CN111262618A - 基于相同伪码的多目标测控信号并行接入的解决方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于相同伪码的多目标测控信号并行接入的解决方法，首先结合链路参数以及接收机指标制定合理的能量积累策略，包括相干积累次数、非相干积累次数以及频率搜索步进；结合经验判决门限比较能量积累之后的信号的幅值，将大于门限的幅值、相位、频偏信息存储在存储区域中；完成一轮搜索之后，通过相位和频偏信息区分不同的测控信号。本发明面对未来的商业航天，在测控***中使用相同伪码作为唯一的扩频码，能够充分利用捕获模块资源，实现多目标测控信号的实时接入，最终实现单站多收的目的，大大提高测控***的测控能力同时减少硬件资源消耗。

Description

基于相同伪码的多目标测控信号并行接入的解决方法
技术领域
本发明涉及地基测控***中信号的捕获和跟踪，具体涉及基于相同伪码的多目标测控信号并行接入的解决方法。
背景技术
低轨卫星因其距离地面近、通信时延短、数据传输率高，移动终端集成度高，将在5G/6G通信时代有广阔的应用前景。一网公司(OneWeb)、太空探索公司(SpaceX)、波音(Boeing)、低轨卫星公司(Leosat)等多家企业提出打造由低轨卫星组成的卫星星座，为全球提供互联网接入服务。与此同时，我国航天科工集团与航天科技集团也分别提出了“虹云”、“鸿雁”等低轨卫星星座计划，组网构建自主可控的星载宽带全球互联网络。同时同一时间过境的卫星数量剧增，测控站也将面临巨大的压力。
图1给出的是传统的单站多收方式，利用CDMA技术，在地面站提供多套伺服终端完成多目标的监测，这无疑造成了硬件资源的极大浪费。或是结合CDMA和SDMA的方式，同时利用空域信息和码分多址技术共同提高测控站测控能力，这种方法能同时测控几十颗卫星。结合我国的星座打造计划，利用STK软件仿真出低轨卫星数量为2000颗左右时，测控站单一波束内的平均值，如表1。单一波束内卫星数量的均值在7到15颗之间浮动，同时通过同一天线的卫星数量大于60颗，测控站现有的测控能力还难以满足此测控需求。
表1为软件仿真单一波束内可见卫星数量的平均值；
Figure BDA0002371375480000011
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种基于相同伪码的多目标测控信号并行接入的解决方法，包括以下步骤：
S1.记使用相同伪码扩频的n路测控信号剥离载频之后的表达为：
Figure BDA0002371375480000021
式中，r(t)为接收端基带信号，Sk为多路并行信号中的第k路，Ak为第k路信号幅值，Dk为第k路测控信号数据，C(t)为唯一的扩频伪码，tk为第k路信号对应的时延，fk为第k路残余频偏，
Figure BDA0002371375480000022
为第k路残余载波相位，n(t)为噪声。
S2.结合链路参数和接收机***指标确定单次相干积累时间tcoh,相干积累次数m1、非相干次数m2；同时计算出总的相干积累时间Ttotal以及频偏搜索步进fbin:
Ttotal＝tcoh*m1；
Figure BDA0002371375480000023
S3.将与发射伪码序列相同的本地伪码序列C事先做长度为N的FFT、取共轭之后将数据放置在存储器中；
S4.将接收信号按照搜索步进fbin进行残余频偏补偿，之后数据流被按照时间长度tcoh分段，把m1段数据对应相加完成相干能量积累，对相干积累之后的数据做N点FFT之后与S3中的数据对应相乘再取IFFT完成能量相关，对IFFT结果取幅值按照周期N累加m2次完成非相干能量积累；
S5.完成非相干积累之后，取该段数据均值的倍数做为判决门限，一般为经验值，之后将该段数据与门限逐一比较；
S6.记录S5中超过门限的伪码相位φk以及每个相对对应的多普勒残余频偏fk和非相干积累幅值ak，且绑定为一组数据；
S7.多目标捕获判决策略：在一次多频点并行搜索过程中，将S6中捕获成功的数据按相位由小到大顺序存储在存储器中。完成搜索之后，对每相邻两组数据做差，相差φΔk大于1个码片时，则认为是两路不同信号；相差小于等于1个码片时，对比两组数据的残余频差fΔk，如果残余差大于信号功率最强时的多普勒扩展范围fdop，则认为是两路不同信号；否则认为是捕获到同一个信号，剔除峰值较小的一路数据，重复S7，直到每路信号都是独立的；
S8.捕获到信号之后依次转入多个跟踪模块，完成解扩、解调、通过数据信息区分不同信号，具体过程可参考直扩信号的解调，之后释放当前跟踪模块,重复S4-S8步骤。
本发明提供的基于相同伪码的多目标测控信号并行接入的解决方法，突发模式下使用相同伪码的多目标测控信号的并行接入方法，能够充分利用捕获模块资源，实现使用相同伪码的多目标测控信号的实时接入。本发明首先结合链路参数以及接收机指标制定合理的能量积累策略，包括相干积累次数、非相干积累次数以及频率搜索步进；结合经验判决门限比较能量积累之后的信号的幅值，将大于门限的幅值、相位、频偏信息存储在存储区域中；完成一次搜索之后，通过相位和频偏信息区分不同的测控信号。本发明面对未来的商业航天，在测控***中使用相同伪码作为唯一的扩频码，能够充分利用捕获模块资源，实现多目标测控信号的实时接入，最终实现单站多收的目的，大大提高测控的测控能力同时减少硬件资源消耗。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为传统测控站单站多收示意图；
图2为本发明使用相同伪码的多目标信号接入的流程图；
图3为本发明具体检测判断模块处理流程；
图4为本发明捕获模块中检测到的五路信号；
图5为本发明检测判断模块具体的判断过程；
图6为本发明五路信号中弱目标信号解调星座图。
具体实施方式
为了使本发明得目的、技术方案和有点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。
图2为本发明使用相同伪码的多目标信号接入的流程图，图3为具体根据相位和频偏检测判断的流程，fdop为最大多普勒扩展范围，如图所示，基于相同伪码的多目标测控信号并行接入的解决方法，包括以下步骤：
S1.记使用相同伪码扩频的n路测控信号剥离载频之后的表达为：
Figure BDA0002371375480000041
式中，r(t)为接收端基带信号，Sk为多路并行信号中的第k路，Ak为第k路信号幅值，Dk为第k路测控信号数据，C(t)为唯一的扩频伪码，tk为第k路信号对应的时延，fk为第k路残余频偏，
Figure BDA0002371375480000042
为第k路残余载波相位，n(t)为噪声。
S2.结合链路参数和接收机***指标确定单次相干积累时间tcoh,相干积累次数m1、非相干次数m2；同时计算出总的相干积累时间Ttotal以及频偏搜索步进fbin:
Ttotal＝tcoh*m1；
Figure BDA0002371375480000043
S3.将与发射伪码序列相同的本地伪码序列C事先做长度为N的FFT、取共轭之后将数据放置在存储器中；
S4.将接收信号按照搜索步进fbin进行残余频偏补偿，之后数据流被按照时间长度tcoh分段，把m1段数据对应相加完成相干能量积累，对相干积累之后的数据做N点FFT之后与S3中的数据对应相乘再取IFFT完成能量相关，对IFFT结果取幅值按照周期N累加m2次完成非相干能量积累；
S5.完成非相干积累之后，取该段数据均值的倍数做为判决门限，一般为经验值，之后将该段数据与门限逐一比较；
S6.记录S5中超过门限的伪码相位φk以及每个相对对应的多普勒残余频偏fk和非相干积累幅值ak，且绑定为一组数据；
S7.多目标捕获判决策略：在一次多频点并行搜索过程中，将S6中捕获成功的数据按相位由小到大顺序存储在存储器中。完成搜索之后，对每相邻两组数据做差，相差φΔk大于1个码片时，则认为是两路不同信号；相差小于等于1个码片时，对比两组数据的残余频差fΔk，如果残余差大于信号功率最强时的多普勒扩展范围fdop，则认为是两路不同信号；否则认为是捕获到同一个信号，剔除峰值较小的一路数据，重复S7，直到每路信号都是独立的；
S8.捕获到信号之后依次转入多个跟踪模块，完成解扩、解调、通过数据信息区分不同信号，具体过程可参考直扩信号的解调，之后释放当前跟踪模块,重复S4-S8步骤。
下面对本发明作具体说明，
图1为传统测控算法示意图，其过程为：结合码分复用方式，给飞行器分配不同的伪码序列，同时在接收端分别提供与不同飞行器具有相同伪码的接收终端，实现伪码匹配，随后完成捕获、跟踪、译码等工作。
假设当前环境中存在五路使用相同伪码的测控信号，则接收信号为：
Figure BDA0002371375480000051
其中一路弱信号EbN0为6.6dB，其他四路信号的EbN0皆为18.6dB，伪码序列C的长度为1023，FFT点数N为4096，伪码速率为1.023Mhz，数据速率为1000bps。
单次相干积累时间tcoh为1ms,相干积累次数m1为4次、非相干次数m2也是4次，总的相干积累时间Ttotal为4ms，频偏搜索步进fbin约等于160Hz。
在信号捕获过程中，采用多频点码域并行捕获方式，在完成频偏补偿、能量积累之后，数据与检测门限做比较，大于门限值时认为捕获成功，将数据对应的相位和频偏信息存储在固定存储器中，小于检测门限则认为此路数据中无信号存在，相关峰积累效果如图4所示。在完成当前几个多频偏搜索之后，对比存储中相位和频偏信息，进行信号二次检测判断，最终得到五路信号，检测过程如图5所示。
将捕获的五路信号同时转入多个跟踪模块，分别解调出数据信号。通过数据信息区分不同信号。其中一路弱信号解调星座图如图6所示。在解调过程中，相对于目标信号其他四路信号做为噪声存在，在完整数据积累周期内，可记为：
Figure BDA0002371375480000052
其中，目标信号相对于其他四路信号的时延tk大于一个码片的持续时间，此时其他信号对目标信号的干扰可认为是多址干扰。多径干扰总功率可表示为：
Figure BDA0002371375480000053
式中，PJ,k为第k个干扰信号的功率，Nc为扩频点数。
多址干扰的功率谱密度可等效为平稳噪声的功率谱密度，即
N0,J＝PJ/Rb
式中，Rb为数据速率。此时接收机等效信噪比可表示为：
Figure BDA0002371375480000061
代入N0为-174dB，四路强信号的干扰功率PJ,k为-155.4dB，扩频点数Nc为1023，数据速率Rb为1000bps。此时等效信噪比为6.28dB，解调性能衰减0.3dB，在满足误码率要求的前提下，此方案具备使用价值。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.基于相同伪码的多目标测控信号并行接入的解决方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.记使用相同伪码扩频的n路测控信号剥离载频之后的表达为：
Figure FDA0002371375470000011
式中，r(t)为接收端基带信号，Sk为多路并行信号中的第k路，Ak为第k路信号幅值，Dk为第k路测控信号数据，C(t)为唯一的扩频伪码，tk为第k路信号对应的时延，fk为第k路残余频偏，
Figure FDA0002371375470000012
为第k路残余载波相位，n(t)为噪声；
S2.结合链路参数和接收机***指标确定单次相干积累时间tcoh,相干积累次数m1、非相干次数m2；同时计算出总的相干积累时间Ttotal以及频偏搜索步进fbin:
Ttotal＝tcoh*m1；
Figure FDA0002371375470000013
S3.将与发射伪码序列相同的本地伪码序列C事先做长度为N的FFT、取共轭之后将数据放置在存储器中；
S4.将接收信号按照搜索步进fbin进行残余频偏补偿，之后数据流被按照时间长度tcoh分段，把m1段数据对应相加完成相干能量积累，对相干积累之后的数据做N点FFT之后与S3中的数据对应相乘再取IFFT完成能量相关，对IFFT结果取幅值按照周期N累加m2次完成非相干能量积累；
S5.完成非相干积累之后，取该段数据均值的倍数做为判决门限，一般为经验值，之后将该段数据与门限逐一比较；
S6.记录S5中超过门限的伪码相位φk以及每个相对对应的多普勒残余频偏fk和非相干积累幅值ak，且绑定为一组数据；
S7.多目标捕获判决策略；
S8.捕获到信号之后依次转入多个跟踪模块，完成解扩、解调、通过数据信息区分不同信号，具体过程可参考直扩信号的解调，之后释放当前跟踪模块,重复S4-S8步骤。
2.根据权利要求1所述的多目标测控信号并行接入的解决方法，其特征在于：步骤S7中多目标捕获判决策略：S71：在一次多频点并行搜索过程中，将S6中捕获成功的数据按相位由小到大顺序存储在存储器中；
S72：完成搜索之后，对每相邻两组数据做差；
S73：相差φΔk大于1个码片时，则认为是两路不同信号；
S74：相差φΔk小于等于1个码片时，对比两组数据的残余频差fΔk；
S75：如果残余频差fΔk大于信号功率最强时的多普勒扩展范围fdop，则认为是两路不同信号；
S76:否则认为是捕获到同一个信号，剔除峰值较小的一路数据，重复S7，直到每路信号都是独立的。
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