CN109039970A - 一种高超声速飞行器大动态多普勒场景实时通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种高超声速飞行器大动态多普勒场景实时通信方法，包括：在发送端，对发送信号进行预编码，插入导频数据后发送；在接收端，提取导频数据，一方面利用导频信息粗捕获多普勒频偏以及多普勒一次变化率，一方面利用导频信息估计信道状态信息；捕获方面采用基于FFT并行分段的方法完成快速粗捕获；粗捕获多普勒频偏以及多普勒变化率之后，对接收数据进行人工搬移，估计信道状态信息后进行分集合并。本发明能够满足高超声速飞行器实时遥测通信的要求，具有耗时短，复杂度低的特点，对高超声速飞行器的实时通信具有重要意义。

Description

一种高超声速飞行器大动态多普勒场景实时通信方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种高超声速飞行器大动态多普勒场景实时通信方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：高超声速飞行器通常在20-100km的临近空间以10马赫以上速度高速飞行。飞行器与地面测控站之间存在很大的相对运动和径向速度，将使得载波频率产生很大的多普勒频率偏移。在典型测控S频段下最大多普勒偏移可能会超过150kHz，且飞行器具有较高加速度时存在多普勒频偏一次变化率，最大变化率也可达10kHz/s。这使得多普勒频偏在很大的频率范围内漂移，给接收机接收信号的载波快速捕获和信号解调带来极大的困难，将会严重影响通信质量。目前多普勒捕获常用的手段有基于极大似然(ML)准则估计类算法、时频分析类算法、锁频锁相环类方法。ML类方法是一个多维的非线性优化问题，计算复杂度高，对初始值的选取要求高，几乎无法在实际中应用；时频分析类方法适合于非平稳信号的检测，不利于微弱高动态信号的实时捕获；锁频锁相环类方法在跟踪环路方面存在着硬件复杂度高、动态性能差、容易失锁及耗时长的缺点。上述传统方法在大动态多普勒场景下，由于多普勒频偏大，导致精确捕获的时间长；由于多普勒的高动态性，导致实时捕获困难，使得捕获时间/捕获速度与精度存在不可调和的矛盾，无法满足高超声速飞行器快速实时通信的需求。如果我们能够避开传统方法中所存在的捕获时间/捕获速度与精度这种矛盾，提出一种能够快速捕获并实时解调信号的研究思路，以实现高超声速飞行器大动态多普勒场景下实时测控通信的需求，对未来高超声速飞行器的测控通信具有指导意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高超声速飞行器大动态多普勒场景实时通信方法。

本发明是这样实现的，一种大动态多普勒场景实时通信方法，所述大动态多普勒场景实时通信方法在发送端，对发送信号进行预编码，插入导频数据后发送；在接收端，提取导频数据，利用导频信息粗捕获多普勒频偏以及多普勒一次变化率，利用导频信息估计信道状态信息；捕获采用基于FFT并行分段的方法完成快速粗捕获；粗捕获多普勒频偏以及多普勒变化率之后，对接收数据进行人工搬移，估计信道状态信息后进行分集合并。

进一步，所述大动态多普勒场景实时通信方法包括以下步骤：

步骤一，原始数据经调制后做预处理，插入导频信息进行发送；

步骤二，提取接收信号的导频信息，对多普勒变化范围以及多普勒变化率的变化范围分段，与导频信息匹配进行粗捕获；

步骤三，对接收信号进行频偏补偿，然后对带有残余多普勒频偏的信号做人工频移、分集处理、解调得到最终数据。

进一步，所述步骤一具体包括：

(1)原始数据经bpsk调制后进行IFFT预处理，得到待发送数据X_s[m]；

(2)为待发送数据X_s[m]等间隔插入一段比例为λ＝k/(k+m)的导频数据X_sp[k]，令k+m＝n，得到发送数据为X_s[n]；n，m，k分别是发送数据总长度、原始数据长度、导频数据长度。

进一步，所述步骤二具体包括：

(1)经过测控传输信道，带有多普勒频偏f_d以及多普勒一次变化率f_a的接收信号经采样为X_r[n]：

其中H(n)为信道增益系数，N(n)为高斯白噪声；

(2)从接收信号X_r[n]中提取对应位置的导频信息X_rp[k]：

其中H(k)和N(k)分别为对应导频位置处的信道增益系数和高斯白噪声；

(3)将最大多普勒区间[-F_dmax,F_dmax]划分为N段，称作N个多普勒频偏通道，将最大多普勒变化率区间[-F_amax,F_amax]划分为M段，称作M个多普勒变化率通道，并产生N*M个如下形式的载波，则经过第K_i个多普勒频偏、第K_j个多普勒变化率通道的载波为：

其中是多普勒频偏通道的第i个通道对应的多普勒频偏，是多普勒变化率通道的第j个通道对应的多普勒变化率。其中i＝1,2,…,N，j＝1,2,…,M；

(4)将X_rp[k]与各个通道的相乘经过滤波器后做FFT变换，在频域搜索最大值V_i,j；

(5)在获得的N*M个V_i,j最大值中再次搜索最大值V_max(i,j)，此时最大值所在的通道预设的和作为本次粗捕获的结果，分别记做F_d'，F_a'。

进一步，所述步骤三具体包括：

(1)基于估计的F_d'，F_a'对接收信号进行补偿，补偿后的信号X_R[n]如下：

(2)此时补偿后的信号X_R[n]中，多普勒频偏最大不超过多普勒分段间隔Δf_int＝2*F_dmax/N的一半，即Δf_d＝Δf_int/2，Δf_d为频偏补偿后信号X_R[n]中残留的频差；

(3)对信号X_R[n]进行3支路的人工频移搬移，搬移频移量分别为归一化的fx₁＝-0.75/T、fx₂＝0、fx₃＝0.75/T，T为一个符号周期，人工搬移后数据为：

其中X_Rq[n]与fx_q中q＝1,2,3，即X_R1[n]、X_R2[n]、X_R3[n]分别为三条支路上搬移后的数据，fx₁、fx₂、fx₃分别为三条支路上的人工频移量；

(4)提取支路的导频数据为：

其中X_Rpq[k]中q＝1,2,3，即X_Rp1[n]、X_Rp2[n]、X_Rp3[n]分别为三条支路上的导频数据；使用最小二乘算法进行信道估计获得支路的信道增益为H_q，同理各支路的信道增益分别为H₁、H₂、H₃；

(5)采用最大比合并方式合并三支路数据得到合并数据为Z[m]：

其中η_q表示最大合并比的比例因子，q＝1,2,3；

(6)对Z[m]做bpsk解调得到最终数据。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述大动态多普勒场景实时通信方法的高超声速飞行器。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明采用多普勒分段并行快速粗捕方法结合多普勒分集方法的新思路；计算复杂度低，对导频的高效利用节省了带宽资源，适用于具有高动态多普勒的实时通信环境。本发明提出的多普勒分段并行快速粗捕方法与传统的捕获方法相比较，对捕获的精度要求不高，具有可调节性，省略了细捕的环节，极大的缩短了多普勒频移的捕获时间。

本发明提出的多普勒分集方法与传统的锁频锁相环类方法相比较，动态性能好，不存在失锁的问题，省略了跟踪的环节，仅需要做分集处理，满足通信的实时性要求。

附图说明

图1是本发明实施例提供的大动态多普勒场景实时通信方法流程图。

图2是本发明实施例提供的大动态多普勒场景实时通信方法原理示意图。

图3是本发明实施例提供的多普勒粗捕获部分的原理结构图。

图4是本发明实施例提供的多普勒分集部分的原理结构图。

图5是本发明实施例提供的当f_d＝110kHz，f_a＝8kHz/s，导频比例λ＝0.05和0.1时的多普勒频偏f_d和变化率f_a粗捕获概率的仿真结果图。

图6是本发明实施例提供的当f_d＝50、80、110、140kHz，f_a＝8kHz/s，导频比例λ＝0.05时，多普勒频偏f_d的粗捕获概率验证仿真结果图。

图7是本发明实施例提供的当f_d从80kHz线性增加到90kHz，f_a＝8kHz/s，导频比例λ＝0.05时，验证粗捕后最大频差为Δf_d＝Δf_int/2的仿真结果图。

图8是本发明实施例提供的当f_d＝110kHz，f_a＝8kHz/s，导频比例λ＝0.05时误码率性能的仿真结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对传统方法在大动态多普勒场景下，捕获时间长的问题。本发明提出的多普勒分段并行快速粗捕方法与传统的捕获方法相比较，对捕获的精度要求不高，具有可调节性，省略了细捕的环节，极大的缩短了捕获时间。本发明提出的多普勒分集方法与传统的锁频锁相环类方法相比较，动态性能好，不存在失锁的问题，省略了跟踪的环节，降低了硬件的需求。本发明提出的新方法对高超声速飞行器的实时通信具有重要意义。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的大动态多普勒场景实时通信方法包括以下步骤：

S101：原始数据经调制后做预处理，插入导频信息进行发送；

S102：提取接收信号的导频信息，对多普勒变化范围以及多普勒变化率的变化范围分段，与导频信息匹配进行粗捕获；

S103：对接收信号进行频偏补偿，然后对带有残余多普勒频偏的信号做人工频移、分集处理、解调得到最终数据。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

现针对最大多普勒频偏为150kHz、最大多普勒变化率为10kHz/s下的大动态多普勒场景进行仿真。

如图2-图4本发明过程具体实施方案如下：

S1原始数据经调制后做预处理，插入导频信息进行发送；

S2提取接收信号的导频信息，对多普勒变化范围以及多普勒变化率的变化范围分段，与导频信息匹配进行粗捕获；

S3对接收信号进行频偏补偿，然后对带有残余多普勒频偏的信号做人工频移、分集处理、解调得到最终接收数据；

步骤S1包括：

S1.1生成随机的0、1原始数据并进行bpsk调制，对原始数据进行IFFT预处理，得到待发送数据X_s[m]；

S1.2为待发送数据X_s[m]等间隔插入一段导频比例为λ＝k/(k+m)的导频数据X_sp[k]，令k+m＝n,得到发送数据为X_s[n]。n，m，k分别是发送数据总长度、原始数据长度、导频数据长度，其中n＝10³，λ取0.05，则k＝50，m＝950；

步骤S2包括：

S2.1经过测控传输信道，带有多普勒频偏f_d＝110kHz以及多普勒一次变化率f_a＝8kHz/s的接收信号经采样为X_r[n]：

其中H(n)为信道增益系数，N(n)为高斯白噪声，采样频率为f_s＝3*F_dmax。

S2.2从接收信号X_r[n]中提取对应位置的导频信息X_rp[k]：

其中H(k)和N(k)分别为对应导频位置处的信道增益系数和高斯白噪声。

S2.3将最大多普勒区间[-F_dmax,F_dmax]划分为N段，称作N个多普勒频偏通道，F_dmax＝150kHz，N＝30，频率间隔为Δf_int＝10kHz，将多普勒变化率区间[-F_amax,F_amax]划分为M段，称作M个多普勒变化率通道，F_amax＝10kHz/s，M＝20，变化率间隔为1kHz/s，并产生N*M个如下形式的载波，则经过第K_i个多普勒偏移、第K_j个多普勒变化率通道的载波为：

其中是多普勒频偏通道的第i个通道对应的多普勒频偏，F_aKj是多普勒变化率通道的第j个通道对应的多普勒变化率。其中i＝1,2,…,M，j＝1,2,…,N。

S2.4将X_rp[k]与各个通道的相乘经过滤波器后做FFT变换，在频域搜索最大值V_i,j。

S2.5在获得的N*M个V_i,j最大值中再次搜索最大值V_max(i,j)，此时最大值所在的通道预设的和F_aKj作为本次粗捕获的结果，分别记做F_d'，F_a'。

图5给出了当f_d＝110kHz，f_a＝8kHz/s，导频比例λ＝0.05和0.1时的多普勒频偏f_d和变化率f_a的粗捕获概率。其中P(fd,0.05)表示在导频比例λ＝0.05的条件下f_d的捕获概率，其余同理。

图6给出了当f_d＝50、80、110、140kHz，f_a＝8kHz/s，导频比例λ＝0.05时，多普勒频偏f_d的粗捕获概率，证明能够粗捕获任意的频偏。

步骤S3包括：

S3.1基于估计的F_d'，F_a'对接收信号进行补偿,补偿后的信号X_R[n]如下：

S3.2此时补偿后的信号X_R[n]中，多普勒频偏最大不超过多普勒分段间隔Δf_int＝2*F_dmax/N的一半，即Δf_d＝Δf_int/2＝5kHz，Δf_d为频率补偿后信号X_R[n]中残留的频差。

图7给出了导频比例λ＝0.05时，f_a＝8kHz/s，设置多普勒偏移从80kHz线性增加到90kHz时的捕获状况，可见因为频段的划分，当实际频率落在某频段中间时误差最大，即落在85kHz时最大误差为Δf_d＝Δf_int/2＝5kHz；

S3.3对信号X_R[n]进行3支路的人工频移搬移，搬移频移量分别为归一化的fx₁＝-0.75/T、fx₂＝0、fx₃＝0.75/T，T为一个符号周期，人工搬移后数据为：

其中X_Rq[n]与fx_q中q＝1,2,3，即X_R1[n]、X_R2[n]、X_R3[n]分别为三条支路上搬移后的数据，fx₁、fx₂、fx₃分别为三条支路上的人工频移量。

S3.4提取支路的导频数据为：

其中X_Rpq[k]中q＝1,2,3，即X_Rp1[n]、X_Rp2[n]、X_Rp3[n]分别为三条支路上的导频数据。进行信道估计获得支路的信道增益为H_q，同理各支路的信道增益分别为H₁、H₂、H₃。

S3.5采用最大比合并方式合并三支路数据得到合并数据为Z[m]如下:

其中η_q表示最大合并比的比例因子，q＝1,2,3。

S3.7对Z[m]做bpsk解调得到最终数据。

图8给出了本发明方法的实例中多普勒偏移f_d＝110kHz以及普勒一次变化率f_a＝8kHz/s，导频比例λ＝0.05时的误码率性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种大动态多普勒场景实时通信方法，其特征在于，所述大动态多普勒场景实时通信方法在发送端，对发送信号进行预编码，插入导频数据后发送；在接收端，提取导频数据，利用导频信息粗捕获多普勒频偏以及多普勒一次变化率，利用导频信息估计信道状态信息；捕获采用基于FFT并行分段的方法完成快速粗捕获；粗捕获多普勒频偏以及多普勒变化率之后，对接收数据进行人工搬移，估计信道状态信息后进行分集合并。

2.如权利要求1所述的大动态多普勒场景实时通信方法，其特征在于，所述大动态多普勒场景实时通信方法包括以下步骤：

步骤一，原始数据经调制后做预处理，插入导频信息进行发送；

步骤二，提取接收信号的导频信息，对多普勒变化范围以及多普勒变化率的变化范围分段，与导频信息匹配进行粗捕获；

步骤三，对接收信号进行频偏补偿，然后对带有残余多普勒频偏的信号做人工频移、分集处理、解调得到最终数据。

3.如权利要求2所述的大动态多普勒场景实时通信方法，其特征在于，所述步骤一具体包括：

(1)原始数据经bpsk调制后进行IFFT预处理，得到待发送数据X_s[m]；

(2)为待发送数据X_s[m]等间隔插入一段比例为λ＝k/(k+m)的导频数据X_sp[k]，令k+m＝n，得到发送数据为X_s[n]；n，m，k分别是发送数据总长度、原始数据长度、导频数据长度。

4.如权利要求2所述的大动态多普勒场景实时通信方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：

(1)经过测控传输信道，带有多普勒频偏f_d以及多普勒一次变化率f_a的接收信号经采样为X_r[n]：

其中H(n)为信道增益系数，N(n)为高斯白噪声；

(2)从接收信号X_r[n]中提取对应位置的导频信息X_rp[k]：

其中H(k)和N(k)分别为对应导频位置处的信道增益系数和高斯白噪声；

(3)将最大多普勒区间[-F_dmax,F_dmax]划分为N段，称作N个多普勒频偏通道，将最大多普勒变化率区间[-F_amax,F_amax]划分为M段，称作M个多普勒变化率通道，并产生N*M个如下形式的载波，则经过第K_i个多普勒频偏、第K_j个多普勒变化率通道的载波为：

其中是多普勒频偏通道的第i个通道对应的多普勒频偏，是多普勒变化率通道的第j个通道对应的多普勒变化率；其中i＝1,2,…,N，j＝1,2,…,M；

(4)将X_rp[k]与各个通道的相乘经过滤波器后做FFT变换，在频域搜索最大值V_i,j；

(5)在获得的N*M个V_i,j最大值中再次搜索最大值V_max(i,j)，此时最大值所在的通道预设的和作为本次粗捕获的结果，分别记做F_d'，F_a'。

5.如权利要求2所述的大动态多普勒场景实时通信方法，其特征在于，所述步骤三具体包括：

(1)基于估计的F_d'，F_a'对接收信号进行补偿，补偿后的信号X_R[n]如下：

(2)此时补偿后的信号X_R[n]中，多普勒频偏最大不超过多普勒分段间隔Δf_int＝2*F_dmax/N的一半，即Δf_d＝Δf_int/2，Δf_d为频偏补偿后信号X_R[n]中残留的频差；

(3)对信号X_R[n]进行3支路的人工频移搬移，搬移频移量分别为归一化的fx₁＝-0.75/T、fx₂＝0、fx₃＝0.75/T，T为一个符号周期，人工搬移后数据为：

其中X_Rq[n]与fx_q中q＝1,2,3，即X_R1[n]、X_R2[n]、X_R3[n]分别为三条支路上搬移后的数据，fx₁、fx₂、fx₃分别为三条支路上的人工频移量；

(4)提取支路的导频数据为：

其中X_Rpq[k]中q＝1,2,3，即X_Rp1[n]、X_Rp2[n]、X_Rp3[n]分别为三条支路上的导频数据；使用最小二乘算法进行信道估计获得支路的信道增益为H_q，同理各支路的信道增益分别为H₁、H₂、H₃；

(5)采用最大比合并方式合并三支路数据得到合并数据为Z[m]：

其中η_q表示最大合并比的比例因子，q＝1,2,3；

(6)对Z[m]做bpsk解调得到最终数据。

6.一种应用权利要求1～5任意一项所述大动态多普勒场景实时通信方法的高超声速飞行器。