用于高鐵或飛機vsat寬帶衛(wèi)星通信的多普勒補償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于VSAT寬帶衛(wèi)星通信領(lǐng)域，特別是涉及一種用于高鐵或飛機上的頻分-時分多址(FD-TDMA)方式的VSAT寬帶衛(wèi)星通信的多普勒補償方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 相對于傳統(tǒng)的單路單載波(SCPC)衛(wèi)星通信，目前主流的VSAT寬帶衛(wèi)星通信多采用 頻分-時分多址(FD-TDMA)方式，實現(xiàn)對衛(wèi)星帶寬的高復(fù)用性。時分多址(TDMA)通信方式對 于通信兩端的時間同步具有極高的要求。
[0003] 近年來，VSAT寬帶衛(wèi)星通信已經(jīng)廣泛應(yīng)用于移動通信領(lǐng)域，例如電視轉(zhuǎn)播、應(yīng)急通 信、防災(zāi)救災(zāi)等。這些應(yīng)用主要是利用汽車作為載體，將動中通衛(wèi)星天線安裝在汽車頂部， 通過天線在汽車運動中自動調(diào)整角度，對準衛(wèi)星，進行通信。根據(jù)國際電聯(lián)的規(guī)定，常規(guī)的 時分多址(TDMA)通信方式可以適應(yīng)時速在120千米以下(非高速）的情況，因此對于汽車動 中通衛(wèi)星通信，采用常規(guī)的（非高速)VSAT寬帶衛(wèi)星通信就可以實現(xiàn)穩(wěn)定通信。但是，當(dāng)運輸 工具的時速超過120千米(高速)時，采用常規(guī)的VSAT寬帶衛(wèi)星通信則會遇到一系列特殊的 技術(shù)難題。
[0004] 其中，在高速運動過程中保持衛(wèi)星通信穩(wěn)定，遇到的技術(shù)難題之一就是要克服多 普勒效應(yīng)。當(dāng)衛(wèi)星通信終端高速運動時，其接收和發(fā)送的衛(wèi)星信號的頻率會發(fā)生畸變，稱為 多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)會導(dǎo)致通信不穩(wěn)定，甚至中斷。因此對于時速超過120千米的移動 通信系統(tǒng)必須對多普勒效應(yīng)進行動態(tài)補償，才能保證通信正常。特別是當(dāng)高速運動從二維 空間發(fā)展到三維空間（飛機）時，三維空間的高速運動（飛機）相比于二維空間的高速運動 (高鐵)造成多普勒效應(yīng)的成因更為復(fù)雜，多普勒效應(yīng)對通信的影響也更為顯著。
[0005] 目前，常用的對多普勒效應(yīng)進行動態(tài)補償?shù)姆椒ㄊ遣捎糜布姆绞剑蠢妙l率 綜合器和頻率計數(shù)器測量實際發(fā)生的多普勒頻率，對其進行補償。但這種采用硬件的動態(tài) 補償方法造價昂貴且穩(wěn)定性較差。由于目前世界上主流的VSAT寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)都不是為 了高速運動的環(huán)境設(shè)計的，因此如果將這種硬件多普勒動態(tài)補償方法用于現(xiàn)有的VSAT寬帶 衛(wèi)星通信系統(tǒng)，需要對現(xiàn)有的VSAT寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的硬件進行大規(guī)模改造，而如果為了 高速運動的應(yīng)用環(huán)境設(shè)計專用的VSAT寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，則需要投入巨大的研發(fā)成本和運 行成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于，提供一種新的用于高鐵或飛機VSAT寬帶衛(wèi)星通信的多普勒補 償方法，所要解決的技術(shù)問題是采用模塊化的設(shè)計思想，通過獨立于VSAT寬帶衛(wèi)星通信終 端之外的服務(wù)器或嵌入式系統(tǒng)，配合GPS或北斗導(dǎo)航的數(shù)據(jù)，根據(jù)實時輸入的高鐵或飛機的 經(jīng)度、煒度和高度三個數(shù)據(jù)進行多普勒頻率的計算，并將計算得到的多普勒頻率實時提供 給VSAT寬帶衛(wèi)星通信終端，由于是采用軟件動態(tài)計算多普勒頻率的外部多普勒補償方法， 因此不需要對現(xiàn)有的非高速VSAT寬帶衛(wèi)星通信終端做任何硬件和軟件的改動，就可以有效 利用現(xiàn)有的非高速VSAT寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)實現(xiàn)高鐵或飛機的寬帶衛(wèi)星通信，具有明顯的經(jīng) 濟效益，且技術(shù)風(fēng)險較低。
[0007] 本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題是采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的。依據(jù)本發(fā)明提出 的一種用于高鐵或飛機VSAT寬帶衛(wèi)星通信的多普勒補償方法，是將VSAT寬帶衛(wèi)星通信終端 與服務(wù)器或嵌入式系統(tǒng)連接，將GPS接收機或北斗接收機與服務(wù)器或者嵌入式系統(tǒng)連接，月艮 務(wù)器或嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行以下步驟：
[0008] 從GPS接收機或北斗接收機獲取k時刻高鐵或飛機的經(jīng)度、煒度和高度數(shù)據(jù)；
[0009] 根據(jù)高鐵或飛機的經(jīng)度、煒度和高度數(shù)據(jù)計算高鐵或飛機k時刻在地心坐標(biāo)系的 坐標(biāo) Xak、YadPZak;
[0010] 計算通信衛(wèi)星k時刻在地心坐標(biāo)系的坐標(biāo)Xsk、Ysk和Zsk;
[0011] 根據(jù)k時刻高鐵或飛機在地心坐標(biāo)系的坐標(biāo)xak、Yak和Z ak和通信衛(wèi)星在地心坐標(biāo)系 的坐標(biāo)Xsk、Ysk和Zsk計算k時刻高鐵或飛機到通信衛(wèi)星的矢徑Rk;
[0012] 利用差分法，根據(jù)k時刻高鐵或飛機到通信衛(wèi)星的矢徑Rk計算k時刻高鐵或飛機相 對通信衛(wèi)星的徑向速度V;
[0013 ]通過式α -1)計算k時刻的多普勒頻率Fd:
[0014] Fd=(V/C)Fo (1-1)
[0015]其中，C為光速，F(xiàn)o為信號中心頻率；以及
[0016]將k時刻的多普勒頻率Fd輸送至VSAT寬帶衛(wèi)星通信終端。
[0017] 本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還可采用以下技術(shù)措施進一步實現(xiàn)。
[0018] 前述的用于高鐵或飛機VSAT寬帶衛(wèi)星通信的多普勒補償方法，其中在從GPS接收 機或北斗接收機獲取k時刻高鐵或飛機的經(jīng)度、煒度和高度數(shù)據(jù)后還包括：
[0019] 對從GPS接收機或北斗接收機獲取的導(dǎo)航數(shù)據(jù)進行動力學(xué)分析及濾波，其中濾波 是采用截斷式卡爾曼濾波的方法。
[0020] 前述的用于高鐵或飛機VSAT寬帶衛(wèi)星通信的多普勒補償方法，其中VSAT寬帶衛(wèi)星 通信終端將通過衛(wèi)星信道實時接收的衛(wèi)星通信主站傳送來的動態(tài)頻偏數(shù)據(jù)傳送給服務(wù)器 或嵌入式系統(tǒng)，作為多普勒補償?shù)男屎托Чu估。
[0021] 前述的用于高鐵或飛機VSAT寬帶衛(wèi)星通信的多普勒補償方法，其中采用GPS接收 機或北斗接收機數(shù)據(jù)中的時間戳作為計時工具。
[0022]前述的用于高鐵或飛機VSAT寬帶衛(wèi)星通信的多普勒補償方法，其中VSAT寬帶衛(wèi)星 通信終端是連接到服務(wù)器或者嵌入式系統(tǒng)的LAN端口，GPS接收機或北斗接收機是連接到服 務(wù)器或者嵌入式系統(tǒng)的串口。
[0023] -般計算多普勒頻率的方法是首先計算飛機或高鐵的速度，再將速度矢量投影到 衛(wèi)星矢量方向獲得飛機或高鐵相對衛(wèi)星的徑向速度，然后根據(jù)此徑向速度計算出多普勒頻 率。這種計算多普勒頻率的方法要用到飛機或高鐵的速度，飛機的航向角，飛機或高鐵對于 衛(wèi)星的方位角，以及飛機對于衛(wèi)星的俯仰角等參數(shù)。這些參數(shù)均為推導(dǎo)數(shù)據(jù)，當(dāng)測量時間間 隔很小時，極易受到位置測量誤差的污染，使角度、速度等數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，同時實際飛機飛行 和高鐵運行數(shù)據(jù)也表明，角度數(shù)據(jù)和速度數(shù)據(jù)極易發(fā)生不合理的跳動。
[0024] 本發(fā)明的多普勒補償方法利用高鐵或飛機的經(jīng)度、煒度、高度三個數(shù)據(jù)進行多普 勒頻率的計算，避免了使用GPS的航向角、方位角、速度等不穩(wěn)定數(shù)據(jù)，如圖2所示，其數(shù)學(xué)模 型是:a)先利用GPS的經(jīng)度、煒度和高度數(shù)據(jù)計算出飛機在地心坐標(biāo)系的矢徑再計算 通信衛(wèi)星在地心坐標(biāo)系的矢徑,Ep)然后根據(jù)矢量$和$計算飛機到通信衛(wèi)星的矢徑 之后利用差分方法，根據(jù)矢徑算出飛機相對通信衛(wèi)星的徑向速度V;e)最后再 根據(jù)徑向速度V計算多普勒頻移FD。
[0025]由于飛機和高鐵對于設(shè)備體積和重量有嚴格的要求，因此要求負責(zé)計算多普勒頻 率的服務(wù)器或嵌入式系統(tǒng)要小巧靈便，同時，高速運動對于多普勒頻率的實時性有很高的 要求，這就要求多普勒頻率的計算要使用簡潔的數(shù)學(xué)模型，盡量避免三角函數(shù)運算，避免大 數(shù)據(jù)量存儲。從本發(fā)明的上述數(shù)學(xué)模型可知:本發(fā)明的多普勒補償方法將計算控制在有限 次數(shù)的三角函數(shù)運算和四則運算之內(nèi)，使計算在毫秒級完成，因此可以適用于高速運動的 實時系統(tǒng)，并且對硬件要求較低。
[0026] 在時分多址(TDMA)通信方式中，衛(wèi)星通信主站可以實時測量衛(wèi)星通信終端發(fā)射頻 率的偏移，這個頻率偏移雖然包含多種頻率分量，但是仍然可以作為多普勒補償?shù)囊环N標(biāo) 校。因此本發(fā)明還將衛(wèi)星通信主站實時測量的頻偏數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星信道提供給VSAT寬帶衛(wèi)星 通信終端，對多普勒頻率進行動態(tài)校準，作為對多普勒補償?shù)姆答?、修正和補充。為此，本發(fā) 明在衛(wèi)星通信主站內(nèi)嵌入一個小巧的采集軟件，動態(tài)采集每個VSAT寬帶衛(wèi)星通信終端的頻 率偏移，以UDP方式通過衛(wèi)星信道實時傳送給VSAT寬帶衛(wèi)星通信終端，再由VSAT寬帶衛(wèi)星通 信終端傳送給外接的服務(wù)器或嵌入式系統(tǒng)，從而根據(jù)衛(wèi)星通信主站傳送來的動態(tài)頻率偏 移，可以評估多普勒補償?shù)男Ч?。例如說，如果本發(fā)明計算得到多普勒頻率從2000Hz變化到 3000Hz，而衛(wèi)星通信主站檢測到的頻率偏移始終不變，則說明VSAT寬帶衛(wèi)星通信終端發(fā)生 異常，需要提示報警。由于這一功能是在外接的服務(wù)器或嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部完成，因此無需對 VSAT寬帶衛(wèi)星通信終端進行更改。
[0027] 由于本發(fā)明的方法對計時系統(tǒng)有較高的要求，為了降低成本，避免使用昂貴的硬 件計時系統(tǒng)，本發(fā)明巧妙地采用GPS接收機或北斗接收機數(shù)據(jù)中的時間戳作為計時工具，這 種設(shè)計既可以保證計時精度，又避免了額外的硬件開支。
[0028] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)點和有益效果。借由上述技術(shù)方案，本發(fā)明 用于高鐵或飛機VSAT寬帶衛(wèi)星通信的多普勒補償方法至少具有下列優(yōu)點及有益效果:本發(fā) 明采用模塊化的設(shè)計思想，通過獨立于VSAT寬帶衛(wèi)星通信終端之外的服務(wù)器或者嵌入式系 統(tǒng)，配合GPS或者北斗導(dǎo)航的數(shù)據(jù)，根據(jù)實時輸入的高鐵或飛機的經(jīng)度、煒度和高度三個數(shù) 據(jù)進行多普勒頻率的計算，并將多普勒頻率實時提供給VSAT寬帶衛(wèi)星通信終端，由于是采 用軟件動態(tài)計算多普勒頻率的外部多普勒補償方法，因此不需要對現(xiàn)有的非高速VSAT寬帶 衛(wèi)星通信終端做任何硬件和軟件的改動，就可以有效利用現(xiàn)有的非高速VSAT寬帶衛(wèi)星通信 系統(tǒng)實現(xiàn)高鐵或飛機寬帶衛(wèi)星通信，具有明顯的經(jīng)濟效益，且技術(shù)風(fēng)險較低。
[0029] 上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段， 而可依照說明書的內(nèi)容予以實施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點能夠 更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，并配合附圖，詳細說明如下。
【附圖說明】
[0030] 圖1是本發(fā)明一種用于高鐵或飛機VSAT寬帶衛(wèi)星通信的多普勒補償方法的步驟流 程圖。
[0031]圖2是本發(fā)明一較佳實施例的飛機和衛(wèi)星在WGS-84地心坐標(biāo)系的示意圖。
[0032]圖3是本發(fā)明實驗一顯示其全部實驗數(shù)據(jù)的示意圖。
【具體實施方式】
[0033]為更進一步闡述本發(fā)明為達成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合 附圖及較佳實施例，對依據(jù)本發(fā)明提出的用于高鐵或飛機VSAT寬帶衛(wèi)星通信的多普勒補償 方法其【具體實施方式】、方法、步驟、特征及其功效，詳細說明如后。
[0034]本發(fā)明是利用獨立于VSAT寬帶衛(wèi)星通信終端外部的服務(wù)器或嵌入式系統(tǒng)，分別與 VSAT寬帶衛(wèi)星通信終端和GPS接收機或北斗接收機連接，由服務(wù)器或嵌入式系統(tǒng)運行軟件， 根據(jù)GPS或北斗導(dǎo)航的數(shù)據(jù)實時計算高鐵或飛機VSAT寬帶衛(wèi)星通信產(chǎn)生的多普勒頻率，并 將多普勒頻率實時提供給VSAT寬帶衛(wèi)星通信終端，對多普勒效應(yīng)進行動態(tài)補償，從而使得 現(xiàn)