本技術(shù)實(shí)施例涉及衛(wèi)星雙向時間比對，尤其涉及一種基于碼片壓縮的衛(wèi)星雙向時間比對解調(diào)方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、衛(wèi)星雙向時間比對技術(shù)（two?way?satellite?time?and?frequency?transfer，twstft）在兩個站點(diǎn)間通過衛(wèi)星鏈路向另一端的站點(diǎn)發(fā)送經(jīng)過調(diào)制的時頻信號，同時每站都參照當(dāng)?shù)卣镜臅r鐘來測量另一個站的信號到達(dá)的時間，根據(jù)兩站測量結(jié)果的差值確定兩臺站基準(zhǔn)鐘的時差。由于其傳遞路徑的對稱性，鏈路上的傳播延遲幾乎可以全部抵消。通過使用合理的解調(diào)方式能夠提高比對的精度與穩(wěn)定度。

2、目前主要的信號解調(diào)方式主要包括三種：

3、一是基于模擬信號的解調(diào)方式，其主要代表是satre調(diào)制解調(diào)器。當(dāng)站點(diǎn)獲取到信號后首先對信號進(jìn)行捕獲操作，判斷信號中是否包含對方站點(diǎn)的prn（pseudo?randomcode，prn）碼；完成捕獲的信號通過二階延遲鎖定環(huán)（delay?locked?loop，dll）完成對應(yīng)prn信號的連續(xù)跟蹤；跟蹤過程中獲得載波頻率、載波相位、碼相位等信息；利用上述信息恢復(fù)對應(yīng)站點(diǎn)的秒脈沖信號并與本地秒脈沖信號進(jìn)行比較獲取鐘差信息。

4、二是基于載波的衛(wèi)星雙向比對（twcp）的調(diào)制方式，其主要代表是srs調(diào)制解調(diào)器。srs在接收路徑中都不進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換直接進(jìn)行數(shù)字化，以避免額外的相位噪聲。數(shù)字化后，srs調(diào)制解調(diào)器所包含的4個相關(guān)器可以同時處理4路接收信號。相關(guān)器在可編程門陣列（field-programmable?gate?array，fpga）上實(shí)現(xiàn)，通過32個相關(guān)滯后值進(jìn)行比對從而獲取相關(guān)峰值，并每20?ms通過碼相位確定傳播延遲。

5、三是基于軟件定義無線電（software?defined?radio，sdr）的調(diào)制方式，其主要代表為twstft鏈路中的sdr解調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用sdr設(shè)備將所獲取到的數(shù)字中頻（intermediate?frequency，if）信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳輸給高性能pc設(shè)備。pc設(shè)備首先對接收到的數(shù)字信號進(jìn)行捕獲操作，獲取對應(yīng)鏈路中所有站點(diǎn)信號的碼相位與載波頻率的粗值；當(dāng)捕獲成功后進(jìn)入跟蹤階段，各通道將所接收信號下變頻至基帶后通過29個相關(guān)滯后值獲取相關(guān)峰值。為提高運(yùn)算速度，上述捕獲與跟蹤過程均使用gpu實(shí)現(xiàn)。

6、但是，基于模擬信號的解調(diào)方法采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，其開發(fā)周期較長，且這種方法無法同時計算多個站點(diǎn)與本地之間的鐘差，需要設(shè)計專門的時間表來進(jìn)行單獨(dú)一組站點(diǎn)之間的比對?；谳d波的解調(diào)方法使用可編程門陣列（fpga）實(shí)現(xiàn)，這種方法依然需要一定的專業(yè)知識，同時該方法中每個站點(diǎn)的信號數(shù)據(jù)據(jù)均需要獨(dú)立的相關(guān)器進(jìn)行處理，因此相關(guān)器數(shù)量決定了同時比對站點(diǎn)的數(shù)量，而且會出現(xiàn)不同物理通道間時鐘不同步的問題，引入新的誤差?；趕dr的解調(diào)方法采用軟件的方式實(shí)現(xiàn)信號的處理，解決了開發(fā)周期長、物理通道間存在時鐘不同步的問題。但是隨著sdr設(shè)備的不斷發(fā)展，能夠提供更高采樣率、更高量化bit位的信號數(shù)據(jù)，這在一定程度上提高了比對結(jié)果的精度同時能夠降低多徑效應(yīng)的影響，但是同時會降低比對的計算效率。

7、因此，有必要改善上述相關(guān)技術(shù)方案中存在的一個或者多個問題。

8、需要注意的是，本部分旨在為權(quán)利要求書中陳述的本技術(shù)的技術(shù)方案提供背景或上下文。此處的描述不因?yàn)榘ㄔ诒静糠种芯统姓J(rèn)是現(xiàn)有技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本技術(shù)提供一種基于碼片壓縮的衛(wèi)星雙向時間比對解調(diào)方法及系統(tǒng)，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在開發(fā)周期長、各通道間存在時鐘不同步，以及數(shù)據(jù)處理量大的問題。

2、根據(jù)本技術(shù)實(shí)施例的第一方面，提供一種基于碼片壓縮的衛(wèi)星雙向時間比對解調(diào)方法，該方法包括：

3、獲取配置信息，生成判斷位，并根據(jù)配置信息預(yù)先生成捕獲階段所需的prn碼頻域數(shù)據(jù)和跟蹤階段所需的prn碼時域數(shù)據(jù)；

4、實(shí)時獲取sdr設(shè)備采集到的信號原始數(shù)據(jù)，并將信號原始數(shù)據(jù)發(fā)送至信號數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，且將原始數(shù)據(jù)對應(yīng)的信號位置索引信息和時間戳信息發(fā)送至消息隊(duì)列；

5、按順序從消息隊(duì)列中獲取信號位置索引信息和時間戳信息，根據(jù)信號位置索引信息和時間戳信息獲取信號數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中對應(yīng)的信號原始數(shù)據(jù)，將信號原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，根據(jù)浮點(diǎn)數(shù)計算信號原始數(shù)據(jù)的功率，將浮點(diǎn)數(shù)、時間戳信息和信號原始數(shù)據(jù)的功率保存至共享內(nèi)存中，并根據(jù)判斷位判斷捕獲結(jié)果；

6、若未捕獲成功，獲取共享內(nèi)存中的浮點(diǎn)數(shù)、時間戳信息和信號原始數(shù)據(jù)的功率，基于prn碼頻域數(shù)據(jù)，對浮點(diǎn)數(shù)依次進(jìn)行下變頻、fft變換、復(fù)數(shù)乘和ifft變換操作，以得到碼并行搜索結(jié)果，根據(jù)碼并行搜索結(jié)果判斷捕獲結(jié)果，若成功則進(jìn)入跟蹤階段，重置判斷位，將碼并行搜索結(jié)果中的載波頻率和碼相位粗值保存并更新至共享內(nèi)存中；

7、若捕獲成功，獲取共享內(nèi)存中的載波頻率和碼相位粗值，根據(jù)載波頻率、碼相位粗值和prn碼時域數(shù)據(jù)得到對應(yīng)的toa值和碼相位信息；其中，碼相位信息包括動態(tài)范圍內(nèi)相關(guān)值結(jié)果和動態(tài)范圍內(nèi)相關(guān)值結(jié)果對應(yīng)的索引位置；

8、根據(jù)toa值和碼相位信息獲取對應(yīng)time-tag位置，進(jìn)而得到最終toa值、載波頻率、載波相位和信噪比，并更新捕獲結(jié)果判斷位。

9、進(jìn)一步的，獲取配置信息，生成判斷位，并根據(jù)配置信息預(yù)先生成捕獲階段所需的prn碼頻域數(shù)據(jù)和跟蹤階段所需的prn碼時域數(shù)據(jù)的步驟中，包括：

10、生成判斷位；

11、sdr設(shè)備根據(jù)配置信息進(jìn)行sdr設(shè)備位置、頻率基準(zhǔn)信號源、1pps信號源、采樣率、每秒獲取數(shù)據(jù)包長度、數(shù)據(jù)格式、載波頻率和帶寬的設(shè)置；

12、通道根據(jù)配置信息進(jìn)行捕獲成功狀態(tài)位、采樣率、碼速率、通道對應(yīng)prn編號、粗捕獲的碼相位、捕獲成功最小信噪比、載波頻率、載波初始搜索范圍、載波初始捕獲步長和濾波帶寬的設(shè)置；

13、根據(jù)prn編號生成通道對應(yīng)prn碼，對prn碼進(jìn)行內(nèi)插操作生成預(yù)設(shè)采樣率下一個碼周期對應(yīng)的prn碼時域數(shù)據(jù)，將prn碼時域數(shù)據(jù)拷貝至新的隊(duì)列中并進(jìn)行fft操作獲取對應(yīng)prn碼頻域數(shù)據(jù)，根據(jù)濾波帶寬對prn碼頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波操作；其中，prn碼的長度為l，prn碼頻域數(shù)據(jù)的長度為3l；

14、對濾波后的prn碼頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行ifft操作生成對應(yīng)時域數(shù)據(jù)，對該時域數(shù)據(jù)進(jìn)行平移分別生成偏移量為-1.5、-1.0、-0.5、0、0.5、1.0和1.5個碼相位的本地prn碼數(shù)據(jù)，對各本地prn碼數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)置操作并按照順序?qū)⑺斜镜豴rn碼組織為prn碼時域數(shù)據(jù)；其中，prn碼時域數(shù)據(jù)為矩陣，矩陣大小為，m為通道對應(yīng)prn碼的長度，a為通道對應(yīng)prn碼的偏移組數(shù)，且a=7，為采樣率，為碼速率。

15、進(jìn)一步的，若未捕獲成功，獲取共享內(nèi)存中的浮點(diǎn)數(shù)、時間戳信息和信號原始數(shù)據(jù)的功率，基于prn碼頻域數(shù)據(jù)，對浮點(diǎn)數(shù)依次進(jìn)行下變頻、fft變換、復(fù)數(shù)乘和ifft變換操作，以得到碼并行搜索結(jié)果，根據(jù)碼并行搜索結(jié)果判斷捕獲結(jié)果，若成功則進(jìn)入跟蹤階段，重置判斷位，并將碼并行搜索結(jié)果中的載波頻率和碼相位粗值保存至共享內(nèi)存中的步驟中，包括：

16、截取長度為3l的浮點(diǎn)數(shù)，根據(jù)初始化載波頻率、載波初始搜索范圍以及載波初始捕獲步長循環(huán)遞減的對浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行下變頻操作；

17、對下變頻操作后的浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行fft操作獲得長度為3l的頻域信號數(shù)據(jù)，隨后將獲取到的長度為3l的頻域信號數(shù)據(jù)與長度為3l的prn碼頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)數(shù)乘，并通過ifft操作得到預(yù)設(shè)頻率下的碼并行搜索結(jié)果；

18、若搜索結(jié)果中的峰值大于捕獲成功最小信噪比，則進(jìn)入跟蹤階段，重置判斷位，并將碼并行搜索結(jié)果中的載波頻率和碼相位粗值保存至共享內(nèi)存中。

19、進(jìn)一步的，若捕獲成功，獲取共享內(nèi)存中的載波頻率和碼相位粗值，根據(jù)載波頻率、碼相位粗值和prn碼時域數(shù)據(jù)得到對應(yīng)的對應(yīng)toa值和碼相位信息的步驟中，包括：

20、根據(jù)捕獲階段獲取的載波頻率和碼相位粗值對浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行下變頻操作，同時進(jìn)行轉(zhuǎn)置操作生成新的矩陣，該矩陣的大小為；其中，為采樣率，為碼速率；

21、循環(huán)獲取一個碼周期長度l的基帶數(shù)據(jù)矩陣；其中，；

22、將一個碼周期長度的基帶數(shù)據(jù)矩陣與跟蹤階段的prn碼時域數(shù)據(jù)對應(yīng)矩陣進(jìn)行乘操作，組織后得到長度為的一維復(fù)數(shù)向量，對一維復(fù)數(shù)向量進(jìn)行內(nèi)插操作使向量的長度為，b為所需動態(tài)范圍對應(yīng)采樣點(diǎn)數(shù)；

23、將經(jīng)過內(nèi)插操作的一維復(fù)數(shù)向量經(jīng)過fft變換生成頻域數(shù)據(jù)，對頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波操作后經(jīng)過ifft變換，以補(bǔ)全一維復(fù)數(shù)向量；

24、將ifft變換后的一維復(fù)數(shù)向量進(jìn)行間隔為a的求和操作，以得到對應(yīng)碼相位動態(tài)范圍為的i、q支路對應(yīng)結(jié)果，進(jìn)而獲得動態(tài)范圍內(nèi)相關(guān)值結(jié)果和對應(yīng)載波相位結(jié)果；

25、根據(jù)動態(tài)范圍內(nèi)相關(guān)值結(jié)果得到其對應(yīng)的索引位置 k；

26、通過利用prn碼相關(guān)值的對稱性，擬合連續(xù)的五個最大相關(guān)值結(jié)果和碼相位粗值，以得到toa值。

27、進(jìn)一步的，toa值的表達(dá)式為：

28、

29、其中，為動態(tài)范圍內(nèi)相關(guān)值結(jié)果，為碼相位粗值。

30、進(jìn)一步的，根據(jù)toa值和碼相位信息獲取對應(yīng)time-tag位置，進(jìn)而得到最終toa值、載波頻率、載波相位和信噪比，并更新判斷位的步驟中，包括：

31、當(dāng)相鄰碼周期之間的toa值之差為1/2個prn碼的長度時，則首個碼周期對應(yīng)的索引位置 k為time-tag位置；

32、根據(jù)time-tag位置、碼周期時長和各周期平均toa值得到最終toa值；其中，最終toa值=time-tag位置*碼周期時長+各周期平均toa值；

33、對各碼周期內(nèi)所得的載波相位結(jié)果進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果所得均值為整個周期的載波相位，擬合結(jié)果的變化率以及當(dāng)前載波頻率值之和為最新的載波頻率；

34、各碼周期對應(yīng)信噪比值的均值為整個周期對應(yīng)的信噪比；

35、判斷整個周期對應(yīng)的信噪比是否大于捕獲成功最小信噪比；

36、若大于捕獲成功最小信噪比，則進(jìn)入跟蹤階段；若小于捕獲成功最小信噪比，則重置判斷位，并進(jìn)入捕獲階段。

37、根據(jù)本技術(shù)實(shí)施例的第二方面，提供一種基于碼片壓縮的衛(wèi)星雙向時間比對解調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：

38、初始化配置模塊，用于獲取配置信息，生成判斷位，并根據(jù)配置信息預(yù)先生成捕獲階段所需的prn碼頻域數(shù)據(jù)和跟蹤階段所需的prn碼時域數(shù)據(jù)；

39、信號采集模塊，用于實(shí)時獲取sdr設(shè)備采集到的信號原始數(shù)據(jù)，并將信號原始數(shù)據(jù)發(fā)送至信號數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，且將原始數(shù)據(jù)對應(yīng)的信號位置索引信息和時間戳信息發(fā)送至消息隊(duì)列；

40、信號預(yù)處理模塊，用于按順序從消息隊(duì)列中獲取信號位置索引信息和時間戳信息，根據(jù)信號位置索引信息和時間戳信息獲取信號數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中對應(yīng)的信號原始數(shù)據(jù)，將信號原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，根據(jù)浮點(diǎn)數(shù)計算信號原始數(shù)據(jù)的功率，將浮點(diǎn)數(shù)、時間戳信息和信號原始數(shù)據(jù)的功率保存至共享內(nèi)存中，并根據(jù)判斷位判斷捕獲結(jié)果；

41、信號捕獲模塊，用于若未捕獲成功，獲取共享內(nèi)存中的浮點(diǎn)數(shù)、時間戳信息和信號原始數(shù)據(jù)的功率，基于prn碼頻域數(shù)據(jù)，對浮點(diǎn)數(shù)依次進(jìn)行下變頻、fft變換、復(fù)數(shù)乘和ifft變換操作，以得到碼并行搜索結(jié)果，根據(jù)碼并行搜索結(jié)果判斷捕獲結(jié)果，若成功則進(jìn)入跟蹤階段，重置判斷位，將碼并行搜索結(jié)果中的載波頻率和碼相位粗值保存并更新至共享內(nèi)存中；

42、信號跟蹤模塊，用于若捕獲成功，獲取共享內(nèi)存中的載波頻率和碼相位粗值，根據(jù)載波頻率、碼相位粗值和prn碼時域數(shù)據(jù)得到對應(yīng)的toa值和碼相位信息；其中，碼相位信息包括動態(tài)范圍內(nèi)相關(guān)值結(jié)果和動態(tài)范圍內(nèi)相關(guān)值結(jié)果對應(yīng)的索引位置；

43、結(jié)果計算模塊，用于根據(jù)toa值和碼相位信息獲取對應(yīng)time-tag位置，從而得到最終toa值、載波頻率、載波相位和信噪比，并更新判斷位。

44、本技術(shù)的實(shí)施例提供的技術(shù)方案可以包括以下有益效果：

45、本技術(shù)的實(shí)施例中，通過上述基于碼片壓縮的衛(wèi)星雙向時間比對解調(diào)方法及系統(tǒng)，信號原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理以及共享能夠克服模擬設(shè)備以及基于fpga的設(shè)備無法同時計算多個站點(diǎn)信號以及不同物理通道之間時鐘不同步的問題。碼片壓縮的跟蹤方法在保證測量精度與穩(wěn)定度的同時，降低了運(yùn)算量并在一定程度上增加了比對的動態(tài)范圍，能夠適應(yīng)更高采樣率的sdr設(shè)備。