CN108072883A - 一种多航天器兼容互操作的信号多模接收锁定处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多航天器兼容互操作的信号多模接收锁定处理方法，针对多模卫星信号兼容问题，以及多卫星信号快速捕获接收锁定方法进行了深入分析，设计了包含码相位以及多普勒估计两方面的搜索任务、基于FFT‑IFFT的捕获算法、FFT时分复用、捕获判决、载波环和码环相互嵌套的跟踪环路、锁相环和锁频环相结合的载波跟踪环、数据处理器对各通道信号进行跟踪控制、卫星信号解算等步骤，满足多卫星兼容互操作的需求，快速捕获锁定多卫星信号，并且在进行卫星信号跟踪锁定时，载波环采用锁频环辅助锁相环跟踪环路，避免了因单一锁相环难以跟踪频率过快的信号导致难以锁定。
Description
技术领域
本发明涉及一种多航天器兼容互操作的信号多模接收锁定处理方法，属于卫星通信技术领域。
背景技术
随着空间技术的不断发展，结合卫星和通信技术，利用外太空飞行的通信卫星所提供的数据来进行对控制、测量、定位和管理等功能，已在世界各国各领域、各行业内得到了普遍的运用。卫星通信不仅满足了不同军事领域的要求，其带来的经济价值亦方便了企业和人们的生活，是国家国防和经济基础的重要决定因素。
目前世界各国和地区都在大力发展自己的卫星通信系统，我国的卫星通信系统也已经进入组网阶段，全球各个卫星通信系统竞争也越来越激烈，多个通信系统相互兼容应用使得系统兼容与互操作成为未来卫星接收机发展的重要趋势。由于卫星是在太空中环绕地球飞行，地面接收机可同时观测到各个系统的各颗卫星。为了充分利用有效的卫星资源，如何融合各大卫星系统，实现多航天器信号兼容、互操作性及信号接收和跟踪锁定也引起了世界各国的普遍关注。兼容主要体现在多个航天器系统的射频信号上，另外，多个系统间要尽可能地实现用户层面的互操作性。捕获过程主要任务是完成码相位和载波频率初步搜索。捕获任务完成后，码相位和载波频率都被估计到一定范围之内，于是信号处理转入跟踪锁定处理阶段。卫星信号跟踪环路由码跟踪环路和载波跟踪环路互相嵌套而成，同时完成解扩和去载波的功能。
如何对多通道信号实现快速准确捕获，同时考虑捕获算法的捕获速度、灵敏度，还要考虑算法复杂度和硬件逻辑资源的占用率；如何更准确估算码相位和载波信息；如何准确锁定卫星信号，并且失锁概率低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种多航天器兼容互操作的信号多模接收锁定处理方法，解决了多信号兼容互操作问题，实现了多模信号的快速捕获锁定。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种多航天器兼容互操作的信号多模接收锁定处理方法，包括如下步骤：
步骤A.针对复用的多通道卫星基带信号进行捕获；
步骤B.采用傅里叶-逆傅里叶快捕算法，针对多通道卫星基带信号进行进一步捕获，并结合判决器中的预设判决门限，获得卫星信号的载波频率与码相位；
步骤C.针对所获卫星信号的载波频率，采用锁相环与锁频环相结合的载波跟踪环路对卫星信号的载波相位进行跟踪锁定，更新卫星信号的载波频率；
同时，采用由延迟锁相环构成的码跟踪环路，针对所获卫星信号的码相位进行处理，保证本地伪码与接收信号的伪码相位一致，获得卫星信号的伪距测量值，以及更新卫星信号的码相位；
步骤D.针对载波跟踪环路与码跟踪环路的参数进行配置与监控，求解获得卫星信号载波频率控制字和卫星信号码频率控制字，完成多航天器卫星信号所对应跟踪环路的处理。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤A包括如下步骤A1至步骤A2；
步骤A1.针对复用的多通道卫星基带信号进行捕获，并针对多通道卫星基带信号，根据如下公式：
若S1(t)与S2(t)表示同一卫星基带信号，则获得卫星基带信号在积分区间[0,Ts]的自相关值R(τ)；若S1(t)与S2(t)表示非同一卫星基带信号，则获得卫星基带信号在积分区间[0,Ts]的互相关值R(τ)；其中，卫星基带信号S1(t+τ)表示卫星基带信号S1(t)的延迟；
步骤A2.针对R(τ)进行判断，若R(τ)上存在一个尖峰，则该尖峰表示天线接收的卫星基带信号中存在该PRN伪码调制的信号，同时该尖峰所在的位置也表明对应的伪码相位与多普勒频率，即完成多通道卫星基带信号的捕获，并进入步骤B；否则重新捕获。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤B包括如下步骤：
步骤B1.针对捕获的多通道卫星基带信号S(t)，通过与本地载波的同相分量和正交分量混频，获得两路正交的I、Q信号SI(t)、SQ(t)，其表征如下：
其中，ωIF和Δω分别表示基带载波相位变化率和相移变化偏量；
步骤B2.将本地伪码发生器的输出C(t)设为本地信号SL(t)，经过相关器完成载波剥离，输出如下所示：
则积分器输出的相关结果分别如下：
步骤B3.针对积分器所输出的相关结果取复数，经LPF滤波后做傅里叶变换得到S(f)，本地伪码傅里叶变换并取共轭的结果为S(f)*，二者求乘积，并取傅里叶反变换得到相关结果；
步骤B4.针对相关结果进行取模判决，若存在超过阈值强度的尖峰，即大于判决器中的预设判决门限，则判定实现了信号捕获，其中，载波频率即接收信号所在的载波频率，码相位即尖峰对应的位置，进而获得卫星信号的载波频率与码相位，然后进入步骤C；若不存在超过阈值强度的尖峰，则判定没有实现信号捕获，返回步骤A。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤C中，针对所获卫星信号的载波频率，采用锁相环与锁频环相结合的载波跟踪环路对卫星信号的载波相位进行跟踪锁定，其中，采用锁相环针对卫星信号的载波相位进行锁定，同时采用锁频环保持卫星信号载波频率与本地载波频率同步，由此针对卫星信号的载波相位进行跟踪锁定，更新卫星信号的载波频率。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤C中，针对所获卫星信号的载波频率，采用载波跟踪环路对卫星信号的载波相位进行跟踪锁定，更新卫星信号的载波频率，包括如下步骤：
步骤C1-1.设输出信号和输入信号的频率相同，且输出信号与输入信号之间存在相位差，如下式所示：
Si(t)＝sin(2πfit+θi)＝sin(2πft+θi)
S0(t)＝cos(2πf0t+θ0)＝sin(2πft+θ0)
步骤C1-2.通过鉴相器计算输入输出信号的相位差θe，其输出E(t)是关于θe的函数如下：
θe＝θi-θ0
步骤C1-3.经过低通特性的环路滤波器滤除高频相，获得环路滤波器的输出信号V(t)，如下式所示：
V(t)＝Ktpsinθe
其中，Ktp为环路滤波器的增益系数；
步骤C1-4.以V(t)作为压控振荡器的输入，调节VCO的输出角频率，则其输出的频率变化率与输入电压呈正比，如下式所示：
其中，Kvco表示调节VCO的输出角频率，ω0(t)为输出信号S0(t)的瞬时角频率，对角频率在预设时间上进行积分，获得相位的变化量，进而获得初始相位的变化量如式所示：
执行上述步骤C1-1至步骤C1-4的同时，采用与上述步骤C1-1至步骤C1-4同样的方式，通过锁频环保持卫星信号载波频率与本地载波频率同步；
由此采用由锁相环与锁频环相结合的载波跟踪环路对卫星信号的载波相位进行跟踪锁定，更新卫星信号的载波频率。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤C中，针对所获卫星信号的载波频率，采用二阶锁相环与三阶锁频环相结合的载波跟踪环路对卫星信号的载波相位进行跟踪锁定，其中，采用二阶锁相环针对卫星信号的载波相位进行锁定，同时采用三阶锁频环保持卫星信号载波频率与本地载波频率同步，由此针对卫星信号的载波相位进行跟踪锁定，更新卫星信号的载波频率。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤D中，针对载波跟踪环路与码跟踪环路的参数进行配置与监控，采用CORDIC算法求解获得卫星信号载波频率控制字和卫星信号码频率控制字，完成多航天器卫星信号所对应跟踪环路的处理。
本发明所述一种多航天器兼容互操作的信号多模接收锁定处理方法的应用系统，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明所设计多航天器兼容互操作的信号多模接收锁定处理方法，针对多模卫星信号兼容问题，以及多卫星信号快速捕获接收锁定方法进行了深入分析，设计了包含码相位以及多普勒估计两方面的搜索任务、基于FFT-IFFT的捕获算法、FFT时分复用、捕获判决、载波环和码环相互嵌套的跟踪环路、锁相环和锁频环相结合的载波跟踪环、数据处理器对各通道信号进行跟踪控制、卫星信号解算等步骤，满足多卫星兼容互操作的需求，快速捕获锁定多卫星信号，并且在进行卫星信号跟踪锁定时，载波环采用锁频环辅助锁相环跟踪环路，避免了因单一锁相环难以跟踪频率过快的信号导致难以锁定。
附图说明
图1是本发明多航天器兼容互操作的信号多模接收锁定处理方法的流程示意图；
图2是傅里叶-逆傅里叶快捕算法的原理图；
图3是载波跟踪锁相环结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明的技术解决问题是：针对卫星接收机快捕与跟踪锁定技术并融合多卫星不受制于一个系统的问题，设计一种用于解决多航天器兼容互操作的信号多模接收锁定处理方法，该方法通过共用中心频率以及频谱重叠来实现兼容和互操作，利用FFT-IFFT捕获算法对卫星信号进行快速捕捉，对所有可见卫星信号的载波频率和码相位值进行大概的估算；再根据估算出的信号参数进行跟踪环路初始化，进而通过接收通道开始进行信号的追踪活动。信号锁定通过锁相环和锁频环相结合的载波环跟踪方式实现对卫星信号的锁定；码跟踪环路选用延迟锁相环，其根据伪随机码的自相关特性，计算出本地伪码和接收到的伪码的相位差；在数字处理器中利用CORDIC算法计算，最终计算得到载波频率控制字及码频率控制字，完成整个跟踪环路处理。
如图1所示，本发明设计了一种多航天器兼容互操作的信号多模接收锁定处理方法，其中，信号捕获可以看作在多普勒频移和码相位组成的平面内进行二维搜索，快捕算法对粗捕得到的卫星信号进行进一步解析，实际应用当中，具体包括如下步骤：
步骤A.采用如下步骤A1至步骤A2，针对复用的多通道卫星基带信号进行捕获。
步骤A1.针对复用的多通道卫星基带信号进行捕获，并针对多通道卫星基带信号，根据如下公式：
若S1(t)与S2(t)表示同一卫星基带信号，则获得卫星基带信号在积分区间[0,Ts]的自相关值R(τ)；若S1(t)与S2(t)表示非同一卫星基带信号，则获得卫星基带信号在积分区间[0,Ts]的互相关值R(τ)；其中，卫星基带信号S1(t+τ)表示卫星基带信号S1(t)的延迟；
步骤A2.针对R(τ)进行判断，若R(τ)上存在一个尖峰，则该尖峰表示天线接收的卫星基带信号中存在该PRN伪码调制的信号，同时该尖峰所在的位置也表明对应的伪码相位与多普勒频率，即完成多通道卫星基带信号的捕获，并进入步骤B；否则，即没有明显的尖峰,该PRN伪码调制的信号要么不存在，要么强度太微弱没有达到预设的门限，则重新捕获。
步骤B.基于图2所示，采用傅里叶-逆傅里叶快捕算法，针对多通道卫星基带信号进行进一步捕获，并结合判决器中的预设判决门限，获得卫星信号的载波频率与码相位；具体包括如下步骤B1至步骤B4.
步骤B1.针对捕获的多通道卫星基带信号S(t)，通过与本地载波的同相分量和正交分量混频，获得两路正交的I、Q信号SI(t)、SQ(t)，其表征如下：
其中，ωIF和Δω分别表示基带载波相位变化率和相移变化偏量；
步骤B2.将本地伪码发生器的输出C(t)设为本地信号SL(t)，经过相关器完成载波剥离，输出如下所示：
则积分器输出的相关结果分别如下：
步骤B3.针对积分器所输出的相关结果取复数，经LPF滤波后做傅里叶变换得到S(f)，本地伪码傅里叶变换并取共轭的结果为S(f)*，二者求乘积，并取傅里叶反变换得到相关结果；
步骤B4.针对相关结果进行取模判决，若存在超过阈值强度的尖峰，即大于判决器中的预设判决门限，则判定实现了信号捕获，其中，载波频率即接收信号所在的载波频率，码相位即尖峰对应的位置，进而获得卫星信号的载波频率与码相位，然后进入步骤C；若不存在超过阈值强度的尖峰，则判定没有实现信号捕获，返回步骤A。
由傅里叶-逆傅里叶快捕算法快速捕获得的信号中，得到载波频率和伪码相位的粗略估计值，需要在接下来的跟踪环节得到稳定、精度更高的载波频率和码相位值，进一步完成解调等后续处理，其中，跟踪环路包括载波跟踪环路和码跟踪环路。
步骤C.针对所获卫星信号的载波频率，采用二阶锁相环与三阶锁频环相结合的载波跟踪环路对卫星信号的载波相位进行跟踪锁定，其中，采用二阶锁相环针对卫星信号的载波相位进行锁定，同时采用三阶锁频环保持卫星信号载波频率与本地载波频率同步，由此针对卫星信号的载波相位进行跟踪锁定，使相位误差为0或保持恒定的值，更新卫星信号的载波频率。基于图3所示，具体包括如下步骤：
步骤C1-1.设输出信号和输入信号的频率相同，且输出信号与输入信号之间存在相位差，如下式所示：
Si(t)＝sin(2πfit+θi)＝sin(2πft+θi)
S0(t)＝cos(2πf0t+θ0)＝sin(2πft+θ0)
步骤C1-2.通过鉴相器计算输入输出信号的相位差θe，其输出E(t)是关于θe的函数如下：
θe＝θi-θ0
步骤C1-3.经过低通特性的环路滤波器滤除高频相，获得环路滤波器的输出信号V(t)，如下式所示：
V(t)＝Ktpsinθe
其中，Ktp为环路滤波器的增益系数；
步骤C1-4.以V(t)作为压控振荡器的输入，调节VCO的输出角频率，则其输出的频率变化率与输入电压呈正比，如下式所示：
其中，Kvco表示调节VCO的输出角频率，ω0(t)为输出信号S0(t)的瞬时角频率，对角频率在预设时间上进行积分，获得相位的变化量，进而获得初始相位的变化量如式所示：
由此可知，只要输出信号和输入信号两者存在相位差，根据相位误差滤波值调整VCO输出信号的相位一致，则输出信号与输入信号时刻保持相位一致。
由于在高动态的运动载体上，存在严重的多普勒现象，接收到的载波频率也剧烈变化，为保持卫星信号载波频率与本地载波频率同步，则纳入锁频环路来解决。锁频环与锁相环结构与组成部分大致相同，最主要的区别在于锁频环对误差的鉴别方法由鉴频器完成。
因此，执行上述步骤C1-1至步骤C1-4的同时，采用与上述步骤C1-1至步骤C1-4同样的方式，通过三阶锁频环保持卫星信号载波频率与本地载波频率同步。
由此采用由二阶锁相环与三阶锁频环相结合的载波跟踪环路对卫星信号的载波相位进行跟踪锁定，更新卫星信号的载波频率。
对于环路初始的工作状态由于频差比较大，此时锁频环起主要作用，环路处于频率牵引阶段。当本地载波频率逐步被调整到趋近于输入信号的载波频率时，频率误差很小，此时锁相环起主要作用，环路进入稳定跟踪状态。这时若引起频率阶跃或频率斜升激励施加于环路上，锁频环输出比较大的误差并又将起到主要作用，直到将本地载波与输入信号调整到大致相同的时候，锁相环再次起主要作用。
同时，采用由延迟二阶锁相环构成的码跟踪环路，针对所获卫星信号的码相位进行处理，保证本地伪码与接收信号的伪码相位一致，获得卫星信号的伪距测量值，以及更新卫星信号的码相位，其中，鉴相器鉴相法采用归一化超前滞后幅值法，算法计算码相位差de如下式所示：
式中，IE与QE，IL与QL分别表示超前码、滞后码的同相正交相关分量，平方根算法比较复杂，可以采用近似算法得到：
如果要判断卫星信号是否发生失锁，需要对之前若干个历元的即时码同相正交相关累加幅值进行统计分析，得到信号连续的跟踪状态，并与当前历元的即使码同相正交相关累加幅值进行对比，就可以判断出卫星信号在当前历元下的状态。
步骤D.针对载波跟踪环路与码跟踪环路的参数进行配置与监控，采用CORDIC算法求解获得卫星信号载波频率控制字和卫星信号码频率控制字，完成多航天器卫星信号所对应跟踪环路的处理。
上述技术方案所设计多航天器兼容互操作的信号多模接收锁定处理方法，针对多模卫星信号兼容问题，以及多卫星信号快速捕获接收锁定方法进行了深入分析，设计了包含码相位以及多普勒估计两方面的搜索任务、基于FFT-IFFT的捕获算法、FFT时分复用、捕获判决、载波环和码环相互嵌套的跟踪环路、锁相环和锁频环相结合的载波跟踪环、数据处理器对各通道信号进行跟踪控制、卫星信号解算等步骤，满足多卫星兼容互操作的需求，快速捕获锁定多卫星信号，并且在进行卫星信号跟踪锁定时，载波环采用锁频环辅助锁相环跟踪环路，避免了因单一锁相环难以跟踪频率过快的信号导致难以锁定。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变动。
Claims (7)
1.一种多航天器兼容互操作的信号多模接收锁定处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A.针对复用的多通道卫星基带信号进行捕获；
步骤B.采用傅里叶-逆傅里叶快捕算法，针对多通道卫星基带信号进行进一步捕获，并结合判决器中的预设判决门限，获得卫星信号的载波频率与码相位；
步骤C.针对所获卫星信号的载波频率，采用锁相环与锁频环相结合的载波跟踪环路对卫星信号的载波相位进行跟踪锁定，更新卫星信号的载波频率；
同时，采用由延迟锁相环构成的码跟踪环路，针对所获卫星信号的码相位进行处理，保证本地伪码与接收信号的伪码相位一致，获得卫星信号的伪距测量值，以及更新卫星信号的码相位；
步骤D.针对载波跟踪环路与码跟踪环路的参数进行配置与监控，求解获得卫星信号载波频率控制字和卫星信号码频率控制字，完成多航天器卫星信号所对应跟踪环路的处理。
2.根据权利要求1所述的多航天器兼容互操作的信号多模接收锁定处理方法，其特征在于，所述步骤A包括如下步骤A1至步骤A2；
步骤A1.针对复用的多通道卫星基带信号进行捕获，并针对多通道卫星基带信号，根据如下公式：
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若S1(t)与S2(t)表示同一卫星基带信号，则获得卫星基带信号在积分区间[0,Ts]的自相关值R(τ)；若S1(t)与S2(t)表示非同一卫星基带信号，则获得卫星基带信号在积分区间[0,Ts]的互相关值R(τ)；其中，卫星基带信号S1(t+τ)表示卫星基带信号S1(t)的延迟；
步骤A2.针对R(τ)进行判断，若R(τ)上存在一个尖峰，则该尖峰表示天线接收的卫星基带信号中存在该PRN伪码调制的信号，同时该尖峰所在的位置也表明对应的伪码相位与多普勒频率，即完成多通道卫星基带信号的捕获，并进入步骤B；否则重新捕获。
3.根据权利要求1所述的多航天器兼容互操作的信号多模接收锁定处理方法，其特征在于，所述步骤B包括如下步骤：
步骤B1.针对捕获的多通道卫星基带信号S(t)，通过与本地载波的同相分量和正交分量混频，获得两路正交的I、Q信号SI(t)、SQ(t)，其表征如下：
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其中，ωIF和Δω分别表示基带载波相位变化率和相移变化偏量；
步骤B2.将本地伪码发生器的输出C(t)设为本地信号SL(t)，经过相关器完成载波剥离，输出如下所示：
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则积分器输出的相关结果分别如下：
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步骤B3.针对积分器所输出的相关结果取复数，经LPF滤波后做傅里叶变换得到S(f)，本地伪码傅里叶变换并取共轭的结果为S(f)*，二者求乘积，并取傅里叶反变换得到相关结果；
步骤B4.针对相关结果进行取模判决，若存在超过阈值强度的尖峰，即大于判决器中的预设判决门限，则判定实现了信号捕获，其中，载波频率即接收信号所在的载波频率，码相位即尖峰对应的位置，进而获得卫星信号的载波频率与码相位，然后进入步骤C；若不存在超过阈值强度的尖峰，则判定没有实现信号捕获，返回步骤A。
4.根据权利要求1所述的多航天器兼容互操作的信号多模接收锁定处理方法，其特征在于，所述步骤C中，针对所获卫星信号的载波频率，采用锁相环与锁频环相结合的载波跟踪环路对卫星信号的载波相位进行跟踪锁定，其中，采用锁相环针对卫星信号的载波相位进行锁定，同时采用锁频环保持卫星信号载波频率与本地载波频率同步，由此针对卫星信号的载波相位进行跟踪锁定，更新卫星信号的载波频率。
5.根据权利要求4所述的多航天器兼容互操作的信号多模接收锁定处理方法，其特征在于，所述步骤C中，针对所获卫星信号的载波频率，采用载波跟踪环路对卫星信号的载波相位进行跟踪锁定，更新卫星信号的载波频率，包括如下步骤：
步骤C1-1.设输出信号和输入信号的频率相同，且输出信号与输入信号之间存在相位差，如下式所示：
Si(t)＝sin(2πfit+θi)＝sin(2πft+θi)
S0(t)＝cos(2πf0t+θ0)＝sin(2πft+θ0)
步骤C1-2.通过鉴相器计算输入输出信号的相位差θe，其输出E(t)是关于θe的函数如下：
θe＝θi-θ0
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步骤C1-3.经过低通特性的环路滤波器滤除高频相，获得环路滤波器的输出信号V(t)，如下式所示：
V(t)＝Ktpsinθe
其中，Ktp为环路滤波器的增益系数；
步骤C1-4.以V(t)作为压控振荡器的输入，调节VCO的输出角频率，则其输出的频率变化率与输入电压呈正比，如下式所示：
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其中，Kvco表示调节VCO的输出角频率，ω0(t)为输出信号S0(t)的瞬时角频率，对角频率在预设时间上进行积分，获得相位的变化量，进而获得初始相位的变化量如式所示：
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执行上述步骤C1-1至步骤C1-4的同时，采用与上述步骤C1-1至步骤C1-4同样的方式，通过锁频环保持卫星信号载波频率与本地载波频率同步；
由此采用由锁相环与锁频环相结合的载波跟踪环路对卫星信号的载波相位进行跟踪锁定，更新卫星信号的载波频率。
6.根据权利要求4或5所述的多航天器兼容互操作的信号多模接收锁定处理方法，其特征在于，所述步骤C中，针对所获卫星信号的载波频率，采用二阶锁相环与三阶锁频环相结合的载波跟踪环路对卫星信号的载波相位进行跟踪锁定，其中，采用二阶锁相环针对卫星信号的载波相位进行锁定，同时采用三阶锁频环保持卫星信号载波频率与本地载波频率同步，由此针对卫星信号的载波相位进行跟踪锁定，更新卫星信号的载波频率。
7.根据权利要求1所述的多航天器兼容互操作的信号多模接收锁定处理方法，其特征在于，所述步骤D中，针对载波跟踪环路与码跟踪环路的参数进行配置与监控，采用CORDIC算法求解获得卫星信号载波频率控制字和卫星信号码频率控制字，完成多航天器卫星信号所对应跟踪环路的处理。
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