT信号由连续波(CW)信号和窄带扩频PRN两部分组成，连续波(CW)信号位于窄带扩频PRN之前，CW信号用于信号的快速捕获，窄带扩频PRN码部分用于测量以及SPT电文播发；
3)CW信号的长度为TCW，0≤TCW≤1/2TSPT，当TCW＝0时，SPT信号不含CW；
4)窄带扩频PRN码部分的长度TPRN＝TSPT-TCW。


5.根据权利要求4所述的一种基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统，其特征在于：SPT信号中带有调制的SPT电文，包括卫星的轨道、速度、钟差以及时标信息。


6.根据权利要求1所述的一种基于跳频跳时定位授时功能的低轨移动通信卫星系统，其特征在于：步骤2中SPT信号窄带扩频调制，具体调制方法如下：
1)生成SPT信号的扩频PRN码，包括导频PRN码和数据PRN码，数据PR...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒙艳松，严涛，王瑛，周昀，雷文英，王国永，边朗，
申请(专利权)人：西安空间无线电技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61