CN105954737B - 一种应用于跳频测距中的频率排布方法及其装置 - Google Patents

一种应用于跳频测距中的频率排布方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种应用于跳频测距中的频率排布方法及其装置，其包括，步骤一、从发射端的所有可用子载波中筛选能够被接收端识别的所述可用子载波作为有效子载波；步骤二、将所述有效子载波的频率值按照预定规则排布成时间频率矩阵；其中，所述预定规则为：以所述有效子载波中最小频率值的作为所述时间频率矩阵中每行的第一个频率值，且每行的相邻的所述有效子载波相互不干扰。本发明有效规避同一个跳频时隙内两个频率不能相距太近的问题，具有更高的测距精度和更大的测距范围。

Description

一种应用于跳频测距中的频率排布方法及其装置
技术领域
本发明属于跳频测距领域，特别涉及一种应用于跳频测距中的频率排布方法及其装置。
背景技术
位置信息已经成为现代社会的关键基础信息，在国民经济、国防科技和日常生活中发挥着重要的作用。定位技术通常分为两大类：基于测距的定位和非测距的定位。基于测距的定位一般基于距离量的测量来确定位置信息，通常定位精度较高，因此更适用提供高精度的位置服务。在各类测距技术当中，相位测距(Phase-based Ranging)得到广泛应用，这类典型的***有OMEGA、载波差分GPS、侧音测距、多频连续波雷达和无线电干涉定位***(Radio Interferometric Positioning Systems,RIPS)等。
跳频***的载波频率不断变化，可以抵抗来自外界的干扰，广泛用于国防等重要领域，其接收方式通常采用非相干接收。多频相位测距由于其非相干性，可应用于跳频***中。但是，由于跳频***中每一跳的驻留时间通常都很短，而测距精度与测距时间成正相关关系，所以只在一跳中测距很难达到较高的精度要求。有文献提出了融合多跳信息进行距离解算的方法。
但是，由于跳频***的每一跳驻留时间短暂，如果将两个测距频率设置的过于靠近，则这两个测距频率会在频谱上发生混叠，使得接收机不能够准确地估计接收信号的频率和相位，所以，同一跳的测距频率之间必须保持一定的间隔。因此，怎样将所有可用的测距频率排布在多个跳频时隙内，是一个重要的研究课题。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种应用于跳频测距中的频率排布方法，本方法利用跳频测距***中的跳速、瞬时带宽、基带频率粒度、测距更新频率等参数，设计出每一个跳频时隙内的测距频率排布。此方法得出的测距频率排布，规避了同一个跳频时隙内两个频率不能相距太近的问题，并且与等间距安排测距频率相比，该方法具有更高的测距精度和更大的测距范围。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种应用于跳频测距中的频率排布方法，包括：
步骤一、从发射端的所有可用子载波中筛选能够被接收端识别的所述可用子载波作为有效子载波；
步骤二、将所述有效子载波的频率值按照预定规则排布成时间频率矩阵；
其中，所述预定规则为：以所述有效子载波中最小频率值的作为所述时间频率矩阵中每行的第一个频率值，且每行的相邻的所述有效子载波相互不干扰。
优选的是，所述的应用于跳频测距中的频率排布方法中，所述步骤二还包括将所述有效子载波的按顺序排布；
具体为，将所述有效子载波的频率值依次排布在所述时间频率矩阵的每一列中。
优选的是，所述的应用于跳频测距中的频率排布方法中，所述步骤一中能够被所述接收端识别的可用子载波的频率值属于频率值区间{Favail}，所述频率值区间{Favail}的计算公式为：
其中，Favail载波频率值，fmin表示基带频率合成器的频率步进，B表示测距跳频***的瞬时频率带宽，a、b和k表示整数。
优选的是，所述的应用于跳频测距中的频率排布方法中，所述时间频率矩阵中每行的第一个频率值为afmin。
优选的是，所述的应用于跳频测距中的频率排布方法中，所述预定规则中每行相邻的所述有效子载波相互不干扰即相邻的所述有效子载波的频率值满足下述公式为：
|fi-fj|≥MFI
其中，fi和fj分别表示两个相邻的所述有效子载波的频率值，MFI表示最小频率值间隔。
优选的是，所述的应用于跳频测距中的频率排布方法中，所述最小频率值间隔MFI的计算公式为：
MFI＝1/T；
其中，T为每载波频率在所述接收端的驻留时间。
优选的是，所述的应用于跳频测距中的频率排布方法中，当符合所述预定规则的所述有效子载波的数量不足以构建完整的所述时间频率矩阵，则在所述时间频率矩阵中用零补位。
优选的是，所述的应用于跳频测距中的频率排布方法中，所述步骤二之前还包括将所有所述有效子载波的频率值升序排列；
将升序排列的所述频率值按照所述预定规则依次排布在所述时间频率矩阵的每一列中。
优选的是，所述的应用于跳频测距中的频率排布方法中，所述预定规则还包括设定所述频率时间频率矩阵的行数m；
m＝Tr/T
其中，Tr为跳频测距***更新频率。
本发明还提供一种应用所述的应用于跳频测距中的频率排布的装置，其包括：
数据库，其存储发射端的所有可用子载波；
处理器，其预存有能够被与所述发射端相对应的接收端识别的子载波的频率区间；所述处理器从数据库中筛选符合上述频率区间的可用子载波作为有效子载波，并将所述有效子载波的频率值按照预定规则排布成时间频率矩阵，并将所述时间频率矩阵上传至所述数据库中；
其中，所述预定规则为：以所述有效子载波中最小频率值的作为所述时间频率矩阵中每行的第一个频率值，且每行的相邻的所述有效子载波相互不干扰。
在本装置在调频测距***中的使用的过程中：
发射端的产生器中维护一个相位数组，里面记录了每个可用频率的当前相位。每经过一个采样周期，就更新一次相位数组，并将这些相位转化为采样值输出。对于每个可用频率fi，当采样周期为Ts时，相位更新的步进为发射端，其从数据库中调取所述时间频率矩阵，并按照所述时间频率矩阵的发射有效子载波作为测距信号。同时，发射端开始工作时，打开发射节点程序，程序读取时间频率矩阵并按照时间频率矩阵更换测距频率集。
接收端打开接收节点程序，程序读取时间频率矩阵并利用USRP接收天线接收发射节点发送的测距信号，并将信号存储下来。然后测距信号进入USRP子板进行模拟下变频至中频。然后，中频信号进入USRP母板，经过ADC转换采样成数字信号，数字信号经过数字下变频，打上USRP的本地时间戳，再经以太网口被送至处理器进行处理；处理器收到USRP发来的信号采样样本之后，提取样本值和时间戳，将样本值送至相位估计模块用来估计各个子载波频率的相位，而时间戳中的时间信息用来控制射频端载波的跳变。
本发明的有益效果如下：
1、所述的应用于跳频测距中的频率排布方法中，以接收端能够识别的载波的频率值区间为依据，筛选发射端发射的位于该区间的任一载波的子载波，将包括筛选出的子载波的频率排列成时间频率矩阵，由于该时间频率矩阵中每个子载波均可以被接收端识别，均可以用来进行相位测距，将发射端利用该时间频率矩阵进行测距时，有效提高测距的准确性。
2、所述的应用于跳频测距中的频率排布方法中，利用本方法获得的时间频率矩阵有效规避同一个跳频时隙内两个频率不能相距太近的问题，避免载波之间的干扰。
附图说明
图1为本发明所述的应用于跳频测距中的频率排布方法的流程图；
图2为本发明其中一个实施例所述应用于跳频测距中的频率排布方法的载波示意图；
图3为本发明其中一个实施例所述应用于跳频测距中的频率排布方法的时间频率矩阵的载波示意图；
图4为本发明所述的应用于跳频测距中的频率排布装置在跳频测距***中的工作流程图；
图5为本发明其中一个实施例所述的应用于跳频测距中的频率排布装置在时间频率矩阵的频率分布图；
图6为本发明其中一个实施例所述的应用于跳频测距中的频率排布装置在跳频测距***中发射端形成时间频率矩阵的形状图的瀑布图；
图7为本发明其中一个实施例所述的应用于跳频测距中的频率排布装置的发射端和接收端的结构示意图；
图8为本发明其中一个实施例所述的应用于跳频测距中的频率排布装置应用在调频测距***中的误差分析图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明公开了一种应用于跳频测距中的频率排布方法，如图1至图3所示，该方法至少包括：
步骤一、从发射端的所有可用子载波中筛选能够被接收端识别的所述可用子载波作为有效子载波；
能够被所述接收端识别的可用子载波的频率值属于频率值区间{Favail}，所述频率值区间{Favail}的计算公式为：
其中，Favail载波频率值，fmin表示基带频率合成器的频率步进，B表示测距跳频***的瞬时频率带宽，a、b和k表示整数。
步骤二、2.1)将所有所述有效子载波的频率值升序排列；
2.2)将所述有效子载波的频率值按照预定规则排布成时间频率矩阵；所述时间频率矩阵的排布方法为，将述升序排列的所述频率值按照所述预定规则依次排布在所述时间频率矩阵的每一列中。
其中，所述预定规则为：以所述有效子载波中最小频率值的作为所述时间频率矩阵中每行的第一个频率值，且每行的相邻的所述有效子载波相互不干扰。
上述方案中，所述时间频率矩阵中每行的第一个频率值均为afmin。
上述方案中，所述预定规则中每行相邻的所述有效子载波相互不干扰即相邻的所述有效子载波的频率值满足下述公式为：
|fi-fj|≥MFI
其中，fi和fj分别表示两个相邻的所述有效子载波的频率值，MFI表示最小频率值间隔。
上述方案中，所述最小频率值间隔MFI的计算公式为：
MFI＝1/T；
其中，T为每载波频率在所述接收端的驻留时间。
上述方案中，当符合所述预定规则的所述有效子载波的数量不足以构建完整的所述时间频率矩阵，则在所述时间频率矩阵中用零补位。
上述方案中，所述预定规则还包括设定所述频率时间频率矩阵的行数m；
m＝Tr/T
其中，Tr为跳频测***测距更新频率。
如图4所示，本发明还公开一种应用所述的应用于跳频测距中的频率排布装置，其包括：
数据库，其存储发射端的所有可用子载波；
处理器，其预存有能够被与所述发射端相对应的接收端识别的子载波的频率区间；所述处理器从数据库中筛选符合上述频率区间的可用子载波作为有效子载波，并将所述有效子载波的频率值按照预定规则排布成时间频率矩阵，并将所述时间频率矩阵上传至所述数据库中；
其中，所述预定规则为：以所述有效子载波中最小频率值的作为所述时间频率矩阵中每行的第一个频率值，且每行的相邻的所述有效子载波相互不干扰。
在本装置在调频测距***中的应为，如图5至图7所示：
发射端1，其从数据库中调取所述时间频率矩阵；发射端1开始工作时，打开发射节点程序，程序读取时间频率矩阵并按照时间频率矩阵更换测距频率集。
接收端2打开接收节点程序，程序读取时间频率矩阵并利用USRP接收天线接收发射节点发送的测距信号，并将信号存储下来。然后测距信号进入USRP子板进行模拟下变频至中频。然后，中频信号进入USRP母板，经过ADC转换采样成数字信号，数字信号经过数字下变频，打上USRP的本地时间戳，再经以太网口被送至处理器进行处理；
处理器收到USRP发来的信号采样样本之后，提取样本值和时间戳，将样本值送至相位估计模块用来估计各个子载波频率的相位，而时间戳中的时间信息用来控制射频端载波的跳变。
将本频率排布装置应用在调频测距***中，在操场环境下，经过100次连续测距测试，精度达到45.6米，其精确度如图8所示。消除多径效应后，可以提升至更高精度，本方法应用于跳频***中，抗干扰功能强。
尽管本发明的实施例已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (10)

1.一种应用于跳频测距中的频率排布方法，其特征在于，包括：
步骤一、从发射端的所有可用子载波中筛选能够被接收端识别的所述可用子载波作为有效子载波；
步骤二、将所述有效子载波的频率值按照预定规则排布成时间频率矩阵；
其中，所述预定规则为：以所述有效子载波中最小频率值的作为所述时间频率矩阵中每行的第一个频率值，且每行的相邻的所述有效子载波相互不干扰。
2.如权利要求1所述的应用于跳频测距中的频率排布方法，其特征在于，所述步骤二还包括所述有效子载波的按顺序排布；
具体为将所述有效子载波的频率值依次排布在所述时间频率矩阵的每一列中。
3.如权利要求2所述的应用于跳频测距中的频率排布方法，其特征在于，所述步骤一中能够被所述接收端识别的可用子载波的频率值属于频率值区间，所述频率值区间的计算公式为：
其中，表示载波频率值，fmin表示基带频率合成器的频率步进，B表示测距跳频***的瞬时频率带宽，、b和k表示整数，MFI表示最小频率值间隔。
4.如权利要求3所述的应用于跳频测距中的频率排布方法，其特征在于，所述时间频率矩阵中每行的第一个频率值为。
5.如权利要求4所述的应用于跳频测距中的频率排布方法，其特征在于，所述预定规则中每行相邻的所述有效子载波相互不干扰即相邻的所述有效子载波的频率值满足下述公式为：
|fi-fj|≥MFI
其中，fi和fj分别表示两个相邻的所述有效子载波的频率值，MFI表示最小频率值间隔。
6.如权利要求5所述的应用于跳频测距中的频率排布方法，其特征在于，所述最小频率值间隔MFI的计算公式为：
MFI＝1/T；
其中，T为每载波频率在所述接收端的驻留时间。
7.如权利要求6所述的应用于跳频测距中的频率排布方法，其特征在于，当符合所述预定规则的所述有效子载波的数量不足以构建完整的所述时间频率矩阵，则在所述时间频率矩阵中用零补位。
8.如权利要求1所述的应用于跳频测距中的频率排布方法，其特征在于，所述步骤二之前还包括将所有所述有效子载波的频率值升序排列；
将升序排列的所述频率值按照所述预定规则依次排布在所述时间频率矩阵的每一列中。
9.如权利要求6所述的应用于跳频测距中的频率排布方法，其特征在于，所述预定规则还包括设定所述时间频率矩阵的行数m；
m＝Tr/T；
其中，Tr为跳频测距***更新频率。
10.应用如权利要求1至9任一项所述的应用于跳频测距中的频率排布方法的装置，其包括：
数据库，其存储发射端的所有可用子载波；
处理器，其预存有能够被与所述发射端相对应的接收端识别的子载波的频率区间；所述处理器从数据库中筛选符合上述频率区间的可用子载波作为有效子载波，并将所述有效子载波的频率值按照预定规则排布成时间频率矩阵；
其中，所述预定规则为：以所述有效子载波中最小频率值的作为所述时间频率矩阵中每行的第一个频率值，且每行的相邻的所述有效子载波相互不干扰。
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