🌍 3GPP NTN Timing Advance 仿真计算器

面向 3GPP R17/R18 Non-Terrestrial Networks 的高精度 TA 及其预补偿算法实现

📌 为什么选择本仿真平台？

🎯 核心价值

⚡ 技术亮点

🌊 NTN TA 计算技术栈

┌────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐│                     NTN TA 计算核心流程                                 │├────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤│                                                                        ││  UE(LLA)  Sat(Ephemeris)                                               ││     │          │                                                       ││     ▼          ▼                                                       ││ [坐标转换] ──► [轨道外推] ──► [光行时迭代] ──► [大气修正] ──► [N_TA计算] ││ lla2ecef    linear_extrap   fixed_point    hopfield      quantization  ││                                                                        ││  关键特性:                                                             ││    WGS-84 椭球 | 线性/高阶外推 | 迭代收敛保证 | 对流层时延模型         │└────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

📊 性能指标 (实测验证)

💡 核心优势：针对 LEO 卫星的高动态特性，算法通过迭代修正消除了约 15-50 米 的测距误差，满足 5G NR 高精度同步要求。

🖥️ 运行环境

最低要求

🧠 算法原理

为什么需要光行时修正？

几何距离 != 物理距离：信号以光速传播，当信号到达卫星时，卫星已经不在发射时刻的位置了。 对于 LEO 卫星 (7.5 km/s)，10ms 的传播延迟意味着卫星移动了 75米。如果不进行修正，这 75 米的误差会导致 TA 计算严重偏离，甚至导致接入失败。

算法流程

graph TD    A[输入: UE 位置 & 卫星星历] --> B[坐标系转换 LLA->ECEF]    A --> C[卫星轨道线性外推]    B & C --> D{光行时迭代求解?}    D -->|未收敛| E[更新卫星位置]    E --> D    D -->|收敛| F[叠加对流层延迟]    F --> G[量化为 Tc 单位]    G --> H[扣除 K_offset]    H --> I[输出最终 N_TA]

📁 项目结构

NTN_TA_Calculation/├── 📂 src/                         # 核心算法库│   ├── lla2ecef.m                  #   🌍 WGS-84 坐标转换│   ├── extrapolate_satellite.m     #   🛰️ 卫星轨道外推│   ├── compute_propagation_delay.m #   ⚡ 光行时迭代求解器│   ├── compute_tropospheric_delay.m#   ☁️ Hopfield 大气模型│   └── compute_ntn_ta.m            #   🧮 主计算流程│├── 📂 gui/                         # 交互界面│   └── ta_calculator_gui.m         #   🖥️ 图形化计算器 (App Designer)│├── main_ntn_ta_demo.m              #   📊 综合演示脚本├── 📂 tests/                       # 测试套件│   └── test_ta_calculation.m       #   ✅ 单元测试 (100% 通过)│└── 📂 docs/                        # 文档    ├── 算法文档.md                  #   📘 数学原理详述

代码统计：

• 📝 100% 中文详细注释，适合教学与二次开发
• 🔧 模块化设计：核心算法与 GUI 分离，易于移植到 C/C++ 或 Python
• 🧪 开箱即用：main_mntn_ta_demo.m 一键演示所有场景

🎬 仿真演示

1. 命令行演示 (main_ntn_ta_demo.m)

展示 4 种典型场景的计算过程与结果分析：

>> main_ntn_ta_demo

输出示例：

【场景 4: 对流层延迟与 K_offset 演示】  UE: (39.9N, 116.4E), Sat: (25.0N, 116.4E)  仰角: 11.8° (低仰角但可见)  [对流层]    启用修正: YES    附加时延: 0.039 μs  [K_offset]    N_ta_offset: 25600    N_TA (Physical): 23946627    N_TA (Pre-comp): 23921027

2. 图形化计算器 (ta_calculator_gui.m)

提供直观的参数调整与结果显示：

>> cd gui>> ta_calculator_gui

功能: 支持自定义卫星位置、速度，实时查看 LEO/GEO 不同轨道高度下的时延与 TA 变化。

🛒 获取方式

包含：

• 完整源代码
• 详尽的算法文档
• 3GPP 标准符合性报告

📚 参考文献

核心标准

1. 3GPP TS 38.211: NR Physical channels and modulation ( 定义)
2. 3GPP TS 38.213: Physical layer procedures for control (TA 机制)
3. ITU-R P.834: Effects of the troposphere on refraction (大气模型)