一种基于多种特征信号实现导航与通信信息融合的方法

1.本发明属于空间通信技术领域，具体涉及一种基于多种特征信号实现导航与通信信息融合的方法。


背景技术：

2.x射线用于通信的想法最初由美国国家航空航天局的戈达德空间飞行中心的keith gendreau博士提出，是一种新兴的通信技术。x射线具有能量高、真空几乎无衰减、高度定向性以及强抗干扰能力等特点，具有适用于未来深空远距离通信的潜力。同时x射线可以穿透电磁屏蔽环境，可适用于高超声速飞行器通信和卫星返回舱在黑障区的通信导航任务。
3.美国国家航空航天局的x射线通信方案，采用的是基于紫外发光二极管(light emitting diode，led)的调制x射线源作为发射装置。这一方案实现了600米真空传输管通信实验验证。国内赵宝升团队利用微通道板(micro channel plate，mcp)和硅漂移探测器(silicon draft detector，sdd)实现了40kbps和100kbps的x射线通信实验。金利民团队利用空间磁场引导电子轰击不同靶材，通过区分产生的不同x射线特征能谱实现了数字信号的调制和识别。
4.早在1996年，gramling等就探讨了利用现有通信设备实现航天器自主定轨的可行性。在一些论文中，集中于讨论利用一种同时通信和测距的复合系统，然而这种复合系统只是一种分时传输的方案。不同时段进行通信和测距任务，既降低了链路效率，也浪费了宝贵的通信时间和系统资源。国内宋诗斌等提出利用x射线通信链路，借助x射线光的圆偏振态传输测距信息，实现通信数据与测距信息的同时传播。
5.综上，空间x射线通信具有潜在的巨大价值，但现有方案未能充分提高光通信的通信效率和带宽潜力。面向未来深空探测资源匮乏和空间信道资源不足的特点，通信与导航信息融合，实现一体化发展，具有研究价值。
6.以上x射线通信和导航与通信信息融合，未能大幅度提高x射线通信与传统微波、激光通信的性能差距。未能体现x射线通信应用于深空远距离或黑障区通信的优势。


技术实现要素：

7.本发明针对上述现有技术中存在的缺陷，为了提高信道利用效率，实现导航与通信的信息设备一体化，提供了一种基于多种特征信号实现导航与通信信息融合的方法。
8.本发明提出的技术方案如下：
9.本发明公开了一种基于多种特征信号实现导航与通信信息融合的方法，包括以下步骤：
10.采集待传输的信息；
11.对所述待传输的信息进行融合获取融合信息；
12.根据融合信息进行特征信号调制，所述特征信号为x射线特征能谱信号；
13.发射x射线特征能谱信号；
14.接收x射线特征能谱信号；
15.甄别接收到的x射线特征能谱信号；
16.对x射线特征能谱信号进行分离与提取。
17.进一步的，所述待传输的信息包括导航信息和通信信息。
18.进一步的：
19.所述导航信息指用于实现测距功能的伪随机码二进制序列；
20.所述通信信息指通信链路传输的数据，内容包括探测数据、星间控制指令、星间前次测距结果信息，形式包括音频、视频、图片、文字的二进制序列。
21.进一步的，所述对待传输的信息进行融合为对导航信息和通信信息进行按位组合，共有(00、01、10、11)四种融合结果。
22.进一步的，所述x射线采用电子轰击不同靶材产生。
23.进一步的，所述x射线特征能谱信号大小有明确区分范围，将四种x射线特征能谱信号按大小标记为(a、b、c、d),分别对应四种融合结果(00、01、10、11)。
24.进一步的，所述甄别接收到的x射线特征能谱信号通过能谱特征信号甄别器进行甄别。
25.进一步的，所述对x射线特征能谱信号进行分离与提取基于以下公式：
26.e＝a,表示传输信号00，即导航信号位为0，通信信号位为0；
27.e＝b,表示传输信号01，即导航信号位为0，通信信号位为1；
28.e＝c,表示传输信号10，即导航信号位为1，通信信号位为0；
29.e＝d,表示传输信号11，即导航信号位为1，通信信号位为1；
30.其中，e为接收到的特征能谱信号值。
31.本发明提出的基于多种特征信号实现导航与通信信息融合的方法，相比于传统的基于强度或有无的信号调制出“0”、“1”信号，在不提升通信设备功率的情况下实现两种信号融合通信，克服了现有的技术中通信效率较低、带宽较窄的问题，通过增加x射线特征能谱种类，可以实现更多信息的融合，极大拓宽了空间信道的带宽，提高了空间链路的使用效率，实现了导航与通信信息同时传输，避免了当前分时设计造成通信资源互相制约的问题；同时相比于其他通信方式未能充分利用x射线的性能，本发明充分利用x射线的空间传播特性，使得传输信号信噪比高，通信误码率低。本发明可以应用于深空远距离或黑障区通信实现测距与通信功能从信息到设备的一体化发展。
附图说明
32.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
33.图1是本发明实施例中x射线信号发射与接收处理基本流程示意图；
34.图2是本发明实施例中四种x射线特征能谱和四种融合信息的对应关系示意图；
35.图3是本发明实施例中融合测距帧与测距数据和通信数据的帧结构关系示意图；
36.图4是本发明实施例中按照信号分离公式从接收到的能谱融合信号中分离出测距信息与通信信息的示意图。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行详细阐述，通过实施例更好地描述本发明方案。
38.参照图1，本实施例提供一种基于多种特征信号实现导航与通信信息融合的方法，该方法包括以下步骤：
39.s1：采集待传输的信息；
40.具体地，本实施例是对星载信号的处理，将星上的导航信息和通信信息传输至导航设备和通信数据处理设备，其中导航信息是指用于实现测距功能的伪随机码二进制序列。伪随机码由预先约定并存储的移位寄存器生成。测距方式为双向伪码测距。测距帧参照gps伪码测距帧结构形式，可以设计为长短帧结合或t系列码等形式；
41.通信信息的形式包括音频、视频、图片、文字等二进制编码，内容包括探测载荷获取的探测数据、星间控制指令、星间前次测距结果信息等；
42.本实施例采集到的所要传输的导航信息(测距信息)的二进制编码为(0，0，1，1，0，1，1，0)；
43.通信信息的二进制编码为(0，1，1，0，1，1，0，0)。
44.s2：融合待传输的信息；
45.具体地，对待传输的信息进行融合为两种信号按位组合，测距信息与通信数据通过简单叠加，共有四种会出现的融合信息情况，分别为(00，01，10，11)；
46.参照图3，融合信号帧的结构是由测距数据帧与通信数据帧叠加后，生成的能够用于调制不同特征能谱信号产生的融合信号帧结构。融合帧中每1位数据都分别代表了测距数据与通信数据的1位二进制数，实现了测距数据帧与通信数据帧结构分别设计，融合通信，互不干扰的一体化功能；
47.对s1中所要传输的导航信息和通信信息进行按位组合，得到要传输的融合信息(00，01，11，10，01，11，10，00)。
48.s3：特征信号调制；
49.具体地，本实施例采用电子轰击四种不同靶材，产生四种不同特征能谱的x射线，所选靶材经过合理设计，确保所产生的四种x射线的特征能谱大小有明确区分范围，四种特征能谱依次增大且分布较为均匀，能谱甄别器可以清晰识别，用每种x射线的特征能谱信号代表两种信息，所要代表的两种信息为代表通信信息的二进制编码和导航所需的测距信息的二进制编码，参照图2，本实施例将产生的四种x射线的特征能谱按大小区分为(a、b、c、d)，分别对应四种融合信息(00，01，10，11)；
50.根据所需传输的导航通信融合信息，选择所要产生的特征能谱种类；
51.对s2中待传输的融合信息进行特征信号调制，得到x射线特征能谱信号(a，b，d，c，b，d，c，a)。
52.s4：发射x射线特征能谱信号；
53.具体地，使用x射线准直发射端口发射s3中的x射线特征能谱信号。
54.s5：接收x射线特征能谱信号；
55.具体地，使用x射线聚焦接收端口接收x射线特征能谱信号。
56.s6：甄别接收到的x射线特征能谱信号；
57.具体地，使用能谱特征信号甄别器对接收到的x射线特征能谱信号做区分，经过甄别，可知当前接收到的信号二进制编码为(00，01，11，10，01，11，10，00)。
58.s7：信号分离与提取；
59.具体地，基于如下公式对接收到的能谱信号进行分离：
60.e＝a,表示传输信号00，即导航信号位为0，通信信号位为0；
61.e＝b,表示传输信号01，即导航信号位为0，通信信号位为1；
62.e＝c,表示传输信号10，即导航信号位为1，通信信号位为0；
63.e＝d,表示传输信号11，即导航信号位为1，通信信号位为1；
64.其中，e为接收到的特征能谱信号值。按照公式，从接收到的能谱信号中分离出的导航信息与通信信息分别为(0，0，1，1，0，1，1，0)和(0，1，1，0，1，1，0，0)。
65.s8：将提取出的导航信息和通信信息分别发送至导航设备和通信数据处理设备。
66.需要说明的是，本发明通过增加x射线特征能谱信号种类，每种x射线特征能谱信号代表两种以上的数据，每种数据代表不同的传输内容，还可以实现更多信息的融合。
67.另外，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其中，该计算机可读存储介质可存储有程序，该程序执行时包括上述方法实施例中记载的任何基于多种特征信号实现导航与通信信息融合的方法的部分或全部步骤。
68.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。
69.所述集成的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器中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储器中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储器包括：u盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccess memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
70.本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储器中，存储器可以包括：闪存盘、只读存储器(英文：read-onlymemory，简称：rom)、随机存取器(英文：randomaccessmemory，简称：ram)、磁盘或光盘等。
71.以上所述的具体实施方式，对本技术的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本技术的具体实施方式而已，并不用于限定本技术的保护范围，凡在本技术的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本技术的保护范围之内。