CN113031027B - 多倍音速空间目标飞行器的卫星信号快速捕获同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多倍音速空间目标飞行器的卫星信号快速捕获同步方法，包括如下步骤：接收机接收卫星发射信号，并进行参数初始化；生成卫星发射信号的本地参考信号；对接收到的卫星发射信号进行解调，抽样，得到抽样序列；对抽样序列补零或插零，产生新序列，即接收参考信号；将本地参考信号和接收参考信号同时输入基于快速傅里叶变换的跨异步码元部分匹配滤波器系统进行处理；对系统输出的信号进行最大值选择；并进行阈值判断，和最小二乘优化，以弥补该系统的扇贝损失与相关损失，实现捕获精度的提高。本发明的方法相比于传统方法能大幅改善高动态定位接收机的捕获概率和抗噪声性能。

Description

多倍音速空间目标飞行器的卫星信号快速捕获同步方法

技术领域

本发明涉及高动态信号接收技术领域，特别涉及一种多倍音速空间目标飞行器的卫星信号快速捕获同步方法。

背景技术

全球卫星导航系统(GNSS)在世界范围内得到迅猛发展，人们在各个领域对卫星导航服务的需求日益增长，频带资源变的拥挤不堪，采用BPSK-R调制的传统卫星信号的性能已经无法满足日益增加的导航应用需求，这使得二进制偏移载波(BOC)信号广泛应用在GNSS 中，尤其是欧盟的伽利略卫星导航系统和中国的北斗导航卫星系统。BOC调制信号能更好的减小同频信号互扰，提高通信质量和抗干扰能力，因此，能够快速准确的捕获BOC调制信号成为一种迫切需求。

全球导航卫星系统(GNSS)的高灵敏度和更快的捕获速度可能是相互矛盾的，尤其是在高动态环境下高速飞行的巡航导弹、宇宙飞船、深空探测器、高速飞行的航天器、多音速无人飞机等高速运载体上的卫星导航定位接收机，其与通信卫星间存在较大的径向速度，引入的较大的多普勒频移对信号的捕获有很大的影响。

已有学者将传统的各种捕获算法迁移运用于BOC调制信号，更有学者结合了部分匹配滤波器与快速傅里叶变换来改善捕获效果，但当多普勒频偏范围较大时容易造成自相关函数效果不理想。正因为现有同步捕获方法没有解决较大的多普勒干扰问题，使得现有同步捕获方法在高动态坏境下的实际应用中的抗噪性能差，捕获概率低。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种多倍音速空间目标飞行器的卫星信号快速捕获同步方法，能够更好的降低扇贝损失，提高系统的频偏分辨率，提高捕获概率、检测概率、和抗噪性能。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种多倍音速空间目标飞行器的卫星信号快速捕获同步方法，包括如下步骤：

步骤1，飞行器上的卫星导航定位接收机接收卫星发射信号，并进行参数初始化；

步骤2，根据初始化的参数，生成卫星发射信号的本地参考信号；

步骤3，对接收到的卫星发射信号进行解调，并对解调信号进行抽样，得到抽样序列；

步骤4，对抽样序列补零或插零，产生新序列，即接收参考信号；

步骤5，将不包含本地载波复制信号的本地参考信号和接收参考信号同时输入基于快速傅里叶变换的跨异步码元部分匹配滤波器系统进行处理；

步骤6，对跨异步码元部分匹配滤波系统输出的信号进行最大值选择；

步骤7，根据最大值进行阈值判断，确认是否捕获成功，若捕获成功进行下一步，若捕获失败则重复步骤1至步骤7，直至捕获成功；

步骤8，选取最大值及周围的2n个整数频点，将其进行最小二乘幅值拟合，并记录拟合曲线的最大幅值及峰值序号；

步骤9，利用最大幅值及峰值序号来确定多普勒频偏，并将其反馈给接收机，用以调整参数，以缩小频偏捕获范围，实现信号的高精度捕获与同步。

上述方案中，步骤1中的参数初始化具体包括：获取卫星发射端的载波频率ω_x，初始载波相位

伪码序列C，副载波形式，以及总相干积分时间T；接收机内的部分匹配滤波器的分段相干积分时间T_m，并分析计算部分匹配滤波器的个数Q，部分匹配滤波器的长度M和快速傅里叶变换点数N。

上述方案中，步骤2具体如下：根据初始化的参数，设置接收机内的数字控制振荡器，生成卫星发射信号的本地参考信号，所述本地参考信号包括本地载波复制信号、本地副载波复制信号以及本地伪码复制信号。

上述方案中，步骤3具体如下：

截取长度为3个或4个伪码长度的接收信号，忽略噪声的存在，经过本地复制载波解调，并以T_s为间隔进行抽样，以获取接收机的数字中频信号r(n)，表示为：

其中，

为接收信号的幅度，d(nT_s)为接收信号的数据码，C(nT_s)是值为±1、码片宽度为T_C的伪码序列，χ(nT_s)为实施BOC调制的副载波信号，f₀为中频频率，f_d为多普勒频率，

为接收信号的初相位，n为抽样点序号。

上述方案中，步骤4具体如下：

根据部分匹配滤波器可处理的序列长度L＝T/T_s，采用直接补零的方式，得到新序列

或采用插零的方式，得到新序列

其中，T为卫星发射端的总相干积分时间，T_s为抽样间隔，x₀代表原序列中第1位的元素，x₁代表原序列中第2位的元素，x₂代表原序列中第3位的元素，x_l-1代表原序列中第l位的元素，

代表一个1行T/T_s-l列的零数组，x_m代表原序列中的第m+1位的元素，x_m+1代表原序列中的第m+2位的元素，m取[0,l-1]范围内的任意值， l代表原序列长度。

上述方案中，步骤5具体如下：

基于快速傅里叶变换的跨异步码元部分匹配滤波器系统包含Q个子相关器，每个子相关器的相关时间为T/Q，即第一个子相关器的积分时间为0～T₁，第二个子相关器的积分时间为T₁～T₂，依次类推，第Q个子相关器的相关时间为T_Q-1～T_Q；每个子相关器对连续的T_m时间内的连续的M个采样点作相关运算，M＝L/Q，然后将系统中Q个子相关器的Q个输出作N点FFT变换，N≥Q。

上述方案中，步骤6具体如下：

对系统的输出信号进行遍历，采用最大相关法搜索最大值P_max，并记录最大值及其对应的多普勒频移、码片滑动数，同时记录次大值P_sec-max，用于后续的阈值判断。

上述方案中，步骤7具体如下：

设阈值判断门限V_Th＝2.5，采用最大值P_max与次大值P_sec-max比值的判断方式 D＝P_max/P_sec-max，结合遍历结果进行阈值判断：

若D＞V_Th，则认为捕获成功；若D≤V_Th，则认为捕获失败，需要调整接收机内的数字控制振荡器，本地参考信号向前移动M/2点，重复执行步骤1至步骤7，直至捕获成功。

上述方案中，步骤8具体如下：

选取最大值及周围的2n个整数频点(x_max+n-1,y_max+n-1)，…，(x_max-1,y_max-1)，(x_max,y_max)， (x_max+1,y_max+1)，…，(x_max+n,y_max+n)，将其进行最小二乘的3次拟合，并记录拟合曲线的最大幅值y_new-max及峰值序号x_new-max。

上述方案中，步骤9具体如下：

将最大幅值对应的峰值序号x_new-max带入公式f_d＝x/NMT_s来确定多普勒频偏，其中，x为峰值序号，N为快速傅里叶变换点数，M为部分匹配滤波器的长度，T_s为抽样间隔；并将其反馈给接收机内的数字控制振荡器用以纠正频偏，以缩小频偏捕获范围，得到更加精确的频偏，实现信号的高精度捕获与同步。

通过上述技术方案，本发明提供的多倍音速空间目标飞行器的卫星信号快速捕获同步方法具有如下有益效果：

本发明针对高动态环境下多倍音速空间目标飞行器的大多普勒频移，采用了FFT-PMFAAS算法，有效地抵抗了由大多普勒频移引入的相关峰衰减特性，扩大了频率的搜索范围，并实现了时域与频域的并行搜索，提高了捕获速率，而且在较大的多普勒频偏范围内，该系统对多普勒不敏感，仍然可以完成伪码的同步捕获。本发明的方法采用跨异步码元的方式，选取3-4个伪码长度的信号，相比于传统方法能获得更加明显的自相关峰值，可更大程度上抑制因噪声等干扰引起的误捕，更大程度的降低了虚警概率。因此，本发明的方法，相比于传统方法能大大提高多倍音速空间目标飞行器的卫星导航定位接收机的捕获概率和抗噪声性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明实施例提供的多倍音速空间目标飞行器的卫星信号快速捕获同步方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的多倍音速空间目标飞行器的卫星信号快速捕获同步方法的示意图；

图3a是本发明实施例提供的对序列补零方式的示意图；

图3b是本发明实施例提供的对序列插零方式的示意图；

图4是本发明实施例提供的跨异步码元互相关示意图；

图5是本发明实施例提供的多倍音速空间目标飞行器上的接收机的径向速度分析的示意图。

图6是本发明实施例提供的对接收信号的初步捕获结果的示意图。

图7是本发明实施例提供的对接收信号进行最小二乘曲线拟合优化后的捕获结果的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种多倍音速空间目标飞行器的卫星信号快速捕获同步方法，该方法基于快速傅里叶变换跨异步码元部分匹配滤波器(FFT-PMFAAS)系统，该方法适用于高速飞行的巡航导弹、宇宙飞船、深空探测器、高速飞行的航天器、多音速无人飞机等高速运载体上的卫星导航定位接收机。该方法是针对于采用BOC调制的北斗卫星信号的快速同步捕获算方法。

如图1和图2所示，具体包括如下步骤：

步骤1，飞行器上的卫星导航定位接收机接收卫星发射信号，并进行参数初始化；具体包括：

获取卫星发射端的载波频率ω_x，初始载波相位

伪码序列C，副载波形式，以及总相干积分时间T；接收机内的部分匹配滤波器的分段相干积分时间T_m，并分析计算部分匹配滤波器的个数Q，部分匹配滤波器的长度M和快速傅里叶变换点数N。

步骤2，根据初始化的参数，生成卫星发射信号的本地参考信号；具体如下：

根据初始化的参数，设置接收机内的数字控制振荡器，生成卫星发射信号的本地参考信号，所述本地参考信号包括本地载波复制信号、本地副载波复制信号以及本地伪码复制信号。

步骤3，对接收到的卫星发射信号进行解调，并对解调信号进行抽样，得到抽样序列；具体如下：

截取长度为3个或4个伪码长度的接收信号，忽略噪声的存在，经过本地复制载波解调，并以T_s为间隔进行抽样，以获取接收机的数字中频信号r(n)，表示为：

其中，

为接收信号的幅度，d(nT_s)为接收信号的数据码，C(nT_s)是值为±1、码片宽度为T_C的伪码序列，χ(nT_s)为实施BOC调制的副载波信号，f₀为中频频率，f_d为多普勒频率，

为接收信号的初相位，n为抽样点序号。

步骤4，对抽样序列补零或插零，产生新序列，即接收参考信号；具体如下：

根据部分匹配滤波器可处理的序列长度L＝T/T_s，采用直接补零的方式，如图3a所示，得到新序列

或采用插零的方式，如图3b所示，得到新序列

其中，T为卫星发射端的总相干积分时间，T_s为抽样间隔，x₀代表原序列中第1位的元素，x₁代表原序列中第2位的元素，x₂代表原序列中第3位的元素，x_l-1代表原序列中第l位的元素，

代表一个1行T/T_s-l列的零数组，x_m代表原序列中的第m+1位的元素，x_m+1代表原序列中的第m+2位的元素，m取[0,l-1]范围内的任意值， l代表原序列长度。

步骤5，将本地参考信号和接收参考信号同时输入基于快速傅里叶变换的跨异步码元部分匹配滤波器(FFT-PMFAAS)系统进行处理；

FFT-PMFAAS系统包含Q个子相关器，每个子相关器的相关时间为T/Q，即第一个子相关器的积分时间为0～T₁，第二个子相关器的积分时间为T₁～T₂，依次类推，第Q个子相关器的相关时间为T_Q-1～T_Q；每个子相关器对连续的T_m时间内的连续的M个采样点作相关运算，M＝L/Q，然后将系统中Q个子相关器的Q个输出作N点FFT变换，N≥Q。

具体如下：

如图4所示，本地参考信号为

其中，m表示接收参考信号的伪码和本地参考信号的伪码间的抽样周期数；

然后滤除本地载波复制信号后，将由本地伪码复制信号与本地副载波复制信号组成的本地参考信号与接收参考信号同时送入跨异步码元部分匹配滤波器系统进行子相关处理，每一个部分匹配滤波器的输出为：

其中，L_PN代表伪码序列C的长度；

若接收参考信号的伪码与本地参考信号的伪码对齐，即m＝0，则C(nT_s)C[(n-m)T_s]＝1，假设数据码没有跳变，则第i个子相关输出的归一化结果表示为：

假设接收参考信号的伪码与本地参考信号的伪码已对齐，为Q个部分匹配滤波器的输出补(N-Q)个零，其中，N＝2^s，并做N点FFT，则第x个点的归一化幅值输出为：

其中，x＝0,1,...,N-1。

步骤6，对跨异步码元部分匹配滤波系统输出的信号进行最大值选择；具体如下：

对系统的输出信号进行遍历，采用最大相关法搜索最大值P_max，并记录最大值及其对应的多普勒频移、码片滑动数，同时记录次大值P_sec-max，用于后续的阈值判断。

步骤7，根据最大值进行阈值判断，确认是否捕获成功，若捕获成功进行下一步，若捕获失败则重复步骤1至步骤7，直至捕获成功；具体如下：

设阈值判断门限V_Th＝2.5，采用最大值P_max与次大值P_sec-max比值的判断方式 D＝P_max/P_sec-max，结合遍历结果进行阈值判断：

若D＞V_Th，则认为捕获成功；若D≤V_Th，则认为捕获失败，需要调整接收机内的数字控制振荡器，本地参考信号向前移动M/2点，重复执行步骤1至步骤7，直至捕获成功。

步骤8，选取最大值及周围的2n个整数频点，将其进行最小二乘幅值拟合，并记录拟合曲线的最大幅值及峰值序号；具体如下：

选取最大值及周围的2n个整数频点(x_max+n-1,y_max+n-1)，…，(x_max-1,y_max-1)，(x_max,y_max)， (x_max+1,y_max+1)，…，(x_max+n,y_max+n)，将其进行最小二乘的3次拟合，并记录拟合曲线的最大幅值y_new-max及峰值序号x_new-max。

步骤9，利用最大幅值及峰值序号来确定多普勒频偏，并将其反馈给接收机，用以调整参数，以缩小频偏捕获范围，实现信号的高精度捕获与同步；具体如下：

将最大幅值对应的峰值序号x_new-max带入公式f_d＝x/NMT_s来确定多普勒频偏，其中，x为峰值序号，N为快速傅里叶变换点数，M为部分匹配滤波器的长度，T_s为抽样间隔；并将其反馈给接收机内的数字控制振荡器用以纠正频偏，以缩小频偏捕获范围，得到更加精确的频偏，实现信号的高精度捕获与同步。

下面以具体的实施例对上述方法进行详细说明，本实施例是以5倍音速的飞机为基础实现的上述方法，具体如下：

已知地球半径r_E为6368km，通信卫星运行轨道平均半径r_S为26560km，通信卫星运行速度v_S为3862m/s，B1信号载波中心频率为1575.42MHz，5倍超音速飞机(接收机)速度 v_R为1700m/s。如图5所示，可求得超音速飞机与通信卫星之间的多普勒频移取值范围为 [0,13.79]KHz。

首先进行初始化与参数设置，设卫星发射信号载波频率ω_x＝2GHz，初始载波相位

抽样频率为5MHz，总相干积分时间T＝1ms，伪码序列采用C/A码，并采用余弦副载波进行载波调制。经计算分析，部分匹配滤波器的个数Q＝32，部分匹配滤波器的长度M＝128和快速傅里叶变换点数N＝256，并取多普勒频移值为4810Hz，进行接收信号捕获仿真。

如图6所示，捕获到的最大幅值对应的峰值序号为32，经计算得多普勒频偏 f_d＝x/NMT_s＝4882.8Hz，捕获误差为72.8Hz。如图7所示，经对接收信号的最小二乘的3次拟合，可得其最大幅值对应的峰值序号为31.59，经计算得多普勒频偏 f_d＝x/NMT_s＝4820.2Hz，捕获误差为10.2Hz。

因此，采用本发明的方法，将大大提高抗噪声性能，且能有效提升捕获概率。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种多倍音速空间目标飞行器的卫星信号快速捕获同步方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，飞行器上的卫星导航定位接收机接收卫星发射信号，并进行参数初始化；

步骤2，根据初始化的参数，生成卫星发射信号的本地参考信号；

步骤3，对接收到的卫星发射信号进行解调，并对解调信号进行抽样，得到抽样序列；

步骤4，对抽样序列补零或插零，产生新序列，即接收参考信号；

步骤5，将不包含本地载波复制信号的本地参考信号和接收参考信号同时输入基于快速傅里叶变换的跨异步码元部分匹配滤波器系统进行处理；将由本地伪码复制信号与本地副载波复制信号组成的本地参考信号与接收参考信号同时送入跨异步码元部分匹配滤波器系统进行子相关处理，每一个部分匹配滤波器的输出为：

其中，L_PN代表伪码序列C的长度；

为接收信号的幅度，d(nT_s)为接收信号的数据码，C(nT_s)是值为±1、码片宽度为T_C的伪码序列，χ(nT_s)为实施BOC调制的副载波信号，f_d为多普勒频率，

为接收信号的初相位，n为抽样点序号，m表示接收参考信号的伪码和本地参考信号的伪码间的抽样周期数，M为部分匹配滤波器的长度，T_s为抽样间隔；

本地参考信号为2个伪码单元长度，接收参考信号为3个或4个伪码单元长度；

步骤6，对跨异步码元部分匹配滤波系统输出的信号进行最大值选择；

步骤7，根据最大值进行阈值判断，确认是否捕获成功，若捕获成功进行下一步，若捕获失败则重复步骤1至步骤7，直至捕获成功；

步骤8，选取最大值及周围的2n个整数频点，将其进行最小二乘幅值拟合，并记录拟合曲线的最大幅值及峰值序号；

步骤9，利用最大幅值及峰值序号来确定多普勒频偏，并将其反馈给接收机，用以调整参数，以缩小频偏捕获范围，实现信号的高精度捕获与同步。

2.根据权利要求1所述的一种多倍音速空间目标飞行器的卫星信号快速捕获同步方法，其特征在于，步骤1中的参数初始化具体包括：获取卫星发射端的载波频率ω_x，初始载波相位

伪码序列C，副载波形式，以及总相干积分时间T；接收机内的部分匹配滤波器的分段相干积分时间T_m，并分析计算部分匹配滤波器的个数Q，部分匹配滤波器的长度M和快速傅里叶变换点数N。

3.根据权利要求1所述的一种多倍音速空间目标飞行器的卫星信号快速捕获同步方法，其特征在于，步骤2具体如下：根据初始化的参数，设置接收机内的数字控制振荡器，生成卫星发射信号的本地参考信号，所述本地参考信号包括本地载波复制信号、本地副载波复制信号以及本地伪码复制信号。

4.根据权利要求2所述的一种多倍音速空间目标飞行器的卫星信号快速捕获同步方法，其特征在于，步骤3具体如下：

截取长度为3个或4个伪码长度的接收信号，忽略噪声的存在，经过本地复制载波解调，并以T_s为间隔进行抽样，以获取接收机的数字中频信号r(n)，表示为：

其中，

为接收信号的幅度，d(nT_s)为接收信号的数据码，C(nT_s)是值为±1、码片宽度为T_C的伪码序列，χ(nT_s)为实施BOC调制的副载波信号，f₀为中频频率，f_d为多普勒频率，

为接收信号的初相位，n为抽样点序号。

5.根据权利要求4所述的一种多倍音速空间目标飞行器的卫星信号快速捕获同步方法，其特征在于，步骤4具体如下：

根据部分匹配滤波器可处理的序列长度L＝T/T_s，采用直接补零的方式，得到新序列

或采用插零的方式，得到新序列

其中，T为卫星发射端的总相干积分时间，T_s为抽样间隔，x₀代表原序列中第1位的元素，x₁代表原序列中第2位的元素，x₂代表原序列中第3位的元素，x_l-1代表原序列中第l位的元素，

代表一个1行T/T_s-l列的零数组，x_m代表原序列中的第m+1位的元素，x_m+1代表原序列中的第m+2位的元素，m取[0,l-1]范围内的任意值，l代表原序列长度。

6.根据权利要求5所述的一种多倍音速空间目标飞行器的卫星信号快速捕获同步方法，其特征在于，步骤5具体如下：

基于快速傅里叶变换的跨异步码元部分匹配滤波器系统包含Q个子相关器，每个子相关器的相关时间为T/Q，即第一个子相关器的积分时间为0～T₁，第二个子相关器的积分时间为T₁～T₂，依次类推，第Q个子相关器的相关时间为T_Q-1～T_Q；每个子相关器对连续的T_m时间内的连续的M个采样点作相关运算，M＝L/Q，然后将系统中Q个子相关器的Q个输出作N点FFT变换，N≥Q。

7.根据权利要求1所述的一种多倍音速空间目标飞行器的卫星信号快速捕获同步方法，其特征在于，步骤6具体如下：

对系统的输出信号进行遍历，采用最大相关法搜索最大值P_max，并记录最大值及其对应的多普勒频移、码片滑动数，同时记录次大值P_sec-max，用于后续的阈值判断。

8.根据权利要求1所述的一种多倍音速空间目标飞行器的卫星信号快速捕获同步方法，其特征在于，步骤7具体如下：

设阈值判断门限V_Th＝2.5，采用最大值P_max与次大值P_sec-max比值的判断方式D＝P_max/P_sec-max，结合遍历结果进行阈值判断：

若D＞V_Th，则认为捕获成功；若D≤V_Th，则认为捕获失败，需要调整接收机内的数字控制振荡器，本地参考信号向前移动M/2点，重复执行步骤1至步骤7，直至捕获成功。

9.根据权利要求1所述的一种多倍音速空间目标飞行器的卫星信号快速捕获同步方法，其特征在于，步骤8具体如下：

选取最大值及周围的2n个整数频点(x_max+n-1,y_max+n-1)，…，(x_max-1,y_max-1)，(x_max,y_max)，(x_max+1,y_max+1)，…，(x_max+n,y_max+n)，将其进行最小二乘的3次拟合，并记录拟合曲线的最大幅值y_new-max及峰值序号x_new-max。

10.根据权利要求9所述的一种多倍音速空间目标飞行器的卫星信号快速捕获同步方法，其特征在于，步骤9具体如下：

将最大幅值对应的峰值序号x_new-max带入公式f_d＝x/NMT_s来确定多普勒频偏，其中，x为峰值序号，N为快速傅里叶变换点数，M为部分匹配滤波器的长度，T_s为抽样间隔；并将其反馈给接收机内的数字控制振荡器用以纠正频偏，以缩小频偏捕获范围，得到更加精确的频偏，实现信号的高精度捕获与同步。

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