CN113359161B - 高动态卫星通信信号捕获方法、装置、介质及计算设备 - Google Patents

高动态卫星通信信号捕获方法、装置、介质及计算设备 Download PDF

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CN113359161B CN202110628819.2A CN202110628819A CN113359161B CN 113359161 B CN113359161 B CN 113359161B CN 202110628819 A CN202110628819 A CN 202110628819A CN 113359161 B CN113359161 B CN 113359161B
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Abstract

本发明涉及一种高动态卫星通信信号捕获方法、装置、介质及计算设备，其包括：对终端发送给卫星的信号进行采样，设置移动观测窗得到可观察序列；将可观察序列输入多普勒消除环路进行迭代计算，得到
Figure DDA0003096600400000011
和
Figure DDA0003096600400000012
判断多普勒消除环路计算的当前迭代次数是否大于总迭代次数，大于则进入消息传递环路，迭代计算
Figure DDA0003096600400000013
以
Figure DDA0003096600400000014
作为初始值进行码字约束环路迭代计算，得到
Figure DDA0003096600400000015
判断码字约束环路当前迭代次数是否大于循环总迭代次数；大于则判断l是否大于lmax，若l大于lmax，则根据
Figure DDA0003096600400000016
得到判决矩阵，通过判决矩阵得到估计的m序列的初始状态；进行捕获判决，捕获成功，反之捕获失败，返回将移动观测窗口移动到下一个观测位置，重新进行捕获。

Description

高动态卫星通信信号捕获方法、装置、介质及计算设备
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，特别是关于一种高动态卫星通信DSSS信号迭代捕获方法、装置、介质及计算设备。
背景技术
卫星通信系统可以在全球范围内为移动终端提供各种服务，在支持军事和民用领域的可靠信息服务方面具有巨大潜力。近年来，随着高移动终端技术的迅猛发展，高移动环境下的无线通信受到了学术界和工业界的广泛关注。与地面无线通信不同，为了提高卫星通信的抗干扰性能，直接扩频通信技术被广泛应用于卫星通信中。一般情况下，DSSS信号捕获是卫星系统的重要组成部分，接收机需要估计接收到的信号中的扩频码相位，因为没有一致的扩频码相位接收机就不能获得扩频处理增益。特别是伪噪声(PN)序列是目前最流行的扩频序列之一，在直扩系统中得到了广泛的应用。为了实现DSSS信号的捕获，接收机必须根据接收到的受多普勒效应影响的信号确定扩频码相位。然而，传统的卫星中的PN序列捕获技术在高动态卫星通信系统中应用时还存在一些亟待解决的问题。
一方面，为了保证移动终端对干扰和欺骗有更高的容忍度，PN序列相对于传统卫星通信系统要长一些，这必然导致计算复杂度提高，捕获时间增长。因此，与传统的卫星通信相比，长PN序列难以在计算复杂度较低的情况下实现快速的信号捕获。另一方面，高动态终端的高机动性往往会造成时变多普勒频偏和多普勒速率，这使得DSSS信号的捕获成为瓶颈。因为在时变多普勒频偏和多普勒频率下，难以估计接收序列中的伪码相位。一般来说，接收机的成本和效率取决于多普勒频偏搜索所消耗的时间和资源。特别地，考虑到PN序列相对较长，传统穷举搜索方法在搜索所有可能的PN码相位和离散多普勒频偏间隔时的硬件代价是不可接受的。因此，在高机动性环境下，实现低复杂度的长PN序列捕获对于高机动性通信系统具有重要意义。
现有文献中介绍了许多PN码捕获方法。然而，传统的捕获算法大多无法应对高机动性卫星通信的挑战。特别是，最常用的一种捕获策略是基于相关器的串行搜索策略，它可以通过穷举搜索的方式搜索相关峰的位置来估计PN码相位。然而，该方法在高动态环境下不能很好地工作，且PN序列较长时计算复杂度较高。随后有文献提出了并行搜索方法和基于快速傅里叶变换(FFT)的搜索方法，以减少多普勒频偏的影响，但硬件复杂度较高。总体而言，传统的PN码捕获方案大多没有考虑时变多普勒频偏和计算复杂度，难以应用于卫星高机动性通信系统。
通过以上分析，现有的PN序列捕获算法可以分为两类：相关捕获算法和非相关捕获算法。前者的性能主要取决于PN序列的长度，而后者的性能主要由各码片的约束强度来决定。不可否认,相关捕获算法通常可以取得更好的捕获性能在低信噪比的环境中,当接收到的PN序与本地序列相位是一致时可以获得比较理想的扩频增益,但大多数相关捕获算法不能很好地工作在高机动环境来实现快速长PN序列的捕获。一方面，大多数相关捕获算法难以补偿时变的多普勒频偏，使得接收机在没有完全同步的情况下难以获取扩频处理增益。另一方面，长PN序列通常会导致较高的计算复杂度，这在硬件成本上是不可接受的。与相关捕获算法相比，非相关捕获算法在高动态环境下能够获得更好的性能，因为可以利用每个码片的约束关系减少时变多普勒频偏的影响。也就是说，接收到的被多普勒效应破坏的PN序列可以通过逐码片处理的方式来获取编码增益。然而，目前大多数非相关捕获算法没有考虑时变多普勒频偏的影响。
发明内容
针对卫星高动态通信中的长扩频比、大多普勒频偏和时变多普勒变化率条件下的DSSS信号捕获问题，本发明的目的是提供一种高动态卫星通信DSSS信号迭代捕获方法、装置、介质及计算设备，其能提高动态环境下的信号捕获性能，并降低复杂度。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种高动态卫星通信信号捕获方法，其包括以下步骤：
步骤1、对终端发送给卫星的信号r(t)进行采样，并设置长度为N的移动观测窗得到可观察序列r；
步骤2、将可观察序列r输入多普勒消除环路，进行迭代计算，得到
Figure BDA0003096600380000031
和
Figure BDA0003096600380000032
其中，hn为信道函数节点；an为多普勒频偏变化率节点；f为多普勒频偏节点；
Figure BDA0003096600380000033
表示多普勒频偏节点传递到信道函数节点的消息；
Figure BDA0003096600380000034
表示多普勒频偏变化率节点传递到信道函数节点的消息；n表示索引号，取值为1，2，…，N；
步骤3、判断多普勒消除环路计算的当前迭代次数id是否大于总迭代次数Id，若大于，则进入消息传递环路，迭代计算
Figure BDA0003096600380000035
反之则重新进行多普勒消除环路迭代计算；
其中，cn为码字节点，一组码字节点对应一个m序列发生器的初始状态；
Figure BDA0003096600380000036
表示信道函数节点传输至码字节点的LLR；
步骤4、以
Figure BDA0003096600380000037
作为初始值，进行码字约束环路迭代计算，得到
Figure BDA0003096600380000038
其中，
Figure BDA0003096600380000039
表示cn传递到hn的LLR，
Figure BDA00030966003800000310
表示cn的硬判决值；
步骤5、判断码字约束环路当前迭代次数ic是否大于循环总迭代次数Ic；大于则判断l是否大于lmax，反之则重新进行码字约束环路计算；l表示迭代次数，lmax表示最大迭代次数；
步骤6、若l大于lmax，则根据
Figure BDA0003096600380000041
得到判决矩阵，通过判决矩阵得到估计的m序列的初始状态；反之，则重新进行多普勒消除环路计算；
步骤7、进行捕获判决，捕获成功，则输出，反之，捕获失败，返回步骤1将移动观测窗口移动到下一个观测位置，重新进行捕获。
进一步，所述步骤2中，多普勒消除环路中的迭代计算包括以下步骤：
步骤2.1、根据和积更新规则，得到第l次迭代计算的从信道函数节点hn传递到多普勒频偏节点f的消息
Figure BDA0003096600380000042
以及第l次迭代计算的从信道函数节点hn传递到多普勒频偏变化率节点an的消息
Figure BDA0003096600380000043
步骤2.2、根据
Figure BDA0003096600380000044
计算得到第l次迭代的多普勒频偏节点f发送给信道函数节点hn的消息
Figure BDA0003096600380000045
步骤2.3、再次根据和积更新规则以及
Figure BDA0003096600380000046
得到第l次迭代的从多普勒频偏变化率节点an到函数节点gn的消息
Figure BDA0003096600380000047
以及第l次迭代的从多普勒频偏变化率节点an传递到上一个函数节点gn-1的消息
Figure BDA00030966003800000420
步骤2.4、根据步骤2.3中的计算，得到第l次迭代的从函数节点gn传递到多普勒频偏变化率节点an的消息
Figure BDA0003096600380000049
以及第l次迭代的从函数节点gn传递到下一个多普勒频偏变化率节点an+1的消息
Figure BDA00030966003800000410
步骤2.5、根据
Figure BDA00030966003800000411
和
Figure BDA00030966003800000412
的乘积得到第l次迭代的从多普勒频偏变化率节点an传递到信道函数节点hn的消息
Figure BDA00030966003800000413
进一步，所述步骤3中，消息传递环路中的迭代计算为：通过
Figure BDA00030966003800000414
和
Figure BDA00030966003800000415
得到第l次迭代的从信道函数节点hn传递给码字节点cn的消息
Figure BDA00030966003800000416
进而得到
Figure BDA00030966003800000417
的对数似然比
Figure BDA00030966003800000418
为：
Figure BDA00030966003800000419
进一步，所述步骤4中，码字约束环路中的迭代计算方法为：
步骤4.1、计算得到在第l次迭代的和积算法操作中，校验节点τm发送给码字节点cn的对数似然比
Figure BDA0003096600380000051
步骤4.2、根据
Figure BDA0003096600380000052
得到在第l次迭代中，码字节点cn传递给信道函数节点hn的LLR消息
Figure BDA0003096600380000053
进一步，所述
Figure BDA0003096600380000054
为：
Figure BDA0003096600380000055
其中，τi∈N(cn)表示与码字节点cn相连的邻居节点；
Figure BDA0003096600380000056
满足
Figure BDA0003096600380000057
其中，
Figure BDA0003096600380000058
和
Figure BDA0003096600380000059
为由码字节点cn传递到信道函数节点hn的关于cn＝1和cn＝-1的可靠度信息，分别为：
Figure BDA00030966003800000510
Figure BDA00030966003800000511
进一步，所述步骤6中，判决矩阵的目标是根据cn的硬判决值
Figure BDA00030966003800000512
估计得到m序列的初始状态：每一组的硬判决结果都与m序列的初始状态有关，故每一组判决结果都含有m序列的初始状态的估值；因此，通过判决矩阵，在每次迭代中估计m序列的初始状态ζ，最后，选择在不重叠的组中出现频率最高的初始状态作为估计的m序列的初始状态。
进一步，所述步骤7中，捕获判决为：将得到的估计的m序列的初始状态与m序列发生器的初始状态进行对比，若相同，则捕获成功。
一种高动态卫星通信信号捕获装置，其包括：采样模块、多普勒消除环路模块、消息传递环路模块、码字约束环路模块、迭代次数判断模块、判决矩阵模块和捕获模块；
所述采样模块，用于对终端发送给卫星的信号r(t)进行采样，并设置长度为N的移动观测窗得到可观察序列r；
所述多普勒消除环路模块，将可观察序列r输入多普勒消除环路，进行迭代计算，得到
Figure BDA0003096600380000061
和
Figure BDA0003096600380000062
其中，hn为信道函数节点；an为多普勒频偏变化率节点；f为多普勒频偏节点；
Figure BDA0003096600380000063
表示多普勒频偏节点传递到信道函数节点的消息；
Figure BDA0003096600380000064
表示多普勒频偏变化率节点传递到信道函数节点的消息；n表示索引号，取值为1，2，…，N；
所述消息传递环路模块，判断所述多普勒消除环路模块计算的当前迭代次数id是否大于总迭代次数Id，若大于，则进入所述消息传递环路模块，迭代计算
Figure BDA0003096600380000065
反之则重新进行所述多普勒消除环路模块进行迭代计算；
其中，cn为码字节点，一组码字节点对应一个m序列发生器的初始状态；
Figure BDA0003096600380000066
表示信道函数节点传输至码字节点的LLR；
所述码字约束环路模块，以
Figure BDA0003096600380000067
作为初始值，进行码字约束环路迭代计算，得到
Figure BDA0003096600380000068
其中，
Figure BDA0003096600380000069
表示cn传递到hn的LLR，
Figure BDA00030966003800000610
表示cn的硬判决值；
所述迭代次数判断模块，判断码字约束环路当前迭代次数ic是否大于循环总迭代次数Ic；大于则判断l是否大于lmax，反之则重新进行码字约束环路计算；l表示迭代次数，lmax表示最大迭代次数；
所述判决矩阵模块，若l大于lmax，则根据
Figure BDA00030966003800000611
得到判决矩阵，通过判决矩阵得到估计的m序列的初始状态；反之，则重新进行多普勒消除环路计算；
所述捕获模块，用于进行捕获判决，捕获成功，则输出，反之，捕获失败，返回所述采样模块将移动观测窗口移动到下一个观测位置，重新进行捕获。
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行如上述方法中的任一方法。
一种计算设备，其包括：一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行上述方法中的任一方法的指令。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
本发明解决了高动态卫星通信中DSSS信号捕获的问题，采用的Turbo迭代捕获方法，在长扩频比、大多普勒频偏和时变多普勒变化率条件下可以有效地实现PN序列高性能、低复杂度捕获，有效地提高系统性能。
附图说明
图1是本发明实施例中捕获方法流程示意图；
图2是本发明实施例中高动态信号因子图结构示意图；
图3是本发明实施例中消息传递示意图；
图4是本发明实施例中高动态环境下不同捕获方法的捕获性能对比图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种在于长扩频比、大多普勒频偏和时变多普勒变化率条件下的DSSS信号高性能、低复杂度捕获方法，主要包括提出的高动态信号捕获因子图结构、Turbo迭代捕获方法。本发明能实现在高动态卫星通信中长扩频序列、大多普勒频偏和大多普勒变化率条件下的DSSS信号高性能、低复杂度捕获，有效地提高系统性能。下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
在本发明的第一实施方式中，如图1所示，提供一种高动态卫星通信DSSS信号迭代捕获方法，其包括以下步骤：
步骤1、对终端发送给卫星的信号r(t)进行采样，并设置移动观测窗得到可观察序列r；
其中，选择长度为N的移动观测窗得到可观察序列r；
步骤2、将可观察序列r输入多普勒消除环路，进行迭代计算，得到
Figure BDA00030966003800000812
和
Figure BDA0003096600380000082
其中，hn为信道函数节点；an为多普勒频偏变化率节点；f为多普勒频偏节点；
Figure BDA0003096600380000083
表示多普勒频偏节点传递到信道函数节点的消息，反映了多普勒频偏的置信度；
Figure BDA0003096600380000084
表示多普勒频偏变化率节点传递到信道函数节点的消息，反映了普勒频偏变化率的置信度；n表示索引号，取值为1，2，…，N；
步骤3、判断多普勒消除环路计算的当前迭代次数id是否大于总迭代次数Id，若大于，则进入消息传递环路，迭代计算
Figure BDA0003096600380000085
反之则重新进行多普勒消除环路迭代计算；其中，cn为码字节点，一组码字节点对应一个m序列发生器的初始状态；
Figure BDA0003096600380000086
表示信道函数节点传输至码字节点的对数似然比(LLR)；
步骤4、以
Figure BDA0003096600380000087
作为初始值，进行码字约束环路迭代计算，得到
Figure BDA0003096600380000088
其中，
Figure BDA0003096600380000089
表示cn传递到hn的LLR，
Figure BDA00030966003800000810
表示cn的硬判决值；
步骤5、判断码字约束环路当前迭代次数ic是否大于循环总迭代次数Ic；大于则判断l是否大于lmax，反之则重新进行码字约束环路计算；l表示迭代次数，lmax表示最大迭代次数；
步骤6、若l大于lmax，则根据
Figure BDA00030966003800000811
得到判决矩阵，通过判决矩阵得到估计的m序列的初始状态；反之，则重新进行多普勒消除环路计算；
步骤7、进行捕获判决，捕获成功，则输出，反之，捕获失败，返回步骤1将移动观测窗口移动到下一个观测位置，重新进行捕获；
其中，捕获判决为：将得到的估计的m序列的初始状态与m序列发生器的初始状态进行对比，若相同，则捕获成功。
上述各步骤中，如图3所示，在本实施例中的迭代捕获方法中，迭代过程分为两个循环，即码字约束环路和多普勒消除环路。类似于Turbo迭代原理，多普勒消除环路能够为码字约束环路提供关于多普勒频偏和多普勒频偏变化率的软消息以提高码字判决的准确率，使判决结果更加可靠，反过来，码字约束环路能够为多普勒消除环路提供更多关于码字的软信息提高多普勒估计性能。
上述步骤2中，多普勒消除环路中的迭代计算中，采用和积更新方法，和积算法是一种迭代的消息传递算法，其操作是以迭代的方式沿着因子图的边缘传递消息。在本实施例中，采用的高动态信号因子图如图2所示，则多普勒消除环路中的迭代计算包括以下步骤：
步骤2.1、根据和积更新规则，得到第l次迭代计算的从信道函数节点hn传递到多普勒频偏节点f的消息
Figure BDA0003096600380000091
以及第l次迭代计算的从信道函数节点hn传递到多普勒频偏变化率节点an的消息
Figure BDA0003096600380000092
其中，
Figure BDA0003096600380000093
为：
Figure BDA0003096600380000094
Figure BDA0003096600380000095
式中，q表示多普勒频偏离散值索引号；fmax表示最大多普勒频偏；Q表示多普勒频偏离散值总数-1；f(q)表示第q+1个多普勒离散值；
Figure BDA0003096600380000096
表示第l次迭代计算的从码字节点cn传递到信道函数节点hn的消息；
Figure BDA0003096600380000097
表示第l-1次迭代计算的从多普勒频偏变化率节点an传递到信道函数节点hn的消息；
设f0为初始多普勒频偏，在实际场景中，初始多普勒频偏是有限的，即max{f0}≤fmax。
相似地，
Figure BDA0003096600380000098
为：
Figure BDA0003096600380000099
式中，h(cn，an，f)＝p(rn|cn，an，f)，
Figure BDA00030966003800000910
Figure BDA00030966003800000911
a(d)表示多普勒变化率离散值；D表示多普勒变化率离散值总数-1；amax表示最大多普勒变化率；其中，
Figure BDA0003096600380000101
其中
Figure BDA0003096600380000102
rn表示接收的第n个采样值；Ts表示周期；σ2表示噪声方差；
实际上，移动终端的加速度不可能是无限的，因此
Figure BDA0003096600380000103
步骤2.2、根据
Figure BDA0003096600380000104
计算得到第l次迭代的多普勒频偏节点f发送给信道函数节点hn的消息
Figure BDA0003096600380000105
多普勒频偏值的可信度Γl(f)定义为所有传递到多普勒频偏变节点的消息的乘积：
Figure BDA0003096600380000106
然后，关于多普勒频率偏移的消息由下向上传递，即多普勒频偏节点f发送给信道函数节点hn的消息等于除其中一条消息后的所有消息的乘积：
Figure BDA0003096600380000107
步骤2.3、再次根据和积更新规则以及
Figure BDA0003096600380000108
得到第l次迭代的从多普勒频偏变化率节点an到函数节点gn的消息
Figure BDA0003096600380000109
以及第l次迭代的从多普勒频偏变化率节点an传递到上一个函数节点gn-1的消息
Figure BDA00030966003800001010
其中，
Figure BDA00030966003800001011
为：
Figure BDA00030966003800001012
其中gn＝p(an|an-1)。
类似地，
Figure BDA00030966003800001013
为：
Figure BDA00030966003800001014
步骤2.4、在多普勒速率估计环路中，根据步骤2.3中的计算，得到第l次迭代的从函数节点gn传递到多普勒频偏变化率节点an的消息
Figure BDA00030966003800001015
以及第l次迭代的从函数节点gn传递到下一个多普勒频偏变化率节点an+1的消息
Figure BDA0003096600380000111
其中，
Figure BDA0003096600380000112
为：
Figure BDA0003096600380000113
相似地，
Figure BDA0003096600380000114
为：
Figure BDA0003096600380000115
步骤2.5、根据
Figure BDA0003096600380000116
和
Figure BDA0003096600380000117
的乘积得到第l次迭代的从多普勒频偏变化率节点an传递到信道函数节点hn的消息
Figure BDA0003096600380000118
Figure BDA0003096600380000119
上述步骤3中，消息传递环路中的迭代计算为：通过
Figure BDA00030966003800001110
和
Figure BDA00030966003800001111
得到第l次迭代的从信道函数节点hn传递给码字节点cn的消息
Figure BDA00030966003800001112
Figure BDA00030966003800001113
那么，
Figure BDA00030966003800001114
的对数似然比
Figure BDA00030966003800001115
为：
Figure BDA00030966003800001116
上述步骤4中，码字约束环路中的迭代计算方法为：
步骤4.1、计算得到在第l次迭代的和积算法操作中，校验节点τm发送给码字节点cn的对数似然比
Figure BDA00030966003800001117
为：
Figure BDA00030966003800001118
其中，α是一个常系数，N(·)表示一组给定节点的邻居节点，ci∈N(τm)，ci≠cn表示与校验节点τm相连的除cn以外的码字节点，
Figure BDA0003096600380000121
指的是在第l-1次迭代中码字节点到校验节点传递的消息。
步骤4.2、根据
Figure BDA0003096600380000122
得到在第l次迭代中，码字节点cn传递给信道函数节点hn的LLR消息
Figure BDA0003096600380000123
码字节点cn传递给信道函数节点hn的LLR消息更新规则为与码字节点cn相连的校验节点τm传递到cn的LLR消息的总和：
Figure BDA0003096600380000124
其中，τi∈N(cn)表示与码字节点cn相连的邻居节点。根据LLR消息的定义，
Figure BDA0003096600380000125
满足
Figure BDA0003096600380000126
其中，
Figure BDA0003096600380000127
和
Figure BDA0003096600380000128
定义为由码字节点cn传递到信道函数节点hn的关于cn＝1和cn＝-1的可靠度信息，分别为：
Figure BDA0003096600380000129
Figure BDA00030966003800001210
上述步骤6中，判决矩阵的目标是根据cn的硬判决值
Figure BDA00030966003800001211
估计得到m序列的初始状态。具体为：
将
Figure BDA00030966003800001212
分为
Figure BDA00030966003800001213
组，u表示m序列生成器的阶数目。然后，用lmax行
Figure BDA00030966003800001214
列的判决矩阵X存储每一次的判决结果，如下所示：
Figure BDA0003096600380000131
由于每一组的硬判决结果都与m序列的初始状态有关，因此每一组判决结果都含有m序列的初始状态的估值。因此，通过判决矩阵，可以在每次迭代中估计m序列的初始状态ζ。最后，选择在这些不重叠的组中出现频率最高的初始状态作为估计的m序列的初始状态。
在本发明的第二实施方式中，提供一种高动态卫星通信DSSS信号迭代捕获装置，其包括：采样模块、多普勒消除环路模块、消息传递环路模块、码字约束环路模块、迭代次数判断模块、判决矩阵模块和捕获模块；
采样模块，用于对终端发送给卫星的信号r(t)进行采样，并设置长度为N的移动观测窗得到可观察序列r。
多普勒消除环路模块，将可观察序列r输入多普勒消除环路，进行迭代计算，得到
Figure BDA0003096600380000132
和
Figure BDA0003096600380000133
其中，hn为信道函数节点；an为多普勒频偏变化率节点；f为多普勒频偏节点；
Figure BDA0003096600380000134
表示多普勒频偏节点传递到信道函数节点的消息；
Figure BDA0003096600380000135
表示多普勒频偏变化率节点传递到信道函数节点的消息；n表示索引号，取值为1，2，…，N。
消息传递环路模块，判断多普勒消除环路模块计算的当前迭代次数id是否大于总迭代次数Id，若大于，则进入消息传递环路模块，迭代计算
Figure BDA0003096600380000136
反之则重新进行多普勒消除环路模块进行迭代计算；
其中，cn为码字节点，一组码字节点对应一个m序列发生器的初始状态；
Figure BDA0003096600380000137
表示信道函数节点传输至码字节点的LLR。
码字约束环路模块，以
Figure BDA0003096600380000141
作为初始值，进行码字约束环路迭代计算，得到
Figure BDA0003096600380000142
其中，
Figure BDA0003096600380000143
表示cn传递到hn的LLR，
Figure BDA0003096600380000144
表示cn的硬判决值。
迭代次数判断模块，判断码字约束环路当前迭代次数ic是否大于循环总迭代次数Ic；大于则判断l是否大于lmax，反之则重新进行码字约束环路计算；l表示迭代次数，lmax表示最大迭代次数。
判决矩阵模块，若l大于lmax，则根据
Figure BDA0003096600380000145
得到判决矩阵，通过判决矩阵得到估计的m序列的初始状态；反之，则重新进行多普勒消除环路计算。
捕获模块，用于进行捕获判决，捕获成功，则输出，反之，捕获失败，返回所述采样模块将移动观测窗口移动到下一个观测位置，重新进行捕获。
在本发明的第三实施方式中，提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，一个或多个程序包括指令，指令当由计算设备执行时，使得计算设备执行如上述本发明第一实施方式中的任一方法。
在本发明的第四实施方式中，提供一种计算设备，其包括：一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在存储器中并被配置为一个或多个处理器执行，一个或多个程序包括用于执行上述本发明第一实施方式中的任一方法的指令。
实施例：
在本实施例中，采用的仿真参数如表1所示：
表1系统参数
Figure BDA0003096600380000146
Figure BDA0003096600380000151
如图4所示，为本发明采用的捕获方法与现有PFS算法、PMF-FFT和RSSE算法的捕获性能比较图，其中fd＝40kHz，a1＝6kHz/s，
Figure BDA0003096600380000152
可与看出相比传统算法本发明的捕获性能提升了至少1.3dB。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

Claims (10)

1.一种高动态卫星通信信号捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、对终端发送给卫星的信号r(t)进行采样，并设置长度为N的移动观测窗得到可观察序列r；
步骤2、将可观察序列r输入多普勒消除环路，进行迭代计算，得到
Figure FDA0003741715160000011
和
Figure FDA0003741715160000012
其中，hn为信道函数节点；an为多普勒频偏变化率节点；f为多普勒频偏节点；
Figure FDA0003741715160000013
表示多普勒频偏节点传递到信道函数节点的消息；
Figure FDA0003741715160000014
表示多普勒频偏变化率节点传递到信道函数节点的消息；n表示索引号，取值为1,2,…,N；
步骤3、判断多普勒消除环路计算的当前迭代次数id是否大于总迭代次数Id，若大于，则进入消息传递环路，迭代计算
Figure FDA0003741715160000015
反之则重新进行多普勒消除环路迭代计算；
其中，cn为码字节点，一组码字节点对应一个m序列发生器的初始状态；
Figure FDA0003741715160000016
表示信道函数节点传输至码字节点的对数似然比；
步骤4、以
Figure FDA0003741715160000017
作为初始值，进行码字约束环路迭代计算，得到
Figure FDA0003741715160000018
其中，
Figure FDA0003741715160000019
表示cn传递到hn的对数似然比，
Figure FDA00037417151600000110
表示cn的硬判决值；
步骤5、判断码字约束环路当前迭代次数ic是否大于循环总迭代次数Ic；大于则判断l是否大于lmax，反之则重新进行码字约束环路计算；l表示迭代次数，lmax表示最大迭代次数；
步骤6、若l大于lmax，则根据
Figure FDA00037417151600000111
得到判决矩阵，通过判决矩阵得到估计的m序列的初始状态；反之，则重新进行多普勒消除环路计算；
步骤7、进行捕获判决，捕获成功，则输出，反之，捕获失败，返回步骤1将移动观测窗口移动到下一个观测位置，重新进行捕获。
2.如权利要求1所述捕获方法，其特征在于，所述步骤2中，多普勒消除环路中的迭代计算包括以下步骤：
步骤2.1、根据和积更新规则，得到第l次迭代计算的从信道函数节点hn传递到多普勒频偏节点f的消息
Figure FDA0003741715160000021
以及第l次迭代计算的从信道函数节点hn传递到多普勒频偏变化率节点an的消息
Figure FDA0003741715160000022
步骤2.2、根据
Figure FDA0003741715160000023
计算得到第l次迭代的多普勒频偏节点f发送给信道函数节点hn的消息
Figure FDA0003741715160000024
步骤2.3、再次根据和积更新规则以及
Figure FDA0003741715160000025
得到第l次迭代的从多普勒频偏变化率节点an到函数节点gn的消息
Figure FDA0003741715160000026
以及第l次迭代的从多普勒频偏变化率节点an传递到上一个函数节点gn-1的消息
Figure FDA0003741715160000027
步骤2.4、根据步骤2.3中的计算，得到第l次迭代的从函数节点gn传递到多普勒频偏变化率节点an的消息
Figure FDA0003741715160000028
以及第l次迭代的从函数节点gn传递到下一个多普勒频偏变化率节点an+1的消息
Figure FDA0003741715160000029
步骤2.5、根据
Figure FDA00037417151600000210
和
Figure FDA00037417151600000211
的乘积得到第l次迭代的从多普勒频偏变化率节点an传递到信道函数节点hn的消息
Figure FDA00037417151600000212
3.如权利要求1所述捕获方法，其特征在于，所述步骤3中，消息传递环路中的迭代计算为：通过
Figure FDA00037417151600000213
和
Figure FDA00037417151600000214
得到第l次迭代的从信道函数节点hn传递给码字节点cn的可靠度信息
Figure FDA00037417151600000215
进而得到
Figure FDA00037417151600000216
的对数似然比
Figure FDA00037417151600000217
为：
Figure FDA00037417151600000218
4.如权利要求1所述捕获方法，其特征在于，所述步骤4中，码字约束环路中的迭代计算方法为：
步骤4.1、计算得到在第l次迭代的和积算法操作中，校验节点τm发送给码字节点cn的对数似然比
Figure FDA00037417151600000219
步骤4.2、根据
Figure FDA00037417151600000220
得到在第l次迭代中，码字节点cn传递给信道函数节点hn的对数似然比
Figure FDA0003741715160000031
5.如权利要求4所述捕获方法，其特征在于，所述第l次迭代中，码字节点cn传递给信道函数节点hn的对数似然比
Figure FDA0003741715160000032
为：
Figure FDA0003741715160000033
其中，τi∈N(cn)表示与码字节点cn相连的邻居节点；
Figure FDA0003741715160000034
满足
Figure FDA0003741715160000035
其中，
Figure FDA0003741715160000036
和
Figure FDA0003741715160000037
为由码字节点cn传递到信道函数节点hn的关于cn＝1和cn＝-1的可靠度信息，分别为：
Figure FDA0003741715160000038
Figure FDA0003741715160000039
6.如权利要求1所述捕获方法，其特征在于，所述步骤6中，判决矩阵的目标是根据cn的硬判决值
Figure FDA00037417151600000310
估计得到m序列的初始状态：每一组的硬判决结果都与m序列的初始状态有关，故每一组判决结果都含有m序列的初始状态的估值；因此，通过判决矩阵，在每次迭代中估计m序列的初始状态ζ，最后，选择在不重叠的组中出现频率最高的初始状态作为估计的m序列的初始状态。
7.如权利要求1所述捕获方法，其特征在于，所述步骤7中，捕获判决为：将得到的估计的m序列的初始状态与m序列发生器的初始状态进行对比，若相同，则捕获成功。
8.一种高动态卫星通信信号捕获装置，其特征在于，包括：采样模块、多普勒消除环路模块、消息传递环路模块、码字约束环路模块、迭代次数判断模块、判决矩阵模块和捕获模块；
所述采样模块，用于对终端发送给卫星的信号r(t)进行采样，并设置长度为N的移动观测窗得到可观察序列r；
所述多普勒消除环路模块，将可观察序列r输入多普勒消除环路，进行迭代计算，得到
Figure FDA0003741715160000041
和
Figure FDA0003741715160000042
其中，hn为信道函数节点；an为多普勒频偏变化率节点；f为多普勒频偏节点；
Figure FDA0003741715160000043
表示多普勒频偏节点传递到信道函数节点的消息；
Figure FDA0003741715160000044
表示多普勒频偏变化率节点传递到信道函数节点的消息；n表示索引号，取值为1,2,…,N；
所述消息传递环路模块，判断所述多普勒消除环路模块计算的当前迭代次数id是否大于总迭代次数Id，若大于，则进入所述消息传递环路模块，迭代计算
Figure FDA0003741715160000045
反之则重新进行所述多普勒消除环路模块进行迭代计算；
其中，cn为码字节点，一组码字节点对应一个m序列发生器的初始状态；
Figure FDA0003741715160000046
表示信道函数节点传输至码字节点的对数似然比；
所述码字约束环路模块，以
Figure FDA0003741715160000047
作为初始值，进行码字约束环路迭代计算，得到
Figure FDA0003741715160000048
其中，
Figure FDA0003741715160000049
表示cn传递到hn的对数似然比，
Figure FDA00037417151600000410
表示cn的硬判决值；
所述迭代次数判断模块，判断码字约束环路当前迭代次数ic是否大于循环总迭代次数Ic；大于则判断l是否大于lmax,反之则重新进行码字约束环路计算；l表示迭代次数，lmax表示最大迭代次数；
所述判决矩阵模块，若l大于lmax，则根据
Figure FDA00037417151600000411
得到判决矩阵，通过判决矩阵得到估计的m序列的初始状态；反之，则重新进行多普勒消除环路计算；
所述捕获模块，用于进行捕获判决，捕获成功，则输出，反之，捕获失败，返回所述采样模块将移动观测窗口移动到下一个观测位置，重新进行捕获。
9.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行如权利要求1至7所述方法中的任一方法。
10.一种计算设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1至7所述方法中的任一方法的指令。
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