一种基于相位匹配的卫星星地传输信号对消方法与流程

本发明属于卫星通信，涉及一种基于相位匹配的卫星星地传输信号对消方法。

背景技术：

1、基于地面参考信号的星地传输信号对消在军民领域都有着重要应用。在民用领域，成对载波多址技术采用载波叠加的方式，允许通信双方使用相同带宽资源，可成倍的增加通信容量，在这一过程中，星上转发器将通信双方位于相同频带的叠加信号进行中继转发，接收方在接收到下行链路信号后，可利用自身发射信号作为参考，对消掉下行信号中包含的自身信号，得到通信另一方的信号，实现通信；在军事领域，为了提高侦察卫星透明转发系统的保密性和隐蔽性，可在星上生成干扰信号，与转发系统待转发的目标信号进行合路，实现对目标转发信号的“掩盖”和“隐藏”，从而避免地面非授权方对转发信号的非法获取，而地面在接收到合路信号后，可以生成与星上干扰信号相同的地面参考信号对干扰信号进行抵消，恢复出真实转发信号。由此可见，基于地面参考信号的星地传输信号对消是上述系统工作的关键一环。

2、由于星上所产生信号在星地传输的过程中，不可避免的要经过信道延迟，多普勒偏移，信道衰落等过程作用；同时地面参考信号一般为数字信号，与接收设备所采集的星上下传信号也存在非同步的问题。因此地面用户恢复真实转发信号的关键在于对各种误差参数如时移、频偏、相偏等进行估计，并根据估计结果调整参考信号，进而完成对干扰信号的对消和转发信号的高精度恢复。目前研究方法多关注于单个误差如时移或频移变量的估计，该类方法在面临星地传输所引入多误差参数耦合的情况下适用能力较差，而少量基于联合估计的算法则需要对多个误差参数进行同时搜索，运算复杂，难以满足实际使用中大带宽高采样率条件下的实时对消要求，工程应用能力差。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于相位匹配的卫星星地传输信号对消方法，所述星地传输信号调制了伪随机序列，用于保密通信，包括如下步骤：

2、s1、接收星地传输信号并采样以获取离散传输信号，对离散传输信号进行捕获、跟踪、伪码同步处理，得到星地传输信号的多普勒频移粗略估计值fd和所调制的伪随机序列的精确起始时刻kstart；

3、s2、以kstart时刻为起始，在离散传输信号中选取长度为n,n>1的序列，记为卫星隐蔽转发离散序列，并将卫星隐蔽转发离散序列均匀分割为p段，计为si(n),i＝1～p，在地面生成每段离散参考信号ri(n)，所述离散参考信号ri(n)调制的伪随机序列与si(n),i＝1～p时移为零，频偏、相偏和幅度偏差不为零，基于多普勒频移粗略估计值fd计算每段对应的相移误差

4、s3、对离散参考信号ri(n)进行频偏调整，对各段离散传输信号si(n)及频偏调整后的离散参考信号进行傅里叶变换，获取各自频谱，基于频谱及多普勒频移粗略估计值fd计算各段离散参考信号ri(n)对应的多普勒频偏最优值fdbesti，利用多普勒频偏最优值fdbesti、相移误差对离散参考信号ri(n)同时进行频偏和相偏调整，生成调整后离散参考信号rnewi(n)；

5、s4、对调整后离散参考信号的rnewi(n)进行幅度偏差调整得到rfinali(n)，将每段离散传输信号si(n)与rfinali(n)相减，得到完成对消后的星地传输信号。

6、进一步的，所述步骤s1的具体步骤如下：

7、s1.1、接收卫星下传信号并对其进行数字采样得到离散传输信号；

8、s1.2、设定滑窗长度nw及放大系数cw，根据滑窗长度nw从起始位置开始对下传离散信号进行分段，计算每段内离散传输信号的功率，若当前段功率高于上一段功率的cw倍，则以上一段信号的中心点为起始点，记录该点位置为星地传输信号中调制的卫星干扰信号的粗略起始时刻k0；

9、s1.3、设定找头信号长度为k,k>1000,生成长度为k的离散找头参考信号rhead(n)，初始化迭代值k等于1；所述离散找头参考信号的载波为预设频点的正弦波，调制了星地传输信号中调制的伪随机序列；

10、s1.4、从离散传输信号的k0+k-1位置开始，提取k个采样点作为传输信号找头检测段；

11、s1.5、在预设的频率范围内，按照预设的频率间隔选取多普勒频率，得到m个多普勒频率点，将离散找头参考信号rhead(n)采用多普勒频率进行频率偏移，m>1；

12、s1.6、将多普勒偏移后的离散找头参考信号与传输信号找头检测段分别进行相关运算，得到m个相关值；

13、s1.7、k值加1，在预设的k取值范围内，重复执行步骤s2.2～步骤s2.4，选取最大相关值对应的离散信号起始点作为精确起始时刻kstart，选取最大相关值对应的离散信号多普勒频移作为多普勒频移粗略估计值fd。

14、进一步的，所述步骤s1.5的频率偏移方式为：

15、

16、其中，为频率偏移后的离散找头参考信号，c为光速，λ为下传信号载波波长，fs为采样率与中心频率之比，fdi为第di个多普勒频率点对应的多普勒频移值，di＝1，2，…，m；中的i为虚部。

17、进一步的，所述步骤s2的具体步骤为：

18、s2.1、以kstart时刻为起始，在离散传输信号中选取长度为n的序列，记为卫星隐蔽转发离散序列，并将其均匀分割为p段，每段长度为q，p*q＝n，每一段记为si(n),i＝1～p；

19、s2.2、对于第1段卫星隐蔽转发离散序列s1(n)，从kstart时刻生成长度为q的离散参考信号，记为r1(n)，并利用多普勒频移粗略估计值fd进行频率偏移调整，得到r1(n)的第一调整序列r11(n)和第二调整序列r12(n)，如下所示：

20、

21、

22、s2.3、第一调整序列r11(n)与s1(n)进行相关运算，得到相关值a1，第二调整序列r12(n)与s1(n)进行相关运算，得到相关值b1，根据相关值a1、相关值b1计算相移误差和最大相关值maxcorr1；

23、s2.4、对于第i,i＝2～p段卫星隐蔽转发离散序列，从时刻生成长度为的参考信号，记为并利用多普勒频移粗略估计值fd进行频率偏移调整，得到的第一调整序列和第二调整序列如下，并将的起始点位mk记录为1；

24、

25、

26、s2.5、以和的第mk个采样点为起始，分别提取q个采样点，与si(n)进行相关操作，得到相关值ai和相关值bi，根据相关值ai、相关值bi计算最大相关值maxcorrmk和对应的相移误差

27、s2.6、mk值加1，重复步骤s2.5，直到

28、s2.7、从获取的全部最大相关值maxcorrmk中寻找最大值，记录其位置，并以该位置为起点，提取该段参考信号的q个采样点作为第i段卫星隐蔽转发离散序列si(n)的对应参考信号，记为ri(n),i＝2～p，并将与最大maxcorrmk对应的相移误差作为该段的相移误差

29、进一步的，所述步骤s2.3中根据相关值计算相移误差和最大相关值的方法为：

30、

31、

32、进一步的，所述步骤s3的具体步骤如下：

33、s3.1、设定频移微调范围fdrange及频移微调步长fdstep，初始化迭代值fidx＝0；

34、s3.2、对第i段卫星隐蔽转发离散序列si(n)及对应参考信号ri(n)，首先对si(n)进行快速傅里叶变换获取其频谱fsi(f)，随后计算频移调整值为fdtmp＝fd1-fdrange+fidx*fdstep，按照下式对参考信号ri(n)进行频偏调整，得到序列rtmpi(n)；

35、

36、s3.3、对rtmpi(n)进行快速傅里叶变换获取其频谱frtmpi(f)，计算fsi(f)每个点的相位与frtmpi(f)在对应点的相位差值angtmpi(n)，并计算第一拟合系数coff1、第二拟合系数coff2及相位匹配误差angerr；

37、s3.4、fidx值加1，重复步骤s3.2到s3.3，直到fdtmp>fd1+fdrange；

38、s3.5、选取最小的相位匹配误差所对应的fdtmp，并将其记录为fdbesti；

39、s3.6、利用fdbesti和按照下式对参考信号ri(n)进行调整，得到rnewi'(n)，对rnewi'(n)进行快速傅里叶变换获取其频谱frnewi'(f)；

40、

41、s3.7、计算fsi(f)每个点的相位与frnewi'(f)在对应点的相位差值angnewi(n)，并计算相应的coff1、coff2；

42、s3.8、根据coff1、coff2按照下式调整frnewi'(f)，记为frnewi(f)并对frnewi(f)进行逆傅里叶变换作为调整后离散参考信号rnewi(n)；

43、frnewi(f)＝frnewi(f)*exp(i*(coff1*f+coff2)),f＝1～q。

44、进一步的，所述步骤s3.3中第一拟合系数coff1、第二拟合系数coff2及相位匹配误差angerr计算方式如下：

45、

46、

47、

48、其中，为angtmpi(n)的平均值，

49、进一步的，所述步骤s4的具体步骤如下：

50、s4.1、计算调整后离散参考信号rnewi(n)能量值ener1、卫星隐蔽转发离散序列si(n)能量值ener2，用于计算幅度系数dainit；

51、s4.2、设da1＝dainit*0.1，da2＝dainit*0.6，da3＝dainit*0.9，da4＝dainit*1.1，设置向量enerremain4×1，enerremain(j)＝|si(n)-daj*rinew(n)|；

52、s4.3、设置矩阵acoff4×4，acoff的第j列值为[(daj)3 (daj)2 daj 1]t；

53、s4.4、计算向量coff4×1，coff＝(acoff)-1*enerremain；

54、s4.5、根据coff4×1计算dabesti如下：

55、

56、s4.6、令rfinali(n)＝dabesti*rnewi(n)，sre(n)＝si(n)-rfinali(n)，完成对第i段卫星隐蔽转发离散序列的对消。

57、进一步的，所述步骤s4.1中能量值ener1、ener2及幅度系数dainit的计算方式如下：

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59、

60、

61、本发明与现有技术相比的有益效果是：

62、(1)、本发明首先针对误差参数的时变特性对下传信号和参考信号进行分段，随后针对频移及相移误差高度耦合的特性，通过频域相位匹配将传统的频移和相移二维搜索拆分成一维搜索，基于最小方差相位准则获取最优误差参数，通过解耦设计将传统的误差参数同时搜索进行了拆分，降低了运算复杂度的同时提高了误差估计精度，实现了星地传输信号的高精度对消。

63、(2)、本发明首先针对误差参数的时变特性对下传信号和参考信号进行分段，各段单独进行后续操作，有利于并行处理，提高处理效率。

64、(3)、本发明通过分级迭代的方式将二维搜索拆分成一维搜索，并对搜索步长进行自适应缩放，在保证了误差参数估计颗粒度的同时降低了运算复杂度。

65、(4)、本发明降低了运算复杂度的同时提高了误差估计精度，确保了对加入干扰信号的实时高精度消除。