一种卫星信号多维快速捕获方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种卫星信号多维快速捕获方法及系统，其捕获系统包括数字中频混频器，本地码发生器，分段匹配滤波器PMF，快速傅里叶变换FFT模块，捕获检测模块，捕获验证模块和捕获判决模块；通过频率自适应调整、分段匹配滤波和快速傅里叶变换等算法，可解决高动态环境下卫星信号捕获算法检测频偏范围有限、硬件实现复杂度高、处理时延长等技术难题；具有结构简单、技术实现复杂度低、处理时延小、可检测频偏范围大等显著优点，可检测多普勒频移范围为±50KHz，多普勒频率变化率为±50Hz，即可实现飞行速度20Ma、加速度为180g极高动态环境下的无线电通信的稳定接收，捕获跟踪时间小于100ms。

Satellite signal multidimensional fast acquisition method and system

The invention discloses a multi satellite signal fast acquisition method and system, the acquisition system includes a digital intermediate frequency mixer, local code generator, segmented matched filter PMF, fast Fourier transform FFT capture module, detection module, capture verification module and acquisition decision module; through the frequency adjustment, segmented matched filter and fast Fourier transform the algorithm, which can solve the high dynamic environment satellite signal acquisition algorithm to detect the frequency offset and the limited hardware complexity, high processing delay and other technical problems; technology has the advantages of simple structure, lower computational complexity, processing delay, frequency offset detection range and other significant advantages, can detect the Doppler frequency range is 50KHz and the Doppler frequency rate of change is + 50Hz, can realize the flight speed of 20Ma, acceleration of 180g high dynamic environment of wireless Stable reception of electrical communication, acquisition and tracking time is less than 100ms.

【技术实现步骤摘要】
一种卫星信号多维快速捕获方法及系统
本专利技术涉及一种信号捕获技术，特别是涉及一种卫星信号多维快速捕获方法及系统，属于卫星应用

技术介绍
随着卫星技术的飞速发展，空间飞行器的数量迅速增加，卫星通信的需求越来越大，受天线增益、平台规模的限制以及收发信机的相对运动，通信双方常在高动态低信噪比环境下进行通信，在高动态低信噪比环境下，传统的同步技术在低信噪比和高动态的通信条件下性能较差，甚至会导致任务的失败。这是由于高动态环境意味着较大的多普勒频移，这往往已经超过了传统载波锁相环的捕获带，因此利用传统的同步技术，将不能保证载波信号进行正确的捕获，为了提高接收机的捕获带，就必须增加环路带宽，这样会引入过多的带宽噪声，使得信噪比恶化，当噪声大于阈值门限时，也会使载波跟踪环路难以锁定，导致解调数据无法争取恢复。所以在高动态和低信噪比的环境下，传统的载波同步技术将不再适用，需要根据环境特点提出新的载波同步技术。卫星信号的快速捕获是卫星接收机的核心关键技术，是接收机同步的重要组成部分，捕获部分实现信号的载波多普勒和码相位的粗略估计，是实现后续精确估计的前提和基础。快速捕获主要分为时域和频域两个方面，时域的快速捕获方法主要基于匹配滤波器的并行或穿行捕获，频域的快速捕获主要利用FFT作循环相关实现伪码的并行搜索。上述几种方法都需要在频域进行串行搜索，因此在大频偏的情况下，搜索范围较大，捕获时间相应的会变长。我国对于高动态卫星信号接收捕获技术的研究起步较晚，受应用环境、电子器件水平等方面的限制，现有的高动态环境下卫星信号接收捕获技术存在实现复杂度高、检测频率范围有限、处理延时大等局限。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种卫星信号多维快速捕获方法及系统，可解决高动态环境下卫星信号捕获算法检测频偏范围有限、硬件实现复杂度高、处理时延长等技术难题，实现对卫星信号的高效快速捕获。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种卫星信号多维快速捕获方法，包括以下步骤：1)计算多普勒频偏初始值fdr和多普勒频率变化率的初始值δfdr|max，并确定捕获参数；多普勒频偏初始值fdr的计算公式为其中，fr为系统接收载波频率，vdm为系统相对运动速度，c为光速，取3×108米/秒；多普勒频率变化率初始值的计算公式为其中，为相对运动加速度；根据计算得到的多普勒频偏和多普勒频率变化率的初始值大小，确定捕获参数；其中，捕获参数包括快速傅里叶变换FFT的变换点数N和匹配滤波的块数M；快速傅里叶变换FFT的变换点数N和匹配滤波的块数M的参数值根据处理时钟速率fclock、码片速率Rc、多普勒频偏初始值fdr共同确定，使得捕获后码片误差控制在半个码片以内。2)基带信号剥离并存储；通过数字中频混频器从接收到的卫星信号剥离出I、Q两路基带信号，并将I、Q两路基带信号存储入存储器；3)本地码序列生成；在剥离出I、Q两路基带信号的同时，按照I、Q两路基带信号的码生成多项式，通过本地码发生器产生两路本地码序列，记为PN_I、PN_Q；4)进行分段匹配滤波；采用循环移位的方式，通过分段匹配滤波器PMF以M个信号数据为单元依次从存储器中分段读取I、Q两路基带信号，依次与本地码发生器输出的两路本地码序列PN_I、PN_Q进行匹配相关，得到两路匹配滤波数据，记为PMF_real、PMF_imag；每完成一个单元的M个信号数据的分段匹配滤波，将循环计数器Counter_flag自动加1；5)进行快速傅里叶变换；将两路匹配滤波数据PMF_real、PMF_imag送入变换点数为N点的快速傅里叶变换FFT模块中，经快速傅里叶变换后，通过频率抽取得到两路变换数据，记为FFT_real、FFT_imag；6)捕获检测；通过捕获检测模块对两路变换数据FFT_real、FFT_imag进行取模平方运算，得到N个实部数据；并对该N个实部数据进行搜索查找，得到N个实部数据的最大值Acc_Max和最大值位置Max_pos；将最大值Acc_Max送入存储深度为K的存储空间，K取16或32，计算出这K个最大值的平均值averg_Max；设定判决用的门限值Decide_TH，该门限值Decide_TH为计算出的平均值averg_Max的N倍，N取4～16之间的自然数；当存储空间每送进一个新的最大值Acc_Max，则更新一次门限值Decide_TH；将存储空间中的最大值Acc_Max与门限值Decide_TH相比较，当出现某个值大于门限值时，依次搜索该值后的最大值，如果依次搜索的最大值都大于门限值，则认为捕获到最大值，输出捕获锁定指示，并记录最大值和最大值位置；否则，没有捕获到卫星信号，执行步骤9)；7)捕获验证；通过捕获验证模块将捕获时刻的快速傅里叶变换FFT模块输出的最大值与所计算的平均值进行作比，当两者的比值大于设定阈值时，则认为此次捕获是一次正确捕获；否则，认为捕获失败；8)捕获判决；通过捕获判决模块将通过捕获验证后的最大值位置Max_pos和捕获锁定指示进行输出，并根据最大值位置Max_pos和捕获锁定指示计算得到所检测的多普勒频偏估计值和码初始相位Initial_phase，Initial_phase＝M*Counter_flag其中，fs为采样速率；将计算得到的多普勒频偏估计值和码初始相位Initial_phase送入数字中频混频器中进行补偿；9)频率自适应调整；初始状态时，数字中频混频器中的数控振荡器NCO设置的起始频率finit等于fr；若无法捕获到卫星信号，则输入多普勒频偏不在检测范围内的指示给数字中频混频器，此时数字中频混频器中的数控振荡器NCO对起始频率finit进行自适应调整，以finit＝fr±10KHz频率步进调整数控振荡器NCO输出频率进行重新捕获，重复步骤6)～步骤8)，直至捕获到卫星信号为止。本专利技术的捕获方法进一步设置为：所述步骤2)中的通过数字中频混频器从接收到的卫星信号剥离出I、Q两路基带信号，具体为，数字中频混频器对接收到的卫星信号进行数字下变频及采样，截取信号有效位数进行基带信号剥离。本专利技术的捕获方法进一步设置为：所述步骤3)中的I、Q两路基带信号的特征多项式为fI(x)＝1+x3+x10fQ(x)＝1+x10其中，x为变量。本专利技术的捕获方法进一步设置为：所述步骤4)中的匹配相关，具体为，利用复数乘法器进行共轭相乘，依次计算出M个复数乘法器的共轭相乘结果，将M个共轭相乘结果送入累加器进行累加，依次延时一个码元宽度完成累加，从而得到两路匹配滤波数据。本专利技术的捕获方法进一步设置为：所述步骤5)中的快速傅里叶变换采用频域的FFT算法。本专利技术还提供一种卫星信号多维快速捕获系统，包括数字中频混频器，本地码发生器，分段匹配滤波器PMF，快速傅里叶变换FFT模块，捕获检测模块，捕获验证模块和捕获判决模块；所述数字中频混频器，用于对接收到的卫星信号进行数字下变频及采样，截取信号有效位数从而剥离出I、Q两路基带信号，并将I、Q两路基带信号存储入存储器，以及从捕获判决模块中获得多普勒频偏估计值和码初始相位进行补偿，且在无法捕获到卫星信号时对起始频率进行自适应调整；所述本地码发生器，用于按照I、Q两路基带信号的码生成多项式产生两路本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种卫星信号多维快速捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：1)计算多普勒频偏初始值f

【技术特征摘要】
1.一种卫星信号多维快速捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：1)计算多普勒频偏初始值fdr和多普勒频率变化率的初始值δfdr|max，并确定捕获参数；多普勒频偏初始值fdr的计算公式为其中，fr为系统接收载波频率，vdm为系统相对运动速度，c为光速，取3×108米/秒；多普勒频率变化率初始值的计算公式为其中，为相对运动加速度；根据计算得到的多普勒频偏和多普勒频率变化率的初始值大小，确定捕获参数；其中，捕获参数包括快速傅里叶变换FFT的变换点数N和匹配滤波的块数M；快速傅里叶变换FFT的变换点数N和匹配滤波的块数M的参数值根据处理时钟速率fclock、码片速率Rc、多普勒频偏初始值fdr共同确定，使得捕获后码片误差控制在半个码片以内；2)基带信号剥离并存储；通过数字中频混频器从接收到的卫星信号剥离出I、Q两路基带信号，并将I、Q两路基带信号存储入存储器；3)本地码序列生成；在剥离出I、Q两路基带信号的同时，按照I、Q两路基带信号的码生成多项式，通过本地码发生器产生两路本地码序列，记为PN_I、PN_Q；4)进行分段匹配滤波；采用循环移位的方式，通过分段匹配滤波器PMF以M个信号数据为单元依次从存储器中分段读取I、Q两路基带信号，依次与本地码发生器输出的两路本地码序列PN_I、PN_Q进行匹配相关，得到两路匹配滤波数据，记为PMF_real、PMF_imag；每完成一个单元的M个信号数据的分段匹配滤波，将循环计数器Counter_flag自动加1；5)进行快速傅里叶变换；将两路匹配滤波数据PMF_real、PMF_imag送入变换点数为N点的快速傅里叶变换FFT模块中，经快速傅里叶变换后，通过频率抽取得到两路变换数据，记为FFT_real、FFT_imag；6)捕获检测；通过捕获检测模块对两路变换数据FFT_real、FFT_imag进行取模平方运算，得到N个实部数据；并对该N个实部数据进行搜索查找，得到N个实部数据的最大值Acc_Max和最大值位置Max_pos；将最大值Acc_Max送入存储深度为K的存储空间，K取16或32，计算出这K个最大值的平均值averg_Max；设定判决用的门限值Decide_TH，该门限值Decide_TH为计算出的平均值averg_Max的N倍，N取4～16之间的自然数；当存储空间每送进一个新的最大值Acc_Max，则更新一次门限值Decide_TH；将存储空间中的最大值Acc_Max与门限值Decide_TH相比较，当出现某个值大于门限值时，依次搜索该值后的最大值，如果依次搜索的最大值都大于门限值，则认为捕获到最大值，输出捕获锁定指示，并记录最大值和最大值位置；否则，没有捕获到卫星信号，执行步骤9)；7)捕获验证；通过捕获验证模块将捕获时刻的快速傅里叶变换FFT模块输出的最大值与所计算的平均值进行作比，当两者的比值大于设定阈值时，则认为此次捕获是一次正确捕获；否则，认为捕获失败；8)捕获判决；通过捕获判决模块将通过捕获验证后的最大值位置Max_pos和捕获锁定指示进行输出，并根据最大值位置Max_pos和捕获锁定指示计算得到所检测的多普勒频偏估计值和码初始相位Initial_phase，Initial_phase＝M*Counter_flag其中，fs为采样速率；将计算得到的多普勒频偏估计值和码初始相位Initial_phase送入数字中频混频器中进行补偿；9)频率自适应调整；初始状态时，数字中频...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐劲松，陈建华，吴彬彬，王洪斌，
申请(专利权)人：南京六九零二科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32