[發明專利]機群鏈路通信/測量綜合信道體制的信號處理系統有效
| 申請號： | 201010103897.2 | 申請日： | 2010-01-29 |
| 公開（公告）號： | CN101789809A | 公開（公告）日： | 2010-07-28 |
| 發明（設計）人： | 楊宜康;陳曉敏;安軍社 | 申請（專利權）人： | 中國科學院空間科學與應用研究中心 |
| 主分類號： | H04B1/707 | 分類號： | H04B1/707;H04B17/00;H04L25/02;H04L27/18 |
| 代理公司： | 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232 | 代理人： | 王順榮;唐愛華 |
| 地址： | 100190 *** | 國省代碼： | 北京;11 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關鍵詞： | 機群 通信 測量 綜合 信道 體制 信號 處理 系統 | ||
1.一種機群鏈路通信/測量綜合信道體制的信號處理系統，針對機群編隊任務 的自主性特點，構造了基于擴頻測量/非擴頻數傳等時復用物理信道的機群鏈路通信 與測量綜合信道體制及其實現方法，其特征在于：該信號處理系統具體包括信號生 成模塊及信號跟蹤模塊；具體技術方案如下：
(一)、機群鏈路通信/測量綜合信道體制的信號生成模塊
該模塊是在統一信道中實現擴頻測距與高速通信數傳的綜合信道體制——擴頻 測量/非擴頻數傳等時復用信道體制，在單載波物理信道中利用等時復用原理，交替 傳輸低碼率擴頻基帶信號和高碼率非擴頻基帶信號；
擴頻測量/非擴頻數傳等時復用信道體制滿足以下性質：
(1)擴頻測量段與非擴頻數傳段同步復用物理信道，以相同的基帶形式調制在 同一載波上，擴頻測量段與非擴頻數傳段之間無接縫和間隙；
(2)對UTC定義的1PPS間隔時間段內，即UTC定義的1s間隔，物理信道被等 分為F個等時復用段，周期為T＝1/F，第1段的段邊沿與1PPS嚴格對齊，F決定了 測量信息輸出率；
(3)在每個等時復用段內，定義兩個虛擬信道：擴頻測量信道和非擴頻數傳信道， 這兩個信道依次占用物理信道的各個等時復用段，每個等時復用段都具有相同的結 構和占空比，擴頻測量信道占用等時復用段周期的r％，則非擴頻數傳信道占用等時 復用段周期的1-r％，在每個等時復用段內非擴頻數傳信道周期為擴頻測量信道周 期的整數倍數關系；
(4)擴頻測量信道和非擴頻數傳信道的傳輸時鐘同源，來自機群鏈路終端的頻 標，非擴頻數傳碼速率為擴頻碼速率的整數倍數關系，比例為P；
(5)在每個等時復用段內擴頻測量信道內同步加載M個傳輸幀，在每個傳輸幀 內同步加載N個數據位，每個數據位周期為擴頻碼周期，擴頻碼長為L位；
(6)本體制在QPSK調制體制實現有兩種方式：①I/Q兩支路同時實施；②對I 支路實施，Q支路為非擴頻數傳信道；
(7)本體制啟動時發送方采用純擴頻體制引導，待接收方跟蹤鎖定后對發送方傳 送遙控指令或者數據注入控制模式切換，發送方確認后轉入擴頻測量/非擴頻數傳等 時復用體制；當接收方跟蹤失鎖時，對發送方傳送遙控指令或者數據注入控制模式 切換，發送方確認后轉入純擴頻體制；
(8)擴頻測量/非擴頻數傳等時復用體制和純擴頻體制的整個模式確認、切換過 程為雙向反饋確認和主動控制過程，接收方根據跟蹤鎖定條件對發送方通過遙控指 令或者數據注入進行模式控制，并且發送方在擴頻測量信道和非擴頻數傳信道的傳 輸幀內事先定義引導標記供接收方提取用于識別同步復用的邊界；
在機群鏈路擴頻測量/非擴頻數傳等時復用體制中，機群鏈路終端采用偽碼解擴/ 解調和非擴頻數傳解調組合環節，利用當前信息相互引導獲得更高的性能；
另外，機群編隊成員節點之間的相對運動和節點本地頻標漂移引起的視在多普 勒頻移將會帶來下一段擴頻測量信道捕獲跟蹤的困難，發生跟蹤失鎖甚至失捕；因 此，各階多普勒參數的高精度測量和計算對準確預報下一段擴頻測量信道的多普勒 頻移非常重要，并直接決定是否能夠準確保持跟蹤鎖定狀態或者失捕時快速重捕： 對于F個等時復用段，F＝5，擴頻測量信道占空比r％＝25％，擴頻碼長L＝1023， 擴頻碼速率＝5.115Mcps，非擴頻數傳碼速率：擴頻碼片速率倍率P＝20，每個等時復 用段的擴頻測量信道內傳輸幀數M＝2，則非擴頻數傳碼速率＝102.3Mbps，在每個 傳輸幀內同步加載的數據位N＝125bit，每個等時復用段內擴頻測量信道持續周期為T ＝F-1×r％＝50ms，對于一般接收單元的捕獲跟蹤時間已經足夠，若存在前幾次的多 普勒頻移參數測量估計值，則能獲得更快的捕獲時間；
本質上提出的擴頻測量/非擴頻數傳等時復用體制對擴頻信號的捕獲跟蹤類似于 等時突發擴頻通信模式，因此充分利用先驗信息輔助捕獲和跟蹤能保證捕獲概率、 失鎖概率和接收性能滿足要求，使其與常規的連續擴頻體制相同；設計原則如下：
①擴頻測量信道的占空比r％由信息數據傳輸所需碼速率和最高傳輸碼率的比 值決定，對于F個等時復用段，確定每段內擴頻測量信道持續周期T＝F-1×r％，此 周期必須滿足接收單元完成捕獲并轉入粗跟蹤狀態——跟蹤殘余多普勒在±250Hz 內、擴頻碼片對齊到1/4碼片精度；
②擴頻測量信道的占空比r％受通信數傳任務需求約束，對于F個等時復用段， F取值由測量輸出率決定，這兩者都有一定選擇空間，需根據測量雙方相對運動動態 程度確定，F過小導致測量輸出率不足，不滿足測量要求，過大了將引起每段內擴頻 測量信道持續周期縮短，不利于接續捕獲跟蹤，需折中考慮；
③測量輸出率較低時每個等時復用段內擴頻測量信道持續周期T較長，有利于 頻域并行直接捕獲；測量輸出率較高時有利于跟蹤保持；
(二)、機群鏈路通信/測量綜合信道體制的的信號跟蹤模塊
對機群編隊內成員節點之間相對運動，引入統計估計模型，采用統計濾波算法， 利用當前多普勒頻移測量值實時估計載波參數，包括：載波相位、載波多普勒頻移、 多普勒頻移的1階/2階導數、擴頻碼相位，碼時鐘則利用載波輔助碼環跟蹤算法實 時計算；擴頻測量信道結束并進入非擴頻數傳信道后，這些參數能夠用于實時遞推 預報載波參數和碼相位參數，接收方利用這些參數實時計算載波跟蹤環路開環控制 所需的載波NCO頻率控制字、碼NCO時鐘頻率控制字、碼相位實時估計值，控制 載波跟蹤環和碼跟蹤環NCO歷元計數器，在非擴頻數傳信道周期內引導開環跟蹤并 預報進入下一段擴頻測量信道的前邊界時刻及其載波多普勒頻率；給出以下三個參 數預報公式：
①載波多普勒頻移的實時預報值計算公式
其中，k＝0，1，2，...，N，Δt＝tk-tk+1，εk∈[tk，tk+1]
公式(1)中：fd(tk)、分別為載波多普勒頻移在tk時刻的0階、1 階、2階導數；公式(1)式右側前4項為fd(t)(t∈[tk，tk+1])3階連續可導成分的泰勒展 開式，其中為余項，第5項μfΔt為fd(t)(t∈[tk，tk+1])3階連續可導成分 之外的剩余成分，這兩項為未知項，成為實時預報值計算公式的模型誤差；
令：δfd(tk)、分別為fd(tk)、的估計誤差，則tk+1時刻的載波多普勒頻移的預報誤差δfd(tk+1|tk)為：
其中，k＝0，1，2，...，N，Δt＝tk-tk+1，，εk∈[tk，tk+1]
②碼時鐘頻率的實時預報值計算公式
由于碼相位跟蹤過程依賴碼時鐘控制碼NCO，采用載波輔助碼環跟蹤策略通過 載波NCO頻率控制字來計算碼NCO頻率控制字，設：fcode(t)為碼時鐘頻率，其中， fcode為標稱值，fRF(t)載波頻率，其中，fRF為標稱值，令：λ為碼時鐘與射頻輸出 頻點的比率，則：
fRF(t)＝fRF+fd(t)??????????????????????????????(4)
根據公式(3)、公式(4)得：
fcode(t)＝λfRF(t)?????????????????????????????????(5)
＝fcode+λfd(t)
fcode(n)(t)＝λfRF(n)(t)????????????????????????????????(6)
＝λfd(n)(t)其中，n＝1，2，3，...
公式(6)中：fcode(n)(t)為碼時鐘頻率在t時刻的n階導數，其中n＝1，2，3，...； 根據公式(1)、公式(5)得：
其中，k＝0，1，2，...，N，Δt＝tk-tk+1
根據公式(1)～公式(7)，得到tk+1時刻碼時鐘頻率的預報誤差δfcode(tk+1|tk)為：
其中，k＝0，1，2，...，N，Δt＝tk-tk+1，εk∈[tk，tk+1]
在非擴頻數傳信道周期內，利用公式(1)、公式(7)實時計算載波多普勒頻移的實 時預報值、碼時鐘頻率的實時預報值并生成頻率控制字用于控制載波NCO、碼NCO 在非擴頻數傳信道開環工作，這種模式基于參數預報實施開環跟蹤；載波NCO和碼 NCO計數器歷元計數輸出值達到設定值——由非擴頻數傳信道周期決定，則判斷到 達了下一段擴頻測量信道的前沿；在擴頻測量信道周期內，以前一段非擴頻數傳信 道周期的計數中止時刻外推預報值作為載波捕獲/跟蹤環路的初值轉入對擴頻信號的 閉環跟蹤，基于載波跟蹤環路自動頻率跟蹤和鎖相環與碼跟蹤環路數字延遲鎖定環 閉環控制載波NCO、碼NCO工作，這種模式基于跟蹤殘差反饋控制實施閉環跟蹤；
③碼相位的實時預報值計算公式
給出機群編隊內成員節點之間相對速度各階導數與多普勒頻移各階導數的關系 公式：
由公式(9)，考慮運動學理論，得到：
其中，k＝0，1，2，..，N，Δt＝tk-tk+1，εk∈[tk，tk+1]
公式(10)中：d(tk)為tk時刻兩機載天線相位中心之間的幾何距離；公式(10)式右 側前4項為v(t)(t∈[tk，tk+1])3階連續可導成分的泰勒展開式，其中為余 項，第5項μvΔt為v(t)(t∈[tk，tk+1])3階連續可導成分之外的剩余成分，這兩項為未 知項，成為實時預報值計算公式的模型誤差；由公式(10)得：
其中，k＝0，1，2，...，N，Δt＝tk-tk+1，εk∈[tk，tk+1]
公式(11)中：τ(tk)為tk時刻電波在機群編隊內兩成員節點之間的空間傳播時延， τ(tk)＝d(tk)/c，其中，c為真空光速；
令：δτ(tk)為τ(tk)的估計誤差，則tk+1時刻的預報誤差δτ(tk+1|tk)為：
定義碼相位對齊誤差為φcode(t)，有：
由公式(12)、公式(13)得tk+1時刻的碼相位預報誤差為：
公式(14)中：φcode(tk)為tk時刻的碼相位對齊誤差；當前段非擴頻數傳信道結束 時，碼相位預報誤差φcode(tk+1|tk)將成為下一段擴頻測量信道的初始碼相位對齊誤差；
因此，載波頻率初始跟蹤誤差、碼時鐘頻率初始跟蹤誤差、碼相位初始跟蹤誤 差由多普勒頻移外推預報誤差引起，因素有：
①當前載波參數、碼相位參數測量誤差；
②機群編隊內成員節點之間相對運動狀態在非擴頻數傳信道周期內發生變化， 引起多普勒頻率三階導數增大，加速度發生突變或者不可導；
③統計估計模型的準確性和濾波算法的性能引起多普勒頻移各階導數估計誤 差；
tk+1時刻的載波多普勒頻移的預報誤差γfd(tk+1|tk)就是進入下一段擴頻測量信道 時的載波頻率初始跟蹤誤差，tk+1時刻的碼時鐘頻率的預報誤差δfcode(tk+1|tk)就是進 入下一段擴頻測量信道時的碼時鐘頻率初始跟蹤誤差，tk+1時刻的碼相位預報誤差 φcode(tk+1|tk)就是進入下一段擴頻測量信道時的擴頻碼相位初始跟蹤誤差；
簡單起見，僅考慮fd(t)三階可導成分，忽略泰勒展開式余項；令：
在每段擴頻測量信道末端，擴頻碼相位跟蹤誤差約為碼片寬度的1％，載波跟蹤 誤差小于1Hz；取較為惡劣的估計誤差條件，令公式(16)～(19)中：μ0＝0.01，μ1＝ 1Hz，μ2＝50Hz/s，μ3＝500Hz/s2；若：碼時鐘fcode＝5.115MHz，fRF＝2250.6MHz， 則λ＝1/440，Ts＝0.2s，利用公式(2)、公式(14)計算得：δfd(tk+1|tk)＜21Hz、 φcode(tk+1|tk)＜0.0142，載波多普勒預報誤差主要來源于載波多普勒頻移一階、二階導 數估計誤差，而碼相位預報誤差主要來源于當前碼相位估計誤差，載波跟蹤環和碼 跟蹤環在比較惡劣的估計誤差條件下仍然能夠獲得比較小的初始跟蹤誤差，幾乎是 保持鎖定狀態；載波參數估計誤差對載波多普勒頻移預報精度影響遠大于碼相位預 報精度；因此，在擴頻測量/非擴頻數傳等時復用體制中，為保持對載波頻率和碼相 位準確可靠地開環跟蹤，必須獲得準確的多普勒頻移及其一階、二階導數估計值；
在擴頻測量信道內前邊界配置引導信息，采用信息位重復多次“1”或者“0”以引導 和確保捕獲跟蹤成功，并對擴頻傳輸幀提供前方保護；在非擴頻數傳信道內前邊界 配置多次重復的同步碼以引導和確保解調數據同步跟蹤成功；若接收方確認已失捕 失鎖，則利用前向鏈路純擴頻測量信道向發送方發送指令使反向鏈路轉入指定的純 擴頻通信模式，直到重捕成功并跟蹤鎖定后再指令控制發送方反向信道轉入擴頻測 量/非擴頻數傳等時復用體制。
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