一种基于OTFS的低轨卫星通导一体化传输方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于OTFS的低轨卫星通导一体化传输方法及系统，将通导融合信号从时延

【技术实现步骤摘要】
一种基于OTFS的低轨卫星通导一体化传输方法及系统


[0001]本专利技术属于无线卫星通信、卫星导航
，具体涉及一种基于OTFS的低轨卫星通导一体化传输方法及系统。

技术介绍

[0002]众所周知，现代社会的方方面面都离不开通信与导航。不论是人们日常工作生活，还是宇宙飞船遨游太空，其行动都高度依赖于通信服务和定位服务。未来随着信息通信技术(ICT)进一步普及和应用，这两类服务将会面临更加广阔而复杂的需求。
[0003]随着人工智能和5G技术的成熟，越来越多的智能化场景，例如无人驾驶、车联网、物联网、智慧城市等倍受瞩目，都已成为学术界研究的热点。此类新型智能产业的高速增长，使通信和定位技术迎来了新的发展机遇，尤其对位置服务提出了高性能、泛在化的新需求，具体体现在定位精度、可靠性、以及服务范围等诸多方面。于是，当前通信系统与导航系统孤立发展的局面已逐渐不适应未来智能场景高效能的要求，寻求通信与导航的融合发展成为新的热点。
[0004]继地基移动通信定位网通导一体化之后，星基通导一体化得到了广泛关注，该技术可以作为无移动通信区域处实现高精度定位服务的补充，这对未来无人驾驶、智慧城市等项目的建设至关重要。早在铱星时代，就有学者对利用铱星系统定位进行了研究；美国国家航空航天局提出了空间通导一体化工程，并给出其网络的体系架构；我国的北斗导航系统具备短报文通信能力，一定程度上也实现了通导一体化功能。星基通导一体化可以作为无移动通信区域处实现高精度定位服务的补充，对未来无人驾驶、智慧城市等项目的建设至关重要。由于低轨卫星星座具有卫星数量大、信号强度高的优势，可以进行卫星群协作，不论是对于通信还是定位，都能全面提升服务可用性与可靠性。基于低轨卫星的通信导航一体化系统已经成为未来星基通导一体化技术的重要发展方向，开展相关技术研究，设计与之适应的通导融合信号是十分必要的。
[0005]当前卫星通信系统与卫星导航系统的频谱日益趋向于饱和，同时轨道所能容纳卫星数量的上限也阻碍了其进一步发展。设计新的通信导航一体化的信号体制，实现一星多用，提高卫星频谱利用率与空间利用率，具有重大的现实意义。与此同时，低轨卫星运行速度快，可达几千米每秒，这种高机动性使其信道面临时变和高多普勒频移的双重挑战。现有正交频分复用(OFDM)对载波频偏十分敏感，在这种信道条件下无法实现信号的可靠传输，因此，在利用低轨卫星实现通导一体化场景中，如何实现可靠和高效的通信和定位也是需要考虑的问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于OTFS的低轨卫星通导一体化传输方法及系统，用于解决传统卫星通信、卫星导航孤立发展带来的资源浪费、协作性差等弊端，同时解决经典OFDM技术存在对载波频偏敏感，以及不适宜具
有高机动性的星地系统的技术问题。
[0007]本专利技术采用以下技术方案：
[0008]一种基于OTFS的低轨卫星通导一体化传输方法，包括以下步骤：
[0009]S1、将导航信号s
nav
[n]和通信信号S
com
[n]乘以不同的功率分配因子并相加，形成通导融合信号s[n]，利用正交时频空调制技术将通导融合信号s[n]从时延
‑
多普勒域调制到时域，得到时域信号s(t)；
[0010]S2、在发送步骤S1得到的时域信号s(t)前，根据信道状况添加伪随机序列码，在步骤S1得到的时域信号s(t)内，间隔插入伪随机序列码，估计双选信道的时延多普勒信道冲激响应，最后在时域发送时域连续通导融合信号z(t)；
[0011]S3、接收端生成与步骤S2发送端相同的伪随机序列，并不断与步骤S2产生的时域连续通导融合信号z(t)运算，寻找相关值最大处进行数据捕获和同步，以确定数据码帧头以及信号发送的起始时间，再读取本地的信号接收时间，相减后得到信号的传播时间，用信号传播时间乘以光速得到信号的传播距离，作为定位卫星与目标接收机之间的距离；
[0012]S4、接收端对时域连续通导融合信号z(t)经历的星地双选信道进行时延
‑
多普勒域上的信道估计，在步骤S3完成数据捕获和同步后，利用捕获信号中的伪随机序列作为训练符号进行时间和频率的二维匹配滤波，还原时延
‑
多普勒域上的信道冲激响应，剔除在时域信号内加入的伪随机序列，提取数据部分，再通过正交时频空解调技术将将得到的接收信号从时域转换到时延
‑
多普勒域，得到时延
‑
多普勒域信道冲激响应；
[0013]S5、利用步骤S4得到的时延
‑
多普勒域信道冲激响应，采用最小均方误差算法解出步骤S1发送的通信信号S
com
[n]，并用步骤S4得到的接收信号减去解出通信信号S
com
[n]得到残余信号，残余信号包括有用导航信号加上通信信号未完全抵消的干扰以及噪声项，在残余信号中，重复使用小均方误差算法解出导航信号；
[0014]S6、对步骤S5得到的导航信号进行双码AltBOC解调并解扩，分离出两路不同的导航数据，将得到的导航数据还原为步骤S1的原始数据，根据得到的导航电文信息获得卫星运行状况和卫星坐标信息，确定至少四组导航电文信息，结合步骤S3得到的伪距信息解算得到接收机位置，实现基于OTFS的低轨卫星通导一体化传输。
[0015]具体的，步骤S1具体为：
[0016]S101、将时间
‑
频率域和时延
‑
多普勒域划分为网格，时间
‑
频率域和时延
‑
多普勒域通过辛傅里叶变换和反辛傅里叶变换互相转换，得到时间
‑
频率域网格Λ如下：
[0017]Λ＝{(nT,mΔf),n,m∈Z}
[0018]其中，T为时间间隔，Δf为频率间隔；
[0019]S102、将通导融合信号s[n]表示在步骤S101的时延
‑
多普勒域，再通过逆辛傅里叶变换转换到时间
‑
频率域；
[0020]S103、通过海森伯格变换将步骤S102的通导融合信号s[n]从时间
‑
频率域转换到时域发送。
[0021]进一步的，步骤S102中，通导融合信号s[n]为：
[0022][0023]其中，p1为导航信号功率分配因子，p2为通信信号功率分配因子，s
nav
[n]为调制后的导航电文。
[0024]进一步的，导航电文信号s
nav
[n]具体为：
[0025][0026]其中，D1[n]和D2[n]分别表示两路不同的导航电文数据码，χ
AltBOC
[n]表示双码交替二进制偏移载波调制方波副载波，表示共轭，PN[n]为本地产生的伪随机序列。
[0027]进一步的，步骤S103中，通导融合信号的时域信号s(t)为：
[0028]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于OTFS的低轨卫星通导一体化传输方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将导航信号s
nav
[n]和通信信号S
com
[n]乘以不同的功率分配因子并相加，形成通导融合信号s[n]，利用正交时频空调制技术将通导融合信号s[n]从时延
‑
多普勒域调制到时域，得到时域信号s(t)；S2、在发送步骤S1得到的时域信号s(t)前，根据信道状况添加伪随机序列码，在步骤S1得到的时域信号s(t)内，间隔插入伪随机序列码，估计双选信道的时延多普勒信道冲激响应，最后在时域发送时域连续通导融合信号z(t)；S3、接收端生成与步骤S2发送端相同的伪随机序列，并不断与步骤S2产生的时域连续通导融合信号z(t)运算，寻找相关值最大处进行数据捕获和同步，以确定数据码帧头以及信号发送的起始时间，再读取本地的信号接收时间，相减后得到信号的传播时间，用信号传播时间乘以光速得到信号的传播距离，作为定位卫星与目标接收机之间的距离；S4、接收端对时域连续通导融合信号z(t)经历的星地双选信道进行时延
‑
多普勒域上的信道估计，在步骤S3完成数据捕获和同步后，利用捕获信号中的伪随机序列作为训练符号进行时间和频率的二维匹配滤波，还原时延
‑
多普勒域上的信道冲激响应，剔除在时域信号内加入的伪随机序列，提取数据部分，再通过正交时频空解调技术将将得到的接收信号从时域转换到时延
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多普勒域，得到时延
‑
多普勒域信道冲激响应；S5、利用步骤S4得到的时延
‑
多普勒域信道冲激响应，采用最小均方误差算法解出步骤S1发送的通信信号S
com
[n]，并用步骤S4得到的接收信号减去解出通信信号S
com
[n]得到残余信号，残余信号包括有用导航信号加上通信信号未完全抵消的干扰以及噪声项，在残余信号中，重复使用小均方误差算法解出导航信号；S6、对步骤S5得到的导航信号进行双码AltBOC解调并解扩，分离出两路不同的导航数据，将得到的导航数据还原为步骤S1的原始数据，根据得到的导航电文信息获得卫星运行状况和卫星坐标信息，确定至少四组导航电文信息，结合步骤S3得到的伪距信息解算得到接收机位置，实现基于OTFS的低轨卫星通导一体化传输。2.根据权利要求1所述的基于OTFS的低轨卫星通导一体化传输方法，其特征在于，步骤S1具体为：S101、将时间
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频率域和时延
‑
多普勒域划分为网格，时间
‑
频率域和时延
‑
多普勒域通过辛傅里叶变换和反辛傅里叶变换互相转换，得到时间
‑
频率域网格Λ如下：Λ＝{(nT,mΔf),n,m∈Z}其中，T为时间间隔，Δf为频率间隔；S102、将通导融合信号s[n]表示在步骤S101的时延
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多普勒域，再通过逆辛傅里叶变换转换到时间
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频率域；S103、通过海森伯格变换将步骤S102的通导融合信号s[n]从时间
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频率域转换到时域发送。3.根据权利要求2所述的基于OTFS的低轨卫星通导一体化传输方法，其特征在于，步骤S102中，通导融合信号s[n]为：其中，p1为导航信号功率分配因子，p2为通信信号功率分配因子，s
nav
[n]为调制后的导
航电文。4.根据权利要求3所述的基于OTFS的低轨卫星通导一体化传输方法，其特征在于，导航电文信号s
nav
[n]具体为：其中，D1[n]和D2[n]分别表示两路不同的导航电文数据码，χ
AltBOC
[n]表示双码交替二进制偏移载波调制方波副载波，表示共轭，PN[n]为本地产生的伪随机序列。5.根据权利要求2所述的基于OTFS的低轨卫星通导一体化传输方法，其特征在于，步骤S103中，通导融合信号的时域信号s(t)为：其中，g
tx
(t)表示发送脉冲，M为频率域网格格数，m＝0,...M
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1，N为时域网格格数，n＝0,...N
‑
1，S[n,m]为在时间
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频率网格上的信号；发送脉冲与接收脉冲的内积满足时延和频率的双正交关系其中，为接受脉冲的位移共轭，δ(m)和δ(n)为单位冲激函数。6.根据权利要求1所述的基于OTFS的低轨卫星通导一体化传输方法，其特征在于，步骤S4中，得到时延
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【专利技术属性】
技术研发人员：张国梅，李悦，尹佳文，李国兵，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：