智能高速铁路中基于低轨卫星网络的通信关键技术研究

智能高速铁路是构建现代综合交通运输体系的重要组成部分,建立支持高移动性、高速率、高可靠性、高实时性的通信链路是列车安全运行的基石。针对高速铁路空间跨度范围大、轨旁通信设备成本高、越区切换频繁等问题,探讨基于低轨卫星互联网技术实现车地通信的可能性及关键技术。分析智能高速铁路通信业务需求并根据不同的业务类型采用对应的专网或公网进行承载。研究了基于公网卫星互联网络的高速铁路无线接入架构。并在此基础上进一步探讨了面向智能高速铁路的卫星接入与低时延传输、星地链路多普勒频偏、星内/间波束切换等关键技术,以期实现低时延、高可靠的星地通信链路。

低轨卫星物联网星地距离时间同步及多普勒频偏补偿技术

针对低轨卫星(LEO)围绕地球做高速运动造成的传播距离远、多普勒频移大的特点,分析多普勒频移对星地同步和通信质量造成的影响,采用基于星历信息和网络规划等态势预测手段实现多普勒频移计算和预补偿技术,对星地多普勒频移进行粗补偿,并结合物理层波形采用的直接扩频序列特点,通过延迟锁定完成频移跟踪修正,保证卫星链路的高质量可靠连接,确保卫星物联网的高效可靠安全运行。

高动态环境下数据链信号载波频率估计算法

针对高动态环境下Link16数据链信号载波同步问题,设计了一种基于相邻符号相位差与两步式频率估计相结合的多普勒频率估计算法。该算法引入一种导频插入式数据结构,然后在此基础上对接收信号进行取辐角处理,再借助相邻符号位的相位差去除一阶频率偏移量,最后对观测序列求和得到变化率估计值。一阶多普勒频偏估计采用快速傅里叶变换与自相关结合方式来完成。理论分析和仿真结果表明,所提算法在频偏估计算法的基础上消除了多普勒变化率的影响,能实现多普勒变化率的有效估计。与其他算法相比,所提算法进一步增强了数据链系统传输的可靠性与动态环境适应能力,并且在估计精度方面具有优越的性能。

卫星数传OFDM信号的多普勒效应影响分析

正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)信号具有较高的频谱效率,有利于实现高速传输。在卫星对地高码率数据传输系统设计中,OFDM有助于解决带宽资源的问题,因此极富吸引力。但是,由于近地轨道(low earth orbit,LEO)星地链路的大动态特性,传输信号会遭受严重的多普勒效应影响。对于宽带OFDM信号而言,多普勒效应的表现形式更为复杂,不再仅仅是频率的偏移。分析宽带OFDM信号在LEO卫星对地数传链路中所受到的多普勒影响。首先,对卫星数传链路进行数学建模,并且推导出该大动态场景下的OFDM信号模型;之后,量化分析由于多普勒效应所产生的符号间干扰和载波间干扰。根据理论分析结果,给出OFDM体制在LEO星地数传应用中的设计要求和设计局限。

低信噪比高动态信号的大载波频偏捕获算法

针对低信噪比高动态信号的载波频偏捕获提出了一种新的算法即谱线平移算法。首先,介绍了现有的大载波频偏捕获技术,分析了其不能适应高动态信号捕获的原因;其次,分析了载波频偏及其变化率对载波频偏捕获的影响,主要考虑多普勒频移变化率对信号捕获的影响,它将严重限制低信噪比情况下对载波频偏估计时非相干累加的次数,在此基础上,提出并研究了适应低信噪比高动态信号大载波频偏捕获的谱线平移算法,并对算法进行了性能仿真,表明其具有2-3 dB的改善增益,与最大似然算法相比具有一定优势。

计算多普勒频偏的新算法

利用多普勒资料进行轨道改进 ,将遇到卫星信标机和测站接收机的频偏带来的系统差 ,如何估计各站圈的频偏 ,是决定定轨精度的一个关键问题 .文 [1 ]中提出的Guier导航计算频偏的方法 ,实践表明是行之有效的 .但是 ,Guier导航计算较复杂 ,在用数值积分计算星历表的软件中 ,使用这一算法比较困难 .提出一种基于法方程系数矩阵分块求逆的新算法 ,只需求 6× 6或 7× 7矩阵的逆 ,计算频偏十分简单 .仿真表明 ,新算法的定轨精度近似达到C .R .下界—理论最佳精度 ,比Guier导航算法的精度高 1 5%左右 .

极低信噪比高动态信号的多普勒频偏估计算法

为了提高极低信噪比下高动态信号的多普勒频偏估计性能,提出了一种基于一阶多普勒变化率补偿的频偏估计算法。分析了一阶变化率对相干累加与非相干累加的影响,在此基础上,一阶变化率被补偿,对于相干累加,补偿消除了频谱"平台效应",提高了检测性能,对于非相干累加,补偿消除了频谱的"漂移"现象,保证了非相干累加的有效性,并推导了一阶变化率扫描间隔的计算。通过对载噪比25分贝条件下的铱星信号的频偏估计,验证了新算法在极低信噪比条件下,对高动态信号的多普勒频偏估计的性能。

低信噪比条件下快变多普勒频偏捕获算法

针对卫星移动通信低信噪比条件下快变多普勒频偏捕获提出了一种新的算法即基于搜索空间压缩的谱线循环平移算法。首先，介绍了现有的载波频偏捕获技术，分析其不能适应快变多普勒频偏条件的原因；其次，分析了多普勒变化率对载波频偏捕获的影响，主要考虑一次变化率与二次变化率将严重限制低信噪比情况下对载波频偏估计时非相干累加的有效性；最后，在此基础上，提出了低信噪比条件下快变多普勒频偏捕获的基于搜索空间压缩的谱线循环平移算法。对算法进行的Matlab仿真结果表明，其具有2～3 dB的改善增益，与最大似然算法相比，在性能仅有0.2 dB损失的情况下运算量大大减少。

一种可移动式低轨道通信卫星地面设备技术

针对低轨道小通信卫星的特点 ,利用直接数字频率合成技术设计并实现其地球站系统的收发信机模块 ,可以完成 GFSK的调制和解调 ,通过测试达到要求 ;运用工控机技术设计完成通信协议控制 /管理模块 ,可以提供多普勒频移跟踪计算。

正交频分复用水声通信子载波干扰抑制

在引入正交频分复用调制技术的水声通信中,发送端与接收端采样频率偏差及多普勒频移会引起子载波间的干扰,为了抑制信号产生幅度衰落和相位畸变并降低系统误码率,根据多载波水声通信的特点提出了一种抑制载波间干扰的方法.利用导频序列拟合出采样频偏,通过重采样滤波器进行补偿,对多普勒因子粗补后,利用各象限解调数据方差的极小值确定解调数据长度,通过高分辨率傅里叶变换实现多普勒干扰抑制.3次实验结果证明该方法有效可行,能够较好地抑制子载波干扰,可显著提高多载波水声通信的系统性能.

一种适用于机载MPSK数传的同步技术及FPGA实现

机载数传设备的高速运动会带来较大的多普勒频移,设计一种不受频偏影响的同步解决方案对数传性能非常重要;突发方式的数据传输也给数传设备的接收同步带来了难度。为此,对于相位调制数传,提出了基于已知相位序列的相关同步算法,可以实现相关输出与收发频偏无关,很好地解决多普勒频移下的同步问题。该算法在FPGA上实现比较简单,性能可靠。

多普勒效应对车地通信数据传输质量影响的分析

根据系统的FM调制方式,通过计算分析多普勒频移的变化规律,采用中频模拟实验的方式证明了在低端频谱远高于干扰调制频率的基础上,多普勒频移对高速列车车地通信系统的数据传输没有任何影响。

可移动低轨道通信卫星地面终端设备的研究

文中结合了低轨道小卫星通信系统的重要理论和关键技术,着重对低轨道小卫星通信的地面站控制系统进行了详细地分析和研究。借鉴国外同类型设备的技术优点和国外设备相结合的研究测试方法,在其设备结构的基础上进行合理的创新与改进。最后,经过系统仿真和实际的测试,达到了与卫星进行数据传输的要求,并实现了对多普勒频移的控制。