CN103475429A - 用于估计和消除电磁信号尤其是ssr响应的多径延迟的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及估计和修正多径延迟的方法，该方法通过对接收到的每个脉冲的自相关函数与理想脉冲的自相关函数的失真进行分析；以获得相对于理想修正函数的失真为基础，逆推脉冲参数的变化并且估计多径效应，将考虑多径效应以补偿对电磁信号的到达时间（TOA）的估计。

Description

用于估计和消除电磁信号尤其是SSR响应的多径延迟的方法

技术领域

本发明涉及用于估计和消除电磁信号（例如SSR响应）的多径延迟的方法。

更具体地，本发明涉及通过分析所接收的每个单脉冲的自相关函数与理想脉冲的自相关函数的失真来估计和校正多径延迟的方法；根据所获得的相对于理想相关函数的失真，可以得到脉冲参数的变化和估计用于在估计电磁信号的到达时间（TOA）时进行补偿所将考虑的多径影响。

背景技术

对于术语“多径”，它是指正被接收的电磁波和通过周围环境产生的该电磁波的经历不同衰减的反射（参见图1）的叠加现象。由于多径，除了由源TX沿瞄准线（LOS）发送的直达信号到达接收器RX之外，经过不同路径且随后在周围对象上反射后的信号也到达接收器RX，该信号相对于直达信号具有时间延迟。在许多RF***，例如GPS接收器、GSM接收器等中存在多径问题。

估计和消除空中监视***的SSR响应上的多径延迟是非常重要的。已使用的空中定位***在接近区域（在空中）和机场（地面上）的局部、在“进入航线”和空中TMA（交通管理顾问）的大区域中是多点定位，即便该技术可以用于其他的非航空领域。

多点定位是基于SSR响应的到达时间（TOA）的测量的目标定位***，该SSR响应由相同的目标发送。作为“目标”，其应当理解为具有航空电子应答器的任何飞行器，该航空电子应答器适于发送模式A/C/S的SSR响应。多点定位***利用目标发送的和分布在预先精确得知的不同位置的不同传感器接收的信号的TOA测量值来估计应答器的位置。因此，多点定位***的应用方案是复杂方案，其中机场中的基础设施在多径产生时具有根本作用。实际上，终端、停机场和停放的飞机等都能够产生反射并且引起多径现象。多径对***的影响是双重的：一方面其产生目标实际位置的偏移情况，另一方面，其向位置的估计引入噪音。

参照图2和3的图表（a）-（g），可以得知主要是对模式A/C/S响应的报头产生影响。在该示例中，一个利用同相（图2）和反相（图3）地相对于接收器上的直接LOS信号（参见图1）的振幅被减小约3/4的反射信号的等级，来仅再现对模式S的影响。该给出的示例涉及以下情况，通过目标反射的信号被相对于直接LOS射线以200ns的梯级延迟。

到达时间的估计被使用的适当的相关因子所影响，相关因子将目标（具有叠加的多径）所接收的信号和预加载在相同接收器中的适当的标准报头矩阵相关。通过这种方式，在已知线路中，可以得到与相关函数的最大值对应的到达时间。

多径现象趋向使输出相关因子的信号失真，该相关因子对到达时间的估计具有后续的影响。在图4中可以证实上述内容。可以看到，相关函数（图4(b))失真，导致相关顶点偏移，因此在估计到达时间时产生错误。在图5中，对单SSR脉冲的到达时间的估计的多径影响与以下相关：

-反射信号振幅相对于直达信号的振幅的百分比；

-反射信号相对于直达信号的延迟（毫微秒级）；

-反射信号和直达信号之间的相位差（对于零之上的所有曲线的正数K和对于零之下的所有曲线的复数K）。具有更大绝对值纵坐标的曲线与更大的K绝对值相关。

因此，引入误差与反射波的振幅成正比，图5的图表中示出了在估计理想LOS的到达时间时多径引入的错误的合成，以及图5的图表对于具有0.1-0.5的信号振幅的反射振幅的值被参数化。对于100ns以下的延迟值，通过多径引入的延迟的影响可以被忽略。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于估计（以及随后消除）多径延迟的方法，其解决了现有技术中的问题以及克服了现有技术中的缺陷。

本发明的目的提供一种用于估计受多径影响的电磁信号例如SSR响应的到达时间的方法，包括执行以下步骤：

A1.对天线接收的电磁信号进行采样，其中采样时间间隔p>0，采样步骤产生2k+1个样本，其中，k为正整数；以及

A2.计算步骤A1中获得的采样电磁信号的自相关函数；

其中，进一步执行以下步骤：

B.对于电磁信号的脉冲和对于m=1,…M的每个值，进行下列子步骤，其中m和M是正整数：

B1.在自相关函数的最大值的右侧选择一组N个点，以及在自相关函数的最大值的左侧选择一组N个点，其中N是小于k的正整数；

B2.计算内插在右侧的一组N个点的点中的第一多项式，和计算内插在左侧的一组N个点的点中的第二多项式；以及

B3.计算第一内插多项式和第二内插多项式的交点，以及计算交点和自相关函数的最大值之间的横坐标距离Tm，Tm表示多径影响的估计值；

C.从具有相等脉冲的理想电磁信号开始，所述相等脉冲具有周期T^I：

C1.通过预定的不同时间延迟理想电磁信号的每个脉冲，直到发现相同的周期T^I，获得被延迟的信号；

C2.每次通过不同的系数h使C1步骤的被延迟的信号增加L倍，其中L是正整数，h是-1至1的实数，以及将增加的结果合计到理想电磁信号中，获得模拟不同多径影响的L个合成电磁信号，因此可以通过构造得知不存在多径时的理想到达时间；

C3.估计L个合成电磁信号的每个的到达时间，获取通过构造具有因多径影响的估计误差的到达时间的估计，估计误差计算为理想到达时间和估计到达时间之间的差值；

C4.在合成电磁信号上执行步骤A1、A2、B1、B2、B3，对于L个合成电磁脉冲获取用于交点和自相关函数的最大值之间的横坐标距离T^S _1,1…T^S _M,L的LxM个模拟值；以及

C5.将LxM个距离模拟值T^S _1,1…T^S _M,L与相应的估计误差e^S _1,1…e^S _M,L相关联；

D.在值T^S _1,1…T^S _M,L中区分出更接近步骤B的值T₁…T_M的模拟值T^S ₁…T^S _M；

E.将值T₁…T_M和与值T^S ₁…T^S _M相关的计算误差相关联；

F.利用步骤E中获得的计算误差的分布的统计分析，来减小分布的标准偏差以及选择最接近彼此的估计值的子集e₁…e_V；以及

G.平均e₁…e_V，获得平均值，平均值假定为天线收到的电磁信号的估计误差。

此处的统计分析基于现有技术，在现有技术中存在多种方式以减小标准偏差。

实践中，通过比较发现的系数和与模拟曲线有关的多径的值，查找表格的使用可以实现具有最佳匹配的机构；通过寻找包括所有发现的和模拟的系数的函数最小值也可以实现该比较。

实数h表示被反射的信号怎样处理LOS信号，并且还考虑相位。可以看到延迟的最小增量不能低于采样的时间间隔。

根据本发明的一个方面，步骤B的子步骤执行为：

B1.选择通过所述自相关函数的最大值点的纵轴对称的两个点对，纵轴具有用于纵轴的左侧的第一对的坐标X_1,m、Y_1,m、X_2,m、Y_2,m和用于纵轴的右侧的第二对的坐标X_3,m、Y_3,m、X_4,m、Y_4,m；

B2.计算分别通过第一点对和第二点对的点的两条直线的两个角系数a^L _m、a^R _m；

B3.根据以下关系计算多径影响的估计值Tm：

T_m=(Y_1,m-Y_4,m)+d/2((a^L _m+a^R _m)/(a^L _m-a^R _m))

其中，d是立刻接近通过自相关函数的最大值的轴的两个对的两个点的距离。

根据本发明的一个方面，查找表格的值的数量取决于步骤A1的采样的时间采样间隔p。

根据本发明的一个方面，电磁信号通过SSR响应构成，步骤A到G施加到SSR响应的每个单脉冲，因此得到相应的多个多径延迟值，多个多径延迟值进行进一步的统计分析，以对于整体SSR响应来确定多径延迟的最佳估计值。

例如，统计分析可以确定和消除与信号失真对应的可能值，该失真不取决于多径影响，以及统计分析可以计算较好值的平均值以作为多径的最终值。

本发明的特定主题：计算机程序，其特征在于包括当在计算机上执行本发明的方法主题时执行的代码装置。

本发明的特定主题：支持计算机可读的有形存储器，其特征在于：本发明的计算机程序存储在存储器中。

本发明的特定主题：电子装置，其特征在于本发明的计算机程序主题安装在其上。

附图说明

将通过说明而非限制特别是参照附图来描述本发明，其中：

图1是根据现有技术的产生多径效应的情况的方案；

图2示出模式S响应的报头上的多径效应的示例，其中被反射信号的水平与来自接收器的LOS的信号相比减小约3/4，不但相对于直接LOS射线同步而且具有可变的延迟时间（200ns的步长，5个步长），具有同相多径信号；

图3示出与图2的情况等同但相位相反的情况；

图4示出输出相关因子的信号由于多径现象而导致的变形效应，在（a）中示出理想自相关的情况，在（b）中示出具有多径的真实自相关的情况；

图5示出根据现有技术的由多径引发并针对范围为信号幅度的0.1到0.5倍的反射幅度的值参数化的误差的综合的示例；

图6在（a）中示出受多径影响的相关函数，并且在（b）中示出不受多径影响的相关函数；

图7示出用于说明根据本发明的一个方面的方法的一部分的块和流程图的混合图示，该方法从对响应的接收开始；

图8示出用于说明根据本发明的一个方面的方法的一部分的块和流程图的混合图示；

图9示出用于说明根据本发明的一个方面的方法的一部分的块和流程图的混合图示；

图10针对本发明的方法的目的示出了理想信号的时间偏移的示例；

图11示出根据本发明的一个方面的示出多径效应的生成和后续信号处理的框图；

图12更加详细地示出图11的处理部分。

具体实施方式

由各种源接收（直接或被反射）的信号（响应）被过滤和下变频。然后，这些信号被采样，因此转换到离散时间域。

通过依据离散的多个延迟值的自相关函数来事先计算信号的至少单个理想脉冲（在根据本发明的一个方面的模式S情况下的第一脉冲）的失真来实现根据本发明的多径估计。在图10中，针对具有拥有T周期的脉冲的理想信号示出了时间偏移。

以从理想相关函数（图4（a）中给出）获得的失真为基础，能够逆推脉冲的参数的变化并估计将要考虑TOA的估计中的补偿的多径的效应。

考虑如下事实：单个脉冲对应于将本发明的方法应用于“干净的”脉冲（即尚未被生成（FRUIT，False Replies Unsynchronized In Time（时间上不同步的错误响应））的干扰破坏的脉冲）的必要性。

本发明允许首先估计在到达时（TOA）由多径生成的偏移。该技术使用如下机制：针对各SSR信号脉冲评估由被反射响应引发的失真的效应。

该方法的基本特性存在于具有采样步长p的到达信号的各脉冲的采样，获得2k+1个样本，即，脉冲最大值的左侧的k个样本和脉冲最大值的右侧的k个样本。

随后选择样本的一个或多个子集，对这些子集应用根据本发明的方法的详细阐述（elaboration）。对于每个子集，估计器模块估计所考虑的脉冲上的多径的效应。

在一个实施方式中，各估算器模块评估相关函数（在图6（a）中以不具有多径的理想形式给出的钟形函数）在其左侧和右侧的斜率。根据本发明的一个方面，该斜率使用形成所述子集的不同的样本对获得。在下文中，参照图6给出了自相关函数跟踪的两个内插直线的示例。

通过上标“L”表示与相关函数的左侧有关的一般元素（样本、系数、值）（经过相关函数的最大值的纵轴的左侧），并通过上标“R”表示与脉冲的相关函数的右侧有关的类似元素（经过相关函数的最大值的纵轴的右侧）。此外，通过下标m指示执行估计所使用的样本的各种子集的计数器（正整数）。四个样本，对于所述轴线的左侧的第一对，具有坐标X_1,m,Y_1,m，X_2,m,Y_2,m，对于所述轴线的右侧的第二对，具有坐标X_3,m,Y_3,m，X_4,m,Y_4,m，其中X_1,m与X_4,m相对于该轴线对称，并且X_2,m与X_3,m对称。

这里，应注意，当接收脉冲并计算自相关函数时，区别化最大值并将纵轴放置为与所述最大值一致。从样本的值开始，能够推导穿过包含四个点的组的直线的角系数，由a^L _m，a^R _m表示并通过以下表达式给出：

${a^L}_m=\frac{C\left(X_{2,m}\right)-C\left(X_{1,m}\right)}{X_{2,m}-X_{1,m}}$

${a^R}_m=\frac{C\left(X_{4,m}\right)-C\left(X_{3,m}\right)}{X_{4,m}-X_{3,m}}$

其中上述自相关函数通过C()表示。

在理想情况下，即，在没有多径的情况下，两个系数a^L _m和a^R _m具有相等的绝对值，并且两个直线的交叉将对应于等于0的横坐标。在多径效应的情况下，这些系数将变得不同并且在横坐标上将出现偏移T_m，横坐标可以与脉冲到达的时间的变化相关联。这种偏移可通过如下表达式计算：

T_m=C(X_3,m)-C(X_2,m)+d/2(a^R _m-a^L _m)/(a^L _m-a^R _m)  （1）

表达式（1）按照如下方式推导。设y^L _m=a^L _mx+b^L _m为与相关函数的左侧有关的直线方程，并设y^R _m=a^R _mx+b^R _m为与相关函数的右侧有关的直线方程。

通过将这个两条直线的两个先前积分放入***内，可以找出两条直线的交点（该交点的横坐标将代表相关函数的最大值的偏移T_m）作为由于多径延迟导致的失真，相关函数通过四个样本的选择而被线性逼近。根据本发明的一个方面，和可以发现：

$T_m=\frac{{b^R}_m-{b^L}_m}{{a^L}_m-{a^R}_m}---\left(2\right)$

现在，获得b^L _m=Y_2,m+a^L _m×d/2和b^R _m=Y_3,m+a^R _m×d/2，其中d（等于X_3,m-X_2,m）是一般距离两个样本之间的通用距离（generic distance）（最大值点与被采样点之间的时间距离因此为d/2）。通过将这些表达式代入（2），随后可获得偏移估计：

T_m=(Y_3,m-Y_2,m)+d/2(a^R _m-a^L _m)/(a^L _m-a^R _m)  (3)

其代表样本相关函数的左侧和相关函数的右侧的样本对的相关函数的偏移。

对于沿着相关函数适当分布的样本的四个样本（quadruplet）的不同选择，该原则被重复。对分布的样本的使用允许以更高精度估计多径。相关函数上所获得的效应是沿着向前上升和向前下降分布的一组直线。

在这种情况下，样本Y_3,m e Y_2,m被选择为在最大值点邻近（在等于采样步长p的距离处）被立即采样的四个样本中的任何一个，将得到d=2p。有利地，四样本的选择通过使样本Y_3,m e Y_2,m保持固定，并在代表响应信号的余下的2k-4个样本之中选择样本Y_1,m e Y_4,m来继续。

图7示出了一般的方法。

参照图8，对于这些样本对中的每一对，根据（1）来评估所引入的多径的贡献。

在图8中，各个块“系数估计器”计算与四个样本之一有关的逼近直线的系数。相应的块“多径估计器”根据（1）从块“系数估计器”的输出确定估计的值。最后，在图9中，对四个样本中的每一个实施等式（1）的所有块“多径估计器”的输出被发送至块“选择器”，块“选择器”评估估计的一致性并选择待应用至到达时间的修正的值。

图8中示出的块“选择器”能够由查找表（LUT）方便地实施并且限定不同多径估计器的输出与多径的实际估计之间的关系。在图9中，给出了具有选择器块的该模型的简化表示。

LUT仅是估计的多径延迟值与模拟曲线的对比的示例性实施方式，各模拟曲线与预定的多径特征明确地关联。该模拟可通过纯计算（软件）实现或使用应用信号的预定失真的模拟装置实现。作为LUT的替代，可使具有估计的直线与等同于受多径影响的脉冲的模拟曲线有关的直线的系数的泛函最小化，以确定被模拟的曲线，该曲线最佳地再生估计和相关偏移值。

LUT的维度等于对同样多的四个样本作用的多径估计的数量。显然，LUT的维度（用于任何维度的值的数量）由时间采样步长确定。

总的来说，多个多径估计器块针对m的不同值评估到达时间T_m的不同修正，基于数学模型估计失真，如上所述该数学模型能够相对于理想脉冲的参数特性精确评估所接收脉冲的参数特性的变化。这些失真估计器的输出是综合由多径引发的失真的效应的值。

随后，选择最相关的估计值并验证SSR响应上的由多径引发的偏移与前面提到的相关值之间的明确的对应性。选择和对应性确定操作能够转换，因此它们能够以任何顺序执行。

相关值的选择受估计值或模拟值的失真的统计分析的影响。

对应性的个性化由函数（LUT）表达，LUT使SSR响应的综合参数中的每一个与到达时间的估计中的时间偏移值关联。

作为四个样本的替代，可利用任何数量的样本（至少三个）并找出最佳关联多项式，随后使用上面所述的LUT或泛函。

图11示出通过检测飞机或轿车而生成多径效应。底部的处理部分包括RF前端块和执行上述方法的FPGA。

图12更加详细地示出根据本发明的一个方面的处理部分。

RF前端块包括：

第一RF滤波器；

第一LNA（低噪声放大器）；

第二RF滤波器；

本地振荡器；

混合器，使本地振荡器的信号与过滤信号混合（该步骤使信号偏移至另一个频带，例如IF或基带）；

一个或多个第二LNA；

一个或多个ADC（模数转换器）；

FPGA包括用于计算自相关函数的匹配的滤波器块、用于估计上述到达时间的TOA估计器、如上所述的多径估计器、以及具有上述查找表功能的块。此外，解码器块从信号提取其它信息。还存在接口以收集所有被提取和计算的信息并在用户应用屏上示出结果。在由接口给出的信息之中包括：

与多径估计相关的TOA；

信号的幅度等级；

与由解码器解码的信息相关的一些信心；以及

可能的提取图。

在本发明的创新特征之中包括：

1.实时地消除多径（修正因子的应用）：在各单个SSR响应的解码期间实时地执行协作处理；

2.偏移的加权估计，基于单个偏移的贡献、与各种响应的关联、以及各自的脉冲的信心。

根据本发明的方法可应用于电信的各种领域，例如，SSR雷达。

在上文中已经描述了实施方式，并且本发明的某些修改已经建议了，但本领域技术人员应理解，在不背离由所附权利要求所限定的相关保护范围的情况下，可以进行各种变形和修改。

Claims (7)

1.一种用于估计受多径影响的电磁信号的到达时间的方法，包括：

A1.对天线接收的电磁信号进行采样，其中采样时间间隔p>0，所述采样产生2k+1个样本，其中，k为正整数；以及

A2.计算步骤A1中获得的采样电磁信号的自相关函数；

其中，所述方法进一步包括：

B.对于所述电磁信号的脉冲和对于m=1,…M的每个值，执行下列子步骤，其中m和M是正整数：

B1.在所述自相关函数的最大值的右侧选择一组N个点，以及在所述自相关函数的所述最大值的左侧选择一组N个点，其中N是小于k的正整数；

B2.计算内插在所述右侧的所述一组N个点中的第一多项式，和计算内插在所述左侧的所述一组N个点中的第二多项式；以及

B3.计算第一内插多项式和第二内插多项式的交点，以及计算所述交点和所述自相关函数的所述最大值之间的横坐标距离T_m，所述T_m表示多径影响的估计值；

C.从具有相等脉冲的理想电磁信号开始，所述相等脉冲具有周期T^I：

C1.通过预定的不同时间延迟所述理想电磁信号的每个脉冲，直到发现相同的周期T^I，获得被延迟的信号；

C2.每次通过不同的系数h使所述C1步骤获得的所述被延迟的信号增加L倍，其中L是正整数，h是-1至1的实数，以及将所述增加的结果合计到所述理想电磁信号中，获得模拟不同多径影响的L个合成电磁信号，以构造出不存在多径时的理想到达时间；

C3.估计所述L个合成电磁信号的每个的到达时间，获取通过构造具有因多径影响的估计误差的所述到达时间的估计，估计误差计算为所述理想到达时间和估计到达时间之间的差值；

C4.在所述组成的电磁信号上执行所述步骤A1、A2、B1、B2、B3，对于L个合成电磁脉冲获取用于所述交点和所述自相关函数的所述最大值之间的横坐标距离T^S _1,1…T^S _M,L的LxM个模拟值；以及

C5.将所述LxM个距离模拟值T^S _1,1…T^S _M,L与相应的估计误差e^S _1,1…e^S _M,L相关联；

D.在值T^S _1,1…T^S _M,L中区分出更接近步骤B的值T₁…T_M的模拟值T^S ₁…T^S _M；

E.将所述值T₁…T_M和与值T^S ₁…T^S _M相关的计算误差相关联；

F.利用步骤E中获得的所述计算误差的分布的统计分析，来减小所述分布的标准偏差以及选择最接近彼此的估计值的子集e₁…e_V；以及

G.平均所述e₁…e_V，获得平均值，所述平均值假定为天线收到的所述电磁信号的所述估计误差。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤B的子步骤执行为：

B1.选择相对于通过所述自相关函数的最大值点的纵轴对称的两个点对，所述纵轴具有用于所述纵轴的左侧的第一对的坐标X_1,m、Y_1,m、X_2,m、Y_2,m和用于所述纵轴的右侧的第二对的坐标X_3,m、Y_3,m、X_4,m、Y_4,m；

B2.计算分别通过所述第一点对和所述第二点对的点的两条直线的两个角系数a^L _m、a^R _m；

B3.根据以下关系计算多径影响的估计值T_m：

T_m=(Y_1,m-Y_4,m)+d/2((a^L _m+a^R _m)/(a^L _m-a^R _m))

其中，d是立刻接近通过所述自相关函数的最大值的所述轴的所述两个点对的两个点的距离。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤C5执行为构成查找表格，步骤E和D通过使用所述查找表格来执行。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述查找表格的值的数量取决于步骤A1的采样的时间采样间隔p。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于：所述电磁信号通过SSR响应构成，步骤A到G施加到所述SSR响应的每个单脉冲，因此得到相应的多个多径延迟值，所述多个多径延迟值进行进一步的统计分析，以对于整体SSR响应来确定所述多径延迟的最佳估计值。

6.一种SSR接收器，包括RF前端和计算机设备，其特征在于：所述计算机设备配置成执行根据权利要求1-5中任一项所述的方法。

7.根据权利要求6所述的SSR接收器，其特征在于：所述计算机设备是FPGA。

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