CN113238261A - 低轨卫星扩频通信体制信号捕获跟踪系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种低轨卫星扩频通信体制信号捕获跟踪系统，具有抗干扰、捕获速度快、跟踪效率高。本发明通过下述技术方案实现：接收机通过混频滤波模块混频滤波和ADC模块模数AD变换后，得到一个数字低中频信号；经正交下变频模块数字下变频及低通滤波模块低通滤波，得到数字基带信号，并分两路分别送入相关捕获模块和跟踪模块，相关捕获模块采用基于FFT的并行捕获算法对数字基带信号进行相关处理，获得码相位和多普勒频偏粗略估计值，捕获扩频信号的载频和码起点；跟踪模块对数字基带信号进行精确估计；相关捕获模块和跟踪模块不断通过载波NCO和码NCO校正频率和相位，实现同步和长地址码快速捕获，最后通过信息解析模块解析得到卫星信号的通信信息。

Description

低轨卫星扩频通信体制信号捕获跟踪系统

技术领域

本发明涉及一种低轨道(LEO)卫星通信信号捕获与跟踪系统，更具体地说，是一种用于扩频体制的低轨卫星扩频通信体制信号捕获跟踪系统。

背景技术

随着卫星移动通信技术的发展，现代卫星通信系统除了同步静止轨道(GEO)卫星通信系统，还有中、低轨道卫星通信系统，其具有传输损耗小和低时延等通信优势，且蜂窝通信、多址、频率复用等技术的发展也为低轨卫星移动通信提供了技术保障，因此低轨卫星通信系统被认为是最新最有前途的卫星移动通信系统。随着移动通信需求的急剧增长以及扩频体制低轨卫星通信系统的蓬勃发展，对扩频体制低轨卫星通信接收的需求也越来越多。低轨(LEO)卫星通信系统采用扩频通信技术，可以使衰落和干扰因素对通信质量的影响得到很大程度的改善。与常规通信体制相比，扩频技术具有隐蔽性高、抗干扰能力强等特点。与同步静止轨道GEO卫星相比，低轨道星虽然其发射功率大大降低，传播时延显著减小，轨道资源丰富。但低轨道星信道较为恶劣，并且容易面临各种敌意干扰，信号检测的难度大。与此同时，与同步轨道卫星通信系统相比，低轨卫星通信系统的卫星轨道较低，卫星与地球表面的接收站之间存在相对运动，且卫星角速度很大，存在多普勒频移，卫星通信的载频捕获的难度显著增加。由于多普勒效应对信号所有频率成份作相同的改变，在其造成载波频偏的同时也导致了码多普勒频偏。码频频偏会使接受到的直扩信号的码片宽度发生变化,当其为正值时，码片宽度会变窄，为负值时，码片宽度变大。由于通常被用于低轨道卫星通信体制的卫星，相对地球具有很大的径向速度和加速度，使接收信号附加了很大的多普勒频率偏移，例如：位于高空1000km，倾角53度的低轨卫星，当此卫星信号载波为1GHz，则其多普勒最大频偏可高达40kHz，多普勒变化率最大可达200Hz/s；又由于它过境时间短，所以要求能够快速地捕获伪码。多普勒频移下码捕获是需要解决的关键技术。当低轨卫星系统采用直接序列扩频方式通信时，频差条件下的同步是必须解决的首要问题。通常直扩同步分两步实现：捕获与跟踪，扩频码的捕获一般通过相关来实现，但接收信号存在大的多普勒频移时，简单的捕获方法致使相关性能恶化，尤其是长扩频地址码系统。对于低轨卫星通信系统采用一般的捕获方案，频差将造成捕获性能严重的恶化，尤其是长扩频地址码系统。要使直扩系统在如此复杂恶劣的环境下仍能稳定可靠的工作,关键一环是系统必须具有良好的码同步能力,而码同步必须首先完成码捕获,然后才能进行码跟踪。码相位的不确定性是影响码捕获的一个普遍因素。由于发送信号在传播过程中可能会遭受各种影响，例如电离层、大气及降雨等都会影响信号的传播,这使得接收信号会产生随机时延。对于直扩信号，随机时延等效为接收信号的码相位存在不确定性,因此为完成码捕获一般是在L个码相位上进行搜索,L通常取值为PN码的码长。由于低轨卫星高速运动带来的多普勒频偏以及较大的多普勒频偏变化率，常规的通信信号捕获与跟踪的方法不能适用。

在LEO卫星通信中,由于收发双方相对运动状态的快速变化导致接收信号存在一个变化的多普勒频偏,从而使得载波频偏不确定。载波频偏会使接收到的直扩信号的极性发生翻转,在码捕获期间,会大大降低信号的相关峰,使检测概率明显下降。载波频偏对基带接收信号产生了幅度调制,这会改变信号的极性调制信号会改变码片极性,这会使捕获系统相关运算的相干长度变小,调制数据速率越高,相干长度越小,进而导致扩频系统处理增益的下降。常规捕获方法为多普勒频率--伪码相位二维搜索，在多普勒频率较大的情况下捕获性能急剧恶化，甚至难以实现捕获。因此，需要寻找能够在大多普勒频率存在条件下的捕获方法。为了在捕获性能与实现复杂度间进行折中选择,现有技术文献提出了一种基于FFT辅助的串并搜索的码捕获算法,算法基本思想是利用FFT消除载波频偏的影响,相当于在载波频偏不确定值内同时搜索,然而FFT所能处理的载波频偏范围有限,当频偏过大时,算法性能会大大下降；快速准确地实现伪码捕获是扩频通信研究的关键。实际应用中,高动态目标会产生大的多普勒频移,由于噪声干扰和多普勒效应的影响,进行伪码同步捕获对硬件资源需求较多,伪码捕获时间长，捕获难度变大。由于载波多普勒频移使用于码同步检测的相关峰值大大减小，以至于接收机难以检测到同步码,并使锁相环路难以实现对载波的捕获和跟踪,严重影响了接收机的数据解调。通常的串行捕获或并行捕获法存在捕获时间长而并行捕获实现复杂度高。为了消除码频频偏对相关值的影响最佳的捕获算法是最大似然法,然而此算法对每个搜索的码频频偏值都要重新进行相关运算,因此运算量很大。

在长周期伪随机码、低信噪比、高动态条件下要快速实现对扩频信号的捕获十分困难，同时扩频信号的捕获也是一种重要的抗干扰手段。传统的高动态扩频信号捕获方法主要包括载波并行、伪码串行搜索和伪码并行载波串行搜索两种。近年来又提出了滑动相关法、匹配滤波器法和FFT算法。然而当两端PN码钟频相差不多时滑动相关法相对滑动速度很慢，导致搜索时间过长。匹配滤波器法硬件复杂度高，而且直接在时域计算相关值计算量非常大。

发明内容

本发明的目的是针对低轨卫星高速运动带来的多普勒频偏以及较大的多普勒频偏变化率的情况，提出了一种具有抗干扰、捕获速度快、跟踪效率高，用于扩频体制的低轨卫星通信信号捕获与跟踪的系统。以解决大动态范围内多普勒频移的跟踪难题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种低轨卫星扩频通信体制信号捕获跟踪系统，包括，连接了接收天线的放大模块，顺次串联的混频滤波模块、ADC模块、正交下变频模块和低通滤波模块，以及相关捕获模块、跟踪模块和信息解析模块，其特征在于：接收机通过天线收到的来自卫星的复信号，经放大模块对接收射频复信号放大，通过混频滤波模块混频滤波和ADC模块模数AD变换后，得到一个数字低中频信号；经正交下变频模块数字下变频及低通滤波模块低通滤波，得到数字基带信号，并分两路分别送入相关捕获模块和跟踪模块；相关捕获模块利用码域和频域的二维检测方法，对直接序列扩频信号进行相关处理，采用基于快速傅里叶变换(FFT)的并行捕获算法对PN码捕获，通过相关鉴别运算获得码相位τ(t)和多普勒频偏f_D(t)粗略估计值，捕获扩频信号的载频和码起点；跟踪模块在捕获正确基础上通过借助载波跟踪环路和码跟踪环路，对数字基带信号的码相位τ(t)和多普勒频偏f_D(t)、载波相位φ(t)进行精确估计；相关捕获模块和跟踪模块将捕获和跟踪的数字基带信号的码相位τ(t)和多普勒频偏f_D(t)、载波相位φ(t)，不断通过载波数字控制振荡器NCO和码数字控制振荡器NCO校正本地码NCO的相位及本地载波数字控制振荡器NCO的频率和相位，实现本地信号与被接收信号的精确同步和长地址码快速捕获，最后通过信息解析模块对捕获信号进行信息解析，解析得到卫星信号的通信信息，输出稳定跟踪的被接收信号。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

本发明采用连接了接收天线的放大模块，顺次串联的混频滤波模块、ADC模块、正交下变频模块和低通滤波模块，以及相关捕获模块、跟踪模块和信息解析模块，电路实现简单，占用资源少。天线接收射频信号经放大模块放大、混频滤波模块混频滤波和ADC模块模数AD变换后，得到一个数字低中频信号；经正交下变频模块数字下变频及低通滤波模块低通滤波，通过捕获、跟踪算法设计，实现了对大频偏和高频偏率的低轨卫星信号的快速同步与稳定跟踪接收，解决了常规卫星通信接收机无法对扩频体制低频卫星通信信号同步接收的问题。仿真结果表明在正常工作情况下相对传统串行捕获性能有明显提升。

本发明将得到数字基带信号分两路，分别送入相关捕获模块和跟踪模块；相关捕获模块对直接序列扩频信号进行相关处理，利用码域和频域的二维检测方法，采用基于快速傅里叶变换(FFT)的并行捕获算法，通过相关鉴别运算获得码相位τ(t)和多普勒频偏f_D(t)粗略估计值，捕获扩频信号的载频和码起点；跟踪模块在捕获正确基础上通过借助载波跟踪环路和码跟踪环路，对数字基带信号的码相位τ(t)和多普勒频偏f_D(t)、载波相位φ(t)进行精确估计；相关捕获模块和跟踪模块将捕获和跟踪的数字基带信号的码相位τ(t)和多普勒频偏f_D(t)、载波相位φ(t)，不断通过载波数字控制振荡器NCO和码数字控制振荡器(码NCO)校正本地码NCO的相位及本地载波数字控制振荡器NCO的频率和相位，实现长地址码快速捕获和本地信号与被接收信号的精确同步。相关捕获模块这种利用码域和频域的二维检测方法的PN码快捕特性及其输出主相关峰值对频偏的敏感性,缩短了多普勒频移的捕获时间；这种以相关捕获和快速傅里叶变换(FFT)相结合的扩频信号捕获方式，对数字基带信号的码相位τ(t)和多普勒频偏f_D(t)进行捕获，显著减少了运算量，也大大提高了扩频体制卫星通信信号PN码捕获速度，相对于直接对接收数据进行处理的串行方式的结构，具备较高的频偏估计，硬件代价小。跟踪模块的载波跟踪的环路中，采用环路滤波器分阶段跟踪的方式，在牵引阶段使用锁频环(FLL)，让其作为跟踪状态的牵引，降低多普勒频偏估计的误差；待FLL锁定后，在正式跟踪阶段再采用锁频环(FLL)和锁相环(PLL)相结合的方式，输出更为精确的相位测量值，来实现载波环路的稳定跟踪，解决了由于低轨卫星的运动特性造成信号的多普勒频偏较大，仅单独靠PLL或者FLL来无法实现载波跟踪的难题，实现了较大多普勒频偏信号的载波频率高精度紧密跟踪。

本发明跟踪模块的码跟踪不使用环路滤波器来实现，而是改进了传统延迟锁定环路(DLL)，通过对超前(E)和滞后(L)路数据进行相关鉴别运算，得到两路信号的码相位差，再通过一个简单移位判别器来实现码相位偏移长度的估计，大大减小运算量，提高了码跟踪速度。较好地解决了大动态范围多普勒频移的跟踪难题,同时也对码起点的持续漂移进行了良好的同步处理。

本发明通过捕获、跟踪算法设计，快速实现频率和相位的锁定，实现了对大频偏和高频偏率的低轨卫星信号的快速同步与稳定跟踪接收，通过信息解析模块对捕获信号进行信息解析，解析得到卫星信号的通信信息，输出稳定跟踪的被接收信号。

附图说明

为了进一步说明而不是限制本发明的上述实现方式，下面结合附图给出最佳实施例，从而使本发明的细节和优点变得更为明显。

图1是低轨卫星扩频通信体制信号捕获跟踪系统的电路原理示意图；

图2是扩频信号产生原理框图；

图3是相关捕获模块基于FFT的并行捕获原理框图；

图4是载波跟踪和码跟踪环路的跟踪算法原理框图；

图5是跟踪模块分阶段载波跟踪使用的滤波方式示意图；

图6是二阶锁频环(FLL)的环路滤波器原理图；

图7是三阶锁相环(PLL)的环路滤波器原理图；

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的优选实施例中，一种低轨卫星扩频通信体制信号跟踪捕获统，包括，包括，连接了接收天线的放大模块，顺次串联的混频滤波模块、ADC模块、正交下变频模块和低通滤波模块，以及相关捕获模块、跟踪模块和信息解析模块，其特征在于：接收机通过天线收到的来自卫星的复信号，经放大模块对接收射频复信号放大，通过混频滤波模块混频滤波和ADC模块模数AD变换后，得到一个数字低中频信号；经正交下变频模块数字下变频及低通滤波模块低通滤波，得到数字基带信号，并分两路分别送入相关捕获模块和跟踪模块；相关捕获模块利用码域和频域的二维检测方法，对直接序列扩频信号进行相关处理，采用基于快速傅里叶变换(FFT)的并行捕获算法对PN码捕获，通过相关鉴别运算获得码相位τ(t)和多普勒频偏f_D(t)粗略估计值，捕获扩频信号的载频和码起点；跟踪模块在捕获正确基础上通过借助载波跟踪环路和码跟踪环路，对数字基带信号的码相位τ(t)和多普勒频偏f_D(t)、载波相位φ(t)进行精确估计；相关捕获模块和跟踪模块将捕获和跟踪的数字基带信号的码相位τ(t)和多普勒频偏f_D(t)、载波相位φ(t)，不断通过载波数字控制振荡器(载波NCO)和码数字控制振荡器(码NCO)校正本地码NCO的相位及本地载波数字控制振荡器NCO的频率和相位，实现本地信号与被接收信号的精确同步和长地址码快速捕获，最后通过信息解析模块对捕获信号进行信息解析，解析得到卫星信号的通信信息，输出稳定跟踪的被接收信号。

具体步骤如下，

步骤1：信号接收及变频滤波

参阅图2。天线接收到来自卫星信号的射频信号为扩频信号，扩频信号是包含了扩频调制和射频调制的宽带信号，表示为包含了信息码d(t)，PN码相位、载波相位φ(t)和多普勒频偏四个未知信号参数的复信号形式：

式中，P为信号发射功率，τ(t)为信号传播延迟，f_IF是载波中心频率，f_D(t)表示多普勒效应引起的多普勒频移，φ(t)为载波未知相位，n(t)为接收噪声。

接收机要实现对来自卫星信号的复信号r(t)的解扩解调，需要对参数{τ(t)，f_D(t)，φ(t)}进行估计，对码相位τ(t)的捕获称为码捕获，对f_D(t)的捕获称为载波捕获，对码相位τ(t)和多普勒频偏f_D(t)进行粗略估计，称之为PN码捕获，对参数{τ(t),f_D(t),φ(t)}进行精确估计，这个过程称之为跟踪，其中对τ(t)的估计称为码跟踪，对{f_D(t),φ(t)}的估计称为载波跟踪。对参数{τ(t)，f_D(t)，φ(t)}进行估计后，根据估计值产生本地相干信号，实现对接收信号的相干解调，从而估计出信息码d(t)。

天线接收到的射频信号经放大、混频滤波、AD变换后得到一个数字低中频信号；正交下变频模块对得到的数字低中频信号进行数字下变频，并经过低通滤波模块滤波后，得到数字基带信号；并分两路分别送入相关捕获模块和跟踪模块。

步骤2：PN码捕获

参阅图3。相关捕获模块利用码域和频域的二维检测方法，采用基于快速傅里叶变换(FFT)的并行捕获算法，对基带信号进行PN码捕获，完成PN码相位和载波频率的二维捕获过程，获得码相位τ(t)和多普勒频偏f_D(t)粗略估计值。

相关捕获模块采用码域和频域的二维检测方法捕获PN码，在指定频率范围[f_start,f_end]内，按照一定步进值f_step变化，通过本地载波发生器输出载波频率；首先在一个频点上对码相位进行搜索，得到所有码相位的相关值，然后将本地载波频率变换到另外一个频点，重复上述过程，直到完成整个频率范围的遍历，根据相关峰值确定码相位τ(t)和多普勒频偏f_D(t)。

相关捕获模块在某一个频点上进行码相位捕获，就要在一个PN码周期内搜索所有的码相位单元，即需要循环移动本地PN码相位与接收数据进行相关运算，这种滑动相关的过程等价于循环卷积，可以用下式表示：

式中，L为PN码序列一个周期的长度。

如果直接计算上式，计算量非常大，正比于PN码序列一个周期的长度L。但如果利用时域的循环卷积等价于频域的相乘这一理论，将时域相关运算转化到频域，利用快速傅里叶变换来计算将会大幅度缩短运算时间，FFT捕获算法就是基于这种思想提出的，其数学原理如下：

上式中，

表示循环卷积，IFFT表示傅里叶逆变换，FFT^*表示傅里叶变换的共轭，FFT(S(k))表示输入信号S(i)的频谱，FFT(PN(k))表示本地码序列PN(i)的频谱。

相关捕获模块采用码域和频域的二维检测方法捕获PN码，其实现过程可描述如下：相关捕获模块中控制逻辑模块控制载波数字控制振荡器(载波NCO)的在指定频率范围[f_start,f_end]内，按照一定步进值f_step变化；在某一个频率点上，输入到相关捕获模块的基带信号分两路，与载波数字控制振荡器(载波NCO)输出的载波相乘，并经低通滤波得到I、Q两路信号，I、Q两路信号相加得到的复信号经FFT得到接收到的基带信号频谱；控制逻辑模块依次控制码数字控制振荡器(码NCO)码相位，在某一码相位上，对本地码序列进行FFT得到本地码序列频谱，本地码序列频谱的共轭与基带信号频谱相乘后的乘积再进行IFFT，即可得到某一频点和某个码相位上基带信号与本地码序列的相关值，控制逻辑模块控制载波数字控制振荡器(载波NCO)和码数字控制振荡器(码NCO)遍历所有指定频率范围内一定步进的频点和所有码相位，通过峰值检测根据相关峰值确定码相位τ(t)和多普勒频偏f_D(t)粗略估计值，实现PN码捕获，然后将捕获的码相位τ(t)和多普勒频偏f_D(t)估计值传递给载波数字控制振荡器(载波NCO)和码数字控制振荡器(码NCO)。

步骤3：载波跟踪和码跟踪

在PN码捕获处理成功之后，启动载波跟踪和码跟踪，对剩余的码相位和多普勒频偏、载波相差进行精确估计，即对式(1)中参数{τ(t),f_D(t),φ(t)}进行精确估计，这个过程称之为跟踪，其中τ(t)的估计称为码跟踪，对{f_D(t),φ(t)}的估计称为载波跟踪。载波跟踪和码跟踪主要通过借助载波跟踪环路和码跟踪环路来完成。

参阅图1和图4。跟踪模块包括，连接低通滤波模块的解扩单元，通过积分累加单元与环路跟踪单元相连的策略控制单元，解扩单元利用锁定本地码NCO的相位后的PN码序列(P路)、超前移位半个码片长度后的PN码序列(E路)及向后移位半个码片长度后的PN码序列(L路)对接收信号进行相关解扩，积分累加单元对解扩后的信号积分累加，将积分累加分别送入环路跟踪单元和信息解析模块；信息解析模块对解扩后的积分累加信号进行信息解析，得到卫星信号的通信信息。策略控制单元对环路跟踪单元的跟踪环路进行参数设置及控制,环路跟踪单元通过本地码NCO的码相位及本地载波NCO的载波频率和相位，依据跟踪环路精确估计的码相位τ(t)、多普勒频偏f_D(t)、载波相位Φ(t)值不断进行校正，实现对被接收信号的稳定跟踪。如图4。跟踪环路含载波跟踪环路和码跟踪环路。载波跟踪环路是由解扩单元中当前PN码序列(P路)对接收信号进行相关解扩的部分，相应的积分/离散求和模块，载波相位鉴别器及载波环路滤波器及本地载波NCO组成的环路；码跟踪环路是由解扩单元中超前移位半个码片的PN码序列(E路)和向后移位半个码片的PN码序列(L路)对接收信号进行相关解扩的部分，相应的积分/离散求和模块，码相位鉴别器及移位鉴别器及本地码NCO组成的环路。为了简化算法并减少运算量，只对载波环路的跟踪采用环路滤波器技术，而码环的跟踪则采用移位判别器来实现。

)载波跟踪

参阅图5。载波跟踪环路包括锁频环(FLL)和锁相环(PLL)，FLL具有较好的动态性能，能够容忍载体高动态以及低信噪比影响，但需要采用较宽的噪声带宽，且不能够锁定载波相位，故跟踪精度欠佳；而PLL采用的噪声带宽较窄，能够紧密跟踪信号，输出更为精确的相位测量值。由于低轨卫星的运动特性造成信号的多普勒频偏较大，仅单独靠PLL或者FLL来实现载波跟踪困难较大，因此将载波跟踪环路分成牵引阶段和正式跟踪阶段两个阶段，对数字基带信号的载波相位Φ(t)和多普勒频偏f_D(t)进行跟踪，在牵引阶段使用FLL，让其作为跟踪状态的牵引，降低多普勒频偏估计的误差；待FLL锁定后进入正式跟踪阶段，此时再采用FLL和PLL相结合的方式来实现载波环路的稳定跟踪。

假设捕获后得到的参数为

首先对复信号形式式(1)代表的数据进行去载频和频偏，忽略发射功率和信息码d(t)，初始设置补偿值为

表示多普勒频偏估计误差的

表示载波相位估计误差的

取

简化得到接收信号I、Q两路数据可表示如下：

利用本地产生的PN码C(t+τ_e)，对(4)式中I、Q两路数据分别进行自相关运算，以相干累积的时间T，取1个伪码周期所对应的时间长度，或取伪码周期时间的倍数，得到相干积分/离散求和后的数据：

其中Δ_τ＝τ-τ_e表示码相位估计误差，R(Δ_τ)表示本地PN码C(t-τ)和C(t+τ)的自相关函数。

与式(5)同理，跟踪模块若对第k次(k＝1,2,...)输入的I、Q两路数据与P路码做相干累积，则将累积后结果表示为

累积后结果

送入到载波相位鉴别器，载波相位鉴别器包含鉴频器和鉴相器，鉴频器采用符号点叉积鉴频器，它通过P路相干累积数据来计算出多普勒频率误差

鉴相器也是通过P路相干累积数据来计算载波相位误差

计算公式分别如下：

式中，R(Δ_τ)表示本地PN码C(t-τ)和C(t+τ)的自相关函数。

参阅图4和图5。载波相位鉴别器的结果送入到载波环路滤波器模块，载波环路滤波器是载波跟踪环路中的重要组成部分，在环路中具有低通滤波作用，它可以滤除滤波器输入信号的部分噪声，以使FLL和PLL能更加精确的对原始信号进行估计。鉴频器/鉴相器的输出值通过滤波器的滤波去噪后去控制振荡器产生精确的载波频率，使得本地信号与输入信号实现同步。载波环路滤波器模块对载波的跟踪分成牵引阶段和正式跟踪阶段，牵引阶段的锁频环(FLL)再对多普勒频率误差进行滤波，降低多普勒频偏估计的误差，然后正式跟踪阶段的锁频环(FLL)和锁相环(PLL)再对剩余的多普勒频率误差δ_f和载波相位误差δ_φ进行滤波，实现载波环路的稳定跟踪。这里的锁频环(FLL)和锁相环(PLL)分别采用二阶锁频环(FLL)环路滤波器和三阶锁相环(PLL)环路滤波器。

参阅图6。二阶锁频环(FLL)环路滤波器将输入的载频误差分成两路，一路载频误差乘以系数

送入到第一个加法器，第一个加法器将自身输出的一阶差分值与前面乘了系数

的载频误差求和后送入第二个加法器；另一路载频误差乘以系数a₂w₀送入到第二个加法器，第二个加法器将这两个输入及自身输出的一阶差分值求和后输出。

参阅图7。三阶三阶锁相环(PLL)环路滤波器将输入的相位误差分成3路，一路相位误差乘以系数

送入到第一个加法器，第一个加法器将自身输出的一阶差分值与前面乘了系数

的相位误差求和后送入第二个加法器；另一路相位误差乘以系数

送入到第二个加法器，第二个加法器将这两个输入及自身输出的一阶差分值求和送入到第三个加法器；第三个加法器将这个输入与乘了系数b₃w₀的相位误差求和后输出。

环路滤波器参数根据仿真模拟计算结果设置，具体参数见表1，

表1环路滤波器参数

要判断锁频环和锁相环是否达到跟踪锁定的状态，需要评估P路信号值

和

和

之间是否趋于一致。此时锁频环的锁定门限值的计算表达式为：

其中

可以看出当频率达到稳定跟踪状态时

且

此时

对于锁相环的锁定门限值的计算表达式为：

可以看出，当相位状态跟踪锁定时，

此时

且

2)码跟踪

对τ(t)的估计称为码跟踪，码跟踪环路简称码环，其主要功能是保持本地伪码与接收伪码之间的相位一致。然后让接收信号与本地伪码做相关运算，以剥离接收信号中的伪码。参阅图4，码跟踪环路是由解扩单元中超前移位半个码片的PN码序列(E路)和向后移位半个码片的PN码序列(L路)对接收信号进行相关解扩的部分，相应的积分/离散求和模块，码相位鉴别器及移位鉴别器及本地码NCO组成的环路。

跟踪环路通过对超前(E)和滞后L载波跟踪环路数据对接收信号进行相关鉴别运算，得到两路信号的码相位差，再通过一个简单移位判别器来实现码相位偏移长度的估计。

与前面式(5)同理，若对第k次(k＝1,2,...)输入的I、Q两路数据与E路码和L路码做相干累积，则将累积后结果分别表示为

和

采用的码环鉴相器的表达式为：

码环鉴相器的输出代表了码相位偏移的长度，单位为码片。为了减小运算量，将传统延迟锁定环路(DLL)进行改进，不使用环路滤波器来实现码环跟踪，而是通过一个简单移位判别器来实现。其基本方法是：设置一个阈值τ_th，τ_th的大小一般为2bits或1bit所对应的码元长度。当

时，将数据移位1bit或2bits，移位的方向根据

的正负来判定，码环移位判别器的具体参数设置如表2所示：

表2码环移位判别器的参数设置

步骤4：信号解扩及信息解析

参阅图1和图4。系统完成前面PN码捕获和载波及码跟踪后，本地码NCO的相位及本地载波数字控制振荡器NCO的频率和相位都达到稳定锁定的状态，此时解扩单元利用锁定后的本地载波及本地码对捕获信号进行解扩处理，最后通过信息解析模块对捕获信号进行信息解析，解析得到卫星信号的通信信息，输出稳定跟踪的被接收信号。

以上结合附图对本发明进行了详细描述，但需要指出的是，上述实例所描述的是仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，比如在对对PN码捕获时，可以采用其他捕获算法；在载波跟踪环路设计中，针对鉴频器和鉴相器的输出，环路滤波器可以设置不同于实例的参数或采用其他阶数；在码跟踪环路设计中，码环移位判别器的参数设置时，可采用其他的参数设置。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种低轨卫星扩频通信体制信号捕获跟踪系统，包括，连接了接收天线的放大模块，顺次串联的混频滤波模块、ADC模块、正交下变频模块和低通滤波模块，以及相关捕获模块、跟踪模块和信息解析模块，其特征在于：接收机通过天线收到的来自卫星的复信号，经放大模块对接收射频复信号放大，通过混频滤波模块混频滤波和ADC模块模数AD变换后，得到一个数字低中频信号；经正交下变频模块数字下变频及低通滤波模块低通滤波，得到数字基带信号，并分两路分别送入相关捕获模块和跟踪模块；相关捕获模块利用码域和频域的二维检测方法，对直接序列扩频信号进行相关处理，采用基于快速傅里叶变换(FFT)的并行捕获算法对PN码捕获，通过相关鉴别运算获得码相位τ(t)和多普勒频偏f_D(t)粗略估计值，捕获扩频信号的载频和码起点；跟踪模块在捕获正确基础上通过借助载波跟踪环路和码跟踪环路，对数字基带信号的码相位τ(t)和多普勒频偏f_D(t)、载波相位φ(t)进行精确估计；相关捕获模块和跟踪模块将捕获和跟踪的数字基带信号的码相位τ(t)和多普勒频偏f_D(t)、载波相位φ(t)，不断通过载波数字控制振荡器NCO和码数字控制振荡器NCO校正本地码NCO的相位及本地载波数字控制振荡器NCO的频率和相位，实现本地信号与被接收信号的精确同步和长地址码快速捕获，最后通过信息解析模块对捕获信号进行信息解析，解析得到卫星信号的通信信息，输出稳定跟踪的被接收信号。

2.如权利要求1所述的低轨卫星扩频通信体制信号捕获跟踪系统，其特征在于，天线接收到来自卫星信号的射频信号为扩频信号，扩频信号包含了扩频调制和射频调制的宽带信号，表示为包含了信息码d(t)，PN码相位、载波相位φ(t)和多普勒频偏四个未知信号参数的复信号形式：

式中，P为信号发射功率，τ(t)为信号传播延迟，f_IF是载波中心频率，f_D(t)表示多普勒效应引起的多普勒频移，φ(t)为载波未知相位，n(t)为接收噪声。

3.如权利要求1或2所述的低轨卫星扩频通信体制信号捕获跟踪系统，其特征在于，接收机对来自卫星信号的复信号r(t)的解扩解调，对码相位τ(t)的捕获称为码捕获，对f_D(t)的捕获称为载波捕获，对码相位τ(t)和多普勒频偏f_D(t)进行粗略估计，称之为PN码捕获；对参数{T(t)，f_D(t)，φ(t)}进行精确估计，这个过程称之为跟踪，其中对τ(t)的估计称为码跟踪，对{f_D(t)，φ(t)}的估计称为载波跟踪，对参数{τ(t)，f_D(t)，φ(t)}进行估计后，根据估计值产生本地相干信号，实现对接收信号的相干解调，从而估计出信息码d(t)。

4.如权利要求1所述的低轨卫星扩频通信体制信号捕获跟踪系统，其特征在于，相关捕获模块采用码域和频域的二维检测方法捕获PN码，在指定频率范围[f_start，f_end]内，按照一定步进值f_step变化，通过本地载波发生器输出载波频率；首先在一个频点上对码相位进行搜索，得到所有码相位的相关值，然后将本地载波频率变换到另外一个频点，重复上述过程，直到完成整个频率范围的遍历，根据相关峰值确定码相位τ(t)和多普勒频偏f_D(t)，在一个PN码周期内搜索所有的码相位单元，循环移动本地PN码序列与接收数据进行相关运算，将滑动相关的过程等价于循环卷积，本地PN码与接收数据的相关值用下式表示为：

式中，L为PN码序列一个周期的长度，S(i)示接收数据第i点的值，PN(i+m)表示本地PN码第(i+m)点的值。

5.如权利要求3所述的低轨卫星扩频通信体制信号捕获跟踪系统，其特征在于，相关捕获模块中控制逻辑模块控制载波数字控制振荡器(载波NCO)的在指定频率范围[f_start，f_end]内，按照一定步进值f_step变化；在某一个频率点上，输入到相关捕获模块的基带信号分两路，与载波数字控制振荡器NCO输出的载波相乘，并经低通滤波得到I、Q两路信号，I、Q两路信号相加得到的复信号经FFT得到接收到的基带信号频谱；控制逻辑模块依次控制码数字控制振荡器NCO码相位，在某一码相位上，对本地码序列进行FFT得到本地码序列频谱，本地码序列频谱的共轭与基带信号频谱相乘后的乘积再进行IFFT，得到某一频点和某个码相位上基带信号与本地码序列的相关值，控制逻辑模块控制载波数字控制振荡器NCO和码数字控制振荡器NCO遍历所有指定频率范围内一定步进的频点和所有码相位，通过峰值检测根据相关峰值确定码相位τ(t)和多普勒频偏f_D(t)粗略估计值，实现PN码捕获，然后将捕获的码相位τ(t)和多普勒频偏f_D(t)估计值传递给载波数字控制振荡器NCO和码数字控制振荡器NCO)；基于FFT捕获算法，就是时域的循环卷积等价于频域的相乘这一理论，将时域相关运算转化到频域，接收数据与本地PN码序列的相关值可以转化成接收数据S(i)的频谱与本地PN码序列PN(i)的频谱共轭的乘积的傅里叶逆变换，可用下式表示：

式中，

表示循环卷积，IFFT表示傅里叶逆变换，FFT^*表示傅里叶变换的共轭，FFT(S(k))表示输入信号S(i)的频谱，FFT(PN(k))表示本地码序列PN(i)的频谱。

6.如权利要求1所述的低轨卫星扩频通信体制信号捕获跟踪系统，其特征在于，跟踪模块包括，连接低通滤波模块的解扩单元，通过积分累加单元与环路跟踪单元相连的策略控制单元，解扩单元利用锁定本地码NCO的相位后的P路PN码序列、超前移位半个码片长度后的E路PN码序列及向后移位半个码片长度后的L路PN码序列对接收信号进行相关解扩，积分累加单元对解扩后的信号积分累加，将积分累加分别送入环路跟踪单元和信息解析模块；信息解析模块对解扩后的积分累加信号进行信息解析，得到卫星信号的通信信息；策略控制单元对环路跟踪单元的跟踪环路进行参数设置及控制,环路跟踪单元通过本地码NCO的码相位及本地载波NCO的载波频率和相位，依据跟踪环路精确估计的码相位τ(t)、多普勒频偏f_D(t)、载波相位φ(t)值不断进行校正，实现对被接收信号的稳定跟踪。

7.如权利要求6所述的低轨卫星扩频通信体制信号捕获跟踪系统，其特征在于，跟踪环路含载波跟踪环路和码跟踪环路，载波跟踪环路是由解扩单元中当前P路PN码序列对接收信号进行相关解扩的部分，相应的积分/离散求和模块，载波相位鉴别器及载波环路滤波器及本地载波NCO组成的环路；码跟踪环路是由解扩单元中超前移位半个码片的E路PN码序列和向后移位半个码片的L路PN码序列对接收信号进行相关解扩的部分，相应的积分/离散求和模块，码相位鉴别器及移位鉴别器及本地码NCO组成的环路，为了简化算法并减少运算量，只对载波环路的跟踪采用环路滤波器技术，而码环的跟踪则采用移位判别器来实现。

8.如权利要求7所述的低轨卫星扩频通信体制信号捕获跟踪系统，其特征在于，载波跟踪环路包括锁频环(FLL)和锁相环(PLL)，跟踪模块将载波跟踪环路分成牵引阶段和正式跟踪阶段两个阶段，对数字基带信号的载波相位φ(t)和多普勒频偏f_D(t)进行跟踪，在牵引阶段使用FLL，作为跟踪状态的牵引，降低多普勒频偏估计的误差，待FLL锁定后进入正式跟踪阶段，再采用FLL和PLL相结合的方式来实现载波环路的稳定跟踪；捕获后得到的参数为

首先对复信号的数据进行去载频和频偏，忽略发射功率和信息码d(t)，初始设置补偿值为

表示多普勒频偏估计误差的

表示载波相位估计误差的

简化得到接收信号I、Q两路数据可表示如下：

利用本地产生的PN码C(t+τ_e)，对(4)式中I、Q两路数据分别进行自相关运算，以相干累积的时间T，取1个伪码周期所对应的时间长度，或取伪码周期时间的倍数，得到相干积分/离散求和后的数据：

其中，Δ_τ＝τ-τ_e表示码相位估计误差，R(Δ_τ)表示本地PN码C(t-τ)和C(t+τ)的自相关函数。

9.如权利要求1所述的低轨卫星扩频通信体制信号捕获跟踪系统，其特征在于，跟踪模块对第k次(k＝1,2,...)输入的I、Q两路数据与P路码做相干累积，将累积后结果表示为

累积后结果

送入到包含鉴频器和鉴相器的载波相位鉴别器，鉴频器采用符号点叉积鉴频器，通过P路相干累积数据来计算出多普勒频率误差

鉴相器通过P路相干累积数据来计算载波相位误差

计算公式分别如下：

式中，R(Δ_τ)表示本地PN码C(t-τ)和C(t+τ)的自相关函数。

10.如权利要求1所述的低轨卫星扩频通信体制信号捕获跟踪系统，其特征在于，载波相位鉴别器的结果送入到载波环路滤波器模块，滤除滤波器输入信号的部分噪声，FLL和PLL精确对原始信号进行估计，鉴频器/鉴相器的输出值通过滤波器的滤波去噪后去控制振荡器产生精确的载波频率，使得本地信号与输入信号实现同步；载波环路滤波器模块对载波的跟踪分成牵引阶段和正式跟踪阶段，牵引阶段的锁频环(FLL)对多普勒频率误差进行滤波，降低多普勒频偏估计的误差，然后正式跟踪阶段的锁频环(FLL)和锁相环(PLL)分别采用二阶锁频环(FLL)环路滤波器和三阶锁相环(PLL)环路滤波器再对剩余的多普勒频率误差δ_f和载波相位误差δ_φ进行滤波，实现载波环路的稳定跟踪，二阶锁频环(FLL)环路滤波器将输入的载频误差分成两路，一路载频误差乘以系数

送入到第一个加法器，第一个加法器将自身输出的一阶差分值与前面乘了系数

的载频误差求和后送入第二个加法器；另一路载频误差乘以系数a₂w₀送入到第二个加法器，第二个加法器将这两个输入及自身输出的一阶差分值求和后输出。

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