CN113050130A - 卫星通信高动态突发信号的捕获方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种卫星通信高动态突发信号的捕获方法及装置，利用本地生成的载波信号对接收到的卫星信号进行下变频处理，在不同的通道产生对应的多普勒分割补偿载波，对信号进行变频补偿处理，送入并行捕获通道，在每个并行通道中将整个匹配滤波器等分成多个部分匹配滤波器，在每段滤波器中实现本地伪码信号与输入信号的移位相关计算,对所有相关结果补零后进行FFT运算，随后对得到的结果进行非相干后积累，对所有通道中的峰值进行比较，取最大值进行门限检测，若通过，则完成捕获。将需要搜索的大多普勒频率范围分割补偿为多个小的频率片段，从而既能压缩每条通道的多普勒频率，又能同时覆盖整个多普勒变化范围，提高捕获的性能。

Description

卫星通信高动态突发信号的捕获方法及装置
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，具体的涉及一种卫星通信高动态突发信号的捕获方法及装置。
背景技术
针对高动态条件下信号多普勒频率偏移大的问题，G.J.R.Povey等人首先将数字匹配滤波器和快速傅里叶算法结合起来，提出了新的模型，大大提高了捕获性能，但是这种方式多普勒频率搜索范围太小，难以满足高动态环境捕获信号的要求。
中国发明专利(专利公开号：CN102426367A)，发明名称为一种可调载波多普勒频率搜索范围的导航卫星信号捕获方法，可以减少硬件的消耗，同时较快地完成频率不确定范围的搜索，提高首次定位时间，但只考虑到是接收机静止情况，覆盖范围不够，无法满足高动态环境的需求。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种卫星通信高动态突发信号的捕获方法及装置，既能压缩每条通道的多普勒频率，又能同时覆盖整个多普勒变化范围，提高捕获的性能。
根据本发明实施例的一种卫星通信高动态突发信号的捕获方法，包括以下步骤：
S100、利用本地生成的载波信号对接收到的卫星信号进行下变频处理，得到下变频信号；
S200、在不同的通道产生对应的多普勒分割补偿载波，对下变频信号进行变频补偿处理，然后将变频补偿处理后的信号送入并行捕获通道；
S300、在每个并行捕获通道中将整个匹配滤波器等分成多段部分匹配滤波器，在每段部分匹配滤波器中实现本地伪码信号与输入信号的移位相关计算；
S400、对所有移位相关计算结果补零后进行FFT运算，随后对得到的结果进行非相干后积累，寻找其中的峰值；
S500、按照检测概率和虚警概率的要求设置捕获门限，对所有通道中的峰值进行比较，取最大值进行门限检测，若通过，则完成捕获，最大峰值对应的通道中得到的多普勒频率和伪码相位即为所求结果。
根据本发明实施例的一种卫星通信高动态突发信号的捕获装置，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现上述的卫星通信高动态突发信号的捕获方法。
根据本发明实施例的卫星通信高动态突发信号的捕获方法及装置，至少具有如下技术效果：本发明实施方式采用多普勒频率分割处理的方式，对接收信号进行变频处理，将需要搜索的多普勒频率范围分割为多个小频率片段并行处理，每个频率片段对应搜索频率范围的一部分，有效扩大了捕获范围，提高捕获信号的信噪比，增强捕获性能。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S100中下变频信号的表达式为
Figure BDA0002949017000000021
其中A表示卫星信号的幅度，f0表示中心频率，fd表示多普勒频偏，Tc表示接收信号伪码的周期，θ为信号初相位，D(i)表示导航信息，C(i)表示伪码信息。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S200中变频补偿处理后的信号表达式为
Figure BDA0002949017000000022
其中A表示卫星信号的幅度，f0表示中心频率，fd表示多普勒频偏，Tc表示接收信号伪码的周期，θ为信号初相位，D(i)表示导航信息，C(i)表示伪码信息，fi为补偿载波频率。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S300中当本地伪码信号与输入信号的伪码相位严格对齐时，第n个匹配滤波器的相关结果为：
Figure BDA0002949017000000023
其中fd表示多普勒频偏，Tc表示接收信号伪码的周期，θ为信号初相位，D(i)表示导航信息，C(i)表示伪码信息，fi为补偿载波频率。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S400的具体计算步骤为：若输入信号伪码长度为N，对X个结果补M-X个零后，做M点FFT运算，对结果进行归一化处理，得到第m个点的结果为：
Figure BDA0002949017000000031
根据本发明的一些实施例，所述步骤S500中完成捕获时多普勒偏移的估计值表达式为
Figure BDA0002949017000000032
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例中卫星通信高动态突发信号的捕获方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中卫星通信高动态突发信号的捕获方法的原理框图；
图3为本发明实施例中未分割时信号归一化幅度与多普勒频率关系曲线；
图4为本发明实施例中分割成2段时各通道信号归一化幅度与多普勒频率关系曲线；
图5为本发明实施例中分割成4段时各通道信号归一化幅度与多普勒频率关系曲线；
图6为本发明实施例中分割成6段时各通道信号归一化幅度与多普勒频率关系曲线；
图7为本发明实施例中未分割时信号输出信噪比与多普勒频率关系曲线；
图8为本发明实施例中分割成2段时各通道输出信噪比与多普勒频率关系曲线；
图9为本发明实施例中分割成4段时各通道输出信噪比与多普勒频率关系曲线；
图10为本发明实施例中分割成6段时各通道输出信噪比与多普勒频率关系曲线。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
参考图1-图2，一种卫星通信高动态突发信号的捕获方法，包括以下步骤：
S100、利用本地生成的载波信号对接收到的卫星信号进行下变频处理，得到下变频信号为：
Figure BDA0002949017000000041
其中A表示卫星信号的幅度，f0表示中心频率，fd表示多普勒频偏，Tc为接收信号伪码的周期，θ为信号初相位，D(i)为导航信息，C(i)表示伪码信息。
S200、在不同的通道产生对应的多普勒分割补偿载波，对下变频信号进行变频补偿处理，将变频补偿处理后的信号送入并行捕获通道，此时信号可表示为：
Figure BDA0002949017000000051
其中fi为补偿载波频率。
S300、在每个并行通道中将整个匹配滤波器等分成多段部分匹配滤波器，在每段部分匹配滤波器中实现本地伪码信号与输入信号的移位相关计算。当两个信号的伪码相位严格对齐时，则第n段匹配滤波器的相关结果为：
Figure BDA0002949017000000052
S400、对所有相关结果补零后进行FFT运算，随后对得到的结果进行非相干后积累，寻找其中的峰值。假设输入信号伪码长度为N，对X个结果补M-X个零后，做M点FFT运算，对结果进行归一化处理，得到第m个点的结果为：
Figure BDA0002949017000000053
S500、对所有通道中的峰值进行比较，取最大值进行门限检测，若通过，则完成捕获，最大峰值对应的通道中得到的多普勒频率和伪码相位即为所求结果，此时多普勒偏移的估计值可表示为：
Figure BDA0002949017000000061
本发明实施例中仿真参数设置为：码长N＝1023；码速率为Rc＝1.023Mcps；处理点数Y为32；部分匹配滤波器的个数X为32；FFT运算点数M为128；Tc＝1/Rc＝1/1.023Mcps＝977ns；载噪比CNR＝45dB·Hz；。预设多普勒频偏变化范围为±30kHz。
本实施例将多普勒频率分别分成2、4、6段和未分割的情况进行对比，分成2段时，多普勒补偿频率分别取±15kHz，每段只需搜索±15kHz的范围；分成4段时，多普勒补偿频率分别取±22.5kHz和±7.5kHz，每段只需搜索±7.5kHz的范围；分成6段时，多普勒补偿频率分别取±25kHz、±15kHz、±5kHz，每段只需搜索±5kHz的范围；归一化幅度与多普勒频率关系如附图3至图6所示，得到输出信噪比与多普勒关系如图7至图10所示。
下述表格为不同分割情况下在±30kHz范围内最小输出信噪比的对比。
分割段数 最小输出信噪比CNRout/dB
1 -18.6
2 13.7
4 16.6
6 17.1
由以上数据可知，在载噪比不变的情况下，进行多普勒分割补偿后的信号输出信噪比能够得到有效提升，且分割段数越多提升越高，因此本发明使用的多普勒分割补偿技术适用于高动态突发信号的捕获。但是随着段数增加提升效果逐渐变弱，同时还会消耗更多硬件资源，因此需要根据实际需求选择合适的分割段数。
本发明实施例还包括一种卫星通信高动态突发信号的捕获装置，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现上述的卫星通信高动态突发信号的捕获方法。
综上所述，本发明实施例的方法和装置采用多普勒频率分割处理的方式，对接收信号进行变频处理，将需要搜索的多普勒频率范围分割为多个小频率片段并行处理，每个频率片段对应搜索频率范围的一部分，有效扩大了捕获范围，提高捕获信号的信噪比，增强捕获性能。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.一种卫星通信高动态突发信号的捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100、利用本地生成的载波信号对接收到的卫星信号进行下变频处理，得到下变频信号；
S200、在不同的通道产生对应的多普勒分割补偿载波，对下变频信号进行变频补偿处理，然后将变频补偿处理后的信号送入并行捕获通道；
S300、在每个并行捕获通道中将整个匹配滤波器等分成多段部分匹配滤波器，在每段部分匹配滤波器中实现本地伪码信号与输入信号的移位相关计算；
S400、对所有移位相关计算结果补零后进行FFT运算，随后对得到的结果进行非相干后积累，寻找其中的峰值；
S500、按照检测概率和虚警概率的要求设置捕获门限，对所有通道中的峰值进行比较，取最大值进行门限检测，若通过，则完成捕获。
2.根据权利要求1所述的卫星通信高动态突发信号的捕获方法，其特征在于：所述步骤S100中下变频信号的表达式为
Figure FDA0002949016990000011
其中A表示卫星信号的幅度，f0表示中心频率，fd表示多普勒频偏，Tc表示接收信号伪码的周期，θ为信号初相位，D(i)表示导航信息，C(i)表示伪码信息。
3.根据权利要求1所述的卫星通信高动态突发信号的捕获方法，其特征在于：所述步骤S200中变频补偿处理后的信号表达式为
Figure FDA0002949016990000012
其中A表示卫星信号的幅度，f0表示中心频率，fd表示多普勒频偏，Tc表示接收信号伪码的周期，θ为信号初相位，D(i)表示导航信息，C(i)表示伪码信息，fi为补偿载波频率。
4.根据权利要求1所述的卫星通信高动态突发信号的捕获方法，其特征在于：所述步骤S300中当本地伪码信号与输入信号的伪码相位严格对齐时，第n段匹配滤波器的相关结果为：
Figure FDA0002949016990000021
其中fd表示多普勒频偏，Tc表示接收信号伪码的周期，θ为信号初相位，D(i)表示导航信息，C(i)表示伪码信息，fi为补偿载波频率，Y为处理点数，。
5.根据权利要求1所述的卫星通信高动态突发信号的捕获方法，其特征在于：所述步骤S400的具体计算步骤为：若输入信号伪码长度为N，对X个结果补M-X个零后，做M点FFT运算，对结果进行归一化处理，得到第m个点的结果为：
Figure FDA0002949016990000022
其中fd表示多普勒频偏，Tc表示接收信号伪码的周期，θ为信号初相位，D(i)表示导航信息，C(i)表示伪码信息，fi为补偿载波频率，Y为处理点数，X为部分匹配滤波器的个数。
6.根据权利要求5所述的卫星通信高动态突发信号的捕获方法，其特征在于：所述步骤S500中完成捕获时多普勒偏移的估计值表达式为
Figure FDA0002949016990000023
7.一种卫星通信高动态突发信号的捕获装置，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如权利要求1至6任意一项所述的卫星通信高动态突发信号的捕获方法。
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