一種衛星信號多維快速捕獲方法及系統與流程

2023-06-29 08:13:16

本發明涉及一種信號捕獲技術，特別是涉及一種衛星信號多維快速捕獲方法及系統，屬於衛星應用技術領域。

背景技術：

隨著衛星技術的飛速發展，空間飛行器的數量迅速增加，衛星通信的需求越來越大，受天線增益、平臺規模的限制以及收發信機的相對運動，通信雙方常在高動態低信噪比環境下進行通信，在高動態低信噪比環境下，傳統的同步技術在低信噪比和高動態的通信條件下性能較差，甚至會導致任務的失敗。這是由於高動態環境意味著較大的都卜勒頻移，這往往已經超過了傳統載波鎖相環的捕獲帶，因此利用傳統的同步技術，將不能保證載波信號進行正確的捕獲，為了提高接收機的捕獲帶，就必須增加環路帶寬，這樣會引入過多的帶寬噪聲，使得信噪比惡化，當噪聲大於閾值門限時，也會使載波跟蹤環路難以鎖定，導致解調數據無法爭取恢復。所以在高動態和低信噪比的環境下，傳統的載波同步技術將不再適用，需要根據環境特點提出新的載波同步技術。

衛星信號的快速捕獲是衛星接收機的核心關鍵技術，是接收機同步的重要組成部分，捕獲部分實現信號的載波都卜勒和碼相位的粗略估計，是實現後續精確估計的前提和基礎。快速捕獲主要分為時域和頻域兩個方面，時域的快速捕獲方法主要基於匹配濾波器的並行或穿行捕獲，頻域的快速捕獲主要利用FFT作循環相關實現偽碼的並行搜索。上述幾種方法都需要在頻域進行串行搜索，因此在大頻偏的情況下，搜索範圍較大，捕獲時間相應的會變長。

我國對於高動態衛星信號接收捕獲技術的研究起步較晚，受應用環境、電子器件水平等方面的限制，現有的高動態環境下衛星信號接收捕獲技術存在實現複雜度高、檢測頻率範圍有限、處理延時大等局限。

技術實現要素：

本發明的主要目的在於，克服現有技術中的不足，提供一種衛星信號多維快速捕獲方法及系統，可解決高動態環境下衛星信號捕獲算法檢測頻偏範圍有限、硬體實現複雜度高、處理時延長等技術難題，實現對衛星信號的高效快速捕獲。

為了達到上述目的，本發明所採用的技術方案是：

一種衛星信號多維快速捕獲方法，包括以下步驟：

1)計算都卜勒頻偏初始值fdr和都卜勒頻率變化率的初始值δfdr|max，並確定捕獲參數；

都卜勒頻偏初始值fdr的計算公式為其中，fr為系統接收載波頻率，vdm為系統相對運動速度，c為光速，取3×108米/秒；

都卜勒頻率變化率初始值的計算公式為其中，為相對運動加速度；

根據計算得到的都卜勒頻偏和都卜勒頻率變化率的初始值大小，確定捕獲參數；其中，捕獲參數包括快速傅立葉變換FFT的變換點數N和匹配濾波的塊數M；

快速傅立葉變換FFT的變換點數N和匹配濾波的塊數M的參數值根據處理時鐘速率fclock、碼片速率Rc、都卜勒頻偏初始值fdr共同確定，使得捕獲後碼片誤差控制在半個碼片以內。

2)基帶信號剝離並存儲；

通過數字中頻混頻器從接收到的衛星信號剝離出I、Q兩路基帶信號，並將I、Q兩路基帶信號存儲入存儲器；

3)本地碼序列生成；

在剝離出I、Q兩路基帶信號的同時，按照I、Q兩路基帶信號的碼生成多項式，通過本地碼發生器產生兩路本地碼序列，記為PN_I、PN_Q；

4)進行分段匹配濾波；

採用循環移位的方式，通過分段匹配濾波器PMF以M個信號數據為單元依次從存儲器中分段讀取I、Q兩路基帶信號，依次與本地碼發生器輸出的兩路本地碼序列PN_I、PN_Q進行匹配相關，得到兩路匹配濾波數據，記為PMF_real、PMF_imag；

每完成一個單元的M個信號數據的分段匹配濾波，將循環計數器Counter_flag自動加1；

5)進行快速傅立葉變換；

將兩路匹配濾波數據PMF_real、PMF_imag送入變換點數為N點的快速傅立葉變換FFT模塊中，經快速傅立葉變換後，通過頻率抽取得到兩路變換數據，記為FFT_real、FFT_imag；

6)捕獲檢測；

通過捕獲檢測模塊對兩路變換數據FFT_real、FFT_imag進行取模平方運算，得到N個實部數據；並對該N個實部數據進行搜索查找，得到N個實部數據的最大值Acc_Max和最大值位置Max_pos；

將最大值Acc_Max送入存儲深度為K的存儲空間，K取16或32，計算出這K個最大值的平均值averg_Max；

設定判決用的門限值Decide_TH，該門限值Decide_TH為計算出的平均值averg_Max的N倍，N取4～16之間的自然數；

當存儲空間每送進一個新的最大值Acc_Max，則更新一次門限值Decide_TH；

將存儲空間中的最大值Acc_Max與門限值Decide_TH相比較，當出現某個值大於門限值時，依次搜索該值後的最大值，如果依次搜索的最大值都大於門限值，則認為捕獲到最大值，輸出捕獲鎖定指示，並記錄最大值和最大值位置；否則，沒有捕獲到衛星信號，執行步驟9)；

7)捕獲驗證；

通過捕獲驗證模塊將捕獲時刻的快速傅立葉變換FFT模塊輸出的最大值與所計算的平均值進行作比，當兩者的比值大於設定閾值時，則認為此次捕獲是一次正確捕獲；否則，認為捕獲失敗；

8)捕獲判決；

通過捕獲判決模塊將通過捕獲驗證後的最大值位置Max_pos和捕獲鎖定指示進行輸出，並根據最大值位置Max_pos和捕獲鎖定指示計算得到所檢測的都卜勒頻偏估計值和碼初始相位Initial_phase，

Initial_phase＝M*Counter_flag

其中，fs為採樣速率；

將計算得到的都卜勒頻偏估計值和碼初始相位Initial_phase送入數字中頻混頻器中進行補償；

9)頻率自適應調整；

初始狀態時，數字中頻混頻器中的數控振蕩器NCO設置的起始頻率finit等於fr；

若無法捕獲到衛星信號，則輸入都卜勒頻偏不在檢測範圍內的指示給數字中頻混頻器，此時數字中頻混頻器中的數控振蕩器NCO對起始頻率finit進行自適應調整，以finit＝fr±10KHz頻率步進調整數控振蕩器NCO輸出頻率進行重新捕獲，重複步驟6)～步驟8)，直至捕獲到衛星信號為止。

本發明的捕獲方法進一步設置為：所述步驟2)中的通過數字中頻混頻器從接收到的衛星信號剝離出I、Q兩路基帶信號，具體為，數字中頻混頻器對接收到的衛星信號進行數字下變頻及採樣，截取信號有效位數進行基帶信號剝離。

本發明的捕獲方法進一步設置為：所述步驟3)中的I、Q兩路基帶信號的特徵多項式為

fI(x)＝1+x3+x10

fQ(x)＝1+x10

其中，x為變量。

本發明的捕獲方法進一步設置為：所述步驟4)中的匹配相關，具體為，利用複數乘法器進行共軛相乘，依次計算出M個複數乘法器的共軛相乘結果，將M個共軛相乘結果送入累加器進行累加，依次延時一個碼元寬度完成累加，從而得到兩路匹配濾波數據。

本發明的捕獲方法進一步設置為：所述步驟5)中的快速傅立葉變換採用頻域的FFT算法。

本發明還提供一種衛星信號多維快速捕獲系統，包括數字中頻混頻器，本地碼發生器，分段匹配濾波器PMF，快速傅立葉變換FFT模塊，捕獲檢測模塊，捕獲驗證模塊和捕獲判決模塊；

所述數字中頻混頻器，用於對接收到的衛星信號進行數字下變頻及採樣，截取信號有效位數從而剝離出I、Q兩路基帶信號，並將I、Q兩路基帶信號存儲入存儲器，以及從捕獲判決模塊中獲得都卜勒頻偏估計值和碼初始相位進行補償，且在無法捕獲到衛星信號時對起始頻率進行自適應調整；

所述本地碼發生器，用於按照I、Q兩路基帶信號的碼生成多項式產生兩路本地碼序列；

所述分段匹配濾波器PMF，用於從存儲器中分段讀取I、Q兩路基帶信號，以M個信號數據為單元，依次與本地碼發生器輸出的兩路本地碼序列進行匹配相關，得到兩路匹配濾波數據；

所述快速傅立葉變換FFT模塊，用於對兩路匹配濾波數據進行快速傅立葉變換，從時域和頻域二維搜索，並進行頻率抽取得到兩路變換數據；

所述捕獲檢測模塊，用於對兩路變換數據進行取模平方運算和最大值搜索，捕獲到最大值，輸出捕獲鎖定指示，並記錄最大值和最大值位置；

所述捕獲驗證模塊，用於驗證捕獲檢測模塊所捕獲到的最大值是否正確，輸出捕獲驗證結果；

所述捕獲判決模塊，用於將捕獲驗證結果進行判決輸出，並計算得到所檢測的都卜勒頻偏估計值和碼初始相位，將都卜勒頻偏估計值和碼初始相位送入數字中頻混頻器。

本發明的捕獲系統進一步設置為：所述數字中頻混頻器包括數控振蕩器NCO、混頻器複數乘法器和低通濾波器，數控振蕩器NCO與混頻器複數乘法器相連接，混頻器複數乘法器與低通濾波器相連接。

本發明的捕獲系統進一步設置為：所述分段匹配濾波器PMF包括PMF複數乘法器、濾波器和PMF累加器，PMF複數乘法器與濾波器相連，濾波器與PMF累加器相連接。

本發明的捕獲系統進一步設置為：所述捕獲檢測模塊包括捕獲複數乘法器、捕獲累加器、比較器和判決器，捕獲複數乘法器與捕獲累加器相連接，捕獲累加器與比較器相連接將輸出結果送入比較器，比較器與判決器相連接最終由判決器輸出捕獲指示。

與現有技術相比，本發明具有的有益效果是：

本發明提供的衛星信號多維快速捕獲方法及系統，具有結構簡單、技術實現複雜度低、處理時延小、可檢測頻偏範圍大等顯著優點，通過頻率自適應調整、分段匹配濾波和快速傅立葉變換等算法，可解決高動態環境下衛星信號捕獲算法檢測頻偏範圍有限、硬體實現複雜度高、處理時延長等技術難題；可檢測都卜勒頻移範圍為±50KHz，都卜勒頻率變化率為±50Hz，即可實現飛行速度20Ma、加速度為180g極高動態環境下的無線電通信的穩定接收，捕獲跟蹤時間小於100ms；特別適用於衛星通信、衛星導航等天基測控應用領域以及其他地基無線電通信領域的高動態環境下的接收同步，同時實現模塊化的標準設計，可以進行批量生產。

上述內容僅是本發明技術方案的概述，為了更清楚的了解本發明的技術手段，下面結合附圖對本發明作進一步的描述。

附圖說明

圖1傳統基於FFT的捕獲方法的原理框圖；

圖2本發明捕獲方法的原理框圖；

圖3本發明捕獲方法中PMF數據相關處理的原理示意圖；

圖4本發明捕獲系統的結構框圖；

圖5本發明捕獲系統的本地碼發生器結構框圖；

圖6本發明捕獲方法的相關性能；

圖7本發明捕獲方法的檢測概率和虛警概率性能。

具體實施方式

下面結合說明書附圖，對本發明作進一步的說明。

圖1給出了傳統基於FFT的捕獲方法的原理框圖，考慮到擴頻碼的周期性以及一個信息碼元內擴頻碼的重複性，對信號的相關運算，可以等效為循環卷積，其數學表達式如下：

一個擴頻碼周期內所有的相關值兩個長度為N的序列a和b之間的循環互相關函數為：

式中，b'＝(b(-n))N，為將序列b周期延拓翻轉後取主值序列可得。

又有序列a與序列b的循環卷積為：

令序列a(n)和b(n)的傅立葉變換分別為Xa(k)和Xb(k)，即：

Xa(k)＝DFT[a(n)]，Xb(k)＝DFT[b(n)]

序列b'的傅立葉變換為：Xb'(k)＝conj(Xb(n))，conj表示取復共軛。

則有Rab(m)＝IDFT[Xa(k)·Xb'(k)]＝IDFT[Xa(k)·conj(Xb(k))]。

對於長度為N的兩個數字數列，採用時域的FFT算法，完成互相關運算的運算量級為N2；採用頻域的FFT算法，運算量級為3×N×log2N+N。隨著N的增加，頻域方法的運算量將遠遠小於時域方法。

都卜勒頻移的糾正可以通過頻域循環移位實現：

Cab(n)ej2πkn/N＝IDFT[Xab(N-k)N]

然而，傳統的FFT捕獲算法存在檢測頻偏範圍有限、實現複雜度大、捕獲時間長等局限。

本發明提供一種衛星信號多維快速捕獲方法，如圖2所示，包括以下步驟：

1)計算都卜勒頻偏初始值fdr和都卜勒頻率變化率的初始值δfdr|max，並確定捕獲參數；

計算由於高速運動引起的都卜勒頻偏初始值fdr和由於加速度引起的都卜勒頻率變化率初始值δfdr|max；都卜勒頻偏初始值fdr的計算公式為其中，fr為系統接收載波頻率，vdm為系統相對運動速度，c為光速，取3×108米/秒；

都卜勒頻率變化率初始值的計算公式為其中，為相對運動加速度；

根據計算得到的都卜勒頻偏和都卜勒頻率變化率的初始值大小，確定捕獲參數；其中，捕獲參數包括快速傅立葉變換FFT的變換點數N和匹配濾波的塊數M；

快速傅立葉變換FFT的變換點數N和匹配濾波的塊數M的參數值根據處理時鐘速率fclock、碼片速率Rc、都卜勒頻偏初始值fdr共同確定，使得捕獲後碼片誤差控制在半個碼片以內。

2)基帶信號剝離並存儲；

通過數字中頻混頻器從接收到的衛星信號剝離出I、Q兩路基帶信號，並將I、Q兩路基帶信號存儲入存儲器；

具體為，數字中頻混頻器對接收到的衛星信號進行數字下變頻及採樣，截取信號有效位數進行基帶信號剝離。

3)本地碼序列生成；

在剝離出I、Q兩路基帶信號的同時，按照I、Q兩路基帶信號的碼生成多項式，通過本地碼發生器產生兩路本地碼序列，記為PN_I、PN_Q；

其中，I、Q兩路基帶信號的碼生成多項式為

fI(x)＝1+x3+x10

fQ(x)＝1+x10

其中，x為變量。

4)進行分段匹配濾波；

採用循環移位的方式，通過分段匹配濾波器PMF以M個信號數據為單元從存儲器中分段讀取I、Q兩路基帶信號，依次與本地碼發生器輸出的兩路本地碼序列PN_I、PN_Q進行匹配相關，得到兩路匹配濾波數據，記為PMF_real、PMF_imag；

每完成一個單元的M個信號數據的分段匹配濾波，將循環計數器Counter_flag自動加1；

匹配相關，具體為，利用複數乘法器進行共軛相乘，依次計算出M個複數乘法器的共軛相乘結果，將M個共軛相乘結果送入累加器進行累加，依次延時一個碼元寬度完成累加，從而得到兩路匹配濾波數據。

5)進行快速傅立葉變換；

將兩路匹配濾波數據PMF_real、PMF_imag送入變換點數為N點的快速傅立葉變換FFT模塊中，經採用頻域的FFT算法快速傅立葉變換後，通過頻率抽取得到兩路變換數據，記為FFT_real、FFT_imag。

6)捕獲檢測；

通過捕獲檢測模塊對兩路變換數據FFT_real、FFT_imag進行取模平方運算，得到N個實部數據；並對該N個實部數據進行搜索查找，得到N個實部數據的最大值Acc_Max和最大值位置Max_pos；

將最大值Acc_Max送入存儲深度為K的存儲空間，K取16或32，計算出這K個最大值的平均值averg_Max，可方便硬體處理；

設定判決用的門限值Decide_TH，該門限值Decide_TH為計算出的平均值averg_Max的N倍，N取4～16之間的自然數；

當存儲空間每送進一個新的最大值Acc_Max，則更新一次門限值Decide_TH；

將存儲空間中的最大值Acc_Max與門限值Decide_TH相比較，當出現某個值大於門限值時，依次搜索該值後的最大值，如果依次搜索的最大值都大於門限值，則認為捕獲到最大值，輸出捕獲鎖定指示，並記錄最大值和最大值位置；否則，沒有捕獲到衛星信號，執行步驟9)。

7)捕獲驗證；

通過捕獲驗證模塊將捕獲時刻的快速傅立葉變換FFT模塊輸出的最大值與所計算的平均值進行作比，當兩者的比值大於設定閾值時，則認為此次捕獲是一次正確捕獲；否則，認為捕獲失敗。

8)捕獲判決；

通過捕獲判決模塊將通過捕獲驗證後的最大值位置Max_pos和捕獲鎖定指示進行輸出，並根據最大值位置Max_pos和捕獲鎖定指示計算得到所檢測的都卜勒頻偏估計值和碼初始相位Initial_phase，

Initial_phase＝M*Counter_flag

其中，fs為採樣速率；

將計算得到的都卜勒頻偏估計值和碼初始相位Initial_phase送入數字中頻混頻器中進行補償。

9)頻率自適應調整；

初始狀態時，數字中頻混頻器中的數控振蕩器NCO設置的起始頻率finit等於fr；

若無法捕獲到衛星信號，則輸入都卜勒頻偏不在檢測範圍內的指示給數字中頻混頻器，此時數字中頻混頻器中的數控振蕩器NCO對起始頻率finit進行自適應調整，以finit＝fr±10KHz頻率步進調整數控振蕩器NCO輸出頻率進行重新捕獲，重複步驟6)～步驟8)，直至捕獲到衛星信號為止。

圖3示出了PMF數據相關處理的原理示意圖，首先本地碼選取一段從基準零相位起的偽碼，由於PN碼是一種偽隨機碼，它具有良好的自相關特性，只要錯開一個碼元寬度，碼的自相關值就會變的很小，利用這個性質，可以將接收信號複製為多組，依次延時一個碼元後與原信號進行疊加；再對疊加後的信號進行PMF捕獲，對於本地復現的PN碼，只有與之相差在一個碼元寬度之內的信號才能被檢測出來，其它的疊加信號會被當作是白噪聲，所以，如果在捕獲過程中出現了峰值，就可以在獲得都卜勒頻率粗略估計值的同時，將碼相位的模糊度限制在參與疊加的那幾個相位中，這樣就大大的縮小了搜索範圍，然後在通過進一步的捕獲過程來獲得較為精確的碼相位信息，如果未能實現捕獲，就跳過那一段參加疊加捕獲的相位，重複上面的過程繼續進行捕獲搜索。

本發明還提供一種衛星信號多維快速捕獲系統，如圖4所示，包括數字中頻混頻器，本地碼發生器，分段匹配濾波器PMF，快速傅立葉變換FFT模塊，捕獲檢測模塊，捕獲驗證模塊和捕獲判決模塊；

所述數字中頻混頻器，用於對接收到的衛星信號進行數字下變頻及採樣，截取信號有效位數從而剝離出I、Q兩路基帶信號，並將I、Q兩路基帶信號存儲入存儲器，以及從捕獲判決模塊中獲得都卜勒頻偏估計值和碼初始相位進行補償，且在無法捕獲到衛星信號時進行頻率自適應調整；

所述本地碼發生器，用於按照I、Q兩路基帶信號的碼生成多項式產生兩路本地碼序列，其結構如圖5所示；

所述分段匹配濾波器PMF，用於從存儲器中分段讀取I、Q兩路基帶信號，以M個信號數據為單元，依次與本地碼發生器輸出的兩路本地碼序列進行匹配相關，得到兩路匹配濾波數據；

所述快速傅立葉變換FFT模塊，用於對兩路匹配濾波數據進行快速傅立葉變換，從時域和頻域二維搜索，並進行頻率抽取得到兩路變換數據；

所述捕獲檢測模塊，用於對兩路變換數據進行取模平方運算和最大值搜索，捕獲到最大值，輸出捕獲鎖定指示，並記錄最大值和最大值位置；

所述捕獲驗證模塊，用於驗證捕獲檢測模塊所捕獲到的最大值是否正確，輸出捕獲驗證結果；

所述捕獲判決模塊，用於將捕獲驗證結果進行判決輸出，並計算得到所檢測的都卜勒頻偏估計值和碼初始相位，將都卜勒頻偏估計值和碼初始相位送入數字中頻混頻器。

所述數字中頻混頻器包括數控振蕩器NCO、混頻器複數乘法器和低通濾波器，數控振蕩器NCO與混頻器複數乘法器相連接，混頻器複數乘法器與低通濾波器相連接。

所述分段匹配濾波器PMF包括PMF複數乘法器、濾波器和PMF累加器，PMF複數乘法器與濾波器相連，濾波器與PMF累加器相連接。

所述捕獲檢測模塊包括捕獲複數乘法器、捕獲累加器、比較器和判決器，捕獲複數乘法器與捕獲累加器相連接，捕獲累加器與比較器相連接將輸出結果送入比較器，比較器與判決器相連接最終由判決器輸出捕獲指示。

本發明針對傳統FFT捕獲算法檢測頻偏範圍有限、實現複雜度大、捕獲時間長等局限通過自適應頻率調整、分段匹配濾波和快速傅立葉變換等算法，具有結構簡單、技術實現複雜度低、處理時延小、可檢測頻偏範圍大等顯著優點。其中，自適應頻率調整主要針對捕獲檢測結果自適應調整數字中頻混頻器中心頻率，若無法捕獲到接收信號，則以一定頻率步進去自適應調整數字中頻混頻器頻率，再進行捕獲檢測，直至捕獲到接收信號為止；分段匹配濾波器PMF主要作用是對接收信號進行部分解擴，得到一定的擴頻增益，從而提高信噪比；同時運用快速傅立葉變換又對數據降速處理，減少了FFT運算的點數。根據分段匹配濾波結構的幅頻響應和IP核的運算能力，合理選擇匹配濾波器的塊數M的大小和FFT的點數N，以達到最佳效果；搜索偽碼相位和估計都卜勒頻移同時進行，也就是說將原來的相位、頻率二維搜索過程變為偽碼相位的一維搜索，大大減少了捕獲時間。

技術指標計算：

根據目前設計的IP模塊，要求每次PMF+FFT操作需要10000次主時鐘周期。對於採用200MHz的處理速率，Tp為每次PMF+FFT所需要的時間，

擴頻碼捕獲時間Tmax為：

PMF的相關長度取32個間隔採樣樣本(由於間隔取樣，相當於64個採樣樣本的間隔)，FFT長度選用1024。

計算得所對應的掃描範圍為：

一次FFT所分析的樣本數為：

一次對32768樣點也是在該環境下(最大都卜勒頻率52KHz相當於頻率穩定度為52KHz/2000000KHz＝26ppm)最大允許採樣樣點數。

在Eb/N0＝0～10dB環境下，通過對6.4個數據(相當於信噪比提高：10·lg(6.4)＝8dB)符號進行分析，圖6為本發明捕獲方法的自相關性能，圖7為本發明捕獲方法的檢測概率與虛警概率圖(每一個駐真點為500次進行統計)，由此可以看出，本發明捕獲方法可滿足檢測概率與虛警概率之間的均衡要求。

本發明的創新點在於，通過頻率自適應調整、分段匹配濾波和快速傅立葉變換等算法，可解決高動態環境下衛星信號捕獲算法檢測頻偏範圍有限、硬體實現複雜度高、處理時延長等技術難題；具有結構簡單、技術實現複雜度低、處理時延小、可檢測頻偏範圍大等顯著優點，可檢測都卜勒頻移範圍為±50KHz，都卜勒頻率變化率為±50Hz，即可實現飛行速度20Ma、加速度為180g極高動態環境下的無線電通信的穩定接收，捕獲跟蹤時間小於100ms。

以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵及優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。