[发明专利]一种GNSS辅助的LEO地面通信收发系统及方法

说明书

本发明公开了一种全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)辅助的低轨(LEO Earth Orbit,LEO)卫星地面通信收发系统及方法。本发明旨在提高LEO卫星通信系统的可靠性、保密性和抗干扰性。该收发系统利用GNSS信号接收单元提供的时间、位置和速度信息，以及LEO卫星轨道信息，实现地面通信收发系统与LEO卫星之间方向信息的估算，并利用该方向信息作为导向矢量，通过多通道射频单元以及天线阵列形成波束，指向LEO卫星，并根据动态实时调整，从而达到实时跟踪LEO卫星信号，有效降低地面收发系统发射功率，提高信号接收性能的目的。

技术领域

本发明属于低轨卫星通信系统领域，特别涉及一种全球导航卫星系统(GlobalNavigation Satellite System,GNSS)辅助的低轨(LEO Earth Orbit,LEO)卫星地面通信收发系统及方法。

背景技术

全球导航卫星系统是一种星基无线电定位、导航系统，包括美国的全球定位系统(Global Positioning System，GPS)、中国北斗系统、欧洲伽利略、俄罗斯格洛纳斯系统等。GNSS提供了全球导航功能，极大地满足了军事和民用中的导航定位和授时需求。但GNSS基本没有通信功能，北斗系统虽然具有短报文通信功能，但过低的通信速率不能满足人们日益强烈的网络、视频、图片等大带宽通信需求要求。

随着电子、通信技术，以及火箭发射技术的逐步成熟，近年来低轨道卫星通信技术得到了突飞猛进的发展。低轨卫星通信由于覆盖面广，能有效实现偏远地区、山中、海上、沙漠等地区的网络通信，可广泛应用于电视、电话、广播、网络和军事领域。目前全球主要四大低轨卫星营运商主要为：美国SpaceX、美国Amazon、加拿大Telesat、英国OneWeb，其中以SpaceX的星链(Starlink)计划规模最为庞大，将投入12,000颗卫星组成巨型通讯卫星星系。我国也陆续出台了支持卫星通信行业发展的政策文件，在短、中、长期各个阶段，积极部署卫星通信产业发展，促进“天地一体”发展。星地一体融合组网技术将是6G重要的潜在技术之一，低轨卫星通信开启商业化时代，成为未来通信发展的主要方向。

与传统地面基站通信相比，低轨卫星通信由于星地距离较远，信号落地功率低，地面收发设备容易受到电磁干扰等影响，通信性能较差。为保证通信性能，以SpaceX的星链(Starlink)系统为例，接收设备往往需要一个体积较大的天线装置，且需要人工对准，这大大提高了系统的复杂度，降低了用户使用的便捷性。另一方面，在军事以及个人通信中，地面发射功率的大幅度提高，也会造成通信的保密性难以保证，导致用户信息的泄露。因此，如何有效提高低轨卫星通信的稳定性、抗干扰性与保密性，是其未来发展的主要问题之一。

发明内容

针对现有低轨卫星地面通信收发系统及方法存在的通信性能差、体积大、功耗大等问题，本发明提供了一种GNSS辅助的LEO地面通信收发系统及方法，可有效提高低轨通信系统的稳定性、抗干扰性和保密性。

本发明的思路如下：

LEO地面通信收发系统集成天线阵列和GNSS信号接收模组，收发系统首先利用GNSS接收系统计算出当前收发系统的时间和位置信息；基于该时空信息，以及LEO卫星轨道信息计算出LEO卫星所在位置；利用地面通信收发系统位置与LEO卫星位置方向矢量作为导向矢量，通过波束形成算法实现天线阵列波束指向低轨卫星，从而达到提高地面通信收发系统通信性能的目的。

本发明采用如下的技术方案：

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种GNSS辅助的LEO地面通信收发系统，包括依次连接的天线阵列、多通道射频单元、基带信号处理单元和GNSS信号接收单元；

所述天线阵列包括多个阵元，各阵元通过馈线与多通道射频单元的各通道一一对应连接，多通道射频单元与基带信号处理单元连接，所述基带信号处理单元与GNSS信号接收单元连接；