本發(fā)明屬于航天測(cè)控通信、衛(wèi)星導(dǎo)航定位、衛(wèi)星通信領(lǐng)域，尤其涉及一種基于分段三次埃爾米特插值的高精度測(cè)控通信信號(hào)模擬方法和裝置。
背景技術(shù)：
：無論是航天測(cè)控通信、衛(wèi)星導(dǎo)航定位還是衛(wèi)星通信領(lǐng)域，它們均工作在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下，為了測(cè)試和驗(yàn)證系統(tǒng)的測(cè)量性能以及對(duì)多普勒效應(yīng)的處理能力，需要信號(hào)模擬器對(duì)信號(hào)的高動(dòng)態(tài)特性實(shí)現(xiàn)高精度模擬。由于高動(dòng)態(tài)信號(hào)模擬器的研制涉及許多復(fù)雜技術(shù)，因此一直是航天測(cè)控領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。距離的分段多項(xiàng)式近似是一種常用的信號(hào)模擬方法，主要包括泰勒技術(shù)展開、最小二乘擬合等方法，并基于多階dds實(shí)現(xiàn)。這一類方法存在兩方面問題：(1)沒有約束分段多項(xiàng)式及其一階導(dǎo)數(shù)在各段間的連續(xù)性，致使距離與速度在分段節(jié)點(diǎn)處發(fā)生跳變，不滿足物理運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并引起信號(hào)相位、頻率抖動(dòng)；(2)dds會(huì)引起量化誤差累積，降低模擬精度。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)高精度測(cè)控通信信號(hào)模擬主要集中在三個(gè)方面：(1)提高多項(xiàng)式階次、減小分段間隔，以提升模擬精度并削弱距離、速度跳變幅度；(2)研究各階dds的量化位數(shù)，減小dds量化誤差累積；(3)提出新的量化誤差修正方法。在2013年第4期《宇航學(xué)報(bào)》第34卷第552頁至558頁由范志良等人發(fā)表的《高動(dòng)態(tài)衛(wèi)星信號(hào)模擬器四階相位合成器設(shè)計(jì)》中提出采用高階dds以提升距離及速度的模擬精度。該方法雖然可以進(jìn)一步提升模擬精度，但該方法并不能從根本上解決距離、速度跳變問題及量化誤差累計(jì)問題。在2014年第1期《chinesejournalofelectronics》第23卷第204頁至208頁由yangzhou等人發(fā)表的“anovelgeneralizedsimulationtechnologyofaerospacett&cchannel”中提出采用最小二乘擬合方法用多項(xiàng)式對(duì)星地距離進(jìn)行近似，從而提升了測(cè)控通信信號(hào)的模擬精度，但該方法同樣基于dds實(shí)現(xiàn)，并沒有解決量化誤差累積及模擬距離、速度跳變等問題。在2014年周揚(yáng)發(fā)表的北京理工大學(xué)博士學(xué)位論文“通用化測(cè)控信道模擬器關(guān)鍵技術(shù)研究”中，提出了一種多階dds量化誤差修正算法。通過對(duì)上一分段的量化累積誤差進(jìn)行估計(jì)，并在當(dāng)前分段對(duì)上一分段累計(jì)誤差進(jìn)行修正。同時(shí)對(duì)距離連續(xù)性進(jìn)行約束，從而消除距離模擬跳變問題。首先，雖然該方法可以消除前一分段的量化誤差累計(jì)，但當(dāng)前分段的量化誤差并沒有進(jìn)行修正；其次，該方法并沒有約束速度的連續(xù)性，因此速度跳變依然存在；最后，由于需要估計(jì)量化累計(jì)誤差，因此該方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較高。因此，現(xiàn)有技術(shù)均沒有徹底解決信號(hào)相位頻率抖動(dòng)以及量化誤差累積的問題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于分段三次埃爾米特插值的高精度測(cè)控通信信號(hào)的模擬方法和裝置，該方案基于插值濾波器實(shí)現(xiàn)，分段埃爾米特插值可以同時(shí)保證距離與速度的連續(xù)性，從而解決所模擬信號(hào)的相位、頻率抖動(dòng)問題；相比傳統(tǒng)dds實(shí)現(xiàn)方法，插值濾波器不存在量化誤差累計(jì)問題。因此，本發(fā)明引入分段三次埃爾米特插值方法實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)控通信信號(hào)模擬，從本質(zhì)上解決傳統(tǒng)方法的弊端，并提高模擬精度。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種基于分段三次埃爾米特插值的高精度測(cè)控通信信號(hào)模擬方法，包括：步驟1、根據(jù)待模擬目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)模型，通過數(shù)據(jù)采樣獲得離散化的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，包括距離d及速度v，并存儲(chǔ)至存儲(chǔ)器中；步驟2、利用步驟1數(shù)據(jù)采樣的采樣間隔t1，獲得存儲(chǔ)器的基本點(diǎn)索引和插值的小數(shù)間隔μn＝nts/t1-mn；其中，n為離散化運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的索引，ts為模擬時(shí)鐘；步驟3、根據(jù)基本點(diǎn)索引mn從存儲(chǔ)器中讀取距離數(shù)據(jù)d[mn]及速度數(shù)據(jù)v[mn]，將讀取數(shù)據(jù)連同μn輸入至埃爾米特插值器；步驟4、利用三階分段埃爾米特插值構(gòu)建的埃爾米特插值器，根據(jù)輸入的d[mn]、v[mn]和μn按照埃爾米特插值器的表達(dá)式(a)、(b)和(c)進(jìn)行插值運(yùn)算，獲得插值后的距離；其中，uj(mn)＝(d[mn-1]+(-1)jd[mn])bj(b)wj(mn)＝(t1v[mn-1]+(-1)j+1t1v[mn])cj(c)其中，埃爾米特插值器是兩個(gè)farrow濾波器并行結(jié)構(gòu)，{bj}與{cj}為已知的兩個(gè)farrow濾波器的濾波器系數(shù)；步驟5、將插值后的距離轉(zhuǎn)化為相位，即由距離引起的相位變化；步驟6、產(chǎn)生本地信號(hào)相位，將由距離引起的相位變化與本地信號(hào)相位進(jìn)行合并，再根據(jù)合并相位查表輸出信號(hào)并進(jìn)行調(diào)制，從而獲得模擬的測(cè)控通信信號(hào)。本發(fā)明還提供了一種基于分段三次埃爾米特插值的高精度測(cè)控通信信號(hào)模擬裝置，包括動(dòng)態(tài)模擬模塊和信號(hào)調(diào)制模塊；動(dòng)態(tài)模擬模塊包括存儲(chǔ)器、數(shù)控振蕩器、埃爾米特插值器和映射器；存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)來自外部的離散化的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，包括d和t1·v；其中，d和v分別為根據(jù)待模擬目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)模型通過數(shù)據(jù)采樣獲得的離散化的距離及速度，t1為數(shù)據(jù)采樣間隔；數(shù)控振蕩器，用于對(duì)接收自外部的頻率字fw進(jìn)行累加，獲得基本點(diǎn)索引和小數(shù)間隔μn＝nts/t1-mn，其中，n為離散化運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的索引，ts為本模擬裝置的模擬時(shí)鐘；將基本點(diǎn)索引mn輸出給存儲(chǔ)器，將小數(shù)間隔μn輸出給埃爾米特插值器；其中，頻率字fw是利用數(shù)據(jù)采樣間隔t1計(jì)算獲得的；其中，q為離散化的位數(shù)；存儲(chǔ)器進(jìn)一步根據(jù)所接收的基本點(diǎn)索引mn讀取存儲(chǔ)的距離數(shù)據(jù)d[mn]及速度數(shù)據(jù)t1·v[mn]，輸出給埃爾米特插值器；埃爾米特插值器根據(jù)三階分段埃爾米特插值構(gòu)建，用于根據(jù)輸入的d[mn]、t1·v[mn]和μn獲得插值后的距離p[n]，輸出至映射器；本埃爾米特插值器是兩個(gè)farrow濾波器并行結(jié)構(gòu)，插值器模型表達(dá)為：其中uj(mn)＝(d[mn-1]+(-1)jd[mn])bj，wj(mn)＝(t1v[mn-1]+(-1)j+1t1v[mn])cj其中{bj}與{cj}為兩個(gè)farrow濾波器的濾波器系數(shù)；映射器，用于將插值后的距離轉(zhuǎn)化為相位，即由距離引起的相位變化，輸出至信號(hào)調(diào)制模塊；信號(hào)調(diào)制模塊，用于采用常規(guī)技術(shù)產(chǎn)生本地信號(hào)相位，將由距離引起的相位變化與本模塊產(chǎn)生的信號(hào)相位進(jìn)行合并，再根據(jù)合并相位查表輸出信號(hào)并進(jìn)行調(diào)制，從而獲得模擬的測(cè)控通信信號(hào)。有益效果：本發(fā)明提出的基于分段三次埃爾米特插值的信號(hào)模擬技術(shù)相對(duì)于常規(guī)基于泰勒級(jí)數(shù)展開、最小二乘擬合等信號(hào)模擬技術(shù)，在模擬精度、實(shí)際運(yùn)動(dòng)物理規(guī)律等方面具有較為明顯的優(yōu)越優(yōu)勢(shì)，可以滿足航天測(cè)控系統(tǒng)對(duì)信號(hào)模擬器在功能和性能上的要求。其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：1、由于分段埃爾米特插值可以同時(shí)保證距離與速度的連續(xù)性，因此解決所模擬信號(hào)的相位、頻率抖動(dòng)問題，使信號(hào)模擬結(jié)果更符合實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律；2、相對(duì)于高階分段埃爾米特插值，三階分段埃爾米特插值不會(huì)引起龍格現(xiàn)象，降低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，并足以滿足模擬精度需求；3、埃爾米特插值可以由插值濾波器實(shí)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)泰勒級(jí)數(shù)展開及最小二乘擬合等技術(shù)采取的多級(jí)dds實(shí)現(xiàn)，其不會(huì)引起量化誤差累積，從而不需要額外的誤差補(bǔ)償算法，從而降低了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度；4、在相同條件下，埃爾米特插值法還會(huì)帶來更高的信號(hào)模擬精度，可以滿足高精度信號(hào)模擬器的設(shè)計(jì)需求。本發(fā)明所提出的基于分段三次埃爾米特插值的高精度測(cè)控通信信號(hào)模擬方法，顯著地提升了距離與速度的模擬精度，模擬結(jié)果更接近于實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并降低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。附圖說明圖1為基于分段三次埃爾米特插值的高精度測(cè)控通信信號(hào)的模擬方案框圖。圖2為埃爾米特插值器結(jié)構(gòu)框圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。本發(fā)明提供了一種高精度測(cè)控通信信號(hào)模擬方案，其核心思想是，采用分段三次埃爾米特插值實(shí)現(xiàn)，由于分段埃爾米特插值可以同時(shí)保證距離與速度的連續(xù)性，因此解決所模擬信號(hào)的相位、頻率抖動(dòng)問題；相比傳統(tǒng)dds實(shí)現(xiàn)方法，插值濾波器不存在量化誤差累計(jì)問題。因此，本發(fā)明引入分段三次埃爾米特插值方法實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)控通信信號(hào)模擬，從本質(zhì)上解決傳統(tǒng)方法的弊端，并提高模擬精度。首先，構(gòu)建埃爾米特插值器。已知距離d與速度v的等間隔采樣點(diǎn)集合{(d[k],v[k]):k∈z}，k為運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的采樣序號(hào)，運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的采樣間隔為t1，則分段三次埃爾米特插值多項(xiàng)式的表達(dá)式為：其中ek(t)，fk(t)分別表示為其中第k個(gè)數(shù)據(jù)的采樣時(shí)刻tk＝kt1。令時(shí)間t＝tk+δtt1，-1≤δt≤1，代入式(a1)與(a2)中，可得分段三次埃爾米特插值的濾波器形式表達(dá)式變形為：其中e(t)與f(t)為插值器的沖擊響應(yīng)，對(duì)上述結(jié)果離散化，令t＝nts，其中ts為模擬時(shí)鐘，再令則有其中uj(mn)＝(d[mn-1]+(-1)jd[mn])bj，wj(mn)＝(t1v[mn-1]+(-1)j+1t1v[mn])cj，(5)其中{bj}與{cj}為插值濾波器系數(shù)，由公式(2)得到，具體值參見表1。公式(4)是兩個(gè)farrow濾波器并行結(jié)構(gòu)的表達(dá)式，因此，埃爾米特插值器可以基于farrow濾波器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。j＝0j＝1j＝2j＝3cj0.5-0.7500.25bj0.125-0.125-0.1250.125表1埃爾米特插值器中兩個(gè)farrow濾波器的系數(shù)基于上述埃爾米特插值器，如圖1所示，本發(fā)明基于分段三次埃爾米特插值的高精度測(cè)控通信信號(hào)模擬方法的實(shí)現(xiàn)包括如下步驟：步驟1、根據(jù)待模擬目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)模型，通過數(shù)據(jù)采樣獲得離散化的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，包括距離d及速度v，并存儲(chǔ)至存儲(chǔ)器中；步驟2、利用運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的采樣間隔t1，獲得存儲(chǔ)器的基本點(diǎn)索引和插值的小數(shù)間隔μn＝nts/t1-mn；其中，n為離散化運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的索引，ts為模擬時(shí)鐘；步驟3、根據(jù)基本點(diǎn)索引mn從存儲(chǔ)器中讀取存儲(chǔ)的距離數(shù)據(jù)d[mn]及速度數(shù)據(jù)v[mn]，將讀取數(shù)據(jù)連同μn輸入至埃爾米特插值器；步驟4、利用三階分段埃爾米特插值構(gòu)建的埃爾米特插值器，根據(jù)輸入的d[mn]、v[mn]和μn按照埃爾米特插值器的表達(dá)式(4)和(5)進(jìn)行運(yùn)算，獲得插值后的距離p[n]。步驟5、插值后的距離p[n]轉(zhuǎn)化為相位即由距離引起的相位變化。根據(jù)距離與相位之間的關(guān)系，由傳輸延時(shí)引起的相位延時(shí)為：其中，c為光速，f為待模擬信號(hào)頻率，可以表示射頻載波頻率、數(shù)據(jù)速率或偽碼速率，則對(duì)應(yīng)的相位分別為載波相位延時(shí)、數(shù)據(jù)相位延時(shí)以及偽碼相位延時(shí)。步驟6、采用常規(guī)技術(shù)產(chǎn)生本地信號(hào)相位，將由距離引起的相位變化與本地信號(hào)相位進(jìn)行合并，再根據(jù)合并相位查表輸出信號(hào)并進(jìn)行調(diào)制，從而獲得模擬的測(cè)控通信信號(hào)。本步驟中，采用常規(guī)技術(shù)產(chǎn)生本地信號(hào)相位、根據(jù)合并相位查表輸出信號(hào)以及進(jìn)行調(diào)制，均與現(xiàn)有技術(shù)相同，具體來說，本步驟包括如下子步驟：(1)產(chǎn)生本地信號(hào)相位包括本地載波相位、本地?cái)?shù)據(jù)相位及本地偽碼相位；(2)將本地信號(hào)相位與信號(hào)相位延時(shí)量合并，產(chǎn)生最終的信號(hào)相位包括載波相位、數(shù)據(jù)相位及偽碼相位；(3)根據(jù)相位/信號(hào)映射關(guān)系，通過查表，將合并后的信號(hào)相位映射為信號(hào)，包括載波信號(hào)c[n]、數(shù)據(jù)信號(hào)d[n]及偽碼信號(hào)pn[n]；(4)將載波、數(shù)據(jù)及偽碼信號(hào)進(jìn)行bpsk-dsss調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)高精度的高動(dòng)態(tài)測(cè)控通信信號(hào)s[n]的模擬?；谏鲜龇桨?，本發(fā)明提供了一種基于分段三次埃爾米特插值的高精度測(cè)控通信信號(hào)模擬裝置，其包括動(dòng)態(tài)模擬模塊和信號(hào)調(diào)制模塊；動(dòng)態(tài)模擬模塊包括存儲(chǔ)器、數(shù)控振蕩器、埃爾米特插值器和映射器。存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)來自外部的離散化的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，包括d和t1·v；其中，d和v分別為根據(jù)待模擬目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)模型通過數(shù)據(jù)采樣獲得的離散化的距離及速度，t1為數(shù)據(jù)采樣間隔；數(shù)控振蕩器，用于對(duì)接收自外部的頻率字fw進(jìn)行累加，獲得基本點(diǎn)索引和小數(shù)間隔μn＝nts/t1-mn，其中，n為離散化運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的索引，ts為本模擬裝置的模擬時(shí)鐘；將基本點(diǎn)索引mn輸出給存儲(chǔ)器，將小數(shù)間隔μn輸出給埃爾米特插值器；其中，頻率字fw是利用數(shù)據(jù)采樣間隔t1計(jì)算獲得。其中，q為離散化的位數(shù)。存儲(chǔ)器進(jìn)一步根據(jù)所接收的基本點(diǎn)索引mn讀取存儲(chǔ)的距離數(shù)據(jù)d[mn]及速度數(shù)據(jù)t1·v[mn]，輸出給埃爾米特插值器。埃爾米特插值器根據(jù)三階分段埃爾米特插值構(gòu)建，用于根據(jù)輸入的d[mn]、t1·v[mn]和μn獲得插值后的距離p[n]，輸出至映射器；本埃爾米特插值器是兩個(gè)farrow濾波器并行結(jié)構(gòu)，插值器模型表達(dá)為：其中uj(mn)＝(d[mn-1]+(-1)jd[mn])bj，wj(mn)＝(t1v[mn-1]+(-1)j+1t1v[mn])cj其中{bj}與{cj}為兩個(gè)farrow濾波器的濾波器系數(shù)。映射器，用于將插值后的距離轉(zhuǎn)化為相位，即由距離引起的相位變化，輸出至信號(hào)調(diào)制模塊。信號(hào)調(diào)制模塊，用于采用常規(guī)技術(shù)產(chǎn)生本地信號(hào)相位，將由距離引起的相位變化與本模塊產(chǎn)生的信號(hào)相位進(jìn)行合并，再根據(jù)合并相位查表輸出信號(hào)并進(jìn)行調(diào)制，從而獲得模擬的測(cè)控通信信號(hào)。該信號(hào)調(diào)制模塊的工作與現(xiàn)有技術(shù)相同，參見前文方法的步驟6，這里不贅述。綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁12