High-gain beamforming (BF) is essential for low Earth orbit (LEO) satellite communications to overcome severe path loss, but this requires acquiring precise satellite positions. Conventional satellite acquisition typically relies on time-domain beam sweeping, which incurs substantial overhead and latency. In this correspondence, we propose an efficient one-shot satellite acquisition framework that capitalizes on two phenomena traditionally regarded as impairments: i) Doppler effects and ii) beam-squint effects. Specifically, we derive a closed-form \emph{rainbow beamformer} that leverages beam-squint effects to align frequency-dependent beam directions with satellite positions inferred from their Doppler shifts. This approach enables reception from multiple satellites at once without requiring beam sweeping. To extract satellite position information, we develop three Doppler-aware angle estimation algorithms based on received signals. Simulation results demonstrate that the proposed method significantly outperforms conventional beam sweeping approaches in both acquisition accuracy and required time slots. These gains stem from the ability of the proposed rainbow BF to exploit the \emph{angle-dependent nature of Doppler shifts}, enabling full angular-domain coverage with a single pilot transmission and reception.


翻译:高增益波束成形(BF)对于低地球轨道(LEO)卫星通信至关重要,以克服严重的路径损耗,但这需要获取精确的卫星位置。传统的卫星捕获通常依赖于时域波束扫描,这会带来巨大的开销和延迟。在本通信中,我们提出了一种高效的一次性卫星捕获框架,该框架利用了两种传统上被视为损伤的现象:i) 多普勒效应和 ii) 波束斜视效应。具体而言,我们推导了一种闭式彩虹波束成形器,该成形器利用波束斜视效应,将频率相关的波束方向与根据其多普勒频移推断出的卫星位置对齐。这种方法无需波束扫描即可同时接收来自多颗卫星的信号。为了提取卫星位置信息,我们基于接收信号开发了三种多普勒感知角度估计算法。仿真结果表明,所提方法在捕获精度和所需时隙方面均显著优于传统的波束扫描方法。这些增益源于所提彩虹BF能够利用多普勒频移的角度依赖性,从而通过单次导频发送和接收实现全角度域覆盖。

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