一种信号处理方法及装置与流程
本申请涉及但不限于卫星导航技术领域，尤指一种信号处理方法及装置。
背景技术：
随着北斗卫星导航系统第三代的成形，其良好的技术性能、准确的导航精度和完善的服务体系得到了各行各业的肯定，应用范围逐步扩大到全世界，服务对象也由以陆上用户为主扩展到海、空用户。为了保证直升机的飞行安全，很有必要实时为机场指控中心和驾驶员提供位置信息和短消息互联，直升机作为一种特殊的用户群体正逐步安装北斗用户机。然而，考虑到在直升机旋翼下工作的特殊性，给北斗用户机(包括发射机和接收机)的安装带来了困难。目前，安装有北斗用户机的直升机开机后，特别是直升机转向调姿时，北斗用户机的接收机的载波环、码环有失锁现象，而且对卫星信号的捕获时间和捕获概率均低于技术指标要求。
具体而言，直升机旋翼的材质一般是金属的，它在北斗用户机的天线上方旋转，对北斗用户机接收的卫星信号形成了一个低频调制，经过北斗用户机的终端解调，呈现为信号相位的抖动，导致载波信号频率测量误差增大，严重时将造成多普勒频率锁相环失锁；而且，信号相位的抖动还会使码环无法稳定工作，严重时将造成码环失锁而丢失卫星信号。旋转的金属材质旋翼，还会在北斗用户机的天线上方形成一个屏蔽层，衰减到达天线的卫星信号功率。另外，直升机的特点是在飞行中随时需要调整姿态，但是这样会使北斗用户机的天线不能保持较好的增益方向对准卫星，造成接收卫星信号电平的降低，影响到达解调终端的信号的载噪比，将会使接收机捕获或锁定卫星信号困难，有时信号可能会丢失，还需要重新捕获。此外，直升机执行任务往往必须做到“启动即投入”，因而要求机载北斗用户机能作到受命起飞和卫星信号失锁时，即时快速捕获信号。
技术实现要素：
本申请实施例提供了一种信号处理方法及装置，能够有效地消除直升机旋翼以及机身谐振对接收卫星信号形成的调制干扰，加快卫星信号的捕获速度，以及提高卫星信号的捕获概率。
一方面，本申请实施例提供了一种信号处理方法，应用于直升机机载的导航卫星接收机，包括：根据接收到的射频频段的卫星信号得到第一模拟中频信号；对所述第一模拟中频信号进行抗干扰处理，得到第二模拟中频信号；将所述第二模拟中频信号转换为第一数字中频信号后进行基带处理；在基带处理过程中，对所述第一数字中频信号进行部分匹配滤波(pmf)和快速傅立叶变换(fft)结合的分层并行处理，并采用n中取m搜索方式，进行信号捕获。
另一方面，本申请实施例提供一种信号处理装置，应用于直升机机载的导航卫星接收机，所述信号处理装置包括：卫星信号接收单元、抗直升机旋翼干扰单元、第一模数转换器以及基带处理器；其中，所述抗直升机旋翼干扰单元分别与所述卫星信号接收单元和所述第一模数转换器相连，所述第一模数转换器与所述基带处理器相连；其中，所述卫星信号接收单元，配置为根据接收到的射频频段的卫星信号得到第一模拟中频信号；所述抗直升机旋翼干扰单元，配置为对所述第一模拟中频信号进行抗干扰处理，得到第二模拟中频信号；所述第一模数转换器，配置为将所述第二模拟中频信号转换为第一数字中频信号后输入所述基带处理器；所述基带处理器，配置为对所述第一数字中频信号进行部分匹配滤波和快速傅立叶变换结合的分层并行处理，并采用n中取m搜索方式，进行信号捕获。
本申请实施例通过进行抗干扰处理，可以消除直升机旋翼以及机身谐振对接收卫星信号形成的调制干扰；通过部分匹配滤波(pmf，partialmatchedfiltering)和快速傅立叶变换(fft，fastfouriertransformation)结合的分层并行处理，可以实现对卫星信号的快速捕获；通过采用n中取m搜索方式进行信号捕获，可以提高卫星信号的捕获概率。如此，本申请实施例可以有效地消除直升机旋翼以及机身谐振对接收卫星信号形成的调制干扰，加快了卫星信号的捕获速度，提升了捕获概率，而且码跟踪环、载波跟踪环锁定稳定，在直升机的动态飞行中可以保持较高的定位精度，从而满足了直升机机载的导航卫星接收机的技术指标要求。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为目前的导航卫星接收机的基带处理器的码跟踪环和载波跟踪环的示意图；
图2为本申请实施例提供的信号处理装置的示意图；
图3为本申请实施例提供的信号处理装置的部分流程示意图；
图4为本申请实施例中的抗直升机旋翼干扰单元的示意图；
图5为本申请实施例中的pmf与fft结合的分层并行处理器的示意图；
图6为本申请实施例中的pmf与fft结合的分层并行处理器的处理流程示意图；
图7为本申请实施例中的信号截获处理器的捕获概率曲线的示意图；
图8为本申请实施例提供的信号处理方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
需要说明的是，本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。
对于直升机机载的导航卫星接收机，比如直升机机载的北斗用户机，由于直升机金属材质的旋翼的旋转频率调制在接收信号上形成了一种特殊的幅-相干扰，引起对卫星信号频率捕获困难且锁定不稳、对卫星各类信息码特别是超长码(比如，精码(precisecode，以下称为p码))捕获更加困难或锁定不稳，进而引起位置、速度等测量信息的误差超差；而且，旋转的金属材质旋翼还会在北斗用户机的天线上方形成一个屏蔽层，对接收的卫星信号的电平造成衰减。另外，直升机的发动机造成的机身振动会带来信号相位的振动，其振动频率与飞机结构谐振频率基本相同，它对接收机的影响类似于在接收信号上调制了一种干扰。
本申请实施例提供一种信号处理方法及装置，应用于直升机机载的导航卫星接收机，可以实现在直升机旋翼下的导航卫星接收机可靠、稳定工作，可以解决旋翼和飞行姿态造成的幅-相干扰影响，并实现对卫星信号的快速捕获、稳定锁定。
在本申请实施例中，直升机机载的导航卫星接收机以直升机机载的北斗用户机(包括发射机和接收机)为例进行说明。下面先对北斗用户机有关的技术指标要求、北斗用户机的接收机的卫星信号体制、捕获原理和过程进行说明。
北斗用户机的接收机有关技术指标要求如下：
首次捕获时间：≤120秒(时间模糊度±1秒)；
捕获概率：≥0.95。
北斗系统通过北斗卫星向用户机连续不断地发送导航定位信号。rdss(radiodeterminationsatelliteservice，卫星无线电测定业务)系统已经定型，不再叙述。rnss(radionavigationsatellitesystem，卫星无线电导航定位工作方式)的卫星信号包括：三种载波信号b1、b2和b3；其中，b1的频率为1561.098mhz，b2的频率为1207.52mhz；b3的频率为1268.6052mhz；调制在载波信号b1、b2和b3上的伪随机噪声码有c/a码(coarseacquisitioncode，粗捕获码，频率为2.046mhz)和p码(precisecode，精码，频率为10.23mhz)；调制在载波信号b1、b2和b3上的导航电文，称为d码。
北斗卫星信号采用二级调制。首先用p码与低码率(50hz)的数据d码模2和构成复合码
北斗卫星向用户机发送以下三种已调制的载波信号：
式(1)中，ap、ac分别为载波信号b1的同相载波分量和正交载波分量的振幅；bp、bc分别为载波信号b2的同相载波分量和正交载波分量的振幅；cp、cc分别为载波信号b3的同相载波分量和正交载波分量的振幅；pi(t)、gi(t)和di(t)分别为第i颗卫星的p码、c/a码和d码；ω1、ω2、ω3分别为载波信号b1、b2和b3的角频率；
北斗用户机的接收机的主要工作是获取卫星信号发送的信息码，即p码、c/a码和d码。为此，要先解调调制在每一个码元上的随机码即pn码(pseudo-noisecode，一种与白噪声类似的自相关性质的0和1构成的编码序列，又称伪随机码，即p码和c/a码)；当接收到的卫星信号的pn码与本地产生的pn码的相位一致，经过自相关运算，得到的功率谱为最大，如果该功率谱超过捕获门限，即可认为本地的pn码复现了卫星信号的pn码，捕获成功。
本申请实施例采用了基于部分匹配滤波(pmf，partialmatchedfiltering)和快速傅立叶变换(fft，fastfouriertransformation)结合的捕获算法。设接收信号的伪码长度为n，码片宽度为tc，载波多普勒为fd，部分匹配滤波器的数量为k、长度为m(n＝km)，则接收信号pn码与本地pn码对齐时部分匹配滤波器的归一化相关值输出为：
对k段部分匹配滤波器输出的相关值进行k点fft运算，fft结果中第k点的归一化幅频响应为：
若k点fft结果中取模后的峰值大于预置的捕获门限，则判定捕获成功，而峰值点对应的频率值即为载波多普勒值。
图1为目前的导航卫星接收机的基带处理器的码跟踪环和载波跟踪环的示意图。导航卫星接收机的环路分为码跟踪环和载波跟踪环；其中，载波跟踪环负责跟踪信号的载波，码跟踪环负责跟踪信号中的伪随机码，实现精确的码同步。
下面以导航卫星接收机为北斗接收机为例进行说明。如图1所示，北斗接收机的载波跟踪环的载波预检测积分器、载波环鉴别器和载波环滤波器的可编程方案确定了接收机的载波跟踪环的特性。这三个功能确定了接收机的载波跟踪环的两个最重要的性能特性：载波跟踪环的热噪声误差和最大视距动态应力门限。由于载波跟踪环总是独立北斗接收机的薄弱环节，它的门限确定了未经辅助的北斗接收机的特性，如果干扰造成的相位变化(指相位的线性、二次项-速度、三次项-加速度变化，…以及更剧烈的跳变)超出了门限，环路就会失锁或超差。载波环鉴别器确定了载波跟踪环的类型，亦即是一个锁相环(pll，phaselockedloop)、一个科斯塔斯锁相环(costaspll)(这是一个pll型的鉴相器，它允许基带信号中存在有数据调制)、或是一个锁频环(fll，frequency-lockedloop)。pll和costaspll是最精确的，但对动态应力比fll更敏感。pll和costaspll的载波环鉴别器在其输出端产生相位误差，fll的载波环鉴别器在其输出端产生频率误差。基于此，载波环滤波器的方案也有差别，与pll的载波环滤波器相比，对同一载波环滤波器的阶数来说，fll的载波环滤波器要多一次积分。
同样地，码跟踪环的预检测积分器、码环鉴相器和码环滤波器确定了接收机的码跟踪环的特性。这三个功能确定了接收机的码跟踪环的两个最重要的性能特性：码跟踪环的热噪声误差和最大视距动态应力门限。未经辅助的码跟踪环的热噪声比载波跟踪环的热噪声大3个数量级。北斗接收机的码跟踪环的测量误差和跟踪门限是紧密相关联的，这是因为当测量误差超过一定界限时接收机便失锁。由于码跟踪环和载波跟踪环是非线性的，尤其是在门限附近时如此，只有在合并的动态信噪比(s/n，signal-noiseratio)条件下对北斗接收机作montecarlo(蒙特卡罗)模拟才能确定真正的跟踪性能。
需要说明的是，在图1中，ip、qp表示从即时支路获得的相关结果；ie、qe表示从超前支路获得的相关结果，il、ql表示从滞后支路获得的相关结果。
如图1所示，基带处理器的码跟踪环和载波跟踪环是直升机机载的导航卫星接收机受到直升机旋翼干扰的薄弱环节。从公式(1)至(3)可以看出，为了解调卫星信号，直升机机载的导航卫星接收机需要同时解调出卫星信号的载波和码。任何卫星信号的相位抖动，都将会引起码环失锁、载波环失锁或定位数据超差。现有的导航卫星接收机的码跟踪环和载波跟踪环是经过实用考验达到了技术指标要求的定型产品，它们本身就是接收机的敏感部分，若在码跟踪环、载波跟踪环内部设置干扰滤波器，会改变环路特性，因此，本申请实施例在进入基带处理器的码跟踪环和载波跟踪环之前的中频放大器的输出端设置抗直升机旋翼干扰单元，以滤除干扰，使进入基带处理器的数字中频信号达到无干扰的状态。
本申请实施例提供一种信号处理装置，应用于直升机机载的导航卫星接收机，包括：卫星信号接收单元、抗直升机旋翼干扰单元、第一模数转换器(adc，analog-to-digitalconverter)以及基带处理器；其中，抗直升机旋翼干扰单元分别与卫星信号接收单元和第一adc相连，第一adc与基带处理器相连。
本实施例中，卫星信号接收单元，配置为根据接收到的射频频段的卫星信号得到第一模拟中频信号；抗直升机旋翼干扰单元，配置为对第一模拟中频信号进行抗干扰处理，得到第二模拟中频信号；第一adc，配置为将第二模拟中频信号转换为第一数字中频信号后输入基带处理器；基带处理器，配置为对第一数字中频信号进行pmf和fft结合的分层并行处理，并采用n中取m搜索方式，进行信号捕获。
在一示例性实施方式中，基带处理器可以包括：pmf和fft结合的分层并行处理器(以下简称为pmf-fft分层并行处理器)、信号截获处理器；pmf-fft分层并行处理器连接信号截获处理器；pmf-fft分层并行处理器，配置为对第一数字中频信号进行pmf和fft结合的分层并行处理；信号截获处理器，配置为采用n中取m搜索方式，进行信号捕获。
图2为本申请示例性实施例提供的信号处理装置的示意图。如图2所示，本示例性实施例提供的信号处理装置，可以应用于直升机机载的导航卫星接收机(比如，北斗接收机)。
如图2所示，本实施例提供的信号处理装置，可以包括：卫星信号的接收天线、卫星信号接收单元、抗直升机旋翼干扰单元、第一模数转换器(adc，analog-to-digitalconverter)、基带处理器、频率综合器以及电源。其中，基带处理器可以包括：码跟踪环、载波跟踪环、pmf-fft分层并行处理器、信号截获处理器以及接收机位置结算单元。
如图2所示，卫星信号的接收天线，分别与卫星空间段和卫星信号接收单元相连。在本示例中，可以设置4个独立的接收天线，分别接收频率为2491.75mhz的rdss信号、频率为1561.098mhz的b1信号、频率为1207.52mhz的b2信号和频率为1268.6052mhz的b3信号。接收天线内可以设置相应频段的低噪声放大器，其增益为30db至40db，放大后的卫星信号经高频电缆传送到卫星信号接收单元。
如图2所示，卫星信号接收单元，分别与卫星信号的接收天线和抗直升机旋翼干扰单元相连。其中，卫星信号接收单元可以将射频频段的卫星信号经过放大，变频为模拟中频信号，再经过多级中频放大器放大，将放大后的模拟中频信号送往抗直升机旋翼干扰单元。为了保持模拟中频信号的输出幅度不随接收信号的强弱变化而变化，卫星信号接收单元内可以设置自动增益控制器，自动增益控制器对输入信号控制的动态范围为0至60db。
由直升机旋翼或机身振动调制形成的干扰主要体现在对卫星信号载波的相位调制，因此，须在信号进入基带处理器之前进行消除。如图2所示，抗直升机旋翼干扰单元，分别与卫星信号接收单元和第一adc相连。抗直升机旋翼干扰单元对卫星信号接收单元传输的模拟中频信号(即第一模拟中频信号)进行采样得到数字中频信号(即第二数字中频信号)，经过fft变换，判断干扰是否存在，若干扰存在，则设置干扰信号处理滤波器的各种滤波参数，滤除因直升机旋翼造成的干扰；然后，将去除干扰后的数字中频信号(即第二数字中频信号)转换为模拟中频信号(即第二模拟中频信号)送往第一adc。
如图2所示，第一adc，分别与抗直升机旋翼干扰单元和基带处理器相连；第一adc可以对去除了干扰后的模拟中频信号(即第二模拟中频信号)进行采样，转换为数字中频信号(即第一数字中频信号)，并将该数字中频信号送往基带处理器的码跟踪环、载波跟踪环、pmf-fft分层并行处理器、信号截获处理器和接收机位置解算单元，完成对卫星信号的捕获、锁定及解调。
如图2所示，码跟踪环，分别与第一adc和pmf-fft分层并行处理器相连，用于通过自相关运算，锁定码跟踪环，并将符合当前时刻的码送往信号截获处理器、接收机位置解算单元进行卫星信号的解调。
如图2所示，载波跟踪环，分别与第一adc和pmf-fft分层并行处理器相连，用于通过自相关运算，锁定载波跟踪环，并将符合当前时刻的多普勒频率送往信号截获处理器、接收机位置解算单元进行卫星信号的解调。
如图2所示，pmf-fft分层并行处理器，分别与码跟踪环、载波跟踪环以及信号截获处理器相连；其中，可以将n段p码作为抽头系数，对每个子段(比如，每个2毫秒子段)分别进行pmf处理，得到累加结果，完成码相位搜索；fft处理遵循theavalonstreaminginterface的时序要求，包括sink_sop、sink_eop、source_ready、sink_valid等信号，保证了fft能正常工作；用产生的访问fft源数据存储器的读信号和时序，比如同时并行从5个存储器中读出数据，分别对应5段数据的同一个码相位移位位置，这里控制状态机只需要一个，3层数据存储需要连续读取3次；对读取的源数据进行fft变换，完成频谱分析。
在本实施例中，pmf-fft分层并行处理器进行码相位搜索和频率搜索，实现码跟踪环和载波跟踪环的锁定，由图2所示；载波跟踪环锁定后可以将符合当前时刻的多普勒频率送往信号截获处理器，由于载波跟踪环对频率的锁定精度比较高，同时也被送往码跟踪环作为判断码跟踪环偏差的辅助依据；码跟踪环锁定后可以将符合当前时刻的码送往信号截获处理器，信号截获处理器对跟踪的码和多普勒频率进行搜索，确定是否成功捕获卫星信号。
如图2所示，信号截获处理器，分别与pmf-fft分层并行处理器和接收机位置解算单元相连，用于采用n中取m搜索检测器对于每一个码和多普勒频率范围，取n个fft计算得到的相关性包络，并将其与捕获门限作比较，如果其中有m个或更多的相关性包络超过了捕获门限，便可认为是捕获成功。信号截获处理器对卫星信号搜索截获成功后，将解调处理出来的信息码送往接收机位置解算单元。
如图2所示，接收机位置解算单元，分别与信号截获处理器和卫星信号客户端相连，用于根据解调得到的卫星历书、精密星历、大气参数、星载原子钟等信息，计算解调接收机当前的位置、速度、北斗时间等信息，并通过串口、网口将解调得到的信息送往卫星信号客户端。
在一示例性实施方式中，基带处理器可以通过一个fpga(fieldprogrammablegatearray，现场可编程逻辑门阵列)实现，抗直升机旋翼干扰单元也可以通过一个fpga实现。通过在两块fpga中分别实现抗直升机旋翼干扰和卫星信号搜索截获，资源冗余量大，保证了捕获引擎的环境适应性。
如图2所示，频率综合器分别与晶体振荡器和fpga相连，用于提供一个稳定的基准频率，使各部分能够同步协调工作。
如图2所示，电源分别与卫星信号的接收天线、卫星信号接收单元、抗直升机旋翼干扰单元、第一adc以及基带处理器(即一个fpga)相连，用于给各部分提供能源。
需要说明的是，图2中示出的基带处理器的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的示意图，基带处理器可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
图3为本申请示例性实施例提供的信号处理装置的部分流程示意图。图3主要示意出了卫星信号在进入基带处理器之前的处理流程。如图3所示，本实施例中，可以设置四个独立的接收天线，卫星信号接收单元可以接收以下四个频点的信号：频率为2491.75mhz的rdss信号、频率为1561.098mhz的b1信号、频率为1207.52mhz的b2信号和频率为1268.6052mhz的b3信号。抗直升机旋翼干扰单元可以提供对四个频段的卫星信号的抗干扰处理，用于消除直升机旋翼以及机身谐振对接收卫星信号形成的调制干扰。
本示例中，抗直升机旋翼干扰单元可以先对接收的模拟中频信号(即第一模拟中频信号)进行模数转换，然后进行直升机旋翼干扰处理，并对经过直升机旋翼干扰处理后的数字中频信号进行数模转换，输出消除了干扰的模拟中频信号(即第二模拟中频信号)至第一adc进行模数变换，由第一adc将转换得到的适合基带处理器的数字中频信号(即第一数字中频信号)输入基带处理器。其中，直升机旋翼干扰处理可以包括：傅立叶变换；判断信号中是否存在干扰信号，若存在干扰信号，则判读干扰信号的谱线频率分布范围、功率谱密度以及载波频率变化速度，得到干扰信号分析结果，并基于干扰信号分析结果设置滤波参数，通过设置了滤波参数的干扰信号处理滤波器消除干扰，最后通过傅立叶反变换重新构筑并输出模拟中频信号(即第二模拟中频信号)。
图4为本申请示例性实施例提供的抗直升机旋翼干扰单元的示意图。需要说明的是，图4仅列出了图3所示的四种信号路径的一种，其功能均相同。在本示例中，抗直升机旋翼干扰单元可以设计为一个fpga，利用集成在一个芯片中的可编程逻辑门单元和数字信号处理软件资源完成对模拟中频信号从发现干扰、分析干扰到处理干扰的全过程。
如图4所示，抗直升机旋翼干扰单元可以包括：第二adc、fft模块、干扰信号判读模块、干扰信号分析模块、自适应增益控制器、干扰信号处理滤波器以及数模转换器(dac，digital-to-analogconverter)。本示例中，干扰信号分析模块可以包括并行设置的以下三个模块：干扰谱线频率分布范围判读模块、干扰功率谱密度判读模块、干扰载波频率变化速度判读模块。
如图4所示，第二adc可以设置为对由卫星信号接收单元(比如，中频放大器)输出的模拟中频信号(即第一模拟中频信号)进行限幅、采样，并将模拟中频信号分段转换为数字中频信号(即第二数字中频信号)，以便后续进行数字化处理。
如图4所示，fft模块分别与第二adc和干扰信号判读模块相连，用于对第二adc送来的一段固定长度的数字中频信号进行fft处理，把时域信号转换成频域信号。
如图4所示，干扰信号判读模块分别与fft模块、dac、干扰信号分析模块以及自适应增益控制器相连，用于分析判断接收信号中是否存在干扰。
在本示例中，根据接收机接收到的北斗卫星信号都是bpsk(binaryphaseshiftkeying，二进制相移键控)调制的信号，它们的功率谱密度曲线被展开到一个很宽的范围，往往会淹没在接收机的随机噪声中，但是仍然会对接收机自动增益控制(agc，automaticgaincontrol)系统起作用，这种作用是噪声功率、北斗卫星信号功率和干扰功率合成的结果。在直升机发动机启动之前，把没有干扰情况下的agc控制电平作记录，作为一个判断有无干扰的门限电平，当发现agc控制电平超过该门限电平，即可认为是干扰信号的功率电平叠加的结果，接收信号中有干扰存在。如果没有发现干扰信号，则将此段数字中频信号直接送到dac进行模拟中频信号复原；如果发现有干扰信号，则将此段数字中频信号送到干扰信号分析模块进行下一步处理。在本示例中，如果发现有干扰信号，则将此段数字中频信号分别送到干扰谱线频率分布范围判读模块、干扰功率谱密度判读模块以及干扰载波频率变换速度判读模块。
在本示例中，干扰谱线频率分布范围判读模块，分别与干扰信号判读模块和干扰信号处理滤波器相连，用于分析在接收机带宽内干扰谱线的分布频点，作为设置干扰信号处理滤波器的滤波参数的依据。干扰功率谱密度判读模块，分别与干扰信号判读模块和干扰信号处理滤波器相连，用于分析在接收机带宽内干扰谱线的幅度，作为设置干扰信号处理滤波器的滤波参数的依据。干扰载波频率变化速度判读模块，分别与干扰信号判读模块和干扰信号处理滤波器相连，用于分析在接收机带宽内干扰载波频率的变化速度，作为设置干扰信号处理滤波器的滤波参数的依据。
在本示例中，干扰信号处理滤波器，分别与干扰谱线频率分布范围判读模块、干扰功率谱密度判读模块、干扰载波频率变化速度判读模块以及dac相连，用于根据干扰谱线频率分布范围判读模块、干扰谱线功率谱幅度判读模块以及干扰载波频率变化速度判读模块得到的干扰信号分析结果，设置滤波参数，并对干扰谱线进行过滤，使其在技术指标要求的范围内不影响接收机正常工作。在本示例中，干扰信号处理滤波器可以为数字滤波器。
在本示例中，dac，分别与干扰信号判读模块、干扰信号处理滤波器以及自适应增益控制器相连，用于将数字中频信号通过傅立叶反变换重新构筑得到模拟中频信号(即第二模拟中频信号)，输出给第一adc。
在本示例中，自适应增益控制器，分别与干扰信号判读模块和dac相连，用于确保经过滤波后的数字中频信号的输出幅度不受滤波的影响。
在本示例中，如图4所示，同步时钟系统可以为数字中频信号处理的各个环节提供基准时间信号，基本频率来自一个晶体振荡器(比如，石英晶振)，通过分频、倍频等变换，产生各种同步时间信号，使各环节有机地协调工作。数字信号处理器(dsp，digitalsignalprocessing)是一个适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法，其内具有快速随机存储器(ram，random-accessmemory)。微处理器arm(advancedriscmachine)中存贮系统程序，完成预先编制的指令的执行。电源可以设置为提取基础电源(比如，直流5伏电源)，经过变换后为各部分供电。
在本示例中，整个抗直升机旋翼干扰单元的信号带宽与调制在载波上的信息码速率所占带宽匹配，以覆盖直升机旋翼干扰频带宽度。
在本实施例中，卫星信号的捕获是一个搜索过程，和跟踪过程相类似，为了捕获卫星信号，需要同时复现卫星的码和载波(即要成功地两维匹配)。其中，距离维是与复现码相关联的，而多普勒维则与复现载波相关联。接收机一般开始进行码搜索，初始码搜索要涉及到在距离维上复现所有的码相位状态，即使是在距离和多普勒已经局限于某一个较小范围时，搜索的范围也是相当地大，需要较长的搜索时间。本实施例采用了pmf-fft分层并行处理方式，实现卫星信号的快速捕获。
需要说明的是，本实施例中pmf-fft分层并行处理器和信号截获处理器都以最难搜索捕获的超长码p码为主进行描述。
图5为本申请实施例中的pmf-fft分层并行处理器的示意图。如图5所示，pmf-fft分层并行处理器可以包括码钟产生器、载波发生器、数字下变频器、第一抽取滤波模块、第二抽取滤波模块、pmf组、fft处理模块、非相干累加模块以及分析比较模块。
码钟产生器，用于产生驱动加密芯片、模块或其他p码产生器的时钟信号。可以采用32位数字控制振荡器(nco，numericallycontrolledoscillator)方式实现，nco的频率控制字可以固定设置或由软件配置。
载波发生器，用于产生i-q两路本地载波信号，包括载波nco、查找表；其中，利用载波nco，可以产生载波频率的驱动时钟和查找表地址，采用32位nco方式实现，频率控制字可以固定设置或由软件配置；利用查找表，存储一个周期的正弦信号采样点，通过驱动时钟查找相应地址，输出i-q两路正交本地载波信号，查找表的位数、深度可以根据实施方式不同做相应变动。
数字下变频器，分别与载波发生器、第一抽取滤波模块以及第二抽取滤波模块相连，用于将数字中频信号(if，intermediatefrequency)(即第一数字中频信号)和来自载波发生器的本地载波信号相乘，得到有剩余多普勒频率的i-q两路基带信号。根据数字中频信号是实信号和复信号的不同，下变频方案不一样。利用数字下变频器，会剥离载波残余多普勒频率，可以采用直接乘法器下变频方式，实现简单、节省资源。
第一抽取滤波模块，分别与数字下变频器和pmf组相连，用于对i路基带信号进行滤波、降采样，存储待处理的i路基带数据；其中，采样开始时刻必须与p码周期的起始或结束时刻对齐。
第二抽取滤波模块，分别与数字下变频器和pmf组相连，用于对q路基带信号进行滤波、降采样，存储待处理的q路基带数据；其中，采样开始时刻必须与p码周期的起始或结束时刻对齐。
其中，第一抽取滤波模块或第二抽取滤波模块，以2倍码速率对基带信号进行抽取，以2毫秒采样为一段(称为子段)，分别将n段p码存储在存储模块的n块存储器中，每段p码分成x个地址存储，以同样的方式存储n段或(n+1)段基带数据。n段p码作为pmf的抽头系数输入给pmf组，与基带数据进行pmf处理，这里，n为大于1的自然数，其取值取决于fft的点数和频率分辨率的要求。
其中，第一抽取滤波模块和第二抽取滤波模块的配置参数完全一致，以按照2倍码速率对基带信号进行抽取。第一抽取滤波模块和第二抽取滤波模块的滤波器的阶数越多效果越好，比如可以采用20阶滤波器。第一抽取滤波模块和第二抽取滤波模块均可以采用fir(finiteimpulseresponse，有限长单位冲激响应滤波器，又称为非递归型滤波器)。第一抽取滤波模块和第二抽取滤波模块均对滤波器的输出结果采取截位并向上取整方式。
pmf组，分别与第一抽取滤波模块、第二抽取滤波模块以及fft处理模块相连，用于将n段p码作为抽头系数，对每个子段(比如，每个2毫秒子段)分别进行pmf处理，得到累加结果，完成码相位搜索。示例性地，pmf组分为i-q两组，每组均有n个pmf，以pmf组共有5×3个pmf为例，可以同时对5段2毫秒数据进行3个码片相位的处理，这里每段处理包含3个pmf，每个滤波器的系数采用相同的p码，用两路选择方式实现系数相乘，3个匹配滤波器的数据采用同一段数据的3个不同截位处理后的结果，每段相差一个码片相位，这样实现了同时搜索3个码片相位。用5级加法树实现累加功能，前面4级加法树用4输入并行加法器实现，完成对165个采样点数据的滤波累加，最后一级累加器通过时序逻辑控制，连续累加8个结果，最后从248个滤波结果中累加得到31个累加结果，作为频谱分析的输入数据。
fft处理模块，分别与pmf组和非相干累加模块相连，包括若干个并行的fft变换器，用于缓存来自pmf组的滤波结果(包括第一滤波结果和第二滤波结果)，并对其进行fft频谱分析，完成频率搜索，fft变换器的个数与基带数据的段数相关，以保证整个处理流程的吞吐能力。
还以pmf组共有5×3个pmf为例，fft处理模块中共有5×3个fft源数据存储器，每个存储器共有128个地址，采用pingpong操作访问存储器，当对低64个地址空间写操作时，则读取高64个地址空间，防止了读写冲突造成时序混乱，提高了捕获性能。
fft处理模块的接口控制信号，遵循theavalonstreaminginterface的时序要求，包括sink_sop、sink_eop、source_ready、sink_valid等信号，保证了fft处理模块能正常工作。用产生的访问fft源数据存储器的读信号和时序，同时并行从5个存储器中读出数据，分别对应5段数据的同一个码相位移位位置，这里控制状态机只需要一个，3层数据存储需要连续读取3次；对读取的源数据进行fft变换，完成频谱分析。
还以pmf组共有5×3个pmf为例，假设fft变换器共有并行的5个，均采用16位复输入，变换长度为64点，由于输入数据只有31点，所以必须在后面补充33个0，这样fft的频率分辨率是500×31/64＝242.1875hz，这里fft处理模块采用90mhz的主时钟，配置为streaming模式工作，输出16位复信号。最后调整fft变换结果的幅度值，因为fft变换器采用了blockfloatingpointscaling的处理方式，考虑到输入信号强度的动态范围很大，所以必须调整输出结果，根据fft变换器输出的source_exp信号还原或适当截取输出信号幅度。
非相干累加模块，分别与fft处理模块和分析比较模块相连，用于对fft处理模块中并行的fft变换器的输出的处理结果分别并行取模，再一起按点累加，得到m点非相干累加结果，并将非相干累加结果输出给分析比较模块。还以pmf组共有5×3个pmf为例，首先，对5个fft处理模块输出结果的取模操作，采用简化算法，如jpl算法。考虑到导航信号调制了高速率的导航数据，所以相干积分长度最多只能采用2毫秒数据，必须采用非相干累加方式用以提高捕获灵敏度；然后，对5个取模结果的累加，考虑到可能并行结果会多于5个，或者有需要串行累加的模式，所以还需要暂存中间结果。
分析比较模块，与非相干累加模块相连，用于查找最大相关值、次大相关值、频率、相位和段数等，得到的结果作为捕获结果。其中，得到的捕获结果在捕获结束时，可以将其存储在寄存器中，等待查询读取即可。
在一示例性实施方式中，pmf-fft分层并行处理器还可以包括：工作状态指示模块，用于指示pmf-fft分层并行处理器的工作状态。比如，工作状态指示模块可以通过定时查询方式访问状态寄存器，以获取工作状态，并控制捕获引擎的下一步流程。
图6为本申请实施例中的pmf-fft分层并行处理器的处理流程示意图。如图6所示，pmf-fft分层并行处理器的处理流程包括以下步骤：
步骤600：根据数字中频信号(即第一数字中频信号)和本地载波信号进行下变频，获取基带信号，对基带信号进行抽取，得到待处理的基带数据，并按子段存储。
在本步骤之前还可以包括：产生驱动加密芯片、模块或其他p码产生器的时钟信号；产生i-q两路本地载波信号。
本步骤中，获取基带信号可以包括：将数字中频信号和本地载波信号相乘，得到有剩余多普勒频率的i-q两路基带信号。
本步骤中，以2倍码速率对基带信号进行抽取。
步骤601：以p码作为抽头系数，对每个子段分别进行pmf处理，得到累加结果，完成码相位搜索。
以pmf组共有5×3个pmf为例，可以同时对5段2毫秒数据进行3个码片相位的处理，这里每段处理包含3个pmf，每个滤波器的系数采用相同的p码，用两路选择方式实现系数相乘，3个匹配滤波器的数据采用同一段数据的3个不同截位处理后的结果，每段相差一个码片相位，这样实现了同时搜索3个码片相位。用5级加法树实现累加功能，前面4级加法树用4输入并行加法器实现，完成对165个采样点数据的滤波累加，最后一级累加器通过时序逻辑控制，连续累加8个结果，最后从248个滤波结果中累加得到31个累加结果，作为频谱分析的输入数据。
步骤602：缓存pmf处理后的滤波结果，并对其分别进行fft频谱分析，完成频率搜索。
示例性地，还以pmf组共有5×3个pmf为例，fft处理模块中共有5×3个fft源数据存储器，每个存储器共有128个地址，采用pingpong操作访问存储器，当对低64个地址空间写操作时，则读取高64个地址空间，防止了读写冲突造成时序混乱，提高了捕获性能。
fft处理模块的接口控制信号，遵循theavalonstreaminginterface的时序要求，包括sink_sop、sink_eop、source_ready、sink_valid等信号，保证了fft处理模块能正常工作。用产生的访问fft源数据存储器的读信号和时序，同时并行从5个存储器从中读出数据，分别对应5段数据的同一个码相位移位位置，这里控制状态机只需要一个，3层数据存储需要连续读取3次；对读取的源数据进行fft变换，完成频谱分析。
还以pmf组共有5×3个pmf为例，假设fft变换器共有并行的5个，均采用16位复输入，变换长度为64点，由于输入数据只有31点，所以必须在后面补充33个0，这样fft的频率分辨率是500×31/64＝242.1875hz，这里fft处理模块采用90mhz的主时钟，配置为streaming模式工作，输出16位复信号。最后调整fft变换结果的幅度值，因为fft变换器采用了blockfloatingpointscaling的处理方式，考虑到输入信号强度的动态范围很大，所以必须调整输出结果，根据fft变换器输出的source_exp信号还原或适当截取输出信号幅度。
步骤603：对fft处理的输出结果分别并行取模后按点累加，得到m点非相干累加结果，查找捕获结果。其中，捕获结果可以包括但不限于：最大相关值、次大相关值、频率、相位和段数等。
还以pmf组共有5×3个pmf为例，首先，对5个fft处理模块输出结果的取模操作，采用jpl简化算法，考虑到导航信号调制了高速率的导航数据，所以相干积分长度最多只能采用2毫秒数据，必须采用非相干累加方式提高了捕获灵敏度；然后，对5个取模结果的累加，考虑到可能并行结果会多于5个，或者有需要串行累加的模式，所以还需要暂存中间结果。
本实施例中，由于受到直升机旋翼的影响，卫星信号上调制了低频干扰，幅度也有所衰减，致使接收机对卫星信号的捕获概率下降到技术指标要求的0.95以下。本实施例采用了n中取m搜索检测器(即固定时间检测器)进行信号捕获，并根据直升机的实际情况设计了设置参数。
图7为本申请实施例中的信号截获处理器的捕获概率曲线的示意图。本实施例中，信号截获处理器可以包括n中取m搜索检测器。其中，n中取m搜索检测器对于每一个码(一般由1/2基码组成)和多普勒频率范围(一般是由系统处理时间决定)形成的“方格”(即搜索单元)取n个fft计算得到的相关性包络，并将其与捕获门限作比较，如果其中有m个或更多的相关性包络超过了捕获门限，便可认为在该搜索单元捕获成功。如果没有m个或更多的相关性包络超过了捕获门限，则认为在该搜索单元捕获不成功，再进入下一个搜索单元重复上述过程。上述搜索捕获过程是符合贝努利试验的，超过捕获门限的包络数目具有二项式分布。
n次试验的总虚警概率如下：
式(4)中，pfa为单次试验虚警概率；b(m-1；n，pfa)为累积概率密度函数(pdf，probabilitydensityfunction)。
n次试验的总捕获概率如下：
式(5)中，pd为单次试验捕获概率。
其中：
式(6)中，vt为捕获门限；ζ为随机变量；σn为均方根噪声功率；s/n为预检测信号与噪声之比；
图7描述了n中取m的捕获概率与输入到检测器的信噪比(s/n，signal-noiseratio)的函数关系曲线。从图7可以看出，当输入到检测器的s/n下降时，捕获概率下降；当s/n不变时，适当改变n、m值，可以提升捕获概率。在系统设计和实际工作中，要提高s/n值是比较困难的，但是，在基带处理器，通过选择新一代高速器件，在单位时间里适当改变n、m值，随着n值的增大比特信噪比eb/n0值增大，捕获概率得到提升。
本申请实施例提供的信号处理装置，通过采用基于fpga的抗直升机旋翼干扰单元、基于fpga的基带处理器(包括pmf-fft分层并行处理器和信号截获处理器)，消除了直升机旋翼以及机身谐振对接收卫星信号形成的调制干扰，实现了对卫星信号的快速捕获和稳定锁定，提高了卫星信号的捕获概率。
图8为本申请实施例提供的信号处理方法的流程图。本实施例提供的信号处理方法，可以应用于直升机机载的导航卫星接收机(比如，直升机机载的北斗用户机)；如图8所示，本实施例提供的信号处理方法包括以下步骤：
步骤801、根据接收到的射频频段的卫星信号得到第一模拟中频信号；
步骤802、对第一模拟中频信号进行抗干扰处理，得到第二模拟中频信号；
步骤803、将第二模拟中频信号转换为第一数字中频信号后进行基带处理；
步骤804、在基带处理过程中，对第一数字中频信号进行pmf和fft结合的分层并行处理，并采用n中取m搜索方式，进行信号捕获。
在一示例性实施方式中，步骤802可以包括：将第一模拟中频信号转换为第二数字中频信号；对第二数字中频信号进行fft后，判断第二数字中频信号中是否存在干扰信号；当存在干扰信号，获取干扰信号分析结果，根据干扰信号分析结果，滤除第二数字中频信号中存在的干扰信号，并对去除干扰信号后的第二数字中频信号进行数模转换，得到第二模拟中频信号；当不存在干扰信号，则对第二数字中频信号进行数模转换，得到第二模拟中频信号。
在一示例性实施方式中，当存在干扰信号，获取干扰信号分析结果，根据干扰信号分析结果，滤除第二数字中频信号中存在的干扰信号，可以包括：当存在干扰信号，通过分析干扰谱线频率分布范围、干扰功率谱密度以及干扰载波频率变化速度，获取干扰信号分析结果；根据干扰信号分析结果，设置滤波参数；基于滤波参数，滤除第二数字中频信号中存在的干扰信号。
在一示例性实施方式中，在步骤804中，对第一数字中频信号进行pmf和fft结合的分层并行处理，可以包括：根据第一数字中频信号和本地载波信号进行下变频，获取基带信号，对所述基带信号进行抽取，得到待处理的基带数据，并按子段存储；以本地伪码作为抽头系数，对每个子段分别进行pmf，得到累加结果，完成码相位搜索；缓存pmf后的滤波结果，并对其分别进行fft频谱分析，完成频率搜索；对fft处理的输出结果分别并行取模后按点累加，得到m点非相干累加结果，查找捕获结果。
在一示例性实施方式中，在步骤804中，采用n中取m搜索方式，进行信号捕获，可以包括：对每一个码和多普勒频率范围形成的搜索单元，取n个fft计算得到的相关性包络，若其中有至少m个相关性包络大于捕获门限，则确定在该搜索单元成功捕获卫星信号。
本实施例提供的信号处理方法可以由上述实施例描述的信号处理装置执行。关于本实施例提供的信号处理方法的执行过程可以参照上述实施例中的信号处理装置的处理流程，故于此不再赘述。
在一应用示例中，以某一型号的运输救援直升机机载的北斗用户机为例，本示例中的运输救援直升机的旋翼数量为4片，旋转速率为200圈/分钟。在未采用本实施例提供的信号处理装置和方法之前，本示例中的北斗用户机在运输救援直升机起飞后会受到旋翼影响，北斗用户机的捕获概率下降到0.92至0.94，捕获时间大于120秒，超过北斗用户机的技术指标要求。在采用本实施例提供的信号处理装置和方法后，本示例中的机载北斗用户机可以实现准确定位，而且工作稳定可靠；通过pmf结合fft的搜索方式，能同时并行完成相位和频率的二维搜索，相对于其他串行搜索、循环相关搜索等方式分别加快数倍捕获速度，节省了捕获时间，降低了捕获的虚警概率；并且，本实施例通过采用数据滑动的方式，避免了导航数据翻转对频谱分析的裂峰影响；采用多段2毫秒数据进行非相干累加，提高了p码捕获的概率，降低了漏警概率；最高只采用90mhz的时钟频率，逻辑和存储器资源消耗都在85％以下。本实施例提供的信号处理装置通过在两块fpga中分别实现抗直升机旋翼干扰和卫星信号搜索截获，资源冗余量大，保证了捕获引擎的环境适应性，使得捕获概率恢复到0.95以上，捕获时间小于120秒，达到了北斗用户机的技术指标要求。
综上可知，本申请实施例提供一种可在直升机旋翼下正常工作的导航卫星接收机(比如，北斗用户机)，通过设置基于fpga的抗直升机旋翼干扰单元，用于消除直升机旋翼以及机身谐振对接收卫星信号形成的调制干扰；通过在基于fpga实现的基带处理器中设置pmf与fft结合的分层并行处理器，用于实现对卫星信号的快速捕获，通过在基带处理器中设置信号截获处理器，用于提高卫星信号的捕获概率。本申请实施例可以有效地消除直升机旋翼以及机身谐振对接收卫星信号形成的调制干扰，加快了卫星信号的捕获速度，提升了工作稳定性，提高了卫星信号的捕获概率，码跟踪环、载波跟踪环锁定稳定，直升机动态飞行中能够保持较高的定位精度，从而满足了导航卫星接收机的技术指标要求和直升机机载使用的要求。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于ram、rom、eeprom、闪存或其他存储器技术、cd-rom、数字多功能盘(dvd)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
以上显示和描述了本申请的基本原理和主要特征和本申请的优点。本申请不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本申请的原理，在不脱离本申请精神和范围的前提下，本申请还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本申请范围内。
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