低轨卫星多普勒频移特性的快速计算

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1、第31卷第5期2012年lO月飞行器测控学报JournalofSpacecraftTT&CTechnologyV01．31No．5Oct．2012低轨卫星多普勒频移特性的快速计算”武暾1，赵宗印1，詹天南2(1．北京跟踪与通信技术研究所·北京·100094；2，北京理工大学信息与电子学院·北京·100081)摘要：地面站利用低轨卫星进行通信时，地面接收站接收信号存在明显的多普勒频移现象。为描述多普勒频移特性，首先分析卫星轨道偏心率对多普勒特性曲线的影响，分析表明：轨道偏心率越大，地面站接收信号多普勒变化率越大。其次，推导了

2、卫星多普勒频移的计算表达式，并讨论了低轨卫星多普勒频移特性曲线的快速计算。仿真计算结果表明，该算法可以很好地描述任意低轨道卫星多普勒频移特性，并明显缩短了精确算法的计算时间，对于10000km轨道高度卫星，算法置信度可达99％以上。关键词：多普勒估计；多普勒特性；近地轨道卫星；快速计算；轨道偏心率中图分类号：TN927文献标志码：A文章编号：1674～5620(2012)05—0079—05FastDopplerEstimationforLEOSatellitesWUTunl。ZHAOZongyinl。ZHANTianna

3、n2(1．BeijingInstituteofTrackingandTelecommunicationsTechnology，Beijing100094；2．SchoolofInformationandElectronics，BeijingInstituteofTechnology，Beijing100081)Abstract：SignificaatDopplershiftisobservedbygroundbasedterminalswhentheycommunicatethroughLEO(LowEarthOrbit)

4、satellitesanditisessentialtOcharacterizeDopplershiftinordertogetreliablesatellitecommuni—cationlinks．AsshownbyanalysisoftheeffectsoforbiteccentricityonDoppler—timecurvesmeasuredbyauseronthesurfaceoftheearth，Dopplerrateincreasesastheorbiteccentricityofthesatellitei

5、ncreases，Furthermore，theDopplershiftexpressionofaground—basedterminalisderivedandavenuesthatdiminishtimeconsumptioninDopplercharacte“zationcomputationarediscussed．Theapproachisvalidatedbynumericalsimulation．AccurateDoppler—timecurvesarenicelyfittedandtheaccuracyof

6、thealgorithmishigherthan99％forsatelliteswithallorbitaltitudeof10000km．Keywords：Dopplerestimation；Dopplercharacterization；LowEarth0rbit(LEo)satellites；fastcomputation；orbiteccentricitY0引言由于近地轨道较其他轨道离地球表面更近，近地轨道卫星具有传输时延小、传输损耗低的特点，能更好地提供实时双向通信信道和通信服务[1]。然而，近地轨道卫星相对于地

7、面的速度可达几十km／s，造成地面站接收信号的多普勒频移可高于100Ha∞]，甚至高于卫星通信系统传输符号速率口]。大的多普勒频移可以造成载波同步和包检测无法完成，严重影响接收机解调性能，甚至造成无线链路失效口]。特别对于卫星高速数传链路，必须对多普勒频移进行估计、预测和补偿[5]。先前的研究主要集中于卫星多普勒频移估计与补偿算法，近十年来国内外的一些研究成果[1’6_83则侧重于近地轨道卫星多普勒时变特性的描述，此类型算法可在地面站终端的片上系统实现，可对卫星可视时间内的多普勒频移时变特性曲线进行预测，用来提高终端锁相环

8、的性能；时变特性曲线也可被用作卫星通信系统多接人方案的基础信息[9j。然而，文献Eli和文献[6]所述方法仅适用于圆形近地轨道卫星；文献[7]提出一种基于航天轨道动力学的卫星多普勒频移时变特性的矢量化计算方法，可以实现对任意轨道卫星的精确计算，但该方法计算复杂，计算时间长且所需数据存储空间大；文献[8]