机群链路高动态信号的精密跟踪与测量方法技术

本发明专利技术涉及一种机群链路高动态信号的精密跟踪与测量方法，属于航空数据链、无线电导航技术领域。本发明专利技术的目的在于提供一种机群链路高动态信号的精密跟踪与测量方法及其实现结构，以解决现有技术中的问题。本发明专利技术提供了一种可以在电路板的数字信号处理器ＤＳＰ和ＦＰＧＡ上实现机群链路高动态信号的精密跟踪与测量方法的体系构架，利用载波跟踪的频率跟踪环＋相位锁定环双环结构和码相位锁定环实现高动态条件下的高精度跟踪，解决了传统高动态接收机精度不佳的缺陷。本发明专利技术公开的方法能够广泛应用于基于抑制载波调制直接序列扩频体制的卫星导航接收机、测距系统和通信系统。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，属于航空数据链、无线电导航

技术介绍
由于机群的成员飞机之间链路采用抑制载波BPSK/QPSK相移键控调制体制和直接序列扩频模式，会遇到信号捕获与跟踪的问题 ①抑制载波通信体制下，发送方-接收方的高动态相对运动引起捕获与跟踪困难及频繁失锁、失捕； ②高动态导致载波跟踪误差增大、再生伪码相位精确对齐困难，测距、测速误差增大； ③失锁、失捕概率大大增加将导致连续载波相位测量困难和积分多普勒测量难以实现。因此，高动态环境中接收BPSK/QPSK调制扩频信号的重点和难点，在于载波和伪码相位的高质量跟踪。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种，以解决现有技术中的问题。 本专利技术一种，其可以在电路板的数字信号处理器DSP和FPGA上实现。该方法具体如下 (一)高动态载波跟踪环路 本专利技术的高动态载波跟踪单元，采用了适用载体动态的载波跟踪策略，即在通过FFT频域算法进行伪码相位捕获后，采用四相鉴频器进一步牵引捕获多普勒频率、初始跟踪，将多普勒频率从几百赫兹降到几赫兹，使之进入叉积自动频率跟踪环的工作范围；采用动态能力强的FLL环消除动态、稳态跟踪；采用热噪声误差小的costas PLL提高载波相位。具体如下 积分-清除器和频率、相位判决算法 设采样频率为Ts为采样间隔，接收信号下变频后经中频采样，得到 s(i)＝Ai·PNI(i·Ts-τ)·cos+Ai·PNQ(i·Ts-τ)·sin(1) 公式(1)中ωI＝2πfITs为接收信号中频频率；ωd=2πfdTs为多普勒频率；φ为接收信号相位；PNI(i·Ts)；PNQ(j·Ts)分别为同相伪码和正交伪码；τ为接收信号延时； 设接收通道载波NCO输出的同相信号和正交信号分别为 公式(2)中AR为NCO输出正余弦信号的幅度；( 为对接收信号中多普勒频率fd的估计)； 为对接收信号相位φ的估计； I、Q支路积分-清除器在相关间隔末输出结果为 公式(3)中A为信号幅度；Δωd(k)为多普勒频移估计残差，ε(k)为码相位(延时)估计偏差(真实延时和估计延时的差)，ε(k)＝Δτ；R(·)为伪随机码理想的二电平自相关函数，均为时间的函数；N为积分清除器的积分点数；θk为载波相位误差，θk=k·N·Δwd(k)-Δwd(k)·N/2+△φ；nI(k)，nQ(k)为随机噪声。公式(3)很重要，是进行频率跟踪误差估计、叉积鉴频和反正切鉴相算法的依据。 频率判决采用表达式如下 公式(4)中，TID为积分清除时间。 在用四相鉴频器频率牵引过程中，采用Δfk判断当前频率是否小于10Hz。若当前频率Δfk小于10Hz，则转入FLL跟踪环进行频率跟踪；否则，继续频率牵引过程。 在跟踪开始时，需要用频率牵引模块将频率从几百赫兹牵引到10Hz以下，然后根据载波相位θk进行判决。如果θk大于10°，接收机用叉积鉴频器进行频率跟踪；如果θk小于10°，则采用纯PLL环进行相位跟踪。 相位判决表达式为 上式中当θk很小时，tgθk与θk成正比。设θk＜10°时，转入锁相环跟踪，将θk＝10°带入上式，得到相位判决阈值ηk＝0.176。 四相鉴频器实现频率牵引 伪码捕获后，载波多普勒频移范围被引导到一个多普勒频率搜索单元范围，即500Hz，此时频率估计误差仍然很大，因此，首先利用频率牵引模块将频率牵引到叉积鉴频器的跟踪范围内；本专利技术采用四相鉴频器进行频率牵引算法，需要多次牵引后将频率牵引到10Hz以下。在频率牵引过程中，采用Δfk判断当前频率是否小于10Hz，若当前频率Δfk小于10Hz，则转入FLL跟踪环进行高频率跟踪；否则，继续频率牵引过程。 叉积鉴频自动频率跟踪(CP-AFC)锁定环(FLL) 当频率误差小于10Hz时，采用叉积鉴频器实现精确的频率跟踪。其中，T为积分-清除器的积分间隔时间。 叉积鉴频器输出efk为 efk＝I(k-1)Q(k)-I(k)Q(k-1) ＝0.25A2D(k)D(k-1)R (6) ·sinc·sinc·sin(φk-φk-1) 公式(6)中T为积分清除时间。由于捕获完成时，已经将接收伪码和本地伪码基本对齐，设时间间隔为单位时间，连续量测过程中调制数据位不变，所以有D(k)D(k-1)＝1，R≈1，R≈1，φk＝Δfd(k)·t+φ0，φk-φk-1＝·T＝Δfd·T；当频率牵引完成时，多普勒频移估计误差Δfd＜10°/Hz，相位误差|Δfd(k).πT|＜＜π/2时，sinc2→1，sin(φk-φk-1)→φk-φk-1。所以控制量与单位时间内的相位变化(频率)成正比，用此经过滤波器来控制载波NCO达到频率跟踪的目的。 叉积鉴频器的输出为 efk＝θk-θk-1＝2πΔfd(k)·T(7) 相位跟踪锁定环(PLL) 同相正交锁相环(Costas环，即科斯塔斯环)是PLL的一种，由于它对载波调制数据不敏感而在PSK解扩接收机中得到了普遍应用。常用的科斯塔斯环鉴相器算法为二象限反正切鉴相算法 二象限反正切鉴相器tan-1(Qps/Ips)性能在整个-90°～90°范围内呈线性，性能最优。 锁频环FLL与锁相环PLL的环路滤波器 载波跟踪锁频环(二阶环)采用一阶Jaffe-Rechtin滤波器，载波跟踪锁相环(三阶环)采用二阶Jaffe-Rechtin滤波器。 综上，四相鉴相的频率牵引+叉积鉴频的二阶FLL频率自动跟踪环+二象限反正切鉴相的三阶PLL锁相环组合构成的载波跟踪环路结构，能够满足一般高动态任务的需求；精心设计一阶、二阶Jaffe-Rechtin环路滤波器参数能够获得较高的载波频率/载波相位跟踪精度。 (二)高动态扩频码跟踪环路 在FFT频域并行搜索捕获粗略的载波频率和伪码相位后，本地再生扩频码和接收信号的扩频码完成粗对齐，误差在1/2码片之内。随后，转入码跟踪过程(与载波跟踪对应)，实现扩频码相位(延迟)精确对准。伪码的闭环跟踪通常采用延迟锁相环，即利用本地码发生器产生相位超前、滞后信号并与输入的BPSK/QPSK调制的扩频信号正交混频后相关，比较同相I/正交Q两支路结果以获取码相位误差信号来控制码NCO并产生与输入码相位一致的本地码信号。 本专利技术的伪码相位跟踪采用了非相干数字延迟锁相环(DDLL)算法结构，由积分-清除器、码鉴相器、环路滤波器、码NCO、再生码发生器和移位寄存器组成。其中积分-清除器、码鉴相器和环路滤波器的参数决定了码跟踪环路的特性。为了实现窄相关，达到精确跟踪码相位的目的，在环路设计中通过移位寄存器产生了即时码、超前滞后1/2码片、超前滞后1/4码片的再生伪码，分别构成相关间距分别为1码片、1/4的非相干延迟锁定环。在码跟踪环路中，码鉴相器比较同相和正交支路的预检测积分结果，产生误差信号，通过环路滤波器输出码NCO频率控制字，控制再生伪码和接收伪码精确对齐。下面详细说明码跟踪环路鉴相算法、码跟踪环路滤波器、载波辅助码环跟踪。 码跟踪环路的码环鉴别器鉴相算法 码环鉴别器输入为载波同相I/正交Q支路的码相位超前、即时、滞后的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机群链路高动态信号的精密跟踪与测量方法，其是在电路板的数字信号处理器ＤＳＰ和ＦＰＧＡ上实现；其特征在于：该方法具体如下：（一）高动态载波跟踪环路该高动态载波跟踪环路单元，采用适用载体动态的载波跟踪策略，即在通过ＦＦＴ频域算法进行伪码相位捕获后，采用四相鉴频器进一步牵引捕获多普勒频率、初始跟踪，将多普勒频率从几百赫兹降到几赫兹，使之进入叉积自动频率跟踪环的工作范围；采用动态能力强的ＦＬＬ环消除动态、稳态跟踪；采用热噪声误差小的ｃｏｓｔａｓＰＬＬ提高载波相位；具体如下：［１］／ｃｏｓθ↓［ｋ］｜＝｜ｔｇθ↓［ｋ］｜（５）上式中当θ↓［ｋ］很小时，ｔｇθ↓［ｋ］与θ↓［ｋ］成正比。设θ↓［ｋ］＜１０°时，转入锁相环跟踪，将θ↓［ｋ］＝１０°带入上式，得到相位判决阈值η↓［ｋ］＝０．１７６；［２］四相鉴频器实现频率牵引伪码捕获后，载波多普勒频移范围被引导到一个多普勒频率搜索单元范围，即５００Ｈｚ，此时频率估计误差仍然很大，因此，首先利用频率牵引模块将频率牵引到叉积鉴频器的跟踪范围内；采用四相鉴频器进行频率牵引算法，需要多次牵引后将频率牵引到１０Ｈｚ以下；在频率牵引过程中，采用Δｆ↓［ｋ］判断当前频率是否小于１０Ｈｚ，若当前频率Δｆ↓［ｋ］小于１０Ｈｚ，则转入ＦＬＬ跟踪环进行高频率跟踪；否则，继续频率牵引过程；［３］叉积鉴频自动频率跟踪锁定环；当频率误差小于１０Ｈｚ时，采用叉积鉴频器实现精确的频率跟踪；其中，Ｔ为积分－清除器的积分间隔时间；叉积鉴频器输出ｅ↓［ｆｋ］为：ｅ↓［ｆｋ］＝Ｉ（ｋ－１）Ｑ（ｋ）－Ｉ（ｋ）Ｑ（ｋ－１）＝０．２５↑［Ａ］２Ｄ（ｋ）Ｄ（ｋ－１）Ｒ［ε（ｋ）］［ε（ｋ－１）］.ｓｉｎｃ［Δｆ↓［ｄ］（ｋ）.πＴ］.ｓｉｎｃ［Δｆ↓［ｄ］（ｋ－１）.πＴ］.ｓｉｎ（φ↓［ｋ］－φ↓［ｋ－１］）（６）公式（６）中：Ｔ为积分清除时间。由于捕获完成时，已经将接收伪码和本地伪码基本对齐，设时间间隔为单位时间，连续量测过程中调制数据位不变，所以有Ｄ（ｋ）Ｄ（ｋ－１）＝１，Ｒ［ε（ｋ）］≈１，Ｒ［ε（ｋ－１）］≈１，φ↓［ｋ］＝Δｆ↓［ｄ］（ｋ）.ｔ＋φ↓［０］，φ↓［ｋ］－φ↓［ｋ－１］＝［Δｆ↓［ｄ］（ｋ）－Δｆ↓［ｄ］（ｋ－１）］.Ｔ＝Δｆ↓［ｄ］.Ｔ；当频率牵引完成时，多普勒频移估计误差Δｆ↓［ｄ］＜１０°／Ｈｚ，相位误差｜Δｆ↓［ｄ］（ｋ）.πＴ｜＜＜π／２时，ｓｉｎｃ↑［２］［Δｆ↓［ｄ］（ｋ）.πＴ］→１，ｓ...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨宜康，陈晓敏，齐建中，
申请(专利权)人：中国科学院空间科学与应用研究中心，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]