CN111753248A - 一种频偏时间游标测量方法、***及计算机可读存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种频偏时间游标测量方法、***及计算机可读存储介质，属于频偏测量技术领域，解决了现有技术中频偏时间游标的测量精度较低的问题。一种频偏时间游标测量方法，包括以下步骤：获取载波信号，得到载波频率的初始估计值；将载波频率的初始估计值作为跟踪环路的初始值，利用所述跟踪环路对载波频率进行再次估计，得到再次估计的载波频率；发送一个与载频有固定偏移的正弦波信号至移动台，获取正弦波信号的频率，根据正弦波信号的频率及再次估计的载波频率，获取正弦波信号和载波信号的鉴相值；根据陀螺仪的加速度、角加速度和所述鉴相值，得到频偏时间游标。本发明所述频偏时间游标测量方法，提高了频偏时间游标的测量精度。

Description

一种频偏时间游标测量方法、***及计算机可读存储介质
技术领域
本发明涉及频偏测量技术领域，尤其是涉及一种频偏时间游标测量方法、***及计算机可读存储介质。
背景技术
目前，频偏的测量方法有贝塞尔函数零值法、频谱比较法、极值法和计数器平均法等方法；这些测量方法的选取，是以频偏量的大小、调制频率的范围、调制指数的高低以及使用方便等原则来选取某一种方法或几种方法结合着使用，进而完成对频偏的测量；但是在实际的测量过程中，这些测量方法容易受到各种外界因素的影响，如：测量速度，测量环境的振动情况等；此外，运动过程中载运工具的加速度、速度、角速度和运动方向会时常发生变化，并且存在着多频干扰、多途效应、抖动等现象，这些因素都将影响频偏的测量精度，即会影响频偏时间游标，使用现有方案会使得频偏时间游标的测量精度较低。
发明内容
本发明的目的在于至少克服上述一种技术不足，提出一种频偏时间游标测量方法。
本发明提供了一种频偏时间游标测量方法，包括以下步骤：获取载波信号，利用快速傅里叶变换对载波频率进行初始估计，得到载波频率的初始估计值；
将载波频率的初始估计值作为跟踪环路的初始值，利用所述跟踪环路对载波频率进行再次估计，得到再次估计的载波频率；
发送一个与载频有固定偏移的正弦波信号至移动台，获取所述正弦波信号的频率，根据所述正弦波信号的频率及再次估计的载波频率，获取所述正弦波信号和载波的鉴相值；
根据陀螺仪的加速度、角加速度和所述鉴相值，得到频偏时间游标。
进一步地，所述跟踪环路包括一阶环路、二阶环路和三阶环路，所述一阶环路用于跟踪相位阶跃信号，所述二阶环路用于跟踪相位阶跃信号和相位斜坡信号，所述三阶环路用于跟踪相位阶跃信号、频率阶跃信号以及频率斜坡信号。
进一步地，所述二阶环路为频率锁定环，所述三阶环路为相位锁定环。
进一步地，根据所述正弦波信号的频率及再次估计的载波频率，获取所述正弦波信号和载波的鉴相值，具体包括，对所述正弦波信号及载波信号，利用公式
Figure BDA0002499978660000021
进行傅里叶变换，得到变换后的正弦波信号
Figure BDA0002499978660000022
和载波信号
Figure BDA0002499978660000023
由
Figure BDA0002499978660000024
获取所述正弦波信号和载波信号的鉴相值
Figure BDA0002499978660000025
其中，
Figure BDA0002499978660000026
Figure BDA0002499978660000027
为正弦波信号的频率及再次估计的载波频率的均值，s1(n)为载波信号，s1(f)为载波信号离散傅里叶变换后的信号，s2(n)为正弦波信号，S2(f)为正弦波信号经离散傅里叶变换后的信号，w1(n)为载波信号发射过程中的噪声信号，W1(f)为w1(n)经离散傅里叶变换后的信号，w2(n)为正弦波信号发射过程中的噪声信号，W2(f)为w2(n)经离散傅里叶变换后的信号，k＝0,1,...,N-1，N为离散个数。
进一步地，根据陀螺仪的加速度、角加速度和所述鉴相值，得到频偏时间游标，具体包括，将根据陀螺仪的加速度、角加速度和所述鉴相值作为模糊神经网络的输入，对模糊神经网络进行训练，通过训练后的模糊神经网络获取一个相位变化对应的时间，以一个相位变化对应的是时间作为频偏时间游标。
另一方面，本发明还提供了一种频偏时间游标测量***，包括载波频率初始估计模块、载波频率再次估计模块、鉴相值获取模块及频偏时间游标获取模块，
所述载波频率初始估计模块，用于获取载波信号，利用快速傅里叶变换对载波频率进行初始估计，得到载波频率的初始估计值；
所述载波频率再次估计模块，用于将载波频率的初始估计值作为跟踪环路的初始值，利用所述跟踪环路对载波频率进行再次估计，得到再次估计的载波频率；
所述鉴相值获取模块，用于发送一个与载频有固定偏移的正弦波信号至移动台，获取所述正弦波信号的频率，根据所述正弦波信号的频率及再次估计的载波频率，获取所述正弦波信号和载波信号的鉴相值；
所述频偏时间游标获取模块，用于根据陀螺仪的加速度、角加速度和所述鉴相值，得到频偏时间游标。
进一步地，所述载波频率再次估计模块，根据所述正弦波信号的频率及再次估计的载波频率，获取所述正弦波信号和载波信号的鉴相值，具体包括，
对所述正弦波信号及载波信号，利用公式
Figure BDA0002499978660000031
进行傅里叶变换，得到变换后的正弦波信号
Figure BDA0002499978660000032
和载波信号
Figure BDA0002499978660000033
由
Figure BDA0002499978660000034
获取所述正弦波信号和载波信号的鉴相值
Figure BDA0002499978660000035
其中，
Figure BDA0002499978660000036
Figure BDA0002499978660000037
为正弦波信号的频率及再次估计的载波频率的均值，s1(n)为载波信号，s1(f)为载波信号离散傅里叶变换后的信号，s2(n)为正弦波信号，S2(f)为正弦波信号经离散傅里叶变换后的信号，w1(n)为载波信号发射过程中的噪声信号，W1(f)为w1(n)经离散傅里叶变换后的信号，w2(n)为正弦波信号发射过程中的噪声信号，W2(f)为w2(n)经离散傅里叶变换后的信号，k＝0,1,...,N-1，N为离散个数。
进一步地，所述频偏时间游标获取模块，根据陀螺仪的加速度、角加速度和所述鉴相值，得到频偏时间游标，具体包括，将根据陀螺仪的加速度、角加速度和所述鉴相值作为模糊神经网络的输入，对模糊神经网络进行训练，通过训练后的模糊神经网络获取一个相位变化对应的时间，以一个相位变化对应的是时间作为频偏时间游标。
另一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机该程序被处理器执行时，实现如上述技术方案中任一一种频偏时间游标测量方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：通过获取载波信号，利用快速傅里叶变换对载波频率进行初始估计，得到载波频率的初始估计值；将载波频率的初始估计值作为跟踪环路的初始值，利用所述跟踪环路对载波频率进行再次估计，得到再次估计的载波频率；发送一个与载频有固定偏移的正弦波信号至移动台，获取所述正弦波信号的频率，根据所述正弦波信号的频率及再次估计的载波频率，获取所述正弦波信号和载波信号的鉴相值；根据陀螺仪的加速度、角加速度和所述鉴相值，得到频偏时间游标；提高了频偏时间游标的测量精度。
附图说明
图1是本发明实施例1所述的频偏时间游标测量方法的流程示意图；
图2是本发明实施例1所述的多普勒频偏估计载波频率的示意图；
图3是本发明实施例1所述的游标测量频偏模型示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本发明实施例提供了一种频偏时间游标测量方法，其流程示意图，如图1所示，所述频偏时间游标测量方法，包括以下步骤：
步骤S1、获取载波信号，利用快速傅里叶变换对载波频率进行初始估计，得到载波频率的初始估计值；
步骤S2、将载波频率的初始估计值作为跟踪环路的初始值，利用所述跟踪环路对载波频率进行再次估计，得到再次估计的载波频率；
步骤S3、发送一个与载频有固定偏移的正弦波信号至移动台，获取所述正弦波信号的频率，根据所述正弦波信号的频率及再次估计的载波频率，获取所述正弦波信号和载波的鉴相值；
步骤S4、根据陀螺仪的加速度、角加速度和所述鉴相值，得到频偏时间游标。
一个具体实施例中，利用频率校正突发脉冲序列，频率校正的突发脉冲序列与普通突发脉冲序列相同，发送一个与载频有固定偏移〔频偏)的正弦波信号，以便于调整移动台的载频，同样可以用来测量频偏，进而校正移动台的载波频率；
需要说明的是，根据多普勒效应，运动过程中由于载运工具的加速度和速度、角加速度和运动方向变化造成了频偏，频偏造成频率漂移，利用游标卡尺的原理，不够精确的部分利用相位来测量；
优选的，所述跟踪环路包括一阶环路、二阶环路和三阶环路，所述一阶环路用于跟踪相位阶跃信号，所述二阶环路用于跟踪相位阶跃信号和相位斜坡信号，所述三阶环路用于跟踪相位阶跃信号、频率阶跃信号以及频率斜坡信号。
优选的，所述二阶环路为频率锁定环，所述三阶环路为相位锁定环。
一个具体实施例中，采用环路跟踪获得精确的载波频率，载波频率的精确估计是先通过快速傅立叶变换FFT完成对载波频率的初始估计后，进行对载波频率的精确估计；多普勒频移的精确估计是基于环路跟踪的方式来实现的；
其中，把最初的载波频率估计值作为环路跟踪的初始值，跟踪环路主要包括频率锁定环(FLL，Frequency Locked Loop)、相位锁定环(PLL，Phase Locked Loop)和相应的滤波器组成；
所述载波频率的测量精度是环路阶数、噪声带宽Bn、载噪比C/N0、积分时间Tb、本振源的相位噪声和多普勒加速度的函数；跟踪环路是为了能够尽可能降低噪声，提高对载波的估计精度，能够跟踪大多普勒速度和多普勒加速度的动态信号；
具体实施时，在环路阶数的选择上，一阶环路用于跟踪相位阶跃信号，但是对频率变化较敏感；而二阶环路用于跟踪相位阶跃信号和相位斜坡信号，但是又对抖动较敏感；三阶环路可以跟踪相位阶跃信号、频率阶跃信号以及频率斜坡信号，它对抖动也敏感。可以采用二阶的FLL和三阶的PLL配合进行工作，LEO的多普勒频偏的三阶变化很小，可以近似为零；多普勒频偏估计载波频率的示意图，如图2所示；
跟踪环路的阶数设为三阶，这样可以较好的消除卫星运行引起的动态误差，剩下的误差主要是热误差。
优选的，根据所述正弦波信号的频率及再次估计的载波频率，获取所述正弦波信号和载波的鉴相值，具体包括，对所述正弦波信号及载波信号，利用公式
Figure BDA0002499978660000051
进行傅里叶变换，得到变换后的正弦波信号
Figure BDA0002499978660000052
和载波信号
Figure BDA0002499978660000053
由
Figure BDA0002499978660000054
获取所述正弦波信号和载波信号的鉴相值
Figure BDA0002499978660000055
其中，
Figure BDA0002499978660000056
Figure BDA0002499978660000057
为正弦波信号的频率及再次估计的载波频率的均值，s1(n)为载波信号，s1(f)为载波信号离散傅里叶变换后的信号，s2(n)为正弦波信号，S2(f)为正弦波信号经离散傅里叶变换后的信号，w1(n)为载波信号发射过程中的噪声信号，W1(f)为w1(n)经离散傅里叶变换后的信号，w2(n)为正弦波信号发射过程中的噪声信号，W2(f)为w2(n)经离散傅里叶变换后的信号，k＝0,1,...,N-1，N为离散个数。
需要说明是，每个时刻的鉴相值都会受到噪声的影响,从而影响最后的相位差估计精度，得到变换后的正弦波信号
Figure BDA0002499978660000058
和载波信号
Figure BDA0002499978660000059
后，利用窄带鉴相算法得到正弦波信号和载波信号的鉴相值；
优选的，根据陀螺仪的加速度、角加速度和所述鉴相值，得到频偏时间游标，具体包括，将根据陀螺仪的加速度、角加速度和所述鉴相值作为模糊神经网络的输入，对模糊神经网络进行训练，通过训练后的模糊神经网络获取一个相位变化对应的时间，以一个相位变化对应的是时间作为频偏时间游标。
需要说明是，鉴相值即是载波信号和正弦信号的频率差，根据频率差就可以得出时间的变化值；
游标测量频偏模型示意图，如图3所示；由于相位的变化可能使得频率增加和减少，为了判别频率变化趋势，利用模糊数学处理工具，将陀螺仪的加速度、角加速度和鉴频器的频率变化趋势作为输入量，通过利用模糊数学处理工具，将陀螺仪的加速度、角加速度、正弦波信号和载波信号的鉴相值变化趋势作为输入量，经过模糊神经网络训练，判断一个载波信号的相位变化对正弦波信号的频率某一段时间的变化趋势，由于是一段时间一个相位变化，一个相位的时间即为游标，可以精确的测量频偏，游标为是一个时间值，得到的时间值就可以得出频率值，这种通过测量时间进而得到频率值，比直接测量频率变化更准确；于频偏的精度提高，定位精度也会得到提高。
实施例2
本发明实施例提供了一种频偏时间游标测量***，包括载波频率初始估计模块、载波频率再次估计模块、鉴相值获取模块及频偏时间游标获取模块，
所述载波频率初始估计模块，用于获取载波信号，利用快速傅里叶变换对载波频率进行初始估计，得到载波频率的初始估计值；
所述载波频率再次估计模块，用于将载波频率的初始估计值作为跟踪环路的初始值，利用所述跟踪环路对载波频率进行再次估计，得到再次估计的载波频率；
所述鉴相值获取模块，用于发送一个与载频有固定偏移的正弦波信号至移动台，获取所述正弦波信号的频率，根据所述正弦波信号的频率及再次估计的载波频率，获取所述正弦波信号和载波信号的鉴相值；
所述频偏时间游标获取模块，用于根据陀螺仪的加速度、角加速度和所述鉴相值，得到频偏时间游标。
优选的，所述载波频率再次估计模块，根据所述正弦波信号的频率及再次估计的载波频率，获取所述正弦波信号和载波信号的鉴相值，具体包括，
对所述正弦波信号及载波信号，利用公式
Figure BDA0002499978660000061
进行傅里叶变换，得到变换后的正弦波信号
Figure BDA0002499978660000062
和载波信号
Figure BDA0002499978660000063
由
Figure BDA0002499978660000064
获取所述正弦波信号和载波信号的鉴相值
Figure BDA0002499978660000065
其中，
Figure BDA0002499978660000071
Figure BDA0002499978660000072
为正弦波信号的频率及再次估计的载波频率的均值，s1(n)为载波信号，s1(f)为载波信号离散傅里叶变换后的信号，s2(n)为正弦波信号，S2(f)为正弦波信号经离散傅里叶变换后的信号，w1(n)为载波信号发射过程中的噪声信号，W1(f)为w1(n)经离散傅里叶变换后的信号，w2(n)为正弦波信号发射过程中的噪声信号，W2(f)为w2(n)经离散傅里叶变换后的信号，k＝0,1,...,N-1，N为离散个数。
优选的，所述频偏时间游标获取模块，根据陀螺仪的加速度、角加速度和所述鉴相值，得到频偏时间游标，具体包括，将根据陀螺仪的加速度、角加速度和所述鉴相值作为模糊神经网络的输入，对模糊神经网络进行训练，通过训练后的模糊神经网络获取一个相位变化对应的时间，以一个相位变化对应的是时间作为频偏时间游标。
实施例3
本发明实施例挺提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机该程序被处理器执行时，实现如实施例1中任一一种频偏时间游标测量方法。
需要说明是，实施例1-3未重复描述之处可相互借鉴。
本发明公开了一种频偏时间游标测量方法、***及计算机可读存储介质，通过获取载波信号，利用快速傅里叶变换对载波频率进行初始估计，得到载波频率的初始估计值；将载波频率的初始估计值作为跟踪环路的初始值，利用所述跟踪环路对载波频率进行再次估计，得到再次估计的载波频率；发送一个与载频有固定偏移的正弦波信号至移动台，获取所述正弦波信号的频率，根据所述正弦波信号的频率及再次估计的载波频率，获取所述正弦波信号和载波信号的鉴相值；根据陀螺仪的加速度、角加速度和所述鉴相值，得到频偏时间游标；提高了频偏时间游标的测量精度。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种频偏时间游标测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取载波信号，利用快速傅里叶变换对载波频率进行初始估计，得到载波频率的初始估计值；
将载波频率的初始估计值作为跟踪环路的初始值，利用所述跟踪环路对载波频率进行再次估计，得到再次估计的载波频率；
发送一个与载频有固定偏移的正弦波信号至移动台，获取所述正弦波信号的频率，根据所述正弦波信号的频率及再次估计的载波频率，获取所述正弦波信号和载波信号的鉴相值；
根据陀螺仪的加速度、角加速度和所述鉴相值，得到频偏时间游标。
2.根据权利要求1所述的频偏时间游标测量方法，其特征在于，所述跟踪环路包括一阶环路、二阶环路和三阶环路，所述一阶环路用于跟踪相位阶跃信号，所述二阶环路用于跟踪相位阶跃信号和相位斜坡信号，所述三阶环路用于跟踪相位阶跃信号、频率阶跃信号以及频率斜坡信号。
3.根据权利要求2所述的频偏时间游标测量方法，其特征在于，所述二阶环路为频率锁定环，所述三阶环路为相位锁定环。
4.根据权利要求1所述的频偏时间游标测量方法，其特征在于，根据所述正弦波信号的频率及再次估计的载波频率，获取所述正弦波信号和载波信号的鉴相值，具体包括，对所述正弦波信号及载波信号，利用公式
Figure FDA0002499978650000011
进行傅里叶变换，得到变换后的正弦波信号
Figure FDA0002499978650000012
和载波信号
Figure FDA0002499978650000013
由
Figure FDA0002499978650000014
获取所述正弦波信号和载波信号的鉴相值
Figure FDA0002499978650000015
其中，
Figure FDA0002499978650000016
Figure FDA0002499978650000017
Figure FDA0002499978650000018
为正弦波信号的频率及再次估计的载波频率的均值，s1(n)为载波信号，s1(f)为载波信号离散傅里叶变换后的信号，s2(n)为正弦波信号，S2(f)为正弦波信号经离散傅里叶变换后的信号，w1(n)为载波信号发射过程中的噪声信号，W1(f)为w1(n)经离散傅里叶变换后的信号，w2(n)为正弦波信号发射过程中的噪声信号，W2(f)为w2(n)经离散傅里叶变换后的信号，k＝0,1,...,N-1，N为离散个数。
5.根据权利要求1所述的频偏时间游标测量方法，其特征在于，根据陀螺仪的加速度、角加速度和所述鉴相值，得到频偏时间游标，具体包括，将根据陀螺仪的加速度、角加速度和所述鉴相值作为模糊神经网络的输入，对模糊神经网络进行训练，通过训练后的模糊神经网络获取一个相位变化对应的时间，以一个相位变化对应的是时间作为频偏时间游标。
6.一种频偏时间游标测量***，其特征在于，包括载波频率初始估计模块、载波频率再次估计模块、鉴相值获取模块及频偏时间游标获取模块，
所述载波频率初始估计模块，用于获取载波信号，利用快速傅里叶变换对载波频率进行初始估计，得到载波频率的初始估计值；
所述载波频率再次估计模块，用于将载波频率的初始估计值作为跟踪环路的初始值，利用所述跟踪环路对载波频率进行再次估计，得到再次估计的载波频率；
所述鉴相值获取模块，用于发送一个与载频有固定偏移的正弦波信号至移动台，获取所述正弦波信号的频率，根据所述正弦波信号的频率及再次估计的载波频率，获取所述正弦波信号和载波信号的鉴相值；
所述频偏时间游标获取模块，用于根据陀螺仪的加速度、角加速度和所述鉴相值，得到频偏时间游标。
7.根据权利要求6所述的频偏时间游标测量***，其特征在于，所述载波频率再次估计模块，根据所述正弦波信号的频率及再次估计的载波频率，获取所述正弦波信号和载波信号的鉴相值，具体包括，
对所述正弦波信号及载波信号，利用公式
Figure FDA0002499978650000021
进行傅里叶变换，得到变换后的正弦波信号
Figure FDA0002499978650000022
和载波信号
Figure FDA0002499978650000023
由
Figure FDA0002499978650000024
获取所述正弦波信号和载波信号的鉴相值
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其中，
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Figure FDA0002499978650000028
为正弦波信号的频率及再次估计的载波频率的均值，s1(n)为载波信号，s1(f)为载波信号离散傅里叶变换后的信号，s2(n)为正弦波信号，S2(f)为正弦波信号经离散傅里叶变换后的信号，w1(n)为载波信号发射过程中的噪声信号，W1(f)为w1(n)经离散傅里叶变换后的信号，w2(n)为正弦波信号发射过程中的噪声信号，W2(f)为w2(n)经离散傅里叶变换后的信号，k＝0,1,...,N-1，N为离散个数。
8.根据权利要求6所述的频偏时间游标测量***，其特征在于，所述频偏时间游标获取模块，根据陀螺仪的加速度、角加速度和所述鉴相值，得到频偏时间游标，具体包括，将根据陀螺仪的加速度、角加速度和所述鉴相值作为模糊神经网络的输入，对模糊神经网络进行训练，通过训练后的模糊神经网络获取一个相位变化对应的时间，以一个相位变化对应的是时间作为频偏时间游标。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机该程序被处理器执行时，实现如权利要求1-5任一所述频偏时间游标测量方法。
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