本發(fā)明屬于航天測控通信、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控通信信號模擬方法和裝置。
背景技術(shù)：
：無論是航天測控通信、衛(wèi)星導(dǎo)航定位還是衛(wèi)星通信領(lǐng)域，它們均工作在高動態(tài)環(huán)境下，為了測試和驗證系統(tǒng)的測量性能以及對多普勒效應(yīng)的處理能力，需要信號模擬器對信號的高動態(tài)特性實現(xiàn)高精度模擬。由于高動態(tài)信號模擬器的研制涉及許多復(fù)雜技術(shù)，因此一直是航天測控領(lǐng)域的研究熱點之一。距離的分段多項式近似是一種常用的信號模擬方法，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實現(xiàn)。這一類方法存在兩方面問題：(1)沒有約束分段多項式及其一階導(dǎo)數(shù)在各段間的連續(xù)性，致使距離與速度在分段節(jié)點處發(fā)生跳變，不滿足物理運動規(guī)律，并引起信號相位、頻率抖動；(2)dds會引起量化誤差累積，降低模擬精度。目前，國內(nèi)外針對高精度測控通信信號模擬主要集中在三個方面：(1)提高多項式階次、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》第34卷第552頁至558頁由范志良等人發(fā)表的《高動態(tài)衛(wèi)星信號模擬器四階相位合成器設(shè)計》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式對星地距離進(jìn)行近似，從而提升了測控通信信號的模擬精度，但該方法同樣基于dds實現(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年周揚發(fā)表的北京理工大學(xué)博士學(xué)位論文“通用化測控信道模擬器關(guān)鍵技術(shù)研究”中，提出了一種多階dds量化誤差修正算法。通過對上一分段的量化累積誤差進(jìn)行估計，并在當(dāng)前分段對上一分段累計誤差進(jìn)行修正。同時對距離連續(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，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，由于需要估計量化累計誤差，因此該方法實現(xiàn)復(fù)雜度較高。因此，現(xiàn)有技術(shù)均沒有徹底解決信號相位頻率抖動以及量化誤差累積的問題。技術(shù)實現(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控通信信號的模擬方法和裝置，該方案基于插值濾波器實現(xiàn)，分段埃爾米特插值可以同時保證距離與速度的連續(xù)性，從而解決所模擬信號的相位、頻率抖動問題；相比傳統(tǒng)dds實現(xiàn)方法，插值濾波器不存在量化誤差累計問題。因此，本發(fā)明引入分段三次埃爾米特插值方法實現(xiàn)高精度測控通信信號模擬，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)明是這樣實現(xiàn)的：一種基于分段三次埃爾米特插值的高精度測控通信信號模擬方法，包括：步驟1、根據(jù)待模擬目標(biāo)的運動模型，通過數(shù)據(jù)采樣獲得離散化的運動數(shù)據(jù)，包括距離d及速度v，并存儲至存儲器中；步驟2、利用步驟1數(shù)據(jù)采樣的采樣間隔t1，獲得存儲器的基本點索引和插值的小數(shù)間隔μn＝nts/t1-mn；其中，n為離散化運動數(shù)據(jù)的索引，ts為模擬時鐘；步驟3、根據(jù)基本點索引mn從存儲器中讀取距離數(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farrow濾波器并行結(jié)構(gòu)，{bj}與{cj}為已知的兩個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)生本地信號相位，將由距離引起的相位變化與本地信號相位進(jìn)行合并，再根據(jù)合并相位查表輸出信號并進(jìn)行調(diào)制，從而獲得模擬的測控通信信號。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控通信信號模擬裝置，包括動態(tài)模擬模塊和信號調(diào)制模塊；動態(tài)模擬模塊包括存儲器、數(shù)控振蕩器、埃爾米特插值器和映射器；存儲器，用于存儲來自外部的離散化的運動數(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)的運動模型通過數(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，用于對接收自外部的頻率字fw進(jìn)行累加，獲得基本點索引和小數(shù)間隔μn＝nts/t1-mn，其中，n為離散化運動數(shù)據(jù)的索引，ts為本模擬裝置的模擬時鐘；將基本點索引mn輸出給存儲器，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計算獲得的；其中，q為離散化的位數(shù)；存儲器進(jìn)一步根據(jù)所接收的基本點索引mn讀取存儲的距離數(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，輸出至信號調(diào)制模塊；信號調(diào)制模塊，用于采用常規(guī)技術(shù)產(chǎn)生本地信號相位，將由距離引起的相位變化與本模塊產(chǎn)生的信號相位進(jìn)行合并，再根據(jù)合并相位查表輸出信號并進(jìn)行調(diào)制，從而獲得模擬的測控通信信號。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模擬技術(shù)相對于常規(guī)基于泰勒級數(shù)展開、最小二乘擬合等信號模擬技術(shù)，在模擬精度、實際運動物理規(guī)律等方面具有較為明顯的優(yōu)越優(yōu)勢，可以滿足航天測控系統(tǒng)對信號模擬器在功能和性能上的要求。其優(yōu)點主要體現(xiàn)在：1、由于分段埃爾米特插值可以同時保證距離與速度的連續(xù)性，因此解決所模擬信號的相位、頻率抖動問題，使信號模擬結(jié)果更符合實際運動規(guī)律；2、相對于高階分段埃爾米特插值，三階分段埃爾米特插值不會引起龍格現(xiàn)象，降低實現(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現(xiàn)，相比傳統(tǒng)泰勒級數(shù)展開及最小二乘擬合等技術(shù)采取的多級dds實現(xiàn)，其不會引起量化誤差累積，從而不需要額外的誤差補償算法，從而降低了實現(xiàn)復(fù)雜度；4、在相同條件下，埃爾米特插值法還會帶來更高的信號模擬精度，可以滿足高精度信號模擬器的設(shè)計需求。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控通信信號模擬方法，顯著地提升了距離與速度的模擬精度，模擬結(jié)果更接近于實際運動規(guī)律，并降低實現(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控通信信號的模擬方案框圖。圖2為埃爾米特插值器結(jié)構(gòu)框圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。本發(fā)明提供了一種高精度測控通信信號模擬方案，其核心思想是，采用分段三次埃爾米特插值實現(xiàn)，由于分段埃爾米特插值可以同時保證距離與速度的連續(xù)性，因此解決所模擬信號的相位、頻率抖動問題；相比傳統(tǒng)dds實現(xiàn)方法，插值濾波器不存在量化誤差累計問題。因此，本發(fā)明引入分段三次埃爾米特插值方法實現(xiàn)高精度測控通信信號模擬，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的等間隔采樣點集合{(d[k],v[k]):k∈z}，k為運動數(shù)據(jù)的采樣序號，運動數(shù)據(jù)的采樣間隔為t1，則分段三次埃爾米特插值多項式的表達(dá)式為：其中ek(t)，fk(t)分別表示為其中第k個數(shù)據(jù)的采樣時刻tk＝kt1。令時間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)，對上述結(jié)果離散化，令t＝nts，其中ts為模擬時鐘，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控通信信號模擬方法的實現(xiàn)包括如下步驟：步驟1、根據(jù)待模擬目標(biāo)的運動模型，通過數(shù)據(jù)采樣獲得離散化的運動數(shù)據(jù)，包括距離d及速度v，并存儲至存儲器中；步驟2、利用運動數(shù)據(jù)的采樣間隔t1，獲得存儲器的基本點索引和插值的小數(shù)間隔μn＝nts/t1-mn；其中，n為離散化運動數(shù)據(jù)的索引，ts為模擬時鐘；步驟3、根據(jù)基本點索引mn從存儲器中讀取存儲的距離數(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，由傳輸延時引起的相位延時為：其中，c為光速，f為待模擬信號頻率，可以表示射頻載波頻率、數(shù)據(jù)速率或偽碼速率，則對應(yīng)的相位分別為載波相位延時、數(shù)據(jù)相位延時以及偽碼相位延時。步驟6、采用常規(guī)技術(shù)產(chǎn)生本地信號相位，將由距離引起的相位變化與本地信號相位進(jìn)行合并，再根據(jù)合并相位查表輸出信號并進(jìn)行調(diào)制，從而獲得模擬的測控通信信號。本步驟中，采用常規(guī)技術(shù)產(chǎn)生本地信號相位、根據(jù)合并相位查表輸出信號以及進(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)生本地信號相位包括本地載波相位、本地數(shù)據(jù)相位及本地偽碼相位；(2)將本地信號相位與信號相位延時量合并，產(chǎn)生最終的信號相位包括載波相位、數(shù)據(jù)相位及偽碼相位；(3)根據(jù)相位/信號映射關(guān)系，通過查表，將合并后的信號相位映射為信號，包括載波信號c[n]、數(shù)據(jù)信號d[n]及偽碼信號pn[n]；(4)將載波、數(shù)據(jù)及偽碼信號進(jìn)行bpsk-dsss調(diào)制，從而實現(xiàn)高精度的高動態(tài)測控通信信號s[n]的模擬。基于上述方案，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控通信信號模擬裝置，其包括動態(tài)模擬模塊和信號調(diào)制模塊；動態(tài)模擬模塊包括存儲器、數(shù)控振蕩器、埃爾米特插值器和映射器。存儲器，用于存儲來自外部的離散化的運動數(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)的運動模型通過數(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，用于對接收自外部的頻率字fw進(jìn)行累加，獲得基本點索引和小數(shù)間隔μn＝nts/t1-mn，其中，n為離散化運動數(shù)據(jù)的索引，ts為本模擬裝置的模擬時鐘；將基本點索引mn輸出給存儲器，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計算獲得。其中，q為離散化的位數(shù)。存儲器進(jìn)一步根據(jù)所接收的基本點索引mn讀取存儲的距離數(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，輸出至信號調(diào)制模塊。信號調(diào)制模塊，用于采用常規(guī)技術(shù)產(chǎn)生本地信號相位，將由距離引起的相位變化與本模塊產(chǎn)生的信號相位進(jìn)行合并，再根據(jù)合并相位查表輸出信號并進(jìn)行調(diào)制，從而獲得模擬的測控通信信號。該信號調(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