低轨卫星高动态多普勒频移补偿方法

来源：信号处理杂志 2025年第8期北京时间：

作者：林玉洁, 杨若琳, 杨凯

摘要：低轨卫星具有传输时延低、覆盖范围广和通信速率高等技术优势，通过大规模星座部署可有效推动全球通信基础设施的升级演进，是实现全球无缝通信覆盖和提升应急通信保障能力的关键。然而，异轨道面卫星通信因拓扑关系快速变化引起多普勒频移，其动态范围大、特性时变快，导致相干通信星座相位旋转，载波环路恢复算法失效，解调性能急剧下降，甚至通信链路中断。本文对低轨卫星多普勒频移变化特性进行轨道建模分析，其频偏可达340 kHz，变化速率超过2 kHz/s，以此为依据分别对闭环反馈、前向开环算法的载波跟踪性能进行仿真分析；针对卫星通信接收机需适应同轨、异轨应用场景需求，自适应判决更新策略采用加速度判决机制实现双模式补偿策略：在同轨低动态阶段采用基于闭环反馈的锁相环（Phase-Locked Loop，PLL）进行相位跟踪补偿，在异轨高动态阶段切换至基于前向开环的快速傅里叶变换-VV（Fast Fourier Transform-Viterbi Viterbi，FFT-VV）联合算法，并引入滑动窗口加权更新机制对加速度判决阈值进行动态调整，在实现频偏快速捕获与高精度相位补偿的同时，提升双模式补偿体系间的控制稳定性与准确性。仿真结果表明，自适应判决更新策略在低加速度环境下归一化频偏估计均方根误差（Normalized Root Mean Square Error，NRMSE）低于2×10-4，在高动态环境下NRMSE稳定在5.48×10-4，且相位波动收敛至±0.04弧度以内。在此基础上，进一步通过误码率仿真验证了自适应判决更新策略的有效性，测试结果表明该方法能够根据链路动态状态实时切换最优补偿模式，显著提升了低轨卫星通信接收机在同轨、异轨场景下的通信鲁棒性。

关键词：低轨卫星, 多普勒频移, 高动态同步, 自适应策略