CN106936469A - 一种抗单音干扰的统一载波测控信号捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种抗单音干扰的统一载波测控信号捕获方法，包括以下步骤：计算基带信号能量中心坐标k_c，根据基带信号的正弦副载波的调相指数m_f，计算基带信号的对称中心k_c'；若k_c'≠k_c，进行如下判断：当1.4≤m_f＜2时，选取出信号频谱幅值的平方E(k)最大的6根谱线；当m_f＜1.4时，则选出最大的4根谱线；剔除疑似单音干扰，直至剔除后的谱线满足对称性为止；频谱对称中心的频率值即为载波频率，实现信号捕获。发明利能够实现单音干扰下目标信号主载波的成功捕获，相比传统能量中心算法，提高了捕获方法抗单音干扰性能。

Description

一种抗单音干扰的统一载波测控信号捕获方法

技术领域

本发明涉及一种抗单音干扰的统一载波测控信号捕获方法，特别适用于有抗单音干扰要求的捕获，属于航天测控通信技术领域。

背景技术

统一载波测控体制由于具有在一个主载波上通过调相调制多个测控通信副载波的特点，实现了跟踪测轨、遥测、遥控、测速和测距等通信功能，完成了多种测控使命，在航天测控通信中被广泛应用。信号的同步是实现信号解调的基础，而信号的捕获则是信号的粗同步过程，是实现信号精确同步的前提。根据信号调制特点，统一载波测控系统信号捕获的关键是对主载波进行捕获。

早期比较成熟的统一载波测控系统如美国的Apollo登月系统和我国的统一S波段(USB)测控系统采用的是频率扫描捕获方法，该捕获方法对多普勒进行搜索，搜索步进受限于环路滤波器带宽，扫描速度慢，捕获时间长。随着数字信号处理技术发展，信号的频谱特性得到更多关注，用来提高信号捕获性能。统一载波测控信号的频谱特性有两方面：一是调制度决定了信号能量的分配，调制度越大主载波能量越小，副载波能量越大；二是副载波信号都关于主载波呈对称分布。调制度小于1.4时调制信号的谱峰位于主载波处，可利用判最大值法对主载波进行捕获，但在大调制度下时不再适用。基于判频谱对称性的伪对称点最小误差判定法可以不受调制度的影响，但是算法需要对多普勒范围内的频点逐一判定对称性，计算量巨大，不利于工程实现。基于频谱能量中心的捕获方法计算量适中，但是只有在载波能量中心和频谱对称中心一致的前提下适用，当存在干扰时该前提不成立。

目前统一载波测控体制处于军、商共用状态，技术体制公开，大部分卫星不具备抗干扰能力；且采用统一载波测控体制航天器的测控天线采用宽波束天线，无法实现空间过滤，极易受到干扰，造成信号捕获的误捕。其中人为的单音干扰是一种易于产生、干扰性强的压制式干扰。一旦单音干扰信号功率大于系统的抗干扰容限，系统捕获性能会急剧恶化，捕获时间延长、虚警概率增加，无法正确捕获到信号。所以研究具有单音干扰抑制功能的捕获算法很具实际意义。

发明内容

本发明提供一种抗单音干扰的统一载波测控系统捕获方法，该方法利用了能量中心和对称中心的位置关系确认单音干扰是否存在，在单音干扰存在的情况下，充分考虑测控信号调制度、幅值特性，依次对疑似单音干扰存在的频点进行判决和剔除，在判定单音干扰同时得到残余载波频点位置，进而实现主载波的捕获。

实现本发明的技术方案如下：

一种抗单音干扰的统一载波测控信号捕获方法，包括以下步骤：

步骤一：对输入的基带信号做N点快速傅里叶变换，再进行模平方得到信号频谱幅值的平方E(k)，其中k为频点的坐标；然后计算信号能量中心坐标k_c；

步骤二：对基带信号的正弦副载波的调相指数m_f进行判断，当1.4＜m_f＜2时，直接选取出E(k)最大的2根谱线的坐标k₁和k₂，计算对称中心k_c'＝(k₁+k₂)/2；当m_f＜1.4时，则选出最大的1根谱线的坐标作为k_c'；

步骤三：若k_c'＝k_c，k_c就是主载波的位置，进入步骤六；若k_c'≠k_c，进行步骤四；

步骤四：当1.4≤m_f＜2时，选取出E(k)最大的6根谱线，记录下坐标为p₁～p₆；当m_f＜1.4时，则选出最大的4根谱线，记录下坐标为p₁～p₄；设i的初始值为1；

步骤五：假定坐标p_i处为疑似单音干扰，从频谱上剔除，判决剔除后的谱线是否满足对称性：若满足，输出干扰频点的频谱，进入步骤六；若不满足，令i＝i+1重复步骤五，直到满足对称性为止；

步骤六：频谱对称中心的频率值即为载波频率，实现信号捕获。

进一步地，本发明所述对称性的判决条件如下：

若m_f＜1.4，针对剔除疑似单音干扰后的3个频点按频率进行排序，分别记为p_min、p_median、p_max：第一，用最大值p_max和最小值p_min计算出中值(p_min+p_max)/2，比较其与中间值p_median是否一致；第二，比较E(p_min)和E(p_max)值是否近似相等；同时满足以上两个条件，则认为满足对称性；

若1.4≤m_f＜2，针对剔除疑似单音干扰后的5个频点按频率进行排序，分别记为p_min、p_{sub_min}、p_median、p_{sub_max}、p_max：第一，用最大值p_max和最小值p_min计算出中值p_{estimate_1}＝(p_min+p_max)/2，再用次大值p_{sub_min}和次小值p_{sub_max}计算出中值p_{estimate_2}＝(p_{sub_min}+p_{sub_max})/2，比较p_{estimate_1}、p_{estimate_2}和p_median三者是否一致；第二，比较E(p_min)和E(p_max)、E(p_{sub_min})和E(p_{sub_max})的值是否分别近似相等；同时满足以上两个条件，则认为满足对称性。

有益效果

首先，本发明是基于能量中心的一种算法，所以它继承了该类算法对调制度的鲁棒性强的优势，相比最大值检测算法，本发明在大调制度下同样适用，相比伪对称点最小误差判定法，计算量小，实时性高。

其次，统一载波测控信号频谱具有对称性，单音干扰会破坏该对称性，本发明利用这一特点对单音干扰进行检测和消除，能够实现单音干扰下目标信号主载波的成功捕获，相比传统能量中心算法，提高了捕获算法抗单音干扰性能。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明进行详细说明。

下面对本发明的设计原理进行阐述：

以上行链路信号为例，副载波为一个测距码和一个正弦波。在单音干扰和高斯白噪声影响下，输入的基带信号可表示为：

s(t)＝A cos[ω_ct+bc(t)+m_f sinω_mt]+j(t)+v(t) (1)

其中，A为载波幅度；ω_c为载波角频率；b为测距码对载波的调相指数；c(t)为码波形，取值为±1；m_f为正弦副载波的调相指数，取值范围为0～2rad；ω_m为正弦副载波的角频率；j(t)＝A_j cos(ω_jt)为单音干扰信号，此处只考虑一个频点的单音干扰，A_j为单音干扰幅值，ω_j为单音干扰角频率；v(t)为高斯白噪声。

因为测距码具有扩频特性，频谱湮没在噪声中，对判断对称性没有影响，所以此处令b＝0，看作没有测距码调制，以简化信号(1)形式。

s(t)＝A cos[ω_ct+m_f sinω_mt]+j(t)+v(t) (2)

将式(2)展开得到

式中J_n(m_f)为变量m_f的第n阶贝塞尔函数；

对式(3)做傅里叶变换，得到信号的频域表达式为：

由式(4)可知，信号频谱由载波分量ω_c和无数边频分量ω_c±nω_m组成。其中n＝0时只有载波分量ω_c，幅值为AJ₀(m_f)；当n≠0时，边频分量ω_c±nω_m对称分布在载波两侧，幅度为AJ_n(m_f)，相邻边频之间的间隔为ω_m，所以USB信号频谱存在对称性。

贝塞尔函数的性质，当n＞m_f时，J_n(m_f)的值迅速下降，所以当调制度m_f≤1时，只考虑n＝1的边频分量；当m_f＞1时，取边频数

基于上述USB信号的频谱特性，本发明提出一种抗单音干扰的统一载波测控信号捕获方法，包括以下步骤：

步骤一：对输入的基带信号做N点快速傅里叶变换(FFT)，再进行模平方得到信号频谱幅值的平方E(k)，其中k为频点的坐标。

根据公式(5)算出信号能量中心坐标k_c。

步骤二：对基带信号的正弦副载波的调相指数m_f进行判断，当1.4＜m_f＜2时，峰值为第一边频的一对副载波，所以直接选取出幅值E(k)最大的2根谱线的坐标k₁和k₂，计算对称中心k_c'＝(k₁+k₂)/2；当m_f＜1.4时，峰值为主载波，则选出最大的1根谱线的坐标作为k_c'。

步骤三：比较k_c是否等于k_c'，若k_c'＝k_c，则说明没有单音干扰存在，或者单音干扰功率较小，对载波的捕获没有影响，且k_c就是主载波的位置，进入步骤六；若k_c'≠k_c，则说明有单音干扰存在，需要进行干扰检测和剔除，进入步骤四。

步骤四：当1.4＜m_f＜2时，选取出E(k)最大的6根谱线，记录下坐标为p₁～p₆，按照频点从小到大排列；当m_f＜1.4时，则选出最大的4根谱线的坐标记为p₁～p₄，按照频点从小到大排列；

当n＞m_f时，J_n(m_f)的值迅速下降，所以当调制度m_f≤1时，只考虑n＝1的边频分量，因此所选择的谱线数4＝(主载波+n对边频副载波+单音干扰)＝1+n×2+1)；当1＜m_f＜2时，取边频数因此所选择的谱线数6＝1+n×2+1。

步骤五：假定坐标p_i处为疑似单音干扰，从频谱上剔除，判决剔除后的谱线是否满足对称性：若满足，则认为剔除的p_i为真实的干扰频点，剔除单音干扰成功，输出干扰频点的频谱，进行步骤六；若不满足，令i＝i+1重复步骤五，直到满足对称性为止。

其中对称性的判决条件有两点，若m_f＜1.4，针对剔除疑似单音干扰后的3个频点进行排序，分别记为p_min、p_median、p_max：第一，用最大值p_max和最小值p_min计算出中值(p_min+p_max)/2，比较其与中间值p_median是否一致；第二，比较E(p_min)和E(p_max)值是否近似相等，即两者之间差值的绝对小于设定的阈值；同时满足以上两个条件，则认为满足对称性。

若1.4≤m_f＜2，针对剔除疑似单音干扰后的5个频点按频率进行排序，分别记为p_min、p_{sub_min}、p_median、p_{sub_max}、p_max：第一，用最大值p_max和最小值_pmin计算出估计的中值p_{estimate_1}＝(p_min+p_max)/2，再用p_{sub_m}和p_{sub_max}计算出p_{estimate_2}＝(p_{sub_min}+p_{sub_max})/2，比较p_{estimate_1}、p_{estimate_2}和p_median三者是否一致；第二，比较E(p_min)和E(p_max)、E(p_{sub_min})和E(p_{sub_max})的值是否分别近似相等；同时满足以上两个条件，则认为满足对称性。

步骤六：此时对称中心的频率值即载波频率，输出对称中心和捕获成功标志。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种抗单音干扰的统一载波测控信号捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：对输入的基带信号做N点快速傅里叶变换，再进行模平方得到信号频谱幅值的平方E(k)，其中k为频点的坐标；然后计算信号能量中心坐标k_c；

步骤二：对基带信号的正弦副载波的调相指数m_f进行判断，当1.4＜m_f＜2时，直接选取出E(k)最大的2根谱线的坐标k₁和k₂，计算对称中心k_c'＝(k₁+k₂)/2；当m_f＜1.4时，则选出最大的1根谱线的坐标作为k_c'；

步骤三：若k_c'＝k_c，进入步骤六；若k_c'≠k_c，进入步骤四；

步骤四：当1.4≤m_f＜2时，选取出E(k)最大的6根谱线，记录下坐标为p₁～p₆；当m_f＜1.4时，则选出最大的4根谱线，记录下坐标为p₁～p₄；设i的初始值为1；

步骤五：假定坐标p_i处为疑似单音干扰，从频谱上剔除，判决剔除后的谱线是否满足对称性：若满足，输出干扰频点的频谱，进入步骤六；若不满足，令i＝i+1重复步骤五，直到满足对称性为止；

步骤六：将频谱对称中心的频率值确定为载波频率，实现信号捕获。

2.根据权利要求1所述抗单音干扰的统一载波测控信号捕获方法，其特征在于，所述对称性的判决条件如下：

若m_f＜1.4，针对剔除疑似单音干扰后的3个频点按频率进行排序，分别记为p_min、p_median、p_max：第一，用最大值p_max和最小值p_min计算出中值(p_min+p_max)/2，比较其与中间值p_median是否一致；第二，比较E(p_min)和E(p_max)值是否近似相等；同时满足以上两个条件，则认为满足对称性；

若1.4≤m_f＜2，针对剔除疑似单音干扰后的5个频点按频率进行排序，分别记为p_min、p_{sub_min}、p_median、p_{sub_max}、p_max：第一，用最大值p_max和最小值p_min计算出中值p_{estimate_1}＝(p_min+p_max)/2，再用次大值p_{sub_min}和次小值p_{sub_max}计算出中值p_{estimate_2}＝(p_{sub_min}+p_{sub_max})/2，比较p_{estimate_1}、p_{estimate_2}和p_median三者是否一致；第二，比较E(p_min)和E(p_max)、E(p_{sub_min})和E(p_{sub_max})的值是否分别近似相等；同时满足以上两个条件，则认为满足对称性。

3.根据权利要求1所述抗单音干扰的统一载波测控信号捕获方法，其特征在于，所述信号能量中心坐标k_c为

$k_c=\frac{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}E\left(k\right)k}{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}E\left(k\right)}.$