低軌衛(wèi)星信號(hào)捕獲與跟蹤技術(shù)綜述

方一鳴,趙祥天,趙亞飛,孫耀華,彭木根

(北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100876)

0 引言

通信技術(shù)的價(jià)值在于為盡可能多的用戶提供廣泛、便捷、快速、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)覆蓋?，F(xiàn)有通信系統(tǒng)可以通過(guò)以光纖為代表的有線服務(wù)和以WiFi為代表的無(wú)線服務(wù)來(lái)為用戶提供低時(shí)延、大容量和高可靠的通信服務(wù),但在較為偏遠(yuǎn),且不適宜構(gòu)建地面通信系統(tǒng)的地區(qū)存在覆蓋不全面的問(wèn)題,例如偏遠(yuǎn)山區(qū)、沙漠和海洋,無(wú)法提供有效的通信服務(wù);另外由于地面設(shè)施相對(duì)固定,在發(fā)生自然災(zāi)害時(shí),地面通信系統(tǒng)會(huì)受到影響而無(wú)法工作,這些問(wèn)題導(dǎo)致現(xiàn)有地面系統(tǒng)無(wú)法完全滿足全部通信要求。而處于高空的衛(wèi)星已經(jīng)在遙感、導(dǎo)航與檢測(cè)領(lǐng)域證明其廣覆蓋、高可靠的特性,因此采用低軌(Low Earth Orbit,LEO)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信可以實(shí)現(xiàn)通信的高質(zhì)量與廣泛覆蓋,這也是通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1-5]。

在低軌衛(wèi)星通信場(chǎng)景下,由于衛(wèi)星載體的運(yùn)動(dòng),會(huì)導(dǎo)致傳輸過(guò)程中接收機(jī)接收信號(hào)有較大的多普勒頻移和多普勒頻率變化率,這種高動(dòng)態(tài)特性會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)無(wú)法正常對(duì)信號(hào)進(jìn)行接收,需要采取高性能的信號(hào)捕獲與跟蹤技術(shù),實(shí)現(xiàn)信號(hào)同步,才能實(shí)現(xiàn)星間以及星地的信號(hào)正常傳輸,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低軌衛(wèi)星通信[6]。

本文從低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景出發(fā),探討信號(hào)特點(diǎn)與挑戰(zhàn),重點(diǎn)分析闡述信號(hào)同步過(guò)程中信號(hào)捕獲、跟蹤與波束控制技術(shù)的特點(diǎn)與基本原理,最后展望未來(lái)低軌衛(wèi)星通信場(chǎng)景下信號(hào)捕獲與跟蹤技術(shù)可能的發(fā)展趨勢(shì)。

1 低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)由于其距地面較近且覆蓋范圍大,因此有利于為較大范圍內(nèi)用戶提供低時(shí)延、強(qiáng)穩(wěn)定、高通信質(zhì)量、高公平且資源利用率高的通信服務(wù)[5,7]。低軌衛(wèi)星通信主要應(yīng)用場(chǎng)景包括手機(jī)直連、邊遠(yuǎn)地區(qū)覆蓋、應(yīng)急情況保障和通導(dǎo)遙一體等[8]。

1.1 手機(jī)直連

手機(jī)直連衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)通信是低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)最核心也是最基礎(chǔ)的應(yīng)用,通過(guò)手機(jī)直連,用戶可以在任何區(qū)域內(nèi)獲得網(wǎng)絡(luò)連接?；谝苿?dòng)性管理,用戶可以同時(shí)與多顆衛(wèi)星及地面基站通信,實(shí)現(xiàn)真正的“無(wú)縫切換”;基于頻譜管理,精確化管理小區(qū)覆蓋,提供更可靠更穩(wěn)定的信息傳輸,同時(shí)降低地面通信系統(tǒng)負(fù)載。

1.2 邊遠(yuǎn)地區(qū)通信覆蓋

由于環(huán)境以及成本限制,傳統(tǒng)地面通信系統(tǒng)無(wú)法完全覆蓋所有地區(qū)。而衛(wèi)星具有高覆蓋與無(wú)視地理環(huán)境等傳輸特性,因此采用低軌衛(wèi)星進(jìn)行通信可以破除地理環(huán)境限制,低成本地為所有用戶提供通信與數(shù)據(jù)服務(wù),實(shí)現(xiàn)全球通信覆蓋。

1.3 應(yīng)急通信保障

由于地面通信系統(tǒng)基于地面固定設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信,因此當(dāng)遇到地震、洪水等地質(zhì)災(zāi)害時(shí),會(huì)由于設(shè)備受損與停電而中止地區(qū)通信服務(wù)。因此采用低軌衛(wèi)星進(jìn)行通信可以在出現(xiàn)應(yīng)急狀況時(shí),全面接管通信傳輸任務(wù),保障基礎(chǔ)服務(wù),進(jìn)而提高救災(zāi)恢復(fù)效率,提高通信系統(tǒng)的抗毀性。

1.4 通導(dǎo)遙一體

低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可以將太空低軌通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星融合,實(shí)現(xiàn)通導(dǎo)遙一體,在這種情況下,可以根據(jù)任務(wù)由衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)傳遞遙感、導(dǎo)航需求與指令,并快速傳輸具體的導(dǎo)航與遙感數(shù)據(jù),讓地面能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地獲得特定導(dǎo)航與遙感信息[9-10]。

2 低軌衛(wèi)星信號(hào)特點(diǎn)

2.1 低軌衛(wèi)星鏈路構(gòu)成與分析

在低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中主要有星間鏈路、饋電鏈路、用戶鏈路和測(cè)控鏈路,具體構(gòu)成如圖1所示。其中星間鏈路指的是衛(wèi)星之間的通信鏈路,饋電鏈路指的是衛(wèi)星與信關(guān)站之間的通信鏈路,而用戶鏈路則指的是衛(wèi)星與移動(dòng)終端之間的通信鏈路。衛(wèi)星測(cè)控鏈路則是衛(wèi)星與地面測(cè)控站之間的通信控制鏈路,用于實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的控制與遙測(cè)。衛(wèi)星測(cè)控鏈路中指令的準(zhǔn)確傳輸直接關(guān)系到衛(wèi)星的安全運(yùn)行,因此衛(wèi)星測(cè)控鏈路著重于信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性與可靠性,通常采用抗干擾性能強(qiáng)的擴(kuò)頻通信體制進(jìn)行通信。而星間鏈路、用戶鏈路和饋電鏈路則由于效率等方面原因較少采用擴(kuò)頻體制,通?；?GPP的5G體制進(jìn)行設(shè)計(jì),如AST和Lynk等,只有Globalstar與蘋果手機(jī)直連中由于Globalstar采用的私有通信協(xié)議而導(dǎo)致用戶鏈路使用擴(kuò)頻體制,以及應(yīng)用場(chǎng)景出于保密與抗干擾需求才會(huì)選擇擴(kuò)頻體制。

圖1 低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)鏈路構(gòu)成Fig.1 LEO satellite network link architecture

本文主要介紹具有普適性且適用于各種終端的信號(hào)捕獲與跟蹤技術(shù),另外考慮到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中存在擴(kuò)頻體制以及捕獲與跟蹤技術(shù)的多樣性,因此也列舉了一些主要針對(duì)擴(kuò)頻體制的信號(hào)捕獲與跟蹤技術(shù)。

2.2 信號(hào)特性分析

低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中衛(wèi)星主要運(yùn)行在500～1 500 km的低空軌道中,由于其軌道高度低,因此具有傳輸損耗低和低時(shí)延的特性,是最有可能實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。但由于衛(wèi)星本身體積與宇宙空間環(huán)境限制,衛(wèi)星發(fā)射功率有限,同時(shí)也因?yàn)榫嚯x以及干擾等因素導(dǎo)致接收機(jī)所收信號(hào)信噪比較低。另外,衛(wèi)星較快的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)給信號(hào)帶來(lái)多達(dá)幾百kHz的多普勒頻移,如此大的頻譜偏移會(huì)給接收機(jī)設(shè)計(jì)帶來(lái)挑戰(zhàn),迫使接收機(jī)放大前端帶寬,進(jìn)而導(dǎo)致帶外噪聲引入,使得接收信噪比降低,同時(shí)如此大的頻譜偏移還會(huì)導(dǎo)致同步中頻率搜索區(qū)間過(guò)大,給信號(hào)同步帶來(lái)更大挑戰(zhàn),影響信號(hào)接收。由于衛(wèi)星信號(hào)具有信噪比低且多普勒頻移大的動(dòng)態(tài)特性,因此如何在這種環(huán)境下,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠接收成為了實(shí)現(xiàn)低軌衛(wèi)星通信的關(guān)鍵點(diǎn)。

2.3 低軌衛(wèi)星波束特點(diǎn)

2.3.1 衛(wèi)星多波束特點(diǎn)及挑戰(zhàn)

多波束技術(shù)可以通過(guò)數(shù)字波束合成(Digital Beam Forming,DBF)來(lái)指向低軌衛(wèi)星信號(hào)接收方向,提高接收信號(hào)信噪比[11-12]。

多波束技術(shù)在接收時(shí)需要分析波束指向來(lái)達(dá)到最佳接受性能。遍歷所有情況找出最大接收功率顯然效率較低,因此如何迅速根據(jù)接收信號(hào)分配權(quán)值合成最佳接收波束成為實(shí)現(xiàn)波束捕獲的主要挑戰(zhàn)。

2.3.2 衛(wèi)星跳波束特點(diǎn)及挑戰(zhàn)

跳波束技術(shù)基于相控陣技術(shù)實(shí)現(xiàn),通過(guò)改變相位來(lái)快速調(diào)整波束方向,實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)送與接收[13]。

跳波束技術(shù)使低軌衛(wèi)星頻譜資源能夠被靈活調(diào)配,在功率有限情況下,產(chǎn)生更高質(zhì)量的信號(hào),有效提高低軌衛(wèi)星系統(tǒng)頻譜效率;同時(shí)跳波束技術(shù)可以讓低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)靈活適應(yīng)不同吞吐率,根據(jù)需求求解出時(shí)隙切換表,進(jìn)行波束的周期性調(diào)整[14-15]。

由于低軌衛(wèi)星通信中的跳波束技術(shù)在不斷變換波束,而只有成功捕獲波束才能正常接收信號(hào),因此如何在短時(shí)間內(nèi)跟蹤到波束指向并進(jìn)行跟蹤控制成為了跳波束應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

信號(hào)接收過(guò)程中,首先需要進(jìn)行的是波束捕獲與跟蹤控制。波束捕獲的目的是在接收到信號(hào)后能迅速鎖定到接收信號(hào)對(duì)應(yīng)的波束,從而進(jìn)行跟蹤控制,實(shí)現(xiàn)波束對(duì)準(zhǔn)。波束跟蹤控制針對(duì)多波束技術(shù)而言,通過(guò)分析找出實(shí)現(xiàn)波束對(duì)準(zhǔn)所需權(quán)值,通過(guò)設(shè)置相控陣權(quán)值來(lái)對(duì)準(zhǔn)波束,完成接收。

通過(guò)波束捕獲與跟蹤控制,完成波束對(duì)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)信號(hào)的準(zhǔn)確接收,然后需要獲取接收信號(hào)的多普勒頻移和碼相位偏移來(lái)實(shí)現(xiàn)同步。其中對(duì)信號(hào)的同步具體包含捕獲過(guò)程和跟蹤過(guò)程。首先是進(jìn)行捕獲,通過(guò)信號(hào)捕獲技術(shù)獲取較為粗略的碼相位信息與多普勒頻移信息,這些低分辨率的信息有助于之后的信號(hào)跟蹤;之后進(jìn)行跟蹤,通過(guò)信號(hào)跟蹤技術(shù)利用捕獲得到的信息精確估計(jì)碼相位信息與載波頻率,解調(diào)出導(dǎo)航數(shù)據(jù)。

3.1 波束捕獲與跟蹤控制

3.1.1 波束捕獲

低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中通常采用跳波束技術(shù)來(lái)提高頻譜利用效率,會(huì)存在波束的頻繁切換,需要波束捕獲技術(shù)來(lái)及時(shí)跟蹤捕獲波束變化,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確接收。

低延遲快速捕獲(Low Delay Fast Acquisition,LDFA)是一種用于在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中快速捕獲和跟蹤通信波束的算法。LDFA算法的目標(biāo)是最小化與衛(wèi)星建立可靠通信鏈路所需的時(shí)間,這對(duì)于延遲敏感的應(yīng)用(如實(shí)時(shí)語(yǔ)音和視頻通信)來(lái)說(shuō)非常重要。為了與衛(wèi)星建立通信鏈路,地面站必須首先確定其當(dāng)前所在的波束,然后將其接收器調(diào)諧到適當(dāng)?shù)念l率,這個(gè)過(guò)程被稱為波束采集。LDFA算法旨在通過(guò)結(jié)合使用快速信號(hào)處理技術(shù)和智能搜索策略,將執(zhí)行波束捕獲所需的時(shí)間降至最低。

低延遲快速捕獲算法通常涉及以下步驟:

① 使用寬帶接收機(jī)搜索衛(wèi)星。

② 一旦檢測(cè)到衛(wèi)星,將接收機(jī)調(diào)諧到衛(wèi)星信號(hào)的頻率,并對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào),以提取關(guān)于波束結(jié)構(gòu)和可用波束的信息。

③ 確定地面站當(dāng)前所處波束,并將接收機(jī)調(diào)諧到該波束的適當(dāng)頻率。

④ 在波束移動(dòng)時(shí)跟蹤波束,根據(jù)需要調(diào)整接收機(jī)頻率,以保持可靠的通信鏈路。

3.1.2 波束跟蹤控制

在衛(wèi)星通信中應(yīng)用多波束技術(shù)可以方便快捷地針對(duì)信號(hào)來(lái)源處產(chǎn)生對(duì)應(yīng)波束,以較高信噪比接收信號(hào)。

傳統(tǒng)波束跟蹤過(guò)程中采用機(jī)械電機(jī)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)波束對(duì)準(zhǔn),其中天線方向決定波束方向,通過(guò)不斷轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)接收信噪比最大化。但這種方式需要精密的機(jī)械結(jié)構(gòu)、高昂的制造成本以及較慢的對(duì)準(zhǔn)過(guò)程,因此使用效果并不能滿足低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信需求。而采用數(shù)字波束合成的多波束技術(shù)可以通過(guò)數(shù)字方式簡(jiǎn)單、方便地控制波束方向,快速追蹤波束。

波束跟蹤控制主要有兩種方法:波束自適應(yīng)控制和波束切換控制。

波束自適應(yīng)控制方法根據(jù)輸入信號(hào)情況自適應(yīng)調(diào)整陣列權(quán)值,從而在無(wú)需估計(jì)輸入信號(hào)方向情況下給出最優(yōu)波束控制方向。但自適應(yīng)控制每次都需要重新估計(jì),導(dǎo)致計(jì)算復(fù)雜度過(guò)高,因此實(shí)時(shí)性較差,且需要較多的硬件資源,在實(shí)際情況下應(yīng)用較少。

波束切換控制方法會(huì)在設(shè)備中預(yù)存有對(duì)應(yīng)方向的波束權(quán)值,過(guò)程中需要確定輸入信號(hào)方向,通過(guò)比較各個(gè)指向上的功率,來(lái)判斷信號(hào)指向,再通過(guò)查詢權(quán)值表獲得波束指向的正確權(quán)值。這種方式可以預(yù)先求解出各個(gè)波束指向的權(quán)值,進(jìn)而在實(shí)際控制過(guò)程中直接查表獲取權(quán)值,相比較于自適應(yīng)控制方法更簡(jiǎn)單、高效。在實(shí)際情況中,可以借助先驗(yàn)信息(例如星歷、軌道信息)來(lái)縮小搜索范圍,加快波束切換控制方法的搜索。波束捕獲流程圖如圖2所示。

圖2 波束捕獲流程圖Fig.2 Flowchart of beam acquisition

3.2 信號(hào)捕獲技術(shù)

傳統(tǒng)的捕獲方法中,常常通過(guò)相關(guān)運(yùn)算和能量檢測(cè)來(lái)觀察較高的能量峰,以此來(lái)找到碼相位,但實(shí)際情況下會(huì)由于多普勒頻移導(dǎo)致載波不能完全消除進(jìn)而導(dǎo)致能量峰急劇下降,從而難以找到正確的碼相位。因此,十分有必要得到準(zhǔn)確的載波信息,將其對(duì)相關(guān)峰的影響完全消除,進(jìn)而得到較為準(zhǔn)確的碼相位,實(shí)現(xiàn)捕獲。

信號(hào)捕獲的目標(biāo)是將相位差別控制在半個(gè)碼元寬度內(nèi)。本節(jié)介紹的滑動(dòng)相關(guān)捕獲算法、并行捕獲算法和序列估計(jì)捕獲算法主要用于測(cè)控鏈路中擴(kuò)頻信號(hào)的捕獲,而匹配濾波器算法、FFT捕獲算法和PMF-FFT捕獲算法則可以用于饋電鏈路、星間鏈路、用戶鏈路和測(cè)控鏈路。

3.2.1 滑動(dòng)相關(guān)捕獲算法

滑動(dòng)相關(guān)算法是最常見(jiàn)的信號(hào)捕獲方法,通常用于擴(kuò)頻體制下的信號(hào)捕獲,在低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中可以用于測(cè)控鏈路,其本質(zhì)是一種二維搜索法,同時(shí)搜索載波頻率與相位。其為偽碼生成器設(shè)置與接收信號(hào)不同的速率,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)二者相對(duì)滑動(dòng),在一個(gè)相關(guān)周期內(nèi)一般偽碼會(huì)滑動(dòng)半個(gè)碼片,滑動(dòng)會(huì)一直持續(xù)到兩個(gè)碼序列相位對(duì)齊時(shí),此時(shí)便得到所接收偽碼的相位。另外對(duì)于載波頻率的搜索可以通過(guò)改變本地載波來(lái)實(shí)現(xiàn),當(dāng)本地載波頻率與偽碼載波頻率接近時(shí),可以輸出相關(guān)峰,因此可以通過(guò)對(duì)相關(guān)峰的檢測(cè)來(lái)得到偽碼載波頻率。

滑動(dòng)相關(guān)算法結(jié)構(gòu)如圖3所示,其將對(duì)偽碼載波頻率與相位的搜索分別轉(zhuǎn)化成對(duì)本地載波頻率和本地偽碼發(fā)生器時(shí)鐘的控制,當(dāng)相位一致且出現(xiàn)足夠的相關(guān)峰時(shí),便搜索得到偽碼的載波頻率與相位,從而實(shí)現(xiàn)捕獲[16]。

圖3 滑動(dòng)相關(guān)法偽碼捕獲的結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of the structure of pseudocode acquisition by slide correlation method

3.2.2 并行捕獲算法

并行捕獲算法與滑動(dòng)相關(guān)算法類似,均針對(duì)測(cè)控鏈路中的擴(kuò)頻體制實(shí)現(xiàn)捕獲,不同的是其在通過(guò)本地載波解調(diào)進(jìn)行載波剝離后,會(huì)并行使用2N個(gè)支路的偽碼序列相關(guān)解擴(kuò)器分別處理,之后使用最大值選擇器選擇各并行支路的最大值,由于輸出最大值的相位與接收信號(hào)相位誤差最低,因此其相位可以作為捕獲得到的偽碼相位,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信號(hào)捕獲[16]。并行捕獲算法原理如圖4所示。

并行捕獲算法是2N個(gè)支路同時(shí)進(jìn)行,所需時(shí)間短、效率高,但也由于要使用2N個(gè)支路以及2N個(gè)解擴(kuò)單元,因此設(shè)備復(fù)雜度較高。

3.2.3 序列估計(jì)算法

序列估計(jì)算法也是針對(duì)測(cè)控鏈路中的擴(kuò)頻體制實(shí)現(xiàn)信號(hào)捕獲,其從接收信號(hào)中提取到PN碼,利用提取到的PN碼來(lái)設(shè)置本地PN碼序列發(fā)生器,將該發(fā)生器所產(chǎn)生的PN碼序列與接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān),當(dāng)出現(xiàn)相關(guān)峰時(shí)完成捕獲,此時(shí)相位便是接收信號(hào)的相位。序列估計(jì)算法原理如圖5所示。

序列估計(jì)算法通過(guò)提取接收信號(hào)PN碼來(lái)進(jìn)行相位估計(jì),但很多情況下PN碼并不方便提取,這就導(dǎo)致序列估計(jì)法可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)。另一方面,序列估計(jì)算法對(duì)于干擾和噪聲十分敏感,當(dāng)信噪比較低時(shí)實(shí)際捕獲效果不好,因此在低軌衛(wèi)星場(chǎng)景下適用性有限。

3.2.4 匹配濾波器算法

匹配濾波器算法可以通過(guò)改變系統(tǒng)傳遞函數(shù)快速捕獲相位,因此可以靈活應(yīng)用在星間鏈路、饋電鏈路、用戶鏈路和測(cè)控鏈路等場(chǎng)景。匹配濾波器根據(jù)輸入信號(hào)改變系統(tǒng)傳遞函數(shù),使得輸出是輸入信號(hào)的自相關(guān)函數(shù),基于這一特點(diǎn),采用匹配濾波器捕獲相位,可以大大縮短捕獲時(shí)間。具體來(lái)說(shuō),匹配濾波器算法基于接收信號(hào)設(shè)置本地碼序列,之后采用移位寄存器依次對(duì)接收信號(hào)延遲碼元寬度以獲得不同相位時(shí)的相關(guān),通過(guò)包絡(luò)檢測(cè)找到具有最大相關(guān)峰時(shí)的相位實(shí)現(xiàn)相位捕獲。匹配濾波器算法原理如圖6所示。

圖6 DMF原理框圖Fig.6 Block diagram of DMF

匹配濾波器算法在一個(gè)碼周期內(nèi)就可以捕獲到碼相位,實(shí)現(xiàn)快速捕獲。但是包絡(luò)檢測(cè)判決輸出會(huì)隨著多普勒頻移的增加而迅速衰減,不利于信號(hào)檢測(cè),因此匹配濾波器算法并不適用于高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景[16]。

3.2.5 快速傅里葉變換捕獲算法

快速傅里葉變換(Fast Fourier Transformation,FFT)算法,可以從信號(hào)的時(shí)域表示中獲取到信號(hào)的頻域表示,其可以將時(shí)域中卷積運(yùn)算簡(jiǎn)化為頻域中乘法運(yùn)算,也可以將捕獲中的時(shí)域相關(guān)運(yùn)算轉(zhuǎn)化成頻域相乘運(yùn)算。

FFT捕獲算法可以通過(guò)FFT算法簡(jiǎn)化捕獲過(guò)程,主要有并行頻率搜索和并行碼相位搜索兩種,可以靈活應(yīng)用在星間鏈路、饋電鏈路、用戶鏈路和測(cè)控鏈路等場(chǎng)景。

并行頻率搜索法原理如圖7所示,其首先將接收信號(hào)與本地載波混頻,去除載波,然后與本地碼發(fā)生器相關(guān),并對(duì)相關(guān)結(jié)果使用傅里葉變換,使得時(shí)域的相關(guān)轉(zhuǎn)換為頻域相乘,通過(guò)取模觀察頻譜峰值,根據(jù)頻譜峰值得到多普勒頻移,并不斷調(diào)整本地碼相位使得頻譜峰值超過(guò)門限,從而得到碼相位偏移[17-20]。

圖7 并行頻率搜索原理框圖Fig.7 Block diagram of parallel frequency search

并行碼相位搜索法原理如圖8所示,其與并行頻率搜索均在一開始利用混頻器對(duì)接收信號(hào)去除載波影響,不同的是并行碼相位搜索在此之后對(duì)該信號(hào)與本地碼發(fā)生器所產(chǎn)生的本地碼提前進(jìn)行傅里葉變換,二者分別進(jìn)行傅里葉變換之后共軛相乘,通過(guò)頻域相乘完成與時(shí)域相關(guān)一樣的效果,之后通過(guò)傅里葉反變換獲得時(shí)域結(jié)果,根據(jù)取模后峰值得到碼相位偏移,通過(guò)不斷調(diào)整載波頻率,使峰值超過(guò)門限值,此時(shí)的頻率即為多普勒頻移。

圖8 并行碼相位搜索結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure of phase search for parallel codes

可以看到,無(wú)論是哪種方法,都可以將二維的對(duì)載波頻率和碼相位的捕獲變成一維捕獲,大大降低算法復(fù)雜度,實(shí)現(xiàn)快速捕獲。

采用FFT進(jìn)行捕獲雖然可以大幅度提高捕獲效率,但會(huì)由于傅里葉變換需要大量運(yùn)算而導(dǎo)致實(shí)際實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高以及信號(hào)處理延時(shí)較大,因此也不適合實(shí)時(shí)信號(hào)處理。

3.2.6 部分匹配濾波器和快速傅里葉變換捕獲算法

部分匹配濾波器和快速傅里葉變換(Partial Matched Filter FFT,PMF-FFT)捕獲算法的實(shí)現(xiàn)流程如圖9所示[21-23]。其與匹配濾波器算法和FFT算法一致,均可以應(yīng)用在星間鏈路、饋電鏈路、用戶鏈路和測(cè)控鏈路等場(chǎng)景。

圖9 基于PMF-FFT的捕獲算法Fig.9 Acquisition algorithm based on PMF-FFT

PMF-FFT捕獲算法通過(guò)將匹配濾波與頻域并行捕獲方法有效結(jié)合,在利用二者優(yōu)勢(shì)的情況下,補(bǔ)償各自弊端,在衛(wèi)星通信接收機(jī)中得到了大規(guī)模的使用[24]。

PMF-FFT捕獲算法首先通過(guò)混頻器剝離載波,在此之后使用多個(gè)匹配濾波器代替?zhèn)鹘y(tǒng)相關(guān)器進(jìn)行相關(guān),并將I、Q路產(chǎn)生的多個(gè)輸出結(jié)果合成為復(fù)數(shù)信號(hào),對(duì)其進(jìn)行FFT運(yùn)算,檢測(cè)FFT的峰值結(jié)果,如果大于門限,則峰值頻率對(duì)應(yīng)為多普勒頻移量,相位對(duì)應(yīng)為碼相位。其使用多個(gè)匹配濾波器,相比相關(guān)器大幅減少運(yùn)算時(shí)間,并通過(guò)整體FFT變換,快速完成所有頻率的搜索,再經(jīng)由濾波器拆分,減少FFT運(yùn)算點(diǎn)數(shù),大大降低復(fù)雜度,因此最為適宜低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下的信號(hào)捕獲。

PMF-FFT捕獲算法包含以下幾個(gè)步驟:

① 將輸入信號(hào)送入多個(gè)匹配濾波器;

② 將匹配濾波的結(jié)果補(bǔ)零加窗并進(jìn)行FFT;

③ 取FFT運(yùn)算結(jié)果的最大相關(guān)值進(jìn)行輸出。

3.3 信號(hào)跟蹤技術(shù)

捕獲過(guò)程是粗略估計(jì)接收信號(hào)的多普勒頻移和碼相位偏移,分辨率稍低,又稱為粗同步。跟蹤階段,從捕獲算法得到的信號(hào)多普勒頻移和碼相位的粗略估計(jì)值出發(fā),精確估計(jì)兩個(gè)參量的值,使得本地復(fù)制信號(hào)與接收信號(hào)一致,解調(diào)出導(dǎo)航數(shù)據(jù),以便于下一個(gè)階段解算[25]。

本節(jié)介紹的鎖相環(huán)(Phase-Locked Loop,PLL)、科斯塔斯(Costas)環(huán)和基于卡爾曼濾波的跟蹤方法均可以用于星間鏈路、饋電鏈路、用戶鏈路和測(cè)控鏈路等場(chǎng)景下的信號(hào)跟蹤。

3.3.1 鎖相環(huán)

鎖相環(huán)用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的跟蹤并給出精確的載波相位測(cè)量值。鎖相環(huán)由三部分構(gòu)成,分別為:鑒相器(PD)、壓控振蕩器(VCO)和環(huán)路濾波器(LF)。

鎖相環(huán)能產(chǎn)生與輸入信號(hào)在頻率和相位上同步的輸出信號(hào)。當(dāng)鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)下,其處于同步狀態(tài),輸出信號(hào)與輸入信號(hào)頻率一致,相位誤差固定為某一常數(shù);而當(dāng)鎖相環(huán)處于失鎖狀態(tài)下,鎖相環(huán)中的VCO會(huì)根據(jù)誤差產(chǎn)生相應(yīng)控制信號(hào)來(lái)糾正輸出信號(hào)頻率與相位,從而回到鎖定狀態(tài),使得輸出信號(hào)與輸入信號(hào)完全一致。

不過(guò)鎖相環(huán)在高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下由于多普勒頻移和多普勒頻率變化率較大,因此難以穩(wěn)定跟蹤輸入信號(hào),并不能直接用于低軌衛(wèi)星場(chǎng)景。

3.3.2 Costas環(huán)

由于BPSK擴(kuò)頻后的信號(hào)頻譜不會(huì)在載波頻率處出現(xiàn)峰值,因此采用鎖相環(huán)無(wú)法提取出載波頻率,除此之外,鎖相環(huán)對(duì)180°的相位翻轉(zhuǎn)敏感,無(wú)法正常讀取BPSK數(shù)據(jù)。Costas環(huán)可以解決以上兩點(diǎn)問(wèn)題,有助于在星間鏈路、饋電鏈路、用戶鏈路和測(cè)控鏈路等場(chǎng)景下對(duì)PSK信號(hào)進(jìn)行跟蹤。

在Costas環(huán)中,VCO產(chǎn)生的載波信號(hào)分兩路與接收信號(hào)相乘進(jìn)行載波剝離,其中一路載波信號(hào)先進(jìn)行90°相移再相乘,這樣的兩路信號(hào)分別經(jīng)過(guò)低通濾波器之后相乘,抵消PSK的調(diào)制效果,獲得精確的多普勒頻移與偽碼相位。Costas環(huán)原理如圖10所示。

圖10 Costas環(huán)解調(diào)器Fig.10 Costas ring demodulator

Costas環(huán)雖然非常適用于PSK調(diào)制,但其對(duì)信號(hào)的靈敏度不如純鎖相環(huán),因此也不能直接用于低軌衛(wèi)星場(chǎng)景下的信號(hào)跟蹤過(guò)程。

3.3.3 基于卡爾曼濾波的跟蹤方法

鎖相環(huán)在高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下難以穩(wěn)定跟蹤信號(hào),可以引入卡爾曼濾波來(lái)對(duì)高動(dòng)態(tài)信號(hào)進(jìn)行持續(xù)跟蹤。

卡爾曼濾波是控制領(lǐng)域常用的估計(jì)方法,其核心原理是根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)與估計(jì)數(shù)據(jù)的相對(duì)關(guān)系,在二者間取某一中間值,這個(gè)中間值相對(duì)于測(cè)量與估計(jì)結(jié)果均更加準(zhǔn)確,且由于卡爾曼濾波具有收斂速度快、僅需上一時(shí)刻結(jié)果和計(jì)算復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用。

卡爾曼濾波具體流程如圖11所示,總結(jié)如下。

圖11 卡爾曼濾波基本流程Fig.11 Kalman filtering basic flow

① 根據(jù)預(yù)測(cè)方程與上一時(shí)刻估計(jì)結(jié)果預(yù)測(cè)此時(shí)系統(tǒng)狀態(tài);

② 根據(jù)觀測(cè)誤差、觀測(cè)矩陣與估計(jì)結(jié)果得到卡爾曼增益;

③ 依據(jù)觀測(cè)結(jié)果、預(yù)測(cè)結(jié)果與卡爾曼增益更新估計(jì)結(jié)果。

可以看到,卡爾曼濾波每次更新都會(huì)以上一次估計(jì)結(jié)果為基礎(chǔ)不斷迭代,不斷降低估計(jì)誤差,循環(huán)往復(fù),最終給出精確的估計(jì)結(jié)果。

考慮到高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景通常為非線性估計(jì),因此通常采用擴(kuò)展卡爾曼濾波與無(wú)跡卡爾曼濾波來(lái)實(shí)現(xiàn),其中無(wú)跡卡爾曼濾波對(duì)非線性的估計(jì)效果更好,也更復(fù)雜。

使用卡爾曼濾波對(duì)鎖相環(huán)進(jìn)行優(yōu)化主要有兩種方式:① 替換環(huán)路濾波器;② 引入卡爾曼濾波輔助,對(duì)鑒相器結(jié)果濾波。第一種方法原理如圖12所示,卡爾曼濾波器替換環(huán)路濾波器,使濾波后頻率更新直接應(yīng)用到振蕩器。第二種方法原理如圖13所示,將卡爾曼濾波器放置于鑒相器和環(huán)路濾波器之間。兩種方法都可以在高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下取得良好的跟蹤效果,非常適用于低軌衛(wèi)星場(chǎng)景下的信號(hào)跟蹤。

圖12 卡爾曼濾波器代替環(huán)路濾波器結(jié)構(gòu)圖Fig.12 Structure diagram of Kalman filter instead of loop filter

圖13 卡爾曼濾波器輔助PLL跟蹤結(jié)構(gòu)圖Fig.13 Structure diagram of Kalman filter assisted PLL tracking

4 未來(lái)展望

隨著低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的不斷推進(jìn),更高性能信號(hào)捕獲與跟蹤技術(shù)的重要性也會(huì)愈加凸顯。為了更好實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下的信號(hào)同步接收,未來(lái)需要開展動(dòng)態(tài)跟蹤與捕獲、捕獲與跟蹤聯(lián)合分析、波束控制與信號(hào)捕獲同步實(shí)現(xiàn)研究等。

4.1 動(dòng)態(tài)跟蹤與捕獲

通信過(guò)程中,前后傳遞信號(hào)的多普勒頻偏和碼相位存在相關(guān)性,因此利用前一階段估計(jì)結(jié)果為本次頻偏與相位同步降低搜索范圍與提供先驗(yàn)信息具有極高的價(jià)值,這種動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)僅與上一時(shí)刻估計(jì)結(jié)果有關(guān),不會(huì)為系統(tǒng)加入過(guò)多計(jì)算負(fù)擔(dān),因此具有極高的實(shí)踐意義。

4.2 捕獲與跟蹤聯(lián)合分析

現(xiàn)有大多數(shù)對(duì)信號(hào)同步的研究都是分開分析信號(hào)捕獲與信號(hào)跟蹤過(guò)程,但二者緊密相連,捕獲為跟蹤提供粗略的搜索范圍,且二者均以找到準(zhǔn)確的多普勒頻移和偽碼相位為目的,因此對(duì)這兩個(gè)過(guò)程進(jìn)行聯(lián)合分析優(yōu)化是可行且合理的。

4.3 波束控制與信號(hào)捕獲同步實(shí)現(xiàn)

一般情況下都是先通過(guò)波束控制對(duì)準(zhǔn)波束后再進(jìn)行同步,但在波束控制時(shí)便已經(jīng)接收到信號(hào),因此可以二者同步實(shí)現(xiàn),在波束控制過(guò)程中給出較為粗略的范圍,降低之后信號(hào)捕獲搜索時(shí)間,提高同步效率。

5 結(jié)論

基于未來(lái)網(wǎng)絡(luò)對(duì)通信覆蓋率、穩(wěn)定性及通導(dǎo)遙一體化等應(yīng)用的迫切需求,需要構(gòu)建低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng),真正做到網(wǎng)絡(luò)的全球、全時(shí)、全場(chǎng)景覆蓋。本文通過(guò)分析低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)信號(hào)特點(diǎn),提出高動(dòng)態(tài)下實(shí)現(xiàn)信號(hào)同步接收的諸多挑戰(zhàn),并分析不同信號(hào)捕獲、跟蹤技術(shù)的特點(diǎn)與應(yīng)用場(chǎng)景,給出現(xiàn)有實(shí)現(xiàn)波束跟蹤控制與波束捕獲的方法,就未來(lái)高動(dòng)態(tài)信號(hào)同步接收發(fā)展進(jìn)行展望。