一種適應(yīng)于寬帶無線定位系統(tǒng)中的精確信號傳播時(shí)延估計(jì)方法及實(shí)現(xiàn)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種適應(yīng)于寬帶無線定位系統(tǒng)中的精確信號傳播時(shí)延估計(jì)方法及實(shí) 現(xiàn)裝置，屬于通信技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)中，時(shí)延估計(jì)是極其重要的環(huán)節(jié)，因?yàn)樗苯訝砍兜綔y距 定位的精確度。傳統(tǒng)方法中常采用時(shí)鐘同步的方法來減小時(shí)延誤差，但是在采用具體電路 實(shí)現(xiàn)該環(huán)節(jié)時(shí)，若使用實(shí)時(shí)原子鐘，雖然能保證較高的時(shí)間精準(zhǔn)度，但是成本過高，不利于 廣泛應(yīng)用；根據(jù)目前的硬件水平，可以使用時(shí)鐘頻率在幾十兆至幾百兆，穩(wěn)準(zhǔn)度在0.lpprn 至lppm之間的石英晶振和計(jì)數(shù)器來進(jìn)行時(shí)間同步，但是每次加電或復(fù)位后時(shí)鐘計(jì)數(shù)器會(huì) 從零開始計(jì)數(shù)，時(shí)鐘同步的校正實(shí)現(xiàn)起來也非常麻煩。鑒于時(shí)鐘同步這個(gè)方法中存在的種 種弊端，如果可以找到一種高精度的時(shí)間估計(jì)算法來減弱整個(gè)系統(tǒng)對時(shí)鐘同步方面的依 賴，對于這個(gè)問題的解決將會(huì)大有裨益。結(jié)合已有的時(shí)間延遲估計(jì)理論和上述分析我們可 以得到下述結(jié)論：時(shí)延估計(jì)算法的時(shí)間分辨率決定了測距定位的精度，而時(shí)延估計(jì)方法的 優(yōu)劣則決定了整個(gè)測距定位系統(tǒng)的好壞。從這個(gè)角度考慮，解決這一問題，我們可以從時(shí)延 估計(jì)方法這個(gè)方向著手。目前應(yīng)用較為廣泛的時(shí)延估計(jì)方法有下面兩種，但都有其局限性。 基于匹配濾波的相干傳播時(shí)間延遲估計(jì)，需要非常精準(zhǔn)的本地參考模板并且要借助采樣速 率極高的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，估計(jì)速度較慢，但是精度較高；基于能量檢測的非相干傳播時(shí)間延 遲估計(jì)，不需要本地模板信號和極高的信號采樣速率，雖然估計(jì)速度相對較快，但是精度較 低。無論依靠上述哪種傳播時(shí)間延遲估計(jì)方法，都需要借助時(shí)鐘速率極高的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 來完成采樣工作，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的時(shí)鐘速率直接決定了導(dǎo)航定位的測距精度。依照目前的 硬件水平，即使得到了高速的采樣數(shù)據(jù)，常規(guī)數(shù)字信號處理芯片在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)上也是無 能為力，當(dāng)然，定位跟蹤系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的功能也就更難以得到保障了。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種適應(yīng)于寬帶無線定位系統(tǒng)中的精確信號傳 播時(shí)延估計(jì)方法。該方法涉及寬帶無線定位系統(tǒng)中的精確信號傳播時(shí)間延遲估計(jì)問題，是 一種利用本地偽隨機(jī)序列滑動(dòng)相關(guān)匹配和樣點(diǎn)梳狀濾波器比對的方式來進(jìn)行高精度傳播 時(shí)間延遲估計(jì)的方法。使用本方法可以在保證測距定位精確度的同時(shí)降低無線電測距計(jì)算 復(fù)雜度和硬件成本，可以廣泛應(yīng)用于無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)中。
[0004] 本發(fā)明還提供一種實(shí)現(xiàn)上述方法的實(shí)現(xiàn)裝置。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] -種適應(yīng)于寬帶無線定位系統(tǒng)中的精確信號傳播時(shí)延估計(jì)方法，包括步驟如下：
[0007] 在發(fā)射端包括：
[0008] 1)利用信號生成裝置生成原始信號序列，然后利用擴(kuò)頻裝置對原始信號序列進(jìn)行 本地?cái)U(kuò)頻調(diào)制，得到擴(kuò)頻信號序列；
[0009] 2)利用波形濾波器進(jìn)行碼片成形，得到擴(kuò)頻信號，即擴(kuò)頻后的波形信號；該操作 可以降低抽樣時(shí)序列中零值出現(xiàn)的概率，然后將信號經(jīng)過調(diào)制器調(diào)制后通過天線發(fā)射出 去；
[0010] 在定位接收端包括：
[0011] 3)接收端本地信號生成模塊生成與發(fā)射端擴(kuò)頻信號序列相同的碼序列，并將該碼 序列擴(kuò)展成為和接收信號序列長度相同的碼序列，即擴(kuò)頻碼序列；
[0012] 4)接收信號先通過低噪放大器模塊和解調(diào)模塊后解調(diào)為基帶信號，然后利用抽樣 模塊對擴(kuò)頻碼序列和解調(diào)后的基帶信號進(jìn)行相同時(shí)間間隔的抽樣，進(jìn)入到計(jì)算模塊中對兩 個(gè)抽樣后的序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算和峰值比較，得到信號的大步進(jìn)時(shí)間延遲估計(jì)的結(jié)果；
[0013] 5)在所述大步進(jìn)時(shí)間延遲估計(jì)的基礎(chǔ)上，在最強(qiáng)能量塊附近的前后若干樣點(diǎn)間， 利用梳狀濾波器組估計(jì)出單個(gè)碼片內(nèi)的精準(zhǔn)傳播時(shí)間延遲估計(jì)的結(jié)果；所述的最強(qiáng)能量塊 為步驟4)中所述峰值所對應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)；
[0014] 6)將大步進(jìn)時(shí)間延遲估計(jì)的結(jié)果和精準(zhǔn)傳播時(shí)間延遲估計(jì)的結(jié)果相加，即得到無 線電定位系統(tǒng)的傳播時(shí)間延遲估計(jì)。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述擴(kuò)頻信號為利用偽隨機(jī)序列調(diào)制后的擴(kuò)頻信號，各碼片 采用三角波波形成形；所述定位接收端的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘速率為整數(shù)倍碼片速率，定位 接收端采用與發(fā)射端完全相同的偽隨機(jī)序列進(jìn)行相關(guān)匹配運(yùn)算、并尋找最大相關(guān)峰的具體 位置，從而完成大步進(jìn)信號傳播時(shí)間延遲估計(jì)。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述定位接收端的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘速率為4-12倍碼片速 率。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述定位接收端的接收信號r(t)表示為：
[0018]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種適應(yīng)于寬帶無線定位系統(tǒng)中的精確信號傳播時(shí)延估計(jì)方法，其特征在于，該方 法包括步驟如下： 在發(fā)射端包括： 1) 利用信號生成裝置生成原始信號序列，然后利用擴(kuò)頻裝置對原始信號序列進(jìn)行本地 擴(kuò)頻調(diào)制，得到擴(kuò)頻信號序列； 2) 利用波形濾波器進(jìn)行碼片成形，得到擴(kuò)頻信號，即擴(kuò)頻后的波形信號；在定位接收 端包括： 3) 接收端本地信號生成模塊生成與發(fā)射端擴(kuò)頻信號序列相同的碼序列，并將該碼序列 擴(kuò)展成為和接收信號序列長度相同的碼序列，即擴(kuò)頻碼序列； 4) 接收信號先通過低噪放大器模塊和解調(diào)模塊后解調(diào)為基帶信號，然后利用抽樣模塊 對擴(kuò)頻碼序列和解調(diào)后的基帶信號進(jìn)行相同時(shí)間間隔的抽樣，進(jìn)入到計(jì)算模塊中對兩個(gè)抽 樣后的序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算和峰值比較，得到信號的大步進(jìn)時(shí)間延遲估計(jì)的結(jié)果； 5) 在所述大步進(jìn)時(shí)間延遲估計(jì)的基礎(chǔ)上，在最強(qiáng)能量塊附近的前后若干樣點(diǎn)間，利用 梳狀濾波器組估計(jì)出單個(gè)碼片內(nèi)的精準(zhǔn)傳播時(shí)間延遲估計(jì)的結(jié)果；所述的最強(qiáng)能量塊為步 驟4)中所述峰值所對應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)； 6) 將大步進(jìn)時(shí)間延遲估計(jì)的結(jié)果和精準(zhǔn)傳播時(shí)間延遲估計(jì)的結(jié)果相加，即得到無線電 定位系統(tǒng)的傳播時(shí)間延遲估計(jì)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適應(yīng)于寬帶無線定位系統(tǒng)中的精確信號傳播時(shí)延估計(jì) 方法，其特征在于，所述擴(kuò)頻信號為利用偽隨機(jī)序列調(diào)制后的擴(kuò)頻信號，各碼片采用三角波 波形成形；所述定位接收端的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘速率為整數(shù)倍碼片速率，定位接收端采用 與發(fā)射端完全相同的偽隨機(jī)序列進(jìn)行相關(guān)匹配運(yùn)算、并尋找最大相關(guān)峰的具體位置，從而 完成大步進(jìn)信號傳播時(shí)間延遲估計(jì)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種適應(yīng)于寬帶無線定位系統(tǒng)中的精確信號傳播時(shí)延估計(jì) 方法，其特征在于，所述定位接收端的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘速率為4-12倍碼片速率； 所述定位接收端的接收信號r(t)表示為：
在公式（I)中a為單個(gè)波形能量，h表示信息碼元，用于傳輸信息，同時(shí)平滑信號的功 率譜密度，i表示幀序號，Tfranre為幀周期，j表示碼片序號，T表示碼片周期，一幀內(nèi)的碼 片數(shù)為N = TframZTc^, f。為調(diào)制載波中心頻率，n(t)為加性高斯白噪聲，dm(t)表示單個(gè)發(fā) 送波形經(jīng)無線信道傳輸后到達(dá)定位接收端的波形，表示為
在公式（II)，ω (t)為歸一化能量發(fā)送脈沖波形，此處為三角波脈沖，持續(xù)時(shí)間為TMde， 數(shù)據(jù)點(diǎn)間隔時(shí)間為Itei，每個(gè)波形產(chǎn)生K個(gè)樣點(diǎn)；L為多徑分量總數(shù)，|^與τ 1分別表示第 1個(gè)多徑分量的增益及到達(dá)時(shí)間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適應(yīng)于寬帶無線定位系統(tǒng)中的精確信號傳播時(shí)延估計(jì) 方法，其特征在于，所述定位接收端的基帶信號r b_band(t)為 nr, ΛΓ-1 所述偽隨機(jī)序列模板信號記為
在公式（IV)中，bk為第k個(gè)碼片值，bke {+1，-1}，偽隨機(jī)序列長度與一幀內(nèi)的碼片數(shù) 相同，均為N。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種適應(yīng)于寬帶無線定位系統(tǒng)中的精確信號傳播時(shí)延估計(jì) 方法，其特征在于，利用步驟3)、步驟4)的方法將本地?cái)U(kuò)頻序列進(jìn)行擴(kuò)展，使得擴(kuò)展后的新 序列和基帶信號r b_band(t)的長度相同，具體操作方法是將每一個(gè)擴(kuò)頻碼的長度擴(kuò)展到對 應(yīng)的碼片周期內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，得到本地參考信號temp n(t)為：
在公式（V)中，此處從第k個(gè)采樣點(diǎn)位置開始對一個(gè)碼片周期長度內(nèi)的數(shù)據(jù)以1；為間 隔周期進(jìn)行采樣，同時(shí)也對進(jìn)行擴(kuò)展后的擴(kuò)頻碼序列按照Ts為間隔周期進(jìn)行采樣，然后將 兩個(gè)采樣結(jié)果做相關(guān)匹配運(yùn)算：
在公式（VI)中，從上述相關(guān)值數(shù)據(jù)中尋找最大相關(guān)峰，最大相關(guān)峰對應(yīng)的位置即大步 進(jìn)時(shí)延同步點(diǎn)的位置：
用一幀內(nèi)的樣點(diǎn)數(shù)與所述最大相關(guān)峰相減，并與采樣間隔Ts相乘便得到大步進(jìn)傳播時(shí) 延估計(jì)值：
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種適應(yīng)于寬帶無線定位系統(tǒng)中的精確信號傳播時(shí)延估 計(jì)方法，其特征在于，所述步驟5)中，以R1(I^t)中最大相關(guān)峰所在位置為中心，對所得 到的相關(guān)值數(shù)據(jù)排成的序列向左、向右分別各取Q個(gè)點(diǎn)，得到一個(gè)相關(guān)值序列R 1(Ii), η =-Q，L，-1，0, 1，L，Q，這里R1 (O)表示相關(guān)峰所在位置，即大步進(jìn)時(shí)延峰值點(diǎn)處的相關(guān)值，其 它相關(guān)值R1 (η)則表示延遲了 η個(gè)采樣點(diǎn)的相關(guān)值，R1 (η)表示為
將上述的 2Q+1 個(gè) R1 (η)記做矢量 R，R = [R (-Q)，LR (O)，LR (Q)]。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種適應(yīng)于寬帶無線定位系統(tǒng)中的精確信號傳播時(shí)延估計(jì) 方法，其特征在于，步驟5)中，以步驟4)中得到的大步進(jìn)時(shí)延同步點(diǎn)的中心位置為起始點(diǎn)， 對一個(gè)碼片周期內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)以T s為間隔進(jìn)行周期采樣，得到一個(gè)樣本點(diǎn)序列；將采樣起始 點(diǎn)平移Itei，再對一個(gè)碼片周期內(nèi)的數(shù)據(jù)以T s為間隔周期進(jìn)行采樣，得到另一個(gè)序列；逐個(gè) 樣點(diǎn)平移并重復(fù)上述過程，直到平移了 1；時(shí)刻停止，即得到T/1^組樣本點(diǎn)序列； 以上述平移樣點(diǎn)序列作為梳狀濾波器組的系數(shù)，記為Γ，將第二步中所得的R利用所 述梳狀濾波器Γ進(jìn)行濾波比對；此時(shí)，經(jīng)梳狀濾波器輸出為一個(gè)新的相關(guān)值序列
從上述Ts/Ttai組相關(guān)值數(shù)據(jù)中尋找最大相關(guān)峰的位置
其與時(shí)移間隔Itei相乘便可得到精準(zhǔn)的無線電信號傳播時(shí)延估計(jì)值：
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種適應(yīng)于寬帶無線定位系統(tǒng)中的精確信號傳播時(shí)延估計(jì) 方法，其特征在于，所述步驟6)中，將大步進(jìn)傳播時(shí)間延遲估計(jì)和精準(zhǔn)時(shí)間延遲估計(jì)相加 即得到整個(gè)測距定位系統(tǒng)的信號傳播時(shí)延估計(jì)值：
9. 一種實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1-8任意一項(xiàng)所述估計(jì)方法的裝置，其特征在于，該裝置包括 發(fā)射端和定位接收端，發(fā)射端包括信號生成裝置、擴(kuò)頻裝置、波形濾波器、調(diào)制器和天線；定 位接收端包括低噪放大器模塊、解調(diào)模塊、抽樣模塊、接收端本地信號生成模塊、計(jì)算模塊 和梳狀濾波器；所述抽樣模塊包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種適應(yīng)于寬帶無線定位系統(tǒng)中的精確信號傳播時(shí)延估計(jì)方法。該方法涉及寬帶無線定位系統(tǒng)中的精確信號傳播時(shí)間延遲估計(jì)問題，是一種利用本地偽隨機(jī)序列滑動(dòng)相關(guān)匹配和樣點(diǎn)梳狀濾波器比對的方式來進(jìn)行高精度傳播時(shí)間延遲估計(jì)的方法。使用本方法可以在保證測距定位精確度的同時(shí)降低無線電測距計(jì)算復(fù)雜度和硬件成本，可以廣泛應(yīng)用于無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)中。
【IPC分類】H04W64-00, H04W24-06
【公開號】CN104735713
【申請?zhí)枴緾N201510127597
【發(fā)明人】熊海良, 高麗梅, 元輝, 朱維紅, 馬丕明
【申請人】山東大學(xué)
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年3月23日