本发明涉及一种通信信号处理方法，尤其涉及一种用于载人航天通信的信号处理方法。
背景技术：
随着载人航天任务的蓬勃开展，出舱活动成为载人航天任务的特色。出舱通信作为出舱活动的支撑技术，负责在出舱活动过程中，实现航天器与航天员之间的双向实时通信。随着载人航天任务中多人出舱活动的需求增加，相应地载人航天器需要解决多目标出舱通信的需求。载人航天器多目标出舱通信具有通信模式一对多、航天员活动范围大的特点。
例如，国际空间站采用时分多址(tdma)的方法实现了载人航天器与多名出舱航天员之间的通信，解决了不同航天员之间通信互扰的问题，但在同一时刻，载人航天器只能与一名出舱航天员进行通信，导致通信效率低，严重阻碍了多个航天员同时与航天器进行通信的要求。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种用于载人航天通信的信号处理方法，能够使载人航天器舱外多个目标物与航天器同时通信。
为实现上述发明目的，本发明提供一种用于载人航天通信的信号处理方法，包括：
s1.载人航天器对向出舱的目标物发送的初始数据帧进行映射处理；
s2.对映射处理后的所述初始数据帧进行扩频处理；
s3.对进行扩频后的所述初始数据帧进行加扰同步处理，以生成传输数据帧。
根据本发明的一个方面，载人航天器对向出舱的目标物发送的初始数据帧进行映射处理的步骤中包括：
s11.对前向信号组帧形成初始数据帧；
s12.对所述初始数据帧进行校验并生成校验码，以及在所述初始数据帧后附着所述校验码；
s13.对附着校验码的所述初始数据帧进行卷积编码；
s14.对卷积编码处理后的所述初始数据帧进行交织处理；
s15.对交织处理后的所述初始数据帧进行映射处理，其中，采用qpsk调制方式，将所述初始数据帧经过星座图映射为符号数据。
根据本发明的一个方面，对映射处理后的所述初始数据帧进行扩频处理的步骤中包括：
s21.对映射处理后的所述初始数据帧进行时隙复用处理；其中，将所述符号数据与导频和tpc控制码复用在时隙上；
s22.对所述目标物分配扩频码，利用相应的扩频码对时隙复用处理后的所述初始数据帧进行扩频处理。
根据本发明的一个方面，对进行扩频后的所述初始数据帧进行加扰同步处理，以生成传输数据帧的步骤中包括：
s31.对扩频处理后的所述初始数据帧进行加扰处理；
s32.对加扰处理后的所述初始数据帧添加同步头，以生成传输数据帧。
根据本发明的一个方面，还包括：
s4.所述目标物接收所述传输数据帧，并进行解扰同步处理；
s5.对解扰同步处理后的所述传输数据帧进行解扩频处理；
s6.对解扩频处理后的所述传输数据帧进行解析处理。
根据本发明的一个方面，对解扰同步处理后的所述传输数据帧进行解扩频处理的步骤中包括：
s51.根据所述扩频码，对相应的所述传输数据帧进行解扩频处理；
s52.对解扩频处理后的所述传输数据帧进行频偏估计；
s53.对频偏估计后的所述传输数据帧进行信道估计；
s54.对信道估计后的所述传输数据帧进行均衡处理；
s55.对均衡处理后的所述传输数据帧进行解时隙复用处理。
根据本发明的一个方面，对解扩频处理后的所述传输数据帧进行解析处理的步骤中包括：
s61.对解时隙复用处理后的所述传输数据帧进行解调处理；
s62.对解调处理后的所述传输数据帧进行解交织处理；
s63.对解交织处理后的所述传输数据帧进行卷积译码；
s64.对信道译码处理后的所述传输数据帧中的校验码进行crc校验，输出crc校验结果。
根据本发明的一个方面，对解扩频处理的所述传输数据帧进行频偏估计的步骤包括：去除所述传输数据帧中的固有频偏，并对所述传输数据帧进行残留频偏补偿。
根据本发明的一个方面，对所述传输数据帧进行信道估计的步骤包括：采用所述传输数据帧中的导频，对所述传输数据帧的信道乘性因子进行估计；其中，将所述传输数据帧中的参考信号取出，并生成本地参考信号；基于所述生成参考信号生成导频乘性因子；对所述导频乘性因子线性插值获得所述传输数据帧的信道乘性因子。
根据本发明的一个方面，对信道估计后的所述传输数据帧进行均衡处理的步骤中包括：
s541.对信道估计后的所述传输数据帧与所述信道乘性因子进行运算获得均衡后的数据；
s542.将信道能量叠加到均衡后的所述传输数据帧上，获得解调软信息。
根据本发明的一个方案，载人航天器通过对发射的前向信号进行组帧、附着校验码、卷积编码、交织处理、映射处理、时隙复用处理、扩频处理、加扰处理和添加同步头，从而保证了载人航天器与目标物之间通信链路的正常运行。其中，附着校验码保证了后续目标物对接收到的信号进行校验，从而方便快捷地判断出通信链路信号的质量，为保证载人航天器与目标物之间能够正常通信起到了关键作用。通过时隙复用处理和扩频处理，保证了前向信号能够被目标物准确的接收，避免了目标物之间通信信号的干扰，同时，通过采用扩频处理后，使得载人航天器能够与多个目标物之间连接多条前向链路，保证了载人航天器与多个目标物之间同时通信，提高了载人航天器与目标物之间的通信效率。通过加扰处理，保证了载人航天器与多个目标物之间通信信号的随机性，使得目标物与载人航天器之间的通信更加灵活稳定，使通信质量得到有效提高。通过添加同步头，从而保证了载人航天器与目标物之间能够实时通信，避免了通信信号的延迟，同时还避免了产生由于通信链路发生错误而导致载人航天器不能与目标物通信的“失联”状况。
根据本发明的一个方案，目标物通过对接收的的前向信号进行解扰同步处理、解扩频处理、解析处理，从而保证了目标物接收并高质量的完成对载人航天器发射的信号的处理。其中，解扰同步处理保证了目标物能够实时与载人航天器之间的链路同步，为保证载人航天器与目标物之间能够正常通信起到了关键作用。在目标物与载人航天器之间同步的过程中，通过搜索门限和验证门限与接收到的进行比较，从而有利保证了目标物能够接收有效的通信信号，避免了干扰信号和质量差的信号的接入，保证了载人航天器与目标之间通信信号的接收稳定，进一步保证了通信链路的正常。同时，通过锁定门限与接收到的信号进行循环检测，从而保证了目标物与载人航天器之间通信链路的实时畅通，避免了目标物与载人航天器之间产生“失联”的情况。目标物与载人航天器之间的通信链路断开锁定状态，目标物还可以根据断开锁定状态时的情况对搜索门限进行重新设定，提高了目标物与载人航天器之间再一次链路锁定的效率，并且避免了目标物与载人航天器之间再一次链路锁定后失去锁定状态的情况发生，进一步提高了目标物和载人航天器之间的通信链路的稳定有效。目标物通过解扩频处理、解析处理对接收到的信号进行准确有效的分析，通过上述步骤中对传输数据帧的处理解决了通信信号中个干扰问题，并且结合解扩频处理后进一步解决了不同目标物之间通信信号的干扰，从而实现了不同目标物与载人航天器通信的独立，进一步实现了多个目标物与载人航天器之间的同时通信。
附图说明
图1示意性表示根据本发明的一种实施方式的信号处理方法的步骤框图；
图2示意性表示根据本发明的一种实施方式的信号处理方法的初始数据帧进行映射处理的步骤框图；
图3示意性表示根据本发明的一种实施方式的信号处理方法的卷积编码生成电路；
图4示意性表示根据本发明的一种实施方式的信号处理方法的初始数据帧进行扩批处理的步骤框图；
图5示意性表示根据本发明的一种实施方式的信号处理方法的初始数据帧的帧结构图；
图6示意性表示根据本发明的一种实施方式的信号处理方法的初始数据帧进行加扰同步处理的步骤框图；
图7示意性表示根据本发明的一种实施方式的信号处理方法的加扰多项式图；
图8示意性表示根据本发明的一种实施方式的信号处理方法的目标物与载人航天器之间信号同步的流程框图；
图9示意性表示根据本发明的一种实施方式的信号处理方法的传输数据帧进行解扩频处理的步骤框图；
图10示意性表示根据本发明的一种实施方式的信号处理方法的传输数据帧进行解析处理的步骤框图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的用于载人航天通信的信号处理方法，包括：
s1.载人航天器对向出舱的目标物发送的初始数据帧进行映射处理；
s2.对映射处理后的初始数据帧进行扩频处理；
s3.对进行扩频后的初始数据帧进行加扰同步处理，以生成传输数据帧。
s4.目标物接收传输数据帧，并进行解扰同步处理；
s5.对解扰同步处理后的传输数据帧进行解扩频处理；
s6.对解扩频处理后的传输数据帧进行解析处理。
为详细的对本发明进行详细阐述，结合附图对本发明的方法进行详细说明。
载人航天器与目标物之间的通信主要包括前向链路通信和返向链路通信。其中，前向链路是指载人航天器向目标物发射通信信号的链路，返向链路指目标物向载人航天器发射通信信号的链路。
根据本发明的一种实施方式，采用fdd频分复用双工体制，保证载人航天器与目标物之间的前向链路和返向链路的全双工实时通信。在本实施方式中，向前向链路和返向链路分别分配中心频点f1和f2，从而形成的保护带宽为b，其中，b＝f1-f2。在本实施方式中，载人航天器与目标物之间的前向链路和返向链路之间的标准保护带宽为bsafe，其满足bsafe≤b。
结合图1和图2所示，对步骤s1进行详细说明。根据本发明的一种实施方式，载人航天器对向出舱的目标物发送的初始数据帧进行映射处理的步骤中包括：
步骤s11.对前向信号组帧形成初始数据帧。
在本实施方式中，载人航天器将需要向目标物发送的前向信号中的语音数据、业务数据等按照传输比特进行组帧，从而生成初始数据帧。
步骤s12.对初始数据帧进行校验并生成校验码，以及在初始数据帧后附着校验码。
在本实施方式中，经过组帧形成的初始数据帧输送到校验电路进行校验。需要指出的是，检验电路为crc电路。初始数据通过校验电路生成校验码，并且将校验码附着在初始数据帧的帧尾。在本实施方式中，通过crc电路生成的校验码满足公式：
crc(d)＝d16+d12+d5+1
步骤s13.对附着校验码的初始数据帧进行卷积编码。
在本实施方式中，参见图3，通过图3中所示的卷积编码生成电路，将附着有校验码的初始数据帧进行卷积编码。
步骤s14.对卷积编码处理后的初始数据帧进行交织处理。
在本实施方式中，将卷积编码完成后的初始数据帧输送到交织器中进行交织处理。在本实施方式中，初始数据进行交织处理的交织深度i共有i＝1，i＝2，i＝3，i＝4，i＝5五种，按照实际通信需要进行配置。
步骤s15.对交织处理后的初始数据帧进行映射处理。
在本实施方式中，采用qpsk调制方式，将交织处理后的初始数据帧经过星座图映射为符号数据。进行qpsk调制的过程中，需要满足表一中的参数设置，表一如下：
表一
表一中，b(i)，b(i+1)表示qpsk调制中的输入信号，i表示qpsk调制中的i信号，q表示qpsk调制中的q信号。在本实施方式中，对初始数据帧进行映射处理的过程中，按照表一中数据对qpsk调制电路进行配置。
结合图1和图4所示，对步骤s2进行详细说明。根据本发明的一种实施方式，对映射处理后的初始数据帧进行扩频处理的步骤中包括：
步骤s21.对映射处理后的初始数据帧进行时隙复用处理。
在本实施方式中，参见图5，其中，由图5中可看出，附着校验码之后的初始数据帧的结构，以及经过卷积编码后初始数据帧的结构。在本实施方式汇总，经过卷积编码后的初始数据帧在经过映射处理后得到本步骤中需要时隙复用处理的符号数据(即前述步骤中经过卷积编码后的初始数据帧)。对映射处理后的初始数据帧(即符号数据)按照图5中规定的帧结构进行时隙复用处理。其中，将经过映射处理后的初始数据帧(即符号数据)与导频和tpc控制码复用在时隙上。
步骤s22.对目标物分配扩频码，利用相应的扩频码对时隙复用处理后的初始数据帧进行扩频处理。
在本实施方式中，载人航天器与舱外的目标物进行通信，需要对每个目标物进行区分。因此，载人航天器需要向舱外的目标物分配扩频码，当目标物为多个时，载人航天器需要向舱外的多个目标物分配不同的扩频码，从而有利于对舱外的目标物的识别。在本实施方式中，载人航天器还需要对经过时隙复用处理后的初始数据帧进行扩频处理，即根据舱外的目标物相对应的扩频码，对隙复用处理后的初始数据帧中插入相对应的扩频码，从而有利于目标物能够相对应地接收，避免了多个目标物在载人航天器舱外活动过程中相互之间通信信号的干扰。
结合图1和图6所示，对步骤s3进行详细说明。根据本发明的一种实施方式，对进行扩频后的初始数据帧进行加扰同步处理，以生成传输数据帧的步骤中包括：
步骤s31.对扩频处理后的初始数据帧进行加扰处理。
在本实施方式中，参见图7，基于图7中所示的加扰多项式，对经过扩频处理后的初始数据帧进行加扰处理。扩频处理后的初始数据帧由a到b的方向进行数据处理。通过加扰处理后保证了载人航天器与多个目标物之间通信的随机性，进一步避免了目标物之间通信的干扰，提高了通信质量。
步骤s32.对加扰处理后的初始数据帧添加同步头，以生成传输数据帧。
在本实施方式中，通过对加扰处理后的初始数据帧进行同步头的添加，生成传输数据帧，从而保证载人航天器与目标物之间通信的同步，避免了载人航天器与目标物之间双向通信链路的正常接通，避免了舱外的目标物“失联”。
通过上述步骤，载人航天器通过对发射的前向信号进行组帧、附着校验码、卷积编码、交织处理、映射处理、时隙复用处理、扩频处理、加扰处理和添加同步头，从而保证了载人航天器与目标物之间通信链路的正常运行。其中，附着校验码保证了后续目标物对接收到的信号进行校验，从而方便快捷地判断出通信链路信号的质量，为保证载人航天器与目标物之间能够正常通信起到了关键作用。通过时隙复用处理和扩频处理，保证了前向信号能够被目标物准确的接收，避免了目标物之间通信信号的干扰，同时，通过采用扩频处理后，使得载人航天器能够与多个目标物之间连接多条前向链路，保证了载人航天器与多个目标物之间同时通信，提高了载人航天器与目标物之间的通信效率。通过加扰处理，保证了载人航天器与多个目标物之间通信信号的随机性，使得目标物与载人航天器之间的通信更加灵活稳定，使通信质量得到有效提高。通过添加同步头，从而保证了载人航天器与目标物之间能够实时通信，避免了通信信号的延迟，同时还避免了产生由于通信链路发生错误而导致载人航天器不能与目标物通信的“失联”状况。
结合图1和图8所示，对步骤s4进行详细说明。根据本发明的一种实施方式，目标物接收传输数据帧，并进行解扰同步处理的步骤中包括：
步骤s41.目标物接收载人航天器发送的传输数据帧。
在本实施方式中，目标物的信号接收设备采用逐位移入的方式对载人航天器发送的传输数据帧进行接收。
步骤s42.目标物将接收的传输数据帧与标准的传输数据帧的同步头进行逐位相关。
在本实施方式中，目标物中设置有对传输数据帧进行初始搜索的搜索门限，通过对传输数据帧中的同步头进行逐位相关，获取传输数据帧的峰值，并与搜索门限相比较。在本实施方式中，若传输数据帧的峰值大于搜索门限，则进行下一步对传输数据的验证；若传输数据帧的峰值小于搜索门限，则重新通过逐位相关的方式获取传输数据帧的峰值，并再次将传输数据帧的峰值与搜索门限进行比较。
步骤s43.对通过搜索门限比较的传输数据帧进行同步验证态验证。
在本实施方式中，传输数据帧的峰值大于搜索门限后，进入同步验证态，并且根据外部输入完成对搜索门限的设置。在同步验证态的验证过程中，需要将传输数据帧的帧周期与设置的验证门限进行比较。在本实施方式中，采用帧周期相关的方式对传输数据帧进行验证。若传输数据帧的帧周期大于设定的验证门限，则进行下一步处理；若传输数据帧的帧周期小于设定的验证门限，目标物将重新执行步骤s41-s43。
步骤s44.对通过同步验证态验证的传输数据帧进行同步锁定态验证，传输数据帧与目标物同步锁定，目标物根据加扰多项式，对传输数据进行解扰处理。
在本实施方式中，目标物根据外部输入对同步锁定态验证过程中的锁定门限进行设置。在同步锁定态验证过程中需要将传输数据帧的帧周期与设置的锁定门限值进行比较。
在本实施方式中，采用帧周期相关的方式对传输数据帧进行验证。若传输数据帧的帧周期与大于设定的锁定门限，则当前传输数据帧与目标物之间锁定，目标物根据加扰多项式，对传输数据进行解扰处理。若传输数据帧的帧周期小于设定的锁定门限，目标物将需要对传输数据帧的帧周期小于锁定门限的情况进行进一步的判定，其包括：
如果传输数据帧的帧周期与小于锁定门限的次数不是连续发生，则目标物保持当前传输数据帧与目标物的锁定状态；
如果传输数据帧的帧周期与小于锁定门限的次数是连续发生，则传输数据帧与目标物之间断开锁定状态，目标物则重新执行步骤s41-s44，同时，目标物根据断开锁定状态，对搜索门限进行重新设定。
结合图1和图9所示，对步骤s5进行详细说明。根据本发明的一种实施方式，对解扰同步处理后的传输数据帧进行解扩频处理的步骤中包括：
步骤s51.根据扩频码，对相应的传输数据帧进行解扩频处理。
在本实施方式中，目标物对经过同步解扰处理后的传输数据帧进行解扩频处理。目标物根据分配的扩频码，对接收到的传输数据帧进行解扩频处理。
步骤s52.对解扩频处理后的所述传输数据帧进行频偏估计。
在本实施方式中，目标物对经过解扩频处理后的传输数据帧进行频偏估计。目标物通过内部的电路对传输数据帧中的固有频偏进行去除，同时，还需要对传输数据帧进行残留频偏补偿。在本实施方式中，传输数据帧中的每个时隙都嵌有参考信号，则可以根据相邻参考信号的频偏特性，补偿传输数据帧中业务数据。
步骤s53.对频偏估计后的传输数据帧进行信道估计；
在本实施方式中，采用传输数据帧中的导频，对经过频偏估计的传输数据帧的信道乘性因子进行估计。将传输数据帧中的参考信号从接收序列中取出，并生成本地参考信号。基于生成的本地参考信号生成导频乘性因子，对导频乘性因子线性插值获得传输数据帧的信道乘性因子。
步骤s54.对信道估计后的传输数据帧进行均衡处理。在本实施方式中，在对信道估计后的传输数据帧进行均衡处理的过程中，将传输数据帧中的实部取出进行处理，在本步骤中进一步包括：
步骤s541.基于对频偏估计后的传输数据帧进行信道估计后得出的信道乘性因子，以及进过信道估计后的传输数据帧进行运算获取均衡后的数据。
步骤s542.将信道能量叠加到均衡后的传输数据帧上，获得解调软信息。信道能量是指信道中传输数据帧的传输功率。
步骤s55.对均衡处理后的传输数据帧进行解时隙复用处理。
在本实施方式中，根据时隙复用原则，将传输数据帧中的业务数据从时隙中取出，完成对均衡处理后的传输数据帧进行解时隙复用处理。
结合图1和图10所示，对步骤s6进行详细说明。根据本发明的一种实施方式，对解扩频处理后的传输数据帧进行解析处理的步骤中包括：
步骤s61.对解时隙复用处理后的传输数据帧进行解调处理。
在本实施方式中，通过采用qpsk调制对解时隙复用处理后的传输数据帧进行解调处理。根据解时隙复用处理步骤中获取的调软信息对解时隙复用处理后的传输数据帧进行解调处理，其软解调规则如下：
步骤s62.对解调处理后的传输数据帧进行解交织处理。
在本实施方式中，根据交织规则对对解调处理后的传输数据帧进行解交织处理，使传输数据帧经过交织恢复。
s63.对解交织处理后的传输数据帧进行卷积译码。
在本实施方式中，采用维特比算法，对解交织处理后的传输数据帧进行卷积译码，并输出硬判决结果。
s64.对信道译码处理后的传输数据帧中的校验码进行crc校验，输出crc校验结果。
通过上述步骤，目标物通过对接收的的前向信号进行解扰同步处理、解扩频处理、解析处理，从而保证了目标物接收并高质量的完成对载人航天器发射的信号的处理。其中，解扰同步处理保证了目标物能够实时与载人航天器之间的链路同步，为保证载人航天器与目标物之间能够正常通信起到了关键作用。在目标物与载人航天器之间同步的过程中，通过搜索门限和验证门限与接收到的进行比较，从而有利保证了目标物能够接收有效的通信信号，避免了干扰信号和质量差的信号的接入，保证了载人航天器与目标之间通信信号的接收稳定，进一步保证了通信链路的正常。同时，通过锁定门限与接收到的信号进行循环检测，从而保证了目标物与载人航天器之间通信链路的实时畅通，避免了目标物与载人航天器之间产生“失联”的情况。目标物与载人航天器之间的通信链路断开锁定状态，目标物还可以根据断开锁定状态时的情况对搜索门限进行重新设定，提高了目标物与载人航天器之间再一次链路锁定的效率，并且避免了目标物与载人航天器之间再一次链路锁定后失去锁定状态的情况发生，进一步提高了目标物和载人航天器之间的通信链路的稳定有效。目标物通过解扩频处理、解析处理对接收到的信号进行准确有效的分析，通过上述步骤中对传输数据帧的处理解决了通信信号中个干扰问题，并且结合解扩频处理后进一步解决了不同目标物之间通信信号的干扰，从而实现了不同目标物与载人航天器通信的独立，进一步实现了多个目标物与载人航天器之间的同时通信。
上述内容仅为本发明的具体方案的例举，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。
以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。