CN105429918A - 一种用于深空测控信号的快速捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于深空测控信号的快速捕获方法，能够完成对大多普勒频移条件下深空测控信号的快速捕获。本发明首先对深空测控信号进行数字下变频和降采样处理，使得采样速率满足采样定理，对降采样的信号进行FFT变换，并在频域进行信号检测；其次采用多相滤波信道化接收机将测控信号进一步进行并行下变频和降采样处理，将不确定范围较大的测控信号划分为多个并行的子带；最后对每一个并行的子带，采用基于FFT的频域补偿方法，完成测控信号频率的快速捕获，并将频率估计输出送至锁相环。根据本发明能显著提高深空测控信号捕获性能，具有实用价值和应用前景。

Description

一种用于深空测控信号的快速捕获方法

技术领域

本发明属于深空测控技术领域，具体地涉及一种用于深空测控信号的快速捕获方法。

背景技术

深空探测指对太阳系内除太阳、地球外的各大行星及卫星、小行星、彗星的探测以及对太阳系以外的银河系乃至整个宇宙的探测，其主要目的是开发和利用空间资源，发展空间技术，进行科学研究，探索太阳系和宇宙的起源，扩展人类的生存空间，为人类社会的长期可持续发展服务。

深空测控通信系统对在2x106km以外的空间探测器进行通信、测量和控制，其主要功能是：跟踪、外测、遥测、指令控制和数传(TTC&DT)。在深空探测器的整个飞行过程中，需要对其测控以保证其飞行轨道的准确，而在进入探测过程以后，需要传回探测信息。它是深空探测的唯一信息线，至关重要，与其它测控系统相比其重要性更加突出。不同于现有的中近空地基测控系统、天基测控系统、遥感地面接收站和卫星通信站，深空测控通信系统有着自己的特点和特殊技术问题。由于通信的距离很远，所以与此相关的技术问题总是处于测控通信技术发展的最前沿。

发明内容

本发明提供了一种用于深空测控信号的快速捕获方法，能够完成对大多普勒频移条件下深空测控信号的快速捕获。为了实现发明目的，本发明提出的方法包括：

1、首先对深空测控信号进行数字下变频和降采样处理，使得采样速率满足采样定理，对降采样的信号进行FFT变换，并在频域进行信号检测。

2、其次采用多相滤波信道化接收机将测控信号进一步进行并行下变频和降采样处理，将不确定范围较大的测控信号划分为多个并行的子带。

3、最后对每一个并行的子带，采用基于FFT的频域补偿方法，完成测控信号频率的快速捕获，并将频率估计输出送至锁相环。

具体地，根据本发明的一个方面，提供一种用于深空测控信号的快速捕获方法，包括如下步骤：

步骤一：接收信号经过宽带抗混叠滤波器后，经过A/D变换为数字采样信号；

步骤二：对深空测控信号进行数字下变频和降采样处理，使得采样速率满足采样定理，对降采样的信号进行FFT变换，并在频域进行信号检测。此步骤可完成中等信噪比(40dB/Hz)以上情况的信号捕获；

步骤三：如果FFT变换输出没有检测到信号，表明信号不存在或信噪比较低，此时采用多相滤波信道化接收机将测控信号进一步进行并行下变频和降采样处理，将不确定范围较大的测控信号划分为多个并行的子带；

步骤四：对每一个并行的子带，采用基于FFT的频域补偿方法，完成测控信号频率的快速捕获，并将频率估计输出送至锁相环。

附图说明

图1为本发明提供的深空测控信号的快速捕获方法的原理示意图；

图2示出本发明采用的多相滤波信道化接收机。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明实施例的详细说明和具体实施方式：各实施例以本发明所述技术方案为前提进行实施，给出详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于以下实施例。

图1是本发明提供的深空测控信号的快速捕获方法的原理示意图。接收信号经过宽带抗混叠滤波器后，经过A/D变换为数字采样信号。首先对深空测控信号进行数字下变频和降采样处理，使得采样速率满足采样定理，对降采样的信号进行FFT变换，并在频域进行信号检测；其次采用多相滤波信道化接收机将测控信号进一步进行并行下变频和降采样处理，将不确定范围较大的测控信号划分为多个并行的子带；最后对每一个并行的子带，采用基于FFT的频域补偿方法，完成测控信号频率的快速捕获，并将频率估计输出送至锁相环。具体地，根据本发明提供的所述方法的整个过程如下：

步骤一：接收信号经过宽带抗混叠滤波器后，经过A/D变换为数字采样信号；

步骤二：对深空测控信号进行数字下变频和降采样处理，使得采样速率满足采样定理，对降采样的信号进行FFT变换，并在频域进行信号检测。此步骤可完成中等信噪比(40dB/Hz)以上情况的信号捕获。

BPSK-PM是常用的深空通信体制，BPSK-PM信号的副载波采用BPSK调制方式，主载波采用PM调制方式。考虑到经深空信道传输时收发两端的本振频率差和多普勒效应等因素，接收机射频前端下变频后输出的中频信号(省略信道加信噪声)，可表示为：

其中：A表示信号幅度；fc为主载波中心频率；KPM表示调相指数；Am表示调制在副载波上的BPSK信号；fm为副载波频率，其取值远小于主载波中心频率；foffset为主载波频偏；rramp为频率斜升，即单位时间内频率变化量；和分别为PM调制的初相位和副载波的初相位。

PM调制是一种残留载波调制方式，信号频谱中存在较大的主载波分量，成功捕获、跟踪主载波是深空应答机工作的基础。然而在信号捕获阶段，往往没有频率的先验信息或者频差很大，因此，需要大范围的频率搜索，大范围快速频率搜索一般采用非参数化估计方法。一个直接简单而有效的单点频率估计方法是标准周期图估计法，而基于周期图估计的FFT算法可以实现高效的并行运算，使得快速捕获成为可能。

在采用基于FFT算法进行频偏捕获分析时，扫频对FFT分析带来的影响在于在一个FFT分析周期(包括FFT变换以及相应的多次视频平均过程)内，输入信号并非一个带宽为无限小的单音信号，而是一个具有一定频率范围的窄带信号，信号带宽等于FFT分析周期与扫频速率的乘积，当信号带宽大于FFT的分辨率带宽时，就会带来FFT分析的信噪比恶化，影响FFT分析性能甚至无法分析出正确的频率位置。

同时根据参数分析可知：假设FFT的频率分辨率为B，输入信噪比为SNRI，则FFT输出的信噪比SNRO为：

SNRO＝SNRI-10*log10(B)(2)

据此，要提高FFT输出信噪比，在输入信噪比一定的情况下，就必须减小FFT的频率分辨率B。减小频率分辨率的方法有两种：一是保持信号采样速率不变，增加FFT的点数；另外是保持FFT点数不变，采用频域扫描的方法，降低输入FFT的信号采样速率。

对于中等信噪比，假设降采样后的采样速率为f_s，FFT点数为N，则FFT的频率分辨率为B＝f_s/N，如果FFT输出的信噪比SNRO满足大于18dB以上，则可以获得99％的捕获概率。此时设定一个信噪比门限值，将SNRO与其相比，如果大于门限，将模式控制设为1，表明在中等信噪比及以上检测到信号，输出频率估计值；否则进行低信噪比条件下的信号检测。

步骤三：如果FFT变换输出没有检测到信号，表明信号不存在或信噪比较低，此时采用多相滤波信道化接收机将测控信号进一步进行并行下变频和降采样处理，将不确定范围较大的测控信号划分为多个并行的子带；

信道化接收机把整个频带划分成若干个子信道，由于每个子信道的带宽远小于输入信号的带宽，因此可以采用抽取的方法来降低信号的输出速率，降低对后续处理的压力。

为解决D倍抽取多相滤波器组在频域上不连续的问题，可采用重叠一半多相滤波器组。在这种滤波器组中，低通滤波器ho(n1T1)的截止频率为fs/D通带频率为fs/(2D)，这样各滤波器之间重叠一半，避免了频域上的不连续，此时其抽取因子为M，则M＝D/2。

设滤波器的长度为L，且L＝MK，M和K均为整数，则进行M倍抽取时第k个信道的输出为

显然，其第一个指数项与m无关，可以放在求和号之外，于是上式可写成如下形式

为获得多相表示形式，令m＝rM–ρ，0≤r≤K-1，0≤ρ≤D-1，则

$\begin{array}{c}{y}_k\left(n_2{T}_2\right)={\left(-1\right)}^{{\mathrm{kn}}_2}\underset{\mathrm{\ρ}=0}{\overset{D-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}x\[n_2{\mathrm{MT}}_1-\left(rM-\mathrm{\ρ}\right)T_1\]*h_0\[\left(rM-\mathrm{\ρ}\right)T_1\]e^{-j\left(rm-\mathrm{\ρ}\right)\frac{2\mathrm{\π}}{D}}\\ ={\left(-1\right)}^{{\mathrm{kn}}_2}\underset{\mathrm{\ρ}=0}{\overset{D-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}x\[\left(n_2-r\right){\mathrm{MT}}_1-{\mathrm{\ρT}}_1\]*h_0\[{\mathrm{rMT}}_1-{\mathrm{\ρT}}_1\]e^{-jrk\mathrm{\π}}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{D}k\mathrm{\ρ}}\\ ={\left(-1\right)}^{{\mathrm{kn}}_2}\underset{\mathrm{\ρ}=0}{\overset{D-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}x\[\left(n_2-r\right){\mathrm{MT}}_1-{\mathrm{\ρT}}_1\]*{\left(-1\right)}^{kr}{h}_0\[{\mathrm{rMT}}_1-{\mathrm{\ρT}}_1\]e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{D}k\mathrm{\ρ}}\end{array}---\left(5\right)$

令 $\underset{r=0}{\overset{K-1}{\Σ}}x\[\left(n_2-r\right){\mathrm{MT}}_1-{\mathrm{\ρT}}_1\]=x_{\mathrm{\ρ}}\[\left(n_2-r\right)T_2\],$ (-1)^rkh₀(rMT₁-ρT₁)＝g_ρ(rT₂)，则

$y_k\left(n_2{T}_2\right)={(-1)}^{{\mathrm{kn}}_2}\underset{\mathrm{\ρ}=0}{\overset{D-1}{\Σ}}\underset{r=0}{\overset{K-1}{\Σ}}{x}_{\mathrm{\ρ}}\[\left(n_2-r\right)T_2\]g_{\mathrm{\ρ}}\left({\mathrm{rT}}_2\right)e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{D}k\mathrm{\ρ}}---\left(6\right)$

图2给出了信道化器的实现原理框图，重叠一半多相滤波信道化接收机有D个滤波器组，若M倍抽取时每个滤波器的长度为K，则全部D个滤波器的总长度为DK，这一长度是低通滤波器h0的2倍，所以要对滤波器补0。重叠一半信道化接收机可以实现全频段覆盖，但运算量增加一倍，输出数据的速率也增加一倍，采用重叠一半信道化接收机时把混频放在滤波抽取之后，其滤波是实数滤波，而不是普通正交下变频复数滤波，故滤波时运算量可减少一半，便于高速实现。

步骤四：对每一个并行的子带，采用基于FFT的频域补偿方法，完成深空测控信号频率的快速捕获，并将频率估计输出送至锁相环。

多相滤波信道化接收机并行输出各个子信道，各子信道的FFT可用一个IP核时分复用实现，同时该FFT核可与多相滤波信道化接收机的IDFT共用(在IP核生成时选择动态设置参数)，各子信道FFT输出进行频域校正，各子信道频域校正输出选择最大值进行判决后得到频率估计输出。频域校正的具体做法是将多普勒变化率按照一定的步进分档，求出每一档变化率的频域表达式，并用该频域表达式与子信道的FFT输出进行循环卷积，求出信噪比后与门限值相比，超过门限值则认为捕获到信号，否则认为没有捕获到信号。

假设第k个子信道的信号表达式为：

$s\left(t\right)=A_k\exp \[j*2\mathrm{\π}\left(f_{offset}^k+\frac{1}{2}{r}_{ramp}t\right)t\]---\left(7\right)$

其中A_k表示信号幅度；为载波频差，rramp为频率斜升，即单位时间内频率变化量。则其经FFT变换后输出信号可表示为：

$S\left(f\right)\∝B_k(f_{offset}^k+\frac{1}{2}{r}_{ramp}t)---\left(8\right)$

可见其表现在频域是一个未知的常数与线性信号之和。可以得到校正信号的表达式为

$C\left(f\right)\∝(-\frac{1}{2}{r}_{ramp}^{m}t)---\left(9\right)$

经频域卷积后得到的对消信号表达式为

$S^{\′}\left(f\right)\∝B_k(f_{offset}^k+\frac{1}{2}(r_{ramp}-r_{ramp}^m\left)t\right)---\left(10\right)$

上式表明当校正参数与实际多普勒变化率接近的时候，可以获得最大的信噪比，从而完成深空测控信号捕获。

Claims (5)

1.一种用于深空测控信号的快速捕获方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：接收深空测控信号经过宽带抗混叠滤波器后，再通过A/D变换为数字信号；

步骤二：对深空测控信号进行数字下变频和降采样处理，对降采样的信号进行FFT变换，并在频域进行信号检测，从而完成中等信噪比40dB/Hz以上情况的信号捕获；对于较低信噪比的深空测控信号的捕获，则进入步骤三；

步骤三：采用多相滤波信道化接收机将深空测控信号进一步进行并行下变频和降采样处理，将其划分为多个并行的子带；

步骤四：对每一个并行的子带，采用基于FFT的频域校正的方法，完成深空测控信号频率的快速捕获，并将频率估计输出送至锁相环。

2.如权利要求1所述的一种用于深空测控信号的快速捕获方法，其特征在于：其采用的是常用的BPSK-PM深空通信体制，BPSK-PM信号的副载波采用BPSK调制方式，主载波采用PM调制方式。

3.如权利要求1所述的一种用于深空测控信号的快速捕获方法，其特征在于：所述多相滤波信道化接收机射频前端下变频后输出的中频信号用以下公式表示：

其中：A表示信号幅度；f_c为主载波中心频率；K_PM表示调相指数；A_m表示调制在副载波上的BPSK信号；f_m为副载波频率，其取值远小于主载波中心频率；f_offset为主载波频偏；r_ramp为频率斜升，即单位时间内频率变化量；和分别为PM调制的初相位和副载波的初相位。

4.如权利要求1所述的一种用于深空测控信号的快速捕获方法,其特征在于：所述FFT输出的信噪比SNRO为：

SNRO＝SNRI-10*log10(B)(2)

其中，B为FFT的频率分辨率，SNRI为输入信噪比；

对于中等信噪比，假设降采样后的采样速率为f_s，FFT点数为N，则FFT的频率分辨率为B＝f_s/N，如果FFT输出的信噪比SNRO满足大于18dB以上，则可以获得99％的捕获概率；

此时设定一个信噪比门限值，将SNRO与其相比，如果大于门限，将模式控制设为1，表明在中等信噪比及以上检测到信号，输出频率估计值；否则进行低信噪比条件下的信号检测。

5.如权利要求1所述的一种用于深空测控信号的快速捕获方法,其特征在于：所述频域校正的具体做法是将多普勒变化率按照一定的步进分档，求出每一档变化率的频域表达式，并用该频域表达式与子信道的FFT输出进行循环卷积，求出信噪比后与门限值相比，超过门限值则认为捕获到信号，否则认为没有捕获到信号。