CN115685267B - 一种低轨星座导航增强信号的电文快速同步及解码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低轨星座导航增强信号的电文快速同步及解码方法，涉及低轨导航增强信号处理技术领域，包括以下步骤：导航终端将天线接收到的低轨导航增强信号经射频前端处理后变换成数字中频信号；通过对数字中频信号进行捕获搜索获取当前可见低轨星的码相位和多普勒频率；对导航增强信号中采用BPSK调制的低速电文数据分量进行跟踪；当跟踪的载波相位收敛后，按BPSK模式解调低速电文数据，按CSK模式解调高速电文数据；对解调的电文数据进行帧同步；根据获得的子帧起始位置，分别对低速电文和高速电文进行解码处理；持续得到解码的电文数据，储存和更新电文子帧所包含的导航信息；可以减少电文解码的复杂度，提高电文同步和解码效率。
Description
技术领域
本发明涉及低轨导航增强信号处理技术领域，具体为一种低轨星座导航增强信号的电文快速同步及解码方法。
背景技术
随着航天技术的快速发展，在近地轨道实现通信、导航以及遥感已经成为研究热点，与中高轨卫星不同，低轨卫星运行速度快、动态复杂，过顶时间一般只有几到几十分钟，可视时间短，低轨卫星在实现导航功能时，其主要作用是播放导航增强信息，因此低轨卫星的导航电文一般具有较高的数据传输率。
为了实现高速数据传输，在中国专利CN110244328B公开了一种导航增强信号调制方法及系统，如图2所示，提出了采用码周期时分技术，将采用传统BPSK调制的低速电文的码周期和CSK调制的高速电文的码周期，按照固定结构进行时分后播发，解决了在一个扩频导航信号上同时实现高精度测量和高速电文播发的问题。
对于导航终端而言，为了获得准确的导航增强信息，需要在低轨卫星可视时间窗口内快速地完成导航增强信号的捕获、跟踪、解调、同步和解码等一系列处理；目前成熟的导航终端一般通过增加规模庞大的并行相关器的方式已经解决了快速捕获和大量通道并行跟踪、解调的问题，但由于传统导航信号电文数据率低，对导航电文的同步和解码一般采用软件串行处理的方式进行，因此导航终端在处理低轨导航增强信号时，导航数据的处理效率和及时性不够。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决由于传统导航信号电文数据率低，对导航电文的同步和解码一般采用软件串行处理的方式进行，因此导航终端在处理低轨导航增强信号时，导航数据的处理效率和及时性不够的技术问题，本发明提供一种低轨星座导航增强信号的电文快速同步及解码方法。
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
一种低轨星座导航增强信号的电文快速同步及解码方法，包括以下步骤：
射频处理及模数转换：导航终端将天线接收到的低轨导航增强信号经射频前端处理后变换成数字中频信号；
捕获：通过对数字中频信号进行捕获搜索获取当前可见低轨星的码相位和多普勒频率；
跟踪：根据捕获得到的码相位和多普勒信息，对导航增强信号中采用BPSK调制的低速电文数据分量进行跟踪；
解调：对跟踪状态进行监测，当跟踪的载波相位收敛后，按BPSK模式解调低速电文数据，按CSK模式解调高速电文数据；
同步：对解调的电文数据进行帧同步；
解码：根据获得的子帧起始位置，分别对低速电文和高速电文进行解码处理；
重复解码步骤，持续得到解码的电文数据，储存和更新电文子帧所包含的导航信息。
进一步地，对解调的电文数据进行帧同步包括以下步骤：
当导航终端不存在其它已锁定且完成帧同步的卫星时，先对高速电文数据按其子帧同步头重复频率匹配连续两个帧头建立高速电文数据支路的帧同步，然后低速电文数据按其子帧同步头重复频率匹配一个帧头建立低速电文数据支路的帧同步，最后根据低速电文数据解码得到的周内秒、周计数参数信息获得低速电文和高速电文的完整时间信息，从而完成同步；
当导航终端存在至少一颗已锁定且完成帧同步的卫星时，直接对高速电文数据按其子帧同步头重复频率匹配一个帧头，通过与已知卫星子帧位置的比对确定新卫星的子帧位置，通过已知卫星的周内秒、周计数参数获得新卫星的低速电文和高速电文的完整时间信息，从而完成同步。
进一步地，根据获得的子帧起始位置，分别对低速电文和高速电文进行解码处理包括以下步骤：
采用卷积编码的低速电文按其子帧周期接收电文数据，根据跟踪信号载噪比统计值，对低速电文子帧分别采用基于硬判决或基于软判决的维特比译码运算，输出数据再进行CRC校验，校验成功则对译码输出电文数据进行解析，若不正确则放弃当前处理的低速电文子帧；
采用LDPC编码的高速电文按其子帧周期接收电文数据，解码模块首先对高速电文子帧的信息位部分进行CRC校验，校验成功则开始对正确电文数据进行解析，若不正确则将信息位和校验位一起送入LDPC译码器进行译码运算，译码成功后经CRC校验后再对正确电文数据进行解析，否则放弃当前处理的高速电文子帧。
进一步地，当信号载噪比大于等于40dB-Hz时对低速电文子帧采用基于硬判决的维特比译码运算；当信号载噪比小于40dB-Hz时对低速电文子帧采用基于软判决的维特比译码运算。
进一步地，设置LDPC译码器的最大迭代次数不超过5。
进一步地，对解调的电文数据进行帧同步为优先处理高速电文，当高速电文确定子帧起始位置后即开始对高速电文进行解码步骤的校验和译码处理。
本发明的有益效果如下：
1.本发明一种低轨星座导航增强信号的电文快速同步及解码方法，在导航终端实时解码低轨导航增强电文的情况下通过优选同步和译码算法，对强信号采用运算量少的快速同步和解码运算，而弱信号则根据其它强信号的辅助信息建立同步并采用基于软判决的译码算法提高译码性能，从而减少电文解码的复杂度，提高电文同步和解码的效率；
2.本发明一种低轨星座导航增强信号的电文快速同步及解码方法，导航终端不存在其它已锁定且完成帧同步的卫星时，整体的帧同步时间最长不超过低速电文的子帧周期；而当存在其它已锁定且完成帧同步的卫星时，通过与已知卫星的子帧位置的比对完成帧同步，同步时间最长不超过高速电文的子帧周期；
3.本发明一种低轨星座导航增强信号的电文快速同步及解码方法，根据跟踪信号的强弱分别采用了基于硬判决或软判决的维特比译码算法，其中基于硬判决的维特比译码算法具有运算量小、数据存储少、并行运算效率高的优点，因此在导航终端接收较多强信号卫星时可提高低速电文的处理速度和效率；
4.本发明一种低轨星座导航增强信号的电文快速同步及解码方法，对高速电文的解码处理，采用了先CRC校验再进行LDPC译码的流程，通常LDPC译码都是采用不同形式的迭代译码算法，其运算量随迭代次数增大而增加，因此若先CRC校验再确定是否进行LDPC译码，对跟踪质量比较好的信号而言可减少LDPC译码运算负担，提高解码效率；
5.本发明一种低轨星座导航增强信号的电文快速同步及解码方法，设置LDPC译码器的最大迭代次数为5，相比于更多迭代次数而言其译码性能有少量损失，但却能大大减少迭代运算量，从而也提高了高速电文的处理速度和效率。
附图说明
图1是本发明的导航增强信号处理流程图；
图2是现有技术的导航增强信号调制原理图。
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中的附图，对本发明实施例中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一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种低轨星座导航增强信号的电文快速同步及解码方法，包括以下步骤：
射频处理及模数转换：导航终端将天线接收到的低轨导航增强信号经射频前端处理后变换成数字中频信号；
捕获：通过对数字中频信号进行捕获搜索获取当前可见低轨星的码相位和多普勒频率；
跟踪：根据捕获得到的码相位和多普勒信息，对导航增强信号中采用BPSK调制的低速电文数据分量进行跟踪；
解调：对跟踪状态进行监测，当跟踪的载波相位收敛后，按BPSK模式解调低速电文数据，按CSK模式解调高速电文数据；
同步：对解调的电文数据进行帧同步；
具体地，对解调的电文数据进行帧同步包括以下步骤：
当导航终端不存在其它已锁定且完成帧同步的卫星时，先对高速电文数据按其子帧同步头重复频率匹配连续两个帧头建立高速电文数据支路的帧同步，然后低速电文数据按其子帧同步头重复频率匹配一个帧头建立低速电文数据支路的帧同步，最后根据低速电文数据解码得到的周内秒、周计数参数信息获得低速电文和高速电文的完整时间信息，从而完成同步；
当导航终端存在至少一颗已锁定且完成帧同步的卫星时，直接对高速电文数据按其子帧同步头重复频率匹配一个帧头，通过与已知卫星子帧位置的比对确定新卫星的子帧位置，通过已知卫星的周内秒、周计数参数获得新卫星的低速电文和高速电文的完整时间信息，从而完成同步；
本实施例中，假设低速电文的子帧周期为6秒，高速电文的子帧周期为1秒。当导航终端不存在其它已锁定且完成帧同步的卫星时，低速电文进行帧同步处理；而当存在其它已锁定且完成帧同步的卫星时，低速电文通过与已知卫星的子帧位置的比对完成帧同步。当导航终端不存在其它已锁定且完成帧同步的卫星时，低速电文的帧同步是必须的，同步时间最长不超过低速电文的子帧周期，因此同步时间最长不超过6秒；当存在其它已锁定且完成帧同步的卫星时，则无需进行低速电文的帧同步处理，通过与已知卫星的子帧位置的比对完成帧同步，同步时间最长不超过高速电文的子帧周期，因此同步时间最长不超过1秒；
解码：根据获得的子帧起始位置，分别对低速电文和高速电文进行解码处理；
具体地，根据获得的子帧起始位置，分别对低速电文和高速电文进行解码处理包括以下步骤：
采用卷积编码的低速电文按其子帧周期接收电文数据，根据跟踪信号载噪比统计值，对低速电文子帧分别采用基于硬判决或基于软判决的维特比译码运算，输出数据再进行CRC校验，校验成功则对译码输出电文数据进行解析，若不正确则放弃当前处理的低速电文子帧；
采用LDPC编码的高速电文按其子帧周期接收电文数据，解码模块首先对高速电文子帧的信息位部分进行CRC校验，校验成功则开始对正确电文数据进行解析，若不正确则将信息位和校验位一起送入LDPC译码器进行译码运算，译码成功后经CRC校验后再对正确电文数据进行解析，否则放弃当前处理的高速电文子帧；
本实施例中，对低速电文的译码处理，根据跟踪信号的强弱分别采用了基于硬判决和软判决的维特比译码算法。具体地，当信号载噪比大于等于40dB-Hz时对低速电文子帧采用基于硬判决的维特比译码运算；当信号载噪比小于40dB-Hz时对低速电文子帧采用基于软判决的维特比译码运算。其中，基于硬判决的维特比译码算法具有运算量小、数据存储少、并行运算效率高等优点，因此在导航终端接收较多强信号卫星时可提高低速电文的处理速度和效率；对高速电文的解码处理，采用了先CRC校验再进行LDPC译码的流程，通常LDPC译码都是采用不同形式的迭代译码算法，其运算量随迭代次数增大而增加，因此若先CRC校验再确定是否进行LDPC译码，对跟踪质量比较好的信号而言可减少LDPC译码运算负担，提高解码效率；另外，虽然因CRC校验失败或译码失败会放弃部分电文，但由于导航增强信号的低速电文一般用于播发卫星自身星历或钟差等参数信息，重复播发周期短；而高速电文一般用于播发各种改正参数信息，重复播发周期长但会在多颗卫星上重复播发，因此通过在时间和空间上的多重信息收集可保证接收信息的完整性。
重复解码步骤，持续得到解码的电文数据，储存和更新电文子帧所包含的导航信息。
综上所述，在导航终端实时解码低轨导航增强电文的情况下通过优选同步和译码算法，对强信号采用运算量少的快速同步和解码运算，而弱信号则根据其它强信号的辅助信息建立同步并采用基于软判决的译码算法提高译码性能，从而减少电文解码的复杂度，提高电文同步和解码的效率。
实施例2
在实施例1的基础之上，设置LDPC译码器的最大迭代次数不超过5。
本实施例中，设置LDPC译码器的最大迭代次数不超过5，相比于更多迭代次数而言其译码性能有少量损失，但却能大大减少迭代运算量，从而也提高了高速电文的处理速度和效率。
实施例3
在实施例1的基础之上，对解调的电文数据进行帧同步为优先处理高速电文，当高速电文确定子帧起始位置后即开始对高速电文进行解码步骤的校验和译码处理。
本实施例中，电文的帧同步是优先处理高速电文的，当高速电文确定子帧起始位置后即可开始对高速电文进行CRC校验和LDPC译码的流程，而不必等待低速电文完成帧同步后才开始，这样可以保证高速电文在稳定跟踪后即可开始解码电文。
Claims (4)
1.一种低轨星座导航增强信号的电文快速同步及解码方法，其特征在于，包括以下步骤：射频处理及模数转换：导航终端将天线接收到的低轨导航增强信号经射频前端处理后变换成数字中频信号；
捕获：通过对数字中频信号进行捕获搜索获取当前可见低轨星的码相位和多普勒频率；
跟踪：根据捕获得到的码相位和多普勒信息，对导航增强信号中采用BPSK调制的低速电文数据分量进行跟踪；
解调：对跟踪状态进行监测，当跟踪的载波相位收敛后，按BPSK模式解调低速电文数据，按CSK模式解调高速电文数据；
同步：对解调的电文数据进行帧同步；
对解调的电文数据进行帧同步包括以下步骤：
当导航终端不存在其它已锁定且完成帧同步的卫星时，先对高速电文数据按其子帧同步头重复频率匹配连续两个帧头建立高速电文数据支路的帧同步，然后低速电文数据按其子帧同步头重复频率匹配一个帧头建立低速电文数据支路的帧同步，最后根据低速电文数据解码得到的周内秒、周计数参数信息获得低速电文和高速电文的完整时间信息，从而完成同步；
当导航终端存在至少一颗已锁定且完成帧同步的卫星时，直接对高速电文数据按其子帧同步头重复频率匹配一个帧头，通过与已知卫星子帧位置的比对确定新卫星的子帧位置，通过已知卫星的周内秒、周计数参数获得新卫星的低速电文和高速电文的完整时间信息，从而完成同步；
解码：根据获得的子帧起始位置，分别对低速电文和高速电文进行解码处理；
根据获得的子帧起始位置，分别对低速电文和高速电文进行解码处理包括以下步骤：
采用卷积编码的低速电文按其子帧周期接收电文数据，根据跟踪信号载噪比统计值，对低速电文子帧分别采用基于硬判决或基于软判决的维特比译码运算，输出数据再进行CRC校验，校验成功则对译码输出电文数据进行解析，若不正确则放弃当前处理的低速电文子帧；采用LDPC编码的高速电文按其子帧周期接收电文数据，解码模块首先对高速电文子帧的信息位部分进行CRC校验，校验成功则开始对正确电文数据进行解析，若不正确则将信息位和校验位一起送入LDPC译码器进行译码运算，译码成功后经CRC校验后再对正确电文数据进行解析，否则放弃当前处理的高速电文子帧；
重复解码步骤，持续得到解码的电文数据，储存和更新电文子帧所包含的导航信息。
2.根据权利要求1所述的一种低轨星座导航增强信号的电文快速同步及解码方法，其特征在于，当信号载噪比大于等于40dB-Hz时对低速电文子帧采用基于硬判决的维特比译码运算；当信号载噪比小于40dB-Hz时对低速电文子帧采用基于软判决的维特比译码运算。
3.根据权利要求1所述的一种低轨星座导航增强信号的电文快速同步及解码方法，其特征在于，设置LDPC译码器的最大迭代次数不超过5。
4.根据权利要求1所述的一种低轨星座导航增强信号的电文快速同步及解码方法，其特征在于，对解调的电文数据进行帧同步为优先处理高速电文，当高速电文确定子帧起始位置后即开始对高速电文进行解码步骤的校验和译码处理。
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