一種短突發(fā)弱擴(kuò)頻信號(hào)的快速精密跟蹤方法
【專利摘要】一種短突發(fā)弱擴(kuò)頻信號(hào)的快速精密跟蹤方法，包括兩個(gè)部分，第一部分為線性估計(jì)，第二部分為閉環(huán)快速精密跟蹤。在第一部分中，利用相干累積以及非相干累積快速積累了接收微弱擴(kuò)頻信號(hào)的能量，提升了信噪比。其中在載波多普勒頻偏估計(jì)中，采用相差矢量累加結(jié)合四相限鑒相方法實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的精密頻偏估計(jì)。在碼相位估計(jì)中，采用針對超前滯后臂鑒相函數(shù)的線性插值實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的精密碼相位估計(jì)。利用第一部分的載波與碼相位精密估計(jì)結(jié)果預(yù)先修正載波頻偏和碼相位偏差，使得第二部分的閉環(huán)跟蹤的輸入誤差降至最小，通過設(shè)置較小的環(huán)路帶寬便可實(shí)現(xiàn)在精度不損失情況下的快速收斂。
【專利說明】一種短突發(fā)弱擴(kuò)頻信號(hào)的快速精密跟蹤方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于通信領(lǐng)域，涉及一種基于擴(kuò)頻體制的導(dǎo)航、通信及測控信號(hào)的快速精 密跟蹤方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路子系統(tǒng)有效載荷的研發(fā)過程中，需要針對相控陣鏈路的短突 發(fā)擴(kuò)頻信號(hào)體制找到一種有效的精密跟蹤方法，這種方法應(yīng)該既要實(shí)現(xiàn)對微弱擴(kuò)頻信號(hào)跟 蹤的快速收斂性，又要實(shí)現(xiàn)跟蹤誤差在可控的一個(gè)小范圍內(nèi)，即跟蹤的精密性。
[0003] 目前針對擴(kuò)頻信號(hào)跟蹤的方法主要側(cè)重于基于鎖相環(huán)（PLL)、鎖頻環(huán)（FLL)、延遲 鎖定環(huán)（DLL)相結(jié)合的閉環(huán)跟蹤。針對某些靜態(tài)或低動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，也有去掉FLL的簡化形式。 這類系統(tǒng)雖然可以穩(wěn)定跟蹤上一般的擴(kuò)頻信號(hào)，但若跟蹤短突發(fā)弱擴(kuò)頻信號(hào)就需要加大環(huán) 路帶寬，這樣就會(huì)引入大量噪聲，使得跟蹤精度變差，很難滿足精密跟蹤及測量的需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種針對擴(kuò)頻信號(hào)，尤 其是短突發(fā)微弱擴(kuò)頻信號(hào)的快速精密跟蹤方法，可以實(shí)現(xiàn)對擴(kuò)頻信號(hào)的快速跟蹤和精密跟 足示。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種短突發(fā)弱擴(kuò)頻信號(hào)的快速精密跟蹤方法，包括如 下步驟：
[0006] (1)接收已完成捕獲后的待跟蹤擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)作為輸入信號(hào)；
[0007] (2)根據(jù)本地生成碼不同的碼相位偏移量對輸入信號(hào)進(jìn)行分組解擴(kuò)；
[0008] (3)對步驟（2)得到的分組解擴(kuò)結(jié)果進(jìn)行累加和相干累積，獲得I支路相關(guān)值和Q 支路相關(guān)值；
[0009] (4)利用先后兩次獲得的I支路相關(guān)值和Q支路相關(guān)值進(jìn)行相差計(jì)算，獲得一次相 干累積時(shí)間段內(nèi)的載波相差向量；
[0010] (5)對所述載波相差向量進(jìn)行矢量累加，累加次數(shù)為步驟（3)中相干累積的次數(shù) 減1，由此得到累加后的載波相差向量的同相分量AccPhaI (Nf)和正交分量AccPhaQ(Nf);
[0011] (6)利用步驟（5)的結(jié)果計(jì)算得到頻差估計(jì)值Ef。并利用Ef。對輸入信號(hào)進(jìn)行載 波頻偏修正，得到一次處理信號(hào)；
[0012] Efc = Δ Φ/(2 π Ta)
[0013] Δ Φ = atan2 (AccPhaQ (Nf), AccPhaI (Nf))
[0014] 其中，atan2()為四象限反正切函數(shù)，Ta為單次相干累積時(shí)長；
[0015] (7)根據(jù)本地生成碼不同的碼相位偏移量對一次處理信號(hào)進(jìn)行分組解擴(kuò)，采用統(tǒng) 一的碼相位移位步進(jìn)量Sc來獲得各個(gè)分組解擴(kuò)結(jié)果；
[0016] (8)對步驟（7)的分組解擴(kuò)結(jié)果進(jìn)行相干累積，獲得共G。組I支路相關(guān)值和Q支 路相關(guān)值；
[0017] (9)對步驟⑶產(chǎn)生的共G。組I支路相關(guān)值和Q支路相關(guān)值進(jìn)行功率非相干累積， 共進(jìn)行N。次功率非相干累積，獲得G。個(gè)非相干累積結(jié)果AccC 1 (N。)，...，AccCfc(Nc);其中N。 為步驟（8)中的相干累積次數(shù)；
[0018] (10)找出步驟（9)獲得的非相干累積結(jié)果AccC1(Nt),…，AccQ k(Nc)中的最大值 AccClmax(Nt)，Imax e {1，2, ...，G。}，并根據(jù)最大值出現(xiàn)的位置來估計(jì)碼相位偏移量Sp;具體 方法為：
[0019] (A) Imax 如果為{1，2, G「l，G。}，則 Sp= (Imax-Gmid)* δ C
[0020] (B) Imax 如果不為{1，2, Gc-I, GcJ，則計(jì)算 EL(Imax) = AccCImax+1 (Nc) -AccC^n (Nc)，
[0021] (BI)如果 ELgmx)等于 0,則 Sp = (Iniax-Gniid) * δ c
[0022] (Β2)如果 EL(Imax)大于 0,則
[0023] Sp = (Imax-Gmid)* δ c+EL(Imax)/(EL(Imax)-EL(Imax+1))* δ c
[0024] (B3)如果 EL(Imax)小于 0,則
[0025] Sp = (Imax-Gmid)* δ c+EL(Imax)/(ELamax^1)-ELamax))* δ c
[0026] 其中，Gniid 等于（Gc+1)/2 ;
[0027] (11)利用步驟（10)得到的碼相位偏移量Sp直接調(diào)整本地碼相位，使本地碼相位 與一次處理信號(hào)的碼相位對齊；
[0028] (12)利用相位調(diào)整后的本地生成碼，采用Costas PLL+DLL的跟蹤方式對一次處 理信號(hào)進(jìn)行跟蹤；其中Costas PLL環(huán)路的頻偏初值寄存量為Ef。，DLL環(huán)路頻偏初值為0。
[0029] 所述步驟（11)中利用Sp直接調(diào)整本地碼相位的方法為：將Sp分解為整數(shù)倍的δ c 和小數(shù)倍的S c疊加形式，小數(shù)部分不大于0. 5,找到整數(shù)部分的本地碼相位調(diào)節(jié)量在G。個(gè) 分組中對應(yīng)的那個(gè)分組，使得該分組的本地碼相位偏移量剛好為該整數(shù)個(gè)調(diào)節(jié)量，將本地 即時(shí)碼序列選擇為該對應(yīng)的分組的本地碼序列；然后根據(jù)碼偏移量小數(shù)部分來微調(diào)本地碼 序列相位，微調(diào)后的碼序列作為用于步驟（12)閉環(huán)跟蹤的即時(shí)碼序列。
[0030] 所述的步驟（8)中的單次相干累積時(shí)長大于等于步驟（3)中的單次相干累積時(shí) 長。所述的分組數(shù)G。為奇數(shù)且大于等于一個(gè)碼符號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)的2倍。所述的δ c為一個(gè) 采樣點(diǎn)間隔的整數(shù)倍，最小可為1倍。
[0031] 所述的Nf = fix (Tfra/TA) -1，其中fix ()為截?cái)嗳≌僮?，Tfrai為載波多普勒頻偏估 計(jì)總時(shí)長，Tfrai彡T a。所述的N。= fiX(TMd/r A)，Trade為碼相位估計(jì)總時(shí)長，彡Τ' A。
[0032] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0033] (1)本發(fā)明在閉環(huán)跟蹤之前進(jìn)行了精密載波多普勒頻偏和碼相位估計(jì)，使得進(jìn)入 閉環(huán)跟蹤后環(huán)路初始誤差最小，這樣就可以以理論上允許的最小環(huán)路帶寬實(shí)現(xiàn)跟蹤的快速 收斂，保證了跟蹤的快速性和精密性的同時(shí)滿足，因此本發(fā)明更適合針對短突發(fā)信號(hào)的快 速精密跟蹤；
[0034] (2)本發(fā)明中的載波多普勒頻偏快速精密估計(jì)采用相差矢量累加結(jié)合四相限鑒相 方法，保證了頻偏估計(jì)結(jié)果的高精度和高穩(wěn)定性；
[0035] (3)本發(fā)明中的碼相位快速精密估計(jì)采用針對超前滯后臂鑒相函數(shù)的線性插值來 估計(jì)精確碼相位，可估計(jì)到采樣點(diǎn)間隔內(nèi)的任意碼相位，估計(jì)精度高結(jié)果穩(wěn)定；
[0036] (4)實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明的跟蹤方法由于保證了閉環(huán)跟蹤的輸入誤差最小，使閉環(huán)跟 蹤系統(tǒng)在收斂性和精密性上達(dá)到了理論上的一個(gè)最佳狀態(tài)，利用本發(fā)明的跟蹤方法進(jìn)行偽 碼測距所實(shí)現(xiàn)的測距精度已接近閉環(huán)跟蹤系統(tǒng)的理論克拉美羅界。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0037] 圖1為本發(fā)明方法的流程圖；
[0038] 圖2為本發(fā)明載波多普勒頻偏快速精密估計(jì)流程圖；
[0039] 圖3為本發(fā)明碼相位快速精密估計(jì)流程圖；
[0040] 圖4為本發(fā)明閉環(huán)快速精密跟蹤流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0041] 首先需要說明的是，本發(fā)明方法針對的輸入信號(hào)通常為經(jīng)過了下變頻混頻處理 以及載波多普勒與碼相位捕獲完成后的擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)，其形式為：基于直擴(kuò)序列調(diào)制的 BPSK (二進(jìn)制相移鍵控）或QPSK (正交相移鍵控）載波調(diào)制信號(hào)，具體格式可表達(dá)如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種短突發(fā)弱擴(kuò)頻信號(hào)的快速精密跟蹤方法，其特征在于包括如下步驟： (1) 接收已完成捕獲后的待跟蹤擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)作為輸入信號(hào)； (2) 根據(jù)本地生成碼不同的碼相位偏移量對輸入信號(hào)進(jìn)行分組解擴(kuò)； (3) 對步驟（2)得到的分組解擴(kuò)結(jié)果進(jìn)行累加和相干累積，獲得I支路相關(guān)值和Q支路 相關(guān)值； (4) 利用先后兩次獲得的I支路相關(guān)值和Q支路相關(guān)值進(jìn)行相差計(jì)算，獲得一次相干累 積時(shí)間段內(nèi)的載波相差向量； (5) 對所述載波相差向量進(jìn)行矢量累加，累加次數(shù)為步驟（3)中相干累積的次數(shù)減1， 由此得到累加后的載波相差向量的同相分量AccPhaI(Nf)和正交分量AccPhaQ(Nf); (6) 利用步驟（5)的結(jié)果計(jì)算得到頻差估計(jì)值Ef。并利用Ef?。對輸入信號(hào)進(jìn)行載波頻 偏修正，得到一次處理信號(hào)； Efc = A 〇)/(2jiTa) A ￠) = atan2 (AccPhaQ (Nf), AccPhal (Nf)) 其中，atan2()為四象限反正切函數(shù)，TA為單次相干累積時(shí)長； (7) 根據(jù)本地生成碼不同的碼相位偏移量對一次處理信號(hào)進(jìn)行分組解擴(kuò)，采用統(tǒng)一的 碼相位移位步進(jìn)量S c來獲得各個(gè)分組解擴(kuò)結(jié)果； (8) 對步驟（7)的分組解擴(kuò)結(jié)果進(jìn)行相干累積，獲得共G。組I支路相關(guān)值和Q支路相 關(guān)值； (9) 對步驟（8)產(chǎn)生的共G。組I支路相關(guān)值和Q支路相關(guān)值進(jìn)行功率非相干累積，共 進(jìn)行N。次功率非相干累積，獲得G。個(gè)非相干累積結(jié)果Ac% (N。)，. . .，AccQ。(N。）；其中N。為 步驟（8)中的相干累積次數(shù)； (10) 找出步驟（9)獲得的非相干累積結(jié)果AccCjN^.^AccQ^N。）中的最大值 AccCImax(N。)，Imax G {1，2,. . .，G。}，并根據(jù)最大值出現(xiàn)的位置來估計(jì)碼相位偏移量SP ;具體 方法為： ⑷ 如果為{1，2, G「l，GJ，則 SP = (U-GJ * S c ⑶ 如果不為 U，2, Ge-1，G。}，則計(jì)算 EL(Imax) = ACCCImax+1 (N。) -AccC^n (Nc)， (Bl)如果 EL(Imax)等于 0,則 SP = (U-GJ * S c (B2)如果 EL(Iniax)大于 0,則 SP = (I^x-G-)* S c+EL(Iniaxy(EL(Iniax)-EL(Iniax+1))* S c (B3)如果 EL(Iniax)小于 0,則 SP = (I^x-G-)* S c+ELd-AELd^-D-ELd-))* 5 c 其中，Gmid 等于（Ge+l)/2 ; (11) 利用步驟（10)得到的碼相位偏移量SP直接調(diào)整本地碼相位，使本地碼相位與一 次處理信號(hào)的碼相位對齊； (12) 利用相位調(diào)整后的本地生成碼，采用Costas PLL+DLL的跟蹤方式對一次處理信 號(hào)進(jìn)行跟蹤；其中Costas PLL環(huán)路的頻偏初值寄存量為Ef。，DLL環(huán)路頻偏初值為0。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種短突發(fā)弱擴(kuò)頻信號(hào)的快速精密跟蹤方法，其特征在于： 所述步驟（11)中利用SP直接調(diào)整本地碼相位的方法為：將SP分解為整數(shù)倍的SC和小數(shù) 倍的S c疊加形式，小數(shù)部分不大于0. 5,找到整數(shù)部分的本地碼相位調(diào)節(jié)量在G。個(gè)分組中 對應(yīng)的那個(gè)分組，使得該分組的本地碼相位偏移量剛好為該整數(shù)個(gè)調(diào)節(jié)量，將本地即時(shí)碼 序列選擇為該對應(yīng)的分組的本地碼序列；然后根據(jù)碼偏移量小數(shù)部分來微調(diào)本地碼序列相 位，微調(diào)后的碼序列作為用于步驟（12)閉環(huán)跟蹤的即時(shí)碼序列。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種短突發(fā)弱擴(kuò)頻信號(hào)的快速精密跟蹤方法，其特征在 于：所述的步驟（8)中的單次相干累積時(shí)長大于等于步驟（3)中的單次相干累積時(shí)長。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種短突發(fā)弱擴(kuò)頻信號(hào)的快速精密跟蹤方法，其特征在 于：所述的分組數(shù)G。為奇數(shù)且大于等于一個(gè)碼符號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)的2倍。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種短突發(fā)弱擴(kuò)頻信號(hào)的快速精密跟蹤方法，其特征在 于：所述的S c為一個(gè)采樣點(diǎn)間隔的整數(shù)倍，最小可為1倍。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種短突發(fā)弱擴(kuò)頻信號(hào)的快速精密跟蹤方法，其特征在 于：所述的Nf = fiX(Tfte/TA)-l，其中fix〇為截?cái)嗳≌僮?，T fteq為載波多普勒頻偏估計(jì)總 時(shí)長，Tfra(1彡Ta。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種短突發(fā)弱擴(kuò)頻信號(hào)的快速精密跟蹤方法，其特征 在于：所述的N。= fix(TMde/T'A)，其中fix〇為截?cái)嗳≌僮鳎琓rade為碼相位估計(jì)總時(shí)長， T >> Ty 丄 code 一丄 A〇
【文檔編號(hào)】G01S19/30GK104459730SQ201410707098
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】陳旭陽, 徐連軍, 蒙艷松, 王延光, 吳兆平, 胡濤 申請人:西安空間無線電技術(shù)研究所