基于译码辅助的VLBI数据处理方法、装置及计算机存储介质

技术领域

本发明实施例涉及空间大地测量技术领域，尤其涉及一种基于译码辅助的甚长基线干涉测量(VLBI，Very Long Baseline Interferometry)数据处理方法，装置及计算机存储介质。

背景技术

VLBI技术是20世纪60年代后期发展起来的一种重要的射电干涉测量技术。它采用无线电干涉法，将多个位于距离数百乃至数千公里长度基线两端的口径较小的独立射电望远镜，合成为巨大的综合孔径望远镜，合成后的最大等效直径为望远镜之间的最长基线长度。由于采用高稳定度的时钟源作为独立射电望远镜的本振系统，克服了基线长度的限制，达到了极高的空间与时间分辨率，因此广泛应用于深空探测器导航与测轨、天文学等领域。

目前，在VLBI技术的深空航天器测轨应用中，测量结果受信号质量影响较大，比如在深空弱信号、不良电磁环境等因素造成的低信噪比情况下，测量误差较大；此外，由于地面站之间数据传输所需的带宽较大，难以满足深空探测器导航与测轨领域的进一步应用。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例期望提供一种基于译码辅助的VLBI数据处理方法，装置及计算机存储介质；能够在接收信号信噪比较低的情况下获得更高的精度。

本发明实施例的技术方案是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了基于译码辅助的甚长基线干涉测量VLBI数据处理方法，所述方法包括：

每个地面站基于各自的先验信息对各自所接收到的原始数据进行条纹旋转补偿与时延补偿，获得每个地面站所对应的补偿后数据；

每个地面站均针对预设的数据帧模板进行编码与重调制，获得每个地面站各自对应的标准数据；

将各地面站所对应的补偿后数据与各自对应的标准数据进行相关运算，获得各地面站接收数据与标准数据之间的相对时延差与相对时延变化率估计值；

基于各地面的相对时延差与相对时延变化率估计值分别进行求和，获取所有地面站接收数据之间的时延差与时延变化率估计值；

针对所有地面站接收数据之间的时延差与时延变化率估计值进行条纹旋转与时延补偿，获得由所有地面站所形成的基线的总时延差与总时延变化率。

第二方面，本发明实施例提供了一种基于译码辅助的VLBI数据处理装置，所述装置包括：第一补偿部分、重调制部分、相关计算部分、获取部分以及第二补偿部分；其中，

所述第一补偿部分，经配置为使每个地面站基于各自的先验信息对各自所接收到的原始数据进行条纹旋转补偿与时延补偿，获得每个地面站所对应的补偿后数据；

所述重调制部分，经配置为使每个地面站均针对预设的数据帧模板进行编码与重调制，获得每个地面站各自对应的标准数据；

所述相关计算部分，经配置为将各地面站所对应的补偿后数据与各自对应的标准数据进行相关运算，获得各地面站接收数据与标准数据之间的相对时延差与相对时延变化率估计值；

所述获取部分，经配置为基于各地面的相对时延差与相对时延变化率估计值分别进行求和，获取所有地面站接收数据之间的时延差与时延变化率估计值；

所述第二补偿部分，经配置为针对所有地面站接收数据之间的时延差与时延变化率估计值进行条纹旋转与时延补偿，获得由所有地面站所形成的基线的总时延差与总时延变化率。

第三方面，本发明实施例提供了一种计算设备，所述计算设备包括：通信接口，存储器和处理器；其中，

所述通信接口，用于在与其他外部网元之间进行收发信息过程中，信号的接收和发送；

所述存储器，用于存储能够在所述处理器上运行的计算机程序；

所述处理器，用于在运行所述计算机程序时，执行第一方面所述基于译码辅助的VLBI数据处理方法的步骤。

第四方面，本发明实施例提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有基于译码辅助的VLBI数据处理程序，所述基于译码辅助的VLBI数据处理程序被至少一个处理器执行时实现第一方面所述基于译码辅助的VLBI数据处理方法步骤。

本发明实施例提供了一种基于译码辅助的VLBI数据处理方法，装置及计算机存储介质；采用高信噪比地面站所形成的数据帧模板生成标准数据进行相关计算，并且采用先验知识对数据进行了补偿，从而提高了相关处理过程中的信噪比，进而提升了测量结果的精度，使得在基线弱侧能有更低的信噪比要求，并达到更高的测轨测量精度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的利用VLBI技术探测航天器的架构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于译码辅助的VLBI数据处理方法流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于译码辅助的VLBI数据处理方法详细实施流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种基于译码辅助的VLBI数据处理装置组成示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种基于译码辅助的VLBI数据处理装置组成示意图；

图6为本发明实施例提供的一种计算设备的具体硬件结构示意图。

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。

利用VLBI技术探测航天器的原理架构如图1所示，以地面设置的分别标识为1号地面站和2号地面站的两个独立射电望远镜(也可称之为地面站、测站、测量站等)为例，两者之间的距离为B，以2号地面站为基准，两个地面站接收信号间的相对时延(简称时延)用τ

基于上述原理，在测量过程中，测量结果受信号质量影响较大，特别在深空弱信号、不良电磁环境等因素造成的低信噪比情况下，测量误差较大；此外，由于地面站数据传输所需的带宽较大，进一步难以满足深空探测器导航与测轨领域的进一步应用。因此，本发明实施例期望提供一种基于译码辅助的VLBI数据处理方案，通过利用译码辅助的手段以在接收信号信噪比较低的情况下获得更高的精度。

基于此，参见图2，其示出了本发明实施例提供的一种基于译码辅助的VLBI数据处理方法，该方法可以包括：

S201：每个地面站基于各自的先验信息对各自所接收到的原始数据进行条纹旋转补偿与时延补偿，获得每个地面站所对应的补偿后数据；

S202：每个地面站均针对预设的数据帧模板进行编码与重调制，获得每个地面站各自对应的标准数据；

S203：将各地面站所对应的补偿后数据与各自对应的标准数据进行相关运算，获得各地面站接收数据与标准数据之间的相对时延差与相对时延变化率估计值；

S204：基于各地面的相对时延差与相对时延变化率估计值分别进行求和，获取所有地面站接收数据之间的时延差与时延变化率估计值；

S205：针对所有地面站接收数据之间的时延差与时延变化率估计值进行条纹旋转与时延补偿，获得由所有地面站所形成的基线的总时延差与总时延变化率。

需要说明的是，对于深空航天器甚长基线干涉测量技术测轨方案中，被观测的目标航天器所返回的信号强弱以及参与进行观测的地面站系统的性能表现对观测结果具有直接影响。在常规的VLBI技术方案中，处于基线上的两个接收地面站所接收到的数据信噪比情况对相关处理结果精度影响很大，而且各地面站与被观测的目标航天器的几何关系，各地面站的接收系统性能都会影响测量精度。对于图2所示的技术方案中，采用高信噪比地面站所形成的数据帧模板生成标准数据进行相关计算，并且采用先验知识对数据进行了补偿，从而提高了相关处理过程中的信噪比，进而提升了测量结果的精度，使得在基线弱侧能有更低的信噪比要求，并达到更高的测轨测量精度。

对于图2所示的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述方法还包括：

将所有地面站中信噪比最高的地面站确定为标准地面站；

将所述标准地面站的原始数据依次进行解调处理和解码处理，获取低误码率的数据帧模板。

对于上述实现方式，具体来说，参与观测的所有地面站中，可以选取信噪比最高的地面站的原始数据进行解调以及解码处理，从而恢复形成低误码率的数据帧，该数据帧可以作为后续相关处理的模板。

对于上述实现方式，在一些示例中，所述将所述标准地面站的原始数据依次进行解调处理和解码处理，获取低误码率的数据帧模板，包括：

将所述标准地面站的原始数据进行高斯最小频移键控(GMSK，Gaussian FilteredMinimum Shift Keying)解调；

将解调后的数据进行Turbo码解码，获得低误码率的数据帧模板。

相应于以上解调和解码方式，每个地面站(包括标准地面站)可以在本地基于数据帧模板进行编码与重调制，以重建基带已调信号的标准数据。详细来说，所述每个地面站均针对预设的数据帧模板进行编码与重调制，获得每个地面站各自对应的标准数据，包括：

所述每个地面站对所述数据帧模板按照Turbo码进行编码，并对编码后的数据按照GMSK调制，获得每个地面站各自对应的标准数据。

对于上述实现方式及其示例，需要说明的是，常规方案中，在相关计算前需要直接传输原始采样数据，每个IQ信号采样点需传输大约32比特的数据，而本发明实施例的技术方案在解码后传输数据，所需传输带宽与数据率相同，然后在重调制后进行相关计算，从而可以大幅降低传输带宽需求，即便在不理想的网络条件下仍然能获得很高的数据实时性。

对于图2所示的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述每个地面站的先验信息，包括：被观测目标与地面站的几何关系、传播介质时延、以及系统链路时延。

基于上述实现方式，所述每个地面站基于各自的先验信息对各自所接收到的原始数据进行条纹旋转补偿与时延补偿，获得每个地面站所对应的补偿后数据，包括：

每个地面站基于被观测目标与地面站的几何关系、传播介质时延、以及系统链路时延对所述原始数据中由电离层、对流层、设备所在系统及所述几何关系产生的时延进行补偿；

每个地面站对所述原始数据中由地球自转、被观测目标移动速度所产生的多普勒偏移进行补偿。

对于上述实现方式及其示例，通过补偿提升了数据的信噪比，进一步的提高了测量精度。

基于上述技术方案，需要说明的是，对于标识为i和j的地面站，各自所接收到的由被观测的目标航天器所返回的接收信号分别入式1和式2所示：

r

r

其中，r

其中，SNR

基于上述信号模型，r

由于s

此时，相关信噪比如式8所示：

设定r

R

根据离散傅里叶变换的性质，可知：

基于式10，可以获知：

其中，Norm表示正态分布，此时的距离估计值τ

基于式12，考虑

由于，r

当相关信噪比较高时，SNR

根据数列与高斯分布随机变量的性质，可知式13右式的第二项满足：

由于r

基于以上之阐述，满足式19的τ

对于式19来说，由于τ

基于以上推导所形成的数学结论，以图1所示的架构为例，两个地面站分别标识为地面站1和地面站2，那么，设定地面站1为标准地面站，则地面站1可以根据前述技术方案之阐述获取数据帧模板；基于该数据帧模板，地面扎1以及地面站2根据数据帧模板所生成的标准数据的等效信噪比可以如式21所示：

其中，SNR

根据前述推到所得到的式20，地面站1的接收数据与标准数据之间的进行相关处理获得的相对时延差估计误差方差如式22所示：

地面站2的接收数据与标准数据之间的进行相关处理获得的相对时延差估计误差方差如式23所示：

基于式22和式23，两个地面站接收数据之间的相对时延差估计误差方差如式24所示：

对于式24，在航天器下行数据正确解码时，通常BER

相比于式20，式25减少了

基于图1所示的架构实施前述技术方案详细流程如图3所示，在实施过程中，设定地面站1为标准地面站，具体来说：

首先，对于地面站1，其接收到的原始数据一方面可以根据先验信息依次经过条纹旋转补偿与时延补偿，获得地面站1对应的补偿后的数据；另一方面，由于地面站1还作为标准地面站，其信噪比条件最高，所以，地面站1所接收到的原始数据还可以依次经过解调操作和解码操作获得数据帧模板，并将该数据帧模板通过调制后生成标准数据保存至地面站1本地以及传输至地面站2。

与此同时，对于地面站2，其接收到的原始数据也可以根据先验信息依次经过条纹旋转补偿与时延补偿，获得地面站2对应的补偿后的数据。

当地面站1和地面站2均获得所对应的补偿后的数据之后，可以分别与标准数据进行相关计算，从而获得地面站1以及地面站2各自所对应的接收数据与标准数据之间的相对时延差与相对时延变化率估计值。

接着，可以将地面站1和地面站2的相对时延差进行求和，从而获得地面站1与地面站2在接收数据之间的时延差；此外，还可以将地面站1和地面站2的相对时延变化率估计值进行求和，从而获得地面站1与地面站2在接收数据之间的时延变化率估计值。

最后，针对地面站1与地面站2接收数据之间的时延差与时延变化率估计值进行条纹旋转与时延补偿，最终获得由地面站1与地面站2所形成的基线的总时延差与总时延变化率。

需要说明的是，以上图3所示的详细流程，其阐述了前述图2所示的技术方案及其实现方式和示例的一个优选实施示例，可以理解地，本领域技术人员可以基于图2所示的技术方案及其实现方式和示例的揭露，对上述图3所示的详细流程进行其他替换及变更，本发明实施例对此不做赘述。

基于前述技术方案相同的发明构思，参见图4，其示出了本发明实施例提供的一种基于译码辅助的VLBI数据处理装置40，所述装置40包括：第一补偿部分401、重调制部分402、相关计算部分403、获取部分404以及第二补偿部分405；其中，

所述第一补偿部分401，经配置为使每个地面站基于各自的先验信息对各自所接收到的原始数据进行条纹旋转补偿与时延补偿，获得每个地面站所对应的补偿后数据；

所述重调制部分402，经配置为使每个地面站均针对预设的数据帧模板进行编码与重调制，获得每个地面站各自对应的标准数据；

所述相关计算部分403，经配置为将各地面站所对应的补偿后数据与各自对应的标准数据进行相关运算，获得各地面站接收数据与标准数据之间的相对时延差与相对时延变化率估计值；

所述获取部分404，经配置为基于各地面的相对时延差与相对时延变化率估计值分别进行求和，获取所有地面站接收数据之间的时延差与时延变化率估计值；

所述第二补偿部分405，经配置为针对所有地面站接收数据之间的时延差与时延变化率估计值进行条纹旋转与时延补偿，获得由所有地面站所形成的基线的总时延差与总时延变化率。

在上述方案中，参见图5，所述装置40还包括模板生成部分406，经配置为：将所有地面站中信噪比最高的地面站确定为标准地面站；以及，将所述标准地面站的原始数据依次进行解调处理和解码处理，获取低误码率的数据帧模板。

在上述方案中，所述模板生成部分406，经配置为：

将所述标准地面站的原始数据进行高斯最小频移键控GMSK解调；

将解调后的数据进行Turbo码解码，获得低误码率的数据帧模板。

在上述方案中，所述重调制部分402，经配置为：

所述每个地面站对所述数据帧模板按照Turbo码进行编码，并对编码后的数据按照GMSK调制，获得每个地面站各自对应的标准数据。

在上述方案中，所述每个地面站的先验信息，包括：被观测目标与地面站的几何关系、传播介质时延、以及系统链路时延。

在上述方案中，所述第一补偿部分401，经配置为：

每个地面站基于被观测目标与地面站的几何关系、传播介质时延、以及系统链路时延对所述原始数据中由电离层、对流层、设备所在系统及所述几何关系产生的时延进行补偿；

每个地面站对所述原始数据中由地球自转、被观测目标移动速度所产生的多普勒偏移进行补偿。

可以理解地，在本实施例中，“部分”可以是部分电路、部分处理器、部分程序或软件等等，当然也可以是单元，还可以是模块也可以是非模块化的。

另外，在本实施例中的各组成部分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模块的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并非作为独立的产品进行销售或使用时，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，本实施例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介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或processor(处理器)执行本实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

因此，本实施例提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有基于译码辅助的VLBI数据处理程序，所述基于译码辅助的VLBI数据处理程序被至少一个处理器执行时实现上述技术方案中所述基于译码辅助的VLBI数据处理方法步骤。

根据上述基于译码辅助的VLBI数据处理装置40以及计算机存储介质，参见图6，其示出了本发明实施例提供的一种能够实施上述基于译码辅助的VLBI数据处理装置40的计算设备60的具体硬件结构，该计算设备60可以为无线装置、移动或蜂窝电话(包含所谓的智能电话)、个人数字助理(PDA)、视频游戏控制台(包含视频显示器、移动视频游戏装置、移动视频会议单元)、膝上型计算机、桌上型计算机、电视机顶盒、平板计算装置、电子书阅读器、固定或移动媒体播放器，等。计算设备60包括：通信接口601，存储器602和处理器603；各个组件通过总线系统604耦合在一起。可理解，总线系统604用于实现这些组件之间的连接通信。总线系统604除包括数据总线之外，还包括电源总线、控制总线和状态信号总线。但是为了清楚说明起见，在图6中将各种总线都标为总线系统604。其中，

所述通信接口601，用于在与其他外部网元之间进行收发信息过程中，信号的接收和发送；

所述存储器602，用于存储能够在所述处理器603上运行的计算机程序；

所述处理器603，用于在运行所述计算机程序时，执行以下步骤：

每个地面站基于各自的先验信息对各自所接收到的原始数据进行条纹旋转补偿与时延补偿，获得每个地面站所对应的补偿后数据；

每个地面站均针对预设的数据帧模板进行编码与重调制，获得每个地面站各自对应的标准数据；

将各地面站所对应的补偿后数据与各自对应的标准数据进行相关运算，获得各地面站接收数据与标准数据之间的相对时延差与相对时延变化率估计值；

基于各地面的相对时延差与相对时延变化率估计值分别进行求和，获取所有地面站接收数据之间的时延差与时延变化率估计值；

针对所有地面站接收数据之间的时延差与时延变化率估计值进行条纹旋转与时延补偿，获得由所有地面站所形成的基线的总时延差与总时延变化率。

可以理解，本发明实施例中的存储器602可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、可编程只读存储器(Programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable PROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically EPROM，EEPROM)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(Static RAM，SRAM)、动态随机存取存储器(Dynamic RAM，DRAM)、同步动态随机存取存储器(Synchronous DRAM，SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(Double Data RateSDRAM，DDRSDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(Enhanced SDRAM，ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(Synchlink DRAM，SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(DirectRambus RAM，DRRAM)。本文描述的系统和方法的存储器602旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。

而处理器603可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器603中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器603可以是通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(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。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器602，处理器603读取存储器602中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

可以理解的是，本文描述的这些实施例可以用硬件、软件、固件、中间件、微码或其组合来实现。对于硬件实现，处理单元可以实现在一个或多个专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuits，ASIC)、数字信号处理器(Digital SignalProcessing，DSP)、数字信号处理设备(DSP Device，DSPD)、可编程逻辑设备(Programmable LogicDevice，PLD)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)、通用处理器、控制器、微控制器、微处理器、用于执行本申请所述功能的其它电子单元或其组合中。

对于软件实现，可通过执行本文所述功能的模块(例如过程、函数等)来实现本文所述的技术。软件代码可存储在存储器中并通过处理器执行。存储器可以在处理器中或在处理器外部实现。

具体来说，处理器603还配置为运行所述计算机程序时，执行前述技术方案中所述基于译码辅助的VLBI数据处理方法步骤，这里不再进行赘述。

可以理解地，上述基于译码辅助的VLBI数据处理装置40以及计算设备60的示例性技术方案，与前述基于译码辅助的VLBI数据处理方法的技术方案属于同一构思，因此，上述对于基于译码辅助的VLBI数据处理装置40以及计算设备60的技术方案未详细描述的细节内容，均可以参见前述基于译码辅助的VLBI数据处理方法的技术方案的描述。本发明实施例对此不做赘述。

需要说明的是：本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。