CN102522631B - 基于扩频和数字导引的双制式天线跟踪系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于扩频和数字导引的双制式天线跟踪系统，其包括发射信号产生模块、扩频同步接收模块、扩频制式天线跟踪模块、航迹关联处理模块、数字导引制式天线跟踪模块、伺服控制模块，发射信号产生模块与扩频同步接收模块连接，扩频制式天线跟踪模块、航迹关联处理模块与扩频同步接收模块连接，航迹关联处理模块、伺服控制模块与数字导引制式天线跟踪模块连接，伺服控制模块还与扩频制式天线跟踪模块连接。本发明具备一定的抗干扰数据链传输能力，并且将扩频天线跟踪和数字导引技术有机结合起来，构成双制式工作，有效提高了天线跟踪的可靠性和稳定性。

Description

基于扩频和数字导引的双制式天线跟踪系统

技术领域

本发明涉及一种双制式天线跟踪系统，特别是涉及一种基于扩频和数字导引的双制式天线跟踪系统。

背景技术

定向天线跟踪技术一直是雷达、导航、空-地通信数据链系统的关键技术之一。传统的固定波束(非DBF数字波束合成)雷达天线定向跟踪技术常采用线性调频信号结合脉冲压缩体制，通过产生不同种类和参数的线性调频信号，调整“脉压比”，提高瞬时信噪比，达到抗干扰天线跟踪的目的。这种体制可以认为是模拟域上扩频技术的一种实现方式。但是，传统的定向天线跟踪技术往往不具备数据链通信能力，除非额外增加开销。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于扩频和数字导引的双制式天线跟踪系统，其具备一定的抗干扰数据链传输能力，并且将扩频天线跟踪和数字导引技术有机结合起来，构成双制式工作，有效提高了天线跟踪的可靠性和稳定性。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于扩频和数字导引的双制式天线跟踪系统，其特征在于，其包括发射信号产生模块、扩频同步接收模块、扩频制式天线跟踪模块、航迹关联处理模块、数字导引制式天线跟踪模块、伺服控制模块，发射信号产生模块与扩频同步接收模块连接，扩频制式天线跟踪模块、航迹关联处理模块与扩频同步接收模块连接，航迹关联处理模块、伺服控制模块与数字导引制式天线跟踪模块连接，伺服控制模块还与扩频制式天线跟踪模块连接。

优选地，所述发射信号产生模块通过机载总线接收地理位置导航信息，将地理位置导航信息的关键信息进行扩谱处理、编码成型、正交载波调制、上变频和功率放大后产生发射信号并通过发射全向天线馈送出去。

优选地，所述扩频同步接收模块采用载波同步锁相环路和码片同步锁相环路，载波同步锁相环路和码片同步锁相环路都采用了二阶二型锁相环路。

优选地，所述扩频同步接收模块输出相关峰值给扩频制式天线跟踪模块，扩频制式天线跟踪模块对全空域进行扫描捕获并锁定目标，进入跟踪状态以后，采用左右摇摆的方式在中心锁定点处左右五个天线伺服步长内监视若干相关峰值，取数学期望后作为控制天线转动的依据。

优选地，所述扩频同步接收模块将解调出的关键导航数据信息传给航迹关联处理模块，通过自适应滤波处理来实时监视导航数据的可靠性。

优选地，所述数字导引制式天线跟踪模块通过矩阵运算完成地心-站心坐标系转换和目标相对位置解算。

优选地，所述伺服控制模块将扩频制式天线跟踪模块和数字导引制式天线跟踪模块的输出进行有机融合，转换成伺服驱动信号控制天线电机的转动，完成目标跟踪。

本发明的积极进步效果在于：一、本发明采用双制式天线跟踪技术，大大提高了定向天线跟踪的可靠性和稳定性，同时在没有任何额外(频域或时域)资源开销的前提下，使得其具备一定的抗干扰数据链传输能力。二、本发明选用正交性能较好的PN_I、PN_Q1和PN_Q2码分别调制正交载波，使得其在同步接收端可以采用非相干接收方式实现信号解调，牺牲了一定的信噪比性能，但是大大提高了同步接收输出信号的稳定性和程序的鲁棒性。三、本发明精心设计了同步接收模块(尤其是抗混叠滤波器、鉴相器和环路滤波器等环节)和扩频制式天线跟踪模块，在保证稳定工作的前提下最大程度地节约了可编程逻辑资源。四、本发明将数字扩频通信技术引入定向天线跟踪领域，在没有增加任何频域资源开销的同时，使其具备一定的抗干扰数据链传输能力；并且将扩频天线跟踪和数字导引技术有机结合起来，构成双制式工作，有效提高了天线跟踪的可靠性和稳定性。

附图说明

图1为本发明基于扩频和数字导引的双制式天线跟踪系统的原理框图。

图2为本发明中发射信号产生模块的原理框图。

图3为本发明中扩频同步接收模块的原理框图。

图4为本发明中载波同步锁相环路的原理框图。

图5为本发明中码片同步锁相环路的原理框图。

图6为本发明中比例积分环路滤波器的数字域实现方式的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明基于扩频和数字导引的双制式天线跟踪系统包括发射信号产生模块、扩频同步接收模块、扩频制式天线跟踪模块、航迹关联处理模块、数字导引制式天线跟踪模块、伺服控制模块，发射信号产生模块与扩频同步接收模块连接，扩频制式天线跟踪模块、航迹关联处理模块与扩频同步接收模块连接，航迹关联处理模块、伺服控制模块与数字导引制式天线跟踪模块连接，伺服控制模块还与扩频制式天线跟踪模块连接。

发射信号产生模块的功能如下：如图2所示，发射信号产生模块通过机载总线接收关键数据——地理位置导航信息，将地理位置导航信息的关键信息进行扩谱处理，PN_Q1和PN_Q2分别表示±1，PN_I发生器周期发送伪随机(PN)序列，用于扩频同步接收与峰值天线跟踪。再经编码成型、正交载波调制、上变频和功率放大后产生发射信号并通过发射全向天线馈送出去。

其中优选相关性能较好的PN(伪随机)码——PN_I、PN_Q1和PN_Q2，分别用于I路和Q路的正交载波调制，且I路不“承载”关键数据，Q路使用两组PN(伪随机)码分别表示关键数据中的±1，这种构想保证了扩频收端可以采用“非相干”方法同步接收解调数据，不会因为存在残余载频而导致无法接收数据和输出相关峰值，并且不会受相位模糊的影响。这样做虽然牺牲了I路的信息调制能力，并且对于SNR(信噪比)指标会有一定程度的恶化，但是会大大提高系统工作的稳定度。在本模块中，三组PN(伪随机)码选用了长度为2^N的M序列，其目的是与内插成型滤波点数对应起来，构成整数倍关系，这一点在FPGA的实现过程中非常关键，能够大大简化其时序设计的复杂程度。采用2N点的三组伪随机序列分别进行正交载波调制，以牺牲一路调制带宽和一定的信噪比损失的代价换取同步接收鲁棒性能的大幅度提升。在Q路信息的解调中，由于采用了相关性能较好(自相关波形峰值“尖锐”、互相关波形峰值较低)的两组PN码——PN_Q1和PN_Q2，分别表示±1，虽然由于相关性能的非理想性(肯定存在一定的互相关噪声)牺牲了一定的信噪比，但是换来了在解调Q路的符号(symbol)信息时不会出现相位模糊的问题，这样提高了鲁棒性。

扩频同步接收模块的核心功能包括粗捕获、码元同步和载波同步，其原理框图如图3所示。粗捕获环节采用滑动窗相关结构，滑动窗相关结构包括载波同步锁相环路(Carrier Synch Phase Lock Loop)和码片同步锁相环路(Chip Synch Phase Lock Loop)，载波同步锁相环路和码片同步锁相环路都采用了二阶二型锁相环路的设计思想，两个环路的原理框图分别如图4和图5所示。在FPGA的具体实现过程中，比例积分环路滤波器的功能至关重要，如何在数字域实现二阶二型环路，其环路增益、积分因子、比例因子参数如何设置，是保证环路工作收敛以及带宽和剩余方差等指标良好的关键因素。比例积分环路滤波器的s域传递函数如下式所示(参数定义见后)

$h_p\left(s\right)=\frac{1+s{\mathrm{\τ}}_2}{s{\mathrm{\τ}}_1}\≈\frac{1}{s{\mathrm{\τ}}_1}+\frac{{\mathrm{\τ}}_2}{{\mathrm{\τ}}_1}$

比例积分环路滤波器的数字域实现方式可以等效成比例-积分因子支路和归一化因子支路之和，其原理框图见图6。

理想环滤的“二阶二型”锁相环具有良好的载波跟踪和窄带滤波特性，同时，其开环传递函数分子上的“附加相移”(τ₂的作用)引入了更大的“相位裕度”，使得系统更加稳定(通过分析开环传递函数的“伯德图”可知)。环路的三个重要参数——环路增益G、比例因子τ₂和积分因子τ₁决定了环路的所有特性。环路参数的选择还应当兼顾“噪声特性”和“暂态时间”，理想的环路应当工作在“弱欠阻尼”状态，且“暂态过冲”不超过5％，这就要求阻尼系数

工程上的经验值一般在0.7左右。

码片同步锁相环路和载波同步锁相环路的设计思想大致相同，都是采用二阶二型环路设计，只是具体应用在码片同步和载波同步的不同方面时，在环路的鉴相器和NCO(数字压控振荡器)环节的设计方面有所不同，而两者的环路滤波器设计完全相同，都是以有源比例放大器的模拟电路作为基本模型，将该模型在FPGA平台上的数字化实现。

在扩频同步接收模块的设计中，采用自相关和互相关性能较好的三组PN(伪随机)码——PN_I、PN_Q1和PN_Q2进行正交载波调制，其中PN_I码用于I路载波调制(sinω_ct，其中ω_c为载频)，且I路上不“调制”表征地理位置的基带符号信息(也就是说I路上循环发送PN_I码)；PN_Q1和PN_Q2用于Q路载波调制(cosω_ct，其中ω_c为载频)，且Q路上需要“调制”表征地理位置的基带符号信息(PN_Q1和PN_Q2码分别表征±1)，这样做虽然损失了I路载波的信息调制能力，但是带来的好处是可以采用“非相干接收”，也就是说即使由于载波频偏没有完全消除(载波的频率和相位均没有完全同步)带来I路和Q路解调输出存在“正交串扰”(crosstalk)，也不会影响PN_I码的相关峰值的输出，从而最起码的扩频制式天线跟踪模块的正常工作可以得到保证，这样增强了定向天线跟踪的可靠性。

扩频同步接收模块输出相关峰值给扩频制式天线跟踪模块，扩频制式天线跟踪模块对全空域进行扫描捕获并锁定目标，进入跟踪状态以后，采用“左右摇摆”的方式在中心锁定点处左右五个天线伺服步长内监视若干相关峰值，取数学期望后作为控制天线转动的依据。将扩频同步接收模块的输出峰值用于定向天线跟踪，一方面，利用PN(伪随机)码的“脉冲压缩”特性，提高了接收信号的“瞬时信噪比”，提升了目标飞行器的检测灵敏度；另一方面，在实现目标检测的同时，目标飞行器的地理位置信息可以通过该数据链传输至地面接收机，同时该数据链具有一定的抗窄带干扰能力(根据香农的“带宽换增益”思想)。

为应对偶发情况下由于扩频同步接收模块暂态失锁所导致的输出相关峰值不稳定的现象，防止天线误跟踪。设计中对扩频同步接收模块的相关峰值输出作了时域滤波处理，有效防止了奇值点的干扰，提高了扩频天线跟踪的可靠性和稳定度。

扩频同步接收模块将解调出的关键导航数据信息传给航迹关联处理模块，通过自适应滤波处理来实时监视导航数据的可靠性，如果可靠，则自动转为数字导引制式天线跟踪模式。经数据链传输的机载地理位置导航信息可以用作数字导引制式的天线跟踪，为了保证跟踪的可靠性和稳定性，采用了自适应航迹关联预测技术对接收到的导航信息进行可靠性实时监控，一旦发现导航信息不可靠，则自动切换到后台运行的扩频天线跟踪工作模式，确保了定向天线跟踪的可靠性和稳定性。

数字导引制式天线跟踪模块通过矩阵运算完成地心-站心坐标系转换和目标相对位置解算，支持极坐标和直角坐标系下的两种处理方式。

伺服控制模块将扩频制式天线跟踪模块和数字导引制式天线跟踪模块的输出进行有机融合，转换成伺服驱动信号控制天线电机的转动，完成目标跟踪。

本发明根据扩频信号的自身特点，结合了雷达领域的“脉冲压缩”天线跟踪技术与数字通信领域的抗干扰信号传输技术，在实现定向天线可靠跟踪目标的同时，具备了抗干扰数据链传输能力。本发明将数字通信技术应用于雷达信号处理领域，使用数字扩频信号取代了传统的chirp(线性调频)信号，在实现基于“脉冲压缩”机制的定向天线目标跟踪的同时，将目标地理位置信息通过本发明固有的数据链传输能力传输给地面定向天线，从而使其同时具备了数字导引的功能。在本发明中，支持“扩频跟踪”和“数字导引跟踪”双制式的定向天线目标跟踪方式，在通常的工作状态下，“扩频”制式完成目标捕获后，在本发明内部还采用“可靠性处理机制”(基于自适应航迹关联预测技术)来“判定”目标的地理位置信息是否可靠，如果可靠，则自动转为“数字导引跟踪”制式，否则将一直使用“扩频跟踪”制式。当然也可以通过软件切换的方式选择任意一种制式独立工作，满足了不同情况下的灵活需要。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (6)

1.一种基于扩频和数字导引的双制式天线跟踪系统，其特征在于，其包括发射信号产生模块、扩频同步接收模块、扩频制式天线跟踪模块、航迹关联处理模块、数字导引制式天线跟踪模块、伺服控制模块，发射信号产生模块与扩频同步接收模块连接，扩频制式天线跟踪模块、航迹关联处理模块与扩频同步接收模块连接，航迹关联处理模块、伺服控制模块与数字导引制式天线跟踪模块连接，伺服控制模块还与扩频制式天线跟踪模块连接；

所述发射信号产生模块通过机载总线接收地理位置导航信息并通过发射全向天线馈送出去;

所述扩频同步接收模块粗捕获发射信号产生模块发射的数据，通过载波同步锁相环路和码片同步锁相环路进行调整，将输出相关峰值给扩频制式天线跟踪模块，将解调出的关键导航数据信息传给航迹关联处理模块；

所述航迹关联处理模块监视导航数据的可靠性，如果可靠，则自动转为数字导引制式天线跟踪模式，一旦发现导航信息不可靠，则自动切换到后台运行的扩频天线跟踪工作模式；

所述伺服控制模块将扩频制式天线跟踪模块和数字导引制式天线跟踪模块的输出进行有机融合，转换成伺服驱动信号控制天线电机的转动，完成目标跟踪。

2.如权利要求1所述的基于扩频和数字导引的双制式天线跟踪系统，其特征在于所述发射信号产生模块通过机载总线接收地理位置导航信息后，将地理位置导航信息的关键信息进行扩谱处理、编码成型、正交载波调制、上变频和功率放大后产生发射信号，然后再通过发射全向天线馈送出去。

3.如权利要求1所述的基于扩频和数字导引的双制式天线跟踪系统，其特征在于，所述扩频同步接收模块的载波同步锁相环路和码片同步锁相环路都采用了二阶二型锁相环路。

4.如权利要求1所述的基于扩频和数字导引的双制式天线跟踪系统，其特征在于，所述扩频制式天线跟踪模块对全空域进行扫描捕获并锁定目标，进入跟踪状态以后，采用左右摇摆的方式在中心锁定点处左右五个天线伺服步长内监视若干相关峰值，取数学期望后作为控制天线转动的依据。

5.如权利要求1所述的基于扩频和数字导引的双制式天线跟踪系统，其特征在于，所述航迹关联处理模块通过自适应滤波处理来实时监视导航数据的可靠性。

6.如权利要求1所述的基于扩频和数字导引的双制式天线跟踪系统，其特征在于，所述数字导引制式天线跟踪模块通过矩阵运算完成地心-站心坐标系转换和目标相对位置解算。

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