一种卫星搜救信号频率估计方法

摘要

一种卫星搜救信号频率估计方法，采用循环迭代的处理结构，利用窄带滤波器实现Kay快速频率估计方法对单频信号的要求，实现步骤如下：通过中地球轨道地面终端站接收卫星搜救信号，并对卫星搜救信号进行粗频率估计，设计带通滤波器BPF1的带宽；将信号通过第一带宽滤波器BPF1，得到信号s1，将s1分为两路；对,s1的一路进,-行下变频，之后通过一个抽取器进一步降低采样频率，并以抽取器的输出s2进行迭代估计；将s2通过第二带宽滤波器BPF2，并进行中等频率估计得到ω2，以ω2作为BPF2的中心频率再次对s2进行滤波，以此循环迭代，得到频率ω3作为滤波器BPF3的中心频率；将s1的另一路信号通过第三带宽滤波器BPF3，得到信号s3；对s3进行快速频率估计。

权利要求

1.一种卫星搜救信号频率估计方法，其特征在于:采用循环迭代的处理结构，利用窄带滤波器实现Kay快速频率估计方法对单频信号的要求，实现步骤如下：第一步，通过中地球轨道地面终端站(MEOLUT)接收卫星搜救信号，并对卫星搜救信号进行粗频率估计，得到频率ω1；

第二步，设计第一带通滤波器BPF1的带宽，使带宽涵盖信号粗频率估计的误差范围，并以ω1作为BPF1的初始中心频率；

第三步，将信号通过第一带通滤波器BPF1，得到信号s1，将s1分为两路；

第四步，对s1的一路进行下变频，之后通过一个抽取器进一步降低采样频率，并以抽取器的输出s2进行迭代估计；

第五步，将s2通过第二带通滤波器BPF2，并进行中等频率估计得到ω2，以ω2作为BPF2的中心频率再次对s2进行滤波，以此循环迭代，得到频率ω3作为第三带通滤波器BPF3的中心频率；

第六步，将s1的另一路信号通过第三带通滤波器BPF3，得到信号s3；

第七步，对s3进行快速频率估计。

说明书

一种卫星搜救信号频率估计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种高精度的卫星搜救信号的频率估计方法，属于卫星导航技术领域。

背景技术

[0002] 全球卫星搜救系统COSPAS-SARSAT于1979年由美国、前苏联、法国和加拿大四国联合建立，旨在向全球范围内各种船只、飞机和个人用户提供有效的搜索与救援SAR（Search And Rescue）服务。目前该系统有超过35个成员国，1994年中国也成为该组织的一员。在该系统运行的20多年中，截至2006年已成功进行了6167次搜救行动，成功救援超过22035名遇险人员，平均每天救起3人，在人道主义救援等领域起到了极其关键的作用。用户遇险时信标机发出求救信号，星上系统将接收到的406MHz信标信号转发至中地球轨道地面终端站（MEOLUT），地面站完成对信标信号的检测、信标信息提取和定位，并将结果报告给任务控制中心和地面救援中心。MEOLUT地面站对信标机的定位主要依靠对信标信号频率估计（FOA）和（TOA）的估计来完成。因此，信标信号FOA和TOA估计的精度决定了MEOLUT地面站对信标机位置定位的精度，要求TOA和FOA的误差分别不能超过7us和0.1Hz。

[0003] 对于单频估计,现在有很多可行的算法,比如Rife沿用了有限数量噪声离散观测中利用克莱默下限来估计单频率复音参数的方法,发明了基于离散傅里叶变换的最大似然估计算法。但是，基于DFT的算法需要很大的计算量用来搜索频谱峰值的位置。

[0004] 精确测量FOA可以采用PLL，但由于信号为短格式，为了缩短捕获时间必须增加环路带宽，但环路带宽增加则会降低噪声抑制能力，导致降低跟踪的精度，改进方法采用频率辅助方法将初始频差缩小到快捕带之内，这样可以保证在导频段内实现精确同步，但需要在PLL环之外一个额外的精确频率测量环节，增加了系统的复杂度。

[0005] 利用Kay提出的快速频率估计算法（Fast Frequency Estimator），在高信噪比（SNR）条件下能够快速、精确、高效地进行频率估计。但在MEOLUT地面站，在FOA测量之前，信号先通过信号检测单元，在这里信号的频率会被估计在几Hz的频率误差范围内，通过粗糙频率估计，快速频率估计算法对高信噪比的要求可以通过将信号先通过一个窄带带通滤波器来实现，该滤波器以信号检测单元得到的载波粗频率估计结果为中心频率。

发明内容

[0006] 本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种卫星搜救信号频率估计方法，能够在卫星搜救信号突发这么短的时间内完成精确地频率估计，估计精度较高；且计算复杂度低。

[0007] 本发明的技术解决方案：一种卫星搜救信号频率估计方法，采用循环迭代的处理结构，利用窄带滤波器实现Kay快速频率估计方法对单频信号的要求，实现步骤如下：

[0008] 第一步，通过中地球轨道地面终端站（MEOLUT）接收卫星搜救信号，并对卫星搜救信号进行粗频率估计，得到频率ω1；

[0009] 第二步，设计带通滤波器BPF1的带宽，使带宽涵盖信号粗频率估计的误差范围，并以ω1作为BPF1的初始中心频率；

[0010] 第三步，将信号通过第一带宽滤波器BPF1，得到信号s1，将s1分为两路；

[0011] 第四步，对,s1的一路进,-行下变频，之后通过一个抽取器进一步降低采样频率，并以抽取器的输出s2进行迭代估计；该第四步中下变频和抽取器能够有效降低运算量，提高运行效率；

[0012] 第五步，将s2通过第二带宽滤波器BPF2，并进行中等频率估计得到ω2，以ω2作为BPF2的中心频率再次对s2进行滤波，以此循环迭代，得到频率ω3作为滤波器BPF3的中心频率；

[0013] 第六步，将s1的另一路信号通过第三带宽滤波器BPF3，得到信号s3；

[0014] 第七步，对s3进行快速频率估计。

[0015] 所述第七步中快速频率估计采用修正的快速频率估计算法如下：

[0016] 地面接收信号的导频s3可以表示为：

[0017]

[0018] 其中，z(n)为噪声，A为信号幅度，ω0为载波频率，ω'为现行调频频率，T为信号周期，θ为初始相位，Z(n)为噪声。

[0019] 载波频率ω0的估计值为：

[0020]

[0021] 其中， N为n的上限； 为相邻采样点之间的相位差分信号

[0022]

[0023] 其中vQ(n)为等效相位噪声 A为信号幅度， 为噪声的方差； 为信号相位

[0024] 当高信噪比时，上述估计结果等效为：

[0025]

[0026] 利用修正的快速频率估计算法，得到线性调频ω'的估计值为：

[0027]

[0028] Δ为频率估计方差

[0029] H'为H的转置矩阵。

[0030] 本发明与现有技术相比的优点在于：

[0031] （1）本发明首先能够在卫星搜救信号突发这么短的时间内完成精确地频率估计，相对于锁相环法，本发明不需要进行长时间的跟踪，直接对信号进行滤波处理。

[0032] （2）通过滤除AM信号和BPSK的多数边带，可以等效为增加了载波的时间，由160ms扩展到了440ms，如图2所示。

[0033] （3）具有较低的计算复杂度，并通过降采样和抽取器进一步降低了运算量。而锁相环法需要额外的高精度估计来保证PLL的初始频率差异足够小，却增加了复杂度；

[0034] （4）通过迭代和窄带滤波器的配合使用，逐步缩小信号频率范围，滤除噪声，满足了Kay提出的快速频率估计方法对高信噪比和单频的要求。

[0035] （5）对快速频率估计算法进行了修正，地面站接收的信标信号是由伽里略卫星转发的，而由于卫星相对地面站的非匀速运动将产生多普勒频率漂移，这种漂移可以近似等效为对载波频率的线性调频。

[0036] （6）本发明使用迭代的方法，不断缩小频率范围，可以保证信号不会落于，并通过窄带滤波，满足了快速频率估计方法对信号单频和高信噪比的要求。

附图说明

[0037] 图1是本发明的总体流程图；

[0038] 图2是COSPAS-SARSAT搜救信号模型1——短格式；

[0039] 图3是COSPAS-SARSAT搜救信号模型2——长格式。

具体实施方式

[0040] 如图1所示，本发明具体实现如下。

[0041] 第一步，MELUT地面站接收卫星信号。

[0042] Galileo卫星是工作于中轨道的导航星座,搭载有搜救信号转发器,当有地面用户遇险时,遇险信号将被透明转发至地面站,完成信号的接收定位,并对用户实施救援。要解出信号所含帧信息需要完成对信标信号的跟踪解调,而这种信号具有突发(发送时刻随机)、短时(长格式520ms,短格式440ms)且发射频率未知的特点。

[0043] 信标信号经卫星转发后，传送到地面站，MELUT地面站接收信号由搜救信号和噪声两部分组成z(t)=y(t)+s(t)，s(t)为高斯白噪声信号，搜救信号y(t)分为长格式和短格式2种（如参考附图2、3所示），短格式信标信号持续时间约占440ms，其中纯载波约占160ms，数据约占280ms，开头为24比特前导同步序列，之后是88比特信标信息比特；长格式信标信号持续时间约占520ms，其中纯载波约占160ms，数据约占360ms，由24比特前导同步序列和12bit信标信息比特组成。信息的数据率约为400bps。信号先经过曼彻斯特编码，然后经过正负1.1rad的BPSK调制。

[0044] 信标信号公式表示：

[0045]

[0046] 其中m(n)=±1,n=1,2…224(或228)，代表第n个曼彻斯特编码后的信号，A0为信标信号的振幅，ωc为载波频率， 为载波的初始相位。

[0047] 信标突发信号经过伽利略中轨卫星到达MEOLUT地面站。地面站接收的信号为：

[0048]

[0049] 本发明将r(t)改写为两个信号的和，一个为标准的AM（调幅）信号r1(t)，另外一个为BPSK信号r2(t)，如下：

[0050] r(t)＝r1(t)+r2(t)

[0051]

[0052]

[0053]

[0054] 对接收信号进行粗频率估计，此处应用Kay的快速频率估计算法，得到频率ω1。

[0055] 第二步，带通滤波器BPF1的带宽设为100Hz，使其可以涵盖信号粗频率估计的误差范围，并以ω1作为BPF1的初始中心频率。信号r(t)通过窄带通滤波器BPF1后，AM信号和BPSK的多数边带会被滤除，得到接近载波的信号：

[0056]

[0057] ωr(t)＝ωc+ωd(t)

[0058] 其中ωd(t)为伽利略中轨道卫星径向移动引入的多普勒频移，由于径向运动的不确定性为时变且非线性的。由于信号突发的持续时间很短，可以忽略ωd(t)的高阶分量，因此可以由如下斜坡频率信号来很好地估计：

[0059] ωr(t)＝ωc+ωd0(t)+ωat

[0060] 其中ωd0(t)在突发中为常量，ωa是信号斜率。信标的频率估计是24比特同步序列部分边缘部分的瞬时频率测量值。由于ωa通常不到1Hz/s，而突发持续时间只有440ms或550ms，在突发时间内积累的频偏也不足1Hz，因此，载波可以被近似看做是单频信号，经典的高精度单频估计算法可以用来测量这个频率。

[0061] 第三步，将滤波器BPF1得到的信号s1分为两路。

[0062] 第四步，对,s1的一路进,-行下变频，中级估计分支中，信号首先下变频到300KHz左右，之后通过一个抽取器进一步降低采样频率到2KHz，并以抽取器的输出s2进行迭代估计，在每一次迭代中均使用快速频率估计算法。

[0063] 第五步，将s2通过滤波器BPF2，并进行中等频率估计得到ω2，以ω2作为BPF2的中心频率再次对s2进行滤波，以此循环迭代。得到频率ω3作为滤波器BPF3的中心频率，BPF3的带宽设为4KHz。

[0064] 第六步，将s1的另一路信号通过BPF3，得到信号s3。

[0065] 第七步，对s3，由于Kay的快速频率估计算法进适应于单频信号估计，地面站接收的信标信号是由伽里略卫星转发的，而由于卫星相对地面站的非匀速运动将产生多普勒频率漂移，这种漂移可以近似等效为对载波频率的线性调频，即地面接收信号的导频s3可以表示为：

[0066]

[0067] 其中，z(n)为噪声，A为信号幅度，ω0为载波频率，ω'为现行调频频率，T为信号周期，θ为初始相位，Z(n)为噪声。

[0068] 信噪比 较高时接收信号可以表示为：

[0069]

[0070] 此时信号相位为：

[0071]

[0072] 由于本发明只需要估计频率，不需要估计初相，可以通过差分方法避免问题。而相邻采样点之间的相位差分信号为：

[0073]

[0074] 其中vQ(n)为等效相位噪声 A为信号幅度， 为噪声的方差。

[0075] 载波频率ω0的最大似然估计可以等效为上述线性模型的最小方差无偏估计，即：

[0076] 其中

[0077] 从中可以推导得到：ω0的估计值：

[0078]

[0079] 其中， N为n的上限。

[0080] 当高信噪比时，上述估计结果可以等效为：

[0081]

[0082] 同时，利用修正的快速频率估计算法，还可以估计线性调频ω'的值，此时频率估计方差：

[0083]

[0084]

[0085] 频率估计：

[0086] H'为H的转置矩阵。