一种用于低轨卫星通信的极化跟踪与切换方法及系统、设备、介质与流程

本发明涉及卫星通信，具体而言，涉及一种用于低轨卫星通信的极化跟踪与切换方法及系统、设备、介质。

背景技术：

1、低轨卫星通信具有传输时延低、链路损耗小、全球覆盖等优势，是未来天地一体化网络的重要组成部分。在低轨卫星通信中，为了提高频谱利用率，通常采用正交双极化复用技术（如左旋/右旋圆极化，或水平/垂直线极化）。

2、然而，低轨卫星相对于地面站高速运动，导致通信链路存在以下极化方面的严峻挑战：

3、1. 极化偏转动态范围大：卫星与地面站的相对姿态不断变化，引起几何旋转；同时，电磁波穿过电离层时受地磁场影响产生法拉第旋转。两者的叠加效应导致到达地面站的信号极化面发生快速且大幅度的旋转偏转。

4、2. 极化失配与交叉极化干扰：当接收天线的极化方向与来波极化方向未对齐时，会产生极化失配损耗；更严重的是，偏转会导致正交极化分量发生串漏，极大降低交叉极化鉴别率，在双极化复用系统中造成严重的交叉极化干扰，导致系统吞吐量下降甚至通信中断。

5、现有的极化补偿方法主要包括机械调整和数字极化跟踪。机械调整响应速度慢，无法适应低轨卫星的高动态变化；传统的数字极化跟踪通常仅在小角度偏转下有效，当极化偏转角接近或超过45°时，两正交极化分量的幅度趋于一致，极化状态模糊，跟踪算法极易发生极化状态跳变或锁错。此外，现有的极化切换方法缺乏有效的抗抖动机制，在信道衰落或估计误差影响下，容易引发极化模式的频繁切换，导致基带解调不稳定。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于低轨卫星通信的极化跟踪与切换方法及系统、设备、介质，来解决现有技术中的上述问题。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、第一方面，本发明提供了一种用于低轨卫星通信的极化跟踪与切换方法，包括：

4、接收信号并提取导频序列，基于导频序列通过最大似然估计得到当前的极化偏转角，基于所述极化偏转角计算极化失配因子，并设置下门限阈值；

5、若当前极化失配因子小于下门限阈值，则生成数字极化跟踪加权矩阵，对双通道信号进行方向旋转补偿后，返回接收信号；

6、若当前极化失配因子大于等于下门限阈值，计算偏转角变化率，并设置切换条件，当极化失配因子和偏转角变化率同时满足切换条件时，执行极化通道互换，并更新基准后，返回接收信号，若不满足切换条件时，返回接收信号。

7、优选的，所述基于导频序列通过最大似然估计得到当前的极化偏转角包括：

8、

9、

10、

11、式中，为双极化信号向量，为水平极化分量，为垂直极化分量，为转置，为地面站接收到的信号向量，为极化旋转补偿矩阵，为加性高斯白噪声向量，为极化偏转角。

12、优选的，所述基于所述极化偏转角计算极化失配因子包括：

13、

14、式中，为极化失配因子，的取值范围为0到1，当时，，无失配；当时，，正交极化完全串扰；当时，，主极化完全转化为交叉极化。

15、优选的，所述生成数字极化跟踪加权矩阵包括：

16、

17、式中，为数字极化跟踪加权矩阵；

18、对双通道信号进行方向旋转补偿包括：

19、

20、式中，为补偿后的信号。

21、优选的，所述计算偏转角变化率，并设置切换条件，包括：

22、

23、式中，为偏转角变化率，为当前时刻；

24、设置极化模糊区，当，为上门限阈值，且偏转角变化率正在越过极化模糊区，同时当前接收信号信噪比低于动态门限时，执行极化通道互换。

25、优选的，所述极化通道互换包括：

26、设置极化互换矩阵，基于极化互换矩阵对双极化通道的主副关系互换，并将重置为，为重置后的极化偏转角；

27、切换后的综合加权矩阵为：

28、

29、式中，为切换后的综合加权矩阵，为极化互换矩阵。

30、优选的，所述返回接收信号包括：

31、当切换完成后，仅当下一次的极化失配因子小于下门限阈值维持时间超过防抖时间窗后，才允许执行再次触发新的跟踪或反向切换逻辑。

32、第二方面，本发明还提供了一种用于低轨卫星通信的极化跟踪与切换系统，用于执行上述的一种用于低轨卫星通信的极化跟踪与切换方法，包括：

33、极化参数估计单元，基于最大似然估计，计算两通道间的幅度比和相位差，实时估计出当前的极化偏转角。同时，对极化偏转角进行差分运算，计算偏转角的变化率；

34、极化失配计算单元，被配置为获取极化偏转角，基于电磁场极化失配物理模型，计算当前的极化失配因子；

35、信道质量监测单元，被配置为获取同步后的基带信号，实时计算接收信号的信噪比，为极化切换提供信道质量基准。

36、模式判决与滞回控制单元，被配置为若满足切换条件，输出切换模式指令给执行单元执行通道互换，并更新内部极化基准，同时启动滞回防抖计时器，屏蔽后续切换请求。

37、第三方面，本发明还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的一种用于低轨卫星通信的极化跟踪与切换方法。

38、第四方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的一种用于低轨卫星通信的极化跟踪与切换方法。

39、本发明的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

40、采用本发明提供的方法，主要包括，若当前极化失配因子小于下门限阈值，则生成数字极化跟踪加权矩阵，对双通道信号进行方向旋转补偿后，返回接收信号，若当前极化失配因子大于等于下门限阈值，计算偏转角变化率，并设置切换条件，当极化失配因子和偏转角变化率同时满足切换条件时，执行极化通道互换。通过在数字基带域构建极化旋转补偿矩阵，能够实时、无机械惯性地对几何旋转和法拉第旋转进行精确补偿，克服了传统机械极化调整响应慢的缺陷。

41、突破极化模糊区的跟踪极限：当极化偏转角接近45°极化模糊区时，传统跟踪算法极易失效锁错。本发明通过设定失配因子上门限，在接近模糊区前主动触发极化切换，利用通道互换矩阵将极化基准偏置90°，使系统重新回到高交叉极化鉴别率区间稳定工作。

42、有效抑制乒乓效应：本发明引入了基于偏转角变化率、snr评估以及时间窗防抖的双滞回判决机制，避免了因电离层闪烁、多径衰落或估计算法抖动引起的极化模式频繁切换，极大增强了低轨卫星通信链路的鲁棒性。

1.一种用于低轨卫星通信的极化跟踪与切换方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种用于低轨卫星通信的极化跟踪与切换方法，其特征在于，所述基于导频序列通过最大似然估计得到当前的极化偏转角包括：

3.根据权利要求2所述的一种用于低轨卫星通信的极化跟踪与切换方法，其特征在于，所述基于所述极化偏转角计算极化失配因子包括：

4.根据权利要求3所述的一种用于低轨卫星通信的极化跟踪与切换方法，其特征在于，所述生成数字极化跟踪加权矩阵包括：

5.根据权利要求4所述的一种用于低轨卫星通信的极化跟踪与切换方法，其特征在于，所述计算偏转角变化率，并设置切换条件，包括：

6.根据权利要求5所述的一种用于低轨卫星通信的极化跟踪与切换方法，其特征在于，所述极化通道互换包括：

7.根据权利要求6所述的一种用于低轨卫星通信的极化跟踪与切换方法，其特征在于，所述返回接收信号包括：

8.一种用于低轨卫星通信的极化跟踪与切换系统，其特征在于，用于执行权利要求1-7任一项所述的一种用于低轨卫星通信的极化跟踪与切换方法，包括：

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-7任一项所述的一种用于低轨卫星通信的极化跟踪与切换方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的一种用于低轨卫星通信的极化跟踪与切换方法。