CN108365872B - 一种适用于异地多天线组阵的信号合成方法 - Google Patents

一种适用于异地多天线组阵的信号合成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于异地多天线组阵的信号合成方法，主要解决月球、火星以及更远距离下深空微弱接收信号的高效信号合成问题。该方法首先利用天线延迟预报模型得到站间延迟差/频差/相位差模型，对天线信号进行粗补偿和条纹搜索，估计得到残余延迟差/残余频差，用于修正站间延迟差/频差模型，当频差估计精度达到一定程度时，转入信号合成阶段；信号合成阶段，利用FX相关合成器对天线间延迟差、频差、相位差和幅度加权值进行高精度的估计和补偿，实现对长基线异地多天线组阵信号的高效合成，从而提高测控精度和降低数传误码率。本发明适用于异地多天线组阵信号合成，具有较低的计算复杂度和较高的合成性能。

Description

一种适用于异地多天线组阵的信号合成方法
技术领域
本发明涉及到深空测控通信中的异地多天线的组阵信号合成技术、分布式网络雷达收发相参合成技术、VLBI干涉测量数据处理技术等，特别适用于在异地长基线条件下，不同口径天线接收微弱深空信号进行信号增强等相关应用领域。
背景技术
在深空测控通信系统中，由于深空航天器目标与地球测站相距遥远，从几千万到上亿公里，致使现有测控通信设备的接收信号强度非常微弱。接收天线组阵是实现提高接收信号SNR的有效手段。国内外目前研究了区域等口径多天线组阵的信号合成方法，如DSN在小规模天线组阵中开发了全频谱合成算法(SIMPLE、SUMPLE等)、复符号合成算法、基带合成算法、基于频域的合成方法等，这些方法仅用于区域天线信号的相位对齐。但对于异地天线组阵来说，各天线接收信号间存在较大的延迟差和频差，使得上述方法在该场景下合成效果较差甚至无法收敛。
发明内容
本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种适用于异地多天线组阵的信号合成方法，该方法首先利用天线延迟预报模型得到站间延迟差/频差/相位差模型，对天线信号进行粗补偿；对经下变频和积分清洗的基带信号进行FFT运算后进行条纹搜索，估计得到残余延迟差/残余频差，用于修正站间延迟差/频差模型，当频差估计精度达到一定程度时，转入信号合成阶段；信号合成阶段，各天线信号与总合成信号进行自谱和互谱计算，利用互谱相位计算得到残余延迟差/相位差，利用自谱和互谱幅度计算得到各天线信号的幅度加权值，用于下一积分时间内的迭代更新，从而实现最佳合成信号输出。本发明适用于异地多天线组阵信号合成，具有较低的计算复杂度和较高的合成性能。
本发明的目的是这样实现的：
一种适用于异地多天线组阵的信号合成方法，包括以下步骤：
①站间延迟差/频差/相位差模型单元接收外部输入的天线1～天线N延迟预报模型，选择天线1～天线N中的任一天线设定为参考天线，将天线1～天线N延迟预报模型分别与参考天线延迟预报模型进行做差得到天线1～天线N各自对应的站间延迟差/频差/相位差多项式模型；根据条纹搜索单元输出的残余延迟差和残余频差初始值、自谱和互谱计算单元输出的残余延迟差和残余相位差初始值对天线1～天线N各自对应的站间延迟差/频差/相位差多项式模型一一对应进行修正，得到N个修正后的站间延迟差/频差/相位差多项式模型；将修正后的天线1～天线N各自对应的站间延迟差多项式模型一一对应送至天线1～天线N各自对应的粗延迟补偿单元和精延迟补偿单元，将修正后的天线1～天线N各自对应的站间延迟差/频差/相位差多项式模型一一对应送至天线1～天线N各自对应的频差和相位差补偿单元；其中，N为大于1的自然数；
②粗延迟补偿单元根据修正后的站间延迟差多项式模型及其对应天线信号的时标信息进行计算，得到该段信号所对应积分时间中间时刻航天器相对于天线的站间延迟差预报信息，并将该站间延迟差预报信息分离成整数比特延迟补偿值和小数比特延迟补偿值，在时域对天线信号完成对应积分时间内的整数比特延迟补偿，并将补偿后的信号送至频差和相位差补偿单元；
③频差和相位差补偿单元根据修正的站间延迟差/频差/相位差多项式模型及3个模型对应的时标信息进行计算，得到对应积分时间内中间时刻航天器相对于天线的延迟差预报值和频差预报值，将该延迟差预报值分离成整数比特延迟补偿值和小数比特延迟补偿值；该延迟差预报值和已知的射频频率值构造相位差补偿矢量修正相位差多项式模型；利用频差预报值和相位差补偿信息构造条纹旋转信号，在时域对粗延迟补偿单元输出的信号进行条纹旋转补偿频差和相位差，并将补偿后的信号送正交下变频和积分清洗单元；
④正交下变频和积分清洗单元根据外部输入的中频载波标称值构造下变频信号，利用构造的下变频信号对频差和相位差补偿单元输出的信号进行正交下变频，得到复数基带信号，对复数基带信号的I、Q支路分别进行积分清洗降低数据速率后，将积分清洗后的I、Q基带信号送入FFT单元；
⑤FFT单元对积分清洗后的I、Q基带信号进行复数FFT运算，并将FFT单元计算结果送入精延迟补偿单元；
⑥精延迟补偿单元根据修正后的站间延迟差多项式模型及其对应天线信号的时标信息进行计算，得到该段信号所对应积分时间中间时刻航天器相对于天线的站间延迟差预报信息，并将该站间延迟差预报信息分离成整数比特延迟补偿值和小数比特延迟补偿值；根据小数比特延迟值和FFT频率构造小数比特延迟对应的相位补偿权值矢量，对FFT单元输出的结果进行条纹旋转实现小数比特延迟的精补偿，将精补偿后的结果分别送入条纹搜索单元、幅度加权单元和自谱及互谱计算单元；
⑦条纹搜索单元对天线1～天线N各自对应的精延迟补偿单元输出的结果进行各天线相对于参考天线的残余延迟差和残余频差估计，并将估计得到的残余延迟差和残余频差一一对应送至天线1～天线N各自对应的站间延迟差/频差/相位差模型单元；
⑧幅度加权单元根据自谱及互谱计算单元输出的幅度加权初始值对精延迟补偿单元输出的结果进行幅度加权，并将幅度加权后结果送至合成单元；
⑨合成单元将天线1～天线N各自对应的幅度加权单元输出的信号直接相加，得到总合成信号，一方面将总合成信号进行IFFT运算得到时域总合成信号对外输出，另一方面把总合成信号反馈至天线1～天线N各自对应的自谱和互谱计算单元；
⑩自谱和互谱计算单元根据精延迟补偿单元输出的信号和合成单元输出的总合成信号进行自谱和互谱计算，其中参与互谱计算的信号分别是各天线信号以及总合成信号减去自身天线信号得到的参考信号；将互谱结果的互谱相位信息通过最小二乘线性拟合进行计算，得到残余延迟差和残余相位差，将残余延迟差和残余相位差送站间延迟差/频差/相位差模型单元，用于残余延迟差和残余相位差迭代更新；利用互谱结果的幅度谱迭代求解得到各天线的信号幅度，结合自谱幅度信息计算得到相应的噪声功率，从而完成各天线信号的幅度加权值估计，将该幅度加权估计值送入幅度加权单元，用于幅度加权值迭代更新；
完成异地多天线组阵的信号合成。
本发明与背景技术相比具有如下优点：
1.本发明的适用异地多天线组阵的信号合成方法，基于条纹搜索单元和自适应FX相关合成器能够实现各天线接收信号间的延迟差、频差和相位差的精确估计与补偿，克服了DSN的SIMPLE、SUMPLE等算法要求各天线延迟需要精确对齐的严格要求，可在异地多天线组阵在大延迟差、大频差情况下的适应性和合成性能。
2、本发明的异地多天线组阵的信号合成方法，能够实时、高精度实现对各天线接收信号的幅度加权值估计，可以在异地不同天线口径、不同接收信号质量情况下，实现异地组阵系统的最佳信号合成，克服了传统幅度加权方法需要事先进行长时间幅度加权标定的问题。
附图说明
图1是本发明的原理流程图。
具体实施方式
参照图1，对本发明作进一步说明。
一种适用于异地多天线组阵的信号合成方法，包括以下步骤：
①站间延迟差/频差/相位差模型单元接收外部输入的天线1～天线N延迟预报模型，选择天线1～天线N中的任一天线设定为参考天线，将天线1～天线N延迟预报模型分别与参考天线延迟预报模型进行做差得到天线1～天线N各自对应的站间延迟差/频差/相位差多项式模型；根据条纹搜索单元输出的残余延迟差和残余频差初始值、自谱和互谱计算单元输出的残余延迟差和残余相位差初始值对天线1～天线N各自对应的站间延迟差/频差/相位差多项式模型一一对应进行修正，得到N个修正后的站间延迟差/频差/相位差多项式模型；将修正后的天线1～天线N各自对应的站间延迟差多项式模型一一对应送至天线1～天线N各自对应的粗延迟补偿单元和精延迟补偿单元，将修正后的天线1～天线N各自对应的站间延迟差/频差/相位差多项式模型一一对应送至天线1～天线N各自对应的频差和相位差补偿单元；其中，N为大于1的自然数；
延迟预报模型是指基于天线站址和卫星粗轨预报的延迟预报数据，数据中包含了包括由几何位置、卫星钟差、对流层/电离层折射以及接收机钟差等因素引起的延迟信息。
延迟差/频差/相位差多项式模型，是指根据延迟预报数据通过最小二乘线性拟合得到的一元四次多项式f(t)，如下所示：
τ(t)＝a4t4+a3t3+a2t2+a1t+a0
f(t)＝b4t4+b3t3+b2t2+b1t+b0
该多项式模型是时间t的函数，根据设置的时间t，可以计算得到t时刻的延迟差、频差和相位差。
②粗延迟补偿单元根据修正后的站间延迟差多项式模型及其对应天线信号的时标信息进行计算，得到该段信号所对应积分时间中间时刻航天器相对于天线的站间延迟差预报信息，并将该站间延迟差预报信息分离成整数比特延迟补偿值和小数比特延迟补偿值，在时域对天线信号完成对应积分时间内的整数比特延迟补偿，并将补偿后的信号送至频差和相位差补偿单元；
③频差和相位差补偿单元根据修正的站间延迟差/频差/相位差多项式模型及3个模型对应的时标信息进行计算，得到对应积分时间内中间时刻航天器相对于天线的延迟差预报值和频差预报值，将该延迟差预报值分离成整数比特延迟补偿值和小数比特延迟补偿值；该延迟差预报值和已知的射频频率值构造相位差补偿矢量修正相位差多项式模型；利用频差预报值和相位差补偿信息构造条纹旋转信号，在时域对粗延迟补偿单元输出的信号进行条纹旋转补偿频差和相位差，并将补偿后的信号送正交下变频和积分清洗单元；
④正交下变频和积分清洗单元根据外部输入的中频载波标称值构造下变频信号，利用构造的下变频信号对频差和相位差补偿单元输出的信号进行正交下变频，得到复数基带信号，对复数基带信号的I、Q支路分别进行积分清洗降低数据速率后，将积分清洗后的I、Q基带信号送入FFT单元；
⑤FFT单元对积分清洗后的I、Q基带信号进行复数FFT运算，并将FFT单元计算结果送入精延迟补偿单元；
⑥精延迟补偿单元根据修正后的站间延迟差多项式模型及其对应天线信号的时标信息进行计算，得到该段信号所对应积分时间中间时刻航天器相对于天线的站间延迟差预报信息，并将该站间延迟差预报信息分离成整数比特延迟补偿值和小数比特延迟补偿值；根据小数比特延迟值和FFT频率构造小数比特延迟对应的相位补偿权值矢量，对FFT单元输出的结果进行条纹旋转实现小数比特延迟的精补偿，将精补偿后的结果分别送入条纹搜索单元、幅度加权单元和自谱及互谱计算单元；
⑦条纹搜索单元对天线1～天线N各自对应的精延迟补偿单元输出的结果进行各天线相对于参考天线的残余延迟差和残余频差估计，并将估计得到的残余延迟差和残余频差一一对应送至天线1～天线N各自对应的站间延迟差/频差/相位差模型单元；
⑧幅度加权单元根据自谱及互谱计算单元输出的幅度加权初始值对精延迟补偿单元输出的结果进行幅度加权，并将幅度加权后结果送至合成单元；
⑨合成单元将天线1～天线N各自对应的幅度加权单元输出的信号直接相加，得到总合成信号，一方面将总合成信号进行IFFT运算得到时域总合成信号对外输出，另一方面把总合成信号反馈至天线1～天线N各自对应的自谱和互谱计算单元；
⑩自谱和互谱计算单元根据精延迟补偿单元输出的信号和合成单元输出的总合成信号进行自谱和互谱计算，其中参与互谱计算的信号分别是各天线信号以及总合成信号减去自身天线信号得到的参考信号；将互谱结果的互谱相位信息通过最小二乘线性拟合进行计算，得到残余延迟差和残余相位差，将残余延迟差和残余相位差送站间延迟差/频差/相位差模型单元，用于残余延迟差和残余相位差迭代更新；利用互谱结果的幅度谱迭代求解得到各天线的信号幅度，结合自谱幅度信息计算得到相应的噪声功率，从而完成各天线信号的幅度加权值估计，将该幅度加权估计值送入幅度加权单元，用于幅度加权值迭代更新；
完成异地多天线组阵的信号合成。
本发明简要工作原理如下：
一种适用于异地多天线组阵的信号合成方法，能够对广域范围异地多天线接收深空目标信号进行信号合成，有效提高地面系统接收航天器信号的信噪比，从而可以降低误码率和提高系统数据速率。
本发明公开了一种适用于异地多天线组阵的信号合成方法。该方法首先利用天线延迟预报模型得到站间延迟差/频差/相位差模型，对天线信号进行粗补偿；对经下变频和积分清洗的基带信号进行FFT运算后进行条纹搜索，估计得到残余延迟差/残余频差，用于修正站间延迟差/频差模型，当频差估计精度达到一定程度时，转入信号合成阶段；信号合成阶段，各天线信号与总合成信号进行自谱和互谱计算，利用互谱相位计算得到残余延迟差/相位差，利用自谱和互谱幅度计算得到各天线信号的幅度加权值，用于下一积分时间内的迭代更新，从而实现最佳合成信号输出。本发明适用于异地多天线组阵信号合成，具有较低的计算复杂度和较高的合成性能。

Claims (1)

1.一种适用于异地多天线组阵的信号合成方法，其特征在于包括以下步骤：
①站间延迟差/频差/相位差模型单元接收外部输入的天线1～天线N延迟预报模型，选择天线1～天线N中的任一天线设定为参考天线，将天线1～天线N延迟预报模型分别与参考天线延迟预报模型进行做差得到天线1～天线N各自对应的站间延迟差/频差/相位差多项式模型；根据条纹搜索单元输出的残余延迟差和残余频差初始值、自谱和互谱计算单元输出的残余延迟差和残余相位差初始值对天线1～天线N各自对应的站间延迟差/频差/相位差多项式模型一一对应进行修正，得到N个修正后的站间延迟差/频差/相位差多项式模型；将修正后的天线1～天线N各自对应的站间延迟差多项式模型一一对应送至天线1～天线N各自对应的粗延迟补偿单元和精延迟补偿单元，将修正后的天线1～天线N各自对应的站间延迟差/频差/相位差多项式模型一一对应送至天线1～天线N各自对应的频差和相位差补偿单元；其中，N为大于1的自然数；
②粗延迟补偿单元根据修正后的站间延迟差多项式模型及其对应天线信号的时标信息进行计算，得到该天线信号所对应积分时间中间时刻航天器相对于天线的站间延迟差预报信息，并将该站间延迟差预报信息分离成整数比特延迟补偿值和小数比特延迟补偿值，在时域对天线信号完成对应积分时间内的整数比特延迟补偿，并将补偿后的信号送至频差和相位差补偿单元；
③频差和相位差补偿单元根据修正的站间延迟差/频差/相位差多项式模型及3个模型对应的时标信息进行计算，得到对应积分时间内中间时刻航天器相对于天线的延迟差预报值和频差预报值，将该延迟差预报值分离成整数比特延迟补偿值和小数比特延迟补偿值；该延迟差预报值和已知的射频频率值构造相位差补偿矢量修正相位差多项式模型；利用频差预报值和相位差补偿信息构造条纹旋转信号，在时域对粗延迟补偿单元输出的信号进行条纹旋转补偿频差和相位差，并将补偿后的信号送正交下变频和积分清洗单元；
④正交下变频和积分清洗单元根据外部输入的中频载波标称值构造下变频信号，利用构造的下变频信号对频差和相位差补偿单元输出的信号进行正交下变频，得到复数基带信号，对复数基带信号的I、Q支路分别进行积分清洗降低数据速率后，将积分清洗后的I、Q基带信号送入FFT单元；
⑤FFT单元对积分清洗后的I、Q基带信号进行复数FFT运算，并将FFT单元计算结果送入精延迟补偿单元；
⑥精延迟补偿单元根据修正后的站间延迟差多项式模型及其对应天线信号的时标信息进行计算，得到该天线信号所对应积分时间中间时刻航天器相对于天线的站间延迟差预报信息，并将该站间延迟差预报信息分离成整数比特延迟补偿值和小数比特延迟补偿值；根据小数比特延迟值和FFT频率构造小数比特延迟对应的相位补偿权值矢量，对FFT单元输出的结果进行条纹旋转实现小数比特延迟的精补偿，将精补偿后的结果分别送入条纹搜索单元、幅度加权单元和自谱及互谱计算单元；
⑦条纹搜索单元对天线1～天线N各自对应的精延迟补偿单元输出的结果进行各天线相对于参考天线的残余延迟差和残余频差估计，并将估计得到的残余延迟差和残余频差一一对应送至天线1～天线N各自对应的站间延迟差/频差/相位差模型单元；
⑧幅度加权单元根据自谱及互谱计算单元输出的幅度加权初始值对精延迟补偿单元输出的结果进行幅度加权，并将幅度加权后结果送至合成单元；
⑨合成单元将天线1～天线N各自对应的幅度加权单元输出的信号直接相加，得到总合成信号，一方面将总合成信号进行IFFT运算得到时域总合成信号对外输出，另一方面把总合成信号反馈至天线1～天线N各自对应的自谱和互谱计算单元；
⑩自谱和互谱计算单元根据精延迟补偿单元输出的信号和合成单元输出的总合成信号进行自谱和互谱计算，其中参与互谱计算的信号分别是各天线信号以及总合成信号减去自身天线信号得到的参考信号；将互谱结果的互谱相位信息通过最小二乘线性拟合进行计算，得到残余延迟差和残余相位差，将残余延迟差和残余相位差送站间延迟差/频差/相位差模型单元，用于残余延迟差和残余相位差迭代更新；利用互谱结果的幅度谱迭代求解得到各天线的信号幅度，结合自谱幅度信息计算得到相应的噪声功率，从而完成各天线信号的幅度加权值估计，将该幅度加权估计值送入幅度加权单元，用于幅度加权值迭代更新；
完成异地多天线组阵的信号合成。
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