CN103391114B - 一种卫星通信中跳频通信的快速捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了卫星通信中跳频通信的快速捕获方法，具有如下步骤：步骤1：低轨卫星读取本地系统时钟信息，读取时间信息，并将其表示为TOD高段即TODH和TOD低段即TODL；步骤2：处于地面的接收端读取本地系统时钟信息，按照与发送端相同的方法得到TOD高段TODH’和TOD低段TODL’，步骤3：接收端接收发送端发送的同步信息，并将本地频率与接收到的信号进行混频、滤波处理，将本地相关码与第二本地载波相乘，对相乘后的信号进行FFT变换，将变换后的信号与上述共轭处理后的信号进行混频处理，再将混频后的信号进行IFFT变换，对变换后的信号求模计算出最大值，将该最大值与门限值来判断并完成跳频通信的捕获过程。

Description

一种卫星通信中跳频通信的快速捕获方法

技术领域

本发明涉及卫星通信领域，尤其涉及在多普勒频移下卫星通信中跳频通信的快速捕获方法。

背景技术

将跳频通信体制引入到卫星通信中，可以充分发挥跳频技术的抗干扰特点，提升卫星通信的抗干扰能力。对中低速跳频卫星通信系统形成直接威胁的主要有跟踪式干扰和转发式干扰，能够有效对抗这种干扰措施的就是提高跳速和扩展跳频带宽。同时，由于低轨卫星与地面有相对运动，在他们之间通信必然导致多普勒频移。因此，提高跳频速率、扩大跳频系统带宽以及对一定范围内的多普勒频移信号进行捕获是低轨卫星跳频通信系统的研究重点。然而要实现高跳速、超带宽的跳频通信系统以及一定范围内的多普勒频移捕获带来了一系列的技术难题，如快速同步、跳频组网、多普勒补偿等。

目前国内在卫星和地面站之间的跳频通信研究方面，主要是参考时钟法、独立信道法、自同步法、同步头法和基于时间信息(Time of Day,TOD)的跳频同步方法，其中基于时间信息的跳频同步方法是基于参考时钟法、同步头法、自同步法提出的一种综合的同步方法。该方法是将携带有卫星的TOD的同步头置于跳频信号的最前面，收端从同步头中捕获到同步信息后，调整本地跳频序列发生器，从而使收发双方实现同步。虽然该方法同步时间快，但是该方法并没有考虑到卫星与地面之间的大多普勒频移，从而导致发送信号因为多普勒频移后接收端无法捕获到同步头，造成捕获概率降低。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了卫星通信中跳频通信的快速捕获方法，具有如下步骤：

步骤1：低轨卫星读取本地系统时钟信息，读取时间信息，并将其表示为TOD高段即TODH和TOD低段即TODL，其中TODH以分钟为计数单位，TODL以跳频间隔为计数单位；低轨卫星根据TODH按照相应算法从频率表中获取某一频率值以及此频率开始后的一组频率值，并将此组频率作为载波频率，将同步头搭载到此组载波上，低轨卫星向接收端发送同步头，该组频率作为同步频率；

同步头由同步序列构成，同步序列包括由相关码构成的用于与接收端的相关码进行相关运算的前导序列、时间信息TODL、CRC校验和尾保护；

步骤2：处于地面的接收端读取本地系统时钟信息，按照与发送端相同的方法得到TOD高段TODH’和TOD低段TODL’；接收端根据TODH’按照相应算法从频率表中获取某一频率值以及此频率开始后的一组频率值，并将此频率作为接收端的第一本地载波频率，该组频率作为等待频率；

步骤3：接收端将接收到的具有前导序列的信号与上述步骤2中的获取的第一个频率值进行混频处理，将混频处理后的信号进行滤波处理，滤波后剩下固定中频信号和含有一定范围的多普勒频移分量信号，将该信号进行FFT变换和共轭处理；

步骤4：接收端读取本地相关码以及本地的固定中频和某一多普勒频移补偿值，将上述固定中频与多普勒频移补偿值相加后的频率作为第二本地载波频率，将本地相关码与第二本地载波相乘，对相乘后的信号进行FFT变换，将变换后的信号与上述共轭处理后的信号进行混频处理，再将混频后的信号进行IFFT变换，对变换后的信号求模计算出最大值；

步骤5：将该最大值与规定的门限值比较：

如果最大值小于门限值，则接收捕获跳频频率失败，接收端转为下一等待频率继续检测；

如果最大值大于门限值，证明捕获到同步信息，则接收端跳频捕获初次成功，接收端进行跟跳验证；

步骤6：跟跳验证成功后，接收端通过获取低轨卫星发送的同步信息，获取相关码信息检测到帧同步序列，接收端对同步信息进行接收，根据接收到的TODL调整本地系统时钟信息的低段TODL值，使接收端与发送端实现了时间的完全同步。

步骤5中：如果最大值小于门限值，则捕获失败；

如果一个多普勒频率补偿周期没有结束，则返回到步骤4中，将上述多普勒频移补偿值增加设定的频率补偿值，再将该频率加上上述固定中频后的频率作为补偿载波频率，将补偿载波与本地相关码相乘按照步骤4的方法计算出最大值继续与门限值比较；

如果一个多普勒补偿周期已经结束，则接收端读取一组频率中的下一个频率，将该频率与接收到的信号进行混频处理，即返回到步骤3；

步骤5中：当初次捕获成功后，所述跟跳验证方法如下：接收端读取该组频率中的下一跳频频率，其跳频频率周期与发送端跳频频率周期一致，接收端对收到的信号按照步骤3和步骤4的方法求出最大值，如果最大值大于门限值，则跟跳成功进入步骤6；

如果最大值小于门限值则初次捕获失败，返回到步骤3中读取获取频率表中的下一个频率重新进行同步信息搜索。

本发明公开了卫星通信中跳频通信的快速捕获方法，针对目前基于时间信息的跳频同步方法中没有考虑到多普勒频移情况下的相关码捕获的情况，在深入分析星地信道特性的基础上，充分考虑了因为地面站与低轨卫星之间相对运动而产生的多普勒频移，提出了适用于该环境下的一种跳频通信系统的快速捕获方法，设计了同步序列格式、TOD的格式、同步头的结构以及多普勒频移一定范围内对相关码进行捕获的方法，从而完成了发送端与接收端的时间同步。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明同步序列格式的结构示意图。

图3为本发明同步头的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

下面结合实施例对本发明的卫星通信中跳频通信的快速捕获方法的步骤做进一步说明：

如图1所示的本发明方法的流程图，步骤1低轨卫星读取本地系统时钟信息，读取时间信息，并将其表示为TOD高段即TODH和TOD低段即TODL，其中TODH以分钟为计数单位，TODL以跳频间隔为计数单位；低轨卫星根据TODH按照相应算法从频率表中获取某一频率值以及此频率开始后的一组频率值，并将此组频率作为载波频率，将同步头搭载到此组载波上，低轨卫星向接收端发送同步头，该组频率作为同步频率。低轨卫星即为发送端。

同步头由同步序列构成，同步序列包括由相关码构成的用于与接收端的相关码进行相关运算的前导序列、时间信息TODL、CRC校验和尾保护。

如图2所示：发送端向接收端发送的同步序列，跳频通信系统同步信息包括原始密钥、相关码、跳频频率表、TOD信息及其他信息等，同步信息包含同步序列。其中原始密钥、跳频频率表在系统初始化时已设定好。其中前导序列由一组相关码构成，接收端就是捕获相关码信息来完成双方的粗同步的。时间信息TODL用来传送TOD低段，完成接收端与发送端双方跳频图案同步。CRC校验用来保证传输的可靠性。接收端收到带校验位的TOD参数后，先对CRC进行校验，若校验后有错误就放弃本次得到的TOD参数，如果没有错误则使用本次TOD参数进行跳频序列同步。尾保护用于保护数据能够正确接收。

TOD信息，即系统时钟信息，将系统的实时时间分成两部分表示，这两部分称作TOD高段和TOD低段，分别记作TODH和TODL，前导序列的相关码与TODH存在一定的映射关系，接收端通过对相关码的捕获以及相关码与TODH的映射关系实现接收端和发送端的粗同步，同时接收端的TODH’也通过粗同步修正。接接收端通过接收到同步头所携带的TODL对本地TODL’进行调整，这样就可以实现收发双方TOD一致，最终实现跳频同步。

同步头的结构：系统中利用TOD得到跳频图案的方法来提高同步头的抗干扰性能。如图3所示同步头的结构示意图：假设同步头由n个频率组成，按f₀,f₁,f₂,…f_n-1编号依次发送，为提高同步头频率的抗干扰性和隐蔽性，同步头的频率也是随时间变化的，既采用系统时间信息TOD控制同步头的频率的变化。同步头频率由n×(n₁+n₂)个频率组成。在同步头频率中，前n₁×n个频率对接收端而言，主要完成捕获，既实现粗同步，称为相关跳；后n₂×n个频率主要用于完成TODL的同步，即完成细同步。

步骤2：处于地面的接收端读取本地系统时钟信息，按照与发送端相同的方法得到TOD高段TODH’和TOD低段TODL’；接收端根据TODH’按照相应算法从频率表中获取某一频率值以及此频率开始后的一组频率值，并将此频率作为接收端的第一本地载波频率，该组频率作为等待频率。

步骤3中：接收端将接收到的具有前导序列的信号与上述步骤2中的获取的某一频率值即第一个频率值进行混频处理，将混频处理后的信号进行滤波处理，滤波后剩下固定中频信号和含有一定范围的多普勒频移分量信号，将该信号进行FFT变换和共轭处理。

发送端即低轨卫星发送数据信息前，先用n₁跳跳频频率传送前导序列，然后用n₂跳跳频频率传送同步信息TODL，接接收端通过n₁跳前导序列完成跳频序列粗同步，通过后面的n₂跳跳频频率提取同步信息中的TODL精确值。当接收端和发送端进行通信时，发送端在跳频信号的载波上搭载同步头，设发送端用N跳跳频频率传送同步头。当捕获过程开始时，接接收端的频率跳变速率为发送端频率跳频的1/N，与发送端前导序列频率相差一个固定中频Δf，用接收端的载波与接收到的信号进行混频。由于低轨卫星与地面站之间有相对运动，导致接收的信号中存在多普勒频偏。当携带有前导序列的发送端信号与本地信号混频后，产生固定中频并含有一定范围多普勒频移分量的信号能够通过滤波器滤波处理，其他信号都会被带通滤波器滤除，即完成前导序列频率捕获。

步骤4：接收端读取本地相关码以及本地的固定中频和某一多普勒频移补偿值，将上述固定中频与多普勒频移补偿值相加后的频率作为第二本地载波频率，将本地相关码与第二本地载波相乘，对相乘后的信号进行FFT变换，将变换后的信号与上述共轭处理后的信号进行混频处理，再将混频后的信号进行IFFT变换，对变换后的信号求模计算出最大值。在接收端中固定中频为接收端通过本地生成码生产的固定中频，该频率值为定值。

步骤5：将该最大值与规定的门限值比较：

如果最大值小于门限值，则接收捕获跳频频率失败，接收端转为下一等待频率继续检测；接收端在步骤2获取一组频率值，如果第一个频率捕获失败，那么接收端读取该组频率中的下一个频率继续进行调频捕获。

如果最大值大于门限值，证明捕获到同步信息，则接收端跳频捕获初次成功，接收端进行跟跳验证；

步骤6：跟跳验证成功后，接收端通过获取低轨卫星发送的同步信息，获取相关码信息检测到同步序列格式，接收端对同步信息进行接收，根据接收到的TODL调整本地系统时钟信息的低段TODL’值，使接收端与发送端实现了时间的完全同步。

如果捕获成功则说明此接收信号中含有此频率，然后通过相关码的信息对本地的跳频信息TOD进行修正，同时，接收端搜索时间信息，产生正常的频率周期。接收端按照TODH’修正的信息从频率表中查找相应的跳频图案，并产生与发送端跳频图案一致的跳频频率。接收端通过同步头所携带的TODL对本地TODL’信号进行调整，从而完成细同步。

本发明公开的卫星通信中跳频通信的快速捕获方法，适用于我国低轨通信卫星、高轨卫星等系统中卫星与地面站链路的跳频通信的快速捕获，同时该方法可扩展用于星间链路跳频通信的快速捕获。该方法具有良好的灵活性和可靠性，同时提高了链路的抗毁性和抗干扰性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种卫星通信中跳频通信的快速捕获方法，其特征在于：如下步骤：

步骤1：低轨卫星读取本地系统时钟信息中的时间信息，并将时间信息表示为TOD高段即TODH和TOD低段即TODL，其中TODH以分钟为计数单位，TODL以跳频间隔为计数单位；低轨卫星根据TODH按照相应算法从频率表中获取某一频率值以及此频率开始后的一组频率值，并将此组频率作为载波频率，将同步头搭载到此组载波上，低轨卫星向接收端发送同步头，该组频率作为同步频率；

同步头由同步序列构成，同步序列包括由相关码构成的用于与接收端的相关码进行相关运算的前导序列、时间信息TODL、CRC校验和尾保护；

步骤2：处于地面的接收端读取本地系统时钟信息，按照与发送端相同的方法得到TOD高段TODH’和TOD低段TODL’；接收端根据TODH’按照相应算法从频率表中获取某一频率值以及此频率开始后的一组频率值，并将某一频率值作为接收端的第一本地载波频率，该组频率作为等待频率；

步骤3：接收端将接收到的具有前导序列的信号与上述步骤2中的获取的某一频率值进行混频处理，将混频处理后的信号进行滤波处理，滤波后剩下固定中频信号和含有一定范围的多普勒频移分量信号，将该信号进行FFT变换和共轭处理；

步骤4：接收端读取本地相关码以及本地的固定中频和某一多普勒频移补偿值，将上述固定中频与多普勒频移补偿值相加后的频率作为第二本地载波频率，将本地相关码与第二本地载波相乘，对相乘后的信号进行FFT变换，将变换后的信号与上述共轭处理后的信号进行混频处理，再将混频后的信号进行IFFT变换，对变换后的信号求模计算出最大值；

步骤5：将该最大值与规定的门限值比较：

如果最大值小于门限值，则接收捕获跳频频率失败，接收端转为下一等待频率继续检测；

如果最大值大于门限值，证明捕获到同步信息，则接收端跳频捕获初次成功，接收端进行跟跳验证；

步骤6：跟跳验证成功后，接收端通过获取低轨卫星发送的同步信息，获取相关码信息检测到同步序列格式，接收端对同步信息进行接收，根据接收到的TODL调整本地系统时钟信息的低段TODL’值，使接收端与发送端实现了时间的完全同步；

步骤5中：如果最大值小于门限值，则捕获失败；

如果一个多普勒频率补偿周期没有结束，则返回到步骤4中，将上述多普勒频移补偿值增加设定的频率补偿值，再将该频率加上上述固定中频后的频率作为补偿载波频率，将补偿载波与本地相关码相乘按照步骤4的方法计算出最大值继续与门限值比较；

如果一个多普勒补偿周期已经结束，则接收端读取一组频率中的下一个频率，所述下一频率为步骤3中某一频率值的下一个频率，将该频率与接收到的信号进行混频处理，即返回到步骤3；

步骤5中：当初次捕获成功后，所述跟跳验证方法如下：接收端读取该组频率中的下一跳频频率，其跳频频率周期与发送端跳频频率周期一致，接收端对收到的信号按照步骤3和步骤4的方法求出最大值，如果最大值大于门限值，则跟跳成功进入步骤6；

如果最大值小于门限值则初次捕获失败，返回到步骤3中读取获取频率表中的下一个频率重新进行同步信息搜索。