[发明专利]应用于卫星激光通信系统的稀疏变换辅助时间同步方法

摘要

本发明涉及一种应用于卫星激光通信系统的稀疏变换辅助时间同步方法，属于卫星通信领域。方法为：第一步，预处理，主要是对卫星接收信号的帧头定位和抽取，得到抽取后的帧头序列；第二步，通过SDPT₂估计a₂；第三步，通过SDFrFT计算a₁,a₀，并修正a₂；第四步，利用估计出的a₁修正抽样频率，从而得到较长时间的采样数据，然后使用SDPT₃估计a₃。最终完成所有阶次动态的估计，完成时间同步。本发明在考虑到卫星星载资源受限和激光通信速率快、体制简单等因素外，还分析了卫星高动态多普勒对时间同步过程的影响，并以此为基础提出了适合卫星激光通信系统的稀疏变换辅助时间同步方法，减小了时间同步算法的计算复杂度，提高了星载激光通信系统的应用范围。

主权项

1.应用于卫星激光通信系统的稀疏变换辅助时间同步方法，其特征在于：具体步骤如下：步骤一、预处理，实现对帧头的定位，进而实现对帧头的抽取，即重采样；1)、建立具体的信号数学模型；接收信号的数学模型如式(1)，其中，g(t)表示接收信号波形，A0为接收信号幅值，τ(t)表示传播延迟，w(t)为零均值加性高斯白噪声；τ(t)中包含四部分，分别是：信号发端与卫星收端的距离a0；信号发端与卫星收端的相对速度a1，信号发端与卫星收端的相对加速度a2；信号发端与卫星收端的相对加加速度a3；对卫星的时间同步等同于估计τ(t)，即完成对a0、a1、a2、a3的估计；通过导频信息实现对a0、a1、a2、a3的估计；导频信息gp(t)的具体表达如式(2)，其中，δ＝0,1,2,…,Lp‑1，Lp表示导频信号长度，Tsyb表示符号时长；根据傅里叶变换，将式(2)转换为表达式(3)；其中，fc＝1/(2Tsyb)；经过低通滤波器后，式(3)变换成式(4)；其中，Ak表示k阶谐波的幅值；将接收信号s(t)和导频信息gp(t)转为数字信号；其中，Ts表示采样间隔；由于导频信息中，三阶谐波以上的分量幅值都近似于零，为简便计算，将gp(nTs)简化为，2)、基于接收信号s(n)与本地缓存信号的互相关性，确定信号导频位置其中，gh(n‑b)为本地缓存信号，fs＝1/Ts为采样频率,Lh为本地缓存信号长度，Tsyb为符号时长；3)、导出接收信号s(n)的复形式；考虑到本地导频信息gp(nTs)存在π/4的相位转移，即所以gp(nTs)的复形式如下其中，P_k＝exp(j(‑1)^k‑12(2k‑1)π(f_cnT_s‑τ(nT_s)))；由式(9)得到，接收信号s(n)的复形式为，sc(n)＝A0gc(nTs)+w(n)＝A0TP+w(n)                           (10)其中4)、对步骤2)得到的信号导频位置的导频信息进行重采样得到Nseq个采样信息；然后，确定导频长度Lp的最小值；Lm表示重采样点的最大漂移范围，得到如下关系式：其中，a1m表示激光通信卫星最大运动速度，β是一个正整数，Lfrm表示整帧长度，c表示光速；由于采样点漂移方向未知，则L_p的最小范围是在重采样后，接收信号的复形式sc(n)转化为sc(m)序列，m＝0,1,…,Nseq‑1；采样频率变换为fs′＝fs/rsmp，其中rsmp＝βLfrmTsyb/Ts；步骤二，将步骤一中得到的抽取后的接收信号sc(m)序列通过SDPT2估计a2；其中，ξ表示一个正整数，f＝2π/N_seq，T_s′＝1/f_s′，为简便表达，x(m)＝DP₂(s_c(m),ξ)，由此得到：忽略上式的噪声选项，得式(14)：其中Pξ和P(ξ)分别表示P和P的ξ‑delay；由于P1P1*(ξ)远大于P2P2*(ξ)，所以上式进一步简化为，其中，和分别表示s_c(m)序列经过SDPT₂运算后的干扰项和噪声，φ为一个常数，同时令因为3a₃ξ(T_s′)³m²和3a₃ξ²(T_s′)³m足够小，所以能够被忽略；由此得到，a₂的估计值为，步骤三，通过SDFrFT对a1和a0进行估计，并修正步骤二得到的a2；通过式(11)对进行估计并修正的估计值；其中，m∈[0,M‑1]，k∈[0,M‑1]，α表示旋转角度，U_s表示输出信息X_α(k)的采样间隔，同时必须满足通过式(17)能够得到k和α的最优值为，由此得到的估计值和的修正值：步骤四，利用估计出的a1修正抽样频率，从而得到较长时间的采样数据，然后使用SDPT3估计a3；最终完成所有阶次动态的估计，完成时间同步；激光通信卫星的高动态使得采样位置出现漂移并最终导致a₃估计值出现较大误差；引入更新采样速率的方法减小的估计误差，具体表达式如下，其中，是在步骤三中得到的速度估计值；在完成采样速率更新后，引入SDPT3完成a3的估计；重采样的采样点数N′seq已知，得到表达式(21)，其中，DP3定义为：令P2ξ、P(2ξ)分别表示P和P的2ξ‑delay；x2(m)＝DP3(sc(m),ξ)被改写为表达式(23)，式(23)中，x2(m)由P1P1*(ξ)P1*(ξ)P1(2ξ)、P2P2*(ξ)P2*(ξ)P2(2ξ)和P3P3*(ξ)P3*(ξ)P3(2ξ)表达；并且由于P1P1*(ξ)P1*(ξ)P1(2ξ)的幅值远大于其他两项，故简化表达式为，其中，和分别表示经过SDPT₃运算后的干扰项和噪声项；由上式得出的估计值表达式为，在完成对a0、a1、a2、a3的估计后，得到地面站与卫星间信号传输的传播时延τ(t)，即完成卫星的时间同步。