CN109413729B - 一种用于多星编队多通道扩频测距系统的功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多星编队多通道扩频测距系统的功率控制方法，该方法以现有的功率控制框架为基础，结合因果自相关和模糊逻辑控制，通过平衡各通道的接收功率和动态追踪最佳信噪比的方式，实现了多通道扩频测距系统的最佳接收功率的追踪，从而提升此类系统的整体测距性能。此外，本发明还分析了因果自相关的离散分布、模糊逻辑控制器的设计方法，并通过仿真验证了系统的可行性。

Description

一种用于多星编队多通道扩频测距系统的功率控制方法

技术领域

本发明属于无线通信与测距技术领域，具体涉及一种用于多星编队多通道扩频测距系统的功率控制方法。

背景技术

扩频测距系统因其码分多址能力，可以支持一个主星同时对多个从星的测距，又因为扩频体制具有良好的抗干扰性能、隐蔽性等优点，已经成为未来多星编队应用的主要备选技术之一。虽然这种测距方式提升了卫星节点之间的测量效率，但是主星各个通道之间必然存在多址干扰问题；由于测距性能与接收通道的SINR(信号干扰噪声比)有关，因此主星各通道接收信号的强弱直接决定了测距精度。

为了让整个系统达到最佳性能，我们期望各从星到达主星的信号强度尽可能相同(平衡功率)，以降低信号较强从星对信号较弱从星的干扰。此外，为了进一步确保多通道测距性能，主星的接收功率要尽可能的大于接收机底噪，从而避免测距系统性能受限于接收机热噪声的情况。然而，从星的发射机功率是有限的，因此整个多通道测距系统的最佳平衡功率受限于某个测距从星的发射机功率。此外，由于各个卫星存在相对移动，导致系统的最佳平衡功率是时变的，甚至在不同的时段由不同的卫星决定，因此需要某种技术让多通道扩频测距系统能够动态实现最佳的测量性能。

针对这一问题，地面扩频通信系统已提出若干种功率控制方案，但是地面扩频通信系统的核心业务是数据通信，而非相对测量。因此，现有技术都是在一定误码率条件下，以增加同时接入用户(从星)数量和减少用户功率消耗为主要目标。

综上所述，虽然地面扩频通信系统的功率控制架构有借鉴意义，但是它和应用于卫星编队的多通道测距系统的功率控制目标有本质区别。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种用于多星编队多通道扩频测距系统的功率控制方法，能够实时检测和跟踪多通道扩频测距系统的最大平衡接收功率，适用于多卫星相对测距场景或多星编队应用场合。

一种用于多星编队多通道扩频测距系统的功率控制方法，包括内环功率控制和外环功率控制两部分；其中，内环功率控制部分的具体实现过程如下：

A1.由主星测量第k上行传输帧的接收功率P^Rx(k)，k为大于0的自然数；

A2.主星将接收功率P^Rx(k)与参考功率进行比较得到第k上行传输帧的功率控制符号(1或-1)，记做TPC(k)，并将其发送给从星；

A3.从星根据TPC(k)计算调整第k+1上行传输帧的发射功率P^Tx(k+1)；

外环功率控制部分的具体实现过程如下：

B1.由主星计算前后两次接收功率P^Rx(k+1)与P^Rx(k)的差值，并将该差值量化为1或-1，用ΔP^Rx(k)表示，P^Rx(k+1)为第k+1上行传输帧的接收功率；

B2.主星将ΔP^Rx(k)和TPC(k)做相关计算；

B3.主星将计算得到的相关结果R_N(j)作为输入量通过模糊控制算法输出参考功率的变化值ΔP^tar(j)；

B4.利用变化值ΔP^tar(j)更新参考功率，从而完成一个外环功率控制周期。

进一步地，所述步骤A2中主星通过以下公式将接收功率P^Rx(k)与参考功率进行比较：

TPC(k)＝sgn(P^tar-P^Rx(k))

其中：P^tar为当前参考功率(P^tar是时变的，但它的更新速率远低于P^Rx(k))，sgn()为符号函数。

进一步地，所述步骤A3中从星通过以下公式计算调整第k+1上行传输帧的发射功率P^Tx(k+1)：

其中：P^Tx(k)为第k上行传输帧的发射功率，P^step为从星的发射功率步长，

为从星的发射功率上限，case1表示从星的发射功率已达到上限

且无法再继续增加，case2表示从星的发射功率仍可以按预期变化。

进一步地，所述从星的发射功率步长P^step＝α×P^Tx(k)，α为大于0的步进常数。

进一步地，所述步骤B1中若P^Rx(k+1)大于P^Rx(k)，则ΔP^Rx(k)＝1，否则ΔP^Rx(k)＝-1。

进一步地，所述步骤B2中主星通过以下公式对ΔP^Rx(k)和TPC(k)做相关计算：

其中：N为给定的相关窗口长度，j为相关次数且为大于0的自然数。

进一步地，所述步骤B4中通过以下公式更新参考功率：

P^tar(j+1)＝ΔP^tar(j)+P^tar(j)

其中：P^tar(j)和P^tar(j+1)分别为更新前后的参考功率。

本发明方法以现有的功率控制框架为基础，结合因果自相关和模糊逻辑控制，通过平衡各通道的接收功率和动态追踪最佳信噪比的方式，实现了多通道扩频测距系统的最佳接收功率的追踪，从而提升此类系统的整体测距性能。此外，本发明还分析了因果自相关的离散分布、模糊逻辑控制器的设计方法，并通过仿真验证了系统的可行性。

附图说明

图1为本发明功率控制方法的系统实现框图。

图2为内环和外环功率控制的更新关系示意图。

图3为因果相关结果的分类讨论示意图。

图4为

区间内的离散概率分布图。

图5为

区间内ΔP^Rx的误判概率分布图。

图6为

区间内的离散概率分布图。

图7为R′_N区间内的离散概率分布图。

图8为模糊控制器的控制框图。

图9为R_N的输入隶属函数示意图。

图10为PR_M的输入隶属函数示意图。

图11为本发明多通道扩频测距系统0～6小时的仿真结果示意图。

图12为本发明多通道扩频测距系统0～60分钟的仿真结果示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明基于多通道扩频测距系统的功率控制方法可以在FPGA或DSP中实现，如图1所示，上半部分、下半部分为分别为外环功率控制、内环功率控制框图；从星由扩频应答机、功率调整单元组成，主星由应答机、接收率测量模块、符号函数模块、相关器、最小值比较模块以及模糊逻辑控制模块组成，功率控制指令(TPC)为单比特符号，以接收传输带宽；系统工作流程如下：

内环功率控制部分：

(1)主星测量第k上行传输帧的接收功率，记做P^Rx(k)。

(2)主星将接收功率P^Rx(k)与参考功率对比，得出第k帧的TPC符号，并且发送回从星。

TPC(k)＝sgn[P^tar-P^Rx(k)] (1)

式中：sgn为符号函数，P^tar为当前参考功率。虽然P^tar是时变的，但是它的更新速率远低于P^Rx(k)，因此在内环功率控制时认为它是稳定的，主星接收功率更新和参考功率更新的关系如图2所示。

(3)从星根据TPC调整第k+1上行传输帧的发射功率：

式中：P^Tx为当前从星发射功率，case 2代表从星的发射功率已达到上限

无法继续增加，case 1则代表从星的发射功率仍然可以按预期变化；从星发射功率步长为：

P^step＝α·P^Tx(k) (3)

式中：α＞0为步进常数。

外环功率控制部分：

(4)主星测量前后两次接收功率的差值，并量化为1和-1。

ΔP^Rx(k)＝sgn[P^Rx(k+1)-P^Rx(k)] (4)

式中：ΔP^Rx(k)为接收功率变化的符号，功率增加则为1，否则为-1。

(5)主星将ΔP^Rx(k)和TPC(k)做相关，即：

式中：N为给定的相关长度(常数)，j为相关次数为自然数。

(6)主星将相关结果R_N(j)作为模糊逻辑控制器的输入，然后在其输出端口得参考功率的变化值ΔP^tar(j)。

(7)更新参考功率，完成一个外环功率控制周期。

P^tar(j+1)＝ΔP^tar(j)+P^tar(j) (6)

由于参考功率和外环功率控制同步，所以它们的计数值均用j表示。假定信号传播衰减为L，主星接收功率和从星发射功率的关系为：

P^Rx(k)＝P^Tx(k)·L (7)

将式(1)、(2)、(4)、(7)代入式(5)，得：

其中：TPC'(k)代表主星对TPC的估计，由于L、P^step均为正数，它们不影响符号函数的判定，因此从上述过程可以发现，主星ΔP^Rx(k)和TPC(k)的相关具有特殊性，它实际上是一种因与果之间的相关(简称因果相关)，是一种对功率控制效果的评估方法。

外环功率控制具有特殊性，首先主星的相关操作实际上是一种TPC有效性的判别过程。如图3所示，我们将从三种情况对ΔP^Rx(k)和TPC(k)的相关展开讨论，它们分别为：在一次相关过程中，从星达到功率上限(

区域)、从星未达功率上限(区域

)、部分达到功率上限(

区域)。

如果相关区间内的目标功率过高，则从星的功率无法继续提升，此时主星发送的功率控制指令TPC一直等于1(期望从星提升功率)，但实际上，从星功率并没有增加，因此ΔP^Rx(k)＝P^Rx(k+1)-P^Rx(k)＝0。由于存在多址干扰，功率测量存在一定的误差，测量误差的方差服从正态分布，并且和干扰通道接收功率相关，内环功率控制使得干扰通道和有用通道功率接近，因此功率测量服从分布：P^Rx～N(P^Rx,(P^Rx·σ_p)²)；其中，σ_p为归一化的多通道功率测量标准差。前后两次功率测量时独立的，那么测量结果的差值ΔP^Rx服从N(0,2(P^Rx·σ_p)²)的分布，此时因为TPC＝1，当ΔP^Rx(k)>0时为正确判断，反之则出现误判，从而影响相关结果，在这种分布条件下的误判概率P_err1为：

P_err1＝Φ(0)＝0.5 (9)

式中：Φ()为标准误差累计分布函数。在实际操作中，相关窗口的长度有限，相关结果也存在一定的抖动；我们将sgn[ΔP^Rx]组成的随机变量定义为X，并将其视为二项分布，那么出现n个sgn[ΔP^Rx]＝1的概率为：

此时的相关结果可表示为：

相关长度由星间的动态特性决定，在此我们以N＝40为例，

的离散概率分布如图4所示，其均值和方差可表示为：

式中：

代表某种相关取值的出现概率。

如果在一个相关周期内，从星的功率都可以自由变化，那么相邻两次功率测量值之差为ΔP^Rx(k)＝P^Rx(k+1)-P^Rx(k)＝TPC(k)·L·P^step，服从N(ΔP^Rx(k),2(P^Rx·σ_p)²)的分布；如果我们以TPC＝1为例，当ΔP^Rx<0时，则出现了误判的情况，从而导致相关结果出错，如图5所示，误判概率为：

同理，我们将sgn[ΔP^Rx]组成的随机变量定义为Y，则其服从Y～B(n,P_err2)分布，那么，

的离散概率分布如图6所示，其均值和方差可表示为：

如果在一个相关周期内，其中有m次相关位于

区域，(N-m)次相关位于

区域；我们首先根据m和(N-m)分别求出

和

的离散概率分布，再将

和

组合成为

的离散概率分布：

式中：

为一个(m+1)×(N-m+1)的矩阵。由于因果自相关结果的离散特性，

必然是离散的，并且满足：

式中：

且

所以，我们可以将

中等值点的概率合并，并最终得出

的离散概率分布，如图7所示，图中带x线条代表m＝N(相干区间全部落于

区间)的概率离散分布，带Δ线条代表m＝0(相干区间全部在

区间)的概率离散分布，其余的曲线则代表了m为不同值时的因果相关结果，随着m的增大，因果相关的均值变大，且相对离散程度降低。

由于相关结果R_N是进行外环调整的依据，因此，我们期望图7中各条件下的分布关系是稳定的，而分布曲线是否稳定最终取决于误判概率P_err2是否恒定。

将式(2)、(3)、(7)代入式(14)中，则有：

由于σ_p是归一化的功率测量标准差，它仅和接入通道数有关，特别是在多星编队应用中，从星的个数在测距时是确定的，因此σ_p是一个常数，而α本身就是一个常数，所以在本发明中相关结果的分布是稳定的。

虽然离散概率分布是稳定的，但是不同条件下的相关结果存在互相重叠，例如相关结果R_N＝0.8时(见图7中的虚线处)，从星的发射机功率有可能未达到

但也有可能已经达到

因此针对这种存在一定模糊性的输入条件，本发明采样模糊逻辑控制器对参考功率进行调整。

模糊功率控制器的结构如图8所示，由模糊化模块、模糊推理模块、反模糊化模块、知识库和连续同符号检测器组成。普通的模糊逻辑控制器的输入为反馈误差和误差变化率，而本实施方式中的模糊控制器输入为R_N和PR_M，其中PR_M为连续同符号检测器的输出，并用缓存总次数归一化，用于表征参考功率变化连续出现的次数；R_N和PR_M共同组成模糊逻辑控制器的输入，并从模糊逻辑控制器获得参考功率的输出变化ΔP^tar。模糊化模块将现实中的输入信息量化为几种语言变量；模糊推理模块根据知识库的关系，将输入语言变量转化为输出语言变量；反模糊化模块利用质心法，将输出语言变量转换为现实中的输出信息；输入隶属函数可参考上述分析的离散概率分布曲线，输出隶属函数可依据外环功率控制需求，在±1dB范围内进行调整，模糊推理过程可采用Mamdani法则。本实施方式中模糊推理的规则库如表1所示，R_N被量化为NE、ZN、ZP、PO四个语言变量，PR_M被量化为S、M、L三个语言变量，ΔP^tar被量化为NL、NS、ZE、PS、PL五个语言变量。

表1

以输入条件R_N＝-0.09、PR_N＝0.2为例，那么参考图9和图10，R_N可能隶属于NE，或者隶属于ZN，而PR_M可能隶属于S，也有可能隶属于M。根据规则库的定义，当规则R_N为NE且PR_M为S或M时，ΔP^tar应该是NS；当R_N为ZN且PR_M为S或M时，ΔP^tar应该是ZE，所以模糊推理的输出至少包含ZE于NS两个部分；最终，将ZE和NS两个部分合成后得出该次模糊控制的输出。

本实施方式三通道扩频测距系统的仿真结果如图11和图12所示，图中的虚线表示各通道的理论最大接收功率，粗体实线代表使用本发明的实际各通道接收功率；可以明显的看到，各个通道的实际接收功率重合，因此外环功率控制达到了平衡各个通道接收功率的目的，并且实际接收功率动态跟踪各个时刻的最弱接收功率，因此达到了跟踪最佳信噪比的目的。通过以上仿真，我们可以看出本发明方法是可行的，能够实现平衡信干比和最佳信噪比的追踪。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于多星编队多通道扩频测距系统的功率控制方法，其特征在于：包括内环功率控制和外环功率控制两部分；其中，内环功率控制部分的具体实现过程如下：

A1.由主星测量第k上行传输帧的接收功率P^Rx(k)，k为大于0的自然数；

A2.主星通过以下公式将接收功率P^Rx(k)与参考功率进行比较得到第k上行传输帧的功率控制符号，记做TPC(k)，并将其发送给从星；

TPC(k)＝sgn(P^tar-P^Rx(k))

其中：P^tar为当前参考功率，sgn()为符号函数；

A3.从星根据TPC(k)计算调整第k+1上行传输帧的发射功率P^Tx(k+1)；

外环功率控制部分的具体实现过程如下：

B1.由主星计算前后两次接收功率P^Rx(k+1)与P^Rx(k)的差值，并将该差值量化为1或-1，用ΔP^Rx(k)表示，P^Rx(k+1)为第k+1上行传输帧的接收功率，若P^Rx(k+1)大于P^Rx(k)，则ΔP^Rx(k)＝1，否则ΔP^Rx(k)＝-1；

B2.主星通过以下公式对ΔP^Rx(k)和TPC(k)做相关计算；

其中：N为给定的相关窗口长度，j为相关次数且为大于0的自然数；

B3.主星将计算得到的相关结果R_N(j)作为输入量通过模糊控制算法输出参考功率的变化值ΔP^tar(j)；

B4.利用变化值ΔP^tar(j)更新参考功率，从而完成一个外环功率控制周期。

2.根据权利要求1所述的功率控制方法，其特征在于：所述步骤A3中从星通过以下公式计算调整第k+1上行传输帧的发射功率P^Tx(k+1)：

其中：P^Tx(k)为第k上行传输帧的发射功率，P^step为从星的发射功率步长，

为从星的发射功率上限，case2表示从星的发射功率已达到上限

且无法再继续增加，case1表示从星的发射功率仍可以按预期变化。

3.根据权利要求2所述的功率控制方法，其特征在于：所述从星的发射功率步长P^step＝α×P^Tx(k)，α为大于0的步进常数。

4.根据权利要求1所述的功率控制方法，其特征在于：所述步骤B4中通过以下公式更新参考功率：

P^tar(j+1)＝ΔP^tar(j)+P^tar(j)

其中：P^tar(j)和P^tar(j+1)分别为更新前后的参考功率。

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