CN108011653B - 基于自适应的快速捕获跟踪***及方法 - Google Patents

基于自适应的快速捕获跟踪***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于自适应的快速捕获跟踪***及方法，***包括：高动态直扩源模块，包括高动态直扩基带信号产生模块和上变频模块，其中，所述高动态直扩基带信号产生模块产生的高动态直扩基带信号经上变频模块变频到射频频段并发送；基带快速捕获跟踪模块，包括下变频模块、AD采样模块、累加计算模块、能量比较模块、定时反馈模块、信号补偿模块、初始化频率及伪码相位模块、伪码跟踪模块、解扩模块、载波跟踪模块、解调模块、位同步模块、恢复数据模块、统计误码率模块。本发明对信号进行估计频率、伪码相位，快速完成捕获跟踪，占用航天器***资源少的优点，且验证简便，能够快速捕获跟踪。

Description

基于自适应的快速捕获跟踪***及方法
技术领域
本发明涉及一种基于自适应的快速捕获跟踪***及方法，属于航天器接收设备的技术领域。
背景技术
地面模测站与测控站之间设备不同，存在不同信噪比切换，随着航天器的发射，信噪比也随之改变，此外，相对运动产生的加速度以及加加速度，会导致接收信号含有大多普勒频移及其一、二阶导数。在自适应信噪比和高动态情况下，对信号进行快速捕获和跟踪是航天器接收机需要解决的关键技术，在国家信息安全战略中具有重要地位。
目前航天器接收机的***性能验证可分为模拟验证和飞行验证。模拟验证，即在实验室环境下，用高动态直扩源模块对发射信号进行基带信号模拟，以便在测控站资源紧张的今天，高动态直扩源模块占用资源少，另外，高动态直扩源模块基本参数可配置，无线信道特性(诸如单音、窄带、宽带、多音、扫频、跳频等多种干扰方式)也可以很方便的选择一种或者多种加入，模拟验证无疑具有非常大的优势，有利于提高模拟验证的可靠性。模拟验证中最重要的环节，就是要求接收机的各项***指标都超出飞行验证的要求，并留出余量。
利用上述技术即可实现航天器接收机***性能验证。但是在不同信噪比及高动态环境下(如国外的GPS以及我国的北斗***、测控卫星)，不但要保证捕获时间，还要保证捕获成功率。这对航天器接收机设计是严苛的挑战。
发明内容
发明所要解决的课题是现有捕获跟踪***占用设备复杂度大，且验证困难，无法快速实现捕获跟踪的问题，
用于解决课题的技术手段是，提出一种自适应高低信噪比、高动态直扩信号的***及方法，从而实现快速捕获跟踪。本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种基于自适应的快速捕获跟踪***，包括：
高动态直扩源模块，包括高动态直扩基带信号产生模块和上变频模块，其中，所述高动态直扩基带信号产生模块产生的高动态直扩基带信号经上变频模块变频到射频频段并发送；
基带快速捕获跟踪模块，包括下变频模块、AD采样模块、累加计算模块、能量比较模块、定时反馈模块、信号补偿模块、初始化频率及伪码相位模块、伪码跟踪模块、解扩模块、载波跟踪模块、解调模块、位同步模块、恢复数据模块、统计误码率模块，其中，所述下变频模块经无线信道接收后，将射频频段信号变到基带信号，通过AD采样模块采样后由累加计算模块结合数据速率与频率偏移按照载波的多普勒频率进行分段，并进行相干及非相干累加；所述能量比较模块对累加计算模块的累加结果判断选出本次比较的最大值，且由定时反馈模块根据能量比较模块的判断结果产生定时脉冲，及利用信号补偿模块根据定时脉冲控制累加频率，搜索载波的整个多普勒频率范围获得确认值；所述初始化频率及伪码相位模块将定时反馈模块的确认值转换为频率、伪码相位，并分别输入伪码跟踪模块及载波跟踪模块；所述伪码跟踪模块在初始化伪码相位左右相邻码片再次确认后并进行伪码跟踪，并由解扩模块将基带数据与伪码剥离；所述载波跟踪模块，用于将鉴频结果辅助加速度、速度分量后，经过锁相环对载波相位进行定时更新，并将实时的残差修正补偿至伪码跟踪模块；所述解调模块根据载波跟踪模块所得载波跟踪后的相位进行相干解调，经位同步模块产生定时插值和调整位定时时钟后，由恢复数据模块利用位定时检测数据中同步字序列并将数据按帧格式对齐，获得恢复数据；所述统计误码率模块将高动态直扩源数据源与所获得恢复数据逐比特进行对比，统计出***误码率。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述高动态直扩基带信号产生模块产生可配置速度、加速度及加加速度的高动态直扩基带信号。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述累加计算模块在结合数据速率与频率偏移按照载波的多普勒频率进行分段后，经过FIR滤波器取绝对值相加，以达到所需捕获信噪比。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述AD采样模块采用AD9148型数模转换器。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述累加计算模块采用V5SX95T型FPGA芯片。
本发明基于自适应的快速捕获跟踪***，还提出其方法，包括步骤：
将产生的高动态直扩基带信号变频到射频频段并发送；
将接收的射频频段信号变到基带信号，通过采样后结合数据速率与频率偏移将载波多普勒频率进行分段，并进行相干及非相干累加；及对累加结果判断选出本次比较的最大值，且根据判断结果产生定时脉冲；及根据定时脉冲控制累加频率，搜索载波的整个动态范围获得确认值，并将确认值转换为频率、伪码相位，并分别进行伪码跟踪和载波跟踪；
所述伪码跟踪，包括在初始化伪码相位左右相邻码片再次确认后并进行伪码跟踪，并将基带数据与伪码剥离后送入载波跟踪；所述载波跟踪，包括将鉴频结果辅助加速度、速度分量后，经过锁相环对载波相位进行定时更新，并将实时的残差修正补偿至伪码跟踪过程；并且，根据所得载波跟踪后的相位进行相干解调，经产生定时插值和调整位定时时钟后，利用位定时检测数据中同步字序列并将数据按帧格式对齐，获得恢复数据；及将高动态直扩源数据源与所获得恢复数据逐比特进行对比，统计出***误码率。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述方法中产生可配置速度、加速度及加加速度的高动态直扩基带信号。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述方法中，在结合数据速率与频率偏移将伪码频率进行分段后，经过FIR滤波器取绝对值相加，以达到所需捕获信噪比。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述方法中当搜索载波的整个动态范围获得确认值时，再次确认只需对初始伪码临近相位进行再次搜索最大值。
发明效果
本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：
本发明提供的基于自适应的快速捕获跟踪***及方法，是一种占用设备复杂度少，且验证简便的快速捕获跟踪***，并对信号进行自适应判别信噪比，确认初始化频率和伪码相位，对直扩信号进行补偿，从而实现快速捕获跟踪。以及，本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明在不使用惯导数据的情况下，对***所期望信号进行估计
频率、伪码相位，快速完成捕获跟踪，占用航天器***资源少的优点；
(2)本发明在高动态直扩源模块对模拟验证阶段，具有很大的灵活性，通过在基带上的动态和信道特性的叠加，节省测试仪器仪表，具有模拟飞行验证功能，可提供基带接口直连，提供射频接口仅需一个上变频器。
(3)本发明取决于数据速率及动态性能要求，累加计算模块及信号补偿模块可分割，可根据***需求和硬件资源情况，实现不同的接收机性能。
(4)本发明的能量比较模块和定时反馈模块，实现了不同信噪比环境下，对准确的频率和伪码相位进行估计；频率及伪码相位精度，可根据***需求和硬件资源情况进行调整。
附图说明
图1为本发明的***示意图。
图2为本发明的高动态直扩源模块的工作原理示意图。
图3为本发明的基带快速捕获跟踪模块的工作原理示意图。
具体实施方式
以下，基于附图针对本发明进行详细地说明。
下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。
如图1所示，本发明提出了一种基于自适应的快速捕获跟踪***，该***主要包括：高动态直扩源模块和基带快速捕获跟踪模块。
其中，高动态直扩源模块，包括高动态直扩基带信号产生模块和上变频模块，其中，所述高动态直扩基带信号产生模块产生的高动态直扩基带信号经上变频模块变频到射频频段并发送；
其中，基带快速捕获跟踪模块，包括下变频模块、AD采样模块、累加计算模块、能量比较模块、定时反馈模块、信号补偿模块、初始化频率及伪码相位模块、伪码跟踪模块、解扩模块、载波跟踪模块、解调模块、位同步模块、恢复数据模块、统计误码率模块，其中，所述下变频模块经无线信道接收后，将射频频段信号变到基带信号，通过AD采样模块采样后由累加计算模块按数据速率按照载波的动态范围分为多段，并进行相干及非相干累加；所述能量比较模块对累加计算模块的累加结果判断选出本次比较的最大值，且由定时反馈模块根据能量比较模块的判断结果产生定时脉冲，及利用信号补偿模块根据定时脉冲控制累加频率，搜索载波的整个动态范围获得确认值；所述初始化频率及伪码相位模块将定时反馈模块的确认值转换为频率、伪码相位，并分别输入伪码跟踪模块及载波跟踪模块；所述伪码跟踪模块在初始化伪码相位左右相邻码片再次确认后并进行伪码跟踪，并由解扩模块将基带数据与伪码剥离；所述载波跟踪模块，用于将鉴频结果辅助加速度、速度分量后，经过锁相环对载波相位进行定时更新，并将实时的残差修正补偿至伪码跟踪模块；所述解调模块根据载波跟踪模块所得载波跟踪后的相位进行相干解调，经位同步模块产生定时插值和调整位定时时钟后，由恢复数据模块利用位定时检测数据中同步字序列并将数据按帧格式对齐，获得恢复数据；所述统计误码率模块将从高动态直扩基带信号产生模块得到的高动态直扩源数据源与所获得恢复数据逐比特进行对比，统计出***误码率，其中高动态直扩源数据源是可配置数据源的内容，包括长度、内容、是否间断、含有计数值。
优选地，所述高动态直扩基带信号产生模块产生可配置速度、加速度及加加速度的高动态直扩基带信号。数据速率、载波更新速率、伪码速率是受多普勒的影响。具体来说，相对移动速度影响的是多普勒频率即频率偏移值，相对加速度影响的是多普勒变化率即频率一阶变化率，相对加加速度影响的是多普勒变化率的变化率，即频率二阶变化率；信道特性可由控制干扰信号、噪声信号、高动态源的比例系数以达到所需的信噪比、干信比来实现。
所述累加计算模块结合数据速率与频率偏移将伪码频率进行分段，经过FIR滤波器取绝对值相加，以达到所需捕获信噪比。定时反馈模块，完成单个频率的跳转条件，能量比较模块完成整个循环之后进行对比，确定最大值出现的伪码相位及频率偏移值，并在伪码相位临近位置再次搜索，比较一次即可完成最佳伪码相位的选取，结合频率偏移值可快速完成伪码跟踪及载波跟踪。
本实施例中，本发明中的高动态直扩源模块单元优选采用AD公司的AD9148型数模转换器，它对产生的基带信号进行采样至140M，经过上变频器变至射频频段；基带信号的数据速率、伪码速率由分频时钟加入上变频之后的折算后的动态变化、载波速率通过调整相位对应FPGA中的存储余弦ROM模块产生动态变化效果，其比例按上变频之后的频率进行模拟。
基带快速捕获跟踪模块经下变频器后至基带，采用AD公司的AD9239型数模转换器对变频至140M的信号进行采样，它支持4路采样信号输入，采用的V5SX95T型FPGA芯片，累加计算模块在FPGA中实现，之后进行基带快速捕获跟踪，将AD9239型数模转换器所得采样信号按数据速率将载波多普勒频率分为多段，与并进行相干及非相干累加；能量比较模块，对累加结果判断，选出本次比较的最大值；定时反馈模块，根据对比结果，产生定时脉冲；信号补偿模块，根据定时脉冲控制累加频率，搜索载波的整个动态范围；初始化频率、伪码相位模块，将定时反馈的确认值转换为频率、伪码相位，并输入伪码跟踪模块及载波跟踪模块；伪码跟踪模块，在初始化伪码相位左右相邻码片再次确认后并进行伪码跟踪；解扩模块，将基带数据与伪码剥离；载波跟踪模块，将鉴频结果辅助加速度、速度分量后，经过锁相环对载波相位进行定时更新，并将实时的残差修正补偿至伪码跟踪环路；解调模块，利用载波跟踪后的相位信息，进行相干解调；位同步模块，产生定时插值，调整位定时时钟；恢复数据模块，利用位定时检测数据中同步字序列，并将数据按帧格式对齐；统计误码率模块，将高动态直扩源数据源与恢复数据逐比特进行对比，统计出***误码率。
图2显示了本发明中高动态直扩源模块的一种实施例的结构。数据速率data_clk、载波更新速率dds、伪码速率pn_clk均受速度(频率偏移值)、加速度(频率一阶变化率)、加加速度的控制(频率二阶变化率)，上述分频的时钟采用110M，控制计数器采用64位宽，可以保证产生相位连续变化的高动态数据源，其中，数据速率及伪码速率可设置，载波中心为25M。同时，信噪比控制信号(控制噪声功率)及干信比控制信号(控制干扰功率)与高动态数据源在25M上进行叠加，输入至AD9148型数模转换器，AD9148数模转换器由SPI配置内部锁相环倍至165M，经采样后，输出140M中频信号，输出至上变频。
图3显示了本发明中基带快速捕获跟踪模块的一种实施例的结构。DDS产生30M的cosθ及sinθ，分别与AD数模转换器采样后信号相乘，经过低通滤波器，消除高频分量。并以1个数据速率Ts对应的伪码个数作为点数N，将低通滤波后的信号分为K段，K段为捕获信噪比最小累加个数。以同样长度的伪码结果保存至ROM内，每次将ROM保存的伪码与低通滤波后的信号相乘，经过FIR滤波器完成累加操作，将K段的FIR输出结果取绝对值保存，改变伪码速率Δf并计算下一次。
能量比较模块将FIR输出结果对应位置相加，然后比较得出能量最大点。定时反馈模块将动态范围内的频率搜索一遍，结合能量比较模块，确认伪码相位最大值的位置及频率偏移。同时，初始化频率carrier phase、伪码相位pn phase，将其作为初值进行伪码跟踪和载波跟踪，考虑到能量比较模块与实际信号之间有延时，在伪码相位pn phase左右进行搜索，再次确认码片出现的位置；频率的偏差影响较小，不需要再次确认。
解扩模块根据码片的位置及频差产生相对应的伪码，进行解扩，同时，将载波残差Δθ反馈至伪码跟踪环辅助处理，提高伪码跟踪的精度。解调模块采用传统的Costas环进行解调，位同步算法根据Gardner算法进行插值控制，产生数据的最佳采样位置，经过搜索同步序列，与数据源进行对比，得出***误码率。
本发明的关键点在于能量比较模块和定时反馈模块，按频率分割并搜索最大值，可以不区分高低信噪比，避免了部分算法在高信噪比下由于超出捕获门限带来的频率估计不准的问题，另外，再次确认只需对初始伪码临近相位进行再次搜索最大值即可。
其次，K值的划分只需满足信号的捕获最低灵敏度，同时，实现代码只需一路模块，其他模块可复用，结构清晰；
再次，直扩动态源信号的相位产生可满足：2^64/110M(频率精度Hz)，2^64/110M/110M(频率一阶变化率精度Hz/s)；
最后，干扰和噪声的模拟产生便于测试***的搭建，能够快速验证***性能。
在上述***的基础上，本发明还提出一种基于自适应的快速捕获跟踪方法，包括步骤：
将产生的高动态直扩基带信号变频到射频频段并发送；
将接收的射频频段信号变到基带信号，通过采样后按数据速率将载波的动态范围分为多段，并进行相干及非相干累加；及对累加结果判断选出本次比较的最大值，且根据判断结果产生定时脉冲；及根据定时脉冲控制累加频率，搜索载波的整个动态范围获得确认值，并将确认值转换为频率、伪码相位，并分别进行伪码跟踪和载波跟踪；
所述伪码跟踪，包括在初始化伪码相位左右相邻码片再次确认后并进行伪码跟踪，并将基带数据与伪码剥离后送入载波跟踪；所述载波跟踪，包括将鉴频结果辅助加速度、速度分量后，经过锁相环对载波相位进行定时更新，并将实时的残差修正补偿至伪码跟踪过程；并且，根据所得载波跟踪后的相位进行相干解调，经产生定时插值和调整位定时时钟后，利用位定时检测数据中同步字序列并将数据按帧格式对齐，获得恢复数据；及将高动态直扩源数据源与所获得恢复数据逐比特进行对比，统计出***误码率。
其中，所述方法中产生可配置速度、加速度及加加速度的高动态直扩基带信号。优选地所述方法中结合数据速率与频率偏移将伪码频率进行分段，经过FIR滤波器取绝对值相加，以达到所需捕获信噪比。
以及，所述方法中当搜索载波的整个动态范围获得确认值时，再次确认只需对初始伪码临近相位进行再次搜索最大值。
综上，本发明的***和方法，在不使用惯导数据的情况下，对***所期望信号进行估计频率、伪码相位，快速完成捕获跟踪，占用航天器***资源少的优点。
且验证简便，能够快速捕获跟踪，是具备自适应高低信噪比、高动态直扩信号的快速捕获跟踪算法及***，实现了不同信噪比环境下，对准确的频率和伪码相位进行估计；频率及伪码相位精度，可根据***需求和硬件资源情况进行调整。
需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于自适应的快速捕获跟踪***，其特征在于，包括：
高动态直扩源模块，包括高动态直扩基带信号产生模块和上变频模块，其中，所述高动态直扩基带信号产生模块产生的高动态直扩基带信号经上变频模块变频到射频频段并发送；
基带快速捕获跟踪模块，包括下变频模块、AD采样模块、累加计算模块、能量比较模块、定时反馈模块、信号补偿模块、初始化频率及伪码相位模块、伪码跟踪模块、解扩模块、载波跟踪模块、解调模块、位同步模块、恢复数据模块、统计误码率模块，其中，所述下变频模块经无线信道接收后，将射频频段信号变到基带信号，通过AD采样模块采样后由累加计算模块结合数据速率与频率偏移按照载波的多普勒频率进行分段，并进行相干及非相干累加；所述能量比较模块对累加计算模块的累加结果判断选出本次比较的最大值，且由定时反馈模块根据能量比较模块的判断结果产生定时脉冲，及利用信号补偿模块根据定时脉冲控制累加频率，搜索载波的整个动态范围获得确认值；所述初始化频率及伪码相位模块将定时反馈模块的确认值转换为频率、伪码相位，并分别输入伪码跟踪模块及载波跟踪模块；所述伪码跟踪模块在初始化伪码相位左右相邻码片再次确认后并进行伪码跟踪，并由解扩模块将基带数据与伪码剥离；所述载波跟踪模块，用于将鉴频结果辅助加速度、速度分量后，经过锁相环对载波相位进行定时更新，并将实时的残差修正补偿至伪码跟踪模块；所述解调模块根据载波跟踪模块所得载波跟踪后的相位进行相干解调，经位同步模块产生定时插值和调整位定时时钟后，由恢复数据模块利用位定时检测数据中同步字序列并将数据按帧格式对齐，获得恢复数据；所述统计误码率模块将高动态直扩源数据源与所获得恢复数据逐比特进行对比，统计出***误码率。
2.根据权利要求1所述的基于自适应的快速捕获跟踪***，其特征在于：所述高动态直扩基带信号产生模块产生可配置速度、加速度及加加速度的高动态直扩基带信号。
3.根据权利要求1所述的基于自适应的快速捕获跟踪***，其特征在于：所述累加计算模块在结合数据速率与频率偏移按照载波的多普勒频率进行分段后，经过FIR滤波器取绝对值相加，以达到所需捕获信噪比。
4.根据权利要求1所述的基于自适应的快速捕获跟踪***，其特征在于：所述AD采样模块采用AD9148型数模转换器。
5.根据权利要求1所述的基于自适应的快速捕获跟踪***，其特征在于：所述累加计算模块采用V5SX95T型FPGA芯片。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的基于自适应的快速捕获跟踪***的方法，其特征在于，包括步骤：
将产生的高动态直扩基带信号变频到射频频段并发送；
将接收的射频频段信号变到基带信号，通过采样后结合数据速率与频率偏移将载波多普勒频率进行分段，并进行相干及非相干累加；及对累加结果判断选出本次比较的最大值，且根据判断结果产生定时脉冲；及根据定时脉冲控制累加频率，搜索载波的整个动态范围获得确认值，并将确认值转换为频率、伪码相位，并分别进行伪码跟踪和载波跟踪；
所述伪码跟踪，包括在初始化伪码相位左右相邻码片再次确认后并进行伪码跟踪，并将基带数据与伪码剥离后送入载波跟踪；所述载波跟踪，包括将鉴频结果辅助加速度、速度分量后，经过锁相环对载波相位进行定时更新，并将实时的残差修正补偿至伪码跟踪过程；并且，根据所得载波跟踪后的相位进行相干解调，经产生定时插值和调整位定时时钟后，利用位定时检测数据中同步字序列并将数据按帧格式对齐，获得恢复数据；及将高动态直扩源数据源与所获得恢复数据逐比特进行对比，统计出***误码率。
7.根据权利要求6所述的基于自适应的快速捕获跟踪***的方法，其特征在于，所述方法中产生可配置速度、加速度及加加速度的高动态直扩基带信号。
8.根据权利要求6所述的基于自适应的快速捕获跟踪***的方法，其特征在于，所述方法中，在结合数据速率与频率偏移将载波多普勒频率进行分段后，经过FIR滤波器取绝对值相加，以达到所需捕获信噪比。
9.根据权利要求6所述的基于自适应的快速捕获跟踪***的方法，其特征在于，所述方法中当搜索载波的整个多普勒频率范围获得确认值时，再次确认只需对初始伪码临近相位进行再次搜索最大值。
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