本发明公开基于延迟多普勒域turbo均衡的导航数据处理方法，属于水声导航数据处理方法领域。
背景技术：
1、随着对海洋资源的需求越来越强，人们对海洋的探索也越来越深入。在海洋探索的过程中，水下导航是一项必不可少的技术。水声导航作为开展中、远程水下导航的唯一技术手段，受到了人们的广泛关注。相比于陆上的射频导航信道，水声信道具有时延扩展长、时变显著、多普勒效应严重以及可用带宽受限等特征，这些特征对实现可靠水声（uwa）导航造成了很大的挑战。为了减轻符号间干扰和多普勒效应，在单载波uwa导航中研究了许多均衡技术，主要分为时域均衡（sc-tde）和频域均衡（sc-fde）。
2、近年来，单载波频域均衡在uwa导航中受到广泛关注，它可以在长时延和慢时变信道中提供更低的复杂度和更好的鲁棒性，并避免高峰均功率比（papr）和对频偏敏感等问题。与正交频分复用（ofdm）类似，频域均衡也在发射机处周期性地插入循环前缀（cp）。线性卷积被转换为循环卷积，并使用快速傅里叶变换（fft）来降低复杂度。频域均衡在时不变或慢时变信道环境中取得了令人满意的性能，但是对于快时变uwa信道，信道的准静态假设不再成立，导致频域均衡性能下降。
3、近年来，turbo均衡（teq）因其在接近香农信道容量时的出色纠错能力而成为uwa导航中一种更具潜力的均衡技术。通过在软解码器和均衡器之间迭代交换软信息，与在一次迭代中做出硬判决的传统均衡器相比，检测可靠性显著提高。根据是否需要显式信道估计，teq目前被分为基于信道估计的方法（ce-teq）和基于直接自适应算法的方法（da-teq）。尽管da-teq自适应地更新滤波器系数而无需信道估计，但它需要更长的训练序列来确保滤波器收敛到稳态。ce-teq根据估计的信道计算滤波器系数，尽管其计算开销较高，但具有更好的鲁棒性和性能。
4、为了改善高动态场景下的传输性能，近年来提出了正交时频空间（otfs）调制。受otfs的启发，本发明提出了基于延迟多普勒域turbo均衡的导航数据处理方法，运用最小均方误差mmse均衡（dd-mmse-teq），改善单载波uwa导航系统在复杂双选择性信道中的性能。该方法采用dd域变换，将快速时变信道变换为dd域的准静态信道。通过在dd域进行符号均衡可以获得二维分集增益以改善uwa导航的传输性能。此外，通过酉变换，dd域均衡器和时域解码器实现软信息的跨域交换，从而降低了错误传播的可能性并增强了迭代均衡的性能。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供基于延迟多普勒域turbo均衡的导航数据处理方法，将延迟-多普勒域检测和turbo均衡技术结合应用于单载波水声导航信号中，并提出了适用于快时变水声信道的dd域turbo均衡器，可以有效的处理水声信道的快时变特点。
2、基于延迟多普勒域turbo均衡的导航数据处理方法，包括：
3、s1.发射端发射信号处理与发射，发射信号处理包括信号编码、交织和调制；
4、s2.接收端接收信号预处理，包括同步、粗多普勒估计与补偿、下变频和抽样处理；
5、s3.时域稀疏信道估计，利用ipnlms算法对经过预处理后的接收信号进行时域稀疏信道估计；
6、s4.信道域转换，构造时域信道矩阵，运用酉变换将时域稀疏信道估计后的时域快速时变信道变换为dd域准静态信道，dd域为时延多普勒域；
7、s5.根据dd域信道模型对时域接收信号进行dd域变换得到dd域接收信号，dd域变换由维格纳wigner变换和辛有限傅里叶变换sfft组成；
8、s6.对dd域接收信号进行最小均方误差mmse均衡，得到dd域检测信号；
9、s7.dd域检测信号经过反dd域变换得到时域检测信号；
10、s8.先验信息计算，时域检测信号为均衡器的最终输出，经过解映射、解交织后送入软判决译码器进行软计算，得到时域先验信息，包括时域先验均值和方差；
11、s9.时域先验信息经过交织、映射后再经酉变换得到dd域先验信息，dd域先验信息结合dd域接收信号，dd域等效信道矩阵，噪声方差作为turbo均衡器下一次迭代的输入信息，实现水声导航信号的turbo均衡迭代。
12、s1包括：
13、s1.1.利用卷积编码器对信息比特流进行编码，得到编码比特；
14、s1.2.利用随机交织器编码比特经过进行交织，得到交织比特；
15、s1.3.对交织比特进行正交幅度调制qam调制，映射为 m×n个qam符号，将其转换成 m×n的矩阵作为发射端发射信号；
16、s1.4.发射端发射信号经过单载波调制后，添加同步头、保护间隔，利用水声导航信号发射机发射。
17、s3中，采用低计算复杂度的ipnlms算法进行时域稀疏信道估计，信道更新为：
18、；
19、式（1）中，()t表示向量转置，k为时间索引，μ为全局步长，为一个大于零的常数，是正则化参数，为发射端发射的导频符号；式（2）中，为接收端接收收到的导频信号；式（3）中，g(k-1)为一个对角阵，用于为每个滤波器系数添加一个独立的比例因子，为比例更新因子；式（4）中，，和均为稀疏控制因子，|| ||1表示向量的1范数，是信道长度。
20、s4运用稀疏快速傅里叶变换进行信道域转换，通过构造酉变换时域信道矩阵将时域稀疏信道估计后的时域快速时变信道变换为dd域准静态信道；
21、s4.1时域信道与dd域信道之间的关系为:
22、；
23、式（6）为式（5）的离散形式，和分别为信道的路径时延和多普勒频偏，j表示虚数，表示第条p路径时的信道系数，和分别表示第p条路径时延和多普勒移位，(.)表示迪利克雷函数；
24、s4.2时域信道矩阵与dd域信道矩阵之间的关系为:
25、；
26、式（7）中，表示克罗内克积，代表n维傅里叶变换矩阵，代表m维的单位阵，表示共轭转置；式（8）为构造的时域等效信道矩阵，表示的第p列，建模第p条路径的时延，建模第p条路径的多普勒影响；式（9）中，为循环移位矩阵，反应时延的影响，m为最大时延，n为最大多普勒移位；式（10）中，为mn×mn的对角阵，反应多普勒的影响。
27、s5中，根据dd域信道模型，时域接收信号表示为：
28、；
29、式(12)为式(11)的离散形式，是均值为0方差为的加性高斯白噪声，m和n分别表示时延和多普勒索引，经过符号间隔后得到离散噪声，为第时刻的离散发射信号，由连续时间发射信号经过符号间隔采样后得到；
30、时域接收信号随后被逐列排列为矩阵，对应用dd域变换以得到dd域接收信号：
31、；
32、式中，为接收窗函数，为时频域接收信号，为m维傅里叶变换矩阵，为m维单位阵。
33、s6中，根据mmse准则，利用dd域信道近似与时间无关的特点，获得最佳滤波器系数，实现从失真信号中恢复源发射信号，将恢复的源发射信号作为dd域检测信号，表示为：
34、；
35、式中，表示期望，表示协方差矩阵，表示发射信号在dd域的先验均值，为dd域接收信号的向量形式；
36、接收信号和噪声的协方差矩阵表示为：
37、；
38、式中，为时域发射信号，为信号估计方差，为dd域接收信号的向量形式，为dd域等效信道矩阵，为噪声功率，表示单位阵，和分别为dd域和时域等效噪声，表示k时刻虚拟dd域发射信号，表示的第k列的共轭转置。
39、s6中，将式(16)带入式(15)中，得到dd域检测信号的表达式为：
40、；
41、式中，表示接收信号协方差矩阵的逆，利用woodbury矩阵恒等式避免重复的矩阵求逆，式(17)重写为：
42、；
43、式中，为先验均值，为先验方差，，在初始迭代过程中，先验均值的初始值为0，先验方差的初始值为1，在后续迭代过程中二者由软解码器更新。
44、s7中，对dd域检测信号进行dd域反变换，得到时域检测信号，表示为：
45、；
46、式中，，是发射窗函数,是发射信号的时频域表示。
47、s8中，得到的时域先验均值和方差为：
48、；
49、式中，为先验llr，为调制阶数，qam符号集合表示为，为qam符号。
50、s9中，通过酉变换实现dd域均衡器和时域解码器之间的跨域软信息交互，表示为：
51、；
52、式中，为时域先验均值，为时域先验方差。
53、相对比现有技术，本发明具有以下有益效果：
54、本发明的导航方法针对快时变水声信道，提出基于延迟多普勒域turbo均衡的导航数据处理方法针对水声信道的快速时变和长延迟扩展特点处理水声导航数据。通过dd域变换，时域快速时变信道转换为dd域近似与时间无关的信道，在dd域执行符号均衡以获得二维分集增益以改善单载波uwa导航的传输性能。此外，通过酉变换，dd域均衡器和时域解码器实现软信息的跨域交换，从而降低了错误传播的可能性并增强了迭代均衡的性能。
1.基于延迟多普勒域turbo均衡的导航数据处理方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的基于延迟多普勒域turbo均衡的导航数据处理方法，其特征在于，s1包括：
3.如权利要求2所述的基于延迟多普勒域turbo均衡的导航数据处理方法，其特征在于，s3中，采用低计算复杂度的ipnlms算法进行时域稀疏信道估计，信道更新为：
4.如权利要求3所述的基于延迟多普勒域turbo均衡的导航数据处理方法，其特征在于，s4运用稀疏快速傅里叶变换进行信道域转换，通过构造酉变换时域信道矩阵将时域稀疏信道估计后的时域快速时变信道变换为dd域准静态信道；
5.如权利要求4所述的基于延迟多普勒域turbo均衡的导航数据处理方法，其特征在于，s5中，根据dd域信道模型，时域接收信号表示为：
6.如权利要求5所述的基于延迟多普勒域turbo均衡的导航数据处理方法，其特征在于，s6中，根据mmse准则，利用dd域信道近似与时间无关的特点，获得最佳滤波器系数，实现从失真信号中恢复源发射信号，将恢复的源发射信号作为dd域检测信号，表示为：
7.如权利要求6所述的基于延迟多普勒域turbo均衡的导航数据处理方法，其特征在于，s6中，将式(16)带入式(15)中，得到dd域检测信号的表达式为：
8.如权利要求7所述的基于延迟多普勒域turbo均衡的导航数据处理方法，其特征在于，s7中，对dd域检测信号进行dd域反变换，得到时域检测信号，表示为：
9.如权利要求8所述的基于延迟多普勒域turbo均衡的导航数据处理方法，其特征在于，s8中，得到的时域先验均值和方差为：
10.如权利要求9所述的基于延迟多普勒域turbo均衡的导航数据处理方法，其特征在于，s9中，通过酉变换实现dd域均衡器和时域解码器之间的跨域软信息交互，表示为：
