CN113406676A - 一种基于载波和伪码联合估计的多通道捕获转跟踪方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于载波和伪码联合估计的多通道捕获转跟踪方法，在测控终端前向输入多路直接扩频体制信号，且各路信号同频同码信号时，能够在捕获置跟踪前利用捕获通道和跟踪通道间载波和伪码的联合估计差值，识别出捕获到的信号与跟踪通道的信号是否重复，剔除重复捕获到的信号，避免了空闲跟踪通道被长时间占用，以及由信息层面剔除重复捕获信号而导致的捕获时间增长的问题。该设计在FPGA中实现，采用全数字化设计，工程实现简单、应用广泛。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于载波和伪码联合估计的多通道捕获转跟踪方法，属于星地测控技术领域。
背景技术
现有技术如图1所示，随遇测控终端某一时刻，同时收到多路上行信号，由于从捕获到的载波多普勒和伪码相位信息不足以区分到底捕获到的是哪个地面站的信号，并且这几个信号中哪几个信号是已经捕获成功并在跟踪的，哪个信号尚未捕获成功，是未知的，所以在多站信号交叠区将会出现需要捕跟的通道捕获成功后无法进入跟踪状态，而已经在跟踪的信号反复捕获成功置给跟踪。
另外，跟踪通道一般采用预置固定伪码，当某通道捕获成功，便将捕获到的载波多普勒和伪码相位送入固定已预置相同伪码的已知跟踪通道进行跟踪。跟踪稳定后通过位同步、帧同步解析出该通道的数据位流信息，通过解析出的当前通道的通道号等特有信息来识别当前通道是否与其他跟踪通道重复跟踪同一目标信号，若相同则认为该通道重复捕获，并发出失锁重捕指示，开启下一轮的捕获跟踪。现有技术会带来捕获时间增长以及跟踪通道被长时间占用的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于载波和伪码联合估计的多通道捕获转跟踪方法，在测控终端前向输入多路直接扩频体制信号，且各路信号同频同码信号时，能够在捕获置跟踪前利用捕获通道和跟踪通道间载波和伪码的联合估计差值，识别出捕获到的信号与跟踪通道的信号是否重复，剔除重复捕获到的信号，避免了空闲跟踪通道被长时间占用，以及由信息层面剔除重复捕获信号而导致的捕获时间增长的问题。该设计在FPGA中实现，采用全数字化设计，工程实现简单、应用广泛。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种基于载波和伪码联合估计的多通道捕获转跟踪方法，包括如下步骤：
在信号捕获成功后，确定采样时刻；
在采样时刻采集所有捕获通道的载波信息和伪码信息，且采集所有跟踪通道的载波信息和伪码信息，获得捕跟联合估计参数集；
对捕跟联合估计参数集中的载波信息和伪码信息进行联合差异估计，获得二维差异估计结果；
根据二维差异估计结果，进行捕获通道到跟踪通道的自适应匹配。
上述的多通道捕获转跟踪方法，优选的，捕跟联合估计参数集中包括捕获通道的载波多普勒信息和伪码相位信息、跟踪通道的载波多普勒信息和伪码相位信息。
上述的多通道捕获转跟踪方法，优选的，对捕跟联合估计参数集中的载波信息和伪码信息进行联合差异估计，根据伪码相位比较门限和载波多普勒频偏比较门限，获得二维差异估计结果。
上述的多通道捕获转跟踪方法，优选的，伪码相位比较门限为i1个码相位，3≤i1≤10，且i1<Δc，Δc为通道间起码码相位差值。
上述的多通道捕获转跟踪方法，优选的，如果捕获伪码相位与跟踪伪码相位差不超过伪码相位比较门限，则将捕获的信号和跟踪的信号归为同一路信号；否则将捕获的信号和跟踪的信号归为不同路信号。
上述的多通道捕获转跟踪方法，优选的，伪码相位比较门限为k个载波多普勒精度Δcf。
上述的多通道捕获转跟踪方法，优选的，如果捕获载波多普勒与跟踪载波多普勒的频率差不超过伪码相位比较门限，则将捕获的信号和跟踪的信号归为同一路信号；否则将捕获的信号和跟踪的信号归为不同路信号。
上述的多通道捕获转跟踪方法，优选的，根据二维差异估计结果，进行捕获通道到跟踪通道的自适应匹配的方法为：
在所有跟踪通道中识别出空闲的跟踪通道；
将识别出的与各跟踪通道参数不同的捕获通道参数，送入空闲的跟踪通道中开始跟踪；
当所有捕获到信号的通道均已进入跟踪状态，则开启下一轮捕获。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)现有技术中捕获通道成功捕获一次，并将该通道的捕获参数置给预置相同伪码的跟踪通道。本发明在捕获通道与跟踪通道间增加了载波和伪码联合估计的环节，改变了单次只能将一个捕获通道的捕获参数置给固定跟踪通道，实现了a.能够剔除重复捕获并已进入跟踪的通道；b.单次捕获可同时将捕获到的多个通道捕跟参数自适应分配给空闲跟踪通道。
(2)本发明在捕获成功后，使用本地复现伪码的累加寄存器产生捕跟参数采集信号，解决了动态环境中捕获与跟踪阶段伪码相位时变条件下的可比性问题；
(3)本发明在多通道捕跟过程中，采用捕获通道间并行，跟踪通道间串行的载波多普勒和伪码相位联合差异估计的算法，对多通道间二维捕跟参数差异进行估计，以二维矩阵向量记录估计结果，最大程度上节省了系统资源，优化了差异估计流程；
(4)本发明采样跟踪通道的空闲指示，有效识别出空闲的跟踪通道号，根据载波和伪码联合估计结果将空闲跟踪通道号依次与有效捕获到的通道自适应匹配，改变了传统方法中跟踪通道被动单一的跟踪模式。
附图说明
图1现有技术中测控终端捕获转跟踪的处理流程；
图2本发明测控终端捕获转跟踪的处理方法；
图3跟踪多维参数采样时刻示意图；
图4捕跟联合估计流程图；
图5联合估计过程示意图；
图6跟踪通道空闲识别流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
本发明一种基于载波和伪码联合估计的多通道捕获转跟踪方法的基本思路为：
(1)利用捕获成功后本地伪码恢复时刻，产成捕跟参数采样信号；
(2)在该采样时刻提取各捕获通道和跟踪通道的载波多普勒信息和伪码相位信息，使用采样到的各通道参数形成联合估计参数集，用于与捕获参数集进行差异化识别；
(3)对输入的捕跟参数集做联合差异估计，将差异结果分别与载波差异门限和伪码差异门限进行比较，并保存二维差异估计结果；
(4)使用联合估计的结果采用二维参数单向遍历的流程控制方法实现了捕获通道到跟踪通道的自适应匹配；
(5)联合估计中伪码相位比较门限的计算；
(6)载波多普勒频偏比较门限的计算。
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
本发明提出的一种基于载波和伪码联合估计的多通道捕获转跟踪的方法，在捕获置跟踪的过程中增加载波和伪码二维联合估计的设计，以解决多通道输入同频同码时，跟踪通道被占用及捕获时间过长的问题，实现框图见图2。
基于载波和伪码联合估计的多通道捕获转跟踪方法包含4个步骤：(1)测控终端实时生成捕跟参数采样信号；(2)采集当前捕获和跟踪的多通道信号的实时载波和伪码信息，形成捕跟差错控制参数集；(3)对输入的捕跟参数集做联合差异估计，将差异估计值与门限值进行比较，并保存比较结果；(4)使用联合估计的结果采用多维参数单向遍历的流程控制方法实现了捕获通道到跟踪通道的自适应匹配。
1、测控终端实时产生捕跟参数采样信号
由于在实现中，捕获和跟踪是两个独立的部分，跟踪通道的伪码相位是实时改变的，所以要在捕获完成后找到一个固定时刻，该时刻采样到的捕获和跟踪的伪码相位具有可比性。由于在当前通道捕获成功后，本地使用伪码NCO高位作为本地伪码的查询地址，该地址表征当前捕获到的伪码相位，在当前通道捕获结束前该地址持续有效，使用该地址的起始时刻作为采样时刻。
上述步骤中跟踪多维参数采样时刻的生成步骤分为以下几步：①定义长度为2C1-1的m码码序列；②定义A个N1位宽的伪码相位累加寄存器accul_reg0～accul_regA-1(A表示通道个数)用来产生各通道所对应的捕获伪码NCO(本地伪码NCO产生见图3)，若本地伪码频率控制精度
赫兹，取N1＝N0+C1，其中伪码累加寄存器accul_reg的第N0位输出就是伪码相位时钟，该时钟与本地伪码相位相对应；③在系统时钟fs驱动下，当伪码累加寄存器accul_reg的第(0～C1-1)位等于某一固定常数值时(该常数值在[0,C1-1]范围内取值，取值为0时该生成时刻即与第0个码相位输出对齐，取值为C1-1时该生成时刻即与第C1-1个码相位输出对齐)输出判决时刻脉冲信号trackclk，该信号为系统时钟宽度高电平脉冲信号，其它时刻该信号值为‘0’。
2、采集当前捕获和跟踪的多通道信号的实时载波和伪码信息，形成捕跟联合估计参数集；在上述步骤中的采集时刻，采集A个捕获通道的捕获参数与A个跟踪通道的跟踪参数；
在trackclk脉冲信号为高电平时用寄存器锁存A个跟踪通道载波多普勒和伪码相位跟踪锁定标识(定义载波锁定标识为carrier_lock0～carrier_lockA-1，伪码锁定标识为code_lock0～code_lockA-1，锁定时标识值为‘1’，未锁定时标识值为‘0’)，锁存A个跟踪通道载波多普勒频率控制字和伪码相位(定义跟踪通道载波多普勒频率控制字为track_freqword0～track_freqwordA-1，定义跟踪通道伪码相位值track_codephase0～track_codephaseA-1)。
3、对输入的捕跟参数集做联合差异估计，并保存差异估计结果；
该步骤中将当前通道捕获到的载波多普勒值和伪码相位值分别与每个跟踪通道的载波多普勒值和伪码相位值进行做差，当差值在误差范围内时，认为当前捕获到的通道已进入跟踪状态，抛弃该捕获参数；若差值超出误差范围外时，认为当前捕获到的通道与待比较的跟踪通道为两个不同的通道；比较完成后，当前捕获到的通道参数与所有待比较的跟踪通道参数都不相同时，保留该通道的载波和伪码捕获参数。
实现流程见图4，估计过程示意图见图5，具体分为以下几个步骤实现：①输入跟踪通道待比较的载波多普勒值track_freqword0～track_freqwordA-1与当前通道捕获到的载波多普勒值做差，得到差值Δfreqword0～ΔfreqwordA-1；输入跟踪通道待比较的伪码相位值track_codephase0～track_codephaseA-1与当前通道捕获到的伪码相位值做差，得到伪码相位差值Δcodephase0～
实现流程见图4，具体分为以下几个步骤实现：①输入跟踪通道待比较的载波多普勒值track_freqword0～track_freqwordA-1与当前通道捕获到的载波多普勒值做差，得到差值Δfreqword0～ΔfreqwordA-1；输入跟踪通道待比较的伪码相位值track_codephase0～track_codephaseA-1与当前通道捕获到的伪码相位值做差，得到伪码相位差值Δcodephase0～
ΔcodephaseA-1；②判断待比较的跟踪通道载波锁定标识carrier_lock0～carrier_lockA-1是否锁定，若锁定并且差值Δfreqword0～ΔfreqwordA-1在门限D范围之内，则设置当前捕获通道与输入跟踪通道i(i＝0～A-1)的载波多普勒比较标识cmp_flag_Ai＝‘0’(表示二者载波多普勒相同)，在门限就D范围之外(D为门限值，在步骤5中进行说明)，则设置比较标识cmp_flag_Ai＝‘1’(表示二者载波多普勒不同)；判断待比较的跟踪通道载波锁定标识code_lock0～code_lockA-1是否锁定，若锁定并且差值Δcodephase0～ΔcodephaseA-1在门限E范围之内(E为伪码相位估计门限，在步骤6中进行说明)，则设置当前捕获通道与输入跟踪通道i(i＝0～A-1)的伪码相位比较标识cmp_flag_Bi＝‘0’(表示二者伪码相位相同)，在门限E范围之外，则设置比较标识cmp_flag_Bi＝‘1’(表示二者伪码相位不同)；③判断当前捕获通道catch_resulti的值是否为‘1’(‘1’表示捕获成功，‘0’捕获不成功)，若catch_resulti＝‘1’则输出多维参数差异状态标识cmp_flagi＝cmp_flag_Aiand cmp_flag_Bi(二者做与运算)；若catch_resulti＝‘0’，则输出多维参数差异状态标识cmp_flagi＝‘1’(其中cmp_flagi的值为‘1’表示当前捕获通道与输入待比较的跟踪通道多维参数值比较结果为不相同，‘0’表示比较结果为相同)。由于捕获到的通道数目有A个，跟踪的通道数目有A个，每一个捕获通道参数要分别与A个跟踪通道顺序进行比较，这里定义差异状态标识寄存器向量cmpresult_reg0～cmpresult_regA-1(向量cmpresult_regi有0～A-1个bit位)，每个捕获通道的0～A-1个参数差异状态标识量cmp_flagi分别存储在cmpresult_regi的0～A-1个bit位上(第0bit位表示捕获通道0分别与第0个跟踪通道参数差异状态标识cmp_flag0的值，第1bit位表示捕获通道0分别与第1个跟踪通道参数差异状态标识cmp_flag1的值，……，以此类推)。
4、通过比较的结果，完成捕获转跟踪；
该步骤中，需要根据步骤3中的比较结果，首先识别出空闲的跟踪通道，其次分别将识别出的与各跟踪通道参数不同的捕获通道参数，依次送入空闲的跟踪通道中开始跟踪。若所有捕获到的通道均已进入跟踪状态，则开启下一轮的捕获。
(1)空闲通道识别流程见图6，具体实现分为以下几个步骤：①读入步骤(3)中输出的捕获与跟踪参数差异状态标识向量cmpresult_regi，这里i表示捕获通道号，取值为0～A-1，定义变量j，表示跟踪通道号，取值为0～A-1；②初始化j＝0；③此时判断j的值是否大于A-1，若j＞A-1，则输出跟踪通道是否空闲的标识track_channel(0)～track_channel(A-1)，(track_channel(j)＝‘0’表示通道空闲，track_channel(j)＝‘1’表示通道被占用)，同时输出捕获通道i可使用的跟踪通道号cmp_num0～cmp_numA-1，至此流程结束；④若j≤A-1，判断跟踪通道锁定标识loop_flagj的值是否等于‘1’(‘1’表示该跟踪通道已锁定，‘0’表示该跟踪通道未锁定为空闲，其中loop_flagj＝carrier_lockj and code_lockj)；⑤如果loop_flagj＝‘1’，则将track_channel(j)的值置为‘1’表示跟踪通道j已被占用，进入步骤⑦；⑥如果loop_flagj＝‘0’，则进入步骤⑧；⑦j的值加1后进入步骤③；⑧初始化i＝0；⑨判断i的值是否大于A-1；⑩若i＞A-1，则进入步骤⑦；
若i≤A-1，判断cmpresult_regi的值是否等于全零(cmpresult_regi的值全为零表示捕获通道i与A个跟踪通道参数都不相同)；
若cmpresult_regi的值全部等于零，使track_channel(j)＝‘0’，cmpresult_regi(j)＝‘1’，cmp_numi＝j，然后进入步骤⑦；
若cmpresult_regi的值不全等于零，则i的值加1后进入步骤⑨。
(2)将捕获通道的捕获参数置给跟踪通道
经过步骤4-(1)得到捕获通道可使用的跟踪通道号cmp_numi和跟踪通道是否空闲的标识track_channel(j)。由0到A-1顺序遍历各跟踪通道的跟踪状态，当track_channel(j)的值为‘0’时，表示跟踪通道j空闲，将捕获参数置给跟踪通道开始跟踪；当track_channel(j)的值为‘1’时，表示跟踪通道j被占用，不置数，开始新一轮捕获。
5、步骤3中载波多普勒判决门限D计算与使用
假设测控终端前向接收通道A个通道的载波多普勒中频频点分别为f0、f0+Δf、f0+2Δf、......、f0+(A-1)Δf，载波多普勒范围是[-fd,+fd],Δf为每个通道间载波多普勒差值。假设捕获到的载波多普勒精度为Δcf。
则两个通道间最大多普勒频差为(A-1)Δf+2fd，最小多普勒频差为Δf-2fd。若捕获到的与正在跟踪的为相同信号，考虑捕获有±k个点的误差精度(一般情况下0≤k≤5)，则门限值D1∈[-kΔcf，+kΔcf]。
综合以上两种情况，当载波多普勒频率差值Δfreqword0～ΔfreqwordA-1在范围[-kΔcf，+kΔcf]中，则认为捕获与跟踪属于同一路信号；若Δfreqword0～ΔfreqwordA-1在范围-kΔcf，+kΔcf]之外，则认为捕获与跟踪属于不同路信号。
6、步骤3中伪码相位判决门限E计算与使用
假设测控终端前向接收通道A个通道间的伪码起始相位分别为C0、C0+Δc、C0+2Δc、......、C0+(A-1)Δc，通常情况下
取整。由于伪码捕获精度通常为0.5个伪码相位，这里取i1个码相位的误差容限(3≤i1≤10，且Δc＞i1)，则若捕获到的与正在跟踪的伪码相位相同，E1∈[-i1，+i1]。
综合以上两种情况，当捕获与跟踪伪码相位差值Δcodephase0～ΔcodephaseA-1在范围[-i1，+i1]中，则认为捕获与跟踪属于同一路信号；若Δcodephase0～ΔcodephaseA-1在范围[-i1，+i1]之外，则认为捕获与跟踪属于不同路信号。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于载波和伪码联合估计的多通道捕获转跟踪方法，其特征在于，包括如下步骤：
在信号捕获成功后，确定采样时刻；
在采样时刻采集所有捕获通道的载波信息和伪码信息，且采集所有跟踪通道的载波信息和伪码信息，获得捕跟联合估计参数集；
对捕跟联合估计参数集中的载波信息和伪码信息进行联合差异估计，获得二维差异估计结果；
根据二维差异估计结果，进行捕获通道到跟踪通道的自适应匹配。
2.根据权利要求1所述的多通道捕获转跟踪方法，其特征在于，捕跟联合估计参数集中包括捕获通道的载波多普勒信息和伪码相位信息、跟踪通道的载波多普勒信息和伪码相位信息。
3.根据权利要求1所述的多通道捕获转跟踪方法，其特征在于，对捕跟联合估计参数集中的载波信息和伪码信息进行联合差异估计，根据伪码相位比较门限和载波多普勒频偏比较门限，获得二维差异估计结果。
4.根据权利要求3所述的多通道捕获转跟踪方法，其特征在于，伪码相位比较门限为i1个码相位，3≤i1≤10，且i1<Δc，Δc为通道间起码码相位差值。
5.根据权利要求4所述的多通道捕获转跟踪方法，其特征在于，如果捕获伪码相位与跟踪伪码相位差不超过伪码相位比较门限，则将捕获的信号和跟踪的信号归为同一路信号；否则将捕获的信号和跟踪的信号归为不同路信号。
6.根据权利要求3所述的多通道捕获转跟踪方法，其特征在于，伪码相位比较门限为k个载波多普勒精度Δcf。
7.根据权利要求6所述的多通道捕获转跟踪方法，其特征在于，如果捕获载波多普勒与跟踪载波多普勒的频率差不超过伪码相位比较门限，则将捕获的信号和跟踪的信号归为同一路信号；否则将捕获的信号和跟踪的信号归为不同路信号。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的多通道捕获转跟踪方法，其特征在于，根据二维差异估计结果，进行捕获通道到跟踪通道的自适应匹配的方法为：
在所有跟踪通道中识别出空闲的跟踪通道；
将识别出的与各跟踪通道参数不同的捕获通道参数，送入空闲的跟踪通道中开始跟踪；
当所有捕获到信号的通道均已进入跟踪状态，则开启下一轮捕获。
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-
2021
- 2021-06-11 CN CN202110655100.8A patent/CN113406676B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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