一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位方法及装置，该方法包括：地面终端对卫星发送的下行同步信号和下行广播信道分别进行定时同步检测和广播信道检测，获取各个时刻的同步峰值信噪比和相邻时刻的伪距差，以及各个时刻卫星的坐标，利用数据聚类方法对测量结果进行分类，剔除非视距数据后利用一阶泰勒展开迭代方法计算出地面终端坐标。本发明专利技术利用单颗低轨卫星下行同步检测和无监督学习方法对地面终端进行定位，实现了卫星移动通信与卫星定位的结合，使得地面终端位置信息获取不再依赖于其它卫星导航系统，并且避免了额外的测距资源开销。同时，剔除非视距测量数据可以有效降低误差影响，提高终端定位精度，具有较高的实用价值。

A terminal positioning method and device in LEO satellite mobile communication system

The invention discloses a terminal positioning method and device in the low orbit satellite mobile communication system, the method includes: the ground terminal carries out timing synchronization detection and broadcasting channel detection respectively for the downlink synchronization signal and downlink broadcasting channel sent by the satellite, obtains the same step peak signal-to-noise ratio at each time and the pseudo distance difference at the adjacent time, as well as the coordinates of the satellite at each time, and uses the number According to the clustering method, the measurement results are classified, and the first-order Taylor expansion iteration method is used to calculate the ground terminal coordinates. The invention uses a single LEO satellite downlink synchronous detection and unsupervised learning method to locate the ground terminal, realizes the combination of satellite mobile communication and satellite positioning, makes the location information acquisition of the ground terminal no longer depend on other satellite navigation systems, and avoids the overhead of extra ranging resources. At the same time, eliminating the non line of sight measurement data can effectively reduce the error impact and improve the positioning accuracy of the terminal, which has high practical value.

【技术实现步骤摘要】
一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位方法及装置
本专利技术涉及一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位的方法及装置，属于卫星移动通信和卫星导航定位

技术介绍
卫星移动通信系统具有组网灵活、覆盖面积广以及不受自然灾害影响等特点，近年来得到不断发展，卫星与地面移动通信系统相互融合，共同构成全球无缝覆盖的天地一体化通信网络，满足用户无处不在的多种业务需求，是未来通信发展的重要方向。此外，在3GPP组织的5G标准中，明确定义了包括卫星在内的面向非地面网络(Non-terrestrialNetwork，NTN)的部署场景。卫星移动通信系统通常使用地理位置信息来简化系统的接入和传输过程，传统的地理位置信息获取方法是利用现有的全球导航卫星系统(GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS)，一旦GNSS系统失效，卫星移动通信系统也将无法正常工作。此外，由于地面终端附近散射体遮挡物引起的非视距(Nonline-of-Sight，NLOS)信号会给测量数据带来较大的误差，尤其在低轨(LowEarthOrbit，LEO)卫星移动通信系统中，卫星仰角会不断发生变化，测距误差将达到几十甚至几百米，从而引起定位精度的恶化。针对这些问题，本专利技术提出一种低轨卫星移动通信系统中利用下行同步检测和无监督学习的终端定位方法，实现卫星移动通信与卫星定位的结合，避免对GNSS的依赖，可以有效保障系统的稳定可靠工作。同时，剔除NLOS测量数据可以有效降低误差影响，提高终端定位精度，在实际低轨卫星移动通信系统中具有较高的实用价值。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术的不足，本专利技术目的在于提出一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位方法及装置，不依赖于其他卫星导航系统，将卫星移动通信与卫星定位相结合，利用低轨卫星移动通信系统中周期性传输的下行同步信号和下行广播信道，采用多次测量的方法实现对地面终端的定位。技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位方法，该方法包括如下步骤：(1)地面终端对卫星发送的下行同步信号和下行广播信道分别进行定时同步检测和广播信道检测；(2)地面终端根据定时同步检测结果得到各个时刻的同步峰值信噪比，和相邻时刻伪距差，并根据下行广播信道检测结果得到各个时刻的卫星坐标；(3)将峰值信噪比和伪距差组成特征向量，利用无监督学习中的数据聚类方法对测量结果进行分类；(4)剔除非视距测量数据后，利用视距测量数据重新计算相邻时刻的伪距差；(5)根据多个视距测量数据，联立伪距差方程，迭代计算地面终端的位置坐标。优选的，所述方法利用单颗低轨卫星周期性地传输下行同步信号和下行广播信道，下行广播信道中包括下行波束中心点坐标，以及卫星坐标或卫星轨道参数信息。优选的，所述地面终端以固定时间间隔进行多次下行同步检测和下行广播信道检测，包含视距以及非视距环境下的测量结果。优选的，所述步骤(2)中相邻两次测量时刻的伪距差为Δρi＝Δτi·Ts·c，其中，和分别为第i和i+1次测量的定时同步检测位置，N为测量次数，Ts是地面终端接收信号的采样时间间隔，c是光速。优选的，所述步骤(2)中如果下行广播信道中包括卫星坐标，则地面终端直接通过检测下行广播信道得到卫星在各时刻的坐标；如果下行广播信道中包括卫星轨道参数信息，则地面终端通过检测下行广播信道中的卫星轨道参数计算得到各时刻的卫星坐标。优选的，所述步骤(3)中数据聚类过程如下：首先根据步骤(1)和步骤(2)的测量数据得到一组样本集；随后根据样本特征判断样本集可分为几类；如果样本只有一类，则所有样本均为视距测量数据；如果样本可分为两类，则样本包含视距和非视距测量数据，并将所有样本根据样本特征归入相应的类。优选的，所述步骤(4)和(5)中根据步骤(3)的数据分类结果，如果只有视距测量数据，则利用所有数据进行终端坐标定位；如果测量数据包含视距和非视距两类，则剔除非视距测量数据，只利用剩余视距测量数据进行终端坐标定位。优选的，所述步骤(5)中伪距差方程表示为：其中，(xi,yi,zi)和(xi+1,yi+1,zi+1)分别为第i和i+1个视距观察时刻的卫星坐标，ΔρLOS,i为第i和i+1个视距观察时刻的伪距差值，(x,y,z)为地面终端坐标，(xini,yini,zini)为地面终端初始位置，ni为伪距差误差。优选的，采用迭代方法计算地面终端坐标，并利用下行波束中心点的坐标，作为迭代过程中地面终端位置的初始值。一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现所述的低轨卫星移动通信系统中的终端定位方法。有益效果：本专利技术提出的一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位方法及装置，与现有技术相比，利用单颗低轨卫星下行同步信号检测和无监督学习方法对地面终端进行定位，实现了卫星移动通信与卫星定位的结合，使得卫星移动通信系统地面终端位置信息获取不再依赖于其它卫星导航系统，并且避免了额外的测距资源开销。同时，剔除非视距测量数据可以有效降低误差影响，提高终端定位精度，在实际低轨卫星移动通信系统中具有较高的实用价值。附图说明图1为本专利技术实施例所采用的低轨卫星移动通信系统终端定位场景示意图。图2为本专利技术实施例所采用的低轨卫星移动通信场景非视距信号示意图图3为本专利技术实施例所采用的低轨卫星移动通信系统终端定位流程图。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。本专利技术实施例中所述低轨卫星移动通信系统采用5GNR空口体制通过点波束与地面终端进行通信。图1为低轨卫星移动通信系统终端定位场景示意图，卫星在飞行过程中，地面终端以ΔT为测量间隔进行多次测量，测量过程中地面终端位置不变，第1,2,…,N次测量时卫星与地面终端间距离为d1,d2,…,dN，下行信号到达地面终端的传输时延为t1,t2,…,tN。假设卫星移动通信系统下行发射天线数为NT，终端接收天线数为NR，第p根发射天线上时域信号为sp(n)，其中p∈[1,NT]。同步序列参考5GNR系统的m序列，长度为127。发射信号经过卫星传输信道后，假设信道相干时间大于OFDM符号长度，则第q根接收天线上第n个离散采样符号可以表示为其中，NOFDM表示OFDM符号长度，hp,q(l)表示第p根发射天线到第q根接收天线之间第l径的时不变信号冲激响应，L表示信道中径的总数，τ为卫星与地面终端间的归一化定时误差，表示为τ＝t/Ts，Ts为地面终端接收信号的采样时间间隔，ω本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：/n(1)地面终端对卫星发送的下行同步信号和下行广播信道分别进行定时同步检测和广播信道检测；/n(2)地面终端根据定时同步检测结果得到各个时刻的同步峰值信噪比，和相邻时刻伪距差，并根据下行广播信道检测结果得到各个时刻的卫星坐标；/n(3)将峰值信噪比和伪距差组成特征向量，利用无监督学习中的数据聚类方法对测量结果进行分类；/n(4)剔除非视距测量数据后，利用视距测量数据重新计算相邻时刻的伪距差；/n(5)根据多个视距测量数据，联立伪距差方程，迭代计算地面终端的位置坐标。/n

【技术特征摘要】
1.一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)地面终端对卫星发送的下行同步信号和下行广播信道分别进行定时同步检测和广播信道检测；
(2)地面终端根据定时同步检测结果得到各个时刻的同步峰值信噪比，和相邻时刻伪距差，并根据下行广播信道检测结果得到各个时刻的卫星坐标；
(3)将峰值信噪比和伪距差组成特征向量，利用无监督学习中的数据聚类方法对测量结果进行分类；
(4)剔除非视距测量数据后，利用视距测量数据重新计算相邻时刻的伪距差；
(5)根据多个视距测量数据，联立伪距差方程，迭代计算地面终端的位置坐标。


2.根据权利要求1所述的一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位方法，其特征在于，利用单颗低轨卫星周期性地传输下行同步信号和下行广播信道，下行广播信道中包括下行波束中心点坐标，以及卫星坐标或卫星轨道参数信息。


3.根据权利要求1所述的一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位方法，其特征在于，所述地面终端以固定时间间隔进行多次下行同步检测和下行广播信道检测，包含视距以及非视距环境下的测量结果。


4.根据权利要求1所述的一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位方法，其特征在于，所述步骤(2)中相邻两次测量时刻的伪距差为Δρi＝Δτi·Ts·c，其中，i＝1,2,…,N-1，和分别为第i和i+1次测量的定时同步检测位置，N为测量次数，Ts是地面终端接收信号的采样时间间隔，c是光速。


5.根据权利要求1所述的一种低轨卫星移动通信系统中的终端定位方法，其特征在于，所述步骤(2)中如果下行广播信道中包括卫星坐标，则地面终端直接通过检测下行广播信道得到卫星在各时刻的坐标；如果下行广播信道中包括卫星轨道参数信息，则地面终端通过检测下行广播信道...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱峰，巴特尔，张艳秋，王义成，张源，高西奇，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32