适用于重复使用轨道飞行器的极高动态扩频信号快捕方法
【专利摘要】本发明涉及适用于重复使用轨道飞行器的极高动态扩频信号快捕方法，首先计算扩频信号快捕参数，接着生成基于掩码的多路伪码，最后通过轮流进行FFT分析实现扩频信号的快速捕获，具体为：将载波频率进行分段，在每一个频率段内分别进行信号捕获；利用掩码方式产生多路并行伪码，将每路伪码与输入信号进行部分相关运算，多路并行相关运算结果轮流作FFT变换以节省资源；当遍历完全部频段后，便可得到载波多普勒及伪码相位的精确值；本发明有效解决了重复使用轨道飞行器扩频信号快捕问题，实现了附加极大的多普勒频偏及动态范围的扩频信号快速捕获，且占用最低的FPGA资源。
【专利说明】适用于重复使用轨道飞行器的极高动态扩频信号快捕方法
【技术领域】
[0001]本发明属于测控通信【技术领域】，涉及一种适用于重复使用轨道飞行器的极高动态扩频信号快捕方法。
【背景技术】
[0002]测控终端是重复使用轨道飞行器测控通信系统的核心设备，与地面站协同工作，完成飞行器测控任务。
[0003]重复使用轨道飞行器高超声速再入飞行时会发生较长时间黑障现象，为提高无线信号黑障区的通信能力，使用了 Ka频段作为扩频信号载频。由于飞行器同地面站之间的高动态使接收信号附加了大多普勒频移，对扩频信号捕获造成不良影响。同传统S频段测控体制相比，Ka频段的多普勒频移及变化率将更加明显，最大多普勒变化范围将达到±820kHz，变化率达到±20.6kHz/s，远超S频段±100kHz，±2kHz/s的多普勒动态范围。飞行器再入过程轨道高度低，地面站覆盖范围小，对测控实时性要求很高，要求2s内完成扩频信号的快速捕获。同时由于黑障影响，接收端信号能量低于_122dBm，且飞行器上信号处理器件资源、速度等级受限，因此如何以最小的资源占用实现极高动态扩频信号快速捕获成为Ka频段测控技术的关键。
[0004]目前飞行器上设备扩频信号快速捕获主要采取以下技术手段:
[0005]时频并行捕获技术
[0006]扩频信号的捕获是一个时域和频域的二维搜索过程如图1所示，只有在正确的伪码相位(时域)和多普勒频率(频域)上，才能获得最大的相关值。二维并行搜索利用多个伪码产生器生成多路相位差固定的伪码，利用多个伪码相关通道进行码相位的并行搜索，从而通过时域并行搜索达到减少捕获时间的目的。或在频率上使用多个数字载波振荡器(NC0)，产生多路频差恒定的本地载波，在每一个频段上并行搜索伪码相位，通过频率并行搜索达到减少捕获时间的目的。也可将时域、频域并行结合，获得更快的捕获时间，但资源占用将显著增加。
[0007]部分相关与FFT结合的捕获技术
[0008]部分相关与FFT结合的捕获技术原理如图2所示。输入信号经下变频后与本地伪码进行部分相关运算，对部分相关结果进行FFT分析。本地伪码相位可以不断滑动，当与输入信号相位一致时，FFT结果将在多普勒频率处出现一根明显的谱线，从而将时域、频域的二维搜索过程转化为时域的一维搜索，达到减少时间的目的。
[0009]匹配滤波器设计技术
[0010]匹配滤波器技术原理如图3所示。时域上将本地伪码序列作为滤波器抽头系数，构建成一个倒置型FIR滤波器。输入信号进入滤波器后进行滤波运算，每移入一个码片便可得到一个滤波结果，一个伪码周期后便可得到全部的匹配滤波值，滤波器最大输出对应的码相位位置及为正确伪码相位位置。频域上将多普勒频率进行分段，在每一个频段上进行匹配滤波运算，匹配滤波值最大的频段即为多普勒频率所在区间，从而快速完成捕获。[0011]重复使用轨道飞行器多普勒范围将高达±820kHz，变化率达到±20.6kHz/s，是传统飞行器的动态范围8倍以上，上述方法将无法适用于本飞行器的扩频信号快捕。时频并行捕获技术效率较低，只适用于伪码较短且动态范围较小的情况，随着多普勒范围明显变宽，需要的伪码、频率搜索通道将显著增加，资源占用急剧上升。对于部分相关和FFT相结合的捕获技术，由于多普勒频率范围高达±820kHz 对FFT的多普勒频率衰落补偿性能提出较高要求，若满足全频带内的频率补偿性能，则需要减少部分先关长度，将导致捕获灵敏度降低，若保证捕获灵敏度，则无法实现±820kHz的全频率搜索。对于匹配滤波捕获方法，虽然捕获速度很快，但是滤波器资源占用率极高，即使采用滤波器折叠的设计方式，常用的飞行器上元器件(XQ2V3000)资源也较难承受，且由于多普勒频率范围极宽，所需频率搜索通道也将显著增加，匹配滤波带来的时间优势并不明显。
[0012]因此需要使用一种适用于重复使用轨道飞行器的极高动态扩频信号快捕方法，既可满足捕获时间要求，又可占用最低的FPGA资源。
【发明内容】
[0013]本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供适用于重复使用轨道飞行器的极高动态扩频信号快捕方法，该方法有效解决了重复使用轨道飞行器扩频信号快捕问题，实现了附加极大的多普勒频偏及动态范围的扩频信号快速捕获，且占用最低的FPGA资源。
[0014]本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的:
[0015]适用于重复使用轨道飞行器的极高动态扩频信号快捕方法，包括如下步骤:
[0016]步骤(一)、计算扩频信号快捕参数，具体过程如下:
[0017](1)、根据需要的捕获时间T，通过如下公式确定多普勒频率分段数M与伪码并行相关路数K之间的关系:
[0018]
【权利要求】
1.适用于重复使用轨道飞行器的极高动态扩频信号快捕方法，其特征在于包括如下步骤: 步骤(一)、计算扩频信号快捕参数，具体过程如下: (1)、根据需要的捕获时间T，通过如下公式确定多普勒频率分段数M与伪码并行相关路数K之间的关系:
2.根据权利要求1所述的适用于重复使用轨道飞行器的极高动态扩频信号快捕方法，其特征在于:所述步骤(一)的(5)进行多普勒FFT分析时，分析点数N的取值为:N=P，或者根据如下捕获分辨率公式确定N的取值:
3.根据权利要求1所述的适用于重复使用轨道飞行器的极高动态扩频信号快捕方法，其特征在于:所述步骤(二)的(7)中掩码多项式m(x)与码相位延迟数C 一一对应，通过如下公式得到:
4.根据权利要求1所述的适用于重复使用轨道飞行器的极高动态扩频信号快捕方法，其特征在于:所述步骤(三)的(9)中，为降低资源占用率，对每组的P个部分相关结果进行分析点数为N的FFT分析时采用共用内核，轮流计算方式，控制K路数据轮流进行谱分析，防止发生时序冲突。
【文档编号】H04B1/708GK103595441SQ201310528582
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年10月30日 优先权日:2013年10月30日
【发明者】张德智, 曾贵明, 陈朝霞, 张宏江, 胡倩, 刘建妥, 曾星星, 刘岱, 朱永贵, 彭小波, 高祥武 申请人:中国运载火箭技术研究院