CN104199062B - 基于运动分解的天线阵载波联合跟踪方法 - Google Patents

Abstract

一种基于运动分解的天线阵载波联合跟踪方法，利用天线阵各阵元的信号动态可分解为公共的平均相位部分和低动态的残余相位部分的特点，对天线阵各阵元的载波跟踪实现联合跟踪。该方法利用平均载波相位是每个阵元共有动态的特点，通过对鉴别值求平均以减少观测噪声来提高跟踪精度，对残余载波相位缩小噪声带宽以提高跟踪精度。理论分析与仿真结果表明，该方法能够显著提高用于波达方向估计的阵元间载波相位差测量精度和跟踪灵敏度，可有效克服传统的各阵元独立跟踪方法在信号动态较大或电平较低时，无法实现高精度跟踪且容易失锁的问题。

Description

基于运动分解的天线阵载波联合跟踪方法

技术领域

本发明涉及阵列信号处理与导航接收机技术领域，尤其是一种用于卫星波达方向(DOA，Direction of Arrival)估计的载波跟踪方法，也可运用在其他天线阵列的信号跟踪处理中。

背景技术

卫星导航信号到达地面时非常微弱，极易受到有意或无意干扰，军用接收机系统和高可靠性的航空应用系统通常采用自适应天线阵技术提高系统的抗干扰能力。天线阵的自适应波束形成技术可通过调整对天线阵各阵元信号的加权值，使得天线阵列将主波束指向卫星，并在干扰方向形成零陷，从而在抑制干扰的同时增强有用信号。自适应波束形成技术中，需要以卫星信号的DOA信息作为权值优化的约束条件，因此获取卫星信号的DOA是实现波束形成的前提。对于微弱的卫星信号，基于空间谱估计的传统DOA估计算法不适应，因此卫星DOA信息通常是直接利用惯性导航或组合导航系统的姿态信息和卫星星历及定位解算结果，结合对天线阵的校正来估计，具有较高的实现复杂度和成本，限制了其应用范围。

因此低复杂度的卫星DOA估计方法引起了极大的关注，大量文献提出了盲波束形成算法，在算法中通过多种途径来获取卫星的DOA信息。现有的低复杂度卫星DOA估计算法可以分为两类，一类为用独立跟踪通道对各阵元上的同一卫星信号都进行载波跟踪，然后用同阵元之间的载波相位差来解算得到DOA(例如：参见Chen,Yu-Hsuan,et al."Design and implementation of real-timesoftware radio for anti-interference GPS/WAAS sensors."Sensors 12.10(2012):13417-13440.)；另一类为利用民码的短周期重复特点，由CLEAN算法估算DOA(例如：参见Lu,D.；Wu,R.；Liu,H.,"Global positioning systemanti-jamming algorithm based on period repetitive CLEAN,"Radar,Sonar&Navigation,IET,vol.7,no.2,pp.164,169,February 2013doi:10.1049/iet-rsn.2010.0353)。基于CLEAN算法的DOA估计方法要求待估计的卫星信号为采用短周期扩频码的民用信号，然而在军用接收机中出于抗欺骗干扰等目的，更需要接收具有很长重复周期扩频码的军用信号，这就限制了此类方法的应用范围。基于载波相位差测量的方法要求跟踪每个阵元上信号的载波相位，由于现有方法中的跟踪算法仍然是传统的单天线跟踪算法，因此受限于单天线接收机跟踪灵敏度和测量精度难以兼容的矛盾，在弱信号条件下存在容易失锁和载波相位测量精度不够高等问题，从而使得DOA估计精度严重恶化。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种对天线阵各阵元上的同一卫星信号进行联合载波跟踪的方法，该方法将各阵元的载波相位分解为公共的平均载波相位和残余载波相位，对平均载波相位和残余载波相位采用不同的跟踪环路处理，以更好地利用阵元间相对运动很小的特点来提升测量精度和跟踪灵敏度。

本发明采用的技术方案为：

一种基于运动分解的天线阵载波联合跟踪方法，对于一个N阵元的天线阵，根据各阵元产生的相关值进行迭代处理，迭代步数用整数k表示，具体实施步骤如下：

S1，天线阵各阵元上的信号经过射频前端和模数转换(A/D)以后得到数字化了的采样信号，将此采样信号与本地码和本地载波相乘，得到剥离了采样信号中码和载波调制的信号，各阵元采样信号的真实载波相位记为本地载波相位记为以i＝1，2，…，N作为区分各阵元的下标；

S2，设载波跟踪的相干积分时间长度为T，对步骤S1中剥离了码和载波调制的信号在时间区间(k-1)T至kT上进行积分，得到各阵元的相关值I_i(k)与Q_i(k)，再将相关值转换为原始相位鉴别值，计算公式如下：

$y_i\left(k\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}arctan\left(\frac{Q{i}_{}\left(k\right)}{I_i\left(k\right)}\right);$

S3，将直接对各阵元载波相位的跟踪转换为对平均载波相位与(N-1)个残余载波相位的跟踪，相应地将步骤S2得到的N个原始相位鉴别值转换为表示信号平均相位与本地平均相位之差的等效鉴别值y_mean(k)与(N-1)个表示信号残余相位与本地残余相位之差的等效鉴别值其中，平均载波相位与残余载波相位的定义如下：

为阵元1的残余载波相位，由于可以将其作为一个冗余变量，不需要对其进行跟踪处理。等效鉴别值的计算公式如下：

$y_{mean}\left(k\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{y}_i\left(k\right)$

${\hat{y}}_j\left(k\right)=y_j\left(k\right)-y_{mean}\left(k\right),j=2,3,...,N;$

S4，更新产生本地平均载波相位与(N-1)个本地残余载波相位的N个数字控制振荡器(NCO)的频率控制字，其中对应于平均载波相位的控制字由y_m(k)通过跟踪平均载波相位的环路滤波器产生，对应于残余载波相位的控制字由通过跟踪残余载波相位的环路滤波器产生；

S5，将步骤S4中产生的本地平均相位和残余相位转换为各阵元的本地相位，计算公式如下：

置k＝k+1，重复步骤S1至步骤S5，以维持对信号的持续跟踪。

本发明具备以下有益效果：

本发明针对弱信号条件下用独立跟踪通道跟踪各阵元上同一卫星信号以估计其DOA时载波相位测量精度难以提高，容易失锁的问题，提出新的联合载波跟踪算法。其中，利用阵元间相对运动的动态很小的特点，将各阵元的载波相位分解为平均相位与残余相位，并针对这两种相位的动态特性差异分别设计环路滤波器。理论分析和数值仿真结果表明该方法可有效提升DOA估计所需的阵元间载波相位之差的测量精度，同时跟踪灵敏度也有明显改善。

附图说明

图1是本发明联合载波跟踪方法的概要流程图；

图2是单个阵元实现独立跟踪环路示意图；

图3是本发明载波联合跟踪环路示意图。

具体实施方式

本发明的基于运动分解的天线阵载波联合跟踪方法，具体包括以下步骤：

S1.天线阵各阵元上的信号经过射频前端和模数转换(A/D)以后得到数字化了的采样信号，再将此采样信号与本地码和本地载波相乘，得到剥离了采样信号中码和载波调制的信号，各阵元采样信号的真实载波相位设为本地载波相位设为以i＝1，2，…，N作为区分各阵元的下标；

S2.设载波跟踪的相干积分时间长度为T，对步骤S1中剥离了码和载波调制的信号在时间区间(k-1)T至kT上进行积分，得到各阵元的相关值I_i(k)与Q_i(k)，再将相关值转换为原始相位鉴别值，计算公式如下：

$y_i\left(k\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}arctan\left(\frac{Q_i\left(k\right)}{I_i\left(k\right)}\right);$

对每个阵元实现独立的跟踪环路时也需要步骤S1与步骤S2，下面以任意阵元i为例简述独立跟踪环路的工作原理：

设各阵元采样信号的真实载波相位为本地复现的各阵元的载波相位为设在t＝kT时刻各阵元的相位、频率和加速度分别为则描述载波相位变化的状态方程为：

其中n_i(k)是阵元i的加速度扰动噪声，一般建模为高斯白噪声随机变量。原始鉴别值反映本地载波相位与信号中载波相位之差，可以写为如下的观测方程形式：

其中K_d为鉴别器输出与输入关系的斜率，随机误差ω_i(k)是热噪声和干扰产生的鉴别器噪声。由于不同阵元的热噪声由不同射频前端产生，不同阵元的ω_i(k)是独立的。式(1)和(2)构成了单个阵元的独立载波跟踪模型，可以采用Kalman滤波，传统的数字锁相环(PLL)等方式来实现载波跟踪。

在本发明的联合载波跟踪方法中，将天线阵的运动分解为整体的平动与阵元间的相对转动，对应于整体平动的加速度为各阵元的平均加速度a_mean(k)，剩余部分为残余加速度Δa_i(k)，即：

$a_{mean}\left(k\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{a}_i\left(k\right),{\mathrm{\Δa}}_i\left(k\right)=a_i\left(k\right)-a_{mean}\left(k\right)---\left(3\right)$

当载体仅有平动时，a_mean(k)即为每个阵元的相位加速度，Δa_i(k)均为零，天线阵的DOA不发生改变。当载体姿态变化时，a_mean(k)是阵元的共性动态，而Δa_i(k)则对应于阵元间的相对动态，也是引起阵元间载波相位差和DOA变化的动态。因此a_mean(k)所对应各阵元信号动态中的大部分，且为各阵元所共有；而Δa_i(k)对应各阵元信号动态中微小的差异部分。

引入一个虚拟阵元，其载波相位与多普勒为各阵元载波相位与多普勒的均值，即：

此虚拟阵元的运动正好对应于a_mean(k)，各阵元中除去此虚拟阵元外的运动用残余相位残余多普勒Δf_i(t)表示，即：

为了利用共性动态和差异动态的不同特性，联合载波跟踪方法本质上就是先跟踪平均载波相位和(N-1)个残余载波相位得到本地复现的平均相位和再将其转换为各阵元的本地复现载波相位

S3.将步骤S2得到的N个原始相位鉴别值转换为表示信号平均相位与本地平均相位之差的等效鉴别值y_mean(k)与(N-1)个表示信号残余相位与本地残余相位之差的等效鉴别值计算公式如下：

$y_{mean}\left(k\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{y}_i\left(k\right),$

${\hat{y}}_j\left(k\right)=y_j\left(k\right)-y_{mean}\left(k\right),j=2,3,...,N;$

根据式(2)、(4)、(5)可知，设观测噪声的均值为则等效鉴别值可表示为：

易知平均相位与残余相位的变化规律也可以用与式(1)形式完全相同的状态方程来表示，故用传统的跟踪环路技术完全可以实现其跟踪处理。

S4.更新产生本地平均载波相位与(N-1)个本地残余载波相位的N个数字控制振荡器(NCO)的频率控制字，其中对应于平均载波相位的控制字由y_mean(k)通过跟踪平均载波相位的环路滤波器产生，对应于残余载波相位的控制字由通过跟踪残余载波相位的环路滤波器产生；

S5.根据NCO输出的本地平均相位和(N-1)个本地残余相位产生各阵元的本地相位，计算公式为：

置k＝k+1，重复步骤S1至步骤S5，以维持对信号的持续跟踪。

步骤S3中通过求平均使得对应于平均相位的鉴别值y_mean(k)中的噪声能量降低，假设个阵元接收到的信号能量相等，则y_mean(k)中的噪声能量将减少至单个天线情况的由此将导致平均相位跟踪精度的提高。

步骤S4中由于平均相位的动态与单个阵元的信号动态相同，因此平均相位的环路滤波器设计有较大的噪声带宽B_com；由于在天线阵没有快速旋转时，残余相位的动态很小，因此与之对应的环路滤波器可设计较小的噪声带宽B_res，由此可提高残余相位的跟踪精度，进而得到高精度的阵元间载波相位差测量值。

理论分析表明，在天线阵转动较慢，且假设各阵元上的信号载噪比均为C/N₀的条件下，DOA估计所需的任意两个阵元之间的载波相位差测量精度σ_Δ为：

本发明的方法既可以由软件接收机实现，也可以用可编程门阵列(FPGA)、ASIC等构成的数字电路来实现。步骤S1中从各阵元得到的数字基带信号与本地载波相乘的操作由乘法器实现。步骤S2中的积分运算，由数字电路上的累加器构成，累加器得到的相关值送入跟踪处理器中。跟踪处理器可由ARM、PicoBlaze等软核构成，在处理器中根据输入的相关值，完成原始鉴别值计算和步骤S3步骤S4的处理。最后由实现相位累加的NCO电路和有关的相位求和电路得到对应于各阵元的本地复现载波相位。

针对北斗卫星导航系统(BDS)的军用信号情况，取N＝4，T＝0.002s，B_com＝18Hz，B_res＝2Hz，天线阵有一个整体的匀加速平动和缓慢姿态转动的情况作为典型条件。在此典型条件下，用软件接收机方式实现本发明的方法，通过处理仿真模拟的A/D数据，得到的主要性能评估结果如下：

在载噪比为30dBHz时，联合跟踪方法的阵元间载波相位差测量精度可以达到4度，比独立跟踪方法提高了约3倍；同时单个阵元的载波相位测量精度也比独立跟踪方法提升了1.5倍以上，由此导致跟踪灵敏度提升了4dB。

前述内容仅是对本发明原理的说明。此外，由于本领域的技术人员很容易想到多种修改和变化，所以并不旨在将本发明限定为所示出和所说明的确切结构和应用，因此可以认为，所有适当的修改和等价物均落入所附权利要求及其等价物所限定的本发明的范围之内。

Claims (1)

1.一种基于运动分解的天线阵载波联合跟踪方法，对于一个N阵元的天线阵，根据各阵元产生的相关值进行迭代处理，迭代步数用整数k表示，其特征在于，该方法的具体实施步骤如下：

S1，天线阵各阵元上的信号经过射频前端和模数转换以后得到数字化了的采样信号，将此采样信号与本地码和本地载波相乘，得到剥离了采样信号中码和载波调制的信号，各阵元采样信号的真实载波相位记为本地载波相位记为以i＝1，2，…，N作为区分各阵元的下标；

S2，设载波跟踪的相干积分时间长度为T，对步骤S1中剥离了码和载波调制的信号在时间区间(k-1)T至kT上进行积分，得到各阵元的相关值I_i(k)与Q_i(k)，再将相关值转换为原始相位鉴别值，计算公式如下：

$y_i\left(k\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\arctan \left(\frac{Q_i\left(k\right)}{I_i\left(k\right)}\right);$

S3，将直接对各阵元载波相位的跟踪转换为对平均载波相位与(N-1)个残余载波相位j＝2，3，…，N的跟踪，相应地将步骤S2得到的N个原始相位鉴别值转换为表示信号平均相位与本地平均相位之差的等效鉴别值y_mean(k)与(N-1)个表示信号残余相位与本地残余相位之差的等效鉴别值其中，平均载波相位与残余载波相位的定义如下：

为阵元1的残余载波相位；

等效鉴别值的计算公式如下：

$y_{mean}\left(k\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{y}_i\left(k\right)$

${\hat{y}}_j\left(k\right)=y_j\left(k\right)-y_{mean}\left(k\right),j=2,3,...,N;$

S4，更新产生本地平均载波相位与(N-1)个本地残余载波相位的N个数字控制振荡器的频率控制字，其中对应于平均载波相位的控制字由y_mean(k)通过跟踪平均载波相位的环路滤波器产生，对应于残余载波相位的控制字由通过跟踪残余载波相位的环路滤波器产生；

S5，将步骤S4中产生的本地平均相位和残余相位转换为各阵元的本地相位，计算公式如下：

置k＝k+1，重复步骤S1至步骤S5，维持对信号的持续跟踪。