CN117471508B - 带宽受限条件下的数据最优组帧方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种带宽受限条件下的数据最优组帧方法和装置。所述方法包括：对经由双阵元天线接收的两路卫星导航信号依次进行预处理和干扰检测；若存在干扰，分别对预处理后的两路卫星导航信号进行信号截取和互相关计算，获取卫星导航信号的干扰功率，进而计算获取卫星导航信号的信噪比；若不存在干扰，直接对预处理后的任意一路卫星导航信号进行信噪比估计；在带宽受限的条件下，根据卫星导航信号的信噪比动态选择最优量化位宽，并基于最优量化位宽进行卫星导航信号的采集，得到卫星导航信号的最优组帧方式。采用本方法能够根据信号信噪比动态决定最优量化位宽进行信号采集，实现信号采集设备存储资源和计算资源的最大化利用。
Description
技术领域
本申请涉及卫星导航技术领域，特别是涉及一种带宽受限条件下的数据最优组帧方法和装置。
背景技术
卫星导航系统是一种利用人造卫星提供定位、导航和定时服务的技术系统。它通过在地球轨道上部署一组卫星，利用卫星与接收器之间的信号交互，实现对地球上任意位置的定位和导航，现已被广泛应用于车辆导航、航空航海、地质勘探、灾害救援等领域。用户可以通过携带GNSS（全球导航卫星系统）接收机来获取实时的位置信息以及时间信息。为了方便对信号进行事后分析，用户通常还可以使用卫星导航信号采集设备进行卫星信号的采集和存储。
对于信号采集设备，通常需要将模拟信号进行数字采样并进行量化，合理的量化位宽才能保证信号原始信息不会受损。然而目前卫星导航信号采集设备的数据组帧方法均基于固定量化位宽，无法根据信号信噪比动态决定量化位宽，可能造成数据采集资源的浪费，并且当干扰存在时，卫星导航信号的信噪比无法进行准确估计，导致卫星导航信号的最佳量化位宽难以确定，这为带宽受限条件下的数据组帧带来了巨大挑战。
发明内容
基于此，有必要针对上述传统卫星导航信号的数据采集方法对存储以及数据传输资源造成的浪费问题，提供一种带宽受限条件下的数据最优组帧方法和装置。
一种带宽受限条件下的数据最优组帧方法，所述方法包括：
通过双阵元天线的两个通道分别接收两路卫星导航信号并进行预处理，得到预处理后的两路卫星导航信号；
对预处理后的两路卫星导航信号进行设定时间的相关累积，并利用相关累积结果进行干扰检测，当信号存在干扰时，分别对预处理后的两路卫星导航信号进行信号截取和互相关计算，获取卫星导航信号的干扰功率，并根据干扰功率进行计算，获取卫星导航信号的信噪比；当信号不存在干扰时，直接对预处理后的任意一路卫星导航信号进行信噪比估计，得到卫星导航信号的信噪比；
在带宽受限的条件下，根据卫星导航信号的信噪比动态选择最优量化位宽，并基于最优量化位宽进行卫星导航信号的采集，得到卫星导航信号的最优组帧方式。
在其中一个实施例中，预处理包括：前置滤波放大处理及信号下变频处理。
在其中一个实施例中，前置滤波放大处理的步骤包括：利用前置滤波器和前置放大器的滤波放大功能，滤除接收的卫星导航信号中混杂的噪声，并对卫星导航信号进行放大处理。
在其中一个实施例中，信号下变频处理的步骤包括：利用本地振荡器产生的本振信号对接收的卫星导航信号进行混频，将卫星导航信号的频率由高频降低到低中频。
在其中一个实施例中，分别对预处理后的两路卫星导航信号进行信号截取和互相关计算，获取卫星导航信号的干扰功率，包括：
根据预设的互相关积分长度N分别从预处理后的两路卫星导航信号中截取两路信号数据和/>，对两路信号数据进行互相关计算，得到信号互相关矩阵，表示为，其中n为用于求和的中间变量，m为矩阵索引，表示两路信号数据做互相关的差值；
将信号互相关矩阵的峰值除以互相关积分长度N，获得卫星导航信号的干扰功率/>。
在其中一个实施例中，根据干扰功率进行计算，获取卫星导航信号的信噪比，包括：
根据截取的信号数据和互相关积分长度N进行计算，获取接收的卫星导航信号功率，表示为/>，根据接收的卫星导航信号功率和干扰功率/>进行计算，得到卫星导航信号的真实功率为/>；
根据接收机底噪的计算公式获取卫星导航信号的噪声功率，表示为
；
其中K表示波尔兹曼常数，T表示开氏温度，W表示信号带宽，NF表示接收机噪声系数；
根据真实功率和噪声功率进行计算，得到干扰存在时，卫星导航信号的信噪比，表示为。
在其中一个实施例中，当信号不存在干扰时，对预处理后的任意一路卫星导航信号采用的信噪比估计方法包括最大似然估计算法、高阶累积量估计算法和二阶四阶矩估计算法。
在其中一个实施例中，最优量化位宽的选择要求以不影响卫星导航信号的信噪比为标准。
在其中一个实施例中，最优量化位宽的选择要求以不影响卫星导航信号的信噪比为标准，包括：
根据模数转换时量化信噪比与量化位宽之间的关系式，选择最优量化位宽时，要求当前计算获取的卫星导航信号的信噪比小于最优量化位宽的对应的量化信噪比，表示为
；
其中，为最优量化位宽，/>为当前计算获取的卫星导航信号的信噪比，/>表示向上取整。
一种带宽受限条件下的数据最优组帧装置，所述装置包括：
预处理模块，用于通过双阵元天线的两个通道分别接收两路卫星导航信号并进行预处理，得到预处理后的两路卫星导航信号；
信噪比计算模块，用于对预处理后的两路卫星导航信号进行设定时间的相关累积，并利用相关累积结果进行干扰检测，当信号存在干扰时，分别对预处理后的两路卫星导航信号进行信号截取和互相关计算，获取卫星导航信号的干扰功率，并根据干扰功率进行计算，获取卫星导航信号的信噪比；当信号不存在干扰时，直接对预处理后的任意一路卫星导航信号进行信噪比估计，得到卫星导航信号的信噪比；
信号采集模块，用于在带宽受限的条件下，根据卫星导航信号的信噪比动态选择最优量化位宽，并基于最优量化位宽进行卫星导航信号的采集，得到卫星导航信号的最优组帧方式。
在其中一个实施例中，预处理模块还包括前置滤波放大处理模块和信号下变频处理模块。
在其中一个实施例中，前置滤波放大处理模块用于利用前置滤波器和前置放大器的滤波放大功能，滤除接收的卫星导航信号中混杂的噪声，并对卫星导航信号进行放大处理；信号下变频处理模块用于利用本地振荡器产生的本振信号对接收的卫星导航信号进行混频，将卫星导航信号的频率由高频降低到低中频。
上述带宽受限条件下的数据最优组帧方法和装置，对经由双阵元天线接收的两路卫星导航信号进行预处理，并通过干扰检测，确定预处理后的两路卫星导航信号中是否存在干扰；若存在，分别对预处理后的两路卫星导航信号进行信号截取和互相关计算，获取卫星导航信号的干扰功率，并根据干扰功率进行计算，获取卫星导航信号的信噪比；若不存在，直接对预处理后的任意一路卫星导航信号进行信噪比估计；最后，在带宽受限的条件下，根据卫星导航信号的信噪比动态选择最优量化位宽，并基于最优量化位宽进行卫星导航信号的采集，得到卫星导航信号的最优组帧方式。
采用本方法能够通过对存在干扰与不存在干扰两种场景下的卫星导航信号进行信噪比估计，可实现根据信号信噪比动态决定最优量化位宽，进而获得卫星导航信号的最优组帧方式，可以实现信号采集设备存储资源和计算资源的最大化利用。并且，由于信号采集后的信息传输速率由量化位宽与数据长度共同决定，在数据长度不变的情况下，采用本方法可以根据信号信噪比动态选择最优量化位宽，使得信号采集后达到最大信息传输速率。
附图说明
图1为一个实施例中带宽受限条件下的数据最优组帧方法的流程示意图；
图2为一个实施例中获取卫星导航信号的干扰功率的流程示意图；
图3为一个实施例中带宽受限条件下的数据最优组帧装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种带宽受限条件下的数据最优组帧方法，包括以下步骤：
首先，通过双阵元天线的两个通道分别接收两路卫星导航信号并进行预处理，得到预处理后的两路卫星导航信号 。
其中，预处理包括：前置滤波放大处理及信号下变频处理。前置滤波放大处理的步骤包括：利用前置滤波器和前置放大器的滤波放大功能，滤除接收的卫星导航信号中混杂的噪声，并对卫星导航信号进行放大处理。信号下变频处理的步骤包括：利用本地振荡器产生的本振信号对接收的卫星导航信号进行混频，将卫星导航信号的频率由高频降低到低中频，以便于进行数字采样及后续处理。
然后，对预处理后的两路卫星导航信号进行设定时间的相关累积，并利用相关累积结果进行干扰检测，当信号存在干扰时，分别对预处理后的两路卫星导航信号进行信号截取和互相关计算，获取卫星导航信号的干扰功率，并根据干扰功率进行计算，获取卫星导航信号的信噪比；当信号不存在干扰时，直接对预处理后的任意一路卫星导航信号进行信噪比估计，得到卫星导航信号的信噪比。其中，当信号不存在干扰时，所采用的信噪比估计方法包括但不限于最大似然估计算法、高阶累积量估计算法和二阶四阶矩估计算法。
最后，在带宽受限的条件下，根据卫星导航信号的信噪比动态选择最优量化位宽，并基于最优量化位宽进行卫星导航信号的采集，得到卫星导航信号的最优组帧方式。
在其中一个实施例中，如图2所示，分别对预处理后的两路卫星导航信号进行信号截取和互相关计算，获取卫星导航信号的干扰功率，包括：
根据预设的互相关积分长度N分别从预处理后的两路卫星导航信号中截取两路信号数据和/>，对两路信号数据进行互相关计算，得到信号互相关矩阵，表示为，其中n为用于求和的中间变量，m为矩阵索引，表示两路信号数据做互相关的差值；
将信号互相关矩阵的峰值除以互相关积分长度N，获得卫星导航信号的干扰功率/>。
在其中一个实施例中，根据干扰功率进行计算，获取卫星导航信号的信噪比，包括：
根据截取的信号数据和互相关积分长度N进行计算，获取接收的卫星导航信号功率，表示为/>，根据接收的卫星导航信号功率和干扰功率/>进行计算，得到卫星导航信号的真实功率为/>；
根据接收机底噪的计算公式获取卫星导航信号的噪声功率，表示为
；
其中K表示波尔兹曼常数，T表示开氏温度，W表示信号带宽，NF表示接收机噪声系数；
根据真实功率和噪声功率进行计算，得到干扰存在时，卫星导航信号的信噪比，表示为。
在其中一个实施例中，最优量化位宽的选择要求以不影响卫星导航信号的信噪比为标准。这是由于，根据香农公式可知，连续信道的最大传输速率由带宽与信号信噪比共同决定，卫星导航信号的带宽为固定值，因此，在带宽受限的条件下，信号采集设备接收到信号的信噪比便决定了卫星导航信号数据在传输信道中的最大速率。而模数转化过程中的量化位宽直接决定了理想情况下信号所能达到的最大信噪比，信号采集后的信息传输速率由量化位宽与数据长度共同决定。因此，为了保证能达到最大信息传输速率，应在保证在信号信噪比不受影响的条件下尽可能的降低信号的量化位宽，得到信号信噪比对应的最优量化位宽。具体地，最优量化位宽的选择要求以不影响卫星导航信号的信噪比为标准，包括：
根据模数转换时量化信噪比与量化位宽之间的关系式，选择最优量化位宽时，要求当前计算获取的卫星导航信号的信噪比小于最优量化位宽的对应的量化信噪比，表示为
；
其中，为最优量化位宽，/>为当前计算获取的卫星导航信号的信噪比，/>表示向上取整。
应该理解的是，虽然图1和图2的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1和图2中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，如图3所示，提供了一种带宽受限条件下的数据最优组帧装置，包括：
预处理模块301，用于通过双阵元天线的两个通道分别接收两路卫星导航信号并进行预处理，得到预处理后的两路卫星导航信号；
信噪比计算模块302，用于对预处理后的两路卫星导航信号进行设定时间的相关累积，并利用相关累积结果进行干扰检测，当信号存在干扰时，分别对预处理后的两路卫星导航信号进行信号截取和互相关计算，获取卫星导航信号的干扰功率，并根据干扰功率进行计算，获取卫星导航信号的信噪比；当信号不存在干扰时，直接对预处理后的任意一路卫星导航信号进行信噪比估计，得到卫星导航信号的信噪比；
信号采集模块303，用于在带宽受限的条件下，根据卫星导航信号的信噪比动态选择最优量化位宽，并基于最优量化位宽进行卫星导航信号的采集，得到卫星导航信号的最优组帧方式。
在其中一个实施例中，预处理模块301还包括前置滤波放大处理模块和信号下变频处理模块。
在其中一个实施例中，前置滤波放大处理模块用于利用前置滤波器和前置放大器的滤波放大功能，滤除接收的卫星导航信号中混杂的噪声，并对卫星导航信号进行放大处理；信号下变频处理模块用于利用本地振荡器产生的本振信号对接收的卫星导航信号进行混频，将卫星导航信号的频率由高频降低到低中频。
关于带宽受限条件下的数据最优组帧装置的具体限定可以参见上文中对于带宽受限条件下的数据最优组帧方法的限定，在此不再赘述。上述带宽受限条件下的数据最优组帧装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种带宽受限条件下的数据最优组帧方法，其特征在于，所述方法包括：
通过双阵元天线的两个通道分别接收两路卫星导航信号并进行预处理，得到预处理后的两路卫星导航信号；
对所述预处理后的两路卫星导航信号进行设定时间的相关累积，并利用相关累积结果进行干扰检测，当信号存在干扰时，分别对所述预处理后的两路卫星导航信号进行信号截取和互相关计算，获取卫星导航信号的干扰功率，并根据所述干扰功率进行计算，获取卫星导航信号的信噪比；当信号不存在干扰时，直接对所述预处理后的任意一路卫星导航信号进行信噪比估计，得到所述卫星导航信号的信噪比；
在带宽受限的条件下，根据所述卫星导航信号的信噪比动态选择最优量化位宽，并基于所述最优量化位宽进行卫星导航信号的采集，得到卫星导航信号的最优组帧方式；
其中，分别对所述预处理后的两路卫星导航信号进行信号截取和互相关计算，获取卫星导航信号的干扰功率，包括：
根据预设的互相关积分长度N分别从预处理后的两路卫星导航信号中截取两路信号数据和/>，对两路信号数据进行互相关计算，得到信号互相关矩阵，表示为，其中n为用于求和的中间变量，m为矩阵索引，表示两路信号数据做互相关的差值；
将信号互相关矩阵的峰值除以所述互相关积分长度N，获得卫星导航信号的干扰功率/>；
根据所述干扰功率进行计算，获取卫星导航信号的信噪比，包括：
根据截取的信号数据和所述互相关积分长度N进行计算，获取接收的卫星导航信号功率，表示为/>，根据所述接收的卫星导航信号功率和所述干扰功率/>进行计算，得到卫星导航信号的真实功率为/>；
根据接收机底噪的计算公式获取卫星导航信号的噪声功率，表示为，其中K表示波尔兹曼常数，T表示开氏温度，W表示信号带宽，NF表示接收机噪声系数；
根据所述真实功率和噪声功率进行计算，得到干扰存在时，卫星导航信号的信噪比，表示为；
其中，所述最优量化位宽的选择要求以不影响卫星导航信号的信噪比为标准；具体地，根据模数转换时量化信噪比与量化位宽之间的关系式，选择所述最优量化位宽时，要求当前计算获取的卫星导航信号的信噪比小于所述最优量化位宽的对应的量化信噪比，表示为
；
其中，为所述最优量化位宽，/>为当前计算获取的卫星导航信号的信噪比，/>表示向上取整。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预处理包括：前置滤波放大处理及信号下变频处理。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述前置滤波放大处理的步骤包括：利用前置滤波器和前置放大器的滤波放大功能，滤除接收的卫星导航信号中混杂的噪声，并对卫星导航信号进行放大处理。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述信号下变频处理的步骤包括：利用本地振荡器产生的本振信号对接收的卫星导航信号进行混频，将卫星导航信号的频率由高频降低到低中频。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当信号不存在干扰时，对所述预处理后的任意一路卫星导航信号采用的信噪比估计方法包括最大似然估计算法、高阶累积量估计算法和二阶四阶矩估计算法。
6.一种带宽受限条件下的数据最优组帧装置，其特征在于，所述装置包括：
预处理模块，用于通过双阵元天线的两个通道分别接收两路卫星导航信号并进行预处理，得到预处理后的两路卫星导航信号；
信噪比计算模块，用于对所述预处理后的两路卫星导航信号进行设定时间的相关累积，并利用相关累积结果进行干扰检测，当信号存在干扰时，分别对所述预处理后的两路卫星导航信号进行信号截取和互相关计算，获取卫星导航信号的干扰功率，并根据所述干扰功率进行计算，获取卫星导航信号的信噪比；当信号不存在干扰时，直接对所述预处理后的任意一路卫星导航信号进行信噪比估计，得到所述卫星导航信号的信噪比；
信号采集模块，用于在带宽受限的条件下，根据所述卫星导航信号的信噪比动态选择最优量化位宽，并基于所述最优量化位宽进行卫星导航信号的采集，得到卫星导航信号的最优组帧方式；
其中，分别对所述预处理后的两路卫星导航信号进行信号截取和互相关计算，获取卫星导航信号的干扰功率，包括：
根据预设的互相关积分长度N分别从预处理后的两路卫星导航信号中截取两路信号数据和/>，对两路信号数据进行互相关计算，得到信号互相关矩阵，表示为，其中n为用于求和的中间变量，m为矩阵索引，表示两路信号数据做互相关的差值；
将信号互相关矩阵的峰值除以所述互相关积分长度N，获得卫星导航信号的干扰功率/>；
根据所述干扰功率进行计算，获取卫星导航信号的信噪比，包括：
根据截取的信号数据和所述互相关积分长度N进行计算，获取接收的卫星导航信号功率，表示为/>，根据所述接收的卫星导航信号功率和所述干扰功率/>进行计算，得到卫星导航信号的真实功率为/>；
根据接收机底噪的计算公式获取卫星导航信号的噪声功率，表示为，其中K表示波尔兹曼常数，T表示开氏温度，W表示信号带宽，NF表示接收机噪声系数；
根据所述真实功率和噪声功率进行计算，得到干扰存在时，卫星导航信号的信噪比，表示为；
其中，所述最优量化位宽的选择要求以不影响卫星导航信号的信噪比为标准；具体地，根据模数转换时量化信噪比与量化位宽之间的关系式，选择所述最优量化位宽时，要求当前计算获取的卫星导航信号的信噪比小于所述最优量化位宽的对应的量化信噪比，表示为
；
其中，为所述最优量化位宽，/>为当前计算获取的卫星导航信号的信噪比，/>表示向上取整。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述预处理模块还包括前置滤波放大处理模块和信号下变频处理模块。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述前置滤波放大处理模块用于利用前置滤波器和前置放大器的滤波放大功能，滤除接收的卫星导航信号中混杂的噪声，并对卫星导航信号进行放大处理；所述信号下变频处理模块用于利用本地振荡器产生的本振信号对接收的卫星导航信号进行混频，将卫星导航信号的频率由高频降低到低中频。
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