专利名称：能够有效跟踪极低信噪比大多普勒频率变化率信号的方法
技术领域：
本发明涉及一种航天深空测控中跟踪极低信噪比大多普勒频率变化率信号的方法。
背景技术：
目前地基测控系统、天基测控系统、遥感地面接收站和卫星通信站等通过较宽带的二阶锁相环来实现测控信号的跟踪。深空任务周期较长、通信时延巨大、链路带宽有限、 信号微弱、数据更加关键等一系列原因，使得深空测控与地球轨道航天器的测控通信有很大差异，目前的跟踪技术方法存在一定的缺陷，很难实现信噪比极低、多普勒频率变化率大的深空测控信号的跟踪首先，现有技术方法环路带宽较宽，只能跟踪高信噪比信号，对于极低信噪比的深空测控信号无法有效锁定跟踪；其次，现有数字二阶锁相环的技术方法受限于其固有的动态缺陷，无法跟踪多普勒频率变化率大的深空测控信号。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种能够有效跟踪极低信噪比大多普勒频率变化率信号的方法。以解决现有技术无法有效跟踪极低信噪比大多普勒频率变化率的深空测控信号的问题。本发明解决其技术问题通过以下措施实现一种能够有效跟踪极低信噪比大多普勒频率变化率信号的方法，具有如下技术特征深空测控接收机接收普勒频率变化率的测控信号，测控接收机通过模/数转换器采样获取接收信号，该接收信号通过锁相环的数学模型中的超窄带数字三阶锁相环锁定跟踪，并从环路中提取信号多普勒，计算目标速度，接收信号进入中频超窄带数字接收机中，将多普勒频率及多普勒变化率送入锁相环，然后用超窄带数字三阶锁相环组成的超窄带载波环路，跟踪极低信噪比大多普勒频率变化率深空测控信号。本发明相比于现有技术具有如下有益效果本发明利用超窄带载波环路可实现跟踪极低信噪比信号的特性，同时结合数字三阶锁相环可实现大多普勒频率变化率信号跟踪的特性，提出超窄带三阶锁相环技术，改进优化了可跟踪极低信噪比大多普勒频率变化率信号的方法，首先比现有技术窄得多的超窄带载波环路，其跟踪滤波功能可提高灵敏度以实现极低信噪比深空测控信号的有效锁定跟踪；其次数字三阶锁相环，其可保障载波的跟踪精度以实现多普勒频率变化率大的深空测控信号的跟踪，使深空测控信号跟踪的实现更为简洁有效，为深空测控系统测距测速的准确性可靠性得到质的提高。本发明对于极低信噪比的深空测控信号超窄带锁相环首先采用宽带捕获，环路锁定后，采用逐步变带宽技术，最终变化到所需要的窄带，从而有效跟踪极低信噪比的深空测控信号。本发明将极窄载波环带宽和数字三阶锁相环相结合，有效解决了接收信号信噪比
3很低时，大多普勒频率变化率条件下载波环对测控信号的跟踪问题。本发明技术方法适用于各种测控信号的跟踪，特别是深空测控信号的跟踪。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1是本发明三阶数字滤波器结构图。图2是本发明实现跟踪信号的超窄带三阶锁相环载波环路原理框图。
具体实施例方式参阅图1。在数字锁相环的数学模型中，超窄带载波环路滤波器变换函数为F(z) =GJG2/(I-Z-1HG3/(1-z—1)2，其中 G1 = rd/T, G2 = rd2/T, G3 = krd3/T ；且 d = 4BT (r-k) / r(r-k+l),r = 4l ；其中B为环路带宽，T为环路滤波运算周期，ξ为环路阻尼系数，k为三阶环增益系数，三阶环增益系数k的典型值1/4 1/2。对&、(；2、(；3扣除鉴相器增益kd 和数控振荡器DCO调整灵敏度k。后，可得环路滤波器实际因子&、&、g3。鉴相器增益kd等于输入信号的数字幅度，DCO的调整灵敏度k。= 2 π fs/2n，η为DDS相位累加器输出位数， fs为系统采样频率。参阅图2。在实施例中，深空测控接收机接收到低信噪比大多普勒频率变化率的测控信号，通过模/数转换器采样后进入中频超窄带数字三阶锁相环中，在多普勒频率及多普勒频率变化率都比较大的情况下，为了使超窄带锁相环能够锁定，必须对锁相环的频率及频率变化率进行补偿。将多普勒频率及多普勒变化率送锁相环，用超窄带数字三阶锁相环组成的超窄带载波环路，跟踪极低信噪比大多普勒频率变化率深空测控信号，锁相环首先采用宽带捕获，对于极低信噪比的深空测控信号超窄带锁相环首先采用宽带捕获，环路锁定后，采用逐步变带宽技术，变化到所需要的窄带跟踪信号。其在变带宽时，宽带阶段，停留时间较短，窄带阶段，停留时间较长。三阶锁相环跟踪大多普勒频率变化率的深空测控信号，无稳态相差的超窄带数字三阶锁相环稳定跟踪极低信噪比大多普勒频率变化率的深空测控信号后，可从环路提取多普勒频率计算目标速度。其次，载波接收机环路带宽极窄时，为适应信号的多普勒变化率，通过对环路的稳态误差分析，可确定所要采用的环路滤波器的阶数和型数为三阶三型。要跟踪频率斜变必须采用二型以上的环路，但对于二型环有一个稳态相位误差， 而三型环其稳态相位误差为零。由于二型环的稳态相位误差，二型环对于高动态系统是不适合的。为了保障载波的跟踪精度，选取三阶三型作为设计目标。上述超窄带数字三阶锁相环稳定跟踪极低信噪比大多普勒频率变化率的深空测控信号后，可从环路提取多普勒频率计算目标速度。
权利要求
1.一种能够有效跟踪极低信噪比大多普勒频率变化率信号的方法，具有如下技术特征深空测控接收机接收普勒频率变化率的测控信号，测控接收机通过模/数转换器采样获取接收信号，该接收信号通过锁相环的数学模型中的超窄带数字三阶锁相环锁定跟踪， 并从环路中提取信号多普勒，计算目标速度，接收信号进入中频超窄带数字接收机中，将多普勒频率及多普勒变化率送入锁相环，然后用超窄带数字三阶锁相环组成的超窄带载波环路，跟踪极低信噪比大多普勒频率变化率深空测控信号。
2.按权利要求1所述能够有效跟踪极低信噪比大多普勒频率变化率信号的方法，其特征在于，数字三阶锁相环首先采用宽带捕获，载波环路锁定后，采用逐步变带宽技术，在变带宽时，宽带阶段，停留时间较短，窄带阶段，停留时间较长，逐级变化到所需要的超窄带数字三阶锁相环，以跟踪信号。
3.按权利要求1或2所述的能够有效跟踪极低信噪比大多普勒频率变化率信号的方法，其特征在于，数字三阶锁相环跟踪大多普勒频率变化率的深空测控信号，超窄带数字三阶锁相环跟踪极低信噪比大多普勒频率变化率的深空测控信号。
4.按权利要求1所述的能够有效跟踪极低信噪比大多普勒频率变化率信号的方法， 其特征在于，在锁相环的数学模型中，超窄带载波环路滤波器变换函数为F(z) = G^G2/ (l-z-1)+G3/(l-z-1)2，其中 G1 = rd/T,G2 = rd2/T,G3 = krd3/T ；且 d = 4BT (r-k) /r (r-k+1), Γ = 4ξ ；其中B为环路带宽，T为环路滤波运算周期，ξ为环路阻尼系数，k为三阶环增益系数。
5.按权利要求1或2所述有效跟踪极低信噪比大多普勒频率变化率信号的方法，其特征在于，所采用的环路滤波器是三阶三型。
全文摘要
本发明提出一种能够有效跟踪极低信噪比大多普勒频率变化率信号的方法，旨在提供一种能在深空测控中更准确有效跟踪极低信噪比大多普勒频率变化率的测控信号的技术方法。本发明通过下述技术方案予以实现测控接收机通过A/D采样获取接收信号，并通过锁相环的数学模型中的超窄带三阶锁相环锁定跟踪，从环路中提取信号多普勒，接收信号进入中频超窄带数字锁相环中，将多普勒频率及多普勒变化率送入三阶锁相环，然后用超窄带锁相环和数字三阶锁相环组成的超窄带载波环路，跟踪极低信噪比大多普勒频率变化率深空测控信号。本发明将极窄载波环带宽和数字三阶锁相环相结合，有效解决接收信号信噪比很低时，大多普勒频率变化率条件下载波环对测控信号的跟踪问题。
文档编号H03L7/18GK102299713SQ20111012695
公开日2011年12月28日 申请日期2011年5月17日 优先权日2011年5月17日
发明者汪远玲, 陈凌, 陈玲 申请人:中国电子科技集团公司第十研究所