專利名稱：機(jī)群鏈路的對(duì)稱式雙程非相干測(cè)速方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)群鏈路的對(duì)稱式雙程非相干測(cè)速方法，屬于航空數(shù)據(jù)鏈、無線電導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
多普勒頻率測(cè)量是飛行器常規(guī)的測(cè)速方法，可分為單向多普勒測(cè)量、雙向相干多普勒測(cè)量、雙向非相干多普勒測(cè)量，等等。
本發(fā)明基于機(jī)群鏈路成員節(jié)點(diǎn)之間的雙程非相干通信鏈路，推導(dǎo)出對(duì)稱式雙程非相干多普勒測(cè)量算法，并給出算法的理論誤差模型以及補(bǔ)償方法。對(duì)稱式雙程非相干多普勒多普勒測(cè)量體制獲得的實(shí)時(shí)精確測(cè)速值價(jià)值非凡，包括 ①機(jī)群編隊(duì)成員之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)； ②機(jī)群編隊(duì)成員機(jī)動(dòng)時(shí)的成員之間運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)與控制、接近與碰撞預(yù)警； ③提高距離、鐘差測(cè)量精度； ④高動(dòng)態(tài)條件下的運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)和精確預(yù)報(bào)； ⑤載波相位、載波頻率、擴(kuò)頻碼相位、擴(kuò)頻碼頻率和碼邊界的精確預(yù)報(bào)； ⑥作為輔助測(cè)量信息阻尼慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)散。
多普勒測(cè)速所需的原始測(cè)量信息諸如載波整周數(shù)、載波相位、載波相位積分計(jì)數(shù)等均從解擴(kuò)/解調(diào)單元的載波跟蹤環(huán)路載波NCO計(jì)數(shù)器直接獲得。本發(fā)明集中推導(dǎo)對(duì)稱式雙程非相干多普勒測(cè)速的體制、算法、模型誤差以及相關(guān)參數(shù)的影響作用。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種機(jī)群鏈路的對(duì)稱式雙程非相干測(cè)速方法，該方法可以在機(jī)群鏈路終端機(jī)的中頻信號(hào)處理電路板上的數(shù)字信號(hào)處理器DSP和FPGA器件上實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和算法。
本發(fā)明一種機(jī)群鏈路的對(duì)稱式雙程非相干測(cè)速方法，針對(duì)機(jī)群編隊(duì)任務(wù)的自主性特點(diǎn)，構(gòu)造了基于機(jī)群鏈路成員節(jié)點(diǎn)之間的雙程非相干通信鏈路，推導(dǎo)出對(duì)稱式雙程非相干多普勒測(cè)量體制、測(cè)速算法、實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法。
這里的“對(duì)稱式”含義是對(duì)于機(jī)群編隊(duì)內(nèi)任意兩成員節(jié)點(diǎn)之間的速度測(cè)量，兩本地終端在測(cè)量過程中地位、作用、結(jié)構(gòu)原理和工作過程完全相同，均能通過非相干模式獨(dú)立獲得的本地多普勒頻移觀測(cè)值和對(duì)方多普勒頻移觀測(cè)值計(jì)算出二者相對(duì)速度。在機(jī)群鏈路的對(duì)稱式雙程非相干測(cè)速方法中，本地多普勒頻移觀測(cè)值通過機(jī)群鏈路向測(cè)距對(duì)方廣播共享。
一、機(jī)群鏈路的對(duì)稱式雙程非相干測(cè)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理 基于軟件無線電理念的發(fā)射/接收單元中頻數(shù)字化設(shè)計(jì)是目前的主流，廣泛應(yīng)用于各類調(diào)制體制的無線通信系統(tǒng)(GSM/CDMA移動(dòng)通信、數(shù)字電視廣播DVB系統(tǒng)、衛(wèi)星通信與廣播電視系統(tǒng)、正交多載波頻分通信系統(tǒng)OFDM、無線局域網(wǎng)WLAN、超寬帶通信終端UWB)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(全球定位系統(tǒng)GPS、GLONASS、GALILEO、北斗-2)、無線電導(dǎo)航系統(tǒng)(羅蘭LORAN-C/長河-2導(dǎo)航授時(shí)系統(tǒng))、飛行器跟蹤與測(cè)控通信系統(tǒng)(微波統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)USB、深空測(cè)控網(wǎng)DSN)、跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(TDRSS)、星載/彈載/機(jī)載通信測(cè)控終端(測(cè)控應(yīng)答機(jī)、數(shù)傳發(fā)射機(jī)、指令接收機(jī)、中繼通信機(jī))，等等?？梢哉f在幾乎所有的無線通信系統(tǒng)和終端中，發(fā)射與接收單元的中頻(IF)數(shù)字化已經(jīng)成為經(jīng)典設(shè)計(jì)模式。
本發(fā)明設(shè)計(jì)出的機(jī)群鏈路對(duì)稱式雙程非相干測(cè)速系統(tǒng)工作在抑制載波調(diào)制模式和直接序列偽碼擴(kuò)頻體制，采用了接收環(huán)節(jié)對(duì)接收的模擬中頻信號(hào)經(jīng)A/D器件采樣轉(zhuǎn)換數(shù)字化和發(fā)射環(huán)節(jié)將數(shù)字中頻信號(hào)經(jīng)D/A器件轉(zhuǎn)換濾波輸出模擬中頻發(fā)射信號(hào)。
二、機(jī)群編隊(duì)成員本地頻標(biāo)參數(shù)對(duì)多普勒測(cè)量的影響 本發(fā)明中，本地終端采用內(nèi)部或者外部配置的頻率綜合器提供頻率-時(shí)間基準(zhǔn)，本地終端所有的頻率基準(zhǔn)、工作時(shí)鐘均源自統(tǒng)一的頻標(biāo)，一般選擇溫補(bǔ)晶振TCXO、恒溫晶振OCXO、超穩(wěn)晶振USO，或者銣原子頻標(biāo)，達(dá)到1E-8～1E-11的短期/長期穩(wěn)定度。機(jī)載終端采用統(tǒng)一的頻標(biāo)通過PLL、DDS實(shí)現(xiàn)分頻、倍頻以及頻率綜合。
本發(fā)明解析分析了本地終端頻標(biāo)參數(shù)對(duì)本地終端發(fā)射信號(hào)、接收信號(hào)的影響，特別是建立了本地中頻數(shù)字化采樣過程和下變頻/上變頻過程中頻標(biāo)參數(shù)影響射頻發(fā)射信號(hào)、數(shù)字中頻接收信號(hào)的傳遞數(shù)學(xué)模型，從中獲得本地頻標(biāo)參數(shù)將對(duì)多普勒測(cè)量造成何種影響、如何影響、以及如何補(bǔ)償這些影響。
(一)機(jī)群鏈路終端本地頻標(biāo)參數(shù)對(duì)發(fā)射環(huán)節(jié)的傳遞模型 對(duì)于數(shù)字發(fā)射機(jī)來說，發(fā)射機(jī)的參考頻標(biāo)通過D/A器件的系統(tǒng)時(shí)鐘和上變頻兩個(gè)環(huán)節(jié)影響最終生成的射頻信號(hào)的載波相位和擴(kuò)頻偽碼相位參數(shù)指標(biāo)。對(duì)稱式雙程非相干測(cè)速系統(tǒng)的數(shù)字發(fā)射單元的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示 圖1中，由FPGA程序運(yùn)行產(chǎn)生編碼的中頻數(shù)字信號(hào)在系統(tǒng)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下輸出至D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)中頻帶通濾波器濾波后形成模擬中頻信號(hào)，與上變頻本地振蕩器混頻后，經(jīng)功率放大器、濾波器形成射頻信號(hào)通過天線向外發(fā)射。
發(fā)射機(jī)頻標(biāo)必然存在與頻率輸出標(biāo)稱值的偏差，此偏差為時(shí)間的函數(shù)。定義 ①本地頻標(biāo)輸出頻率的標(biāo)稱值frefT(Hz)為常數(shù)，實(shí)際值為頻偏因子γT(t)為時(shí)間t的函數(shù)，頻標(biāo)實(shí)際輸出相對(duì)標(biāo)稱值的頻率偏差[γT(t)-1]·frefT為時(shí)間t的函數(shù)； ②采樣頻率的標(biāo)稱值為fST＝wT·frefT(Hz)，實(shí)際值為采樣周期的標(biāo)稱值為TST＝fST-1(s)，實(shí)際值為 ③擴(kuò)頻碼時(shí)鐘頻率的標(biāo)稱值為fChipT＝xT·frefT(Hz)，實(shí)際值為 ④上變頻本振頻點(diǎn)的標(biāo)稱值為fLOT＝y(tǒng)T·frefT(Hz)，實(shí)際值為 ⑤模擬中頻輸出的中心頻點(diǎn)標(biāo)稱值為fIFT＝zT·frefT(Hz)，射頻輸出的中心頻點(diǎn)標(biāo)稱值為fRFT＝fIFT+fLOT＝(yT+zT)·frefT＝αT·frefT(Hz)。
理想情況下，發(fā)射機(jī)D/A器件以標(biāo)稱采樣頻率fST輸出數(shù)字中頻離散序列 理想情況下，數(shù)字中頻信號(hào)經(jīng)濾波、放大后輸出的模擬中頻信號(hào)為
由于D/A轉(zhuǎn)換器采樣時(shí)鐘存在偏差，實(shí)際情況下，發(fā)射機(jī)D/A器件以實(shí)際采樣頻率
輸出數(shù)字中頻離散序列 令推導(dǎo)如下 綜合公式(3)、公式(4)可得 因此， 實(shí)際情況下，數(shù)字中頻信號(hào)經(jīng)濾波、放大后輸出的模擬中頻信號(hào)為
理想情況下，上變頻本振信號(hào)為 sLOT(t)＝cos(2π·fLOT·t)(7) 實(shí)際情況下，上變頻本振信號(hào)為 由公式(2)和公式(7)得理想情況下，模擬中頻信號(hào)與上變頻本振信號(hào)混頻、濾波、放大后得到射頻輸出信號(hào)為
公式(9)中θT(t)為載波相位，
為擴(kuò)頻偽碼相位。
由公式(6)和公式(8)得實(shí)際情況下，模擬中頻信號(hào)與上變頻本振信號(hào)混頻、濾波、放大后得到射頻輸出信號(hào)為
公式(10)中
為載波相位，
為擴(kuò)頻偽碼相位。公式(10)就是本地頻標(biāo)參數(shù)對(duì)發(fā)射環(huán)節(jié)的傳遞模型，發(fā)射機(jī)實(shí)際輸出的射頻信號(hào)載波頻率為γT(t)·fRFT，擴(kuò)頻碼片頻率為γT(t)·fChipT，二者在頻標(biāo)偏移因子的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生了相同比例的頻偏。
為了更好的說明本地頻標(biāo)參數(shù)發(fā)生相對(duì)標(biāo)稱值的偏移產(chǎn)生的影響，這里引入接收機(jī)與發(fā)射機(jī)存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下，接收機(jī)射頻前端天線入口收到的信號(hào)形式
公式(11)中
為t時(shí)刻接收機(jī)收到的對(duì)方原始信號(hào)sRFT(t)，η[τ(t)]為信號(hào)空間傳播損耗，τ(t)為t時(shí)刻發(fā)射機(jī)與接收機(jī)天線相位中心的電波傳播距離時(shí)延， 令徑向速度為(與τ(t)增大的方向相反)，光速為c，λ(t)為相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻率變化因子，有 存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況下，對(duì)載波相位
和擴(kuò)頻偽碼相位
求時(shí)間t的一階導(dǎo)數(shù)，得到 公式(13)中[λ(t)-1]·fRFT為發(fā)射接收端相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的載波多普勒頻移，[λ(t)-1]·fChipT為發(fā)射接收端相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的擴(kuò)頻偽碼多普勒頻移。
對(duì)照公式(10)、公式(13)中的γT(t)·fRFT與λ(t)·fRFT、γT(t)·fChipT與λ(t)·fChipT，可以認(rèn)為本地頻標(biāo)的偏移因子對(duì)所有相關(guān)頻率產(chǎn)生線性影響，導(dǎo)致輸出的信號(hào)等效疊加了頻率偏移，而且從兩種頻移因子在傳遞函數(shù)模型中的形式來看，這種頻移與運(yùn)動(dòng)多普勒頻移等效。如果沒有先驗(yàn)信息，對(duì)于接收方來說僅僅依賴接收到的信號(hào)將無法分辨是發(fā)射方的本地頻標(biāo)存在頻偏還是收發(fā)兩者之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的多普勒頻偏。
(二)機(jī)群鏈路終端本地頻標(biāo)參數(shù)對(duì)接收環(huán)節(jié)的傳遞模型 對(duì)于數(shù)字接收機(jī)中，接收機(jī)的參考頻標(biāo)通過A/D器件的系統(tǒng)時(shí)鐘和下變頻兩個(gè)環(huán)節(jié)影響最終生成的數(shù)字中頻信號(hào)的載波相位和擴(kuò)頻偽碼相位參數(shù)指標(biāo)。接收機(jī)的結(jié)構(gòu)模型如圖2所示 圖2中，天線接收到的射頻信號(hào)經(jīng)帶通濾波器濾形后被低噪聲放大器處理，與下變頻本地振蕩器混頻后，經(jīng)中頻帶通濾波器濾波后形成模擬中頻信號(hào)，在系統(tǒng)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器采樣產(chǎn)生編碼的中頻數(shù)字信號(hào)，送入FPGA的數(shù)字信號(hào)處理程序?qū)崿F(xiàn)捕獲、跟蹤，完成解調(diào)/解擴(kuò)和信息解算。
接收機(jī)的頻標(biāo)不可能完全理想，必然存在與頻率輸出標(biāo)稱值的偏差，此偏差為時(shí)間的函數(shù)。定義 ①本地頻標(biāo)輸出頻率的標(biāo)稱值frefR(Hz)為常數(shù)，實(shí)際值為頻偏因子γR(t)為時(shí)間t的函數(shù)，頻標(biāo)實(shí)際輸出相對(duì)標(biāo)稱值的頻率偏差[γR(t)-1]·frefR為時(shí)間t的函數(shù)； ②采樣頻率的標(biāo)稱值為fSR＝wR·frefR(Hz)，實(shí)際值為采樣周期的標(biāo)稱值為TSR＝fSR-1(s)，實(shí)際值為 ③擴(kuò)頻碼時(shí)鐘頻率的標(biāo)稱值為fChipR＝xR·frefR(Hz)，實(shí)際值為 ④下變頻本振頻點(diǎn)的標(biāo)稱值為fLOR＝y(tǒng)R·frefR(Hz)，實(shí)際值為 ⑤射頻輸入的中心頻點(diǎn)標(biāo)稱值為fRFR＝αR·frefR(Hz)，模擬中頻輸出的中心頻點(diǎn)標(biāo)稱值為fIFR＝fRFR-fLOR＝(αR-yR)·frefR＝zR·frefR(Hz)。
理想情況下，接收機(jī)天線端的射頻輸入信號(hào)為
理想情況下，下變頻本振信號(hào)為 sLOR(t)＝cos(2π·fLOR·t)(15) 實(shí)際情況下，下變頻本振信號(hào)為 由公式(14)和公式(15)得理想情況下，射頻輸入信號(hào)與下變頻本振信號(hào)混頻、濾波、放大后得到理想模擬中頻信號(hào)為
由公式(14)和公式(16)得實(shí)際情況下，射頻輸入信號(hào)與下變頻本振信號(hào)混頻、濾波、放大后得到實(shí)際模擬中頻信號(hào)為
理想情況下，接收機(jī)A/D器件對(duì)模擬中頻輸入信號(hào)以標(biāo)稱采樣頻率fST進(jìn)行采樣數(shù)字化輸出的數(shù)字中頻離散序列 由于A/D轉(zhuǎn)換器采樣時(shí)鐘存在偏差，實(shí)際情況下，接收機(jī)A/D器件以實(shí)際采樣頻率
采樣模擬中頻輸入信號(hào)并輸出數(shù)字中頻離散序列
令推導(dǎo)如下
綜合公式(20)、公式(21)可得
因此，
綜合公式(18)和公式(22)，計(jì)算得到實(shí)際情況下接收機(jī)數(shù)字中頻輸出信號(hào)為
公式(23)等效的模擬中頻信號(hào)為
由公式(23)、公式(24)可見，對(duì)于數(shù)字接收機(jī)來說，本地參考頻標(biāo)的頻偏對(duì)下變頻本振沒有影響，這是由于采樣時(shí)鐘引入的比例因子γR-1(t)抵消了下變頻本振的頻偏因子γR(t)，混頻過程不影響接收信號(hào)。參考頻標(biāo)對(duì)接收信號(hào)的影響由數(shù)字采樣過程引起，可以視為在輸入的射頻載波上乘以一個(gè)比例引子γR-1(t)，與中頻頻點(diǎn)無關(guān)。類似的，擴(kuò)頻偽碼信號(hào)的碼速率也要乘以比例引子γR-1(t)。類似前面的分析，由本地頻標(biāo)的頻偏因子γR(t)通過中頻采樣過程造成等效的多普勒頻移，多普勒頻移因子γR-1(t)引起的等效載波多普勒頻移為[γR-1(t)-1]·fRFR，擴(kuò)頻偽碼等效多普勒頻移為[γR-1(t)-1]·fChipR，于真實(shí)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移無法區(qū)分。
(三)頻標(biāo)參數(shù)對(duì)多普勒測(cè)量的影響和解決方法 本發(fā)明中獲得了的一項(xiàng)重要結(jié)論兩運(yùn)動(dòng)體的本地頻標(biāo)存在相對(duì)標(biāo)稱值的頻率偏差時(shí)，這種頻率偏差將直接耦合到發(fā)射機(jī)的射頻輸出口、接收機(jī)的射頻輸入口，形成等效的多普勒頻移效應(yīng)，對(duì)發(fā)射、接收方的射頻載波頻率和擴(kuò)頻偽碼頻率造成相同比例的影響，會(huì)導(dǎo)致多普勒測(cè)量的偏差和測(cè)速誤差。
本發(fā)明利用對(duì)稱式雙程非相干多普勒測(cè)量，解決兩運(yùn)動(dòng)體之間頻標(biāo)絕對(duì)偏差、相對(duì)偏差對(duì)多普勒測(cè)量的影響。本發(fā)明在測(cè)量多普勒頻移的同時(shí)，解析地計(jì)算出參與雙程非相干測(cè)量的機(jī)群編隊(duì)兩成員節(jié)點(diǎn)的本地頻標(biāo)的準(zhǔn)確相對(duì)偏差函數(shù)，可用于實(shí)時(shí)地長期觀測(cè)雙方頻標(biāo)相對(duì)偏差參數(shù)并建立相關(guān)模型、通過算法實(shí)現(xiàn)時(shí)間基準(zhǔn)、頻率基準(zhǔn)參數(shù)的預(yù)報(bào)，本發(fā)明內(nèi)容對(duì)單程測(cè)距體制和單程多普勒測(cè)量體制的實(shí)現(xiàn)有重要意義。
三、機(jī)群鏈路的對(duì)稱式雙程非相干多普勒測(cè)速算法設(shè)計(jì) 根據(jù)公式(9)建立終端1、終端2的本地頻標(biāo)參數(shù)對(duì)發(fā)射信號(hào)的傳遞函數(shù)模型
根據(jù)公式(24)和公式(25)建立終端1、終端2的本地頻標(biāo)參數(shù)對(duì)接收信號(hào)的傳遞函數(shù)模型
這里指出，嚴(yán)格意義上公式(26)的符合電動(dòng)力學(xué)定義的形式應(yīng)為
但采用公式(26)或者公式(27)，通過對(duì)載波相位
和擴(kuò)頻偽碼相位
求時(shí)間的導(dǎo)數(shù)來計(jì)算載波多普勒頻移和擴(kuò)頻偽碼多普勒頻移的結(jié)果是相同的。
綜合公式(26)(或者公式(27))和公式(7)得到終端1、終端2在t時(shí)刻得到的本地載波多普勒頻移量理論值分別為fd1(t)、fd2(t) 定義 ①終端1本地測(cè)得多普勒頻移因子理論值為終端2本地測(cè)得多普勒頻移因子理論值為 ②終端2的頻標(biāo)相對(duì)終端1的頻標(biāo)的相對(duì)頻偏因子為γ12(t)＝γ1-1(t)·γ2(t)，終端1的頻標(biāo)相對(duì)終端2的頻標(biāo)的相對(duì)頻偏因子為γ21(t)＝γ2-1(t)·γ1(t)＝γ12-1(t)，反映兩頻標(biāo)相對(duì)頻率偏移，也是時(shí)間t的函數(shù)。
相對(duì)頻偏因子γ12(t)、γ21(t)這個(gè)物理量很重要，因?yàn)闄C(jī)群編隊(duì)成員節(jié)點(diǎn)之間往往要求相對(duì)時(shí)間-頻率參數(shù)保持高精度一致，甚至要求完全同步，但并不需要和系統(tǒng)外時(shí)間-頻率基準(zhǔn)完全一致，允許偏差在一定范圍內(nèi)即可。因此，N架飛機(jī)編隊(duì)機(jī)群(i＝1，2，3，.....，N)一般選擇機(jī)群編隊(duì)網(wǎng)內(nèi)某架飛機(jī)(i＝1)的時(shí)間-頻率基準(zhǔn)作為基準(zhǔn)參考量，其他飛機(jī)都以此為標(biāo)稱值。此時(shí)，獲得相對(duì)參考基準(zhǔn)頻標(biāo)的相對(duì)頻偏因子γi1(t)很有價(jià)值。
公式(28)變換得 公式(29)就是對(duì)稱式雙程非相干多普勒測(cè)速的理論公式，形式簡(jiǎn)潔。如果終端1和終端2同時(shí)獲得測(cè)量結(jié)果，利用異步通信鏈路向?qū)Ψ桨l(fā)送本地測(cè)量結(jié)果，則有 也可以采用對(duì)數(shù)變換形式避免乘法、除法和開根號(hào)運(yùn)算簡(jiǎn)化計(jì)算，形式如下 再將計(jì)算結(jié)果通過指數(shù)變換返回所需結(jié)果。此形式與雙程異步測(cè)距體制計(jì)算公式非常相似，反映出了物理數(shù)學(xué)過程的統(tǒng)一性和完美性。
利用公式(31)和公式(12)計(jì)算出兩終端相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為 v(t)＝c·[λ(t)-1](32) 若機(jī)群編隊(duì)網(wǎng)以成員終端1本地頻標(biāo)為時(shí)間-頻率參考基準(zhǔn)，則終端2(其他類推)本地頻標(biāo)實(shí)際值相對(duì)終端1本地頻標(biāo)的頻率漂移量為 公式(33)中fref1、fref2分別為終端1、終端2本地頻標(biāo)的標(biāo)稱值。
四、對(duì)稱式雙程非相干多普勒測(cè)速的模型誤差分析 一般接收環(huán)節(jié)的載波跟蹤環(huán)路存在動(dòng)態(tài)跟蹤誤差，大小、范圍與信號(hào)動(dòng)態(tài)關(guān)系很大，諸如相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒動(dòng)態(tài)和遠(yuǎn)近效應(yīng)、天線波束指向、干擾條件等引起的接收信號(hào)動(dòng)態(tài)(載噪比C/N0、信噪比S/N變化)，也跟接收環(huán)節(jié)載波跟蹤環(huán)路的單元設(shè)計(jì)關(guān)系很大，諸如鑒頻/鑒相器設(shè)計(jì)、環(huán)路結(jié)構(gòu)、環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)的參數(shù)(如自動(dòng)頻率跟蹤鎖頻環(huán)FLL、PLL的階數(shù)、環(huán)路跟蹤帶寬和噪聲等效帶寬)選擇關(guān)系很大，這些將直接決定載波頻率/相位跟蹤的精度。因此，實(shí)際載波跟蹤環(huán)NCO輸出的載波相位和載波頻率存在跟蹤誤差，實(shí)際從載波跟蹤環(huán)NCO獲得載波頻率計(jì)算出的多普勒頻偏測(cè)量值存在偏差 公式(34)中fd1(t)、fd2(t)分別為終端1、終端2在t時(shí)刻得到的本地載波多普勒頻移量理論值，
分別為終端1、終端2在t時(shí)刻實(shí)際測(cè)量獲得的多普勒頻移量實(shí)際值，Δfd1(t)、Δfd2(t)分別為終端1、終端2接收環(huán)節(jié)中載波跟蹤環(huán)路在t時(shí)刻的載波頻率跟蹤誤差。因此，公式(34)更精確的描述為如下形式 定義終端1、終端2本地測(cè)得多普勒頻移因子實(shí)際值為 令 一般情況，在兩終端獲得的測(cè)量時(shí)刻不完全同時(shí)(存在采樣時(shí)間間隔Δt＝t2-t1)，同時(shí)綜合公式(33)～公式(37)，此時(shí)多普勒測(cè)量方程公式(30)改寫為 公式(38)是雙程非相干多普勒測(cè)速的實(shí)用公式。從公式(35)～公式(38)得出雙程非相干多普勒測(cè)量體制的以下命題 ①測(cè)量結(jié)果與兩終端本地頻標(biāo)的絕對(duì)準(zhǔn)確度、絕對(duì)穩(wěn)定度參數(shù)無關(guān)； ②測(cè)量結(jié)果與兩終端本地發(fā)射環(huán)節(jié)的中頻頻點(diǎn)、輸出數(shù)字中頻信號(hào)的采樣率、調(diào)制/解擴(kuò)方式、發(fā)射環(huán)節(jié)的上變頻本振頻點(diǎn)無關(guān)； ③測(cè)量結(jié)果與兩終端本地接收環(huán)節(jié)的模擬中頻數(shù)字采樣率、解調(diào)/解擴(kuò)方式、接收環(huán)節(jié)的下變頻本振頻點(diǎn)無關(guān)； ④測(cè)量結(jié)果與兩運(yùn)動(dòng)體徑向相對(duì)速度相關(guān)； ⑤測(cè)量結(jié)果與兩終端本地頻標(biāo)的相對(duì)準(zhǔn)確度、相對(duì)穩(wěn)定度參數(shù)相關(guān)。
根據(jù)公式(38)，導(dǎo)致雙程異步多普勒測(cè)量體制產(chǎn)生理論測(cè)量誤差(模型誤差)的因素包括 ①兩地測(cè)量值提取時(shí)刻不一致，兩地存在采樣時(shí)間間隔Δt＝t2-t1是引起理論測(cè)量誤差的首要因素； ②在采樣時(shí)間間隔Δt＝t2-t1內(nèi)，兩計(jì)算量λ(t)和γ21(t)發(fā)生變化的范圍大小是引起理論測(cè)量誤差的重要因素； ③兩終端本地接收環(huán)節(jié)的載波跟蹤環(huán)路頻率跟蹤誤差將引起理論測(cè)量誤差。
(一)相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的理論測(cè)量誤差分析與補(bǔ)償方法 根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)和電磁波傳播理論得 公式(39)中a(t)為兩運(yùn)動(dòng)體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)加速度，即相對(duì)速度的一階導(dǎo)數(shù)，反映相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化劇烈程度的物理量。令則有 |Δλ|≤η·Δt(40) 公式(40)中動(dòng)態(tài)孔徑因子η反映了相對(duì)加速度引起的采樣時(shí)間間隔Δt＝t2-t1內(nèi)的孔徑抖動(dòng)程度，而Δt越大、η越大，這種孔徑模糊越大，二者是積累關(guān)系。補(bǔ)償相對(duì)加速度引起孔徑模糊的影響，可采用兩種方法同步化采樣保證Δt極小化；測(cè)定a(t)和Δt。同步化采樣更方便、容易，通過測(cè)量出兩終端同步誤差，即可通過時(shí)間同步過程保證Δt小于同步誤差，或者直接同步化采樣點(diǎn)保證Δt小于鐘差(時(shí)間同步誤差)測(cè)量誤差。
(二)頻標(biāo)漂移引起的理論測(cè)量誤差分析與補(bǔ)償方法 根據(jù)頻率源(如原子頻標(biāo)、晶體頻標(biāo))的時(shí)間-頻率參數(shù)建模理論，選定某一頻標(biāo)輸出為參考頻率基準(zhǔn)，被測(cè)頻標(biāo)實(shí)際頻率輸出相對(duì)于標(biāo)稱值(由參考頻率基準(zhǔn)定義)的頻率偏移參數(shù)可建立如下模型 公式(41)中Δf0反映被測(cè)頻標(biāo)相對(duì)參考基準(zhǔn)頻標(biāo)的頻率準(zhǔn)確度，Δf1(t)反映被測(cè)頻標(biāo)相對(duì)參考基準(zhǔn)頻標(biāo)的時(shí)間穩(wěn)定度(頻率漂移)一階因子，Δf2(t)反映被測(cè)頻標(biāo)相對(duì)參考基準(zhǔn)頻標(biāo)的時(shí)間穩(wěn)定度(頻率漂移)二階因子，N(t)為零均值隨機(jī)抖動(dòng)(對(duì)于原子頻標(biāo)，N(t)為頻域上符合冪譜率的隨機(jī)過程，時(shí)域上表現(xiàn)為Allen方差)。這些參數(shù)就是反映頻標(biāo)性能的技術(shù)指標(biāo)。根據(jù)公式(33)給出的頻偏因子定義 對(duì)于本地頻標(biāo)2，以對(duì)方本地頻標(biāo)1為參考基準(zhǔn)頻標(biāo)，則有 公式(43)中，令則有 |Δγ|≤μ1·Δt+μ2·(Δt)2+σN(44) 對(duì)于原子頻標(biāo)、TCXO頻標(biāo)、OCXO頻標(biāo)、USO頻標(biāo)等，μ1、μ2、σN都是與頻率源短期穩(wěn)定度(相位噪聲)、長期穩(wěn)定度等性能指標(biāo)相關(guān)的微小量(在1E-8～1E-11量級(jí))，與頻標(biāo)規(guī)格等級(jí)相關(guān)。在采樣時(shí)間間隔Δt＝t2-t1＜10s時(shí)，由于環(huán)境變化微弱(溫度、磁場(chǎng)、電磁環(huán)境、振動(dòng)等等)這些因子幾乎保持不變。
μ1、μ2反映了頻標(biāo)漂移引起的采樣時(shí)間間隔Δt＝t2-t1內(nèi)的孔徑抖動(dòng)程度，而Δt越大、η越大，這種孔徑模糊越大，二者是積累關(guān)系。σN是與Δt無關(guān)的零均值隨機(jī)噪聲方差參數(shù)。
因此，類似前面對(duì)Δλ的補(bǔ)償策略，可采用兩種方法同步化采樣保證Δt極小化測(cè)定Δf1(t)、Δf2(t)和Δt。具體過程不再贅述。
(三)頻率跟蹤誤差引起的理論測(cè)量誤差分析與補(bǔ)償方法 方便討論，假定Δt＝t2-t1＝0。
實(shí)測(cè)值計(jì)算結(jié)果為 理論值計(jì)算結(jié)果為 測(cè)量誤差為 根據(jù)公式(37)，令 從前面敘述可知λ(t)、γ21、λ1(t)、λ2(t)、
非常接近“1”，|λ(t)-1|＜1E-5、|γ21-1|＜1E-5、|λ1(t)-1|＜1E-5、|λ2(t)-1|＜1E-5、因此 可見，ε對(duì)δλ(t)、δγ21(t)影響因素機(jī)理相同，呈線性關(guān)系。以速度計(jì)算為例，定義相對(duì)速度計(jì)算誤差為δv(t)，則 |δv(t)|≈c·ε(51) 因此，ε是引起測(cè)速誤差(對(duì)于δγ21(t)同理)的重要因素，特別是它由數(shù)字接收機(jī)載波跟蹤環(huán)路的性能和射頻頻點(diǎn)fRF1、fRF2決定。
本發(fā)明一種機(jī)群鏈路的對(duì)稱式雙程非相干測(cè)速方法，其優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明方法克服了傳統(tǒng)相干轉(zhuǎn)發(fā)測(cè)速的缺陷，并提供一種測(cè)速雙方均能平等獲得測(cè)量結(jié)果的測(cè)速方案。本發(fā)明公開的方法能夠廣泛應(yīng)用于基于抑制載波調(diào)制直接序列擴(kuò)頻體制的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)、測(cè)距系統(tǒng)、通信/測(cè)距功能綜合化系統(tǒng)。
圖1對(duì)稱式雙程非相干測(cè)速系統(tǒng)的數(shù)字發(fā)射單元模型 圖2對(duì)稱式雙程非相干測(cè)速系統(tǒng)的中頻采樣數(shù)字接收機(jī)模型
具體實(shí)施例方式 一種機(jī)群鏈路的對(duì)稱式雙程非相干測(cè)速方法，該方法可以在機(jī)群鏈路終端機(jī)的中頻信號(hào)處理電路板上的數(shù)字信號(hào)處理器DSP和FPGA器件上實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和算法。
本發(fā)明一種機(jī)群鏈路的對(duì)稱式雙程非相干測(cè)速方法，針對(duì)機(jī)群編隊(duì)任務(wù)的自主性特點(diǎn)，構(gòu)造了基于機(jī)群鏈路成員節(jié)點(diǎn)之間的雙程非相干通信鏈路，推導(dǎo)出對(duì)稱式雙程非相干多普勒測(cè)量體制、測(cè)速算法、實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法。
這里的“對(duì)稱式”含義是對(duì)于機(jī)群編隊(duì)內(nèi)任意兩成員節(jié)點(diǎn)之間的速度測(cè)量，兩本地終端在測(cè)量過程中地位、作用、結(jié)構(gòu)原理和工作過程完全相同，均能通過非相干模式獨(dú)立獲得的本地多普勒頻移觀測(cè)值和對(duì)方多普勒頻移觀測(cè)值計(jì)算出二者相對(duì)速度。在機(jī)群鏈路的對(duì)稱式雙程非相干測(cè)速方法中，本地多普勒頻移觀測(cè)值通過機(jī)群鏈路向測(cè)距對(duì)方廣播共享。
一、機(jī)群鏈路的對(duì)稱式雙程非相干測(cè)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理 基于軟件無線電理念的發(fā)射/接收單元中頻數(shù)字化設(shè)計(jì)是目前的主流，廣泛應(yīng)用于各類調(diào)制體制的無線通信系統(tǒng)(GSM/CDMA移動(dòng)通信、數(shù)字電視廣播DVB系統(tǒng)、衛(wèi)星通信與廣播電視系統(tǒng)、正交多載波頻分通信系統(tǒng)OFDM、無線局域網(wǎng)WLAN、超寬帶通信終端UWB)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(全球定位系統(tǒng)GPS、GLONASS、GALILEO、北斗-2)、無線電導(dǎo)航系統(tǒng)(羅蘭LORAN-C/長河-2導(dǎo)航授時(shí)系統(tǒng))、飛行器跟蹤與測(cè)控通信系統(tǒng)(微波統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)USB、深空測(cè)控網(wǎng)DSN)、跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(TDRSS)、星載/彈載/機(jī)載通信測(cè)控終端(測(cè)控應(yīng)答機(jī)、數(shù)傳發(fā)射機(jī)、指令接收機(jī)、中繼通信機(jī))，等等?？梢哉f在幾乎所有的無線通信系統(tǒng)和終端中，發(fā)射與接收單元的中頻(IF)數(shù)字化已經(jīng)成為經(jīng)典設(shè)計(jì)模式。
本發(fā)明設(shè)計(jì)出的機(jī)群鏈路對(duì)稱式雙程非相干測(cè)速系統(tǒng)工作在抑制載波調(diào)制模式和直接序列偽碼擴(kuò)頻體制，采用了接收環(huán)節(jié)對(duì)接收的模擬中頻信號(hào)經(jīng)A/D器件采樣轉(zhuǎn)換數(shù)字化和發(fā)射環(huán)節(jié)將數(shù)字中頻信號(hào)經(jīng)D/A器件轉(zhuǎn)換濾波輸出模擬中頻發(fā)射信號(hào)。
二、機(jī)群編隊(duì)成員本地頻標(biāo)參數(shù)對(duì)多普勒測(cè)量的影響 本發(fā)明中，本地終端采用內(nèi)部或者外部配置的頻率綜合器提供頻率-時(shí)間基準(zhǔn)，本地終端所有的頻率基準(zhǔn)、工作時(shí)鐘均源自統(tǒng)一的頻標(biāo)，一般選擇溫補(bǔ)晶振TCXO、恒溫晶振OCXO、超穩(wěn)晶振USO，或者銣原子頻標(biāo)，達(dá)到1E-8～1E-11的短期/長期穩(wěn)定度。機(jī)載終端采用統(tǒng)一的頻標(biāo)通過PLL、DDS實(shí)現(xiàn)分頻、倍頻以及頻率綜合。
本發(fā)明解析分析了本地終端頻標(biāo)參數(shù)對(duì)本地終端發(fā)射信號(hào)、接收信號(hào)的影響，特別是建立了本地中頻數(shù)字化采樣過程和下變頻/上變頻過程中頻標(biāo)參數(shù)影響射頻發(fā)射信號(hào)、數(shù)字中頻接收信號(hào)的傳遞數(shù)學(xué)模型，從中獲得本地頻標(biāo)參數(shù)將對(duì)多普勒測(cè)量造成何種影響、如何影響、以及如何補(bǔ)償這些影響。
(一)機(jī)群鏈路終端本地頻標(biāo)參數(shù)對(duì)發(fā)射環(huán)節(jié)的傳遞模型 對(duì)于數(shù)字發(fā)射機(jī)來說，發(fā)射機(jī)的參考頻標(biāo)通過D/A器件的系統(tǒng)時(shí)鐘和上變頻兩個(gè)環(huán)節(jié)影響最終生成的射頻信號(hào)的載波相位和擴(kuò)頻偽碼相位參數(shù)指標(biāo)。對(duì)稱式雙程非相干測(cè)速系統(tǒng)的數(shù)字發(fā)射單元的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示 圖1中，由FPGA程序運(yùn)行產(chǎn)生編碼的中頻數(shù)字信號(hào)在系統(tǒng)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下輸出至D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)中頻帶通濾波器濾波后形成模擬中頻信號(hào)，與上變頻本地振蕩器混頻后，經(jīng)功率放大器、濾波器形成射頻信號(hào)通過天線向外發(fā)射。
發(fā)射機(jī)頻標(biāo)必然存在與頻率輸出標(biāo)稱值的偏差，此偏差為時(shí)間的函數(shù)。定義 ①本地頻標(biāo)輸出頻率的標(biāo)稱值frefT(Hz)為常數(shù)，實(shí)際值為頻偏因子γT(t)為時(shí)間t的函數(shù)，頻標(biāo)實(shí)際輸出相對(duì)標(biāo)稱值的頻率偏差[γT(t)-1]·frefT為時(shí)間t的函數(shù)； ②采樣頻率的標(biāo)稱值為fST＝wT·frefT(Hz)，實(shí)際值為采樣周期的標(biāo)稱值為TST＝fST-1(s)，實(shí)際值為 ③擴(kuò)頻碼時(shí)鐘頻率的標(biāo)稱值為fChipT＝xT·frefT(Hz)，實(shí)際值為 ④上變頻本振頻點(diǎn)的標(biāo)稱值為fLOT＝y(tǒng)T·frefT(Hz)，實(shí)際值為 ⑤模擬中頻輸出的中心頻點(diǎn)標(biāo)稱值為fIFT＝zT·frefT(Hz)，射頻輸出的中心頻點(diǎn)標(biāo)稱值為fRFT＝fIFT+fLOT＝(yT+zT)·frefT＝αT·frefT(Hz)。
理想情況下，發(fā)射機(jī)D/A器件以標(biāo)稱采樣頻率fST輸出數(shù)字中頻離散序列 理想情況下，數(shù)字中頻信號(hào)經(jīng)濾波、放大后輸出的模擬中頻信號(hào)為
由于D/A轉(zhuǎn)換器采樣時(shí)鐘存在偏差，實(shí)際情況下，發(fā)射機(jī)D/A器件以實(shí)際采樣頻率
輸出數(shù)字中頻離散序列 令推導(dǎo)如下 綜合公式(3)、公式(4)可得 因此， 實(shí)際情況下，數(shù)字中頻信號(hào)經(jīng)濾波、放大后輸出的模擬中頻信號(hào)為
理想情況下，上變頻本振信號(hào)為 sLOT(t)＝cos(2π·fLOT·t)(7) 實(shí)際情況下，上變頻本振信號(hào)為 由公式(2)和公式(7)得理想情況下，模擬中頻信號(hào)與上變頻本振信號(hào)混頻、濾波、放大后得到射頻輸出信號(hào)為
公式(9)中θT(t)為載波相位，φT(t)為擴(kuò)頻偽碼相位。
由公式(6)和公式(8)得實(shí)際情況下，模擬中頻信號(hào)與上變頻本振信號(hào)混頻、濾波、放大后得到射頻輸出信號(hào)為
公式(10)中
為載波相位，
為擴(kuò)頻偽碼相位。公式(10)就是本地頻標(biāo)參數(shù)對(duì)發(fā)射環(huán)節(jié)的傳遞模型，發(fā)射機(jī)實(shí)際輸出的射頻信號(hào)載波頻率為γT(t)·fRFT，擴(kuò)頻碼片頻率為γT(t)·fChipT，二者在頻標(biāo)偏移因子的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生了相同比例的頻偏。
為了更好的說明本地頻標(biāo)參數(shù)發(fā)生相對(duì)標(biāo)稱值的偏移產(chǎn)生的影響，這里引入接收機(jī)與發(fā)射機(jī)存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下，接收機(jī)射頻前端天線入口收到的信號(hào)形式
公式(11)中
為t時(shí)刻接收機(jī)收到的對(duì)方原始信號(hào)sRFT(t)，η[τ(t)]為信號(hào)空間傳播損耗，τ(t)為t時(shí)刻發(fā)射機(jī)與接收機(jī)天線相位中心的電波傳播距離時(shí)延， 令徑向速度為(與τ(t)增大的方向相反)，光速為c，λ(t)為相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻率變化因子，有 存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況下，對(duì)載波相位
和擴(kuò)頻偽碼相位
求時(shí)間t的一階導(dǎo)數(shù)，得到 公式(13)中[λ(t)-1]·fRFT為發(fā)射接收端相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的載波多普勒頻移，[λ(t)-1]·fChipT為發(fā)射接收端相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的擴(kuò)頻偽碼多普勒頻移。
對(duì)照公式(10)、公式(13)中的γT(t)·fRFT與λ(t)·fRFT、γT(t)·fChipT與λ(t)·fChipT，可以認(rèn)為本地頻標(biāo)的偏移因子對(duì)所有相關(guān)頻率產(chǎn)生線性影響，導(dǎo)致輸出的信號(hào)等效疊加了頻率偏移，而且從兩種頻移因子在傳遞函數(shù)模型中的形式來看，這種頻移與運(yùn)動(dòng)多普勒頻移等效。如果沒有先驗(yàn)信息，對(duì)于接收方來說僅僅依賴接收到的信號(hào)將無法分辨是發(fā)射方的本地頻標(biāo)存在頻偏還是收發(fā)兩者之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的多普勒頻偏。
(二)機(jī)群鏈路終端本地頻標(biāo)參數(shù)對(duì)接收環(huán)節(jié)的傳遞模型 對(duì)于數(shù)字接收機(jī)中，接收機(jī)的參考頻標(biāo)通過A/D器件的系統(tǒng)時(shí)鐘和下變頻兩個(gè)環(huán)節(jié)影響最終生成的數(shù)字中頻信號(hào)的載波相位和擴(kuò)頻偽碼相位參數(shù)指標(biāo)。接收機(jī)的結(jié)構(gòu)模型如圖2所示 圖2中，天線接收到的射頻信號(hào)經(jīng)帶通濾波器濾形后被低噪聲放大器處理，與下變頻本地振蕩器混頻后，經(jīng)中頻帶通濾波器濾波后形成模擬中頻信號(hào)，在系統(tǒng)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器采樣產(chǎn)生編碼的中頻數(shù)字信號(hào)，送入FPGA的數(shù)字信號(hào)處理程序?qū)崿F(xiàn)捕獲、跟蹤，完成解調(diào)/解擴(kuò)和信息解算。
接收機(jī)的頻標(biāo)不可能完全理想，必然存在與頻率輸出標(biāo)稱值的偏差，此偏差為時(shí)間的函數(shù)。定義 ①本地頻標(biāo)輸出頻率的標(biāo)稱值frefR(Hz)為常數(shù)，實(shí)際值為頻偏因子γR(t)為時(shí)間t的函數(shù)，頻標(biāo)實(shí)際輸出相對(duì)標(biāo)稱值的頻率偏差[γR(t)-1]·frefR為時(shí)間t的函數(shù)； ②采樣頻率的標(biāo)稱值為fSR＝wR·frefR(Hz)，實(shí)際值為采樣周期的標(biāo)稱值為TSR＝fSR-1(s)，實(shí)際值為 ③擴(kuò)頻碼時(shí)鐘頻率的標(biāo)稱值為fChipR＝xR·frefR(Hz)，實(shí)際值為 ④下變頻本振頻點(diǎn)的標(biāo)稱值為fLOR＝y(tǒng)R·frefR(Hz)，實(shí)際值為 ⑤射頻輸入的中心頻點(diǎn)標(biāo)稱值為fRFR＝αR·frefR(Hz)，模擬中頻輸出的中心頻點(diǎn)標(biāo)稱值為fIFR＝fRFR-fLOR＝(αR-yR)·frefR＝zR·frefR(Hz)。
理想情況下，接收機(jī)天線端的射頻輸入信號(hào)為
理想情況下，下變頻本振信號(hào)為 sLOR(t)＝cos(2π·fLOR·t)(15) 實(shí)際情況下，下變頻本振信號(hào)為 由公式(14)和公式(15)得理想情況下，射頻輸入信號(hào)與下變頻本振信號(hào)混頻、濾波、放大后得到理想模擬中頻信號(hào)為
由公式(14)和公式(16)得實(shí)際情況下，射頻輸入信號(hào)與下變頻本振信號(hào)混頻、濾波、放大后得到實(shí)際模擬中頻信號(hào)為
理想情況下，接收機(jī)A/D器件對(duì)模擬中頻輸入信號(hào)以標(biāo)稱采樣頻率fST進(jìn)行采樣數(shù)字化輸出的數(shù)字中頻離散序列 由于A/D轉(zhuǎn)換器采樣時(shí)鐘存在偏差，實(shí)際情況下，接收機(jī)A/D器件以實(shí)際采樣頻率
采樣模擬中頻輸入信號(hào)并輸出數(shù)字中頻離散序列
令推導(dǎo)如下
綜合公式(20)、公式(21)可得
因此，
綜合公式(18)和公式(22)，計(jì)算得到實(shí)際情況下接收機(jī)數(shù)字中頻輸出信號(hào)為
公式(23)等效的模擬中頻信號(hào)為
由公式(23)、公式(24)可見，對(duì)于數(shù)字接收機(jī)來說，本地參考頻標(biāo)的頻偏對(duì)下變頻本振沒有影響，這是由于采樣時(shí)鐘引入的比例因子γR-1(t)抵消了下變頻本振的頻偏因子γR(t)，混頻過程不影響接收信號(hào)。參考頻標(biāo)對(duì)接收信號(hào)的影響由數(shù)字采樣過程引起，可以視為在輸入的射頻載波上乘以一個(gè)比例引子γR-1(t)，與中頻頻點(diǎn)無關(guān)。類似的，擴(kuò)頻偽碼信號(hào)的碼速率也要乘以比例引子γR-1(t)。類似前面的分析，由本地頻標(biāo)的頻偏因子γR(t)通過中頻采樣過程造成等效的多普勒頻移，多普勒頻移因子γR-1(t)引起的等效載波多普勒頻移為[γR-1(t)-1]·fRFR，擴(kuò)頻偽碼等效多普勒頻移為[γR-1(t)-1]·fChipR，于真實(shí)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移無法區(qū)分。
(三)頻標(biāo)參數(shù)對(duì)多普勒測(cè)量的影響和解決方法 本發(fā)明中獲得了的一項(xiàng)重要結(jié)論兩運(yùn)動(dòng)體的本地頻標(biāo)存在相對(duì)標(biāo)稱值的頻率偏差時(shí)，這種頻率偏差將直接耦合到發(fā)射機(jī)的射頻輸出口、接收機(jī)的射頻輸入口，形成等效的多普勒頻移效應(yīng)，對(duì)發(fā)射、接收方的射頻載波頻率和擴(kuò)頻偽碼頻率造成相同比例的影響，會(huì)導(dǎo)致多普勒測(cè)量的偏差和測(cè)速誤差。
本發(fā)明利用對(duì)稱式雙程非相干多普勒測(cè)量，解決兩運(yùn)動(dòng)體之間頻標(biāo)絕對(duì)偏差、相對(duì)偏差對(duì)多普勒測(cè)量的影響。本發(fā)明在測(cè)量多普勒頻移的同時(shí)，解析地計(jì)算出參與雙程非相干測(cè)量的機(jī)群編隊(duì)兩成員節(jié)點(diǎn)的本地頻標(biāo)的準(zhǔn)確相對(duì)偏差函數(shù)，可用于實(shí)時(shí)地長期觀測(cè)雙方頻標(biāo)相對(duì)偏差參數(shù)并建立相關(guān)模型、通過算法實(shí)現(xiàn)時(shí)間基準(zhǔn)、頻率基準(zhǔn)參數(shù)的預(yù)報(bào)，本發(fā)明內(nèi)容對(duì)單程測(cè)距體制和單程多普勒測(cè)量體制的實(shí)現(xiàn)有重要意義。
三、機(jī)群鏈路的對(duì)稱式雙程非相干多普勒測(cè)速算法設(shè)計(jì) 根據(jù)公式(9)建立終端1、終端2的本地頻標(biāo)參數(shù)對(duì)發(fā)射信號(hào)的傳遞函數(shù)模型
根據(jù)公式(24)和公式(25)建立終端1、終端2的本地頻標(biāo)參數(shù)對(duì)接收信號(hào)的傳遞函數(shù)模型
這里指出，嚴(yán)格意義上公式(26)的符合電動(dòng)力學(xué)定義的形式應(yīng)為
但采用公式(26)或者公式(27)，通過對(duì)載波相位
和擴(kuò)頻偽碼相位
求時(shí)間的導(dǎo)數(shù)來計(jì)算載波多普勒頻移和擴(kuò)頻偽碼多普勒頻移的結(jié)果是相同的。
綜合公式(26)(或者公式(27))和公式(7)得到終端1、終端2在t時(shí)刻得到的本地載波多普勒頻移量理論值分別為fd1(t)、fd2(t) 定義 ①終端1本地測(cè)得多普勒頻移因子理論值為終端2本地測(cè)得多普勒頻移因子理論值為 ②終端2的頻標(biāo)相對(duì)終端1的頻標(biāo)的相對(duì)頻偏因子為γ12(t)＝γ1-1(t)·γ2(t)，終端1的頻標(biāo)相對(duì)終端2的頻標(biāo)的相對(duì)頻偏因子為γ21(t)＝γ2-1(t)·γ1(t)＝γ12-1(t)，反映兩頻標(biāo)相對(duì)頻率偏移，也是時(shí)間t的函數(shù)。
相對(duì)頻偏因子γ12(t)、γ21(t)這個(gè)物理量很重要，因?yàn)闄C(jī)群編隊(duì)成員節(jié)點(diǎn)之間往往要求相對(duì)時(shí)間-頻率參數(shù)保持高精度一致，甚至要求完全同步，但并不需要和系統(tǒng)外時(shí)間-頻率基準(zhǔn)完全一致，允許偏差在一定范圍內(nèi)即可。因此，N架飛機(jī)編隊(duì)機(jī)群(i＝1，2，3，.....，N)一般選擇機(jī)群編隊(duì)網(wǎng)內(nèi)某架飛機(jī)(i＝1)的時(shí)間-頻率基準(zhǔn)作為基準(zhǔn)參考量，其他飛機(jī)都以此為標(biāo)稱值。此時(shí)，獲得相對(duì)參考基準(zhǔn)頻標(biāo)的相對(duì)頻偏因子γi1(t)很有價(jià)值。
公式(28)變換得 公式(29)就是對(duì)稱式雙程非相干多普勒測(cè)速的理論公式，形式簡(jiǎn)潔。如果終端1和終端2同時(shí)獲得測(cè)量結(jié)果，利用異步通信鏈路向?qū)Ψ桨l(fā)送本地測(cè)量結(jié)果，則有 也可以采用對(duì)數(shù)變換形式避免乘法、除法和開根號(hào)運(yùn)算簡(jiǎn)化計(jì)算，形式如下 再將計(jì)算結(jié)果通過指數(shù)變換返回所需結(jié)果。此形式與雙程異步測(cè)距體制計(jì)算公式非常相似，反映出了物理數(shù)學(xué)過程的統(tǒng)一性和完美性。
利用公式(31)和公式(12)計(jì)算出兩終端相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為 v(t)＝c·[λ(t)-1](32) 若機(jī)群編隊(duì)網(wǎng)以成員終端1本地頻標(biāo)為時(shí)間-頻率參考基準(zhǔn)，則終端2(其他類推)本地頻標(biāo)實(shí)際值相對(duì)終端1本地頻標(biāo)的頻率漂移量為 公式(33)中fref1、fref2分別為終端1、終端2本地頻標(biāo)的標(biāo)稱值。
四、對(duì)稱式雙程非相干多普勒測(cè)速的模型誤差分析 一般接收環(huán)節(jié)的載波跟蹤環(huán)路存在動(dòng)態(tài)跟蹤誤差，大小、范圍與信號(hào)動(dòng)態(tài)關(guān)系很大，諸如相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒動(dòng)態(tài)和遠(yuǎn)近效應(yīng)、天線波束指向、干擾條件等引起的接收信號(hào)動(dòng)態(tài)(載噪比C/N0、信噪比S/N變化)，也跟接收環(huán)節(jié)載波跟蹤環(huán)路的單元設(shè)計(jì)關(guān)系很大，諸如鑒頻/鑒相器設(shè)計(jì)、環(huán)路結(jié)構(gòu)、環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)的參數(shù)(如自動(dòng)頻率跟蹤鎖頻環(huán)FLL、PLL的階數(shù)、環(huán)路跟蹤帶寬和噪聲等效帶寬)選擇關(guān)系很大，這些將直接決定載波頻率/相位跟蹤的精度。因此，實(shí)際載波跟蹤環(huán)NCO輸出的載波相位和載波頻率存在跟蹤誤差，實(shí)際從載波跟蹤環(huán)NCO獲得載波頻率計(jì)算出的多普勒頻偏測(cè)量值存在偏差 公式(34)中fd1(t)、fd2(t)分別為終端1、終端2在t時(shí)刻得到的本地載波多普勒頻移量理論值，
分別為終端1、終端2在t時(shí)刻實(shí)際測(cè)量獲得的多普勒頻移量實(shí)際值，Δfd1(t)、Δfd2(t)分別為終端1、終端2接收環(huán)節(jié)中載波跟蹤環(huán)路在t時(shí)刻的載波頻率跟蹤誤差。因此，公式(34)更精確的描述為如下形式 定義終端1、終端2本地測(cè)得多普勒頻移因子實(shí)際值為 令 一般情況，在兩終端獲得的測(cè)量時(shí)刻不完全同時(shí)(存在采樣時(shí)間間隔Δt＝t2-t1)，同時(shí)綜合公式(33)～公式(37)，此時(shí)多普勒測(cè)量方程公式(30)改寫為 公式(38)是雙程非相干多普勒測(cè)速的實(shí)用公式。從公式(35)～公式(38)得出雙程非相干多普勒測(cè)量體制的以下命題 ①測(cè)量結(jié)果與兩終端本地頻標(biāo)的絕對(duì)準(zhǔn)確度、絕對(duì)穩(wěn)定度參數(shù)無關(guān)； ②測(cè)量結(jié)果與兩終端本地發(fā)射環(huán)節(jié)的中頻頻點(diǎn)、輸出數(shù)字中頻信號(hào)的采樣率、調(diào)制/解擴(kuò)方式、發(fā)射環(huán)節(jié)的上變頻本振頻點(diǎn)無關(guān)； ③測(cè)量結(jié)果與兩終端本地接收環(huán)節(jié)的模擬中頻數(shù)字采樣率、解調(diào)/解擴(kuò)方式、接收環(huán)節(jié)的下變頻本振頻點(diǎn)無關(guān)； ④測(cè)量結(jié)果與兩運(yùn)動(dòng)體徑向相對(duì)速度相關(guān)； ⑤測(cè)量結(jié)果與兩終端本地頻標(biāo)的相對(duì)準(zhǔn)確度、相對(duì)穩(wěn)定度參數(shù)相關(guān)。
根據(jù)公式(38)，導(dǎo)致雙程異步多普勒測(cè)量體制產(chǎn)生理論測(cè)量誤差(模型誤差)的因素包括 ①兩地測(cè)量值提取時(shí)刻不一致，兩地存在采樣時(shí)間間隔Δt＝t2-t1是引起理論測(cè)量誤差的首要因素； ②在采樣時(shí)間間隔Δt＝t2-t1內(nèi)，兩計(jì)算量λ(t)和γ21(t)發(fā)生變化的范圍大小是引起理論測(cè)量誤差的重要因素； ③兩終端本地接收環(huán)節(jié)的載波跟蹤環(huán)路頻率跟蹤誤差將引起理論測(cè)量誤差。
(一)相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的理論測(cè)量誤差分析與補(bǔ)償方法 根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)和電磁波傳播理論得 公式(39)中a(t)為兩運(yùn)動(dòng)體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)加速度，即相對(duì)速度的一階導(dǎo)數(shù)，反映相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化劇烈程度的物理量。令則有 |Δλ|≤η·Δt (40) 公式(40)中動(dòng)態(tài)孔徑因子η反映了相對(duì)加速度引起的采樣時(shí)間間隔Δt＝t2-t1內(nèi)的孔徑抖動(dòng)程度，而Δt越大、η越大，這種孔徑模糊越大，二者是積累關(guān)系。補(bǔ)償相對(duì)加速度引起孔徑模糊的影響，可采用兩種方法同步化采樣保證Δt極小化；測(cè)定a(t)和Δt。同步化采樣更方便、容易，通過測(cè)量出兩終端同步誤差，即可通過時(shí)間同步過程保證Δt小于同步誤差，或者直接同步化采樣點(diǎn)保證Δt小于鐘差(時(shí)間同步誤差)測(cè)量誤差。
(二)頻標(biāo)漂移引起的理論測(cè)量誤差分析與補(bǔ)償方法 根據(jù)頻率源(如原子頻標(biāo)、晶體頻標(biāo))的時(shí)間-頻率參數(shù)建模理論，選定某一頻標(biāo)輸出為參考頻率基準(zhǔn)，被測(cè)頻標(biāo)實(shí)際頻率輸出相對(duì)于標(biāo)稱值(由參考頻率基準(zhǔn)定義)的頻率偏移參數(shù)可建立如下模型 公式(41)中Δf0反映被測(cè)頻標(biāo)相對(duì)參考基準(zhǔn)頻標(biāo)的頻率準(zhǔn)確度，Δf1(t)反映被測(cè)頻標(biāo)相對(duì)參考基準(zhǔn)頻標(biāo)的時(shí)間穩(wěn)定度(頻率漂移)一階因子，Δf2(t)反映被測(cè)頻標(biāo)相對(duì)參考基準(zhǔn)頻標(biāo)的時(shí)間穩(wěn)定度(頻率漂移)二階因子，N(t)為零均值隨機(jī)抖動(dòng)(對(duì)于原子頻標(biāo)，N(t)為頻域上符合冪譜率的隨機(jī)過程，時(shí)域上表現(xiàn)為Allen方差)。這些參數(shù)就是反映頻標(biāo)性能的技術(shù)指標(biāo)。根據(jù)公式(33)給出的頻偏因子定義 對(duì)于本地頻標(biāo)2，以對(duì)方本地頻標(biāo)1為參考基準(zhǔn)頻標(biāo)，則有 公式(43)中，令則有 |Δγ|≤μ1·Δt+μ2·(Δt)2+σN(44) 對(duì)于原子頻標(biāo)、TCXO頻標(biāo)、OCXO頻標(biāo)、USO頻標(biāo)等，μ1、μ2、σN都是與頻率源短期穩(wěn)定度(相位噪聲)、長期穩(wěn)定度等性能指標(biāo)相關(guān)的微小量(在1E-8～1E-11量級(jí))，與頻標(biāo)規(guī)格等級(jí)相關(guān)。在采樣時(shí)間間隔Δt＝t2-t1＜10s時(shí)，由于環(huán)境變化微弱(溫度、磁場(chǎng)、電磁環(huán)境、振動(dòng)等等)這些因子幾乎保持不變。
μ1、μ2反映了頻標(biāo)漂移引起的采樣時(shí)間間隔Δt＝t2-t1內(nèi)的孔徑抖動(dòng)程度，而Δt越大、η越大，這種孔徑模糊越大，二者是積累關(guān)系。σN是與Δt無關(guān)的零均值隨機(jī)噪聲方差參數(shù)。
因此，類似前面對(duì)Δλ的補(bǔ)償策略，可采用兩種方法同步化采樣保證Δt極小化測(cè)定Δf1(t)、Δf2(t)和Δt。具體過程不再贅述。
(三)頻率跟蹤誤差引起的理論測(cè)量誤差分析與補(bǔ)償方法 方便討論，假定Δt＝t2-t1＝0。
實(shí)測(cè)值計(jì)算結(jié)果為 理論值計(jì)算結(jié)果為 測(cè)量誤差為 根據(jù)公式(37)，令 從前面敘述可知λ(t)、γ21、λ1(t)、λ2(t)、
非常接近“1”，|λ(t)-1|＜1E-5、|γ21-1|＜1E-5、|λ1(t)-1|＜lE-5、|λ2(t)-1|＜lE-5、因此 可見，ε對(duì)δλ(t)、δγ21(t)影響因素機(jī)理相同，呈線性關(guān)系。以速度計(jì)算為例，定義相對(duì)速度計(jì)算誤差為δv(t)，則 |δv(t)|≈c·ε(51) 因此，ε是引起測(cè)速誤差(對(duì)于δγ21(t)同理)的重要因素，特別是它由數(shù)字接收機(jī)載波跟蹤環(huán)路的性能和射頻頻點(diǎn)fRF1、fRF2決定。
權(quán)利要求
1.一種機(jī)群鏈路的對(duì)稱式雙程非相干測(cè)速方法，該方法是在機(jī)群鏈路終端機(jī)的中頻信號(hào)處理電路板上的數(shù)字信號(hào)處理器DSP和FPGA器件上實(shí)現(xiàn)；該機(jī)群鏈路的對(duì)稱式雙程非相干測(cè)速方法，針對(duì)機(jī)群編隊(duì)任務(wù)的自主性特點(diǎn)，構(gòu)造了基于機(jī)群鏈路成員節(jié)點(diǎn)之間的雙程非相干通信鏈路，推導(dǎo)出對(duì)稱式雙程非相干多普勒測(cè)量體制、測(cè)速算法、實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法；“對(duì)稱式”含義是對(duì)于機(jī)群編隊(duì)內(nèi)任意兩成員節(jié)點(diǎn)之間的速度測(cè)量，兩本地終端在測(cè)量過程中地位、作用、結(jié)構(gòu)原理和工作過程完全相同，均能通過非相干模式獨(dú)立獲得的本地多普勒頻移觀測(cè)值和對(duì)方多普勒頻移觀測(cè)值計(jì)算出二者相對(duì)速度；在機(jī)群鏈路的對(duì)稱式雙程非相干測(cè)速方法中，本地多普勒頻移觀測(cè)值通過機(jī)群鏈路向測(cè)距對(duì)方廣播共享；其特征在于
一、機(jī)群鏈路的對(duì)稱式雙程非相干測(cè)速方法的結(jié)構(gòu)原理
所述機(jī)群鏈路對(duì)稱式雙程非相干測(cè)速系統(tǒng)工作在抑制載波調(diào)制模式和直接序列偽碼擴(kuò)頻體制，采用了接收環(huán)節(jié)對(duì)接收的模擬中頻信號(hào)經(jīng)A/D器件采樣轉(zhuǎn)換數(shù)字化和發(fā)射環(huán)節(jié)將數(shù)字中頻信號(hào)經(jīng)D/A器件轉(zhuǎn)換濾波輸出模擬中頻發(fā)射信號(hào)；
二、機(jī)群編隊(duì)成員本地頻標(biāo)參數(shù)對(duì)多普勒測(cè)量的影響
本地終端采用內(nèi)部或者外部配置的頻率綜合器提供頻率-時(shí)間基準(zhǔn)，本地終端所有的頻率基準(zhǔn)、工作時(shí)鐘均源自統(tǒng)一的頻標(biāo)，一般選擇溫補(bǔ)晶振TCXO、恒溫晶振OCXO、超穩(wěn)晶振USO，或者銣原子頻標(biāo)，達(dá)到1E-8～1E-11的短期/長期穩(wěn)定度；機(jī)載終端采用統(tǒng)一的頻標(biāo)通過PLL、DDS實(shí)現(xiàn)分頻、倍頻以及頻率綜合；
(一)機(jī)群鏈路終端本地頻標(biāo)參數(shù)對(duì)發(fā)射環(huán)節(jié)的傳遞模型
對(duì)于數(shù)字發(fā)射機(jī)來說，發(fā)射機(jī)的參考頻標(biāo)通過D/A器件的系統(tǒng)時(shí)鐘和上變頻兩個(gè)環(huán)節(jié)影響最終生成的射頻信號(hào)的載波相位和擴(kuò)頻偽碼相位參數(shù)指標(biāo)；對(duì)稱式雙程非相干測(cè)速系統(tǒng)的數(shù)字發(fā)射單元的結(jié)構(gòu)模型為由FPGA程序運(yùn)行產(chǎn)生編碼的中頻數(shù)字信號(hào)在系統(tǒng)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下輸出至D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)中頻帶通濾波器濾波后形成模擬中頻信號(hào)，與上變頻本地振蕩器混頻后，經(jīng)功率放大器、濾波器形成射頻信號(hào)通過天線向外發(fā)射；
發(fā)射機(jī)頻標(biāo)必然存在與頻率輸出標(biāo)稱值的偏差，此偏差為時(shí)間的函數(shù)；定義
①本地頻標(biāo)輸出頻率的標(biāo)稱值frefT(Hz)為常數(shù)，實(shí)際值為頻偏因子γT(t)為時(shí)間t的函數(shù)，頻標(biāo)實(shí)際輸出相對(duì)標(biāo)稱值的頻率偏差[γT(t)-1]·frefT為時(shí)間t的函數(shù)；
②采樣頻率的標(biāo)稱值為fST＝wT·frefT(Hz)，實(shí)際值為采樣周期的標(biāo)稱值為TST＝fST-1(s)，實(shí)際值為
③擴(kuò)頻碼時(shí)鐘頻率的標(biāo)稱值為fChipT＝xT·frefT(Hz)，實(shí)際值為
④上變頻本振頻點(diǎn)的標(biāo)稱值為fLOT＝y(tǒng)T·frefT(Hz)，實(shí)際值為
⑤模擬中頻輸出的中心頻點(diǎn)標(biāo)稱值為fIFT＝zT·frefT(Hz)，射頻輸出的中心頻點(diǎn)標(biāo)稱值為fRFT＝fIFT+fLOT＝(yT+zT)·frefT＝αT·frefT(Hz)；
理想情況下，發(fā)射機(jī)D/A器件以標(biāo)稱采樣頻率fST輸出數(shù)字中頻離散序列
理想情況下，數(shù)字中頻信號(hào)經(jīng)濾波、放大后輸出的模擬中頻信號(hào)為
由于D/A轉(zhuǎn)換器采樣時(shí)鐘存在偏差，實(shí)際情況下，發(fā)射機(jī)D/A器件以實(shí)際采樣頻率
輸出數(shù)字中頻離散序列
令推導(dǎo)如下
綜合公式(3)、公式(4)可得
因此，
實(shí)際情況下，數(shù)字中頻信號(hào)經(jīng)濾波、放大后輸出的模擬中頻信號(hào)為
理想情況下，上變頻本振信號(hào)為
sLOT(t)＝cos(2π·fLOT·t) (7)
實(shí)際情況下，上變頻本振信號(hào)為
由公式(2)和公式(7)得理想情況下，模擬中頻信號(hào)與上變頻本振信號(hào)混頻、濾波、放大后得到射頻輸出信號(hào)為
公式(9)中θT(t)為載波相位，φT(t)為擴(kuò)頻偽碼相位；
由公式(6)和公式(8)得實(shí)際情況下，模擬中頻信號(hào)與上變頻本振信號(hào)混頻、濾波、放大后得到射頻輸出信號(hào)為
公式(10)中
為載波相位，
為擴(kuò)頻偽碼相位；公式(10)就是本地頻標(biāo)參數(shù)對(duì)發(fā)射環(huán)節(jié)的傳遞模型，發(fā)射機(jī)實(shí)際輸出的射頻信號(hào)載波頻率為γT(t)·fRFT，擴(kuò)頻碼片頻率為γT(t)·fChipT，二者在頻標(biāo)偏移因子的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生了相同比例的頻偏；
為了更好的說明本地頻標(biāo)參數(shù)發(fā)生相對(duì)標(biāo)稱值的偏移產(chǎn)生的影響，這里引入接收機(jī)與發(fā)射機(jī)存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下，接收機(jī)射頻前端天線入口收到的信號(hào)形式
公式(11)中
為t時(shí)刻接收機(jī)收到的對(duì)方原始信號(hào)sRFT(t)，η[τ(t)]為信號(hào)空間傳播損耗，τ(t)為t時(shí)刻發(fā)射機(jī)與接收機(jī)天線相位中心的電波傳播距離時(shí)延，
令徑向速度為(與τ(t)增大的方向相反)，光速為c，λ(t)為相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻率變化因子，有
存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況下，對(duì)載波相位
和擴(kuò)頻偽碼相位
求時(shí)間t的一階導(dǎo)數(shù)，得到
公式(13)中[λ(t)-1]·fRFT為發(fā)射接收端相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的載波多普勒頻移，[λ(t)-1]·fChipT為發(fā)射接收端相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的擴(kuò)頻偽碼多普勒頻移；
對(duì)照公式(10)、公式(13)中的γT(t)·fRFT與λ(t)·fRFT、γT(t)·fChipT與λ(t)·fChipT，可以認(rèn)為本地頻標(biāo)的偏移因子對(duì)所有相關(guān)頻率產(chǎn)生線性影響，導(dǎo)致輸出的信號(hào)等效疊加了頻率偏移，而且從兩種頻移因子在傳遞函數(shù)模型中的形式來看，這種頻移與運(yùn)動(dòng)多普勒頻移等效；如果沒有先驗(yàn)信息，對(duì)于接收方來說僅僅依賴接收到的信號(hào)將無法分辨是發(fā)射方的本地頻標(biāo)存在頻偏還是收發(fā)兩者之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的多普勒頻偏；
(二)機(jī)群鏈路終端本地頻標(biāo)參數(shù)對(duì)接收環(huán)節(jié)的傳遞模型
對(duì)于數(shù)字接收機(jī)中，接收機(jī)的參考頻標(biāo)通過A/D器件的系統(tǒng)時(shí)鐘和下變頻兩個(gè)環(huán)節(jié)影響最終生成的數(shù)字中頻信號(hào)的載波相位和擴(kuò)頻偽碼相位參數(shù)指標(biāo)；接收機(jī)的結(jié)構(gòu)模型為天線接收到的射頻信號(hào)經(jīng)帶通濾波器濾形后被低噪聲放大器處理，與下變頻本地振蕩器混頻后，經(jīng)中頻帶通濾波器濾波后形成模擬中頻信號(hào)，在系統(tǒng)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器采樣產(chǎn)生編碼的中頻數(shù)字信號(hào)，送入FPGA的數(shù)字信號(hào)處理程序?qū)崿F(xiàn)捕獲、跟蹤，完成解調(diào)/解擴(kuò)和信息解算；
接收機(jī)的頻標(biāo)不可能完全理想，必然存在與頻率輸出標(biāo)稱值的偏差，此偏差為時(shí)間的函數(shù)；定義
①本地頻標(biāo)輸出頻率的標(biāo)稱值frefR(Hz)為常數(shù)，實(shí)際值為頻偏因子γR(t)為時(shí)間t的函數(shù)，頻標(biāo)實(shí)際輸出相對(duì)標(biāo)稱值的頻率偏差[γR(t)-1]·frefR為時(shí)間t的函數(shù)；
②采樣頻率的標(biāo)稱值為fSR＝wR·frefR(Hz)，實(shí)際值為采樣周期的標(biāo)稱值為TSR＝fSR-1(s)，實(shí)際值為
③擴(kuò)頻碼時(shí)鐘頻率的標(biāo)稱值為fChipR＝xR·frefR(Hz)，實(shí)際值為
④下變頻本振頻點(diǎn)的標(biāo)稱值為fLOR＝y(tǒng)R·frefR(Hz)，實(shí)際值為
⑤射頻輸入的中心頻點(diǎn)標(biāo)稱值為fRFR＝αR·frefR(Hz)，模擬中頻輸出的中心頻點(diǎn)標(biāo)稱值為fIFR＝fRFR-fLOR＝(αR-yR)·frefR＝zR·frefR(Hz)；
理想情況下，接收機(jī)天線端的射頻輸入信號(hào)為
理想情況下，下變頻本振信號(hào)為
sLOR(t)＝cos(2π·fLOR·t) (15)
實(shí)際情況下，下變頻本振信號(hào)為
由公式(14)和公式(15)得理想情況下，射頻輸入信號(hào)與下變頻本振信號(hào)混頻、濾波、放大后得到理想模擬中頻信號(hào)為
(17)
由公式(14)和公式(16)得實(shí)際情況下，射頻輸入信號(hào)與下變頻本振信號(hào)混頻、濾波、放大后得到實(shí)際模擬中頻信號(hào)為
(18)
理想情況下，接收機(jī)A/D器件對(duì)模擬中頻輸入信號(hào)以標(biāo)稱采樣頻率fST進(jìn)行采樣數(shù)字化輸出的數(shù)字中頻離散序列
由于A/D轉(zhuǎn)換器采樣時(shí)鐘存在偏差，實(shí)際情況下，接收機(jī)A/D器件以實(shí)際采樣頻率
采樣模擬中頻輸入信號(hào)并輸出數(shù)字中頻離散序列
令推導(dǎo)如下
綜合公式(20)、公式(21)可得
因此，
綜合公式(18)和公式(22)，計(jì)算得到實(shí)際情況下接收機(jī)數(shù)字中頻輸出信號(hào)為
公式(23)等效的模擬中頻信號(hào)為
(24)
由公式(23)、公式(24)可見，對(duì)于數(shù)字接收機(jī)來說，本地參考頻標(biāo)的頻偏對(duì)下變頻本振沒有影響，這是由于采樣時(shí)鐘引入的比例因子γR-1(t)抵消了下變頻本振的頻偏因子γR(t)，混頻過程不影響接收信號(hào)；參考頻標(biāo)對(duì)接收信號(hào)的影響由數(shù)字采樣過程引起，可以視為在輸入的射頻載波上乘以一個(gè)比例引子γR-1(t)，與中頻頻點(diǎn)無關(guān)；類似的，擴(kuò)頻偽碼信號(hào)的碼速率也要乘以比例引子γR-1(t)；類似前面的分析，由本地頻標(biāo)的頻偏因子γR(t)通過中頻采樣過程造成等效的多普勒頻移，多普勒頻移因子γR-1(t)引起的等效載波多普勒頻移為[γR-1(t)-1]·fRFR，擴(kuò)頻偽碼等效多普勒頻移為[γR-1(t)-1]·fChipR，于真實(shí)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移無法區(qū)分；
(三)頻標(biāo)參數(shù)對(duì)多普勒測(cè)量的影響和解決方法
兩運(yùn)動(dòng)體的本地頻標(biāo)存在相對(duì)標(biāo)稱值的頻率偏差時(shí)，這種頻率偏差將直接耦合到發(fā)射機(jī)的射頻輸出口、接收機(jī)的射頻輸入口，形成等效的多普勒頻移效應(yīng)，對(duì)發(fā)射、接收方的射頻載波頻率和擴(kuò)頻偽碼頻率造成相同比例的影響，會(huì)導(dǎo)致多普勒測(cè)量的偏差和測(cè)速誤差；
本發(fā)明方法利用對(duì)稱式雙程非相干多普勒測(cè)量，解決兩運(yùn)動(dòng)體之間頻標(biāo)絕對(duì)偏差、相對(duì)偏差對(duì)多普勒測(cè)量的影響；在測(cè)量多普勒頻移的同時(shí)，解析地計(jì)算出參與雙程非相干測(cè)量的機(jī)群編隊(duì)兩成員節(jié)點(diǎn)的本地頻標(biāo)的準(zhǔn)確相對(duì)偏差函數(shù)，用于實(shí)時(shí)地長期觀測(cè)雙方頻標(biāo)相對(duì)偏差參數(shù)并建立相關(guān)模型、通過算法實(shí)現(xiàn)時(shí)間基準(zhǔn)、頻率基準(zhǔn)參數(shù)的預(yù)報(bào)；
三、機(jī)群鏈路的對(duì)稱式雙程非相干多普勒測(cè)速算法設(shè)計(jì)
根據(jù)公式(9)建立終端1、終端2的本地頻標(biāo)參數(shù)對(duì)發(fā)射信號(hào)的傳遞函數(shù)模型
根據(jù)公式(24)和公式(25)建立終端1、終端2的本地頻標(biāo)參數(shù)對(duì)接收信號(hào)的傳遞函數(shù)模型
這里指出，嚴(yán)格意義上公式(26)的符合電動(dòng)力學(xué)定義的形式應(yīng)為
但采用公式(26)或者公式(27)，通過對(duì)載波相位
和擴(kuò)頻偽碼相位
求時(shí)間的導(dǎo)數(shù)來計(jì)算載波多普勒頻移和擴(kuò)頻偽碼多普勒頻移的結(jié)果是相同的；
綜合公式(26)(或者公式(27))和公式(7)得到終端1、終端2在t時(shí)刻得到的本地載波多普勒頻移量理論值分別為fd1(t)、fd2(t)
定義
①終端1本地測(cè)得多普勒頻移因子理論值為終端2本地測(cè)得多普勒頻移因子理論值為
②終端2的頻標(biāo)相對(duì)終端1的頻標(biāo)的相對(duì)頻偏因子為γ12(t)＝γ1-1(t)·γ2(t)，終端1的頻標(biāo)相對(duì)終端2的頻標(biāo)的相對(duì)頻偏因子為γ21(t)＝γ2-1(t)·γ1(t)＝γ12-1(t)，反映兩頻標(biāo)相對(duì)頻率偏移，也是時(shí)間t的函數(shù)；
相對(duì)頻偏因子γ12(t)、γ21(t)這個(gè)物理量很重要，因?yàn)闄C(jī)群編隊(duì)成員節(jié)點(diǎn)之間往往要求相對(duì)時(shí)間-頻率參數(shù)保持高精度一致，甚至要求完全同步，但并不需要和系統(tǒng)外時(shí)間-頻率基準(zhǔn)完全一致，允許偏差在一定范圍內(nèi)即可；因此，N架飛機(jī)編隊(duì)機(jī)群(i＝1，2，3，.....，N)一般選擇機(jī)群編隊(duì)網(wǎng)內(nèi)某架飛機(jī)(i＝1)的時(shí)間-頻率基準(zhǔn)作為基準(zhǔn)參考量，其他飛機(jī)都以此為標(biāo)稱值；此時(shí)，獲得相對(duì)參考基準(zhǔn)頻標(biāo)的相對(duì)頻偏因子γi1(t)很有價(jià)值；
公式(28)變換得
公式(29)就是對(duì)稱式雙程非相干多普勒測(cè)速的理論公式，形式簡(jiǎn)潔；如果終端1和終端2同時(shí)獲得測(cè)量結(jié)果，利用異步通信鏈路向?qū)Ψ桨l(fā)送本地測(cè)量結(jié)果，則有
也可以采用對(duì)數(shù)變換形式避免乘法、除法和開根號(hào)運(yùn)算簡(jiǎn)化計(jì)算，形式如下
再將計(jì)算結(jié)果通過指數(shù)變換返回所需結(jié)果；此形式與雙程異步測(cè)距體制計(jì)算公式非常相似，反映出了物理數(shù)學(xué)過程的統(tǒng)一性和完美性；
利用公式(31)和公式(12)計(jì)算出兩終端相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為
v(t)＝c·[λ(t)-1] (32)
若機(jī)群編隊(duì)網(wǎng)以成員終端1本地頻標(biāo)為時(shí)間-頻率參考基準(zhǔn)，則終端2(其他類推)本地頻標(biāo)實(shí)際值相對(duì)終端1本地頻標(biāo)的頻率漂移量為
公式(33)中fref1、fref2分別為終端1、終端2本地頻標(biāo)的標(biāo)稱值；
四、對(duì)稱式雙程非相干多普勒測(cè)速的模型誤差分析
一般接收環(huán)節(jié)的載波跟蹤環(huán)路存在動(dòng)態(tài)跟蹤誤差，大小、范圍與信號(hào)動(dòng)態(tài)關(guān)系很大，諸如相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒動(dòng)態(tài)和遠(yuǎn)近效應(yīng)、天線波束指向、干擾條件等引起的接收信號(hào)動(dòng)態(tài)，也跟接收環(huán)節(jié)載波跟蹤環(huán)路的單元設(shè)計(jì)關(guān)系很大，諸如鑒頻/鑒相器設(shè)計(jì)、環(huán)路結(jié)構(gòu)、環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)的參數(shù)選擇關(guān)系很大，這些將直接決定載波頻率/相位跟蹤的精度；因此，實(shí)際載波跟蹤環(huán)NCO輸出的載波相位和載波頻率存在跟蹤誤差，實(shí)際從載波跟蹤環(huán)NCO獲得載波頻率計(jì)算出的多普勒頻偏測(cè)量值存在偏差
公式(34)中fd1(t)、fd2(t)分別為終端1、終端2在t時(shí)刻得到的本地載波多普勒頻移量理論值，
分別為終端1、終端2在t時(shí)刻實(shí)際測(cè)量獲得的多普勒頻移量實(shí)際值，Δfd1(t)、Δfd2(t)分別為終端1、終端2接收環(huán)節(jié)中載波跟蹤環(huán)路在t時(shí)刻的載波頻率跟蹤誤差；因此，公式(34)更精確的描述為如下形式
定義終端1、終端2本地測(cè)得多普勒頻移因子實(shí)際值為
令
一般情況，在兩終端獲得的測(cè)量時(shí)刻不完全同時(shí)(存在采樣時(shí)間間隔Δt＝t2-t1)，同時(shí)綜合公式(33)～公式(37)，此時(shí)多普勒測(cè)量方程公式(30)改寫為
公式(38)是雙程非相干多普勒測(cè)速的實(shí)用公式；從公式(35)～公式(38)得出雙程非相干多普勒測(cè)量體制的以下命題
①測(cè)量結(jié)果與兩終端本地頻標(biāo)的絕對(duì)準(zhǔn)確度、絕對(duì)穩(wěn)定度參數(shù)無關(guān)；
②測(cè)量結(jié)果與兩終端本地發(fā)射環(huán)節(jié)的中頻頻點(diǎn)、輸出數(shù)字中頻信號(hào)的采樣率、調(diào)制/解擴(kuò)方式、發(fā)射環(huán)節(jié)的上變頻本振頻點(diǎn)無關(guān)；
③測(cè)量結(jié)果與兩終端本地接收環(huán)節(jié)的模擬中頻數(shù)字采樣率、解調(diào)/解擴(kuò)方式、接收環(huán)節(jié)的下變頻本振頻點(diǎn)無關(guān)；
④測(cè)量結(jié)果與兩運(yùn)動(dòng)體徑向相對(duì)速度相關(guān)；
⑤測(cè)量結(jié)果與兩終端本地頻標(biāo)的相對(duì)準(zhǔn)確度、相對(duì)穩(wěn)定度參數(shù)相關(guān)；
根據(jù)公式(38)，導(dǎo)致雙程異步多普勒測(cè)量體制產(chǎn)生理論測(cè)量誤差(模型誤差)的因素包括
①兩地測(cè)量值提取時(shí)刻不一致，兩地存在采樣時(shí)間間隔Δt＝t2-t1是引起理論測(cè)量誤差的首要因素；
②在采樣時(shí)間間隔Δt＝t2-t1內(nèi)，兩計(jì)算量λ(t)和γ21(t)發(fā)生變化的范圍大小是引起理論測(cè)量誤差的重要因素；
③兩終端本地接收環(huán)節(jié)的載波跟蹤環(huán)路頻率跟蹤誤差將引起理論測(cè)量誤差；
(一)相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的理論測(cè)量誤差分析與補(bǔ)償方法
根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)和電磁波傳播理論得
公式(39)中a(t)為兩運(yùn)動(dòng)體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)加速度，即相對(duì)速度的一階導(dǎo)數(shù)，反映相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化劇烈程度的物理量；令則有
|Δλ|≤η·Δt (40)
公式(40)中動(dòng)態(tài)孔徑因子η反映了相對(duì)加速度引起的采樣時(shí)間間隔Δt＝t2-t1內(nèi)的孔徑抖動(dòng)程度，而Δt越大、η越大，這種孔徑模糊越大，二者是積累關(guān)系；補(bǔ)償相對(duì)加速度引起孔徑模糊的影響，可采用兩種方法同步化采樣保證Δt極小化；測(cè)定a(t)和Δt；同步化采樣更方便、容易，通過測(cè)量出兩終端同步誤差，即可通過時(shí)間同步過程保證Δt小于同步誤差，或者直接同步化采樣點(diǎn)保證Δt小于鐘差測(cè)量誤差；
(二)頻標(biāo)漂移引起的理論測(cè)量誤差分析與補(bǔ)償方法
根據(jù)頻率源的時(shí)間-頻率參數(shù)建模理論，選定某一頻標(biāo)輸出為參考頻率基準(zhǔn)，被測(cè)頻標(biāo)實(shí)際頻率輸出相對(duì)于標(biāo)稱值的頻率偏移參數(shù)可建立如下模型
公式(41)中Δf0反映被測(cè)頻標(biāo)相對(duì)參考基準(zhǔn)頻標(biāo)的頻率準(zhǔn)確度，Δf1(t)反映被測(cè)頻標(biāo)相對(duì)參考基準(zhǔn)頻標(biāo)的時(shí)間穩(wěn)定度一階因子，Δf2(t)反映被測(cè)頻標(biāo)相對(duì)參考基準(zhǔn)頻標(biāo)的時(shí)間穩(wěn)定度二階因子，N(t)為零均值隨機(jī)抖動(dòng)(對(duì)于原子頻標(biāo)，N(t)為頻域上符合冪譜率的隨機(jī)過程，時(shí)域上表現(xiàn)為Allen方差)；這些參數(shù)就是反映頻標(biāo)性能的技術(shù)指標(biāo)；根據(jù)公式(33)給出的頻偏因子定義
對(duì)于本地頻標(biāo)2，以對(duì)方本地頻標(biāo)1為參考基準(zhǔn)頻標(biāo)，則有
公式(43)中，令則有
|Δγ|≤μ1·Δt+μ2·(Δt)2+σN (44)
對(duì)于原子頻標(biāo)、TCXO頻標(biāo)、OCXO頻標(biāo)、USO頻標(biāo)等，μ1、μ2、σN都是與頻率源短期穩(wěn)定度、長期穩(wěn)定度等性能指標(biāo)相關(guān)的微小量，在1E-8～1E-11量級(jí)，與頻標(biāo)規(guī)格等級(jí)相關(guān)；在采樣時(shí)間間隔Δt＝t2-t1＜10s時(shí)，由于環(huán)境變化微弱這些因子幾乎保持不變；
μ1、μ2反映了頻標(biāo)漂移引起的采樣時(shí)間間隔Δt＝t2-t1內(nèi)的孔徑抖動(dòng)程度，而Δt越大、η越大，這種孔徑模糊越大，二者是積累關(guān)系；σN是與Δt無關(guān)的零均值隨機(jī)噪聲方差參數(shù)；
因此，類似前面對(duì)Δλ的補(bǔ)償策略，可采用兩種方法同步化采樣保證Δt極小化；測(cè)定Δf1(t)、Δf2(t)和Δt；
(三)頻率跟蹤誤差引起的理論測(cè)量誤差分析與補(bǔ)償方法
方便討論，假定Δt＝t2-t1＝0；
實(shí)測(cè)值計(jì)算結(jié)果為
理論值計(jì)算結(jié)果為
測(cè)量誤差為
根據(jù)公式(37)，令
從前面敘述可知λ(t)、γ21、λ1(t)、λ2(t)、
非常接近“1”，|λ(t)-1|＜1E-5、|γ21-1|＜1E-5、|λ1(t)-1|＜1E-5、|λ2(t)-1|＜1E-5、因此
可見，ε對(duì)δλ(t)、δγ21(t)影響因素機(jī)理相同，呈線性關(guān)系；以速度計(jì)算為例，定義相對(duì)速度計(jì)算誤差為δv(t)，則
|δv(t)|≈c·ε(51)
因此，ε是引起測(cè)速誤差(對(duì)于δγ21(t)同理)的重要因素，特別是它由數(shù)字接收機(jī)載波跟蹤環(huán)路的性能和射頻頻點(diǎn)fRF1、fRF2決定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種機(jī)群鏈路的對(duì)稱式雙程非相干測(cè)速系統(tǒng)，屬于航空數(shù)據(jù)鏈、無線電導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明提供了一種可以在電路板的數(shù)字信號(hào)處理器DSP和FPGA上實(shí)現(xiàn)的對(duì)稱式雙程非相干測(cè)速的方法和體系構(gòu)架。本發(fā)明基于機(jī)群鏈路成員節(jié)點(diǎn)之間的雙程非相干通信鏈路，推導(dǎo)出對(duì)稱式雙程非相干多普勒測(cè)量算法，并給出算法的理論誤差模型、補(bǔ)償方法，給出了基于軟件無線電構(gòu)架的實(shí)現(xiàn)方案。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)相干轉(zhuǎn)發(fā)測(cè)速的缺陷，并提供一種測(cè)速雙方均能平等獲得測(cè)量結(jié)果的測(cè)速方案。本發(fā)明公開的方法能夠廣泛應(yīng)用于基于抑制載波調(diào)制直接序列擴(kuò)頻體制的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)、測(cè)距系統(tǒng)、通信/測(cè)距功能綜合化系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G01S13/58GK101776753SQ20101010390
公開日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2010年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月29日
發(fā)明者楊宜康, 齊建中, 陳曉敏, 孫輝先 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心