CN110518936B - 高超声速飞行器大动态多普勒快速捕获方法及通信系统 - 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快速捕获方法及通信系统，首先采取盲快速估计算法对接收信号的多普勒速率进行快速估计；利用估计得到的多普勒速率对接收信号进行补偿，针对补偿后的接收信号在多个连续符号上进行傅里叶变换，接着对多个符号傅里叶变换的结果进行平方累积平均；最后对累积结果进行峰值搜索，其中最大峰值即为捕获到的多普勒频偏值，接收信号多普勒速率已经通过盲估计算法得到。基于飞行条件预估的多普勒搜索范围修正环节将谱峰搜索限制在更小的范围内，以进一步提高载波信号的捕获精度和捕获速度。本发明提高了载波信号捕获概率及捕获速度，可应用于高超声速飞行器快速/实时测控通信。

Description

高超声速飞行器大动态多普勒快速捕获方法及通信系统

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快速捕获方法及通信系统。

背景技术

高超声速飞行器机动飞行过程中测控通信载波信号会经历大动态多普勒的影响，且由于地面测控站接收信号信噪比低，使得难以对载波信号在低信噪比、大动态多普勒条件下完成快速且精确的捕获。

目前，最接近的现有技术：国外学者Falletti E基于传统的载波频率和码元相位的二维搜索算法，利用交叉模糊函数提出了一种比二维搜索算法更精确的多普勒频率估计方法，利用交叉模糊函数峰值附近的值联合估计多普勒频率，以获得更高的估计精度，但是其仅适用于接收信号信噪比较高的情况，并且主要针对的是固定多普勒频偏，而未充分考虑多普勒变化率的影响。国内学者张兆维针对深空通信中所面临的大动态多普勒捕获问题，提出了一种基于谱峰搜索范围修正(SRC)的多普勒频偏捕获方法，从提高多普勒频偏捕获概率的角度改善了载波信号的捕获性能，但是此方法并未充分考虑多普勒捕获速度的问题。

针对多普勒频偏的捕获速度问题，国内学者郭文飞基于部分匹配滤波(PMF-FFT)提出了一种改进方法，未增添FFT点数的同时提升了多普勒频率的估计范围。王乐提出利用连续两段信号傅里叶变换的关系修正FFT对多普勒频偏的估计误差，提升了多普勒频率的估计精度。然而，上述基于FFT的捕获方法针对的只是固定的多普勒频偏，而未考虑由于信号发送端与接收端的相对加速运动所引起的多普勒变化率对捕获性能的影响。

综上所述，在低信噪比、大动态多普勒两者同时存在的条件下，同时考虑载波信号多普勒频偏捕获的快速性和精确度两个指标时，目前依然没有很好的解决方法，而高超声速飞行环境下载波信号的捕获，恰恰就是这样一个问题，因此有必要同时考虑低信噪比和大动态多普勒两者同时存在的严苛条件，研究载波信号的快速、精确的捕获方法，对于保证高超声速飞行器的全天候连续可靠测控通信具有重要意义。

综上所述，现有技术存在的问题是：在低信噪比、大动态多普勒同时存在的条件下会产生捕获速度与捕获精度相互矛盾的问题，进而导致无法实现载波信号的快速精确捕获。

解决上述技术问题的难度：

在低信噪比条件下，一个接收符号上的谱峰值容易被背景噪声所淹没导致谱峰值难以检测。因此，通常需要组合多个符号以在接收端获得较高的信噪比输出，从而才能保证飞行器和测控站之间可靠的通信。然而，大动态多普勒会导致信号能量在频域扩散，严重影响信号的能量累积。除此之外，多普勒的动态性会使得多普勒频移实时补偿变得很困难。大动态多普勒捕获精度和捕获速度之间因为前述两个约束条件而存在严重的矛盾问题。

解决上述技术问题的意义：

实现高超声速飞行器大动态多普勒快速且精确的捕获，对于解决高超声速飞行器的快速/实时测控通信难题具有重要意义。

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快速捕获方法及通信系统。

本发明是这样实现的，一种超声速飞行器大动态多普勒快速捕获方法，所述超声速飞行器大动态多普勒快速捕获方法包括以下步骤：

第一步，利用快速盲估计方法对多普勒变化率进行估计；

第二步，对中频接收信号中的多普勒变化率进行补偿；

第三步，根据谱峰搜索范围修正的思想对补偿后信号的功率谱峰值进行搜索，结合多普勒变化率盲估计结果实现多普勒频偏和多普勒变化率联合捕获；

(1)对补偿之后的结果在第m个符号上的数据做傅里叶变换，结果:表示为：

式中T_b＝1/r_b表示一个符号的持续时间，h(t)表示(m-1)T到mT时间内的矩形窗，N(f)表示噪声项n(t)的傅里叶变换；

(2)对补偿之后的结果在多个连续符号上的数据做傅里叶变换，并进行累积平均；

(3)功率谱将会在真实的多普勒频偏处获得最大值；

(4)基于飞行条件预估多普勒频偏发生的范围，对谱峰搜索范围进行修正；

(5)在修正之后的谱峰搜索范围内进行谱峰值搜索，获得多普勒频偏。

进一步，所述第一步中多普勒变化率快速盲估计方法包括：

(1)获得接收信号的四阶距切片：接收信号表示为

t≥0，其中，a表示常数值的符号幅度，b∈{-1,+1}是未知的传输比特信息，其传输速率为r_b，f_d表示多普勒频偏，f_a表示多普勒变化率，

表示信号初始相位，n(t)表示均值为0方差为σ²的复加性高斯白噪声，接收信号的四阶距切片表示为：

式中τ₀固定，而τ是变量，且τ₀>0；

(2)获得接收信号的四阶距切片m_r(τ)和接收信号中的比特信息的四阶距切片m_b(τ)之间的相位差，表示为：

(3)对ξ(τ)进行离散时间傅里叶变换，得到：

(4)通过谱峰搜索获得多普勒变化率的估计值

进一步，所述第二步中利用估计的多普勒速率对中频接收信号进行补偿，补偿之后的差频信号表示为：

式中

为补偿后残留的多普勒速率。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述超声速飞行器大动态多普勒快速捕获方法的飞行器。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述超声速飞行器大动态多普勒快速捕获方法的无线通信系统。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明基于功率谱谱峰搜索范围修正的思想，同时结合多普勒变化率盲估计和预补偿方法，可大大提高多普勒频偏和多普勒变化率的联合捕获的速度。

本发明与现有技术相比较，具有如下有益效果：

1)可实现Ka频段(30GHz)条件下多普勒频偏1.5MHz，多普勒变化率±200kHz的成功捕获，且多普勒频偏捕获误差在100Hz以内，多普勒变化率捕获误差在1kHz以内。

2)接收信号信噪比(SNR)分别等于-34dB和-32dB时，多普勒频偏的捕获概率分别从0.34和0.62提高到了0.56和0.92。

3)当组合符号数为1000个时，捕获处理速度相比基于多普勒速率匹配的并行多支路捕获方法提升了75.47％，且处理速度的提升效果随着组合符号数的增加而变得越来越明显。

附图说明

图1是本发明实施例提供的超声速飞行器大动态多普勒快速捕获方法流程图。

图2是本发明实施例提供的超声速飞行器大动态多普勒快速捕获方法实现流程图。

图3是本发明实施例提供的多普勒速率估计结果示意图。

图4是本发明实施例提供的一个符号上多普勒频偏的捕获概率随接收信号信噪比变化的曲线示意图。

图5是本发明实施例提供的一个符号上多普勒变化率的捕获概率随接收信号信噪比变化的曲线示意图。

图6是本发明实施例提供的100个组合符号数时多普勒频偏的捕获概率随接收信号信噪比变化的曲线示意图。

图7是本发明实施例提供的100个组合符号数时多普勒变化率的捕获概率随接收信号信噪比变化的曲线示意图。

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，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快速捕获方法及通信系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的超声速飞行器大动态多普勒快速捕获方法包括以下步骤：

S101：采取盲快速估计算法对接收信号的多普勒速率进行快速估计；

S102：利用估计得到的多普勒速率对接收信号进行补偿，针对补偿后的接收信号在多个连续符号上进行傅里叶变换；

S103：对多个符号傅里叶变换的结果进行平方累积平均；

S104：对累积结果进行峰值搜索，其中最大峰值即为捕获到的多普勒频偏值。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

如图2所示，本发明实施例提供的超声速飞行器大动态多普勒快速捕获方法具体包括以下步骤：

第一步，利用快速盲估计方法对多普勒变化率进行估计；

第二步，对中频接收信号中的多普勒变化率进行补偿；

第三步，根据谱峰搜索范围修正的思想对补偿后信号的功率谱峰值进行搜索，结合多普勒变化率盲估计结果实现多普勒频偏和多普勒变化率联合捕获。

在本发明的优选实施例中，第一步中多普勒变化率快速盲估计方法包括，

(1)获得接收信号的四阶距切片：接收信号表示为

t≥0，其中，a表示常数值的符号幅度，b∈{-1，+1}是未知的传输比特信息，其传输速率为r_b，f_d表示多普勒频偏，f_a表示多普勒变化率，

表示信号初始相位，n(t)表示均值为0方差为σ²的复加性高斯白噪声。接收信号的四阶距切片可表示为：

式中τ₀固定，而τ是变量，且τ₀>0。

(2)获得接收信号的四阶距切片m_r(τ)和接收信号中的比特信息的四阶距切片m_b(τ)之间的相位差，可表示为：

(3)对ξ(τ)进行离散时间傅里叶变换，可得到：

(4)通过谱峰搜索获得多普勒变化率的估计值

在本发明的优选实施例中，第二步中利用估计的多普勒速率对中频接收信号进行补偿，补偿之后的差频信号可以表示为：

式中

为补偿后残留的多普勒速率。

在本发明的优选实施例中，第三步根据谱峰搜索范围修正的思想对补偿后信号的功率谱峰值进行搜索，以完成多普勒频偏和多普勒变化率的联合捕获，其包括以下步骤：

(1)对补偿之后的结果在第m个符号上的数据做傅里叶变换，结果可表示为：

式中T_b＝1/r_b表示一个符号的持续时间，h(t)表示(m-1)T到mT时间内的矩形窗，N(f)表示噪声项n(t)的傅里叶变换；

(2)对补偿之后的结果在多个连续符号上的数据做傅里叶变换，并进行累积平均；

(3)基于飞行条件预估多普勒频偏发生的范围，对谱峰搜索范围进行修正；

(4)对累积平均的结果在修正之后的峰值搜索范围内进行谱峰值搜索；

(5)搜索到的最大峰值即为捕获到的多普勒频偏值，而多普勒速率已经通过上述盲估计算法得到了。

下面结合仿真对本发明的技术效果作详细的描述。

1.仿真条件及相关参数设置：

测控通信载波信号的采样频率为f_c＝30GHz，飞行器与地面测控站之间的径向相对运动速度为v_max＝15.0km/s，飞行器与地面测控站之间的径向相对运动加速度为v_a＝204×9.8m/s²，接收信号的采样频率为f_s＝6MHz，多普勒频偏为f_d＝1.5MHz，多普勒变化率为f_a＝200kHz/s，传输符号的比特速率为r_b＝10.0kb/s，多普勒频偏的捕获门限为100Hz，多普勒速率的捕获门限为1kHz，接收信号信噪比范围为[-42，-20]dB。飞行条件为：飞行器与地面测控站之间的径向相对运动速度从5km/s以相对恒定加速度204×9.8m/s²变化到25km/s，此时，对应的飞行器测控通信信号的多普勒频偏范围为[0.5MHz，2.5MHz]。因此，在本发明的谱峰搜索环节，可以将谱峰搜索范围限制在[0.5MHz，2.5MHz]，而不是[-f_s/2，f_s/2]＝[-3MHz，3MHz]。

2.仿真内容

仿真1，接收信号信噪比等于-20dB，通过本发明提出的多普勒速率快速盲估计算法估计得到接收信号的多普勒变化率。

从图2可见，接收信号的多普勒变化率，即图3所示的200kHz的频率分量可以通过这种盲估计算法被精确的估计出来。

仿真2，分别采用基于多普勒速率匹配的并行多支路捕获方法和本发明所提出的捕获方法，对一个符号的功率谱峰值进行搜索，得到多普勒频偏的捕获概率随接收信号信噪比(SNR)变化的曲线。

从图4可见，经过多普勒速率快速盲估计算法辅助之后，多普勒频偏的捕获性能得到了改善。

仿真3，分别采用基于多普勒速率匹配的并行多支路捕获方法和本发明所提出的捕获方法，对一个符号的功率谱峰值进行搜索，得到多普勒速率的捕获概率随接收信号信噪比(SNR)变化的曲线。

从图5可见，在接收信号信噪比等于-20dB的条件下，多普勒速率的捕获概率从0.52提高到了0.86。且当SNR>＝-18dB时，利用本发明所提出的算法仅在一个符号上可以实现多普勒速率100％的成功捕获，这大大加快了载波信号的捕获速度。

仿真4，分别采用基于多普勒速率匹配的并行多支路捕获方法和本发明所提出的捕获方法，对100个连续符号的功率谱进行累积平均，然后进行峰值搜索，得到多普勒频偏的捕获概率随接收信号信噪比(SNR)变化的曲线。

从图6可见，当采用100个连续符号进行累积平均时，本发明所提出的捕获方法针对多普勒频偏的捕获性能优于多普勒速率匹配的并行多支路捕获方法。例如，当SNR分别等于-34dB和-32dB时，多普勒频偏的捕获概率分别从0.34和0.62提高到了0.56和0.92。但是当信噪比极低(SNR≤-36dB)时，多普勒频偏的捕获概率提升不明显。

仿真5，分别采用基于多普勒速率匹配的并行多支路捕获方法和本发明所提出的捕获方法，对100个连续符号的功率谱进行累积平均，然后进行峰值搜索，得到多普勒速率的捕获概率随接收信号信噪比(SNR)变化的曲线。

从图7可见，当采用100个连续符号进行累积平均时，本发明所提出的捕获方法针对多普勒速率的捕获性能优于多普勒速率匹配的并行多支路捕获方法，但是当信噪比极低(SNR≤-36dB)时，多普勒速率的捕获概率同样提升不明显。这种多普勒速率的盲估计算法在极低信噪比时适应能力有限，导致多普勒速率在极低信噪比条件下捕获概率改善不明显。

仿真6，在同样的仿真环境中，分别针对基于多普勒速率匹配的多支路并行捕获方法和本发明所提出的捕获方法，在接收信号信噪比SNR＝-34dB时，在不同组合符号数条件下对载波信号的捕获概率和捕获速度同时进行评估，得到这两种载波信号捕获方法的捕获概率和捕获速度。

从表1可见，针对捕获概率而言，当组合符号数分别为100、300和500个时，相比基于多普勒速率匹配的并行多支路捕获方法，本发明所提出的联合捕获方法的捕获概率分别从0.34、0.82和0.91提升到了0.56、0.88和0.94。且从捕获处理速度的角度看，本发明所提出的捕获方法在不同组合符号数条件下都要优于基于多普勒速率匹配的并行多支路捕获方法。另外，当组合符号数为1000个时，经过多普勒速率盲估计算法辅助之后，处理速度提升了75.47％，且处理速度的提升效果随着组合符号数的增加而变得越来越明显。

表1

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 (3)

1.一种高超声速飞行器大动态多普勒快速捕获方法，其特征在于，所述高超声速飞行器大动态多普勒快速捕获方法包括以下步骤：

第一步，利用快速盲估计方法对多普勒变化率进行估计；

第二步，对中频接收信号中的多普勒变化率进行补偿；

第三步，根据谱峰搜索范围修正的思想对补偿后信号的功率谱峰值进行搜索，结合多普勒变化率盲估计结果实现多普勒频偏和多普勒变化率联合捕获；

所述第一步中多普勒变化率快速盲估计方法包括：

(1)获得接收信号的四阶距切片：接收信号表示为

其中，a表示常数值的符号幅度，b∈{-1,+1}是未知的传输比特信息，其传输速率为r_b，f_d表示多普勒频偏，f_a表示多普勒变化率，

表示信号初始相位，n(t)表示均值为0方差为σ²的复加性高斯白噪声，接收信号的四阶距切片表示为：

式中τ₀固定，而τ是变量，且τ₀>0；

(2)获得接收信号的四阶距切片m_r(τ)和接收信号中的比特信息的四阶距切片m_b(τ)之间的相位差，表示为：

(3)对相位差ξ(τ)进行离散时间傅里叶变换，得到：

(4)通过谱峰搜索获得多普勒变化率的估计值

2.如权利要求1所述的高超声速飞行器大动态多普勒快速捕获方法，其特征在于，所述第二步中利用估计的多普勒速率对中频接收信号进行补偿，补偿之后的差频信号表示为：

式中

为补偿后残留的多普勒速率。

3.如权利要求1所述的高超声速飞行器大动态多普勒快速捕获方法，其特征在于，所述第三步包括：

(1)对补偿之后的结果在第m个符号上的数据做傅里叶变换，结果表示为：

式中h(t)表示(m-1)T到mT时间内的矩形窗，N(f)表示噪声项n(t)的傅里叶变换；d(t)表示补偿之后的差频信号；

为补偿后残留的多普勒速率；

(2)对补偿之后的结果在多个连续符号上的数据做傅里叶变换，并进行累积平均；

(3)功率谱将会在真实的多普勒频偏处获得最大值；

(4)基于典型飞行条件确定多普勒频偏发生的范围，对谱峰搜索范围进行修正；

(5)在修正之后的谱峰搜索范围内进行谱峰值搜索，获得多普勒频偏。

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