CN105717523B - 扩频测控接收机测距环路 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种扩频测控接收机测距环路，提供一种不受被调数据符号翻转影响，能够提升相干积分时间，避免非相干积分平方损耗的测距环路。本发明通过下述技术方案予以实现：第二跟踪环路的PN码发生器在注入初始移位寄存器状态后形成超前半个码片与滞后半个码片的两路PN码，分别与第一跟踪环路恢复出的被调数据符号相乘形成两路超前滞后扩频基带信号；环路滤波后的鉴相误差与第一跟踪环路的码多普勒频率结合后送入PN码数字控制振荡器NCO，驱动PN码发生器的码钟产生第二跟踪环路的超前码PNE、滞后码PNL和正对码PNP；第一跟踪环路、第二跟踪环路初始工作时，PN码发生器的移位寄存器状态由第一跟踪环路的PN码发生器移位寄存器延时后初始注入。

Description

扩频测控接收机测距环路
技术领域
本发明涉及一种在飞行器测控系统中的基于信号重建的扩频测控接收机测距环路。
背景技术
在飞行器测控系统中，获得地面站接收机与飞行器的精确距离一直是系统需要解决的主要问题之一。近些年来，系统任务对飞行器测定轨精度要求的不断提升，进而对高精度测距性能的要求日趋显著。当前，传统的扩频测控接收测距环路主要选用图2所示的接收测距环路，在鉴别器超前滞后间距为1个码片的条件下，其测距随机误差主要由码环的同步跟踪误差决定，其计算公式如下，
其中，Tc为扩频码码元时间宽度，Bn为码环带宽，Tp为预检测积分时间，C/No为载噪比。
从公式中可以看出，在不改变扩频码码元时间宽度Tc和不增加载噪比C/No的前提下，提升接收机测距精度的方式可归纳为以下两种：1)增大预检积分时间Tp；2)减小码环的环路带宽Bn。
式中，
部分体现了非相干积分的平方损耗，假若能够增加相干积分时间，即预检积分时间Tp，便可减少取幅度值后鉴别器的平方损耗，提高测距精度。由于存在被调数据符号的随机翻转，且码环中符号翻转随机，因此，相干积分时间Tp值无法进一步增加，一般取Tp＝2/Rb，Rb为被调数据符号速率。
此外，式中，减小Bn也可以达到减少码环的同步跟踪误差提高测距精度的目的，但由于环路适应飞行器相对运动动态应力的问题，Bn难以进一步减小，一般取值为10～15Hz；假若采用载波环路辅助码环，即载波换环路滤波器输出结果经过一个比例器k与码环滤波器输出，Bn取值可减少至0.5～2Hz。
上述针对扩频测控的测距码环设计方法，归纳存在的缺陷如下：
环路存在非相干积分的平方损耗，且由于存在被调数据符号翻转随机性，相干积分时间Tp值无法进一步增加，影响码环路同步跟踪误差的减小。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种不受被调数据符号翻转，能够提升相干积分时间，避免非相干积分平方损耗，提高环路测距精度的扩频测控接收机测距环路。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种扩频测控接收机测距环路，包括第一跟踪环路201，第二跟踪环路202，其特征在于：第二跟踪环路202的PN码发生器208在注入初始移位寄存器状态后形成超前半个码片与滞后半个码片的两路PN码，分别与第一跟踪环路201恢复出的被调数据符号d(t-N0Ts)相乘形成两路超前滞后扩频基带信号，并与第三延时缓存205、第四延时缓存206输出超前滞后载波信号进行相乘运算，形成I、Q正交的各两路超前、滞后扩频数字中频信号；两路超前滞后I、Q正交信号与第五延时缓存207延时输入的扩频数字中频信号进行相乘、相干积分、取幅度值以及误差检测后，形成重建信号与输入扩频信号的相关鉴相；鉴相误差送入码环路滤波器209进行环路滤波后，鉴相误差与第一跟踪环路201的码多普勒频率结合，送入PN码数字控制振荡器NCO210驱动PN码发生器208的码钟，产生第二跟踪环路202的超前码PNE、滞后码PNL和正对码PNP；第一跟踪环路、第二跟踪环路202初始工作时，PN码发生器208的移位寄存器状态由第一跟踪环路201的PN码发生器移位寄存器延时N1Ts后初始注入，其中，Ts为采样时间间隔，N1为延时的采样时间间隔个数。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
不受被调数据符号翻转影响，能够提升相干积分时间。本发明的接收机对输入的扩频中频数字信号进行延时缓存，同时通过传统码环、载波环实现扩频码相位与多普勒频率捕获、扩频码同步、载波同步、位同步环节之后，获得输入的扩频中频数字信号中里被调制扩频的原始数据符号，在第一跟踪环路201获得该扩频信号的信号参数(被调数据符号、码相位、码多普勒频率、载波多普勒频率、载波相位)的基础上，第二跟踪环路202利用第二跟踪环路202与第一跟踪环路201之间码时间延迟、载波时间延迟对扩频信号进行重建恢复，将重建后的扩频信号分路形成超前滞后两路信号，与延时缓存的接收机输入扩频信号通过乘法器、相干积分、取幅值、误差检测操作进行相关延迟鉴别，鉴相误差通过第二跟踪环路202中的环路滤波器、PN码NCO来调整重建信号所采用的扩频码时钟，形成基于重建信号的相关同步跟踪环路。由于第一跟踪环路201获取到了输入的扩频中频数字信号中里被调制扩频的原始数据符号，因而第二跟踪环路202可采用重新扩频调制的重建信号方式避免了传统环路被调制扩频的符号数据翻转带来的Tp与数据符号速率关联的取值限制，即可通过相干积分替代非相干积分减少平方损耗的方式提升处理增益；此外，由于第一跟踪环路201已获得扩频中频数字信号的载波多普勒频率、码多普勒频率，使第二跟踪环路202大幅度减小重建信号相关同步跟踪环路中的环路带宽Bn成为可能。从相干积分替代非相干积分与缩小环路带宽两方面减小环路抖动，实现了环路测距精度的提高。
避免非相干积分平方损耗。本发明在信号重建过程中对接收机输入信号进行了确定时间的延时缓存，通过传统码环、载波环已接收解调被调符号数据，在高精度测距环路中，相干积分时间Tp的取值不再受被调数据符号的随机翻转影响，避免了非相干积分的平方损耗；
由于能够以相干积分完全替代非相干积分，则同步跟踪误差可为
提高了环路测距精度。本发明利用信号重建减少码环路同步跟踪误差，实现高精度测距。
由于信号重建过程中采用的载波多普勒频率、码环多普勒相位是在传统码环、载波环中恢复得到，并通过确定时间的延时应用于重建信号的相关同步跟踪环路，因此，重建信号的相关同步跟踪环路可大幅度减小该环路带宽。通过信号重建实现不受被调数据符号翻转，
以下举例说明测距精度的提升情况，如下表所示。
由表可以看出，在不同输入信噪比条件下，本发明测距环路的测距精度可有效提升；输入信噪比越低，测距精度提升越明显。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明基于传统跟踪环路的扩频测控接收机测距环路原理示意图。
图2是传统扩频测控接收机跟踪环路设计框图。
图中：201第一跟踪环路，202第二跟踪环路，203第一延时缓存，204第二延时缓存，205第三延时缓存，206第四延时缓存，207第五延时缓存，208PN码发生器，209码环环路滤波器，210PN码数字控制振荡器NCO。
具体实施方式
参阅图1。扩频测控接收机测距环路在传统扩频测控接收机第一跟踪环路201基础上增加了一个基于信号重建的第二跟踪环路202，测距值的提取依靠于该环路。主要包括：第一跟踪环路201，第二跟踪环路202，第二跟踪环路202的PN码发生器208在注入初始移位寄存器状态后形成超前半个码片时间1/(2Tc)的PN码PNE与滞后半个码片时间1/(2Tc)的PN码PNL，分别与第一跟踪环路201恢复出的被调数据符号d(t-N0Ts)相乘形成两路超前滞后扩频基带信号，并与第三延时缓存205、第四延时缓存206输出超前滞后载波信号SinE、CosE、SinL、CosL进行相乘运算，形成I、Q互相正交的各两路超前、滞后扩频数字中频信号，其中，Tc为PN码码片时间宽度，SinE为超前1/(2Tc)时间的同相载波信号，CosE为超前1/(2Tc)时间的正交载波信号，SinL为滞后1/(2Tc)时间的同相载波信号，CosL为滞后1/(2Tc)时间的正交载波信号；这两路超前滞后I、Q正交信号与经过第五延时缓存207N3Ts延时的扩频数字中频信号r(t-N3Ts)进行相乘得到iE2、qE2、iL2、qL2，其中，iE2为SinE与r(t-N3Ts)相乘运算结果，qE2为CosE与r(t-N3Ts)相乘运算结果，iL2为SinL与r(t-N3Ts)相乘运算结果，qL2为CosL与r(t-N3Ts)相乘运算结果，第二跟踪环路202对iE2、qE2、iL2、qL2分别进行相干积分，积分时间为Tcoh，Tcoh的取值与被调制扩频的数据符号持续时间不相关，积分结果为IE2、QE2、IL2、QL2，其中，IE2为对iE2相干积分运算结果，QE2为对qE2相干积分运算结果，IL2为对iL2相干积分运算结果，QL2为对qL2相干运算积分结果；之后第二跟踪环路202进行取幅度值操作得到超前支路积分幅度值AE＝|IE2+QE2|和滞后支路积分幅度值AL＝|IL2+QL2|；第二跟踪环路202对AE和AE进行误差检测，形成重建信号与输入扩频信信号的相关鉴相，鉴相误差e＝(AE-AL)/(AE+AL)；鉴相误差e进入码环路滤波器209进行环路滤波，环路滤波后的鉴相误差与第一跟踪环路201的码多普勒频率结合后送入PN码数字控制振荡器NCO 210，驱动PN码发生器208的码钟产生第二跟踪环路202的超前码PNE、滞后码PNL和正对码PNP；第一跟踪环路、第二踪环路202初始工作时，PN码发生器208的移位寄存器状态由第一跟踪环路201的PN码发生器移位寄存器延时N1Ts后初始注入。
为实现信号重建相关处理，第一跟踪环路201需要为第二跟踪环路202提供以下输入要素，(1)被调数据符号的判决输出d(t-N0Ts)，Ts为采样时间间隔，Ts为输入扩频中频数字信号的采样间隔时间；(2)第一跟踪环路201环路滤波器的实时码多普勒频率；(3)第一跟踪环路201需向第一跟踪第二跟踪环路202初始注入当前PN码发生器的移位寄存器状态；(4)第一跟踪环路201的载波NCO的同相、正交两路输出。此外，第二跟踪环路201通过第五延时缓存207对接收机输入端的扩频数字中频信号r(t)进行延时缓存，设定时间延时为N3Ts，该延时体现了接收机扩频数字中频信号输入时刻与重建出与之作相关运算的扩频信号时刻之间的时间延时，延时时间N3Ts可通过对采样时钟计数精确可得。
在各项输入要素中，d(t-N0Ts)中的N0Ts为被调数据符号在第一跟踪环路201中从中频数字信号输入到解调判决输出的处理延时，该延时可通过对采样时钟计数精确可得；第一跟踪环路201环路滤波器的码多普勒频率结果进入第二跟踪环路202后，需进行第一延时缓存203。第一延时缓存203体现了第一跟踪环路201中，从码环同步中码多普勒频率实时输出时刻到被调数据符号的判决输出后，用于重新扩频时刻的时间延时，该延时可通过对采样时钟计数精确可得，设定为N1Ts；第一跟踪环路201的PN码发生器1的码移位寄存器状态初始注入第二跟踪环路202，需进行第二延时缓存204，延时后分别产生超前半个码片和滞后半个码片的载波超前支路与滞后支路，设定的延时时间也为N1Ts；第一跟踪环路201的载波NCO同向、正交输出至第二跟踪环路202，需分别进行第三延时缓存205、第四延时缓存206，该延时体现了第一跟踪环路201中的数字中频载波相位的恢复产生时刻，到其用于第二跟踪环路202中重新调制时刻的时间延时，延时后分别产生超前半个码片和滞后半个码片的PN码超前支路与滞后支路，N3Ts的设定值可通过对采样时钟计数精确可得。由此可见，在第二跟踪环路202中，与第一跟踪环路201关联的输入元素所需延时缓存的时间N0Ts、N1Ts、N2Ts、均精确可得。

Claims (7)

1.一种扩频测控接收机测距环路，包括第一跟踪环路（201），第二跟踪环路（202），其特征在于：第二跟踪环路（202）的PN码发生器（208）在注入初始移位寄存器状态后形成超前半个码片与滞后半个码片的两路PN码，分别与第一跟踪环路（201）恢复出的被调数据符号d(t-N0Ts)相乘，形成两路超前滞后扩频基带信号，并与第三延时缓存（205）、第四延时缓存（206）输出超前滞后载波信号进行相乘运算，形成I、Q正交的各两路超前、滞后扩频数字中频信号；两路超前滞后I、Q正交信号与第五延时缓存（207）延时输入的扩频数字中频信号进行相乘、相干积分、取幅度值以及误差检测后，形成重建信号与输入扩频信号的相关鉴相；鉴相误差送入码环路滤波器209进行环路滤波后，鉴相误差与第一跟踪环路（201）的码多普勒频率结合，送入PN码数字控制振荡器NCO（210）驱动PN码发生器（208）的码钟，产生第二跟踪环路（202）的超前码PNE、滞后码PNL和正对码PNP；第一跟踪环路、第二跟踪环路（202）初始工作时，PN码发生器（208）的移位寄存器状态由第一跟踪环路（201）的PN码发生器移位寄存器延时N1Ts后初始注入，其中，Ts为采样时间间隔，N0、N1为延时的采样时间间隔个数，t为在各项输入要素中，第一跟踪环路（201）中从中频数字信号输入到解调判决输出的处理延时的时刻，是时间t的函数。
2.如权利要求1所述的扩频测控接收机测距环路，其特征在于：第一跟踪环路（201）为第二跟踪环路（202）提供如下输入要素，1）被调数据符号的判决输出被调数据符号d(t-N0Ts) ， 2）第一跟踪环路（201）环路滤波器的实时码多普勒频率；3）第一跟踪环路（201）向第一跟踪第二跟踪环路（202）初始注入当前PN码发生器的移位寄存器状态；4）第一跟踪环路（201）的载波NCO的同相、正交两路输出。
3.如权利要求1所述的扩频测控接收机测距环路，其特征在于：第一跟踪环路（201）环路滤波器的码多普勒频率结果进入第二跟踪环路（202）后，进行第一延时缓存。
4.如权利要求1所述的扩频测控接收机测距环路，其特征在于：第一跟踪环路（201）的PN码发生器的码移位寄存器状态初始注入第二跟踪环路（202），进行第二延时缓存，延时后分别产生超前半个码片和滞后半个码片的载波超前支路与滞后支路，设定的延时时间也为N1Ts。
5.如权利要求1所述的扩频测控接收机测距环路，其特征在于：第一跟踪环路（201）的载波NCO同向、正交输出至第二跟踪环路（202），分别进行第三延时缓存、第四延时缓存，该延时体现了第一跟踪环路（201）中的数字中频载波相位的恢复产生时刻。
6.如权利要求1所述的扩频测控接收机测距环路，其特征在于：第二跟踪环路（202）重新调制时刻的时间延时，延时后分别产生超前半个码片和滞后半个码片的PN码超前支路与滞后支路。
7.如权利要求1所述的扩频测控接收机测距环路，其特征在于：扩频测控接收机测距环路在传统扩频测控接收机第一跟踪环路（201）基础上增加了一个基于信号重建的第二跟踪环路（202），测距值的提取依靠于该环路。
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