高动态跳频载波跟踪技术

　　摘要：在无人机或导弹等高速运动目标间建立稳定、可靠的通信链路，需要突破高动态下的载波跟踪技术，考虑跳频通信系统的突发传输模式，本文提出了基于开环最大似然估计和扩展卡尔曼滤波跟踪算法的高动态载波信号跟踪技术。通过理论和仿真分析证实了该算法可有效克服了传统环路的缺点，能够在低载噪比下稳定工作且跟踪频率误差小，可快速实现高动态环境下载波跟踪。尤其对于初速度为300m/s，初始加速度为15g，加加速度为60g/s的高动态场景，本算法在低载噪比为35dB-Hz时锁定不同跳频频率时的锁定时间缩短到传统算法的1%~20%之间，效果显著。

　　关键词：载波跟踪;最大似然估计;高动态;扩展卡尔曼滤波器;

　　引言复杂的战场环境下，无人机、导弹等高速飞行体在高动态环境下的通信问题已日益成为研究热点。为了保障战场作战与指挥，无线电通信日益成为了战场上通信的重要手段。但无线电通信容易受到不同类型的干扰，尤其对于短波通信领域，不但会遭到雷电、工业等自然干扰，而且敌方人为地跟踪、阻塞、多径干扰等各种通信干扰也会影响其正常通信[1]，所以提高短波通信抗干扰能力和通信性能，就成了无线电通信技术的首要任务，扩频通信中的跳频通信技术由于具有很强的抗搜索、抗截获、抗干扰能力[2]，成为了无线通信中重要的抗干扰手段。

　　在无线电通信中，高动态环境是指收发双方具有较高相对运动速度的应用场景。在高动态的环境中，无人机或导弹之间存在着大的相对速度、加速度和加加速度，这将会产生大的多普勒频移及其高阶量，使得高动态下的载波跟踪[3]成为系统的关键技术难点之一。

　　国内外针对于高动态下的载波跟踪技术已取得了一定的技术进展。载波跟踪是载波同步中的关键。载波跟踪[4]的锁相环结构就是利用窄带跟踪滤波器去跟踪输入信号载波的频率与相位的变化，窄带跟踪滤波器的输出就是需要提取的放大的载波信号。载波跟踪技术结构中最广泛使用的是科斯塔斯锁相环，但由于环路在高动态环境下会发生抖动、频率周期滑动，从而导致跟踪相位的不连续，同时噪声也会增大环路抖动，故而涌现了一些载波跟踪锁相环环路的改进方法[5,6]。

　　然而这些方法需增大环路带宽来提高动态性能;此外，更多的噪声会通过环路滤波器降低跟踪精度，尤其是在低载噪比的情况下，大的噪声功率会使载波跟踪环失锁。纵观前人的研究，可知解决这一矛盾的方式即在传统结构中嵌入算法[7]或改进环路结构提高环路对动态环境的容忍度。目前流行的一种最优的估计方法是卡尔曼滤波[8]，它利用实时状态估计减少噪声的影响，不断地递推、修正估计过程，得到关于状态变量的一个最优估计。该方法运算过程中数据量小，可用于动态实时场景。

　　传统跳频系统的载波跟踪利用收发双方预先知道的跳频图案和当前运动载体速度测量值估计出下一个跳频驻留时间开始时刻引入的多普勒捷变量[9]，并把它及时补偿到跟踪环路的数字控制振荡器(numericallycontrolledoscillator，NCO)调整误差量中，极少涉及结合卡尔曼滤波算法的高动态环境下的载波跟踪。本文首先简要介绍目前广泛应用的跳频系统载波跟踪结构;针对跳频的突发传输[10]、高动态环境等特点提出开环估计协同闭环扩展卡尔曼滤波的载波跟踪方法，能够快速锁定载波频率，适应高动态环境能力强，不易失锁、无需增大环路带宽，从而使得进入滤波器的噪声变小。同时，基于最大似然估计的开环估计[11]对精确锁定载波有着重要作用。

　　1跳频系统载波跟踪简介

　　战场环境中为了保证通信不被干扰，常采用跳频系统进行抗干扰。跳频通信系统广泛使用时分多址(timedivisionmultipleaccess,TDMA)技术，突发模式传输是其主要的技术特点，但以突发模式传输，接收到的信号只持续有限的一段时间，这就要求载波的同步捕获跟踪必须在有限的时间内处理完。

　　传统科斯塔斯锁相环路由于其较高的锁频稳定性得到了广泛的应用，考虑到战场环境的高动态，引起载波环多普勒频移的因素有：(1)导弹、无人机等载体自身运动和不规则的振动带来的多普勒频率偏移和多普勒变化率;(2)跳频跳变可能带来的多普勒频偏的异常大值这两方面因素致使载波环路变得难以锁定甚至失锁。为了解决这一难题，有学者提出了基于跳频图案辅助的科斯塔斯锁相环。

　　它根据当前跳频点的弹体速度和对应时刻的载波频率，预测出下一个跳频点处的多普勒变化值，当切换到下一个跳频点时，在环路中累加预测出的多普勒变化值，从而避免由于载频高阶变化量带来的环路瞬变，使环路始终处于稳态。捕获模块提供的弹体初始速度可用于跳频图案辅助，即当多普勒变化量不超过系统跟踪带宽，用当前多普勒变化量预测下一帧变化，并用于跟踪捕获时的多普勒变化量补偿，以此，提高跟踪补偿算法在高动态下的容忍能力。

　　这种改进措施只适用于载体机动能力差多普勒频移较小且不存在高阶频率变化。由于无人机、导弹间有着相对高的运动速度及其一阶、二阶变化量，它会导致在载频上引起很大的多普勒频移甚至更高阶的频移变量，此时若继续采用传统的科斯塔斯锁相环路，则必须增大载波跟踪环的噪声带宽[12]以适应高动态环境，但环路噪声带宽的增加必然导致环路滤波器进入更多的信号带外噪声，使载波跟踪精度大大降低，若环路接收低载噪比信号时，噪声平均幅值大于所设门限从而导致频率检测精度下降、测频误差大[13]。为此，本文提出了有效解决上述问题的改进的跳频系统高动态载波跟踪算法，不但保证了跟踪精度，而且可以快速锁定频率。

　　2改进的跳频系统高动态载波跟踪

　　上文所提及的传统载波跟踪环路只适用于较低动态环境，对实时性和精度的要求较低，虽然采用跳频图案辅助对载波频率进行辅助估计，但是在高动态环境下，这种估计的精度较低，误差也相对较大。本文介绍一种基于开环MLE估计和闭环扩展卡尔曼滤波器的高动态载波跟踪算法，在高动态、低载噪比下，实时性和精度有着大幅度的提升。依托传统的科斯塔斯环路结构设计，设计出一种开环MLE估计和闭环扩展卡尔曼结构相结合的跟踪环路结构。

　　扩展卡尔曼滤波器具备滤波器和鉴相器的双重功能，但扩展卡尔曼算法对非线性有一定适应性，提高了跟踪算法二阶或三阶动态适应性和载波相位跟踪精度，从一定程度上弥补了传统环路带宽限制的影响，且能够在低载噪比时精确估计出高动态信号的多普勒变化，从而对高动态信号实现高精度稳定跟踪。

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　　3结论

　　本文在查阅了国内外的高动态载波跟踪技术的基础上针对通信抗干扰的跳频系统突发传输的特点，提出了开环MLE估计和闭环扩展卡尔曼滤波的跟踪环路结构，克服了传统环路的缺点，经仿真和分析得出结论：改进的环路能够快速稳定地跟踪高动态下的跳频载波信号且跟踪精度较高，除此之外，在相同条件下跟踪误差要小于传统科斯塔斯环路，尤其是在低载噪比下，优势更加明显。因此，新设计的环路可以更加适应高动态环境下的载波跟踪。

　　参考文献

　　[1]常海锐,王峰.防空导弹武器系统无线通信抗干扰能力分析[J].现代防御技术,2020, 48(6):60-66.CHANGHR,WANGF.Analysisonantijammingabilityofwirelesscommunicationofairdefensemissileweaponsystem[J].ModernDefenseTechnology,2020,48(6):60-66.

　　[2]KOSTIZ.Performanceandimplementationofdynamicfrequencyhoppinginlimited-bandwidth[J].IEEETrans.onWirelessCommunications,2002,1(1):28-35.

　　[3]MUHAMMADT,PRESTILL,FANTINOM.Anovelquasi-openlooparchitectureforGNSScarrierrecoverysystems[J].InternationalJournalofNavigationandObservation,2012.DOI:10.1155/2012/324858.

　　[4]GRAASFV,SOLOVIEVA,DEHAAGMU.Closed-loopsequentialsignalprocessingandopen-loopbatchprocessingapproachesforGNSSreceiverdesign[J],IEEEJournalofSelectedTopicsinSignalProcessing,2009,3(4):571-586,.

　　作者：刘艺*，周晓雄，程广俊

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