CN103595441A - 适用于重复使用轨道飞行器的极高动态扩频信号快捕方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及适用于重复使用轨道飞行器的极高动态扩频信号快捕方法，首先计算扩频信号快捕参数，接着生成基于掩码的多路伪码，最后通过轮流进行FFT分析实现扩频信号的快速捕获，具体为：将载波频率进行分段，在每一个频率段内分别进行信号捕获；利用掩码方式产生多路并行伪码，将每路伪码与输入信号进行部分相关运算，多路并行相关运算结果轮流作FFT变换以节省资源；当遍历完全部频段后，便可得到载波多普勒及伪码相位的精确值；本发明有效解决了重复使用轨道飞行器扩频信号快捕问题，实现了附加极大的多普勒频偏及动态范围的扩频信号快速捕获，且占用最低的FPGA资源。

Description

适用于重复使用轨道飞行器的极高动态扩频信号快捕方法

技术领域

本发明属于测控通信技术领域，涉及一种适用于重复使用轨道飞行器的极高动态扩频信号快捕方法。

背景技术

测控终端是重复使用轨道飞行器测控通信系统的核心设备，与地面站协同工作，完成飞行器测控任务。

重复使用轨道飞行器高超声速再入飞行时会发生较长时间黑障现象，为提高无线信号黑障区的通信能力，使用了Ka频段作为扩频信号载频。由于飞行器同地面站之间的高动态使接收信号附加了大多普勒频移，对扩频信号捕获造成不良影响。同传统S频段测控体制相比，Ka频段的多普勒频移及变化率将更加明显，最大多普勒变化范围将达到±820kHz，变化率达到±20.6kHz/s，远超S频段±100kHz，±2kHz/s的多普勒动态范围。飞行器再入过程轨道高度低，地面站覆盖范围小，对测控实时性要求很高，要求2s内完成扩频信号的快速捕获。同时由于黑障影响，接收端信号能量低于-122dBm，且飞行器上信号处理器件资源、速度等级受限，因此如何以最小的资源占用实现极高动态扩频信号快速捕获成为Ka频段测控技术的关键。

目前飞行器上设备扩频信号快速捕获主要采取以下技术手段：

时频并行捕获技术

扩频信号的捕获是一个时域和频域的二维搜索过程如图1所示，只有在正确的伪码相位（时域）和多普勒频率（频域）上，才能获得最大的相关值。二维并行搜索利用多个伪码产生器生成多路相位差固定的伪码，利用多个伪码相关通道进行码相位的并行搜索，从而通过时域并行搜索达到减少捕获时间的目的。或在频率上使用多个数字载波振荡器（NCO），产生多路频差恒定的本地载波，在每一个频段上并行搜索伪码相位，通过频率并行搜索达到减少捕获时间的目的。也可将时域、频域并行结合，获得更快的捕获时间，但资源占用将显著增加。

部分相关与FFT结合的捕获技术

部分相关与FFT结合的捕获技术原理如图2所示。输入信号经下变频后与本地伪码进行部分相关运算，对部分相关结果进行FFT分析。本地伪码相位可以不断滑动，当与输入信号相位一致时，FFT结果将在多普勒频率处出现一根明显的谱线，从而将时域、频域的二维搜索过程转化为时域的一维搜索，达到减少时间的目的。

匹配滤波器设计技术

匹配滤波器技术原理如图3所示。时域上将本地伪码序列作为滤波器抽头系数，构建成一个倒置型FIR滤波器。输入信号进入滤波器后进行滤波运算，每移入一个码片便可得到一个滤波结果，一个伪码周期后便可得到全部的匹配滤波值，滤波器最大输出对应的码相位位置及为正确伪码相位位置。频域上将多普勒频率进行分段，在每一个频段上进行匹配滤波运算，匹配滤波值最大的频段即为多普勒频率所在区间，从而快速完成捕获。

重复使用轨道飞行器多普勒范围将高达±820kHz，变化率达到±20.6kHz/s，是传统飞行器的动态范围8倍以上，上述方法将无法适用于本飞行器的扩频信号快捕。时频并行捕获技术效率较低，只适用于伪码较短且动态范围较小的情况，随着多普勒范围明显变宽，需要的伪码、频率搜索通道将显著增加，资源占用急剧上升。对于部分相关和FFT相结合的捕获技术，由于多普勒频率范围高达±820kHz，对FFT的多普勒频率衰落补偿性能提出较高要求，若满足全频带内的频率补偿性能，则需要减少部分先关长度，将导致捕获灵敏度降低，若保证捕获灵敏度，则无法实现±820kHz的全频率搜索。对于匹配滤波捕获方法，虽然捕获速度很快，但是滤波器资源占用率极高，即使采用滤波器折叠的设计方式，常用的飞行器上元器件（XQ2V3000）资源也较难承受，且由于多普勒频率范围极宽，所需频率搜索通道也将显著增加，匹配滤波带来的时间优势并不明显。

因此需要使用一种适用于重复使用轨道飞行器的极高动态扩频信号快捕方法，既可满足捕获时间要求，又可占用最低的FPGA资源。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供适用于重复使用轨道飞行器的极高动态扩频信号快捕方法，该方法有效解决了重复使用轨道飞行器扩频信号快捕问题，实现了附加极大的多普勒频偏及动态范围的扩频信号快速捕获，且占用最低的FPGA资源。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

适用于重复使用轨道飞行器的极高动态扩频信号快捕方法，包括如下步骤：

步骤（一）、计算扩频信号快捕参数，具体过程如下：

（1）、根据需要的捕获时间T，通过如下公式确定多普勒频率分段数M与伪码并行相关路数K之间的关系：

$T=\frac{2L^{2}M}{R_{c}K}$

其中：L为扩频信号长度；R_c为码速率；

（2）、确定每一频率分段内最大的多普勒捕获范围f_max：

$f_{\max }=\frac{2F_{\max }}{M}$

其中：多普勒范围为（-F_max，F_max）

（3）、根据最大的多普勒捕获范围f_max，确定伪码部分相关长度X：

$X=\frac{R_c}{{\mathrm{nf}}_{\max }}$

其中：n为多普勒补偿范围系数，取值为1/2～1/3；

（4）、确定K路伪码中每一路伪码信号的部分相关段数P为：

$P=\frac{M}{X};$

（5）、对P个部分相关段数内的数据分别求和，则每一路伪码通道得到P个部分相关结果，再对P个部分相关结果进行多普勒FFT分析，其中分析点数为N，得到多普勒谱峰，根据所述谱峰位置获得多普勒频率值；

步骤（二）、生成基于掩码的多路伪码，具体过程如下：

（6）、根据给定的伪码多项式g（x）和初相生成第一路本地伪码序列D₀;

（7）、其余K-1路本地伪码序列D_n采用掩码多项式的方法生成，即：通过将移位寄存器输出与不同的掩码多项式m(x)异或，对异或结果进行模二求和，得到不同相位差的伪码序列D_n，其中n∈(1,K-1)；

步骤（三）、进行扩频信号的快速捕获，具体方法如下：

（8）、根据步骤（一）得到的伪码部分相关长度X将步骤（二）得到的K路伪码与输入信号进行部分相关运算，得到K路数据，其中每路数据包括P个部分相关结果；

（9）、对每路的P个部分相关结果进行分析点数为N的FFT分析；

（10）、重复步骤（9），完成K路部分相关结果的FFT分析；

（11）、对输出的K路FFT结果中搜索最大谱峰，若最大谱峰超过设定的门限，则认为本地伪码与输入信号对齐，所述最大谱峰位置即为多普勒频率，将最大谱峰所在路的伪码输出提供给跟踪环路使用；若最大谱峰未超过设定的门限，则滑动伪码，返回步骤（8）。

在上述适用于重复使用轨道飞行器的极高动态扩频信号快捕方法中，步骤（一）的（5）进行多普勒FFT分析时，分析点数N的取值为：N=P，或者根据如下捕获分辨率公式确定N的取值：

${\mathrm{\Δf}}_d=\frac{R_c}{\mathrm{NX}}$

其中：Δf_d为捕获分辨率；X为伪码部分相关长度；R_c为码速率。

在上述适用于重复使用轨道飞行器的极高动态扩频信号快捕方法中，步骤（二）的（7）中掩码多项式m(x)与码相位延迟数C一一对应，通过如下公式得到：

m(x)=x^c mod g(x)

其中：码相位延迟数C=L/K,L为扩频信号长度；K为伪码并行相关路数；g(x)为生成多项式。

在上述适用于重复使用轨道飞行器的极高动态扩频信号快捕方法中，步骤（三）的（9）中，为降低资源占用率，对每组的P个部分相关结果进行分析点数为N的FFT分析时采用共用内核，轮流计算方式，控制K路数据轮流进行谱分析，防止发生时序冲突。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

（1）、本发明采用全新的适用于重复使用轨道飞行器的极高动态扩频信号快捕方法，首先计算扩频信号快捕参数，接着生成基于掩码的多路伪码，最后通过轮流进行FFT分析实现扩频信号的快速捕获，有效解决了重复使用轨道飞行器扩频信号快捕问题，实现了附加极大的多普勒频偏及动态范围的扩频信号快速捕获；

（2）、本发明极高动态扩频信号快捕方法资源占用率低，且该方法可直接在XQ2V3000FPGA平台上应用，经XST综合后，资源占用率32%；

（3）、试验表明，本发明方法可以有效解决重复使用轨道飞行器扩频信号快捕问题，实现2s内完成多普勒频偏±820kHz、变化率±20.6kHz/s、灵敏度-122dBm的扩频信号快速捕获。

附图说明

图1为现有技术中二维并行搜索意图；

图2为现有技术中部分相关FFT结合的快捕方法；

图3为现有技术中匹配滤波快捕算法；

图4为本发明极高动态扩频信号快捕方法原理框图；

图5为本发明基于掩码的伪码生成原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

本发明利用掩码方式产生多路并行伪码，每路伪码与输入信号滑动部分相关，载波频率分段粗扫，多路并行相关结果在某一频率段内轮流作FFT变换，得到载波多普勒的精确值。

本发明适用于重复使用轨道飞行器的极高动态扩频信号快捕方法，具体实现步骤如下：

步骤（一）、计算扩频信号快捕参数，具体过程如下：

（1）、根据需要的捕获时间T，通过如下公式确定多普勒频率分段数M与伪码并行相关路数K之间的关系：

$T=\frac{2L^{2}M}{R_{c}K}$

其中：L为扩频信号长度；R_c为码速率；

（2）、确定每一频率分段内最大的多普勒捕获范围f_max：

$f_{\max }=\frac{2F_{\max }}{M}$

其中：多普勒范围为（-F_max，F_max）；

（3）、根据普勒捕获范围f_max，确定伪码部分相关长度X：

$X=\frac{R_c}{{\mathrm{nf}}_{\max }}$

其中：n为多普勒补偿范围系数，取值为1/2～1/3；

（4）、确定K路伪码中每一路伪码信号的部分相关段数P为：

$P=\frac{M}{X};$

（5）、对P个部分相关段数内的数据分别求和，则每一路伪码通道得到P个部分相关结果，再对P个部分相关结果进行多普勒FFT分析，其中分析点数为N，得到多普勒谱峰，根据谱峰位置获得多普勒频率值。

进行多普勒FFT分析时，分析点数N的取值为：N=P，或者根据如下捕获分辨率公式确定N的取值：

${\mathrm{\Δf}}_d=\frac{R_c}{\mathrm{NX}}$

其中：Δf_d为捕获分辨率；X为伪码部分相关长度；R_c为码速率。

步骤（二）、生成基于掩码的多路伪码，具体过程如下：

（1）、根据给定的伪码多项式g（x）和初相生成第一路本地伪码序列D₀。

（2）、其余K-1路本地伪码序列D_n采用掩码多项式的方法生成，即：通过将移位寄存器输出与不同的掩码多项式m(x)异或，对异或结果进行模二求和，得到不同相位差的伪码序列D_n，其中n∈(1,K-1)。

m序列的移位寄存器和掩码多项式异或求和后作为输出，输出的为同一个m序列，只不过相位延迟了C个码片相位。掩码多项式m(x)与码相位延迟数C是一一对应的，关系为：

m(x)=x^c mod g(x)

其中：码相位延迟数C=L/K,L为扩频信号长度；K为伪码并行相关路数。

m(x)可以借助Matlab函数shift2mask(g(x)，C)求出，g(x)为生成多项式，C为码相位延迟数。

步骤（三）、进行扩频信号的快速捕获，具体方法如下：

（1）、根据步骤（一）得到的伪码部分相关长度X，将步骤（二）得到的K路伪码与输入信号进行部分相关运算，得到K组数据，其中每组数据包括P个部分相关结果。

（2）、对每路的P个部分相关结果进行分析点数为N的FFT分析。为降低资源占用率，对每组的P个部分相关结果进行分析点数为N的FFT分析时采用共用内核，轮流计算方式，控制K路数据轮流进行谱分析，防止发生时序冲突。

（3）、重复步骤（2），完成K路部分相关结果的FFT分析。

（4）、对输出的K路FFT结果中搜索最大谱峰，若最大谱峰超过设定的门限，则认为本地伪码与输入信号对齐，该最大谱峰位置即为多普勒频率，将最大谱峰所在路的伪码输出提供给跟踪环路使用。若最大谱峰未超过设定的门限，则滑动伪码，返回步骤步骤（三）中的（1）步骤。

如图4所示为本发明极高动态扩频信号快捕方法原理框图，本发明快捕方法的实现形式如图4，输入信号经AD采样后进入FPGA，经下变频后变成多普勒调制的基带信号。基于掩码的多路伪码生成器生成K组相位差为L/K的伪码（L为伪码周期长度），和输入信号并行部分相关运算，部分相关长度为X，K组伪码需要K个码相关器，每一个相关器在积分清零时间内会得到P个部分相关结果（P=L/X）。本地伪码一次滑动半个码片，由于有K路并行相关，则只需滑动2L/K次即可遍历所有码相位。伪码每滑动一次，便会得到K路部分相关结果，每组部分相关结果有P个数据，K路数据需要进行K次FFT运算，FFT分析长度为N。为了节省资源，FFT分析模块只用一个，所以使用排队控制模块控制K路数据轮流进行谱分析，防止发生时序冲突。对输出的K路数据搜索最大谱峰，若最大谱峰超过设定门限，则认为伪码近似对齐，谱峰位置即多普勒频率，若最大谱峰所在路的伪码输出供跟踪环路使用；若最大谱峰未超过门限则继续滑动伪码，重复上述过程。

本发明极高动态扩频信号快捕方法具有如下特点：第一，不再采用直接在全多普勒范围内进行FFT分析，而是将多普勒频率范围划分成M个区间，在每个区间内使用FFT分析多普勒频率，这样只需作较少点数的FFT即可获得较高的频率分辨率和较好的幅度补偿特性，节省FPGA资源；第二，伪码采用K路具有固定相位差的码组同时并行相关，滑动一次便可以得到K个相位的相关值，将捕获时间降到原来的1/K；第三，多路并行伪码产生方式采用基于掩码的生成方式，只需将一路伪码移位寄存器与K组掩码分别进行异或，即可精确得到各路相位差为1/K码周期的K路伪码，这种方式不需独立的K路伪码生成器，可节省资源；第四，K路并行部分相关结果共用一个FFT分析模块，采用各通道分时轮流复用的方式，可以显著节省FPGA资源。

实施例1

以扩频码长1023，码速率10.23Mcps，数据速率1kbps的扩频信号为例，具体过程如下：

1.捕获方案参数设计

系统接收灵敏度为-122dBm，为提高捕获概率和测量精度，对接收信号进行相干累加，累加长度为一个数据周期1ms，即10个伪码周期，则伪码的分析长度为M=10230个码片。多普勒搜索范围±820kHz，分成16个区间，则每个区间的最大多普勒范围是±51kHz，为满足捕获时间要求，采用32路伪码并行捕获形式，多普勒频率分辨率为：

${\mathrm{\Δf}}_d=\frac{R_c}{\mathrm{NX}}---\left(1\right)$

为了减少相关损失，一般只取最大范围的1/3作为实际分析带宽，则

$f_{d\max }=\frac{1}{3{\mathrm{XT}}_c}---\left(2\right)$

由（1）、（2）式可以确定部分相关和FFT的参数。这里取M=10230，f_dmax=51kHz，则取整后每一路部分相关长度X=80，部分相关点数N=M/X=128。为进一步提高频率分辨率并降低频率补偿后的扇贝损失，采用内插补0的方法，将FFT点数提高到N=256，此时频率分辨率为0.5kHz，扇贝损失最大为3dB。FFT谱线位置k=0～102对应多普勒频率0～51kHz，谱线位置k=154～255对应多普勒频率-51kHz～-0.5kHz。

2.基于掩码的多路伪码生成器设计

多路伪码生成器生成32路不同初相的伪码，各路间相位差严格保持1023/32个码片。实现时本地只需一个伪码产生器，其他路的伪码采用掩码多项式的方法生成，即通过将移位寄存器输出与不同的掩码多项式异或后求和，得到不同相位差的伪码。

掩码多项式m(x)可以借助Matlab函数求出：

码相位延迟32的计算函数为：shift2mask(g(x)，32)；

码相位延迟64的计算函数为：shift2mask(g(x)，64)；

依次类推，其中g(x)为生成多项式。

3.捕获策略设计

对32路并行相关结果轮流进行256点FFT分析，得到32组FFT频谱，搜索32路谱峰最大值，并判断是否超过门限，若超过门限则说明此通道的伪码实现了与本地伪码的对齐。若均未超过门限，则更换频率分段，再次执行搜索过程。

4.捕获时间计算

扩频信号最大捕获时间为：

$T_{\max }=q_{\max }{\mathrm{\τ}}_d\frac{N_d}{N_p}---\left(3\right)$

N_d为搜索的频道数，这里取N_d=16；N_p为搜索的频道数，这里取N_p=32；τ_d为积分清零时间，这里τ_d=1ms，q_max为伪码滑动次数。

伪码多普勒为

R_c=10.23Mcps，f_c=30.2GHz，采用载波辅助伪码的策略后，每个频段内最大伪码多普勒为f_dchip=17Hz，则在1ms积分区间内造成伪码偏移0.017个码片，一个伪码周期滑动半个码片，则伪码最大搜索次数为：q_max=1023/(0.5-0.017)=2130。则最大捕获时间为：T_max=1.065s。

本实施例可以实现2s内完成多普勒频偏±820kHz、变化率±20.6kHz/s、灵敏度-122dBm的扩频信号快速捕获，且该方法可直接在XQ2V3000FPGA平台上应用，资源占用率仅为32%。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.适用于重复使用轨道飞行器的极高动态扩频信号快捕方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤（一）、计算扩频信号快捕参数，具体过程如下：

（1）、根据需要的捕获时间T，通过如下公式确定多普勒频率分段数M与伪码并行相关路数K之间的关系：

$T=\frac{2L^{2}M}{R_{c}K}$

其中：L为扩频信号长度；R_c为码速率；

（2）、确定每一频率分段内最大的多普勒捕获范围f_max：

$f_{\max }=\frac{2F_{\max }}{M}$

其中：多普勒范围为（-F_max，F_max）

（3）、根据最大的多普勒捕获范围f_max，确定伪码部分相关长度X：

$X=\frac{R_c}{{\mathrm{nf}}_{\max }}$

其中：n为多普勒补偿范围系数，取值为1/2～1/3；

（4）、确定K路伪码中每一路伪码信号的部分相关段数P为：

$P=\frac{M}{X};$

（5）、对P个部分相关段数内的数据分别求和，则每一路伪码通道得到P个部分相关结果，再对P个部分相关结果进行多普勒FFT分析，其中分析点数为N，得到多普勒谱峰，根据所述谱峰位置获得多普勒频率值；

步骤（二）、生成基于掩码的多路伪码，具体过程如下：

（6）、根据给定的伪码多项式g（x）和初相生成第一路本地伪码序列D₀;

（7）、其余K-1路本地伪码序列D_n采用掩码多项式的方法生成，即：通过将移位寄存器输出与不同的掩码多项式m(x)异或，对异或结果进行模二求和，得到不同相位差的伪码序列D_n，其中n∈(1,K-1)；

步骤（三）、进行扩频信号的快速捕获，具体方法如下：

（8）、根据步骤（一）得到的伪码部分相关长度X将步骤（二）得到的K路伪码与输入信号进行部分相关运算，得到K路数据，其中每路数据包括P个部分相关结果；

（9）、对每路的P个部分相关结果进行分析点数为N的FFT分析；

（10）、重复步骤（9），完成K路部分相关结果的FFT分析；

（11）、对输出的K路FFT结果中搜索最大谱峰，若最大谱峰超过设定的门限，则认为本地伪码与输入信号对齐，所述最大谱峰位置即为多普勒频率，将最大谱峰所在路的伪码输出提供给跟踪环路使用；若最大谱峰未超过设定的门限，则滑动伪码，返回步骤（8）。

2.根据权利要求1所述的适用于重复使用轨道飞行器的极高动态扩频信号快捕方法，其特征在于：所述步骤（一）的（5）进行多普勒FFT分析时，分析点数N的取值为：N=P，或者根据如下捕获分辨率公式确定N的取值：

${\mathrm{\Δf}}_d=\frac{R_c}{\mathrm{NX}}$

其中：Δf_d为捕获分辨率；X为伪码部分相关长度；R_c为码速率。

3.根据权利要求1所述的适用于重复使用轨道飞行器的极高动态扩频信号快捕方法，其特征在于：所述步骤（二）的（7）中掩码多项式m(x)与码相位延迟数C一一对应，通过如下公式得到：

m(x)=x^c mod g(x)

其中：码相位延迟数C=L/K,L为扩频信号长度；K为伪码并行相关路数；g(x)为生成多项式。

4.根据权利要求1所述的适用于重复使用轨道飞行器的极高动态扩频信号快捕方法，其特征在于：所述步骤（三）的（9）中，为降低资源占用率，对每组的P个部分相关结果进行分析点数为N的FFT分析时采用共用内核，轮流计算方式，控制K路数据轮流进行谱分析，防止发生时序冲突。

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