一种适用于低轨卫星通信系统的信道估计方法及系统.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115941027A(43)申请公布日2023.04.07(21)申请号202211517736.7(22)申请日2022.11.30(71)申请人中国电子科技集团公司第五十四研究所地址050081河北省石家庄市中山西路589号第五十四所通信网信息传输与分发技术重点实验室(72)发明人杨舜尧王冬冬刘丽哲焦利彬王斌孙晨华(74)专利代理机构河北东尚律师事务所13124专利代理师王文庆(51)Int.Cl.H04B7/185(2006.01)H04L25/02(2006.01)H04L27/26(2006.01)权利要求书5页说明书11页附图2页(54)发明名称一种适用于低轨卫星通信系统的信道估计方法及系统(57)摘要本发明公开了一种适用于低轨卫星通信系统的信道估计方法及系统，可解决多普勒频偏大范围变化场景下时频双选信道估计精度低的问题。本发明包括：终端调节本振频率，接收射频信号，经过下变频及采样过程得到基带信号，并提取出各OFDM符号上的导频数据；终端从卫星的广播信号或地面网络获取最新的星历信息，推算出卫星当前时刻的多普勒频偏；基于离散长椭球序列模型生成基函数向量；根据基扩展模型原理，重构OFDM系统传输模型，将信道矩阵估计问题转化为对基函数系数的估计；通过最小二乘算法初步估计出基系数向量；随后利用卡尔曼滤波算法对基数进行降噪；构建基系数循环矩阵，精准拟合出时域信道矩阵，并将其变换至频域。CN115941027ACN115941027A权利要求书1/5页1.一种适用于低轨卫星通信系统的信道估计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：终端调节本振频率，接收射频信号，经过下变频及采样过程得到基带信号，并提取出基带信号中各OFDM符号上的导频数据；S2：终端从卫星的广播信号或地面网络获取最新的星历信息，推算出卫星当前时刻的多普勒频偏；S3：基于离散长椭球序列模型生成基函数向量；S4：根据基扩展模型原理，重构OFDM系统传输模型，将信道矩阵估计问题转化为对基函数系数的估计；S5：通过最小二乘法实现对基函数系数的初步估计；S6：利用卡尔曼滤波算法对基函数系数进行降噪；S7：构建基函数系数循环矩阵，拟合出时域信道矩阵，并将其变换至频域，完成信道估计。2.根据权利要求1所述的一种适用于低轨卫星通信系统的信道估计方法，其特征在于，基带信号的导频格式为梳状导频，每个OFDM符号上的导频等间隔分布，且每个OFDM符号上的导频数量κ满足以下关系：κ≥L(Q+1)其中，L为卫星信道可分离多径个数，Q为信道估计所用基函数的阶数。3.根据权利要求2所述的一种适用于低轨卫星通信系统的信道估计方法，其特征在于，步骤S2包括：S2.1：获取最新的星历信息数据，提取并解析出低轨卫星轨道参数，包括升交点赤经Ω、近地点幅角ω、轨道倾角θ，轨道半长轴a、轨道偏心率e、平近点角M；S2.2：根据低轨卫星轨道参数计算出卫星当前时刻在地心惯性坐标系中的位置与速度：其中，Rs是卫星当前时刻地心惯性坐标系下的位置向量，Vs是卫星当前时刻地心惯性坐标系下的速度向量，μ表示地球引力常数，E表示偏近点角，通过下式进行数值求解：E‑esinE＝M向量P和Q分别由以下公式求得：S2.3：将卫星的地心惯性坐标系下的位置与速度转换到地面坐标系下：2CN115941027A权利要求书2/5页其中，Rs′是卫星当前时刻地面坐标系下的位置向量，Vs′是卫星当前时刻地面坐标系下的速度向量，α为位置转换常数矩阵，β为速度转化常数矩阵；S2.4：终端根据GPS定位系统获取其所在地理方位的经度L0、纬度B0和高程H0，并通过下式将其转化为地面坐标系下的位置矢量R0：其中，aσ为椭球体的长半轴，aσ＝6378.137km，eσ为第一偏心率，S2.5：获取地面终端速度V0，并计算低轨卫星与地面终端的相对位置和相对速度：S2.6：计算多普勒频偏fD：8式中，f0代表信号的载波频率；c是光速，c＝3.0×10m/s；α为相对速度V和相对位置R两矢量的夹角。4.根据权利要求3所述的一种适用于低轨卫星通信系统的信道估计方法，其特征在于，步骤S3包括：S3.1：计算离散长椭球序列模型基函数向量的生成矩阵C，矩阵C第m行第n列的元素表达式为：其中Ts为一个OFDM符号的周期；S3.2：确定离散长椭球序列模型基函数向量的阶数Q，计算公式为：S3.3：将矩阵C进行特征值分解，提取出前Q+1个最大特征值对应的特征向量，每个特征向量即为一个离散长椭球序列模型基函数向量，由此得到基函数向量集合B＝{bq|q＝1,2,…Q+1}。5.根据权利要求4所述的一种适用于低轨卫星通信系统的信道估计方法，其特征在于，3CN115941027A权利要求书3/5页步骤S4包括：S4.1：