CN113541914B - 基于关联规则的cnav-2电文帧同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于关联规则的CNAV‑2电文帧同步方法，所述方法包括：获取待同步CNAV‑2电文帧，按预设规则排列所述待同步CNAV‑2电文帧；确定起始位p i ，从起始位p i 划分排列后的所述待同步CNAV‑2电文帧，获取划分后形成的序列的映射关系集合T i ，所述映射关系集合T i 包括划分后形成的序列具有的一个或多个十进制映射关系；计算映射关系集合T i 中十进制映射关系的种类数N i ，计算起始位p i 对应的置信度；比较各起始位p i 对应的映射关系的种类数N i 和置信度，确定种类数N i 最小且置信度最大处对应的起始位为同步位。根据本发明的方法，具有较好的抗误码性能，且同步结果不受门限值影响，具有较高的同步准确性。

Description

基于关联规则的CNAV-2电文帧同步方法
技术领域
本发明涉及电磁数据处理领域，尤其涉及一种基于关联规则的CNAV-2电文帧同步方法及装置。
背景技术
随着军用和民用领域对导航应用需求的不断提升，美国在近些年开始实施全球定位系统的现代化升级改造，其中在民用信号方面，GPS系统在L1频段上新增了L1C新体制信号。L1C信号由数据和导频两部分组成，由于导频部分的信号功率较大导致数据部分的接收误码率明显增加。
为了解决上述问题，L1C数据部分的CNAV-2电文引入了纠错编码并使用了没有固定同步头的帧结构。帧同步的原理就是从接收到的数据流中找到各帧的同步码，以各同步码的时隙作为对应帧的起始位，从而确保接收端的帧结构与发送端一致，实现信息的准确接收与交换。然而，同步头不固定帧结构地引入使得传统帧同步方法无法完成CNAV-2电文的同步工作，因此研究一种有效的CNAV-2电文帧同步方法是一个具有重要科学意义和应用价值的问题。
从已有的帧同步技术来看，主要有基于相关运算和相干累加的帧同步方法、采用滑动窗口的帧同步方法和基于CRC校验的帧同步方法等。图1为现有技术基于相关运算和相干累加帧同步方法的原理示意图，采用相关运算和相干累加进行帧同步时，同步方需要首先产生固定长度的子码，将上述子码与相同长度的接收子码做相关运算和相干累加，通过比较相关结果与检测器门限的近似程度达到正确同步的目的。该方法受检测器门限值影响较大，而且在高误码率条件下无法实现正确同步。该方法利用码NCO产生固定个数的子码码片，将接收子码与产生的子码码片进行相关运算和相干累加得到当前码片的相关结果，比较相关结果与检测器门限的大小。如果相关结果大于门限，判断当前码片为子码周期中的最后一个码片，帧头就是下一个码片；反之当前码片不是子码周期中的最后一个码片，需要等待下一个接收子码码片的到来，重复上述过程，直到相关结果大于门限。实际同步过程中，接收序列必定受到噪声干扰而存在误码，这会导致接收子码与产生子码的相关值与真实值存在误差；此外，同步结果受检测器门限值影响较大，如何选取合适的门限值确保不同误码率条件下的同步准确率是一个难题。因此，基于相关运算和相干累加的帧同步方法还存在抗误码性能差、受检测器门限值影响较大的不足。
采用滑动窗口进行帧同步时，同步方需要利用解调出的重叠码构成滑动窗口，并在完整的本地重叠码上进行周期滑动，在滑动的同时做相关运算并得到相关值，最后利用得到的相关峰找出滑动距离并完成帧同步。但受限于本地重叠码较长的周期，该方法的同步效率较低且抗误码性能较差。采用CRC校验进行帧同步时，同步方首先需要截取500位经过维特比译码的原始数据，然后在上述数据中依次匹配3种8位帧标识符，最后对匹配到帧标识后的250位数据进行CRC判断并最终实现帧同步。但该方法受导航数据位符号的翻转限制，存在适用范围有限的不足。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了基于关联规则的CNAV-2电文帧同步方法，用于解决现有CNAV-2电文帧同步方法存在的抗误码性能差、受检测器门限值影响大等问题。
根据本发明的第一方面，提供基于关联规则的CNAV-2电文帧同步方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S201：获取待同步CNAV-2电文帧，按预设规则排列所述待同步CNAV-2电文帧；初始化整数i=1；
步骤S202：标记待同步CNAV-2电文帧的第i比特为起始位p i ，从起始位p i 划分排列后的所述待同步CNAV-2电文帧，获取划分后形成的序列的映射关系集合T i ，所述映射关系集合T i 包括划分后形成的序列具有的一个或多个十进制映射关系；
步骤S203：计算映射关系集合T i 中十进制映射关系的种类数N i ，计算起始位p i 对应的置信度；
步骤S204：将i赋值为i+1，若此时i小于或等于1800，令待同步CNAV-2电文帧的第i比特为起始位p i ，进入步骤S202；否则，记Num=i,进入步骤S205；
步骤S205：比较各起始位p i 对应的映射关系的种类数N i 和置信度，确定种类数N i 最小且置信度最大处对应的起始位为同步位；其中，i={1，…，Num}。
根据本发明第二方面，提供一种基于关联规则的CNAV-2电文帧同步装置，所述装置包括：
初始化模块：配置为获取待同步CNAV-2电文帧，按预设规则排列所述待同步CNAV-2电文帧；初始化整数i=1；
映射关系获取模块：配置为标记待同步CNAV-2电文帧的第i比特为起始位p i ，从起始位p i 划分排列后的所述待同步CNAV-2电文帧，获取划分后形成的序列的映射关系集合T i ，所述映射关系集合T i 包括划分后形成的序列具有的一个或多个十进制映射关系；
计算模块：配置为计算映射关系集合T i 中十进制映射关系的种类数N i ，计算起始位p i 对应的置信度；
计算模块：配置为将i赋值为i+1，若此时i小于或等于1800，令待同步CNAV-2电文帧的第i比特为起始位p i ；
同步位确定模块：配置为比较各起始位p i 对应的映射关系的种类数N i 和置信度，确定种类数N i 最小且置信度最大处对应的起始位为同步位；其中，i={1，…，Num}。
根据本发明第三方面，提供一种基于关联规则的CNAV-2电文帧同步系统，包括：
处理器，用于执行多条指令；
存储器，用于存储多条指令；
其中，所述多条指令，用于由所述存储器存储，并由所述处理器加载并执行如前所述的基于关联规则的CNAV-2电文帧同步方法。
根据本发明第四方面，提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有多条指令；所述多条指令，用于由处理器加载并执行如前所述的基于关联规则的CNAV-2电文帧同步方法。
根据本发明的上述方案，利用关联规则寻找出隐藏在第一子帧BCH编码序列中的映射关系，在统计映射关系种类并计算置信度的基础上实现了导航电文的盲同步。该方法在数据量一定的条件下具有较好的抗误码性能，且同步结果不受门限值影响，具有较高的同步准确性。增加了高误码率条件下的同步准确性。由于电文数据的结构固定，通过对待同步序列进行二分段划分，提高了同步的效率。这种采用关联规则进行帧同步的方法，是一种处理类似问题的新思路。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明提供如下附图进行说明。在附图中：
图1为现有技术基于相关运算和相干累加帧同步方法的原理示意图；
图2为本发明一个实施方式的基于关联规则的CNAV-2电文帧同步方法流程图；
图3为本发明一个实施方式的基于关联规则的CNAV-2电文帧同步示意图；
图4为本发明又一个实施方式的基于关联规则的CNAV-2电文帧同步示意图；
图5为本发明一个实施方式的基于关联规则的CNAV-2电文帧同步方法流程示意图；
图6为本发明一个实施例的基于关联规则的CNAV-2电文帧同步示意图；
图7为本发明一个实施方式的编码后的CNAV-2电文数据帧结构示意图；
图8为本发明一个实施方式的经过BCH编码的信息位及校验位示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
首先结合图2说明为本发明一个实施方式的基于关联规则的CNAV-2电文帧同步方法。如图2-4所示，所述方法包括以下步骤：
步骤S201：获取待同步CNAV-2电文帧，按预设规则排列所述待同步CNAV-2电文帧；初始化整数i=1；
步骤S202：标记待同步CNAV-2电文帧的第i比特为起始位p i ，从起始位p i 划分排列后的所述待同步CNAV-2电文帧，获取划分后形成的序列的映射关系集合T i ，所述映射关系集合T i 包括划分后形成的序列具有的一个或多个十进制映射关系；
步骤S203：计算映射关系集合T i 中十进制映射关系的种类数N i ，计算起始位p i 对应的置信度；
步骤S204：将i赋值为i+1，若此时i小于或等于1800，令待同步CNAV-2电文帧的第i比特为起始位p i ，进入步骤S202；否则，记Num=i,进入步骤S205；
步骤S205：比较各起始位p i 对应的映射关系的种类数N i 和置信度，确定种类数N i 最小且置信度最大处对应的起始位为同步位；其中，i={1，…，Num}。
所述步骤S201：获取待同步CNAV-2电文帧，按预设规则排列所述待同步CNAV-2电文帧；初始化整数i=1，其中：
所述预设规则为：从待同步CNAV-2电文帧的起始位p i 开始，按照每行长度1800比特将序列分割成5000*1800阶矩阵C i ’，取矩阵C i ’前52列得到矩阵C i ，此时完成对待同步CNAV-2电文帧的按预设规则的排列。
本实施例中，将待同步序列CNAV-2电文帧从起始位开始，按所述预设规则排列成矩阵形式。
所述步骤S202：标记待同步CNAV-2电文帧的第i比特为起始位p i ，从起始位p i 划分排列后的所述待同步CNAV-2电文帧，获取划分后形成的序列的映射关系集合T i ，所述映射关系集合T i 包括划分后形成的序列具有的一个或多个十进制映射关系，其中：
起始位p i 利用CNAV-2电文结构固定的特点，通过BCH码字内部映射关系的挖掘确定电文第一子帧起始位。
本实施例中，编码后的CNAV-2电文数据帧结构如图7所示。包括52比特BCH编码的段内时序列和1748比特交织编码的信息序列。
其中，经过BCH编码的段内时序列的前9比特是输入的信息位，后43比特是与信息位一一对应的校验位，如图8所示。
对于一串接收到的CNAV-2电文数据，当序列被正确同步时，第一子帧中的BCH码字内存在约束关系，码字的前9比特与后43比特形成固定的关联特征；当序列没有被正确同步时，码字内的约束关系被打乱，映射关系呈现出随机分布的特征，在待同步序列长度固定的条件下，各类映射关系的出现次数为1。结合上述分析，确定二分段划分矩阵C i 的方式为：将矩阵C i 各行的前9比特与后43比特分别转换成对应的十进制数，得到各行的映射关系。结合实际同步过程中，各映射关系的出现次数为1，设置最小支持度为s=2。
本实施例中，以二分段的方式拆分所述矩阵，得到以十进制形式表达的映射关系，以表1为例进行说明。
表1 集合T i 的映射关系分布
Figure 759442DEST_PATH_IMAGE001
由表1可知，集合T i 中映射关系的种类N i =4968，统计集合T i 中数量大于等于最小支持度s=2的映射关系种类个数M i =32，计算映射关系置信度为t i =M i /N i =32/4968=0.0064。
所述步骤S203：计算映射关系集合T i 中十进制映射关系的种类数N i ，计算起始位p i 对应的置信度，本实施例中，一个起始位对应一个置信度。
所述步骤S205：比较各起始位p i 对应的映射关系的种类数N i ，确定种类数N i 最小且置信度最大处对应的起始位为同步位；其中，i={1，…，Num}。
其中，一个起始位具有一个种类数，假设种类数为3，分别是A、B、C三类，A类的映射关系个数有4个、B类的映射关系个数有1个、C类的映射关系个数有2个。此时统计映射关系个数大于1的种类有两种，分别是A类、C类，计算该起始位对应的置信度值是2/3。一个起始位只对应一个置信度值。
本实施例中，统计映射关系的种类，利用最小支持度计算此时的置信度；最后通过遍历的方式寻找最少映射关系种类和最大置信度对应的起始位，达到帧同步的目的。由于CNAV-2电文的结构和BCH码字的编码规则已知，在数据量一定的条件下利用关联规则的特征挖掘特性可以实现高效的导航电文帧同步。
以下结合图5，说明本发明一个具体的基于关联规则的CNAV-2电文帧同步方法的实施方式。
1）对接收到的长度为L比特的电文数据，从序列的起始位开始，按照每行长度1800比特划分成矩阵C i ’，取矩阵C i ’的前52列得到矩阵C i ；
2）对矩阵C i 进行二分段划分，将矩阵的前9比特与后43比特分别转换成对应的十进制数，得到映射关系的项目集合T i ，计算此时集合T i 中映射关系的种类N i ，并计算集合T i 中大于等于最小支持度s=2的映射关系置信度t i ；
3）遍历起始位i，重复上述过程得到各项目集合T i 对应的映射关系种类N i (i=1,2,…)和置信度t i ；
4）比较各起始位i对应的映射关系种类N i (i=1,2,…)和置信度t i ，在最少映射关系种类且最大置信度处对应的起始位即是正确的同步位。
本发明实施例进一步给出一种基于关联规则的CNAV-2电文帧同步装置，所述装置包括：
初始化模块：配置为获取待同步CNAV-2电文帧，按预设规则排列所述待同步CNAV-2电文帧；初始化整数i=1；
映射关系获取模块：配置为标记待同步CNAV-2电文帧的第i比特为起始位p i ，从起始位p i 划分排列后的所述待同步CNAV-2电文帧，获取划分后形成的序列的映射关系集合T i ，所述映射关系集合T i 包括划分后形成的序列具有的一个或多个十进制映射关系；
计算模块：配置为计算映射关系集合T i 中十进制映射关系的种类数N i ，计算起始位p i 对应的置信度；
计算模块：配置为将i赋值为i+1，若此时i小于或等于1800，令待同步CNAV-2电文帧的第i比特为起始位p i ；
同步位确定模块：配置为比较各起始位p i 对应的映射关系的种类数N i 和置信度，确定种类数N i 最小且置信度最大处对应的起始位为同步位；其中，i={1，…，Num}。
本发明实施例进一步给出一种基于关联规则的CNAV-2电文帧同步系统，包括：
处理器，用于执行多条指令；
存储器，用于存储多条指令；
其中，所述多条指令，用于由所述存储器存储，并由所述处理器加载并执行如前所述的基于关联规则的CNAV-2电文帧同步方法。
本发明实施例进一步给出一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有多条指令；所述多条指令，用于由处理器加载并执行如前所述的基于关联规则的CNAV-2电文帧同步方法。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机装置(可以是个人计算机，实体机服务器，或者网络云服务器等，需安装Windows或者Windows Server操作系统)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.基于关联规则的CNAV-2电文帧同步方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S201：获取待同步CNAV-2电文帧，按预设规则排列所述待同步CNAV-2电文帧；初始化整数i=1；
步骤S202：标记待同步CNAV-2电文帧的第i比特为起始位p i ，从起始位p i 划分排列后的所述待同步CNAV-2电文帧，获取划分后形成的序列的映射关系集合T i ，所述映射关系集合T i 包括划分后形成的序列具有的一个或多个十进制映射关系；
步骤S203：计算映射关系集合T i 中十进制映射关系的种类数N i ，计算起始位p i 对应的置信度；
步骤S204：将i赋值为i+1，若此时i小于或等于1800，令待同步CNAV-2电文帧的第i比特为起始位p i ，进入步骤S202；否则，记Num=i,进入步骤S205；
步骤S205：比较各起始位p i 对应的映射关系的种类数N i 和置信度，确定种类数N i 最小且置信度最大处对应的起始位为同步位；其中，i={1，…，Num}。
2.如权利要求1所述的基于关联规则的CNAV-2电文帧同步方法，其特征在于，所述预设规则为：从待同步CNAV-2电文帧的起始位p i 开始，按照每行长度1800比特将序列分割成5000*1800阶矩阵C i ’，取矩阵C i ’前52列得到矩阵C i ，此时完成对待同步CNAV-2电文帧的按预设规则的排列。
3.如权利要求2所述的基于关联规则的CNAV-2电文帧同步方法，其特征在于，以二分段的方式拆分所述矩阵，得到以十进制形式表达的映射关系。
4.如权利要求3所述的基于关联规则的CNAV-2电文帧同步方法，其特征在于，通过BCH码字内部映射关系的挖掘确定电文第一子帧起始位。
5.基于关联规则的CNAV-2电文帧同步装置，其特征在于，所述装置包括：
初始化模块：配置为获取待同步CNAV-2电文帧，按预设规则排列所述待同步CNAV-2电文帧；初始化整数i=1；
映射关系获取模块：配置为标记待同步CNAV-2电文帧的第i比特为起始位p i ，从起始位p i 划分排列后的所述待同步CNAV-2电文帧，获取划分后形成的序列的映射关系集合T i ，所述映射关系集合T i 包括划分后形成的序列具有的一个或多个十进制映射关系；
计算模块：配置为计算映射关系集合T i 中十进制映射关系的种类数N i ，计算起始位p i 对应的置信度；
计算模块：配置为将i赋值为i+1，若此时i小于或等于1800，令待同步CNAV-2电文帧的第i比特为起始位p i ；
同步位确定模块：配置为比较各起始位p i 对应的映射关系的种类数N i 和置信度，确定种类数N i 最小且置信度最大处对应的起始位为同步位；其中，i={1，…，Num}。
6.如权利要求5所述的基于关联规则的CNAV-2电文帧同步装置，其特征在于，所述预设规则为：从待同步CNAV-2电文帧的起始位p i 开始，按照每行长度1800比特将序列分割成5000*1800阶矩阵C i ’，取矩阵C i ’前52列得到矩阵C i ，此时完成对待同步CNAV-2电文帧的按预设规则的排列。
7.如权利要求6所述的基于关联规则的CNAV-2电文帧同步装置，其特征在于，以二分段的方式拆分所述矩阵，得到以十进制形式表达的映射关系。
8.如权利要求7所述的基于关联规则的CNAV-2电文帧同步装置，其特征在于，通过BCH码字内部映射关系的挖掘确定电文第一子帧起始位。
9.一种基于关联规则的CNAV-2电文帧同步系统，包括：
处理器，用于执行多条指令；
存储器，用于存储多条指令；
其中，所述多条指令，用于由所述存储器存储，并由所述处理器加载并执行如权利要求1-4中任一项所述的基于关联规则的CNAV-2电文帧同步方法。
10.一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有多条指令；所述多条指令，用于由处理器加载并执行如权利要求1-4中任一项所述的基于关联规则的CNAV-2电文帧同步方法。
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