[发明专利]一种基于预处理FFT和栅栏效应校正的捕获方法

说明书

本发明公开了一种基于预处理FFT和栅栏补偿的频率捕获方法，该方法的工作捕获概率满足深空探测需要，消除了栅栏效应导致的多普勒频率估计误差能快速辅助跟踪环路入锁，实现了模块化设计，对不同信号动态范围和捕获性能要求具有很好的适应性。深空应答机射频模块对接收载波进行下变频处理后得到零中频基带信号，先将接收信号在时域上做多支路变化率匹配，然后对各支路数据求FFT谱并检测功率谱峰值，根据全局最大值所在的多普勒频率支路和频率变化率支路得到f₀和a的估计值，工作捕获概率能够满足深空探测需要，消除了栅栏效应导致的多普勒频率估计误差能快速辅助跟踪环路入锁。实现了模块化设计，对不同信号动态范围和捕获性能要求具有很好的适应性。

技术领域

本发明涉及一种基于预处理FFT和栅栏效应校正的捕获方法，属于计算机技术领域。

背景技术

探测深空是人类拓展生存空间的先导行动。世界上深空探测的热潮已历时多年，而且近年来越来越活跃。美、欧、日的火星探测、金星探测、彗星和小行星探测不断从宇宙中获得新发现。深空探测将为开发和利用空间资源、发展空间技术、进行科学研究、探索太阳系和宇宙的起源、扩展人类的生存空间，为人类社会的长期可持续发展服务。在深空活动中，地面测控通信系统是其重要组成部分，它与空间应答机一起完成对深空探测器的跟踪、遥测、指令控制和数传。但是，在深空探测器的整个飞行过程中，需要对其测控以保证其飞行轨道的准确，而在进入探测过程以后，需要传回探测信息，所以深空测控通信系统是深空探测的唯一信息线，至关重要，比之其它测控系统其重要性更加突出。例如：一种基于快速傅里叶变换的相位判读方法201710355621.5，该专利采用快速傅里叶变换算法判读输出信号和输入信号在目标频率点的相位差，通过对采样频率、输入信号采集数据和输出信号采集数据进行合适的选取及设定，提高目标频率点的相位判读的精度。但是，该专利不能实现工作捕获概率满足深空探测需要，无法消除栅栏效应导致的多普勒频率估计误差能快速辅助跟踪环路入锁。

目前的多支路时域变化率匹配FFT模值选最大算法在信噪比为-38dB下实现了信号参数精确估计，但该算法要求匹配精度高。目前的时域匹配平均周期图算法，减弱了多普勒变化率匹配精度要求，在相同动态条件下，单次运算复杂度降低，更适用于载波粗捕获，但对所有匹配支路做全FFT运算，计算复杂度随着动态范围扩大而成比例增加，给深空探测信号的载波实时捕获带来困难。在实际工程应用中一般采用预处理FFT的算法，此外深空低信噪比高动态载波的捕获还需要解决以下问题：

1)工程应用中主要采用FFT变换对载波信号进行快速的频谱分析，找出频谱峰值完成载波捕获。但对于高动态深空探测载波，存在较大的多普勒频率变化率，在一次FFT时长内导致较大的频率走动，载波能量分散到不同频率，FFT谱峰的样式将从单一峰值点变为多峰值点，峰值点个数跨越(f₀,f₀+aT_FFT)这个区间，这使得FFT捕获算法不再满足最大似然的特性,其中f₀为载波频率，a为载波频率变化率，T_FFT为一次FFT的时间。

2)FFT变换结果是离散谱线，其频率分辨率限制了频率捕获的精度，称之为“栅栏效应”。深空通信具有极低信噪比的特点，载波粗捕获之后的高阶锁相环路的环路带宽非常窄，对FFT谱峰的栅栏效应十分敏感。为保证应答机顺利由频率捕获转入相位跟踪，算法设计时要消除栅栏效应。

3)信号捕获时将待搜索的多普勒频率范围和多普勒变化率范围划分成方格。搜索方格的大小设定需要考虑未知多普勒频率和多普勒变化率范围、信号载噪比、捕获时间和检测性能的要求。而本发明能够很好地解决上面的问题。

发明内容

本发明目的在于针对低信噪比高动态深空载波捕获问题，提出一种基于预处理FFT和栅栏补偿的频率捕获方法，该方法的工作捕获概率满足深空探测需要，消除了栅栏效应导致的多普勒频率估计误差能快速辅助跟踪环路入锁，很好地实现了模块化设计，对不同信号动态范围和捕获性能要求具有很好的适应性。