一种场景自适应的卫星信号接收及处理方法与流程

本发明涉及卫星通信测量领域，特别是一种场景自适应的卫星信号接收及处理方法。

背景技术：

卫星信道特征是卫星通信体制设计的基础。而卫星移动信道衰落主要包括路径损耗、阴影衰落和多径衰落。理论上，路径衰落主要与传输距离和频率相关，阴影衰落服从lognormal分布，多径衰落服从rayleigh分布。美国、日本、加拿大和澳大利亚等国家针对测试点的经纬度、地形地貌以及电磁状态等，通过信号的特定参数测量，表征信号接收的实际变化情况。当前，卫星信道模型主要包括c.loo、corraza和lutz模型，其测量方法是利用从气球、高塔或飞艇中放置信号发生装置，发射模拟卫星的信号，通过模拟的信道接收，测定卫星信号包络并进行数值统计，拟合后得到卫星信号特征参数。现有卫星信号接收及处理方法依赖于模拟的空中平台，其不能正确反映信号从卫星轨位到达地表的实际信道特征变化，同时空中平台的成本高难以支持长时间和大区域测量。

现有卫星信号接收及处理方法主要是以基站作为信号发射源发射测试信号，以测试仪表作为信号接收终端接收衰落信号以及分析特征。其设置接收节点获取待测量的码本组中码本数量，对信道进行测量，并向发射节点上报接收到的码本进行比对。此测量方法可扩展至多个接收节点，信道测量装置向至少两个用户设备发送天线域训练序列，信道测量装置对接收的至少两个用户设备的信道响应测量序列进行联合处理，得到下行信道状态信息。测试信号中可设定无线帧，其携带信道测量请求方标识信息、信道测量反馈方标识信息以及信道测量反馈指示信息，指示信道测量反馈方根据所述信道测量反馈指示信息进行信道测量。针对卫星条件下，主要考虑降雨、大气吸收以及大气闪烁等因素对卫星信道建模的影响，采用主成分分析和模糊聚类分析方法建立了卫星信道多状态模型。

综上所述，现有方法主要存在的缺点是：(1)缺乏s波段卫星的信道特征测量：卫星是以极化波束的形式辐射，现有测量方法面向地面移动通信系统采用全向辐射方式，其电磁波的传输模式上存在较大的差异性。同时，针对卫星的信道测量是以l波段和ka波段为主，不同波段在传输损耗和大气衰减中均具有较大的差异性，难以直接应用；(2)缺乏灵活的快速场景变化的系统适应：现有卫星信道测量的装置集成度低，无法灵活装配和快速调试，而卫星测量环境往往随着测量设备载体运动而变化，需要快速调节设备状态，准确测定目标场景的信道参数。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种场景自适应的卫星信号接收及处理方法，通过增益自适应、天线追踪自适应、拟合算法自适应的方式实现对卫星信号的接收及处理。该方法面向s波段卫星，在不同经纬度和地表地貌情况下，通过场景自适应方法得到卫星信道参数，解决快速场景变化下的卫星信道参数测量问题。

本发明的技术解决方案是：一种场景自适应的卫星信号接收及处理方法，包括如下步骤：

(1)产生测试用例；

(2)测量环境判定，然后自适应调整增益；

(3)测量基础参数，然后自适应调整天线；

(4)获取直射分量；

(5)获取目标测量场景卫星信号；

(6)提取卫星信号特征；

(7)拟合信道模型。

所述的产生测试用例的方法为：

生成长码高斯伪随机序列，通过bpsk方式进行调制，经上变频向卫星发射，接收采集卫星信号的i、q两路数据，通过iq数据，测量得到卫星信号的包络、相位、多径效应、相干带宽、时延功率谱密度。

所述的bpsk调制后，经上变频向卫星发射的信号需要使得信号到达地表时功率不小于120dbm。

所述的测量环境判定，然后自适应调整增益的方法为：

接收采集卫星信号的i、q两路数据时，对测试场景进行场景图片采集，然后对场景图片进行分析，若测试场景为空旷地，将信号接收增益调为50db，若测试场景为阴影遮蔽地区，将信号接收增益调为60db，若测试场景为城市密集区，将信号接收增益调为55db。

所述的测量基础参数，然后自适应调整天线的方法为：

计算测量位置的理论卫星仰角e、方位角a、极化角p为

然后得到天线当前状态的实测卫星仰角e′、方位角a′、极化角p′为

其中

x＝cosa·cose

y＝sina·cose

z＝sine

ω为自动追踪天线的俯仰角、δ为自动追踪天线的横滚角、为自动追踪天线的航向角、为卫星轨位的经度、为测量场景所在的经度、β为测量场景所在的纬度；

计算出天线误差信号δe＝e-e′、δa＝a-a′、δp＝p-p′，采用自动控制算法，通过比例放大、微分、积分、比例放大来改变天线的方向使其对准卫星。

所述的获取直射分量的方法为：

将地面测试设备移动至测试场景周围的开阔地，对卫星信号进行滤波处理，得到信号的样本根据n＝max(i)得到信号在当前场景下的los分量，i为正整数。

所述的获取目标测量场景卫星信号的方法为：

将地面测试设备移动至目标测量场景，接收卫星信号，并进行降噪预处理，然后采用二阶巴特沃斯滤波器，对频带外的噪声进行滤波，使得幅频响应为其中，m为滤波器阶数，ωc为截止频率，ω为通带频率。

所述的提取卫星信号特征的方法为：

将滤波后的i、q两路数据通过的运算得到信号的包络，再利用进行归一化处理，计算出r′概率分布p(r′)，然后由计算r′残余概率分布ccdf，得到卫星信号的一阶统计量，然后生成与发射的长码高斯伪随机序列相同的序列，与接收到的下变频信号进行滑动互相关，得到rpq(τ)＝ifft(fft(p)×conj[fft(q)])，进而得到卫星信号的二阶统计量；其中，rpq(τ)为复数互相关值，p和q分别为接收到的下变频信号和数据处理单元生成的长码高斯伪随机序列。

所述的拟合信道模型的方法为：

步骤1：基于非线性最小二乘法的初值遍历自适应算法对卫星信号的一阶参量进行拟合，根据场景确定算法参数迭代初值范围以及搜索窗，b0∈[bmin，bmax]，d0∈[dmin，dmax]，μ0∈[μmin，μmax]，若测试场景为空旷地，b0∈[0.1，0.3]，d0∈[0.1，0.3]，μ0∈[0.1，0.3]，若测试场景为阴影遮蔽环境，b0∈[0.1，0.3]，d0∈[0.6，0.8]，μ0∈[-0.6，-0.4]，若测试场景为城市密集区b0∈[0.5，0.7]，d0∈[0.1，0.3]，μ0∈[-0.6，-0.4]，然后确定迭代初值b0＝bmin，d0＝dmin，μ0＝μmin，给定拟合误差门限e，最大迭代次数it，梯度最小门限gmin，步长最小门限hmin，初始化阻尼系数λ0；

步骤2：计算函数值为

其中，yi为由卫星信号得到的第i个实测数据，ri为根据地i个i、q两路数据计算得到信号包络，f(b0，d0，μ0，ri)是由初值得到的模型函数值，若f²(b，d，μ)≤e，则退出迭代；若f²(b，d，μ)＞e，则转入步骤3；

步骤3：计算拟合函数的雅可比矩阵

步骤4：根据jk、fk计算得到梯度gk＝jk^tfk，若||gk||≤gmin，则退出迭代；若||gk||＞gmin，则转入步骤5，其中，k为正整数，且初值为1；

步骤5：根据公式(jk^tjk+λki)h＝-gk，i为3×3单位矩阵，求解迭代步长h，若||h||≤hmin，则退出迭代；若||h||＞hmin，则执行步骤6；其中，λk为第k次迭代时的阻尼系数，黄色部分为jk；

步骤6：根据得到新的参数若k＜it，则返回步骤2，再次执行；否则执行步骤7；

步骤7：若b0∈[bmin，bmax]，d0∈[dmin，dmax]，μ0∈[μmin，μmax]，则本初值的迭代最优解为fn²(b，d，μ)min，令b0＝b0+0.01，d0＝d0+0.01，μ0＝μ0+0.01，返回步骤2，进行下一组初值迭代；若b0＞bmax，d0＞dmax，μ0＞μmax，则执行步骤8；fn²是不同迭代初值下第n次拟合的最优解；

步骤8：将fn²(b，d，μ)min中的最小值作为迭代最优解，并得到对应的b，d，μ，带入信道模型公式f(b，d，μ，r)，得到符合当前测试场景的信道模型。

一种场景自适应的卫星信号接收及处理系统，包括信号发射模块、主控模块、环境监视模块、信号接收模块，信号接收模块包括自动追踪天线、伺服控制单元；其中：

信号发射模块生成长码高斯伪随机序列，调制后经上变频向卫星发射，信号接收模块中的自动追踪天线采集卫星信号的i、q两路数据，测量得到接收此信号卫星信号的包络、相位、多径效应、相干带宽、时延功率谱密度，主控模块控制环境监视模块对测试场景进行场景图片采集，然后对采集的场景图片进行分析，确定测试场景，进而调整信号接收增益，信号接收模块中的自动追踪天线对测试所处地理位置进行测量与记录，得到测量位置的理论卫星仰角、方位角、极化角，信号接收模块中的伺服控制单元控制自动追踪天线在静止或移动过程中均能实现自动调整对星，主控模块获取直射分量、目标测量场景卫星信号，提取卫星信号特征，进而完成信道模型拟合。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明面向s波段卫星，在不同经纬度和地表地貌情况下，测量从卫星轨位到地表的卫星信号传输信道参数，解决快速场景变化下的卫星信道参数测量问题；

(2)本发明实现了卫星信号的自适应处理，提高了卫星信号处理的效率和精度。

附图说明

图1为本发明自适应的卫星信号接收及处理方法的实现流程图；

图2为实现卫星天线自适应追踪的流程图；

图3为自适应初值遍历拟合方法流程图。

具体实施方式

本发明克服现有技术的不足，提供了一种场景自适应的卫星信号接收及处理方法，通过增益自适应、天线追踪自适应、拟合算法自适应的方式实现对卫星信号的接收及处理。该方法面向s波段卫星，在不同经纬度和地表地貌情况下，通过场景自适应方法得到卫星信道参数，解决快速场景变化下的卫星信道参数测量问题。

一种自适应的卫星信号接收处理方法，实现步骤如下：

(1)信号发射模块产生测试用例，针对s波段卫星信道的测量，本方法设计单频正弦波和长码高斯伪随机序列等两种测量用例，可以对卫星信号的包络、相位、多径效应等特征进行测量；

(2)环境采集及增益自适应调节：环境监视单元将测试场景图片采集上传到主控单元，测量场景包括开阔地、阴影遮蔽地区、城市密集区等三类，根据不同的场景，信号接收单元调节不同的信号接收增益；

(3)基础参数的测量及天线追踪自适应调整：导航模块对测试所处地理位置进行测量与记录，并计算测量位置的理论卫星仰角(e)、方位角(a)、极化角(p)，自适应天线根据卫星仰角、方位角、极化角，计算误差信号，采用自动控制算法，经过例放大、积分、微分、比例放大，通过伺服控制单元使天线在静止或移动过程中均能实现自适应调整对星；

(4)卫星信号特征提取：将测量装置移动到目标测量场景周围的空旷地，以获取卫星信号的直射分量，然后将测量装置移动到目标测量场景，对卫星信号进行测量。经滤波降噪处理和归一化处理后计算卫星信号的概率分布(pdf)参与概率分布(ccdf)，得到卫星信号的一阶统计量。若测试信号为长码高斯伪随机序列，则可通过与本地产生的相同序列进行滑动互相关得到卫星信号的时延功率谱密度(pdp)。

(5)利用自适应的初值遍历拟合算法进行信道模型拟合：利用基于非线性最小二乘法的初值遍历自适应算法对卫星信号的一阶参量进行拟合，得到卫星信道模型参数。根据测试场景设置合适的参数初值搜索窗t，对参数进行迭代得到算法的局部最优解，对该搜索窗内的初值进行遍历，选取最小的拟合误差函数所对应的参数作为最佳拟合参数。

下面以静止状态下测量长码高斯伪随机序列为例，结合卫星信道测量流程，对本发明的实施方式进行进一步说明

(1)测试用例产生

信号发射模块生成长码高斯伪随机序列，通过bpsk方式进行调制，经上变频向卫星发射，接收采集卫星信号的i、q两路数据，通过iq数据，测量得到接收此信号卫星信号的包络、相位、多径效应、相干带宽、时延功率谱密度等特征，信号发射功率要求信号到达地表时功率不小于120dbm。

(2)测量环境判定及增益自适应调整

当接收采集卫星信号的i、q两路数据时，主控单元控制环境监视单元(地面)对测试场景进行场景图片采集，然后主控单元对环境监视单元采集的场景图片进行分析，确定测试场景。若测试场景为空旷地，信号接收单元将信号接收增益调为50db；若测试场景为阴影遮蔽地区，信号接收单元将信号接收增益调为60db；若测试场景为城市密集区，信号接收单元将信号接收增益调为55db。

(3)基础参数的测量及天线自适应调整

信号接收单元中的卫星自动追踪天线的导航模块对测试所处地理位置进行测量与记录，并计算测量位置的理论卫星仰角(e)、方位角(a)、极化角(p)。

其计算公式如下：

自动追踪天线根据卫星仰角、方位角、极化角，通过伺服控制单元使天线在静止或移动过程中均能实现自动调整对星。天线当前状态的实测卫星仰角(e′)、方位角(a′)、极化角(p′)满足以下公式：

x′、y′、z′满足

其中

x＝cosa·cose

y＝sina·cose

z＝sine

上述公式中，ω为自动追踪天线的俯仰角、δ为自动追踪天线的横滚角、为自动追踪天线的航向角，均可通过角运动检测装置进行测量。

主控单元计算出天线当前状态的e′、a′、p′，与理论的e、a、p比较，得到误差信号δe＝e-e′、δa＝a-a′、δp＝p-p′。利用该误差信号，采用自动控制算法，通过比例放大、微分、积分、比例放大来改变天线的方向使其对准卫星。

(4)直射分量的获取

将地面测试设备移动至测试场景周围的开阔地，对卫星信号进行滤波处理，得到信号的样本利用公式得到信号在该场景下的los分量。

(5)目标测量场景卫星信号的获取

将地面测试设备移动至目标测量场景，接收卫星信号，并进行降噪预处理。采用二阶巴特沃斯滤波器，对频带外的噪声进行滤波。其幅频响应为：其中n为滤波器阶数，ωc为截止频率。

(6)卫星信号特征提取

经过滤波后，i、q两路数据通过的运算得到信号的包络，利用进行归一化处理，并计算出r′概率分布p(r′)。由计算r′残余概率分布(ccdf)，得到卫星信号的一阶统计量。同时数据处理单元生成与发射的长码高斯伪随机序列相同的序列，与接收到的下变频信号进行滑动互相关，其时域公式为：

rpq(τ)＝ifft(fft(p)×conj[fft(q)])

其中rpq(τ)为复数互相关值，p和q分别为接收到的下变频信号和数据处理单元生成的长码高斯伪随机序列，得到卫星信号的二阶统计量。

(7)信道模型拟合

利用基于非线性最小二乘法的初值遍历自适应算法对卫星信号的一阶参量进行拟合。需要拟合的模型为f(b，d，μ，r)。其中b，d，μ为拟合参数，r为自变量。假设公式yi＝f(b，d，μ，ri)-εi成立，yi是卫星信号包络概率分布实测值，f(b，d，μ，ri)是预测值。则εi为拟合后的误差函数。要使拟合误差函数最小，则可得

具体步骤如下：

步骤1：主控单元将环境监视单元得到的环境信息反馈给数据处理单元。数据处理单元根据场景确定算法参数迭代初值范围，以及三个参数的搜索窗。b0∈[bmin，bmax]，d0∈[dmin，dmax]，μ0∈[μmin，μmax]。若测试场景为空旷地，b0∈[0.1，0.3]，d0∈[0.1，0.3]，μ0∈[0.1，0.3]；若测试场景为阴影遮蔽环境，b0∈[0.1，0.3]，d0∈[0.6，0.8]，μ0∈[-0.6，-0.4]；若测试场景为城市密集区b0∈[0.5，0.7]，d0∈[0.1，0.3]，μ0∈[-0.6，-0.4]。确定迭代初值b0＝bmin，d0＝dmin，μ0＝μmin。给定拟合误差门限e，最大迭代次数it，梯度最小门限gmin，步长最小门限hmin。初始化阻尼系数λ0。

步骤2：根据当前参数，得到函数值

其中yi是由卫星信号得到的实测数据，f(b0，d0，μ0，ri)是由初值得到的模型函数值。若f²(b，d，μ)≤e，则退出迭代；若f²(b，d，μ)＞e，则进行步骤3。

步骤3：计算拟合函数的雅可比矩阵

步骤4：将bk，dk，μk带入得到jk，fk。并计算梯度gk＝jk^tfk。若||gk||≤gmin，则退出迭代；若||gk||＞gmin，则进行步骤5。

步骤5：根据公式(jk^tjk+λki)h＝-gk，其中i为3×3单位矩阵，求解迭代步长h。若||h||≤hmin，则退出迭代；若||h||＞hmin，则执行步骤6。

步骤6：通过公式得到新的参数若k＜it，则返回步骤2，再次执行；否则执行步骤7。

步骤7：若b0∈[bmin，bmax]，d0∈[dmin，dmax]，μ0∈[μmin，μmax]。设本初值的迭代最优解为fn²(b，d，μ)min。令b0＝b0+0.01，d0＝d0+0.01，μ0＝μ0+0.01。返回步骤2，进行下一组初值迭代。若b0＞bmax，d0＞dmax，μ0＞μmax，则执行步骤8.

步骤8.fn²(b，d，μ)min中的最小值即为迭代最优解。得到所对应的的b，d，μ，带入信道模型公式f(b，d，μ，r)，得到符合当前测试场景的信道模型。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。