社区驱动的卫星地面站接入民主化方法

1→→→社区驱动的卫星地面站接入民主化方法卡内基梅隆大学vaibhav3@andrew.cmu.edu卡内基梅隆大学aprabhak@andrew.cmu.edu卡内基梅隆大学dianaz1@andrew.cmu.edu简介摘要卡内基梅隆大学oyagan@andrew.cmu.edu卡内基梅隆大学swarun@cmu.edu1引言如果您决定在低地球轨道（LEO）发射纳米卫星，租用地面站通信基础设施的成本可能会大大超过您的发射成本。虽然随着创新运载火箭、私人参与者和较小的有效载荷的出现，太空发射成本已大幅降低，但使用地面基础设施仍然是一种奢侈。 对于较小的低地球轨道卫星来说尤其如此，这些卫星每天在任何地点只能看到几十分钟，而且信号极弱，需要庞大而昂贵的地面站基础设施。在本文中，我们提出了一个社区驱动的分布式接收模式的LEO卫星信号，在许多微小的手持接收器（不一定部署在屋顶上，但也室内）接收到的信号进行相干组合，以恢复所需的信号。这是通过采用新的同步和接收器定向技术，研究卫星轨迹和利用其他环境信号的存在 我们将我们的结果与部署在屋顶上的大型商业接收器进行了比较，并显示使用8个接收器的室内和室外SNR增加了8dB，每个RF前端的成本为38美元。CCS概念• 硬件信号处理系统;无线设备;·计算机系统组织云计算;嵌入式和网络物理系统;·网络无线接入点、基站和基础设施。关键词低轨卫星，地面站，同步，相干合成，低成本，分布式系统ACM参考格式：VaibhavSingh，Akarsh Prabhakara，Diana Zhang，Osman Yaidian，andSwarunKumar. 2021年一种社区驱动的卫星地面站接入民主化方法。在第27届移动计算和网络国际年会（ACM WEBCOM '21）上，2021年10月25日至29日，美国路易斯安那州新奥尔良。ACM，纽约州纽约市，美国，14页。 https://doi.org/10.1145/3447993.3448630本作品采用知识共享署名国际4.0许可协议进行许可2021年10月25日至29日，美国路易斯安那州新奥尔良市，ACM ISBN 978-1-4503-8342-4/21/10。https://doi.org/10.1145/3447993.3448630今天，如果你在太空中发射一颗小卫星，你可能每天只能从地面站与它通信大约10分钟[4，5，58]。 此外，也许矛盾的是，今天的卫星地面站支付的租金[6，38，85]每分钟的访问可能很快加起来的竞争对手的实际发射成本的小型卫星（最近的纳米卫星成本低至2000美元发射）。 建造或购买自己的基站-包括少数现有的开源设计-是一项更大的投资[ 71，89，95 ]。这些成本和通信瓶颈意味着从小型卫星上获取的有用数据非常少更有问题的是，如果纳米卫星在十分钟的窗口内没有反应，或者错过发送相关数据，那么一整天的数据都会丢失。鉴于许多小型卫星任务的设计仅持续几个月，机械或辐射相关的故障是一个持续的威胁，每天的数据都是宝贵的换句话说，与地面的无线通信仍然是确保小型卫星革命成功的关键瓶颈，也是我们通信已经有一些令人钦佩的努力，寻求减少或开放源代码的地面站基础设施。亚马逊的AWS地面站[ 7 ]，Stellarstation[ 2 ]和PlanetLabs[ 69]是最近的努力，允许用户以极细的粒度在基站上租用时间，从而节省成本。各种开源实现，例如，Satnogs [30]已经建立了简化部署自己的基站的框架。然而，在这些努力中，仍然存在一个根本性的挑战-单个基站的成本很高[71，89，95]，并且这些基站需要放置在最佳的预先调查位置（例如，屋顶），具有显著的安装和维护成本，这两者都限制了规模并增加了网络的成本。在本文中，我们通过建造Quasar来解决这个问题，Quasar是一个卫星地面站，花费几十美元，可以放置在任何地方（包括室内）。我们的系统被设计为，虽然每个基站不太可能接收到最强的卫星信号，但弱基站团队可以在云端集体汇集数据，对它们进行相干组合和解码。虽然在无线局域网、蜂窝网络、低功耗物联网甚至无线电观测站[19]中有大量关于分布式相干组合的文献，但我们认为，低地球轨道（LEO）卫星环境和我们的每基站价格点带来了独特的系统设计挑战，22021年10月25日至29日，美国路易斯安那州地址. 我们通过将Quasar的廉价地面站分布在美国大部分地区来实施和评估我们的系统。 城市，并获得了一个分布式图像的城市（和周围地区）捕捉从低轨卫星在太空中，这是无法解码（甚至检测）个别在任何一个单一的地面站。我们的卫星硬件系统设计将完全开源，并有一个相关的在线门户网站，用于提供卫星数据，以创建社区驱动的卫星地面基础设施框架。本文的其余部分描述了我们的解决方案，在建立一个低成本和分布式社区运行的卫星地面站基础设施的关键挑战。我们专注于三个具体挑战：(1) 低成本与基站的同步：为了准确地进行相干合成，地面站必须在时间、频率和相位上完全同步。然而，用于同步基站的精确和准确的时钟是昂贵的，并且通常需要部署在室外（例如，GPS时钟，屋顶租金），这违背了类星体的可访问的精神和低成本的方法。 Quasar通过使用来自业余无线电塔等不相关地面设备的机会信号作为有效的信标来同步分布式地面站，从而解决了这一挑战。我们进一步展示了如何使用已知的卫星轨迹和速度来解释频率的多普勒频移。(2) 天线部署指南：能够在任何环境中部署节点的一个重要缺点是信号衰减严重，特别是在密集的城市和室内环境中。事实上，这正是卫星地面站站点通常被选择以确保到头顶上的卫星的清晰视线路径的原因 Quasar通过提供关于节点及其天线的最佳室内放置和方向的一般指南来应对这一挑战，考虑到包括基本方向、海拔和邻近表面的接近度在内的因素，使用轨迹观测和不同室内场景中卫星接收的测量衰减。(3) 抗噪能力与有限回程：为了真正对噪声具有弹性，必须将来自尽可能多的地面站的信号进行相干组合-包括那些信号被深埋在噪声中甚至没有被检测到的信号。然而，这意味着地面站必须不断地将所有接收到的信号传输到基站，即使它们看起来像完全的噪音。这是上行链路带宽上的显著压力（特别是当该上行链路是家庭宽带时），并且可以抑制通过社区驱动的方法的系统采用。 为了缓解这一挑战，Quasar使用已知的卫星轨迹以及来自地面站的线索，这些地面站确实接收到卫星信号的噪声较小的版本，以决定将哪些噪声接收到的信号推到云端，而其他噪声更大的接收可以在本地丢弃。我们表明，结果-ING方法需要一个非常温和的一部分，在一个典型的家庭宽带连接的总上行链路带宽。我们在RTL-SDR上实现并评估了Quasar（成本25美元），可以连接到乌藨子PI或用户的笔记本这些连接到EXS136SMI Laird technologies天线[28]允许9.95 × 1.20厘米的形状因数，并且不需要专门的安装。开发了类星体工具包在Matlab和Python中，通过使用ReactJS设计的门户网站提供相关的可视化工具通过这个项目开发的所有源代码和硬件设计都是开源 的 ， 以 鼓 励 社 区 采 用 ， 可 以 在 www.example.com 上 访 问https://www.witechlab.com/quasar.html。我们的结果揭示了以下内容：与单个地面站的信号相比，Quasar通过聚合8个地面站的信号实现了8 dB的SNR增益。Quasar通过预测用户部署的地面站何时需要向上游中继数据，将回程带宽节省了33%。Quasar在使用8个地面站恢复气象卫星图像时，室外和室内的平均结构相似性指数分别为0.85和0.74比单个地面站的0.52和0.35贡献：本文设计一个开源、分布式和社区驱动的卫星地面基础设施，有效地解码来自可部署在任何地方的单独低成本网关的低地球轨道卫星信号。一种对来自低成本网关的信号执行有效同步、配置和相干组合的方法，以恢复在任何单个网关处不可单独解码的信号。一个端到端的系统评估证明了有效的卫星数据解码，回程带宽的压力最小。2相关工作卫星地面基础设施：自从第一颗卫星被送入太空以来，卫星信号接入和专用地面站已经得到了很好的研究。 不同的设计已根据具体应用进行了探索[29，54]。之前的工作还探索了使用大型阵列的接收波束成形，并将其应用于射电天文学[16，39，46]-与我们的最近，许多非政府实体，例如，大学，发射自己的卫星，随后建立一个地面站[1，21，82]，范围约6000 -10000美元和无数的志愿者学生小时，或创建接收器网络，有有限的参与[50，75，78]。这种努力和成本限制了地面站的部署，只有少数业余无线电爱好者愿意在屋顶上部署巨大的天线。最近，学术界[77，90]和工业界[2，7，55，68，69，86]对设计地面站网络越来越感兴趣，用户可以使用订阅模型同时访问多卫星数据。 虽然这些努力通过使用云和地面站网络中的创新减少延迟来改善卫星数据访问，但我们的方法不同，我们尝试使用分布式接收器接收单个卫星数据。SatNogs[30]允许用户在部署自己的地面站后安排接收以及访问来自其他用户的处理数据;但是，它不提供原始I/Q样本进行处理。已经有许多努力来实现地面站硬件的部分封装[49，66，74，76]。这些作品减少了······社区驱动的卫星地面站接入民主化方法2021年10月25日至29日，美国路易斯安那州新奥尔良市，3图1：LEO卫星（a）在低高度运行，因此只能提供地球的小角度视图，（b）在极地轨道运行，仅在100分钟内完成一次旋转。通过在SDR或旋转器方面的创新来降低成本，但天线的尺寸和所需的空间仍然是瓶颈。 我们努力填补这一领域的空白：更便宜的接收器，不需要屋顶访问，其数据可以在用户之间共享。 我们认为，提供这将降低进入卫星接收器的门槛，并鼓励更广泛的地面站网络，特别是在服务不足的地理区域。移动计算领域的优势：在移动计算领域，我们已经看到人们对太空的兴趣正在萌芽，其应用包括用于地面和卫星的低功耗GPS解决方案[14，57，60]、行星网络测试平台[ 10 ]，以及补充其他传感模式[12，51]，以及最近对启用卫星互联网[20，37，87]和卫星物联网[23，63]的兴趣激增。 由于延迟、带宽和卫星间链路是实现卫星互联网的瓶颈，[13，23，36]中的初始提案试图提出一些方法来克服这些问题。我们区别于这个机构的工作，我们专注于应用移动计算的概念，地面站的低地球轨道卫星。无线网络中的相干合并：实现无线分布式系统的同步接收也得到了广泛的研究[17，26，32，53，62，79，84]，显示了用于增强通信和感知性能的有前途的相干合并也已经集成到用于增强通信各种位置跟踪[31，43，44，61，92]和传感应用[22，31，42，99，100]。已经研究了使用GPS和定制硬件的低成本接收器的同步设计[3，25，35，45，48]，但是我们的目标是通过不增加违背我们系统精神的额外硬件来降低接收器的复杂性。相干组合也已用于实现光通信[11，34]。 与此相反，这一机构的工作，我们的目标是建立在低地球轨道卫星方面的这项工作。3引物动机在本节中，我们简要描述了为什么卫星基站基础设施是昂贵的，特别是对于低轨小卫星。我们注意到，我们专注于低地球轨道卫星，因为它们为纳米卫星提供了最便宜的发射成本，并且形成了由小型玩家（业余爱好者，学校等）发射的绝大多数卫星。LEO卫星提供了一个小角度的地球视图：这是由于它们接近地球-通常距离地球表面几百公里[4，5，97]（约160-2000公里）。虽然轨道参数不同，这意味着它需要大约15颗LEO卫星组成一个可以覆盖地球的星座，而MEO只有3颗[15]（例如，GPS）。也就是说，一颗低轨卫星覆盖约3400万平方公里。 或约占地球总表面积的7%。虽然政府、国防部队和大型企业有能力为LEO租用或安装跨越地球的基站，但对于爱好者、教育机构或发射立方体卫星的小公司来说，LEO卫星只能在头顶上停留很短的时间：LEO卫星面临的第二个相关挑战是，它们在任何给定的地理位置上每天只能看到大约几十分钟[4，5，58，97]。这是由于卫星的小角度视图如上所述和它们的高速度-它们通常在大约60-100分钟内围绕地球旋转。请注意，轨道参数随地球公转而变化，因此它们通常不会在一天内多次访问地球的同一位置。 这意味着，如果由于任何原因（例如，故障），当天的所有数据完全丢失。不幸的是，由于高昂的租金成本，大多数业余爱好者只在很少的几个地点租用地面站（通常只有一个[6，38，85]）。纳米卫星寿命短：众所周知，纳米卫星的寿命很难预测，因为它可能会由于多种原因而离线，例如与辐射有关的故障，电池故障或轨道衰减。然而，总的来说，小型卫星的寿命比低地球轨道上的大型卫星短得多（例如，国际空间站），因为卫星重量直接影响轨道衰减。立方体卫星通常持续几天到几年，但最典型的是几个月[52]。 这意味着大多数业余爱好者只能从立方体卫星上获得大约几十到几百天的通信痕迹，然后才能离线。这使得降低卫星到地面通信链路的成本和可用性变得更加重要-在卫星离线之前只有这么多机会进行通信，而且很难预测何时会发生这种情况。4类星体设计与挑战在本节中，我们将讨论为什么我们选择在低成本地面站之间进行相干合并的特殊设计。我们随后解释了设计这样一个系统的研究挑战，并提出了一个大纲的其余部分。4.1设计类星体我们设想了一个社区运营的设计，卫星爱好者可以放置廉价的接收器，无论他们在家里有可用的空间，并提供指导方针，什么位置将是最佳的。然后，来自这些网关的信号在云端进行相干组合，以恢复在任何单个网关处可能无法单独恢复的弱信号。为什么不设计更便宜的地面站？ 人们可能会想知道为什么我们选择了相干组合方法，而不是地理复制现有的地面站技术或工程师更便宜的地面站硬件。 我们的选择源于这样一个事实，即当今地面站成本的主要瓶颈是安装[71，89，94，95]。今天，卫星地面站2021年10月25日至29日，美国路易斯安那州新奥尔良市，Vaibhav Singh、Akarsh Prabhakara、Diana Zhang、Osman Yaidan和SwarunKumar4图二：系统概述：Quasar包括：（1）同步接收器（2）接收器放置指南（3）云中的相干合并体积庞大，并部署在特别选择的位置，通常在屋顶或山上。在精心选择的位置安装新基站所产生的成本通常可能与硬件组件相媲美。我们的选择：相反，我们的方法选择了相反的“部署在你可以”的方法，允许接收器放置在室内或室外，并依赖于廉价的硬件与小的形状因素。 其结果是大大提高了部署的便利性，另一方面是地面站不太可能接收到强卫星信号。我们通过相干组合来解决这个问题-4.2挑战和系统概述本文的其余部分讨论了Quasar设计中的三个关键挑战我们说明了这些挑战如何相互作用，以促进类星体二、低成本同步：鉴于我们的地面站价格低廉，而且通常在室内，它们缺乏跨地理分布的接收设备本地接收时间、频率和相位同步信号的能力。秒5讨论了我们解决这一挑战的方法，该方法依赖于来自其他地面设备（例如，业余无线电设备）进行同步。最佳地面站位置：虽然我们的系统允许地面站部署在室内或室外，但我们为卫星爱好者提供了地面站应部署在何处以获得最佳性能的一般指南。秒6描述了我们的分析和数据驱动的方法。最大限度地减少回程压力在从分布式地面站收集同步信号后，我们现在需要在没有压倒家庭宽带连接回程带宽的情况下收集秒7讨论了我们的方法来做到这一点，并在云上有效地执行相干组合我们注意到，这些技术和工程指南的设计考虑到了分布式卫星接收背景下的独特挑战，同时确保系统可以随着卫星和用户数量的增加而无缝图3：低轨卫星与匹兹堡市业余无线电塔和中继器之间的重叠。5同步相干合并本质上是在多个接收地面站之间以相位相干的方式添加信号，以提高信噪比。这就是为什么同步分布式接收机是任何相干合并系统的关键组成部分在我们的背景下，这种需要进一步突出，因为我们的系统包括几个廉价的无线电作为地面站。由于这些无线电的低成本，它们的硬件组件并没有被设计为提供长时间的频率稳定性[73]-特别是10分钟的长接收时间，这是低地球轨道卫星的典型特征。此外，由于我们的无线电分布在广泛的地理区域，涉及共享频率稳定时钟的技术不是可行的解决方案。除此之外，我们的许多无线电都部署在室内，无法或无法访问GPS等流行的时间和频率共享系统除了这些因素之外，还存在LEO卫星接收器环境所特有的某些挑战，其使得现有分布式接收器系统技术的使用无效。我们需要记住，与大多数地面分布式系统不同，（1）LEO卫星的发射机几乎从不受用户控制（除了拥有卫星的实体或组织）。 这意味着由公众部署在地面上的接收器不能控制并与卫星发射器协调以通过结合智能前导码设计、前向纠错等来辅助同步。（2）低地球轨道卫星的高轨道速度引入了称为多普勒频移的频率偏移，其幅度大于在地面系统中看到的幅度（3）由于跨越1000公里间隔的高路径损耗，从卫星接收的信号非常弱因此，传统的WiFi启发的基于相位的同步技术将不起作用，因为接收信号的相位本身由于低SNR而具有噪声。这里与GPS信号的一个重要区别是，我们的目标是一般的LEO卫星，其发射信号可能不是专门为同步和定位而设计的考虑到这些因素，我们的分布式接收机系统的设计应该是这样的，它的工作原理不需要调整卫星信号，即使在低信噪比的情况下也可以工作，最后，不应该给用户带来额外的负担。在设计一个解决方案来操作这些约束时，人们可以直观地认为，社区驱动的卫星地面站接入民主化方法2021年10月25日至29日，美国路易斯安那州新奥尔良市，5→→→（）下一页使用类似于GPS的信标系统，可以在室内提供强大的信号来锁定。我们注意到，今天的许多卫星，包括地球观测，天气监测，业余和教育卫星，在VHF（144-148 MHz）和UHF（420-450 MHz）业余频段或附近的业余无线电频段中运行[8，59，64]。图图3描绘了低轨卫星[91]和匹兹堡市地区在VHF和UHF波段运行的业余无线电台[18，47]。 可以看出，卫星和业余无线电台的工作频率在甚高频波段有很大重叠，在超高频波段很接近。由于其工作频率低，业余无线电信号可以传播很长的距离，并在室内接收考虑到它们接近许多LEO卫星的操作频率，使用这些信号进行同步是有利可图的，这是由在MIMO [ 79 ]环境中使用单独的发射机进行同步的其他系统所启发的。我们把这些信号称为机会信号使用机会信号的优点在于它们已经可用，从而避免了用户使用额外资源进行同步的需要。在这些业余无线电信号不可用的地区，我们建议其中一个用户通过安装发射机来产生人工信号的机会，以服务于附近地区。 当接收到的SNR不差时，我们可以使用来自接收到的卫星分组本身的前导和频率同步报头。5.1硬件失调分析在详细描述我们的技术之前，让我们首先了解需要同步的不同偏移量，特别是在我们的上下文中。 为了简洁地描述这些偏移，我们开发了一个窄带信号模型，如下所示。考虑一个标记为- 是的这些接收器遭受三大类偏移：（1）频率图4：类星体使用来自附近业余波段的信号，操作性地同步不同的卫星接收器。我们的方法是利用对应于卫星和机会信号的频带的信道测量。使用这些测量，我们合成了一个有效的信道之间的每对接收机是免费的所有时变偏移如下。首先，我们处理多普勒频移使用本地测量在每个接收器。每个接收器基于其地理位置和所考虑的卫星轨迹经历不同的多普勒简化的扰动模型[40]-称为SGP 4-对卫星轨迹进行数学建模，并报告卫星在任何时间相对于地球上一点的多普勒速度。利用SGP4模型的多普勒频移值，通过乘以测量的多普勒频移值，偏移：当它们的载波频率（kHz）与卫星的载波频率（kHz）偏移时;（2）相位偏移：当它们的相位锁定时，ℎ → with���− 2 ���ˆ���������,where���ˆ is the Doppler shift predicted by环路产生与卫星（ 卫星）偏移的相位（ 相位）;以及（3）采样频率偏移：当它们的采样频率（kHz）偏离卫星（ kHz）时。低地球轨道卫星的高轨道速度给卫星带来了一个独特的挑战。 它们的运动会导致明显的多普勒频移（），在一分钟的接收时间内，多普勒频移可以达到500-1000 Hz左右。从数学上讲，我们的渠道模型可以写成：ℎ���→���=ℎˆ →���������(2������(������− )+2���( + ��� ���− )���+(��� −��� ))(1)������������������������������Where���是在没有任何硬件偏移的情况下的真实无线信道，并且������是测量的无线信道。本节的其余部分将介绍两种消除这些偏移的解决方案。请记住，我们的目标是使不同的接收器彼此同步，而不一定要使每个接收器与发射器同步。我们在我们的解决方案中使用这种方法，使用机会信号在没有任何此类信号的情况下，我们将每个接收器与发射卫星同步。5.2利用机会信号在接收卫星信号时，无线电不可避免地同时收听任何落在其带宽内的机会信号如前所述，使用机会信号进行同步的决定是由以下两个因素驱动的：（1）缺乏对卫星发射机的控制和接收信号的低SNR，以及（2）卫星传输与业余无线电频带的重叠。该模型[24，67，80，96]报告了SGP4模型的准确性用于轨道确定，误差为1公里。然而，任何卫星的多普勒频移都是使用卫星与地球接收器的相对距离的变化率（也称为距离变化率）来计算的。 尽管位置误差很大，但由于位置误差随时间缓慢增长，距离速率误差并不高，导致VHF和UHF波段的平均多普勒频移预测误差小于150 Hz [98]。多普勒估计中的该误差导致频率偏移的小值，该频率偏移的小值可以使用相位校正在每个分组的基础上使用p reambl e. 让多普勒频率通道在此之后，���.为了消除其他偏移，我们利用机会信号类似于等式1，来自机会信号的信道涉及除多普勒之外的所有偏移。本文考虑了卫星信号中心频率为（），卫星信号中心频率为（ ）的情况。在上面的5.1中，用于在 第i个接收机处接收机会信号的信道模型是：ℎ���→���=ℎˆ →���������(��� →���+2������ (���− )+2 (������−������) +(��� ���− ��� ))(2)���������������������������������在这一点上，我们的同步目标可以简单地被认为是一步一步地去除各种偏移项，并获得一个仅依赖于偏移项的值要做到这一点，我们意识到我们可以在任何时候同步每对接收器������。作为起始点，我们首先分别使用卫星和最佳机会信号的相位差减去卫星和最佳机会信号的相位差，���������2021年10月25日至29日，美国路易斯安那州新奥尔良市，Vaibhav Singh、Akarsh Prabhakara、Diana Zhang、Osman Yaidan和SwarunKumar6→→（−）（−）（−）的方式和*。������������这里的想法是去除分别对应于卫星和机会信号源的偏移项，这些偏移项在来自同一源的两个接收器上以类似的方式固有地出现。 这些项分别计算为：ℎ˜���→���ℎ˜*→���= ℎ ˆ → ℎ ˆ* →���������2������(���− )+2 ( − ) +��� ���− ������������������������������������������������ℎ˜���→���ℎ˜*→���= ℎ ˆ → ℎ ˆ* →���������2���������(���− )+2 ( − ) +��� ���− ������������������������������������������������（三）(.)* 表示复共轭。 容易看出，上述两个项可以被分解成两个分量-偏移自由信道（由偏移项指示）和硬件偏移相关阶段。幸运的是，除了卫星的中心频率和机会发射机的信号之外，硬件偏移相关项是相同的，这告诉我们，我们可以通过将这两项相除或等效地减去其阶段如下所示ℎ������=ℎ˜���→���ℎ˜*���→���ℎ*���→���ℎ���→���(4)我们称之为的所得到的项没有接收器之间的������频率和相位偏移，但是具有剩余的相位偏移项2π（π−ππ）（π−ππ），如下所示���������ℎ������=ℎˆ���→ ℎ ˆ * → ℎ ˆ*���→ ℎ ˆ →��� ������2���(���− )(��� ���− ��� )(5)������������������������该术语表征在接收器处看到的卫星和机会信号发射���器之间的频率偏移， 并且由于不同的操作频率而产生。由于卫星和机会信号都不在用户的控制之下，传统的分布式MIMO[72]和蜂窝[79]方法不能用于参考基站（在这种情况下是机会信号）在同一频率上的客户端传输（在这种情况下是卫星）之前的非常短的时间间隔内进行传输，以估计相位并消除额外的偏移项。为了消除这种偏移，我们需要在相同的时间和频率下估计每个接收器处的信道的相位受文献[32]的启发，我们利用分段三次样条外推法对卫星和机会信道信号的平均相位进行外推，以估计每个接收机处两个频率之间在保护带处的相位差。保护频带处的外推相位的差对应于接收器的项2ππ- 是的对于接收器重复相同的过程���，并且2项的差说明了附加项2������������������������。外推是有效的，因为（1）导致快速衰落信道的多普勒扩展已经使用卫星多普勒校正步骤中的轨道和（2）VHF和UHF波段中卫星和LP-WANS[ 32 ]之间类似的窄带传输特性。我们注意到，上述公式完全考虑了卫星信号信道（在时间项内捕获）以及所有硬件相关的偏移。这种方法还扩展到任何一对接收机，并且可以在相干组合之前复制（在第2.1节中描述）。7）。5.3利用卫星信号进行在没有机会信号的情况下，我们利用已经存在于卫星分组中的前导码和频率同步标记。与前面的方法不同，这里我们将每个接收器同步到传输的卫星信号。这种方法要求接收到的信号强度图5：使用机会信号（SOP）与前导同步实现的SNR增益。卫星分组足够高，使得前导码可以被检测到，并且信号在时间和频率上的相位是可恢复的。我们注意到，在低SNR场景中，存在分组中的数据不可解码的情况，即使前导码是可检测的。 这是因为伪码是长的且结构化的序列，其可以在较低SNR下被检测到，其中与数据有效载荷相关，数据有效载荷可以是随机的并且被噪声掩埋。这导致用于频率和定时同步的不正确的相位估计。因此，需要最小SNR来确保与卫星信号同步在单个SNR较低的情况下，我们唯一的选择是利用机会信号，如第二节所示。 5.2，而我们在本节中的方法解决了SNR高于最小阈值的其他情况。对于接收到的信号，我们的目标是识别等式1中的不同偏移。 载波频率偏移和多普勒频移表现为单个项，其随时间线性地改变相位的斜率。 通过估计斜率，估计这两项的和。类似地，当在频域中查看信号时，采样频率偏移产生频率上的斜率。 在频域中进行斜率估计，得到采样频率偏移量。 诸如相位偏移的其他偏移不随时间演变，并且可以使用简单的单抽头均衡器来估计。图5比较了通过降低卫星信号中AWGN噪声的幅度，在不同的最小单个SNR下，使用Se c.5.2和Se c.5.3中描述的两种同步方法针对6个接收器进行相干合并（Se c.7.1）后系统的分析SNR增益。 可以看出，这两种方法在SNR增益方面显示出类似的趋势，然而，使用机会信号的方法在较低的接收SNR处开始产生增益，因为它对卫星信号的相位误差较不敏感。6天线放置指南地面站位置的灵活性对于采用Quasar至关重要。为普通消费者部署基站的一个重要障碍，不仅仅是费用，是进入屋顶。Quasar允许以更低的成本在家中部署基站在考虑基站在环境中的最佳位置时，用户应考虑以下观察结果：轨道参数：许多低轨卫星都在极地轨道上，以支持地球的覆盖，如提供互联网或监测天气的应用。CubeSats也经常部署在社区驱动的卫星地面站接入民主化方法2021年10月25日至29日，美国路易斯安那州新奥尔良市，786420104070100 130 160 190 220 250时间（秒）图6：10颗LEO卫星的100次卫星通过，显示了（A）方位角，局部最大值为0，360度（北）和180度（南）。（B）主要在地平线附近的仰角（接近0度）垂直水平45度图7：SNR在卫星通过不同的室内天线角度。注意垂直方向的天线在开始时工作得更好，当卫星靠近hori-zon时，水平天线在中间工作得更好，当卫星在头顶上时。543210国际空间站，轨道倾角为51.64度。实际上，我们从地面上看到，大多数卫星大致从北到南或从南到北经过，如图所示。第6（a）段。然而，大多数建筑物都是矩形的，并且粗略地与基本方向对齐。因此，对于典型的情况，可以基于系统要求来选择基站部署：东或西用于更少的、更完整的通行，或者北或南用于更多的、不太完整的通行。天线行为：我们使用的双天线（Laird EXS136）是垂直极化鸭天线，因为它们即使在米级波长下也能共同优化低成本和小外形（4英寸）。鸭形天线是全向的，并且大致在环形中传播，因此当它们垂直定向时最容易接收地平线附近的信号，并且当它们水平定向时最容易接收头顶上的信号。如图6（b）所示，由于大多数卫星通过相对接近地平线，我们建议在家中垂直定向天线用于典型用途。我们在图中显示了三个天线方向的非常好的轨迹的SNR随时间的变化。7.第一次会议。当卫星接近地平线时，垂直天线在开始时表现得更好，当卫星在头顶上时，水平天线在中间表现得更好，支持我们的假设。 我们注意到，我们的天线在45 ° C的方向上在跟踪的持续时间内表现不佳，我们推测这是由于环境中的反射器，偏振器和衍射器（例如，建筑物），其通常以直角建造。障碍物：室内设置的障碍物可能相当麻烦。 由于LEO卫星的波长通常相当大（在米的数量级上），它们通常可以通过大多数建筑材料传播。然而，某些建筑材料具有相当高的介电常数，并可能导致显著的衰减，特别是潮湿的砖石，其可使信号衰减高达26倍104070100130160190 220时间（秒）第一层第二层第三层图8：在不同室内高度的窗口上卫星通过的SNR请注意，第二层和第三层是-有良好的，但一楼遭受，因为附近的地面障碍物。就像真空一样[56]。 RF波也不能通过金属传播，因此在窗框和门附近接收到的信号可能很差。诸如树叶的环境因素也可能衰减接收到的信号，特别是在下雨之后。地面：天线部署的传统智慧建议尽可能高地部署地面站[88]。在实践中，我们发现，对于来自卫星的信号，只要天线足够高以避免地面反射的干扰（即，当天线靠近窗户时，在接收数据时，在楼层之间的差异很小。波长）。图图8示出了具有相同天线配置的三个不同楼层的SNR随时间的 我们观察到，第二层和第三层表现类似，但地面反射的干扰导致第一层表现相对较差。多路径：多路径以特定环境的方式使地面站的理想放置复杂化。 与上述考虑不同，设计通用的放置建议，在新的环境中考虑多路径是具有挑战性的。 我们相信，当Quasar在真正密集的全球范围内部署时，一种数据驱动的方法来解决多路径问题是可能的。我们把这个留给未来的工作。7相干组合在部署接收器时（遵循第节中的指导6）以及在云端同步不同的接收器（第5节），SNR（dB）SNR（dB）2021年10月25日至29日，美国路易斯安那州新奥尔良市，Vaibhav Singh、Akarsh Prabhakara、Diana Zhang、Osman Yaidan和SwarunKumar8→→������我们将它们合并为7.2系统设计=1ℎˆ*���→���ℎˆ���→������.在本节中，我们将描述类星体如何相干地组合接收到的卫星信号。在同步之后，信号不再具有任何硬件特定的偏移并且是相位相干的。因此，我们的主要目标是将来自微小接收器的微弱信号组合成高质量的接收信号。我们在第二节中列出了我们用于相干组合此类信号的确切公式。7.1节中的相关系统设计挑战七点二7.1相干组合算法考虑接收信号的接收器，每个接收���器具有不同的信道。直观地说，它足以简单地时间，频率和相位同步每个卫星接收器到任何一个单一的共同的。 让我们假设地面站���是这个普通的接收器，以创造整个地面站网络连接到接收器时钟的假象 。按照SEC中描述的操作。5.2赌100万我们就赢了���������有了这个，我们就同步了���th接收器 。在同步每个流之后，我们执行最大比率相干组合[27]如下。.组合==1图9：Quasar门户网站的屏幕截图（所有设计和代码都将开源）。Quasar寻求建立一个积极的社区，以实现卫星接收的民主化位置感知卫星接收：LEO卫星通过一个（.）* 表示复共轭。为了执行此操作，我们需要在同步之后估计信道的这是通过使用一个抽头均衡器并在SNR的前导部分上估计这一点来完成的。当精确地估计SNR时，每个接收器的信号在相位上相加，并且噪声不相干地这种增益称为分集增益。重要的是要注意，不管使用哪种同步方法，用于相干组合的算法类似于等式6。具体地，在使每个接收器与所发送的卫星信号同步的情况下（根据Sec. 5.3）， → ���现在be来了，���→������。再一次，���我���，我。每个回收单元的估计值这就是为什么接收者在我们系统中，接收器利用卫星轨迹模型预测器（如SGP 4）来识别不同卫星在其特定位置的上空经过的时间。有了这个信息，接收器只在这个估计的持续时间内打开它们的无线电 如果在重叠的时间间隔内发生多个卫星通过，用户可以决定收听哪个卫星。这样，每个接收器独立地决定何时收听卫星并记录I/Q样本。如果无线电接收器的数量足够多，并且对收听特定卫星有共同的兴趣，则这将导致对每个卫星使用相干组合成功地恢复数据。向云报告记录统计数据：在完成记录，每个接收器计算基本统计数据，例如平均SNR和峰值SNR。然后，它将它们与从设计的角度来看，通过云架构获得强组合信号以用于相干组合呈现了互操作性折衷。这是因为在理论上，随着从接收器提供越来越多的流，相干组合的结果的质量将总是改善。但从系统的角度来看，我们注意到可能有几个原因可以解释为什么没有必要一直将原始I/Q流发送到云（1）由于LEO卫星在一天中的任何一点上仅在短时间内可见，所以由特定接收器接收的信号在一天的大部分时间内是无关的，除非卫星在头顶上。（2）如第二节所述6，并非所有接收器对于卫星的每次通过都具有良好的信噪比另一方面，在某些部署中，可能存在太多的好接收器。在这两种情况下，从所有接收器发送原始I/Q流也是不必要的，并且在某些时候导致收益递减。基于这些观察结果，我们解决这些问题的解决方案是设计系统，使得云是决定何时组合以及组合哪些接收器的主要作者，因此，节省分布式地面站处的重要上行带宽我们提出的接收器云架构包括以下特征：记录卫星信号的初始记录时间戳云接收这些数据并进行分析，以决定要组合哪些接收器（我们将在下面详细介绍）。同时，在接收器期望另一卫星通过开销的情况下，它将记录的数据推入循环缓冲器中并继续进行新的记录。云决定合并哪些流：数量越大相干组合的流的BER越大，则增强的信号强度越大。一方面，当许多卫星接收器报告的平均SNR很差时，组合尽可能多的信号具有直观的意义。 但另一方面，如果每个信号都具有非常高的平均SNR，则组合较少的信号是有意义的。推动在聚合所有和聚合你所需要的策略之间做出选择的数量是上行链路带宽成本。 要沿着所消耗的带宽选择合适的工作点，SNR增益曲线，云考虑卫星并决定用于相干组合信号的可接受SNR（期望SNR），其给出解码数据的良好质量然后，它计算最大理论SNR，可以通过相干组合不同的接收机流集实现如果它们中没有一个至少与期望SNR一样高，第1006章：一夜情（在一天的过程中，只有很小的一段时间社区驱动的卫星地面站接入民主化方法2021年10月25日至29日，美国路易斯安那州新奥尔良市，9安装在屋顶图10：室内环境下的接收器图11：地面实况天线图12：试验台：红点是带有接收器的云决定降低期望SNR并重复该过程直到至少一组接收器流匹配期望SNR。如果