CN113556188A - 一种测控天线组阵精确频率偏差估计与补偿装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测控天线组阵精确频率偏差估计与补偿装置，适用于接收天线组阵中深空信号的高效合成、实时合成等相关应用领域。该装置对多天线接收信号进行下变频、滤波、积分清洗等预处理，对预处理后的信号进行FFT，利用频域互谱信号提取多天线的相位差，并根据相位差的变化情况拟合提取精确的残余多普勒值。本发明适用于低信噪比情况下多天线接收信号之间的时频相差对齐，具有频率偏差估计和补偿精度高等优点。

Description

一种测控天线组阵精确频率偏差估计与补偿装置
技术领域
本发明涉及到深空测控通信中的接收天线组阵信号合成技术、分布式雷达收发相参合成技术、干涉测量数据处理技术等，特别适用于接收天线组阵中深空信号的高效合成、实时合成等相关应用领域。
背景技术
在深空测控通信系统中，由于深空航天器目标与地球测站相距遥远，从几千万到上亿公里，致使现有测控通信设备的接收信号强度非常微弱。接收天线组阵是实现提高接收信号SNR的有效手段，但实现天线组阵合成首先需要将各天线接收信号进行时延偏差、相位偏差、频率偏差修正对齐。传统的频率偏差采用时域载波跟踪或频域FFT技术，只适用于高信噪比情况，且估计精度差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于本发明公开了测控天线组阵自动频率偏差估计与补偿装置，该装置通过多天线接收信号的频域FX相关计算，基于自适应FX相关器能够实现低信噪比情况下的天线阵间时延和相位偏差高精度的自动估计，并基于相位偏差的估计值进行多项式拟合得到频率偏差的估计值。
本发明采用的技术方案为：
一种测控天线组阵精确频率偏差估计与补偿装置，包括频偏模型建立单元、正交下变频和积分清洗单元、FFT单元、时延相位补偿单元、频域合成单元、互谱计算单元和精确残余多普勒估计单元；
频偏模型建立单元：用于根据外部输入目标轨位信息和各天线的位置坐标信息，建立天线1～天线N多普勒多项式预报值fdk(t)，将多普勒多项式预报值送入正交下变频和积分清洗单元；其中，N为大于1的自然数，fdk(t)＝a0+a1·t+a2·t2+…，t为时间，k＝1,2,…,N为天线标识，a0、a1、a2…分别为多项式系数；
正交下变频和积分清洗单元：用于根据外部输入的中频载波标称值、频偏模型建立单元输入的多普勒多项式预报值和精确残余多普勒估计单元输入的精确残余多普勒估计值构造下变频本地信号slocal＝exp(-j2π(f0+fdk(t)+Δfk0(t))t)，利用构造的下变频本地信号对输入信号进行正交下变频，得到复数基带信号，对复数基带信号的I、Q支路分别进行积分清洗降低数据速率后，将积分清洗后的I、Q基带信号送入FFT单元；其中，f0为中频载波标称值，fdk(t)为多普勒多项式预报值，Δfk0(t)为精确残余多普勒估计值；
FFT单元：用于对积分清洗后的I、Q基带信号进行复数FFT运算，并将计算结果送入时延相位补偿单元；
时延相位补偿单元：用于利用互谱计算单元计算得到的残余时延差和残余相位差对FFT单元的计算结果进行时延相位精补偿，将精补偿后的结果送入频域合成单元和互谱计算单元；
频域合成单元：将精补偿后的信号进行幅度加权后频域合成，将频域合成信号进行IFFT后输出，并将频域合成信号送互谱计算单元；
互谱计算单元：根据精补偿后的信号和频域合成信号进行互谱计算，将互谱结果的互谱相位信息通过最小二乘线性拟合进行计算，得到残余时延差和残余相位差；将残余时延差和残余相位差送入时延相位补偿单元，同时将残余相位差送入精确残余多普勒估计单元，其中，第k路信号的残余相位差为：
Figure BDA0003178318060000031
θk0为固定的相位差值，Δfk0(t)为精确残余多普勒频差；
精确残余多普勒估计单元：根据互谱计算单元得到的残余相位差，通过多项式拟合得到精确残余多普勒估计值，并将得到的精确残余多普勒估计值Δfk0(t)更新到正交下变频和积分清洗单元；其中，精确残余多普勒估计值Δfk0(t)＝b0+b1·t+b2·t2+…，b0、b1、b2分别为多项式拟合系数。
本发明与背景技术相比具有如下优点：
本发明的测控天线组阵精确频率偏差估计与补偿的装置，基于自适应FX相关器能够实现天线阵间时延和相位偏差高精度的自动估计，并基于相位偏差的估计值进行多项式拟合得到频率偏差的估计值，具有估计和补偿精度高、适应信噪比低等优点，可以实现多测控天线低信噪比情况下的高精度对齐合成，提高合成信号信噪比。
附图说明
图1是本发明的原理框图。
具体实施方式
参照图1，一种测控天线组阵精确频率偏差估计与补偿装置，包括频偏模型建立单元、正交下变频和积分清洗单元、FFT单元、时延相位补偿单元、频域合成单元、互谱计算单元和精确残余多普勒估计单元；
频偏模型建立单元：用于根据外部输入目标轨位信息和各天线的位置坐标信息，建立天线1～天线N多普勒多项式预报值fdk(t)，将多普勒多项式预报值送入正交下变频和积分清洗单元；其中，N为大于1的自然数，fdk(t)＝a0+a1·t+a2·t2+…，t为时间，k＝1,2,…,N为天线标识，a0、a1、a2…分别为多项式系数；
正交下变频和积分清洗单元：用于根据外部输入的中频载波标称值、频偏模型建立单元输入的多普勒多项式预报值和精确残余多普勒估计单元输入的精确残余多普勒估计值构造下变频本地信号slocal＝exp(-j2π(f0+fdk(t)+Δfk0(t))t)，利用构造的下变频本地信号对输入信号进行正交下变频，得到复数基带信号，对复数基带信号的I、Q支路分别进行积分清洗降低数据速率后，将积分清洗后的I、Q基带信号送入FFT单元；其中，f0为中频载波标称值，fdk(t)为多普勒多项式预报值，Δfk0(t)为精确残余多普勒估计值；
FFT单元：用于对积分清洗后的I、Q基带信号进行复数FFT运算，并将计算结果送入时延相位补偿单元；
时延相位补偿单元：用于利用互谱计算单元计算得到的残余时延差和残余相位差对FFT单元的计算结果进行时延相位精补偿，将精补偿后的结果送入频域合成单元和互谱计算单元；
频域合成单元：将精补偿后的信号进行幅度加权后频域合成，将频域合成信号进行IFFT后输出，并将频域合成信号送互谱计算单元；
互谱计算单元：根据精补偿后的信号和频域合成信号进行互谱计算，将互谱结果的互谱相位信息通过最小二乘线性拟合进行计算，得到残余时延差和残余相位差；将残余时延差和残余相位差送入时延相位补偿单元，同时将残余相位差送入精确残余多普勒估计单元，其中，第k路信号的残余相位差为：
Figure BDA0003178318060000051
θk0为固定的相位差值，Δfk0(t)为精确残余多普勒频差；
精确残余多普勒估计单元：根据互谱计算单元得到的残余相位差，通过多项式拟合得到精确残余多普勒估计值，并将得到的精确残余多普勒估计值Δfk0(t)更新到正交下变频和积分清洗单元；其中，精确残余多普勒估计值Δfk0(t)＝b0+b1·t+b2·t2+…，b0、b1、b2分别为多项式拟合系数。

Claims (1)

1.一种测控天线组阵精确频率偏差估计与补偿装置，其特征在于，包括频偏模型建立单元、正交下变频和积分清洗单元、FFT单元、时延相位补偿单元、频域合成单元、互谱计算单元和精确残余多普勒估计单元；
频偏模型建立单元：用于根据外部输入目标轨位信息和各天线的位置坐标信息，建立天线1～天线N多普勒多项式预报值fdk(t)，将多普勒多项式预报值送入正交下变频和积分清洗单元；其中，N为大于1的自然数，fdk(t)＝a0+a1·t+a2·t2+…，t为时间，k＝1,2,…,N为天线标识，a0、a1、a2…分别为多项式系数；
正交下变频和积分清洗单元：用于根据外部输入的中频载波标称值、频偏模型建立单元输入的多普勒多项式预报值和精确残余多普勒估计单元输入的精确残余多普勒估计值构造下变频本地信号slocal＝exp(-j2π(f0+fdk(t)+Δfk0(t))t)，利用构造的下变频本地信号对输入信号进行正交下变频，得到复数基带信号，对复数基带信号的I、Q支路分别进行积分清洗降低数据速率后，将积分清洗后的I、Q基带信号送入FFT单元；其中，f0为中频载波标称值，fdk(t)为多普勒多项式预报值，Δfk0(t)为精确残余多普勒估计值；
FFT单元：用于对积分清洗后的I、Q基带信号进行复数FFT运算，并将计算结果送入时延相位补偿单元；
时延相位补偿单元：用于利用互谱计算单元计算得到的残余时延差和残余相位差对FFT单元的计算结果进行时延相位精补偿，将精补偿后的结果送入频域合成单元和互谱计算单元；
频域合成单元：将精补偿后的信号进行幅度加权后频域合成，将频域合成信号进行IFFT后输出，并将频域合成信号送互谱计算单元；
互谱计算单元：根据精补偿后的信号和频域合成信号进行互谱计算，将互谱结果的互谱相位信息通过最小二乘线性拟合进行计算，得到残余时延差和残余相位差；将残余时延差和残余相位差送入时延相位补偿单元，同时将残余相位差送入精确残余多普勒估计单元，其中，第k路信号的残余相位差为：
Figure FDA0003178318050000021
θk0为固定的相位差值，Δfk0(t)为精确残余多普勒频差；
精确残余多普勒估计单元：根据互谱计算单元得到的残余相位差，通过多项式拟合得到精确残余多普勒估计值，并将得到的精确残余多普勒估计值Δfk0(t)更新到正交下变频和积分清洗单元；其中，精确残余多普勒估计值Δfk0(t)＝b0+b1·t+b2·t2+…，b0、b1、b2分别为多项式拟合系数。
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