卫星导航通信的变带宽滤波多音调制、解调方法及系统与流程

本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种卫星导航通信的变带宽滤波多音调制、解调方法及系统。

背景技术：

卫星导航定位技术如今的应用十分广泛，现有的全球卫星导航系统包括美国的gps(globalpositioningsystem)、中国的北斗、俄罗斯glonass(globalnavigationsatellitesystem)，欧洲的galileo系统。而现有的全球卫星导航系统如gps只具有发送导航电文的能力，不具备数据通信的功能。现有导航系统中的卫星通信功能也一直局限于短数据通信，仅仅只能满足简单信息的传递。而且现有技术中的通信系统与导航系统分离，通信资源配置的固定使得通信性能一直无法提升，也无法解决通信信道不足和导航信道冗余等问题，成为了卫星通信能力提升的瓶颈。同时，现有的导航通信分开的设计思路，导致导航信号不容易隐蔽，极易被攻击。

滤波多音技术(fmt)用于导航时其调制方式、信道编排方式、解调方式等方法也有初步研究。但传统的fmt以及其他基于传统多载波调制的导航方式有一个缺点，即其子带带宽宽度恒定。由于基于fmt的定位其定位精度依赖于子带带宽，故统一子带带宽的fmt其定位精度调整是相对受限的。此外，fmt的子带宽度与其抗多普勒能力、抗时延能力密切相关。故变带宽的fmt(vsb-fmt)技术用于导航通信一体化系统，可以使系统能够在定位精度、抗多普勒、抗时延等多种需求的环境下使用，进而提高系统健壮性。

如何将卫星的导航与通信功能结合起来实现资源的优化配置，并以较低的成本和硬件复杂度实现卫星与地面之间的高质量的通信和导航成为现阶段亟需解决的问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种卫星导航通信的变带宽滤波多音调制、解调方法及系统，用于将卫星的导航与通信功能结合起来实现资源的优化配置，同时提高传输效率和频谱利用率。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种卫星导航通信的变带宽滤波多音调制方法，所述卫星导航通信的变带宽滤波多音调制方法包括：将导航信号与通信信号进行变带宽滤波多音调制，获得在多子带信道中传输的调制信号；发送所述调制信号。

于本发明的一实施例中，所述将导航信号与通信信号进行变带宽滤波多音调制包括将所述导航信号和所述通信信号调制到带宽不同的若干个子带上，使得所述调制信号在多子带信道中传输。

于本发明的一实施例中，所述多子带信道包含导航子信道和通信子信道。

于本发明的一实施例中，所述将导航信号与通信信号进行变带宽滤波多音调制的一种实现方式包括：对所述导航信号和所述通信信号按所述导航子信道和通信子信道对应不同所述子带的频谱分配方式进行频谱资源分配，获得初步调制信号；对所述初步调制信号进行滤波整形，获得滤波处理信号；对所述滤波处理信号进行离散傅里叶逆变换获得ifft处理信号；对所述ifft处理信号进行并串变换，获得所述调制信号。

于本发明的一实施例中，所述导航子信道包括偶数个导航信道，每个所述导航信道对应一个子带；所述通信子信道包含若干个通信信道，每个所述通信信道对应一个子带；所述导航信号通过所述导航信道对应的所述子带在导航子信道中进行传输；所述通信信号通过所述通信信道对应的所述子带在通信子信道中进行传输。

本发明的实施例还提供一种卫星导航通信的变带宽滤波多音解调方法，所述卫星导航通信的变带宽滤波多音解调方法包括：接收在多子带信道中传输的调制信号；对所述调制信号进行联合解调，获取通信信号和导航信号。

于本发明的一实施例中，所述对所述调制信号进行联合解调的一种实现方式包括：依次对所述调制信号进串并行变换，离散傅里叶变换以及匹配滤波，获取所述调制信号中原始的通信信号和导航信号。

于本发明的一实施例中，所述卫星导航通信的变带宽滤波多音解调方法还包括：对所述导航信号中导航数据进行捕获、跟踪、同步；根据所述导航数据解析导航电文，获取卫星到地面端的伪距信息。

本发明的实施例还提供一种卫星导航通信的变带宽滤波多音调制系统，包括：信号处理与发送模块：用于将导航信号与通信信号进行变带宽滤波多音调制，获得在多子带信道中传输的调制信号，并发送所述调制信号。

本发明的实施例还提供一种卫星导航通信的变带宽滤波多音解调系统，包括：信号接收与处理模块：用于接收在多子带信道中传输的调制信号，对所述调制信号进行联合解调，获取通信信号和导航信号。

如上所述，本发明所述的卫星导航通信的变带宽滤波多音调制、解调方法及系统，具有以下有益效果：

本发明提出的信号传输方案通过特别设计的变带宽滤波多音调制技术，将导航信道和通信信道统一在一起，在不改变时频域结构的前提下使导航子信道和通信子信道能够共存，从而提高了频谱利用率，降低了每路载波的信号速率，使得每路的成本和硬件复杂度都得到了降低，导航子信道与通信子信道的频谱灵活分配以满足卫星导航通信系统的多种需求，提高了卫星导航通信系统的抗干扰性能。

附图说明

图1为导航信号与通信信号的vsb-fmt调制框图。

图2为导航信号与通信信号的vsb-fmt解调框图。

图3为导航数据处理框图。

图4为导航子信道与通信子信道的一种频谱分配方式。

图5为导航信号相关处理实现框图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本实施例提供一种卫星导航通信的变带宽滤波多音调制方法，所述卫星导航通信的变带宽滤波多音调制方法包括：

将导航信号与通信信号进行变带宽滤波多音调制，获得在多子带信道中传输的调制信号；

发送所述调制信号。

本实施例的对导航信号和通信信号统一采用vsb-fmt(变带宽滤波多音)调制，vsb-fmt调制过程如图1所示。

于本实施例中，所述将导航信号与通信信号进行变带宽滤波多音调制包括将所述导航信号和所述通信信号调制到带宽不同的若干个子带上，使得所述调制信号在多子带信道中传输。

其中，所述多子带信道包含导航子信道和通信子信道。

具体地，于本实施例中，所述将导航信号与通信信号进行变带宽滤波多音调制的一种实现方式包括：

对所述导航信号和所述通信信号按所述导航子信道和通信子信道对应不同所述子带的频谱分配方式进行频谱资源分配，获得初步调制信号；

对所述初步调制信号进行滤波整形，获得滤波处理信号；

对所述滤波处理信号进行离散傅里叶逆变换获得ifft处理信号；

对所述ifft处理信号进行并串变换，获得所述调制信号。

于本实施例中，所述导航子信道包括偶数个导航信道，每个所述导航信道对应一个子带；所述通信子信道包含若干个通信信道，每个所述通信信道对应一个子带；所述导航信号通过所述导航信道对应的所述子带在导航子信道中进行传输；所述通信信号通过所述通信信道对应的所述子带在通信子信道中进行传输。

本实施例所述信道表示信号传输所占用的频率带宽，其中导航子信道与传输导航信号的子带所在频率段对应，通信子信道与传输通信信号的子带所在频率段对应，如图4所示。

多载波调制技术就是通过在m个子信道上并行传输数据，使每个子信道内的符号持续时间扩展为单载波传输时的m倍，从而有效地降低由时延扩展所导致的符号间干扰(isi，inter-symbolinterference)，大大降低了误码率，同时也降低了数据处理的速度要求和硬件复杂度。

变带宽滤波多音调制(vsb-fmt，varaible-subbandfilteredmultitonemodulation)是一种应用于下一代通信系统的载波格式。其特点是系统的子信道频谱互不重叠，各子信道具有很高的频谱约束性，对系统频率偏差不敏感。vsb-fmt系统互不重叠的子信道频谱使得接收信号中信道间干扰(ici，interchannelinterference)可忽略不计，使系统获得良好的抗ici性能，并且便于频谱的管理。

在实现结构上，vsb-fmt可以用离散傅立叶反变换(idft，inverseddiscretefouriertransform)和傅立叶变换(dft，discretefouriertransform)高效实现。

如图1所示，进行vsb-fmt调制之前还包括匹配滤波步骤，本实施例的匹配滤波通过平方根升余弦(srrc)滤波器实现。

本实施例中滤波器设计非常关键。一般来讲，传统上滤波器需要满足"完美重构"的限制，以保证传输中的isi不会影响性能。本实施例采用截短的滤波器，进行滤波整形，获得滤波处理信号。在通过滤波器组技术将多个子带通过频域结构相同的滤波器发送出去的同时，可以有效避免滤波器长度受到频域处理复杂度的限制，保证了信号传输中的isi不会影响性能。

进一步地，本实施例采用的是截短的根升余弦奈奎斯特滤波器。选取t0为符号周期，则f0＝1/2t0为奈奎斯特频率，h(f)为频率响应。由srrc的性质，如果收端需要恢复频域信号，则一路子带的频谱需要包含滚降成型。取滚降系数为ρ，则有频域冲击响应为：

由srrc滤波器性质得到f1＝(1+ρ)f0为频域主瓣宽度，则为了能量化其主瓣宽度，需要选取合适的采样率。

在一个系统中，通常采样频率fs首先被确定。然后，由于f1＝(1+ρ)f0，则有fs/f0＝(1+ρ)fs/f1。通过适当的选取整数m0＝fs/f0，m1＝fs/f1，就可以得到整个系统的参数。其中，m0为一个符号内的采样点个数，m1为一个与滤波器频域相关的标记。其时域滤波器为

gsrrc(n)＝ifft(h(f),lcd(m0,m1)),0≤n<lcd(m0,m1)；

该滤波器为固定带宽下使用滤波器的标准形式。在vsb-fmt下，假设有g组宽度的子带，则其成型滤波器为

其中ηg为变带宽倍数，每组g中有kg个子带。抽取之后，其成型滤波器主瓣宽度将更宽。在本实施例中，导航信号采用srrc+qpsk信号。因此，导航子信号可表示为：

其中，

导航信号a(m)是调制信号，m为导航信号的符号宽度，c为cdma扩频码，如图1中所示的扩频码为c1(t)，tc为cdma扩频码码元宽度，其中扩频比为2046，即每个符号内有2046个码元，g表示srrc滤波器。导航子信号表达式中的k有两个取值，即表示x(i)如图4所示占用频带两端的两个子带。图1中ar(t)为导航信号。

本实施例将通信子信道与导航子信道进行vsb-fmt调制，图1中ac(t)为通信信号。

在时域上，通信信号ac(t)按照如图4所示的规则进行排布和传输。

在频域上，通信信号的fmt子带还可以按规则分成若干个子频段，每个通信子频段可独立承载相同或不同的通信数据通道，通信子频段是能够使用的最小频域资源。

基于变带宽滤波多音调制的卫星导航通信一体系统应用于数据通信时，通信信道vsb-fmt数据帧的子带被分配给每个通信客户端。每个通信客户端按照预先分配的子带进行信号帧生成，则每个子带上传输的通信信号可以写成：

其中，为上文描述的srrc滤波器，k为频域占用的子带编号，i为时域采样点标号。

以上就是导航信号和通信信号的处理、调制过程。

本实施例还提供一种卫星导航通信的变带宽滤波多音解调方法，所述卫星导航通信的变带宽滤波多音解调方法包括：

接收在多子带信道中传输的调制信号；

对所述调制信号进行联合解调，获取通信信号和导航信号。

具体地，于本实施例中，所述对所述调制信号进行联合解调的一种实现方式包括：

依次对所述调制信号进串并行变换，离散傅里叶变换以及匹配滤波，获取所述调制信号中原始的通信信号和导航信号。

于本实施例中，所述卫星导航通信的变带宽滤波多音解调方法还包括：

对所述导航信号中导航数据进行捕获、跟踪、同步；根据所述导航数据解析导航电文，获取卫星到地面端的伪距信息。

在通信客户端接收到如图4所示格式的调制信号后，首先对调制信号进行如图2所示的vsb-fmt解调步骤。先进行串并变换，然后进行傅里叶变换(fft)，最后进行匹配滤波，获得原始导航信号和通信信号。得到导航信号后，进一步对导航信号中导航数据进行捕获、跟踪、同步的操作步骤，进而解析导航电文。

如图3所示的匹配滤波主要是设计与fmt调制时所用的srrc滤波器相匹配的滤波器。

其中捕获步骤主要包括码相关步骤和多普勒检测步骤，如图3。

跟踪过程主要包括载波跟踪和c/a码跟踪。下面为本实施例所用的载波跟踪步骤。

在导航信号相关时，输入两个对称的载波(i路和q路)如图5，同相支路(i路)的本地复现信号可以表示为

其中，an为幅度值，δτ为延时，fn为载波频率，为估计的中频频率。为估计的载波的相位。

正交支路(q路)的本地复现信号可以表示为

然后将x(t)分别与和进行相关可得

式中第三项为码相关峰，最后根据得到的相关结果可以获得锁相环和锁频环的输出，从而得到需要估计的精度。可以看到，随着δf的变化，码相关峰宽度会相应变化，进而影响导航精度。其中码相关峰的精度参照现有技术，可以获得其理论精度即：

其中ts为符号时间，fsc为子带宽度，tc为码时间，es/n0表示信噪比。可见，调整ts对定位精度的影响非常大。通过变带宽设置，可以灵活调整zzb理论界。同时带宽不同的信号，其传输特性也不同。子带宽的信号抗多普勒能力较强而抗多径能力较差。该系统能够根据需求改变子带宽度，在定位精度-信噪比-多普勒-多径等多个维度进行折衷，取得最好的传输方案，比传统无法改变子带宽度的系统具有更多自由度。

在完成跟踪过程、进一步实现同步后，就能解析导航电文，获取卫星到地面端的伪距信息。在得到多个(四个及以上)卫星到地面端的伪距信息后，我们就可以求解出地面端的位置坐标，完成定位。

为对应应用上述卫星导航通信的变带宽滤波多音调制方法，本发明的实施例还提供一种卫星导航通信的变带宽滤波多音调制系统，包括：信号处理与发送模块：用于将导航信号与通信信号进行变带宽滤波多音调制，获得在多子带信道中传输的调制信号，并发送所述调制信号。所述信号处理与发送模块的实现原理与上述卫星导航通信的变带宽滤波多音调制方法的原理相同，在此不再赘述。

为对应应用上述卫星导航通信的变带宽滤波多音解调方法，本发明的实施例还提供一种卫星导航通信的变带宽滤波多音解调系统，包括：信号接收与处理模块：用于接收在多子带信道中传输的调制信号，对所述调制信号进行联合解调，获取通信信号和导航信号。

信号接收与处理模块的实现原理与上述卫星导航通信的变带宽滤波多音解调方法的原理相同，在此不再赘述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

综上所述，本实施例提供一种可变带宽的、导航、通信性能较为均衡的卫星导航通信的变带宽滤波多音调制、解调方法及系统，使其能够应用于导航系统备份、应急通信、导航信号辅助通信接收等场景。本实施例提出的信号传输方案通过特别设计的变带宽滤波多音调制技术，将导航信道和通信信道统一在一起，在不改变时频域结构的前提下使导航子信道和通信子信道能够在一个系统内共存，从而提高了频谱利用率，降低了每路载波的信号速率，使得每路的成本和硬件复杂度都得到了降低，导航子信道与通信子信道的频谱灵活分配以满足系统的多种需求，提高了系统的抗干扰性能。同时该发明支持一整个联合调制的fmt中各个载波使用不同带宽的子载波，可保证在卫星对不同精度要求、不同环境的用户使用不同宽度的子带进行服务，从而让该卫星能够服务更多场景下的用户。该系统中的卫星平时用作数据通信，一旦其他导航卫星受到攻击不能正常使用时，这时卫星作为导航卫星的备用星，通过发射导航信号发挥导航作用。而且由于卫星信号中既包含通信信号又包含导航信号，因而可以较好地隐蔽导航信号，使其不容易受到干扰。本发明可扩展应用范围，且可应用于单载波或多载波传输系统。

所以本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。