本发明涉及空天地海一体化通信技术领域，具体涉及一种低轨卫星高动态突发信号快速参数估计方法。
背景技术：
空天地海一体化信息网络采用不同轨道、种类及性能的卫星组成覆盖全球的卫星星座网络平台，通过星间及星地链路将空中、陆地及海上的信息平台联合，进行信息的高效传输、准确获取及快速处理。在空天地一体化信息网络中，卫星起着关键的作用，是空中、陆地及海上的信息平台联合枢纽，将相对分散的信息平台联合成有机的整体。
低轨卫星网络作为卫星网络的重要的组成部分，相对于地面移动通信系统的覆盖范围有限及自然地理障碍等劣势，低轨卫星系统成为地面移动通信系统的重要补充；相对于高轨卫星通信系统、中轨卫星通信系统，低轨卫星通信系统，组网灵活，卫星运行轨道低，星地链路传输时延较小，并且可以与高轨卫星、中轨卫星等轨道卫星组成天基系统。
然而，低轨卫星对于地面静止目标本身就存在极高的相对运动速度，当卫星链路另一端连接的目标载体为高速机载/弹载平台或是其它空间飞行器时，通信双方的相对运动速度更高，称为高动态通信链路。对于高动态通信链路，较高的相对运动速度反映到信号层面则表现为强多普勒效应，即接收信号存在较大的载波频率偏移。另一方面，由于通信卫星绕地心作圆周运动，故其与通信目标载体的径向速度是时变的，随之产生的载波多普勒频偏也具有时变特性，即载波频偏具有一定的高阶变化率。特别是当目标载体为飞机、导弹等高速、高机动平台时，多普勒效应更为显著。这就给突发信号参数估计带来了严峻的挑战，特别对于低轨卫星载荷功率受限或低接收信噪比应用场合，这一问题则显得更为尖锐。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种低轨卫星高动态突发信号快速参数估计方法。
一方面，本发明提供了一种低轨卫星高动态突发信号快速参数估计方法，所述方法包括如下述步骤：
s1：对接收到的信号r(n)连续截取l点
s2：在最大可能调频率范围[-fmax,fmax]内，以步进值δf逐一对接收信号r(n)作调频率消去，得到rm(n)；
s3：对rm(n)在作l点做fft计算，得到幅频响应|rm(k)|；
s4：对|rm(k)|按变量k求峰均比，得到pm；
s5：在pm中选出最大值pmax，记其对应的m值为m0，
s6：根据得到的第一级频率估计值f0_est0和第一级调频率估计值f1_est0，对接收信号r(n)作第一级频率估计值和第一级调频率估计值抵消，得到补偿后的信号r1(n)；
s7：对补偿后的信号r1(n)经抗混叠低通滤波器处理得到r2(n)，对r2(n)作n倍降采样得到信号r3(pt1)；
s8:在残余调频率范围[-δf,δf]内，以δf′为步进，对r3(pt1)重新执行步骤s1到步骤s4，其中fft点数降为l/n，得到第二级频率估计值f0_est1和第二级调频率估计值f1_est1；
s9：将第一级频率估计值和第二级频率估计值叠加，将第一级调频率估计值和第二级调频率估计值叠加，得到假设条件下n＝0时刻的频率估计值f0_est(0)和调频率估计值f1_est(0)；
s10：将r(n)向后滑动w点后，再连续截取l点，并重新执行步骤s2-s9，计算得到假设条件下n＝w时刻的频率估计值f0_est(w)和初始调频率估计值f1_est(w)；
s11：根据得到的n＝0和n＝w时刻的频率估计值和调频率估计值，计算得到初始频率估计
可选的，所述初始频率估计
可选的，所述初始频率一阶导数估计量
可选的，所述初始频率二阶导数估计量
可选的，所述抗混叠低通滤波器为滤除一些杂散，其计算表达式为：
可选的，在最大可能调频率范围[-fmax,fmax]内，以步进值δf逐一对接收信号r(n)作调频率消去，得到rm(n)的计算表达式如下：rm(n)＝r(n)*exp[-jπmδf(nt)2]，其中，
可选的，对rm(n)在作l点做fft计算，得到幅频响应|rm(k)|的计算表达式如为：|rm(k)|＝|fft[rm(n)]|，其中k＝-l/2,-l/2 1,…,0,1,…,l/2-1。
可选的，所述第一级频率估计值f0_est0和第一级调频率估计值f1_est0的计算表达式如下：f0_est0＝k0/(lt)，f1_est0＝m0*δf。
可选的，补偿后的信号r1(n)的计算表达式如为：
可选的，所述第二级频率估计值f0_est1和第二级调频率估计值f1_est1的计算表达式如下：f0_est1＝k1/(lt)，f1_est1＝m1*δf′。
本发明的有益效果体现在：
(1)本发明一种低轨卫星高动态突发信号快速参数估计方法，该算法基于两级调频率逼近的fft峰均比检测法，通过设置两个不同的调频率搜索步进，对接收信号进行调频率消去并作fft峰均比检测，最终将搜索得到的最大峰均比对应的频率、调频率值作为所需参数估计量；
(2)本发明一种低轨卫星高动态突发信号快速参数估计方法，该算法不仅能够估计频偏，还可以对频率一阶导数、二阶倒数进行估计，并且计算复杂度也不高。
(3)本发明一种低轨卫星高动态突发信号快速参数估计方法，该算法采用分两步实现参数估计的信号参数估计方法，具有原理简单、所需运算量低等特点，且能够在低信噪比、高动态环境中稳定工作；
(4)本发明一种低轨卫星高动态突发信号快速参数估计方法，该算法采用抗混叠低通滤波器，通过对第一级调频率补偿后的信号进行滤除杂散，从而提高对第二次频率参数估计的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1是本发明低轨卫星高动态突发信号快速参数估计方法的流程示意图；
图2是本发明高动态环境下的频率及其各阶导数变化规律图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
目前，接收信号存在较大的载波频率偏移，载波频偏具有一定的高阶变化率；为了解决上述问题，所以有必要，研制一种低轨卫星高动态突发信号快速参数估计方法，能够在低轨卫星移动通信高动态链路以及低信噪比环境下快速实现信号参数估计。
该方法采用高阶项逐级消去实现参数估计，通过设置两个不同的调频率搜索步进，对接收信号进行调频率消去并作fft峰均比检测，最终将搜索得到的最大峰均比对应的频率、调频率值作为所需参数估计量。
本发明具体实施方式提供一种低轨卫星高动态突发信号快速参数估计方法，该方法如图1-2所示，包括如下步骤：
在步骤s1中，对接收到的信号r(n)连续截取l点。
在步骤s2中，在最大可能调频率范围[-fmax,fmax]内，以步进值δf逐一对接收信号r(n)作调频率消去，得到rm(n)。
在本发明实施例中，其中计算rm(n)的计算表达式为：rm(n)＝r(n)*exp[-jπmδf(nt)2]，其中，
在步骤s3中，对rm(n)在作l点做fft计算，得到幅频响应|rm(k)|。
在本发明实施例中，其中幅频响应|rm(k)|的计算表达式为：|rm(k)|＝|fft[rm(n)]|，其中k＝-l/2,-l/2 1,…,0,1,…,l/2-1。
在步骤s4中，对|rm(k)|按变量k求峰均比，得到pm。
在本发明实施例中，其中峰均比为最大值与平均值之比，对|rm(k)|按变量k求峰均比的计算表达式为：
在步骤s5中，在pm中选出最大值pmax，记其对应的m值为m0，
在本发明实施例中，其中第一级频率估计值f0_est0和第一级调频率估计值f1_est0的计算表达式分别为：f0_est0＝k0/(lt)，f1_est0＝m0*δf。
在步骤s6中，根据得到的第一级频率估计值f0_est0和第一级调频率估计值f1_est0，对接收信号r(n)作第一级频率估计值和第一级调频率估计值抵消，得到补偿后的信号r1(n)。
在本发明实施例中，其中补偿后的信号r1(n)的计算表达式为：
在步骤s7中，对补偿后的信号r1(n)经抗混叠低通滤波器处理得到r2(n)，对r2(n)作n倍降采样得到信号r3(pt1)。
在本发明实施例中，所述抗混叠低通滤波器为滤除一些杂散，其计算表达式为：
在步骤s8中，在残余调频率范围[-δf,δf]内，以δf′为步进，对r3(pt1)重新执行步骤s1到步骤s4，其中fft点数降为l/n，得到第二级频率估计值f0_est1和第二级调频率估计值f1_est1。
在本发明实施例中，第二级频率估计值f0_est1和第二调频率估计值f1_est1的计算表达式分别为：f0_est1＝k1/(lt)，f1_est1＝m1*δf′。
在步骤s9中，将第一级频率估计值和第二级频率估计值叠加，将第一级调频率估计值和第二级调频率估计值叠加，得到假设条件下n＝0时刻的频率估计值f0_est(0)和调频率估计值f1_est(0)。
在本发明实施例中，频率估计值f0_est(0)和调频率估计值f1_est(0)的计算表达式为
在步骤s10中，将r(n)向后滑动w点后，再连续截取l点，并重新执行步骤s2-s9，计算得到假设条件下n＝w时刻的频率估计值f0_est(w)和初始调频率估计值f1_est(w)。
在步骤s11中，根据得到的n＝0和n＝w时刻的频率估计值和调频率估计值，计算得到初始频率估计
在本发明实施例中，重新考虑频率二阶导数对频率和调频率的影响，所述初始频率估计
将上述所设一种低轨卫星高动态突发信号快速参数估计方法，应用到实际当中，高动态环境下的频率及其各阶导数变化规律是多种多样的，图2为本发明给出的一种高动态环境下的频率及其各阶导数变化规律测试，最大频率范围±48.43khz，最大频率变化率范围±3.12khz，并具有一定的二阶频率变化分量。本发明中的频率及其一、二阶导数变化规律即为从图2中任意随机起点开始连续截取δt＝0.32秒时间长度产生的。
本发明设计了一种低轨卫星高动态突发信号快速参数估计方法，该方法采用高阶项逐级消去实现参数估计，通过设置两个不同的调频率搜索步进，对接收信号进行调频率消去并作fft峰均比检测，最终将搜索得到的最大峰均比对应的频率、调频率值作为所需参数估计量。该算法基于两级调频率逼近的fft峰均比检测法，通过设置两个不同的调频率搜索步进，对接收信号进行调频率消去并作fft峰均比检测，最终将搜索得到的最大峰均比对应的频率、调频率值作为所需参数估计量；该算法不仅能够估计频偏，还可以对频率一阶导数、二阶倒数进行估计，并且计算复杂度也不高；该算法采用分两步实现参数估计的信号参数估计方法，具有原理简单、所需运算量低等特点，且能够在低信噪比、高动态环境中稳定工作；该算法采用抗混叠低通滤波器，通过对第一级调频率补偿后的信号进行滤除杂散，从而提高对第二次频率参数估计的精度；该方法具有参数配置灵活、算法简单、计算复杂度低等的特点，能够在低轨卫星移动通信高动态链路以及低信噪比环境下快速实现信号参数估计。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
1.一种低轨卫星高动态突发信号快速参数估计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
s1：对接收到的信号r(n)连续截取l点；
s2：在最大可能调频率范围[-fmax,fmax]内，以步进值δf逐一对接收信号r(n)作调频率消去，得到rm(n)；
s3：对rm(n)在作l点做fft计算，得到幅频响应|rm(k)|；
s4：对|rm(k)|按变量k求峰均比，得到pm；
s5：在pm中选出最大值pmax，记其对应的m值为m0，
s6：根据得到的第一级频率估计值f0_est0和第一级调频率估计值f1_est0，对接收信号r(n)作第一级频率估计值和第一级调频率估计值抵消，得到补偿后的信号r1(n)；
s7：对补偿后的信号r1(n)经抗混叠低通滤波器处理得到r2(n)，对r2(n)作n倍降采样得到信号r3(pt1)；
s8:在残余调频率范围[-δf,δf]内，以δf′为步进，对r3(pt1)重新执行步骤s1到步骤s4，其中fft点数降为l/n，得到第二级频率估计值f0_est1和第二级调频率估计值f1_est1；
s9：将第一级频率估计值和第二级频率估计值叠加，将第一级调频率估计值和第二级调频率估计值叠加，得到假设条件下n＝0时刻的频率估计值f0_est(0)和调频率估计值f1_est(0)；
s10：将r(n)向后滑动w点后，再连续截取l点，并重新执行步骤s2-s9，计算得到假设条件下n＝w时刻的频率估计值f0_est(w)和初始调频率估计值f1_est(w)；
s11：根据得到的n＝0和n＝w时刻的频率估计值和调频率估计值，计算得到初始频率估计
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始频率估计
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始频率一阶导数估计量
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始频率二阶导数估计量
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述抗混叠低通滤波器为滤除一些杂散，其计算表达式为：
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在最大可能调频率范围[-fmax,fmax]内，以步进值δf逐一对接收信号r(n)作调频率消去，得到rm(n)的计算表达式如下：
rm(n)＝r(n)*exp[-jπmδf(nt)2]
其中，
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对rm(n)在作l点做fft计算，得到幅频响应|rm(k)|的计算表达式如为：|rm(k)|＝|fft[rm(n)]|，其中k＝-l/2,-l/2 1,…,0,1,…,l/2-1。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一级频率估计值f0_est0和第一级调频率估计值f1_est0的计算表达式如下：
f0_est0＝k0/(lt)
f1_est0＝m0*δf。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，补偿后的信号r1(n)的计算表达式如为：
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二级频率估计值f0_est1和第二级调频率估计值f1_est1的计算表达式如下：
f0_est1＝k1/(lt)
f1_est1＝m1*δf′。
技术总结