[發(fā)明專利]一種基于預處理FFT和柵欄效應校正的捕獲方法

在審

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• 申請日: 2021-03-19
• 公開（公告）號: CN113050131A
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發(fā)明（設計）人: 井俊;陳金權(quán);李大鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 南京郵電大學
• 主分類號: G01S19/29
• 分類號: G01S19/29;G01S19/37;H03L7/091
• 代理公司: 南京銳恒專利代理事務所(普通合伙) 32506
• 代理人: 陳思

本發(fā)明公開了一種基于預處理FFT和柵欄補償?shù)念l率捕獲方法，該方法的工作捕獲概率滿足深空探測需要，消除了柵欄效應導致的多普勒頻率估計誤差能快速輔助跟蹤環(huán)路入鎖，實現(xiàn)了模塊化設計，對不同信號動態(tài)范圍和捕獲性能要求具有很好的適應性。深空應答機射頻模塊對接收載波進行下變頻處理后得到零中頻基帶信號，先將接收信號在時域上做多支路變化率匹配，然后對各支路數(shù)據(jù)求FFT譜并檢測功率譜峰值，根據(jù)全局最大值所在的多普勒頻率支路和頻率變化率支路得到f₀和a的估計值，工作捕獲概率能夠滿足深空探測需要，消除了柵欄效應導致的多普勒頻率估計誤差能快速輔助跟蹤環(huán)路入鎖。實現(xiàn)了模塊化設計，對不同信號動態(tài)范圍和捕獲性能要求具有很好的適應性。

技術(shù)領域

本發(fā)明涉及一種基于預處理FFT和柵欄效應校正的捕獲方法，屬于計算機技術(shù)領域。

背景技術(shù)

探測深空是人類拓展生存空間的先導行動。世界上深空探測的熱潮已歷時多年，而且近年來越來越活躍。美、歐、日的火星探測、金星探測、彗星和小行星探測不斷從宇宙中獲得新發(fā)現(xiàn)。深空探測將為開發(fā)和利用空間資源、發(fā)展空間技術(shù)、進行科學研究、探索太陽系和宇宙的起源、擴展人類的生存空間，為人類社會的長期可持續(xù)發(fā)展服務。在深空活動中，地面測控通信系統(tǒng)是其重要組成部分，它與空間應答機一起完成對深空探測器的跟蹤、遙測、指令控制和數(shù)傳。但是，在深空探測器的整個飛行過程中，需要對其測控以保證其飛行軌道的準確，而在進入探測過程以后，需要傳回探測信息，所以深空測控通信系統(tǒng)是深空探測的唯一信息線，至關重要，比之其它測控系統(tǒng)其重要性更加突出。例如：一種基于快速傅里葉變換的相位判讀方法201710355621.5，該專利采用快速傅里葉變換算法判讀輸出信號和輸入信號在目標頻率點的相位差，通過對采樣頻率、輸入信號采集數(shù)據(jù)和輸出信號采集數(shù)據(jù)進行合適的選取及設定，提高目標頻率點的相位判讀的精度。但是，該專利不能實現(xiàn)工作捕獲概率滿足深空探測需要，無法消除柵欄效應導致的多普勒頻率估計誤差能快速輔助跟蹤環(huán)路入鎖。

目前的多支路時域變化率匹配FFT模值選最大算法在信噪比為-38dB下實現(xiàn)了信號參數(shù)精確估計，但該算法要求匹配精度高。目前的時域匹配平均周期圖算法，減弱了多普勒變化率匹配精度要求，在相同動態(tài)條件下，單次運算復雜度降低，更適用于載波粗捕獲，但對所有匹配支路做全FFT運算，計算復雜度隨著動態(tài)范圍擴大而成比例增加，給深空探測信號的載波實時捕獲帶來困難。在實際工程應用中一般采用預處理FFT的算法，此外深空低信噪比高動態(tài)載波的捕獲還需要解決以下問題：

1)工程應用中主要采用FFT變換對載波信號進行快速的頻譜分析，找出頻譜峰值完成載波捕獲。但對于高動態(tài)深空探測載波，存在較大的多普勒頻率變化率，在一次FFT時長內(nèi)導致較大的頻率走動，載波能量分散到不同頻率，F(xiàn)FT譜峰的樣式將從單一峰值點變?yōu)槎喾逯迭c，峰值點個數(shù)跨越(f₀,f₀+aT_FFT)這個區(qū)間，這使得FFT捕獲算法不再滿足最大似然的特性,其中f₀為載波頻率，a為載波頻率變化率，T_FFT為一次FFT的時間。

2)FFT變換結(jié)果是離散譜線，其頻率分辨率限制了頻率捕獲的精度，稱之為“柵欄效應”。深空通信具有極低信噪比的特點，載波粗捕獲之后的高階鎖相環(huán)路的環(huán)路帶寬非常窄，對FFT譜峰的柵欄效應十分敏感。為保證應答機順利由頻率捕獲轉(zhuǎn)入相位跟蹤，算法設計時要消除柵欄效應。

3)信號捕獲時將待搜索的多普勒頻率范圍和多普勒變化率范圍劃分成方格。搜索方格的大小設定需要考慮未知多普勒頻率和多普勒變化率范圍、信號載噪比、捕獲時間和檢測性能的要求。而本發(fā)明能夠很好地解決上面的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于針對低信噪比高動態(tài)深空載波捕獲問題，提出一種基于預處理FFT和柵欄補償?shù)念l率捕獲方法，該方法的工作捕獲概率滿足深空探測需要，消除了柵欄效應導致的多普勒頻率估計誤差能快速輔助跟蹤環(huán)路入鎖，很好地實現(xiàn)了模塊化設計，對不同信號動態(tài)范圍和捕獲性能要求具有很好的適應性。