本发明专利技术提出一种基于双层时频分析的低轨卫星直扩系统快速捕获算法，用于解决现有基于时频双并行的低轨卫星直扩快速捕获算法中存在的捕获精度低的技术问题，本发明专利技术在时域上对本地伪码进行局部展叠处理，并结合FFT相关快速去除码片模糊度；在频域上对接收信号进行FFT快速谱分析,并根据相关峰均比进行自适应频域精补偿，具体步骤包括：构造本地伪码信号和本地伪码展叠信号；对接收信号进行第一层时频分析；对接收信号进行多普勒粗补偿；对粗补偿后的接收信号进行第二层时频分析。本发明专利技术在保证捕获速度的同时，具有捕获精度高的特点，可用于低轨卫星高动态场景下直扩信号的同步。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于通信
，涉及一种低轨卫星直扩系统快速捕获算法，具体涉及一种基于双层时频分析的低轨卫星直扩系统快速捕获算法，可用于低轨卫星高动态场景下直扩信号的同步。背景内容卫星移动通信大多采用抗干扰性能强的直接扩频技术,具有覆盖区域大、通信距离远、通信机动灵活、线路稳定可靠等优点，已经成为当今通信业务的一个重要发展方向。按照所处的位置划分，卫星可分为低轨卫星(Low Earth Orbit,LEO)、中轨卫星(Medium Earth Orbit,MEO)及高轨卫星(Geostationary Earth Orbit,GEO)。其中低轨卫星直扩系统相比中高轨卫星直扩系统具有组网灵活，卫星运行轨道低，星地链路传输时延较小等突出优势。未来的天基卫星系统为了实现全球覆盖的目标，对低轨卫星的需求将不断增加，不同轨道平面的多颗低轨卫星可组成网络平台，对地面用户提供蜂窝状的服务，用以保证所覆盖的区域随时随地对地面用户提供服务。然而低轨卫星直扩系统在具备以上优势的同时，也引入了新的问题。由于运动速度快，接收机动态性较高，在低轨卫星接收机之间、低轨卫星与地面接收机之间均会存在更大的载波多普勒偏移和一定的时间延迟，因此相比于中高轨及地面接收机，低轨卫星直扩系统的信号捕获将面临更大的挑战。为了保证低轨卫星数据传输的高效性和可靠性，在高动态环境下的高精度时频偏估计和补偿是低轨卫星通信系统需要解决的关键问题。考虑到低轨卫星过顶时间短，对通信的实时性要求比较高，因此必须提升信号的捕获速度，另一方面，由于卫星星载处理资源有限，因此捕获的复杂度不能过高，此外由于低轨卫星飞行速度快，高动态大多普勒对于快速捕获过程也提出很大挑战。因此，如何在超大多普勒的环境下高效可靠的实现快速捕获过程是目前卫星通信研究的重点内容。针对低轨卫星直扩系统信号捕获所存在的以上特点，目前业界针对高动态环境下主流同步捕获算法利用快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)提高捕获速度。其主要可以划分为三类：基于时域FFT相关的快速捕获算法、基于频域FFT谱分析的快速捕获算法和基于时频双并行的快速捕获算法。其中基于时域FFT相关的快速捕获算法利用快速傅里叶变换将码片相关运算过程变换至频域进行快速实现，通过两次FFT过程和一次IFFT过程可完成同一频点下所有码相位的搜索过程，即实现了时频二维捕获降维至频域一维搜索的过程。基于频域FFT谱分析的快速捕获算法在码片完全对准的前提下，利用快速傅里叶变换对接收码片和本地伪码的相关值变换至频域进行频谱分析，即一次FFT可所有频域单元的并行搜索过程。然而以上两种算法的缺陷在于仅分别对时域或频域实现并行搜索，在捕获速度和精度要求较高的低轨卫星通信时，有必要进一步降低捕获运算量。基于时频双并行的快速捕获算法在时域上根据伪码的强自相关性进行码片压缩展叠，进而实现快速时域并行捕获；频域上利用FFT快速补偿对接收码片信号进行多普勒分析，进而实现频域并行捕获，时频双并行的特点使该类算法在基于FFT的捕获算法中具有最快的捕获速度。刘晓明等人于2016年3月在《电子与信息学报》发表的文章“高动态环境下长码扩频信号快捕算法”提出在频域进行FFT分析的基础上，时域利用码相位压缩相关器(Compressed Code Phase Correlator,CCPC)实现时域快速搜索，即CCPC-FFT算法。该算法同时实现了时域和频域的快速捕获，但码相关压缩的过程中将会引入码片模糊度，去除模糊度时需要对码相位压缩相位区间内的各个码相位进行逐位搜索，一定程度上增加了时域捕获的运算量，不利于时域的快速捕获过程。此外，码相关压缩过程削弱了伪码的自相关性，导致捕获相关峰值下降，限制了算法的捕获精度；与此同时，高动态场景下FFT谱分析出现的峰值展宽和FFT固有的栅栏效应会进一步降低捕获精度，因此有必要针对低轨卫星高动态场景对其进行改进。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷,提出一种基于双层时频分析的低轨卫星直扩系统快速捕获算法，用于解决现有基于时频双并行的低轨卫星直扩快速捕获算法中存在的捕获精度低的技术问题。本专利技术的技术思路是：在时域上通过对本地伪码进行局部展叠处理，并结合FFT相关快速去除码片模糊度；在频域上通过对接收信号进行FFT频谱分析,并根据相关峰均比进行自适应频域精补偿，得到码片时延和多普勒偏移的精确估计值。根据上述技术思路，实现本专利技术目的采取的技术方案为：一种基于双层时频分析的低轨卫星快速捕获算法，包括如下步骤：(1)构造本地伪码信号pc(n)和本地伪码展叠信号lc(n)，实现步骤为：(1a)将本地原始伪码信号p(n)划分为相等的N个展叠段，并对每个展叠段进行编号，得到N个展叠长度为L＝M/N的本地伪码截断信号li(n)，其中，M为伪码周期，每段的编号为i(i＝1,2,...,N)，对应的码片位置n∈{1,2...,L本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于双层时频分析的低轨卫星直扩系统快速捕获算法，包括如下步骤：(1).构造本地伪码信号pc(n)和本地伪码展叠信号lc(n)，实现步骤为：(1a).将本地原始伪码信号p(n)划分为相等的N个展叠段，并对每个展叠段进行编号，得到N个展叠长度为L＝M/N的本地伪码截断信号li(n)，其中，M为伪码周期，每段的编号为i(i＝1,2,...,N)，对应的码片位置n∈{1,2...,L}；(1b).求取N个本地伪码截断信号li(n)中对应位置码片的和，得到展叠压缩码(1c).对本地原始伪码信号p(n)和展叠压缩码lf(n)分别进行复制，并将复制得到的P/L个本地原始伪码信号p(n)展叠压缩码lf(n)的首尾相连，分别得到长度为P的本地伪码信号pc(n)和本地伪码展叠信号lc(n)；(2).对接收信号进行第一层时频分析，得到多普勒粗补偿值其中实现步骤为：(2a).对接收信号进行载波解调、中频下变频和滤波采样，得到长度为P的接收码片信号xc(n)；(2b).对接收码片信号xc(n)进行循环码片移位，得到码片移位信号xc′(n)＝xc(n‑Q)，其中Q为码片移位数，且Q∈{1,2,...,N}；(2c).将码片移位信号xc′(n)与本地伪码展叠信号lc(n)相乘，得时域展叠相关信号rc(n)＝x′(n)lc(n)；(2d).对时域展叠相关信号rc(n)进行P点快速傅里叶变换，得频域展叠相关信号Xc(k)＝FFT[rc(n)]，其中FFT[*]表示对信号进行快速傅里叶变换；(2e).对频域展叠相关信号Xc(k)进行取模和峰值搜索，得到最大频域展叠相关值Rmax及对应的索引kmax；(2f).确定判决门限其中为比例因子，Nnoise为噪声功率，Pfa为虚警概率；(2g).判断最大频域相关值Rmax是否大于等于判决门限μ，若是，计算接收信号多普勒粗补偿值否则，令码片移位数Q＝Q+1，并执行步骤(2c)，其中fs表示采样频率；(3).利用多普勒补偿的粗估计值对接收信号进行粗补偿，得到粗补偿后的接收信号xac(n)；(4).对粗补偿后的接收信号xac(n)进行第二层时频分析，得到码片时延补偿值和多普勒精确补偿值实现步骤为：(4a).对构造的本地伪码信号pc(n)进行M点快速傅里叶变换，并进行共轭转置，得到本地伪码频域信号的共轭转置Pc(k)＝conj[FFT(pc(n))]，其中conj[*]表示对信号进行共轭转置；(4b).利用频域相关值峰均比确定自适应搜索因子其中为向上取整，α为取值与卫星的轨道参数相关的常数因子，Ep为发射机功率，Acc为累积码片数；(4c).利用自适应搜索因子T，计算多普勒频率搜索步长并确定搜索范围(4d).利用搜索范围S内的每一步多普勒偏移量，分别对粗补偿后的接收码片信号xac(n)进行多普勒精确补偿，得到T个精确补偿码片序列其中(4e).分别对T个精确补偿码片序列xt(n)进行M点快速傅里叶变换，得到T个频域精确补偿码片序列Xt(k)＝FFT[xt(n)]；(4f).将T个频域精确补偿码片序列Xt(k)与本地频域伪码信号的共轭转置Pc(k)相乘，并对T个相乘结果分别进行M点逆快速傅里叶变换，得到T个精确补偿相关序列rt(k)＝IFFT[Xt(k)Pc(k)]，其中IFFT[*]表示对信号进行逆快速傅里叶变换；(4g).对T个精确补偿相关序列rt(k)进行峰值搜索，得到最大相关值对应的精确补偿相关序列的索引tmax和具体位置k′max，并将具体位置k′max的码片数转换为码片时延补偿值即同时计算多普勒精确补偿值(5).利用步骤(2)得到多普勒粗补偿值和步骤(4)得到的多普勒精确补偿值计算多普勒频域补偿值f^=f^d+f^d′=fsP(kmax+1tmax).]]>...
【技术特征摘要】
1.一种基于双层时频分析的低轨卫星直扩系统快速捕获算法，包括如下步骤：(1).构造本地伪码信号pc(n)和本地伪码展叠信号lc(n)，实现步骤为：(1a).将本地原始伪码信号p(n)划分为相等的...
【专利技术属性】
技术研发人员：李勇朝，张轩，翟舒柯，叶维敏，张锐，阮玉晗，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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