CN117335863A - 码域码字叠加低轨卫星覆盖增强通导一体化方法及*** - Google Patents

码域码字叠加低轨卫星覆盖增强通导一体化方法及*** Download PDF

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CN117335863A CN202311330061.XA CN202311330061A CN117335863A CN 117335863 A CN117335863 A CN 117335863A CN 202311330061 A CN202311330061 A CN 202311330061A CN 117335863 A CN117335863 A CN 117335863A
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Abstract

本发明公开了一种码域码字叠加低轨卫星覆盖增强通导一体化方法及***，利用正交时频空调制技术将通信导航融合信号调制到相应载波形成时域信号，在时域信号前添加伪随机序列作为训练符号后发送该时域信号；还原时延‑多普勒域上的信道冲激响应，利用训练符号测出卫星与地面接收端之间的距离供定位解算后删除训练符号；将接收的信号通过正交时频空解调技术从时域转换到时间‑频率域，根据信道冲激响应进行信号均衡；求解获得所有用户发送所***字的概率；读取导航电文信息，获得卫星运行状况，卫星坐标信息，至少四颗卫星的导航电文信息，结合得到的距离信息解算得到接收机位置。解决卫星通信***和卫星导航***相对孤立发展和融合效率不高的问题。

Description

码域码字叠加低轨卫星覆盖增强通导一体化方法及***
技术领域
本发明属于无线卫星通信、卫星导航技术技术领域，具体涉及一种码域码字叠加低轨卫星覆盖增强通导一体化方法及***。
背景技术
近年来，信息通信领域迎来了集中式发展，第五代移动通信技术与人工智能及其相关新兴技术层出不穷并呈“井喷”式涌现，这使得越来越多的智能化场景，诸如无人驾驶、车联网、物联网等倍受瞩目。场景的多样化与需求的复杂化逐渐对通信和导航定位两项服务在其深度和广度方面提出了更高的要求，这也使通信和定位技术迎来了新的发展机遇。尤其对于位置服务，高性能、泛在化将成为必不可少的特性，具体体现在高定位精度、高可靠性、以及广服务范围等诸多方面。
在卫星通导一体化***设计中，首先需要考虑节省***的部署和改造成本，在充分利用现有硬件设备和现有信号制式的基础上，通过设计通导融合信号来实现一体化***功能，达到节省卫星数量和卫星频谱资源的目的。其次，考虑到低轨卫星***将在未来卫星***中占据重要位置，因此需要针对低轨卫星场景下的通导一体化信号传输模式进行研究。
卫星通信***和卫星导航***孤立发展已经不适宜当前多维度的智能场景需求。除此之外，当两大***各自独立发展和运行，不仅投入大而且会导致卫星轨道资源和无线频率资源的使用日趋紧张，所以将卫星导航定位与卫星通信功能深度融合，由同一套卫星***利用在同一无线资源上来实现，已成为学界和产业界广泛关注的重要解决方法。而卫星通信***和卫星导航***在调制解调方式、信号体制等方面的共通之处，也为通信导航一体化技术实现提供了基础和条件。正交时频空调制(OTFS)技术在克服星地双选信道影响方面具有优良特性，且OTFS信道估计可实现对信道传输时延和多普勒频率等定位相关参数的高精度估计，使得其在定位方面存在着固有优势。因此，在低轨卫星通导一体化信号设计中引入OTFS技术具有重要意义。除此之外，在通导一体化信号传输方案设计中，还需要尽量减少通信信号和导航信号之间的相互干扰，保证通导一体化***的综合性能。与此同时，还需提升***的灵活性以满足不同场景下不同用户业务对通信和导航的多种需求，因此需要设计针对可变速率业务的一体化信号传输方法。
当前通信和导航的一体化解决方案分为***协作模式和深度融合模式。***协作模式指依托现有卫星导航***和卫星通信***，对体制进行适应性修改，最终在终端进行融合。但此种方案的布设成本高、终端设计难度大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种码域码字叠加低轨卫星覆盖增强通导一体化方法及***，用于解决卫星通信***和卫星导航***相对孤立发展和融合效率不高的技术问题。
本发明采用以下技术方案：
码域码字叠加低轨卫星覆盖增强通导一体化方法，包括以下步骤：
S1、将通信信号和导航信号作为不同用户的信号，使用稀疏码分多址编码技术融合得到通信导航融合信号；
S2、将步骤S1得到的通信导航融合信号对应时延多普勒域上的网格点，利用正交时频空调制技术调制到相应载波形成时域信号，在时域信号前添加伪随机序列作为训练符号后发送该时域信号；
S3、利用步骤S2生成的伪随机序列作为训练符号进行时间和频率的二维匹配滤波，还原时延-多普勒域上的信道冲激响应，利用训练符号测出卫星与地面接收端之间的距离供步骤S6用作定位解算，完成后删除该训练符号；
S4、将步骤S2接收的信号通过正交时频空解调技术从时域转换到时间-频率域，根据步骤S3中的信道冲激响应进行信号均衡；
S5、采用SCMA解码方法对步骤S4均衡后的信号进行求解，获得所有用户发送所***字的概率；
S6、根据每个用户每位比特的对数似然概率值判断用户在该处发0或发1情况，解出所有用户信号用于分离导航信息，将二进制数据码转变为十六进制后还原原始数据，读取导航电文信息，获得卫星运行状况，卫星坐标信息，至少四颗卫星的导航电文信息，结合步骤S3得到的距离信息解算得到接收机位置。
具体的，步骤S1具体为：
S101、确定SCMA码本参数，考虑一个SCMA***，拥有J个用户，K个资源块，***中存在用户调制阶数df表示***中的一个资源块同时承载的用户个数，每个用户的码本中非零元素个数为N；
S102、生成基于黄金角度调制的母星座，构建若干个N维星座的集合，初始需要生成的星座点数量；
S103、根据M/2个N维星座点CMm(m＝1,2,...,M/2)确定剩余的一般星座点；
S104、将得到的星座点添加旋转因子φf＝ej(n-1)/N进行优化；
S105、向优化后的星座点引入相关性，重新生成后半部分维度的符号；
S106、由步骤S105生成另一半调制符号Y'，接着将Y和Y'进行交织，得到扩展的母码本；
S107、根据用户在某一个资源块上的功率共享情况，对母码本进行分割，生成各用户码本；
S108、用因子矩阵F表示不同用户与资源块之间的对应关系；
S109、各用户依据二进制码从自身的码本中选出对应列的码字，所有用户的码字合并后进行发送。
具体的，步骤S107中，各用户码本xj具体为：
其中，j＝1,2,...,J，Vj为第j个用户的映射矩阵，MC为母码本，df为每个资源块上复用的用户个数，J为用户个数。
具体的，步骤S2具体为：
S201、将时间-频率域和时延-多普勒域划分为网格；
S202、将通导融合信号先直接表示在时延-多普勒域，再通过逆辛傅里叶变换转换到时间-频率域；
S203、通过海森伯格变换将信号从时间-频率域转换到时域发送。
进一步的，持续发送伪随机序列码进行测距，生成伪随机序列并与发送的通信导航融合信号进行运算，确定相关值最大值处的数据码帧头以及信号发送的起始时间，得到信号的传播距离。
具体的，步骤S3中，还原出时延-多普勒域上的信道冲激响应具体如下：
r[n]＝e(ω0n)s[n-δ0]+N0[n]
其中，r(n)为时域的接收信号，<·>为相关运算，N0(t)为加性高斯白噪声，PN[n]为本地产生的伪随机序列，ω0为信道频率偏移值，δ0为信道时延偏移值，M(r,PN)[δ,ω]为接收信号与本地伪随机序列的时延多普勒移位信号做相关得到的相关值，和/>分别为不同情况下相关值与理想值1之间的误差，e(ωn)为指数函数，/>为整数域。
具体的，步骤S4具体为：
S401、采用时域连续形式表示接收信号；
S402、采用维格纳变换将时域的接收信号转换到时间-频率域内；
S403、利用SFFT变换将接收信号从时间-频率域转变到时延-多普勒域。
具体的，步骤S5具体为：
S501、初始化分为资源节点处的初始化和用户节点处的初始化；
S502、资源节点向与其联结的用户节点传递消息，当在给某一个用户传递消息时，结合上一轮迭代过程中其他两个用户节点给该资源传递的外部信息；
S503、用户节点向在因子图中与其相连的资源节点传递消息，在向某资源节点发送消息时，结合上一轮迭代中另一个资源节点传递来的消息，这样的外部信息与此用户节点处的内部信息结合，得到沿着因子图传递的消息；
S504、若不满足迭代终止条件，则继续依次执行步骤S502和步骤S503；若满足迭代终止条件，输出当前用户节点的输出值，即该处的对数似然概率。
具体的，步骤S6中，根据步骤S5得到的对数似然概率LLR判断发送比特，判断依据为：
其中，为该处发送的比特。
第二方面，本发明实施例提供了一种码域码字叠加低轨卫星覆盖增强通导一体化***，包括：
一种码域码字叠加低轨卫星覆盖增强通导一体化***，其特征在于，包括：
融合模块，将通信信号和导航信号作为不同用户的信号，使用稀疏码分多址编码技术融合得到通信导航融合信号；
添加模块，将融合模块得到的通信导航融合信号对应时延多普勒域上的网格点，利用正交时频空调制技术调制到相应载波形成时域信号，在时域信号前添加伪随机序列作为训练符号后发送该时域信号；
滤波模块，利用添加模块生成的伪随机序列作为训练符号进行时间和频率的二维匹配滤波，还原时延-多普勒域上的信道冲激响应，利用训练符号测出卫星与地面接收端之间的距离供读取模块进行定位解算，完成后删除该训练符号；
转换模块，将添加模块接收的信号通过正交时频空解调技术从时域转换到时间-频率域，根据滤波模块中的信道冲激响应进行信号均衡；
求解模块，采用SCMA解码方法对转换模块均衡后的信号进行求解，获得所有用户发送所***字的概率；
读取模块，根据每个用户每位比特的对数似然概率值判断用户在该处发0或发1情况，解出所有用户信号用于分离导航信息，将二进制数据码转变为十六进制后还原原始数据，读取导航电文信息，获得卫星运行状况，卫星坐标信息，至少四颗卫星的导航电文信息，结合滤波模块得到的距离信息解算得到接收机位置。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
码域码字叠加低轨卫星覆盖增强通导一体化方法，针对低轨卫星通导一体化***的特点，有效降低了峰均比，利于现有的卫星硬件设备。并且在保证误码率性能和定位准确性的同时，考虑了卫星通信信号和导航信号对传输速率的不同要求，设计了更灵活的信号融合方式。
进一步的，将卫星通信信号和卫星导航信号结合在同一波形传输，可以解决卫星导航信号和通信信号频谱资源紧张、传输带宽有限等问题。
进一步的，使用正交时频空调制，将信号及信道表征在时延-多普勒域上，相较于传统时间-频率域，使得星地时变多普勒偏移双选信道的冲激响应由不可分辨变成可分辨的，从而最大化降低双选信道对信号传输的影响。在时域内***以伪随机序列形式存在的帧头测距码和帧内训练序列，可以同时完成测距和信道估计的目的。帧头测距码用来实现接收信号同步、测距和初次信道估计，帧内的其他训练序列可以持续进行信道估计以及时掌握信道的变化。
进一步的，伪随机序列具有良好的自相关性，具有尖锐的自相关函数，在卫星导航***中，经常使用不同的伪随机序列来区分不同的卫星，接收端产生特定的伪随机序列码与接收信号做相关运算，判断相关值的大小判断接收信号是否为有用信号，同时因其自相关特性，可以通过适当调整相关运算的本地输入信号，匹配接收信号的时频特性，从而反应信号如何受信道影响。
进一步的，为了解出原始发送信号，需要将接收端直接接收的时域信号转换回最初的时延-多普勒域内，这是由于信号在其它域内因为各种转换会发生大程度弥散和混叠，无法直接还原。
进一步的，基于稀疏码分多址思想的码域叠加通导一体化信号传输方案通过基于圆盘型黄金调制的可变速率码本以及基于置信度的消息传递解码算法，满足了通信服务和导航服务对传输速率的灵活可调要求并有效降低信号峰均比提高了设计的自由度。
可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。
综上所述，本发明将通信信号通道和导航信号通导看作并行的两种用户，分别分配不同的SCMA稀疏码本，实现了通信和导航信号同时接入，并且考虑到通信服务和导航服务对速率的不同需求，结合应用了基于黄金角度GAM调制的可变速率SCMA码本设计方法，使得两种信号可以分别以不同的速率传输，在接收端，采用了针对可变速率码本的解调算法，完成了低轨卫星场景下基于SCMA的通导一体化***信号传输过程。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的总体流程图；
图2为SCMA编码通导一体化信号在时延-多普勒域上的表示情况图；
图3为本发明解码流程图；
图4为通信信号误码率随信噪比变化情况图；
图5为导航信号误码率随信噪比变化情况图；
图6为定位误差随信噪比变化情况图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本发明中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述预设范围等，但这些预设范围不应限于这些术语。这些术语仅用来将预设范围彼此区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一预设范围也可以被称为第二预设范围，类似地，第二预设范围也可以被称为第一预设范围。
取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种码域码字叠加低轨卫星覆盖增强通导一体化方法，采用深度融合模式从信号体制层面实现导航与通信深层次融合，兼容性好、成本低、可靠性强，可实质上提高卫星轨道、硬件资源和无线频谱资源的利用率，并能增强***兼容性、降低终端设计难度，具有良好的应用前景，近年来成为卫星通导一体化技术研究领域的热点。
请参阅图1，本发明一种码域码字叠加低轨卫星覆盖增强通导一体化方法，包括以下步骤：
S1、发送端产生通信信号和导航信号，将通信信号和导航信号看作不同用户的信号，使用稀疏码分多址(SCMA)编码技术加载到传输***中，将通信信号和导航信号看作不同用户的信号，而利用SCMA编码将其融合得到通信导航融合信号，再调制在有限的资源上传输；；
S101、确定SCMA码本参数，考虑一个SCMA***，拥有J个用户，K个资源块，***中存在多种用户调制阶数，分别记为df表示***中的一个资源块同时承载的用户个数。每个用户的码本中非零元素个数为N；
S102、生成基于黄金角度调制(GAM)的母星座，由于对称性，构建若干个N维星座的集合，初始需要生成的星座点数量为：
则，第n个星座点表示为：
其中，rn为第n个星座点的半径，圆盘型GAM中rn的表达式为：
其中，为平均功率约束；
S103、获取到该M/2个N维星座点CMm(m＝1,2,...,M/2)后，其余的一般星座点可以由对称性得到；
S104、将所得的星座点添加旋转因子φf＝ej(n-1)/N来进一步优化，得到：
S105、引入相关性，重新生成后半部分维度的符号：
Yn+N/2,:＝∠Yn,:*fliplr(|Yn+N/2,:|),n＝1,2,...,N
其中，fliplr(·)表示对矩阵进行翻转；
S106、由以上步骤直接生成另一半调制符号Y'，接着将Y和Y'进行交织，得到扩展的母码本(EMC)
Y'＝-Y；
S107、根据用户在某一个资源块上的功率共享情况，对母码本EMC进行分割，最终生成各用户码本；
母码本分段的过程表示为：
其中，γ＝K/N，且规定
最终生成的各用户码本表示为：
此处给出一码本示例：
S108、不同用户与资源块之间的对应关系用因子矩阵表示，因子矩阵示例为：
因子矩阵的列代表用户，每一列都与不同用户对应，行代表资源块，每一行都与不同的资源块对应，1表示传输信号，0表示不传输信号，由因子矩阵可以看出，对于一个J＝6、K＝4的SCMA***，每个用户的信号由两个资源块传输，所以因子矩阵的列重dv＝2，与此同时，***中的一个资源块同时承载了3个用户的信息，所以因子矩阵的行重df＝3。
S109、各用户依据二进制码从自身的码本中选出对应列的码字，所有用户的码字合并后进行发送。
S2、通过上述步骤得到通信导航融合信号，对应时延多普勒域上的网格点，如图2所示。将之利用正交时频空调制(OTFS)技术调制到相应载波发送，正交时频空调制(OTFS)调制过程如下；
S201、首先将时间-频率域和时延-多普勒域划分为网格，两者的维度具有一一对应关系，可以相互转换，时间-频率域网格表示为：
Λ＝{(nT,mΔf),n,m∈Z}
其中，T和Δf分别表示时间间隔和频率间隔，于是信号在时间-频率网格上表示为：
S[n,m],n＝0,...N-1,m＝0,...M-1
***持续时间为NT秒，总带宽为MΔfHz,相应地，信号在时延-多普勒网格上表示为：
s[k,l],k＝0,...N-1,l＝0,...M-1
两者可以通过辛傅里叶变换(SFFT)和反辛傅里叶变换(ISFFT)来互相转换，即：
其中，sp[k,l]和Sp[n,m]分别表示信号时间-频率域表示形式和时延-多普勒域表示形式的周期延拓；
S202、将通导融合信号先直接表示在时延-多普勒域，即s[k,l]，k＝0,...,N-1,l＝0,...M-1，后通过逆辛傅里叶变换(ISFFT)转换到时间-频率域，具体如下：
其中，Wtx[n,m]表示发送端平方可积窗函数，用来截短信号的周期表达形式；
S203、通过海森伯格变换(Heisenberg transform)将信号从时间-频率域转换到时域发送，具体如下：
其中，gtx(t)表示发送脉冲。
相应地，接收端存在接收脉冲，发送脉冲与接收脉冲的内积满足时延和频率的双正交关系，具体如下：
为了实现定位功能，需要在发送数据码之前，先持续发送一段足够长的伪随机序列码以便接收端进行测距，与此同时，为了克服双选信道的影响，需要对双选信道的时延多普勒信道冲激响应进行估计，这一过程也可以通过在数据帧间隙发送伪随机码来实现，信号在各个域内的发送格式如图4所示。
接收端本地生成与发送端相同的伪随机序列，不断与接收信号进行相关运算，直到找到相关值最大值处，以此找到数据码帧头以及确定信号发送的起始时间，再读取本地的信号接收时间，两者相减即为信号的传播时间，用信号传播时间乘以光速得到信号的传播距离
d＝c*(tarrival-tsend)
其中，d表示信号的传播距离，c表示光速，tarrival和tsend分别表示到达时间和发送时间；
S3、在接收端，对双选信道进行时延-多普勒域上的信道估计，即利用伪随机序列作为训练符号进行时间和频率的二维匹配滤波，还原出时延-多普勒域上的信道冲激响应，以便后续进行均衡抵消双选信道的影响，过程表示为：
r[n]＝e(ω0n)s[n-δ0]+N0[n]
为了便于明确说明该二维匹配滤波的过程，此处将时域的接收信号用离散形式表示为r(n),该式简单地说明了发送信号经过信道受到了多普勒频率偏移和时延的影响，<·>表示相关运算，N0(t)表示加性高斯白噪声，PN[n]表示本地产生的伪随机序列，M(r,PN)[δ,ω]表示接收信号与本地伪随机序列的时延多普勒移位信号做相关得到的相关值，和/>分别表示不同情况下相关值与理想值1之间的误差，上述过程可以描述为将本地产生的伪随机序列逐次变化一定的时延δ或多普勒频率ω，同时要保证δ和ω为前述时延-多普勒网格上的一点，若某一次尝试中，估计的时延δ和多普勒频率ω与实际的时延δ0或多普勒频率ω0匹配，此时相关值达到最大，则该估计值可以作为信道实际的时延和多普勒偏移值的近似以便进行后续的解码；
S4、将接收信号从时域转换到时间-频率域，这一步称为维格纳变换(Wignertransform)，具体步骤如下：
S401、接收信号的时域连续形式表示为：
r(t)＝∫∫f(τ,ν)gtx(t-τ)ej2πν(t-τ)dνdτ+N0(t)
其中，τ表示时延、ν表示频率，N0(t)表示加性高斯白噪声，f(τ,ν)表示受到信道影响的发送信号，表达形式为：
其中，h(τ,ν)为时延-多普勒域表示的信道冲激响应，*σ为定义的扭曲卷积运算，使用接收脉冲处理上述接收信号：
S402、采用维格纳变换(Wigner transform)将时域的接收信号转换到时间-频率域内，具体如下：
S403、利用SFFT变换将接收信号从时间-频率域转变到时延-多普勒域。
S5、对于接收信号，采用SCMA解码算法进行求解，对于同一个资源块，设用户发送的码字分别为m1、m2和m3，则m1有M1种取值结果，m2有M2种取值结果，m3有M3种取值结果，该解码算法步骤如图3所示；
S501、初始化
初始化分为资源节点处的初始化和用户节点处的初始化。首先给出用户节点处的初始化，在初次迭代时，用户处发送其各种码字的概率相等，需要将这种先验概率赋予用户第一次要给资源传递的信息，即
另外，对于某一个资源节点k，它同时接收三种用户传来的码字，其所有的码字组合共有M1·M2•M3种可能，这里需要分别计算出接收信号和所有发送码字组合的残差，以便观察两者之间的距离大小，该残差表示为
其中，表示高斯噪声功率，Cj,k(mj)表示第j个用户在其码本中选择发送的码字，对于所***本可能组合中其中一个给定的码本，在高斯噪声背景下，其条件概率表示为
P(yk|x1,x2,x3)～exp(fk(yk,m1,m2,m3))；
S502、资源节点需要向与其联结的用户节点传递消息，在df＝3的情况下，一个资源节点需要依次向3个用户节点传递消息，当在给某一个用户传递消息时，需要结合上一轮迭代过程中其他两个用户节点给该资源传递的信息，这叫做外部信息；
也就是说，资源节点传递给目标用户节点的消息同时结合了自身的内部信息和其余用户节点的外部信息，传递的消息则表示由已知内部外部信息推理得到该用户节点所有可能取值的概率：
S503、用户节点需要向在因子图中与其相连的资源节点传递消息，同样的，一个用户的信息需要两个资源块传输，即dv＝2，表示在该轮迭代中，某用户节点需要依次向两个资源节点传输消息。
在向某资源节点发送消息时，同样需要结合上一轮迭代中另一个资源节点传递来的消息，这样的外部信息与此用户节点处的内部信息结合，可以得到沿着因子图传递的消息，表示为：
其中，Apv(•)是用户v的初始先验概率，根据用户调制阶数取值，m也根据用户v的调制阶数来取值；
S504、判断是否满足迭代终止条件
若不满足迭代终止条件，则继续依次执行步骤S502和步骤S503。
若满足迭代终止条件，则需要输出当前用户节点的输出值，即该处的对数似然概率(LLR)。此时，用户节点v处，对所有可能发送码字m的猜测值是来自其所有相邻资源节点的所有猜测与先验概率组合。对数域里对于某用户j发送的调制符号xj的APP为
S6、经过以上步骤获得所有用户所有可能发送码字的概率，最后，逐比特计算LLR值，分离出导航信息，将二进制数据码转变为十六进制再还原原始数据，读取导航电文信息，获得卫星运行状况，卫星坐标等信息；获得至少四颗卫星的测距及导航电文信息，按照标准流程解算接收机位置。
LLR值具体为：
其中，χ表示用户所有可能发送的码字。
再依据计算的LLR值判断发送比特，判断依据为
本发明再一个实施例中，提供一种码域码字叠加低轨卫星覆盖增强通导一体化***，该***能够用于实现上述码域码字叠加低轨卫星覆盖增强通导一体化方法，具体的，该码域码字叠加低轨卫星覆盖增强通导一体化***包括融合模块、添加模块、滤波模块、转换模块、求解模块以及读取模块。
其中，融合模块，将通信信号和导航信号作为不同用户的信号，使用稀疏码分多址编码技术融合得到通信导航融合信号；
添加模块，将融合模块得到的通信导航融合信号对应时延多普勒域上的网格点，利用正交时频空调制技术调制到相应载波形成时域信号，在时域信号前添加伪随机序列作为训练符号后发送该时域信号；
滤波模块，利用添加模块生成的伪随机序列作为训练符号进行时间和频率的二维匹配滤波，还原时延-多普勒域上的信道冲激响应，利用训练符号测出卫星与地面接收端之间的距离供读取模块进行定位解算，完成后删除该训练符号；
转换模块，将添加模块接收的信号通过正交时频空解调技术从时域转换到时间-频率域，根据滤波模块中的信道冲激响应进行信号均衡；
求解模块，采用SCMA解码方法对转换模块均衡后的信号进行求解，获得所有用户发送所***字的概率；
读取模块，根据每个用户每位比特的对数似然概率值判断用户在该处发0或发1情况，解出所有用户信号用于分离导航信息，将二进制数据码转变为十六进制后还原原始数据，读取导航电文信息，获得卫星运行状况，卫星坐标信息，至少四颗卫星的导航电文信息，结合滤波模块得到的距离信息解算得到接收机位置。(
本发明再一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(Central ProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor、DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于码域码字叠加低轨卫星覆盖增强通导一体化方法的操作，包括：
将通信信号和导航信号作为不同用户的信号，使用稀疏码分多址编码技术融合得到通信导航融合信号；将通信导航融合信号对应时延多普勒域上的网格点，利用正交时频空调制技术调制到相应载波形成时域信号，在时域信号前添加伪随机序列作为训练符号后发送该时域信号；利用生成的伪随机序列作为训练符号进行时间和频率的二维匹配滤波，还原时延-多普勒域上的信道冲激响应，利用训练符号测出卫星与地面接收端之间的距离供定位解算，完成后删除该训练符号；将接收的信号通过正交时频空解调技术从时域转换到时间-频率域，根据信道冲激响应进行信号均衡；采用SCMA解码方法对均衡后的信号进行求解，获得所有用户发送所***字的概率；根据每个用户每位比特的对数似然概率值判断用户在该处发0或发1情况，解出所有用户信号用于分离导航信息，将二进制数据码转变为十六进制后还原原始数据，读取导航电文信息，获得卫星运行状况，卫星坐标信息，至少四颗卫星的导航电文信息，结合得到的距离信息解算得到接收机位置。
本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作***。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(Non-Volatile Memory)，例如至少一个磁盘存储器。
可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关码域码字叠加低轨卫星覆盖增强通导一体化方法的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：
将通信信号和导航信号作为不同用户的信号，使用稀疏码分多址编码技术融合得到通信导航融合信号；将通信导航融合信号对应时延多普勒域上的网格点，利用正交时频空调制技术调制到相应载波形成时域信号，在时域信号前添加伪随机序列作为训练符号后发送该时域信号；利用生成的伪随机序列作为训练符号进行时间和频率的二维匹配滤波，还原时延-多普勒域上的信道冲激响应，利用训练符号测出卫星与地面接收端之间的距离供定位解算，完成后删除该训练符号；将接收的信号通过正交时频空解调技术从时域转换到时间-频率域，根据信道冲激响应进行信号均衡；采用SCMA解码方法对均衡后的信号进行求解，获得所有用户发送所***字的概率；根据每个用户每位比特的对数似然概率值判断用户在该处发0或发1情况，解出所有用户信号用于分离导航信息，将二进制数据码转变为十六进制后还原原始数据，读取导航电文信息，获得卫星运行状况，卫星坐标信息，至少四颗卫星的导航电文信息，结合得到的距离信息解算得到接收机位置。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
选取四颗真实卫星并获取导航电文信息，该真实卫星导航电文信息均来源于真实观测站。应用本发明所提出的基于OTFS的码域码字叠加低轨卫星覆盖增强通导一体化方案，在信号层面使用SCMA编码同时传输通信信号和导航电文信号，在接收端使用SCMA解码并进行接收机位置解算，接收机定位误差随信噪比变化如图6所示。
需要说明的是，在本实验中，定位偏差过大视为定位失败，统一赋值为99m。卫星信道设置为莱斯信道，为了验证方案的可行性，只考虑视距传播(LOS)条件下的通导一体发送和接收过程，在该场景下，主径的时延估计结果可以直接作为测距的依据帮助定位，也可以作为信道估计结果帮助解码。
将信噪比定义为SNR＝10log(P0/PN)，其中P0为有用信号的功率，PN为噪声的功率，设置其范围为[6，30]dB，同时设置时延-频率域维度为256×16，中心频率为2GHz，总带宽为3.84MHz。每颗卫星均依据其传播时间独立产生信道，并且每颗卫星需要传输960个比特才能传完导航电文信号，实验中每个OTFS帧的噪声和信道衰落系数均独立生成。
对比方案：
使用基于功率域叠加的正交时频空(OTFS)调制通导一体化信号传输方案。该方案中，导航数据和通信数据经映射后给与不同功率分配因子叠加成融合信号，接收端采用干扰抵消的方式进行解码，即先解出分配功率较大的信号，再解出分配功率较小的信号，其余OTFS调制解调过程和测距定位过程与本发明相同。
从图4中可以看出，基于功率域复用的通导一体化信号具有较高的误码率，基于码域码字叠加的通导一体化信号误码率均更低。这是因为功率域直接做符合叠加，在信号分离时存在着更加严重的相互干扰，干扰抵消的检测方法不能保证好的可靠性。而基于码域叠加的方案在码本设计中以降低误码率为目标进行了优化，且接收端采用了消息传递(MPA)算法，均可以实现对噪声的有效抑制，所以具有更优的误码率性能。
三种方案的导航信号误码率随信噪比变化的情况由图4、图5、图6所示。可以看到，由于导航比特传输经过了BCH编码和扩频处理，具有较高的编码增益和扩频增益，因此在整个观测信噪比区间上误码率均远低于图4中的通信信号误码率。
此外，基于码域码字叠加的通导一体化方案的导航信号误码率都为0，所以在图5中只能画出功率域叠加方案的导航信号误码率。这是由于采用SCMA编码来融合导航信号和通信信号，相互之间是在码域上产生干扰，而这种干扰可以通过MPA接收算法进行一定的抵消。相比之下，在功率域叠加的方案中，通信信号和导航信号在功率上直接构成了竞争关系，这导致在通信信号功率占比较大的情况下，导航信号分配的资源过少，解码时噪声仍产生了一定影响，所以误码率相对较高。
同理可得定位误差随信噪比变化情况如图6所示，其结果与图5的结果是对应的。
在本发明中，分别给导航信号和通信信号设置了不同的调制阶数，以达到不同信号以不同速率传输的目的，充分协调了不同业务的需求。实验中设置的参数分别为2、4、8。但同时，我们还仿真了以不同信号以相同速率传输的情况，设置调制阶数均为4，并且使用了基于飞蛾扑火算法的SCMA码本，从图4中可以看出，基于可变速率码本的方案其误码率要明显高于基于不变速率码本的方案，尤其在信噪比相对较低的情况下。这是由于本实验中，不变速率码本容纳所有用户的信息其母码本需要24个星座点，可变速率码本容纳所有用户的信息其母码本需要28个星座点。星座点数的增加会降低星座点之间距离，进而每个星座点的判决域会变小，因此抗噪能力会变差。
综上所述，本发明一种码域码字叠加低轨卫星覆盖增强通导一体化方法及***，采用基于黄金GAM调制的可变速率码本设计方法，码本在有效降低PAPR的基础上，还通过给不同信号通道设置不同的调制阶数，从而分配不同的映射规则最终使得通信信号和导航信号的传输速率灵活可调。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述***中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本发明中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等，需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.码域码字叠加低轨卫星覆盖增强通导一体化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将通信信号和导航信号作为不同用户的信号，使用稀疏码分多址编码技术融合得到通信导航融合信号；
S2、将步骤S1得到的通信导航融合信号对应时延多普勒域上的网格点，利用正交时频空调制技术调制到相应载波形成时域信号，在时域信号前添加伪随机序列作为训练符号后发送该时域信号；
S3、利用步骤S2生成的伪随机序列作为训练符号进行时间和频率的二维匹配滤波，还原时延-多普勒域上的信道冲激响应，利用训练符号测出卫星与地面接收端之间的距离供步骤S6用作定位解算，完成后删除该训练符号；
S4、将步骤S2接收的信号通过正交时频空解调技术从时域转换到时间-频率域，根据步骤S3中的信道冲激响应进行信号均衡；
S5、采用SCMA解码方法对步骤S4均衡后的信号进行求解，获得所有用户发送所***字的概率；
S6、根据每个用户每位比特的对数似然概率值判断用户在该处发0或发1情况，解出所有用户信号用于分离导航信息，将二进制数据码转变为十六进制后还原原始数据，读取导航电文信息，获得卫星运行状况，卫星坐标信息，至少四颗卫星的导航电文信息，结合步骤S3得到的距离信息解算得到接收机位置。
2.根据权利要求1所述的码域码字叠加低轨卫星覆盖增强通导一体化方法，其特征在于，步骤S1具体为：
S101、确定SCMA码本参数，考虑一个SCMA***，拥有J个用户，K个资源块，***中存在用户调制阶数M1,M2,...,df表示***中的一个资源块同时承载的用户个数，每个用户的码本中非零元素个数为N；
S102、生成基于黄金角度调制的母星座，构建若干个N维星座的集合，初始需要生成的星座点数量；
S103、根据M/2个N维星座点CMm(m＝1,2,...,M/2)确定剩余的一般星座点；
S104、将得到的星座点添加旋转因子φf＝ej(n-1)/N进行优化；
S105、向优化后的星座点引入相关性，重新生成后半部分维度的符号；
S106、由步骤S105生成另一半调制符号Y'，接着将Y和Y'进行交织，得到扩展的母码本；
S107、根据用户在某一个资源块上的功率共享情况，对母码本进行分割，生成各用户码本；
S108、用因子矩阵F表示不同用户与资源块之间的对应关系；
S109、各用户依据二进制码从自身的码本中选出对应列的码字，所有用户的码字合并后进行发送。
3.根据权利要求1所述的码域码字叠加低轨卫星覆盖增强通导一体化方法，其特征在于，步骤S107中，各用户码本xj具体为：
其中，j＝1,2,...,J，Vj为第j个用户的映射矩阵，MC为母码本，df为每个资源块上复用的用户个数，J为用户个数。
4.根据权利要求1所述的码域码字叠加低轨卫星覆盖增强通导一体化方法，其特征在于，步骤S2具体为：
S201、将时间-频率域和时延-多普勒域划分为网格；
S202、将通导融合信号先直接表示在时延-多普勒域，再通过逆辛傅里叶变换转换到时间-频率域；
S203、通过海森伯格变换将信号从时间-频率域转换到时域发送。
5.根据权利要求4所述的码域码字叠加低轨卫星覆盖增强通导一体化方法，其特征在于，持续发送伪随机序列码进行测距，生成伪随机序列并与发送的通信导航融合信号进行运算，确定相关值最大值处的数据码帧头以及信号发送的起始时间，得到信号的传播距离。
6.根据权利要求1所述的码域码字叠加低轨卫星覆盖增强通导一体化方法，其特征在于，步骤S3中，还原出时延-多普勒域上的信道冲激响应具体如下：
r[n]＝e(ω0n)s[n-δ0]+N0[n]
其中，r(n)为时域的接收信号，<·>为相关运算，N0(t)为加性高斯白噪声，PN[n]为本地产生的伪随机序列，ω0为信道频率偏移值，δ0为信道时延偏移值，M(r,PN)[δ,ω]为接收信号与本地伪随机序列的时延多普勒移位信号做相关得到的相关值，和/>分别为不同情况下相关值与理想值1之间的误差，e(ωn)为指数函数，/>为整数域。
7.根据权利要求1所述的码域码字叠加低轨卫星覆盖增强通导一体化方法，其特征在于，步骤S4具体为：
S401、采用时域连续形式表示接收信号；
S402、采用维格纳变换将时域的接收信号转换到时间-频率域内；
S403、利用SFFT变换将接收信号从时间-频率域转变到时延-多普勒域。
8.根据权利要求1所述的码域码字叠加低轨卫星覆盖增强通导一体化方法，其特征在于，步骤S5具体为：
S501、初始化分为资源节点处的初始化和用户节点处的初始化；
S502、资源节点向与其联结的用户节点传递消息，当在给某一个用户传递消息时，结合上一轮迭代过程中其他两个用户节点给该资源传递的外部信息；
S503、用户节点向在因子图中与其相连的资源节点传递消息，在向某资源节点发送消息时，结合上一轮迭代中另一个资源节点传递来的消息，这样的外部信息与此用户节点处的内部信息结合，得到沿着因子图传递的消息；
S504、若不满足迭代终止条件，则继续依次执行步骤S502和步骤S503；若满足迭代终止条件，输出当前用户节点的输出值，即该处的对数似然概率。
9.根据权利要求1所述的码域码字叠加低轨卫星覆盖增强通导一体化方法，其特征在于，步骤S6中，根据步骤S5得到的对数似然概率LLR判断发送比特，判断依据为：
其中，为该处发送的比特。
10.一种码域码字叠加低轨卫星覆盖增强通导一体化***，其特征在于，包括：
融合模块，将通信信号和导航信号作为不同用户的信号，使用稀疏码分多址编码技术融合得到通信导航融合信号；
添加模块，将融合模块得到的通信导航融合信号对应时延多普勒域上的网格点，利用正交时频空调制技术调制到相应载波形成时域信号，在时域信号前添加伪随机序列作为训练符号后发送该时域信号；
滤波模块，利用添加模块生成的伪随机序列作为训练符号进行时间和频率的二维匹配滤波，还原时延-多普勒域上的信道冲激响应，利用训练符号测出卫星与地面接收端之间的距离供读取模块进行定位解算，完成后删除该训练符号；
转换模块，将添加模块接收的信号通过正交时频空解调技术从时域转换到时间-频率域，根据滤波模块中的信道冲激响应进行信号均衡；
求解模块，采用SCMA解码方法对转换模块均衡后的信号进行求解，获得所有用户发送所***字的概率；
读取模块，根据每个用户每位比特的对数似然概率值判断用户在该处发0或发1情况，解出所有用户信号用于分离导航信息，将二进制数据码转变为十六进制后还原原始数据，读取导航电文信息，获得卫星运行状况，卫星坐标信息，至少四颗卫星的导航电文信息，结合滤波模块得到的距离信息解算得到接收机位置。
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