[發明專利]卡爾曼跟蹤環路設計方法、卡爾曼跟蹤環路、航天飛行器

有效

• 申請號: 202010165702.0
• 申請日: 2020-03-11
• 公開（公告）號: CN111444663B
• 公開（公告）日: 2023-05-12
• 發明（設計）人: 石磊;包為民;呂躍廣;袁淑容;李小平;劉彥明;姚博;魏海亮
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G06F30/3308
• 分類號: G06F30/3308;G06F30/15
• 代理公司: 西安長和專利代理有限公司 61227
• 代理人: 黃偉洪

本發明屬于航天飛行器測控通信技術領域，公開了一種卡爾曼跟蹤環路設計方法、卡爾曼跟蹤環路、航天飛行器，建立時變等離子體鞘套模型并計算等離子體鞘套下接收信號的幅度衰減和相移；建立幅度衰減的自回歸模型和計算相移的統計特性；設計卡爾曼濾波器的狀態方程和觀測方程；設計高超聲速飛行器新型卡爾曼跟蹤環路；通過對等離子體鞘套信道下接收信號的幅度衰減和相移進行分析，計算幅度衰減的自回歸模型和相移的統計特性，設計適用于等離子體鞘套信道的Kalman濾波器；將等離子體鞘套作用下接收信號的幅度衰減考慮到跟蹤環路設計中，建立同時跟蹤接收信號幅度衰減和相位的卡爾曼濾波器。本發明為高超聲速飛行器的信號穩定跟蹤提供了新思路。

技術領域

本發明屬于航天飛行器測控通信技術領域，尤其涉及一種卡爾曼跟蹤環路設計方法、卡爾曼跟蹤環路、航天飛行器，具體涉及一種高超聲速飛行器新型卡爾曼跟蹤環路設計方法。

背景技術

目前，臨近空間高超聲速飛行器飛行速度快、機動范圍大的特性使接收機接收信號存在著大的多普勒頻移及高階導數。此外，高超聲速飛行器在穿透大氣層時，包覆飛行器表面的等離子體鞘套會對電磁波產生吸收、反射和散射作用，電磁信號透過等離子體鞘套之后會產生嚴重的幅度衰減和相位偏移。因此高超聲速飛行器載波跟蹤環路設計受到大動態多普勒頻偏、嚴重幅度衰減和相移等多重因素挑戰。

目前測控通信領域載波跟蹤的方法主要有兩大類：一類是基于傳統鎖相環(PLL)的跟蹤環路，另一類是基于卡爾曼(Kalman)濾波器的跟蹤環路。現有的基于這兩類方法的跟蹤環路在一般應用場景下性能優良，但在大動態多普勒和等離子體鞘套信道下尚不能實現載波的穩健跟蹤。第一類方法未考慮接收信號的幅度噪聲影響，且環路濾波器的帶寬是恒定值，大動態多普勒要求鎖相環的環路濾波器帶寬較大，低信噪比要求環路濾波器帶寬較小，無法均衡大寬帶和高精度的矛盾，在高動態低信噪比和嚴重等離子體鞘套幅度衰減的狀態下傳統鎖相環的載波跟蹤能力急劇下降。第二類方法為了解決大動態和低信噪比的矛盾問題，引入Kalman濾波器，目前僅考慮大動態多普勒，其狀態變量通常為載波的相位、多普勒頻率、多普勒加速度三個變量，雖然能較好的解決大動態跟蹤難題，但也未考慮等離子體鞘套信道下信號幅度衰減對跟蹤環路的影響。

通過上述分析，現有技術存在的問題及缺陷為：

(1)現有的跟蹤環路在大動態多普勒和等離子體鞘套信道雙重惡劣條件下存在大動態多普勒要求環路帶寬較大，低信噪比要求環路帶寬較小。

(2)傳統跟蹤環路使用環路濾波器的帶寬為定值，無法均衡大帶寬和高精度的矛盾。

(3)傳統跟蹤環路工作在信號幅度衰減一般可以忽略不記，或者衰減為定值的場景，高超聲速飛行器的接收信號幅度衰減具有快時變性，傳統跟蹤環路在高超場景下由于時變幅度衰減的影響極易失鎖。

解決以上問題及缺陷的難度為：

高超聲速飛行器接收信號由于等離子體鞘套作用產生嚴重幅度衰減。傳統跟蹤環路在跟蹤過程中忽略接收信號幅度衰減，只能克服大動態多普勒頻偏和多普勒加速度對接收信號的影響。在高超環境下，接收信號幅度衰減會使鎖相環失鎖，不能忽略。如何在環路設計中考慮接收信號幅度衰減是鎖相環在等離子體鞘套下實現載波穩定跟蹤的難點重點。

解決以上問題及缺陷的意義為：

本發明提供了一種卡爾曼跟蹤環路設計方法，實現了高超聲速環境下接收信號的穩健跟蹤，為存在嚴重幅度衰減的接收機跟蹤環路設計提供新思路。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供了一種卡爾曼跟蹤環路設計方法、卡爾曼跟蹤環路、航天飛行器。