机群链路的前馈／反馈组合式载波跟踪方法技术

本发明专利技术涉及一种机群链路的前馈／反馈组合式载波跟踪方法，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，本发明专利技术提出高阶统计估计模型对环路多普勒频率参数进行跟踪估计，直接用于载波跟踪的迭代式前馈控制；同时，保留三阶ＰＬＬ的为闭环载波跟踪结构，实现精确跟踪；扩频码精密跟踪则依赖载波辅助码环解决。本发明专利技术解决了传统意义上恶劣动态条件下传统高动态接收机频繁失锁、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
目前，在航空数据链、无线电导航
内，机群链路在恶劣条件下信号捕获、跟踪与测量存在一定困难，各种因素引起的恶劣条件对扩频信号捕获跟踪都会带来影响。这里从三个角度定义恶劣条件 1)运动动态恶劣①两运动体相对运动位移(零阶导数)对时间高阶可导，且各阶导数如速度(一阶导数)、加速度(二阶导数)、加加速度/冲击加速度(三阶导数)等变化较大；②位移n阶不可导/n+1阶不连续(n＝2，3，…)，即存在跳变点，如脉冲式推力控制启动/停止时加速度量最可能出现跳变点；③位移的n阶导数(n＝2，3，…)在较小的时间尺度内(如毫秒、亚毫秒量级)发生幅度变化将导致n+1阶导数对应时刻的时间导数幅度很大； 2)信号动态条件恶劣①由于姿态变化引起的天线指向变化剧烈，导致馈入天线的信号功率大范围变化；②距离变化、发射机内部因素变化、接收机内部因素引起接收信号功率的短时间内突然变化，反映到时间导数较大；③外界干扰因素，诸如日凌干扰、敌对干扰、自然/非自然干扰等因素引起带内噪声突然增大； 3)归入恶劣条件的其他因素(新体制引起的捕获/跟踪困难)①采用加密序列控制扩频码型切换的加密跳码扩频调制，码型切换、弱信号低信噪比(匿踪需求)导致捕获困难、失锁概率增大，对捕获速度/准确度和跟踪精度/稳定性、失锁概率等提出苛刻的要求；②扩频测控/非扩频数传等时复用体制中模式切换引起捕获、跟踪困难、失锁概率增大，给载波变化参数和扩频码变化参数的预报带来很大困难。 对于给定的捕获方法和跟踪环路结构、参数，从前面定义的恶劣条件出发分析恶劣条件对捕获和跟踪的影响如下 1)对于大动态变化范围的多普勒频移，捕获带加宽，引起频点搜索时间变长； 2)对于较短时间内多普勒频移发生突变，产生大幅值的多普勒频移高阶导数，载波跟踪系统对高阶量跟踪能力不足会引起对多普勒频移高阶导数量的跟踪误差，导致跟踪误差增大、失锁概率高； 3)姿态机动或者突发干扰引起的短时间信噪比突变，使得接收单元环路滤波器无法适应窄带接收条件下的高动态、宽带条件下的低信噪比，导致跟踪误差增大、失锁概率增高； 4)采用加密跳码扩频调制体制和扩频测控/非扩频数传等时复用体制对载波频点、扩频码相位的捕获带来很大困难，一旦失锁、失捕则很难直接恢复捕获跟踪，采用引导捕获的模式不利于隐蔽或者提高通信质量，因此需要高精度的载波跟踪/码跟踪效果以获得高精度的测量结果用于降低失捕/失锁概率和实施载波变化参数和扩频码变化参数的准确预报用于辅助捕获和辅助跟踪。 在机群组网任务中，将有可能面临这些恶劣条件的影响，如机群编队构型变换时的编队机动、姿态机动、天线对准、信道质量恶劣、弱信号低信噪比，等等。因此要求跟踪环路能够适应大范围动态应力和信号应力、瞬间短时中断时能够利用运动参数外推控制跟踪环路开环跟踪直到信号恢复。这里还是需要重点考虑窄带跟踪的优势、困难与关键技术，然而高动态、低信噪比、高精度跟踪(RMS方差)条件下，跟踪环路的带宽大、方差小、窄带跟踪三者互为矛盾，引入载波辅助码环措施、开环频率跟踪估计和前馈/反馈跟踪环设计获得窄带高阶跟踪能力，引入实时载波平滑伪距算法抑制测量方差获得准确的无差测量结果。 可见，提高载波多普勒频率估计与跟踪精度极为重要，除了决定跟踪精度、失锁概率，更有利于计算机群成员节点之间的相对速度、加速度等测量值，以及在加密跳码扩频调制体制和扩频测量/非扩频数传等时复用体制中用于外推预报相关参数对载波频点、扩频码相位的捕获。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种，本专利技术提出高阶统计估计模型对环路多普勒频率参数进行跟踪估计，直接用于载波跟踪的迭代式前馈控制；同时，保留三阶PLL的为闭环载波跟踪结构，实现精确跟踪。可以如此理解基于跟踪误差统计滤波(无偏或者有偏估计)的迭代式前馈补偿获得高动态的跟踪能力，补偿了信号的高动态；基于三阶PLL的反馈式闭环载波跟踪消除补偿高动态信号后的控制残差(低动态、低偏差)，获得高精度的跟踪载波跟踪。扩频码精密跟踪则依赖载波辅助码环解决。 本专利技术一种，可以在电路板的数字信号处理器DSP和FPGA上实现整个系统结构和算法。 本专利技术提出一种全新的载波跟踪方式前馈+反馈的载波跟踪控制策略。本方法的开环前馈控制环节基于统计滤波算法估计载波相位和多普勒频率跟踪残差，对当前(第k步)载波跟踪残差估计值迭代积分累加获得下一步(第k+1步)的多普勒频率值预报输出，获得高动态和全局线性特性；闭环反馈控制环节与为三阶Costas PLL，利用载波相位和频率跟踪残差估计结果用于闭环控制实现精密跟踪。可以看出，这种策略利用了高精度的载波跟踪误差估计结果和递推预报计算实现比较严酷条件下的开环跟踪，前馈补偿多普勒频移中高动态的成分，保留了三阶PLL用于窄带条件下快速消除稳态误差成分。 本专利技术一种，具体包括开环前馈控制环节和闭环反馈控制环节；其原理图及结构框图如图2、图1所示； 前馈+反馈的载波跟踪控制策略，有如下恒等式 fd(k)＝+fe(k)＝fu(k)+fe(k) (1) 公式(2)是fd(k+1)在fd(k)的泰勒展开式，fd(k)与fd(k+1)采样间隔为积分-清除周期To其中，多普勒频移fd(k)；多普勒频移跟踪残差fe(k)；开环前馈补偿输出fFF(k)；锁相环闭环控制输出fFB(k)； 令为多普勒频移量的0阶～2阶导数的估计值，利用 通过合适的统计估计模型和滤波算法获得。 公式(3)是关于fd(k+1)的一步递推预报公式，预报值 作为第k+1步开环前馈控制补偿量，即第k+1步的补偿控制输出量为(这里需要特别注意 是在第k步对fd(k+1)的预报值，而不是在第k+1步对fd(k+1)的估计值 切勿混淆)。公式(3)的三个积分累加量需要通过状态估计获得，且舍去了泰勒展开式的余项 因此预报值 存在预报误差，根据公式(1)～公式(3)推导预报误差的解析形式 公式(4)看出，从第k步到第k+1步的预报误差δfd(k+1|k)包括两类成分第k步载波多普勒频率参数(各阶导数)的估计误差泰勒展开式截断误差 预报误差δfd(k+1|k)也就是第k+1步的开环前馈补偿控制的误差，如果没有PLL闭环反馈控制过程，则此预报误差就是第k+1步的多普勒频率跟踪残差，即 fe(k+1)＝δfd(k+1|k) (5) 若三阶PLL环路的闭环反馈控制作用为 fFB(k+1)＝-δfd(k+1|k)(6) 则由公式(4)得 当公式(6)、公式(7)成立时，fe(k+1)能够被三阶PLL环路通过闭环反馈控制过程消除。 多普勒频移量的0阶～2阶导数的估计值作为多普勒频移参数测量值，即载波跟踪环路的本地再生载波相对中频频点标称值的偏差成分， 用于计算 并输出开环前馈控制fFF(k+1)，最大程度补偿了多普勒频移的恶劣动态，则锁相环承担的多普勒动态将被补偿干净而相当微弱(为预报误差δfd(k本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机群链路的前馈／反馈组合式载波跟踪方法，是在电路板的数字信号处理器ＤＳＰ和ＦＰＧＡ上实现整个系统结构和方法，其特征在于：该方法提出一种全新的载波跟踪方式：前馈＋反馈的载波跟踪控制策略，本方法的开环前馈控制环节基于统计滤波算法估计载波相位和多普勒频率跟踪残差，对当前（第ｋ步）载波跟踪残差估计值迭代积分累加获得下一步（第ｋ＋１步）的多普勒频率值预报输出，获得高动态和全局线性特性；闭环反馈控制环节与为三阶Ｃｏｓｔａｓ　ＰＬＬ，利用载波相位和频率跟踪残差估计结果用于闭环控制实现精（ｋ）／ｎ！.Ｔ↑［ｎ］＋ｆ↓［ｄ］↑［（ｎ＋１）］（ε）.Ｔ↑［ｎ＋１］／（ｎ＋１）！（Ｎ＝２）（４）公式（４）看出，从第ｋ步到第ｋ＋１步的预报误差δｆ↓［ｄ］（ｋ＋１｜ｋ）包括两类成分：第ｋ步载波多普勒频率参数（各阶导数）＊↓［ｄ］↑［（ｎ）］（ｋ），（ｎ＝０，１，２）的估计误差δｆ↓［ｄ］↑［（ｎ）］（ｋ）＝ｆ↓［ｄ］↑［（ｎ）］（ｋ）－＊↓［ｄ］↑［（ｎ）］（ｋ）；泰勒展开式截断误差ｆ↓［ｄ］↑［（３）］（ε）.↑［４］／１２；预报误差δｆ↓［ｄ］（ｋ＋１｜ｋ）也就是第ｋ＋１步的开环前馈补偿控制的误差，如果没有ＰＬＬ闭环反馈控制过程，则此预报误差就是第ｋ＋１步的多普勒频率跟踪残差，即：ｆ↓［ｅ］（ｋ＋１）＝δｆ↓［ｄ］（ｋ＋１｜ｋ）（５）若三阶ＰＬＬ环路的闭环反馈控制作用为：ｆ↓［ＦＢ］（ｋ＋１）＝－δｆ↓［ｄ］（ｋ＋１｜ｋ）（６）则由公式（４）得：ｆ↓［ｅ］（ｋ＋１）＝ｆ↓［ｄ］（ｋ＋１）－［ｆ↓［ＦＦ］（ｋ＋１）＋ｆ↓［ＦＢ］（ｋ＋１）］＝［ｆ↓［ｄ］（ｋ＋１）－＊↓［ｄ］（ｋ＋１｜ｋ）］＋ｆ↓［ＦＢ］（ｋ＋１）＝δｆ↓［ｄ］（ｋ＋１｜ｋ）－δｆ↓［ｄ］（ｋ＋１｜ｋ）＝０（７）当公式（６）、公式（７）成立时，ｆ↓［ｅ］（ｋ＋１）能够被三阶ＰＬＬ环路通过闭环反馈控制过程消除；多普勒频移量的０阶～２阶导数的估计值＊↓［ｄ］↑［（ｎ）］（ｋ）（ｎ＝０，１，２）作为多普勒频移参数测量值，即：载波跟踪环路的本地再生载波相对中频频点标称值的偏差成分，＊↓［ｄ］↑［（ｎ）］（ｋ）用于计算＊↓［ｄ］（ｋ＋１｜ｋ）并输出开环前馈控制ｆ↓［ＦＦ］（ｋ＋１），最大程度补偿了多普勒频移的恶劣动态，则锁相环承担的多普勒动态将被补偿干净而相当微弱，为预报误差δｆ↓［ｄ］（ｋ＋１｜ｋ），可通过反馈控制量ｆ↓［ＦＢ］（ｋ）消除；所述的开环前馈补偿，是应用一种适用于...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨宜康，孙辉先，陈晓敏，
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]