CN108072870A - 利用载波相位提高突发通信测距精度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种利用载波相位提高突发通信测距精度的方法,旨在提供一种测量值精度高,能够提高突发通信***测距精度的方法。本发明通过下述技术方案予以实现:通信双方采用突发通信方式,引入载波相位进行传播距离测量;通过询问节点设备在测距时隙起始时刻向应答节点设备发送一段突发询问信号,在零中频接收信道中与本振信号混频得到基带信号,测得信号到达时间和载波相位;在本时隙的中间,发送包含测量值的应答消息,与本振信号变频形成应答信号,经过返向路径到询问节点设备;将传播到达的往返载波相位测量值相加得到往返双程的载波相位测量值,结合TOA测距结果,利用多个不同波长的测量值来解算整周模糊度,获得载波相位距离测量值。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域,特别涉及一种在突发通信模式下,利用载波相位实现高精度距离测量的方法与装置。
背景技术
随着无线电业务和现代通信技术的空前发展。无线通信信道的电磁环境变得异常复杂,无线电频率资源供需矛盾也日益突出。突发通信已经成为最重要的通信方式。在突发通信***中,除了基本的通信功能外,还存在通信双方相互测距或单方测距的需求。美国的联合战术信息分发***(JTIDS)采用时分多址(TDMA)接入方式的无线数据广播网络,就是一种典型的突发通信***,用户只能在所分配时隙发射信号,它以往返计时(RTT)的信号传输流程结合基于伪码的到达时间(TOA)测量为基础实现测距功能,其测距误差最低只能达到米级。
突发通信***根据需求在规定的时间内发射很短的一段信号,接收处理要求能够快速同步。基于突发通信***的特点,突发通信测距面临的主要挑战包括:一是没有专门用于测距的连续信号,难以采用高精度测距方法;二是突发通信***频率资源有限,传统扩频测距技术难以满足高精度测距要求。因此,突发通信***的测距方法与传统测距方法有很大不同。传统的突发通信***测距应用大多是基于伪码的到达时间测量为基础,测距精度低,误差较大。传统扩频测距技术通常采用直接序列扩频通信***实现测距。扩频***实现测距的原理是:基站发射端发射经过扩频和载波调制的无线电波,由目标变频转发以后被基站接收端接收,该射频信号经过接收端变频,相关解扩和解调后,求得本地序列和接收信号的扩频码相位差,再分别求得到达时间差和基站与待测物体之间的距离。信号样式为连续不间断信号,接收机通过载波锁相环、伪码跟踪环等技术获得载波相位、扩频码相位。虽然其硬件结构简单且易实现,但其捕获带窄,同步时间非常长,不适用突发通信***。这种利用载波相位测距的***,信号样式基本上均为连续不间断信号,接收机通过载波接收环路(如PLL等)捕获、跟踪相位变化,一般情况下,载波同步时间会非常长。
GPS***是目前技术上最成熟且己实用的一种卫星导航和定位***。GPS接收机利用连续不断接收卫星发送的扩频信号,通过测量伪码相位、载波相位确定电波传输时间求出卫星到接收机天线的距离。其中,利用载波相位的高分辨率能够达到厘米级高精度测距,远高于基于伪码相位的测距精度(一般为十米级或米级)。此外,重力恢复与气候试验(GRACE)***采用基于载波相位差测量的测距方法,在K/Ka频段获得了微米级的极高测量精度。在上述已知的利用载波相位进行高精度无线电测距***中,信号基本上均为连续信号。
综上所述,目前还缺乏针对典型突发通信***的高精度测距方法。
发明内容
本发明鉴于上述技术背景存在的不足之处,提供一种测量值精度高,利用载波相位测量提高突发通信***测距精度的方法。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:一种利用载波相位提高突发通信测距精度的方法,其特征在于包括如下步骤:
通信双方采用突发通信方式,在传统往返时间RTT测距方法测量往返到达时间的基础上,引入往返载波相位测量值;首先,在收发通道采用同一本地振荡器,通过询问节点设备在测距时隙起始时刻向应答节点设备发送一段突发通信信号,采用零中频发射,直接变频到载波频率形成询问信号,经过空间传播,信号到达应答节点设备,在应答节点设备零中频接收信道中与本振信号混频得到基带信号,应答节点设备利用相关器检测突发信号的帧同步头,记录到达时间TOA和相关峰相位作为询问路径的测量值;接着,在本时隙的中间,将上一步询问路径的测量值进行组帧调制,与本振信号变频形成应答信号,经过返向路径传播到达询问节点设备,询问节点设备零中频接收通道变频到基带信号,询问节点设备通过检测应答信号的突发帧同步头,直接测得应答信号到达时间TOA和载波相位,同时解调消息帧获得前向路径的载波相位测量值和TOA值,计算往返TOA到达时间的距离测量值作为距离参考,将往返载波相位测量值相加得到往返双程的载波相位测量值,本时隙操作结束;改变不同的载波频率,在多个时隙重复上述步骤,得到多个频率的载波相位测量值,在基于到达时间距离粗测结果基础上,利用多个不同波长的测量值来解算相位整周模糊度,获得无模糊的载波相位距离测量值。
为了能将载波相位测量值直接用于突发通信测距***,询问节点设备和应答节点设备组成相同,分别位于无线通道的左右两侧,收发通道采用零中频方案且共用本地振荡器,以使本地振荡器与射频信号载波相位直接关联。
本发明相比现有技术具有如下有益效果:
测量值精度高。本发明通信双方采用突发通信方式,在传统往返时间RTT测距方法测量往返到达时间的基础上,引入往返载波相位测量值,并特别将载波相位应用到测距度量中,利用载波相位的高分辨率显著提高测距精度。通过TOA测量、载波相位测量、解整周模糊度等步骤,获得高精度的距离测量值,克服了传统方法测距精度不高的缺陷。
本发明在传统RTT测距方法基础上,收发通道采用同一本地振荡器,测量数据综合后可消除收发本振初相的差异;利用零中频收发方案,使本地震荡器与射频信号载波相位直接关联;利用短突发帧结构同步相关检测,直接获得载波相位的估计;通过频偏估计校正收发频差造成的相位偏移量,获得高精度的测距结果。通过这些技术的应用,使通常仅能用在连续通信***中的载波相位测距度量能够用于突发通信***,极大的提高了测距精度。
相比传统的RTT方案,本发明提出的适用于突发通信的载波相位测距方法的优势:
传统的RTT方案中,测距精度取决于同步码的时间同步精度,根据工程经验约为1/50符号周期。载波相位估计精度在大信噪比条件下1/100周。按照公式(10),计算并比较不同条件下的测距精度,结果见表1。分别列举了不同波长、时钟稳定度、测量时间()条件下,对于10km距离的测量误差分析。通过分析,载波相位方法的精度对时钟稳定度较敏感。理论上,较高质量的时钟(1e-9)就能满足载波相位测量值获得的测距精度为毫米量级,而相同条件下传统RTT方案的测距精度为分米级,测距精度提升了两个量级。由此可见,载波相位方法能够大幅提高突发通信测距结果的精度。
表1载波相位与传统RTT方案测距精度对比分析
综合上述,通过本发明提供的方法能够将载波相位测量应用到突发通信测距应用中,从而利用载波相位的高分辨率来实现高精度测距。
本发明通过改变载波频率,在多个时隙重复上述过程得到多次往返测量结果,利用多个不同载波频率的载波相位测量值来解算载波相位的整周模糊度,获得无模糊的载波相位距离测量值。特别适用于突发通信***,为突发通信测距这类应用提供了一种新的工程化技术途径。
附图说明
图1是本发明突发通信***测距RTT信号收发流程图。
图2是突发通信的数据帧格式框图。
图3是本发明突发通信***的组成结构示意图。
图中:301基带发射模块,302本地震荡器,303发混频器,304双工器,305天线,313收混频器,314基带接收模块;应答节点设备包含:306天线,307双工器,308本地震荡器,309收混频器,310基带接收模块,311基带发射模块,312发混频器。
下述以突发通信测距应用为例进行描述,以便提供对本发明的全面理解。但是,对于本领域技术人员来说显而易见的是,本发明绝不限于下面所提出的任何具体配置和算法,而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了相关元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明,通信双方采用突发通信方式,在传统往返时间RTT测距方法测量往返到达时间的基础上,引入往返载波相位测量值;上下两个坐标轴分别表示应答节点设备和询问节点设备的收发信号流程的时间关系。首先,询问节点设备在测距时隙起始时刻t1向应答节点设备发送一段数据帧格式为突发通信信号的测距请求消息,突发通信信号采用图2所示的数据帧格式。询问节点设备载波调制询问信号经过空间传播时延Tp,在t2时刻信号到达应答节点设备,应答节点设备测得信号到达相对本地时隙起始时间TOAi和载波相位,完成从询问节点设备到应答节点设备的前向测量;然后,在本地时隙Tn的时刻t3,应答节点设备向询问节点设备发送包含测量值的应答消息,经过空间传播时延Tp,应答消息在t4时刻到达询问节点,询问节点设备测得信号到达相对本地时隙起始时间TOAr和载波相位,同时解调应答消息帧获得询问信号的到达时间TOAi值和载波相位测量值,完成从应答节点设备到询问节点设备的返向测量,从而完成单次往返测量。
参阅图2。突发通信的数据帧格式包括:由N个训练序列的BPSK调制符号组成的同步头201和由信源数据经过编码调制后的M个符号组成的数据段202,应答节点和询问节点设备的接收端利用同步头201进行帧到达检测直接获得载波相位的估计,再对数据段202中的信号进行解调,恢复信源数据,通过数据段202中的信号进行测距双方测量数据的交互。此处提及的操作均为常规通信信号处理技术,无须赘述。
参阅图3。询问节点设备和应答节点设备,包括:产生请求消息基带信号的基带发射模块301、311,基带接收模块314、310和分别通过发混频器303、312,收混频器313、309共端并联的双工器304、309,以及并联在发混频器303、312与收混频器313、309之间的本地震荡器302、308。基带发射模块301、311产生基带信号的询问、应答消息;基带接收模块314、310检测同步头突发帧到达、定时同步、载波相位估计和频偏估计,得到往返TOA、载波相位测量结果以及解调恢复消息帧中测量数据,双方设备通过发混频器303、312与收混频器313、309之间各自共连的本地振荡器302、308,发混频器303、312输出射频载波信号,通过双工器304、309连接天线305、306进行发射,天线305、306接收信号也通过双工器304、309连接接收混频器313、309,收混频器313、309输出基带信号,对基带接收模块314、310进行测距信号的处理,通过基带接收模块314完成询问节点后续测量结果综合处理、载波相位解模糊和距离估计。
根据测距信号收发流程:
步骤1:询问节点设备在测距时隙起始时刻t1向应答节点设备发送一段突发通信信号,采用零中频发射,直接变频到载波频率形成询问信号。基带发射模块301根据突发信号帧格式产生询问基带调制信号;突发信号采用由同步头和数据段组成的突发通信帧结构。突发通信帧结构采用BPSK调制。调制方式以BPSK为例,不限于此。
询问节点设备用本地震荡器(302)产生本振信号,收发共用该本振信号:
其中,exp[]为指数函数,t为时间,j是虚数单位,fi A为本振载波频率,下标i为测量使用频率总数量(如双频或三频),为初相,以整周2π为单位,角标A表示该参数属于询问节点设备。
利用发混频器303将基带信号与本振信号进行混频,将突发测距请求帧调制到本次载波频率得到射频载波信号:
射频信号经过双工器304和天线305进入无线信道传播,
式中,S1是询问节点设备的请求消息射频载波信号,j是虚数单位,d1(t)是测距基带调制信号。
步骤2:询问射频信号经过无线信道传播,应答节点设备接收端通过天线306得到射频信号经双工器307后接收信号:
式中:r1是接收信号,为空间传播时延。
接收信号表达式中忽略了信道白噪声,不影响本发明的原理分析、功能。
步骤3:应答节点设备中的本地震荡器308产生与询问节点设备频率相同的本振信号,应答节点设备收发通道共用该本振信号,本振信号为:
其中,fi R为本振载波频率,为本振初相,角标R表示该参数属于应答节点设备。
接收信号r1与本振信号Lo2通过收混频器309进行正交混频,得到接收基带信号:
令Δfi=fi R-fi A表示应答节点设备和询问节点设备间的本振频率差。
信号频率1~2GHz,频率稳定度1e-9,Δfi最大不超过4Hz,突发信号持续时间一般小于100us。因此,在突发信号有效时间内,载波相位基本固定,由频偏引起的相位变化小于4.17e-4周(1周等于2π),甚至远小于载波相位的估计误差,因此,在突发脉冲时间内可以忽略载波频偏的影响。
步骤4:应答节点设备的基带信号接收处理模块对接收到的基带信号进行相关同步检测,同步时刻t=ΔT+Tp,应答节点设备测得的询问突发信号的到达时间为TOAi,对应的接收信号与本地同步头以整周2π为单位,将相关结果的相位值表示为载波相位测量值:
其中,fi R为应答节点设备本振载波频率,fi A为询问节点设备本振载波频率,下标i为测量使用频率总数量,ΔT为时间同步误差,Tp为空间传播时延,为本振初相,角标A表示该参数属于询问节点设备,角标R表示该参数属于应答设备,φi1为从同步头相关值相位仅能得到不足一周的相位,Ni1代表了整周数的未知数;
上述步骤1至步骤4为从询问节点设备到应答节点设备的前向测量过程。
步骤5:应答节点设备在本时隙时刻t3,发送包含φi1和TOAi的应答消息突发帧,帧格式如图2所示。返向应答信号流程与前向信号产生对称,基带发射模块311产生应答消息基带信号,发通道与收通道共用本地震荡器308产生载波频率本振信号,通过发混频器312将发射基带信号与本振信号产生用于测距应答的突发载波信号,突发载波信号经过双工器307、天线306发射出去。经过无线信道传播,到达询问节点设备,通过询问节点设备的天线305、双工器304,在收混频器313完成与本地震荡器302产生的本振信号的混频,输出基带信号。
步骤6:对应地,询问节点设备检测应答信号的帧同步头,应答信号同步时刻t=ΔT+TOAr,接收信号同步头整周2π为单位,将本地同步信号相关结果的相位值表示为载波相位测量值:
检测返向信号的同时通过解调数据帧获得回传的载波相位测量值φi1和到达时间TOAi,
其中,TOAr为询问节点设备测得的应答突发信号返回的时间,φi2为从同步头相关值相位仅能得到不足一周的相位,Ni2代表了整周数的未知数,Δfi=fi R-fi A表示应答节点设备与询问节点设备的载波频率差。
上述步骤5至步骤6为从应答节点设备到询问节点设备的返向测量过程。
步骤7:在询问节点设备中进行前返向测量结果的综合处理,根据到达时间测量值,可以进行距离粗估计,距离估计结果表示为:
其中,C为光速,TOAi为应答节点设备测得的询问突发信号的到达时间,TOAr为询问节点设备测得的应答突发信号返回的时间,Tn为测量时间关系的已知参数。
询问节点设备和应答节点设备各自收发通道采用相同的本振信号,消除双方本振初相的影响,将Ni=Ni1+Ni2作为一个未知的整周模糊,将询问和应答信号的载波测量值进行综合,获得:Ni1+Ni2+φi1+φi2=2fi RTp-ΔfiTOAr
再经多次不同频率载波相位测量结果综合进行解模糊计算,无模糊载波相位乘以波长得到双程距离:
λi(Ni1+Ni2+φi1+φi2)=2λi(fi+Δfi R)Tp-λiΔfiTOAr
=2L+2L*Δfi R/fi-λiΔfiTOAr
其中,λi为载波波长,fi为标称频率,Δfi R为载波频率与标称频率的差值,L=λifiTp为真实距离值;L*Δfi R/fi为频率准确度造成的距离测量误差,λiΔfiTOAr为收发频差造成的距离偏差。
由于询问节点设备和应答节点设备各自收发通道采用相同的本振信号,消除了双方本振初相的影响。
步骤8:通过改变载波频率,在多个时隙重复重复步骤1至7得到多次往返测量结果,利用多个不同载波频率的测量值来解算载波相位的整周模糊度,获得无模糊的载波相位距离测量值。解算相位整周模糊有很多方法,简单易行的方法可以利用RTT方法得到的粗测距结果作为距离参考,再通过多频测量值进行线性组合产生一些列不同波长的组合测量值,然后从最宽巷到最窄巷组合的顺序逐级求解出所有各个组合中的整周模糊。本发明不包含整周模糊的解算算法,其作为基于载波相位测距算法中的必要且成熟的技术途径。
以上所述,仅为本发明的较佳实施例,并非用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种利用载波相位提高突发通信测距精度的方法,其特征在于包括如下步骤:
通信双方采用突发通信方式,在传统往返时间RTT测距方法测量往返到达时间的基础上,引入往返载波相位测量值;首先,在收发通道采用同一本地振荡器,通过询问节点设备在测距时隙起始时刻向应答节点设备发送一段突发通信信号,采用零中频发射,直接变频到载波频率形成询问信号,经过空间传播,询问信号到达应答节点设备,在应答节点设备零中频接收信道中与本振信号混频得到基带信号,应答节点设备利用相关器检测突发信号的帧同步头,记录到达时间TOA和相关峰相位作为询问路径的测量值;接着,在本时隙的中间,将上一步询问路径的测量值进行组帧调制,与本振信号变频形成应答信号,经过返向路径传播到达询问节点设备,询问节点设备零中频接收通道变频到基带信号,询问节点设备通过检测应答信号的突发帧同步头,直接测得应答信号到达时间TOA和载波相位,同时解调消息帧获得前向路径的载波相位测量值和TOA值,计算往返TOA到达时间的距离测量值作为距离参考,将往返载波相位测量值相加得到往返双程的载波相位测量值,本时隙操作结束;改变不同的载波频率,在多个时隙重复上述步骤,得到多个频率的载波相位测量值,在基于到达时间距离粗测结果基础上,利用多个不同波长的测量值来解算相位整周模糊度,获得无模糊的载波相位距离测量值。
2.如权利要求1所述的利用载波相位提高突发通信测距精度的方法,其特征在于:为了能将载波相位测量值直接用于突发通信测距***,询问节点设备和应答节点设备组成相同,分别位于无线通道的左右两侧,收发通道采用零中频方案且共用本地振荡器,以使本地振荡器与射频信号载波相位直接关联。
3.如权利要求1所述的利用载波相位提高突发通信测距精度的方法,其特征在于:应答节点设备和询问节点设备以上下两个坐标轴分别表示应答节点和询问节点收发信号时间关系,询问节点设备在测距时隙起始时刻t1向应答节点设备发送一段数据帧格式为突发通信信号的测距请求消息。
4.如权利要求3所述的利用载波相位提高突发通信测距精度的方法,其特征在于:数据帧格式包括:由N个训练序列的BPSK调制符号组成的同步头(201)和由信源数据经过编码调制后的M个符号组成的数据段(202),应答节点和询问节点设备的接收端利用同步头(201)进行帧到达检测直接获得载波相位的估计,再对数据段(202)中的信号进行解调,恢复信源数据,通过数据段(202)中的信号进行测距双方测量数据的交互。
5.如权利要求1所述的利用载波相位提高突发通信测距精度的方法,其特征在于:询问节点设备载波调制询问信号经过空间传播时延Tp,在t2时刻信号到达应答节点设备,应答节点设备测得信号到达相对本地时隙起始时间TOAi和载波相位,完成从询问节点设备到应答节点设备的前向测量;然后,在本地时隙Tn的时刻t3,应答节点设备向询问节点设备发送包含测量值的应答消息,经过空间传播时延Tp,应答消息在t4时刻到达询问节点,询问节点设备测得信号到达相对本地时隙起始时间TOAr和载波相位,同时解调应答消息帧获得询问信号的到达时间TOAi值和载波相位测量值,完成从应答节点设备到询问节点设备的返向测量,从而完成单次往返测量。
6.如权利要求2所述的利用载波相位提高突发通信测距精度的方法,其特征在于:询问节点设备和应答节点设备,包括:产生请求消息基带信号的基带发射模块(301、311),基带接收模块(314、310)和分别通过发混频器(303、312),收混频器(313、309)共端并联的双工器(304、309),以及并联在发混频器(303、312)与收混频器(313、309)之间的本地震荡器(302、308)。
7.如权利要求6所述的利用载波相位提高突发通信测距精度的方法,其特征在于:基带发射模块(301、311)产生基带信号的询问、应答消息;基带接收模块(314、310)检测同步头突发帧到达、定时同步、载波相位估计和频偏估计,得到往返TOA、载波相位测量结果以及解调恢复消息帧中测量数据,双方设备通过发混频器(303、312)与收混频器(313、309)之间各自共连本地振荡器(302、308),发混频器(303、312)输出射频载波信号,通过双工器(304、309)连接天线(305、306)进行发射,天线(305、306)接收信号也通过双工器(304、309)连接接收混频器(313、309),收混频器(313、309)输出基带信号,对基带接收模块(314、310)进行测距信号的处理,通过基带接收模块(314)完成询问节点后续测量结果综合处理、载波相位解模糊和距离估计。
8.如权利要求1所述的利用载波相位提高突发通信测距精度的方法,其特征在于:应答节点设备的基带信号接收处理模块对接收到的基带信号进行相关同步检测,同步时刻t=ΔT+Tp,应答节点设备测得的询问突发信号的到达时间为TOAi,对应的接收信号与本地同步头以整周2π为单位,将相关结果的相位值表示为载波相位测量值:
其中,fi R为应答节点设备本振载波频率,fi A为询问节点设备本振载波频率,下标i为测量使用频率总数量,ΔT为时间同步误差,Tp为空间传播时延,为本振初相,角标A表示该参数属于询问节点设备,角标R表示该参数属于应答设备,φi1为从同步头相关值相位仅能得到不足一周的相位,Ni1代表了整周数的未知数;
对应地,询问节点设备检测应答信号的帧同步头,应答信号同步时刻t=ΔT+TOAr,接收信号同步头整周2π为单位,将本地同步信号相关结果的相位值表示为载波相位测量值:
,
检测返向信号的同时通过解调数据帧获得回传的载波相位测量值φi1和到达时间TOAi,其中,TOAr为询问节点设备测得的应答突发信号返回的时间,φi2为从同步头相关值相位仅能得到不足一周的相位,Ni2代表了整周数的未知数,Δfi=fi R-fi A表示应答节点设备与询问节点设备的载波频率差。
9.如权利要求1所述的利用载波相位提高突发通信测距精度的方法,其特征在于:询问节点设备在进行前返向测量结果的综合处理中,根据到达时间测量值进行距离粗估计,计算距离估计结果:
<mrow>
<mover>
<mi>L</mi>
<mo>~</mo>
</mover>
<mo>=</mo>
<mi>C</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>TOA</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>TOA</mi>
<mi>r</mi>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>T</mi>
<mi>n</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>/</mo>
<mn>2</mn>
</mrow>
其中,C为光速,TOAi为应答节点设备测得的询问突发信号的到达时间,TOAr为询问节点设备测得的应答突发信号返回的时间,Tn为测量时间关系的已知参数。
10.如权利要求9所述的利用载波相位提高突发通信测距精度的方法,其特征在于:询问节点设备和应答节点设备各自收发通道采用相同的本振信号,消除双方本振初相的影响,将Ni=Ni1+Ni2作为一个未知的整周模糊,将询问和应答信号的载波测量值进行综合,获得:
Ni1+Ni2+φi1+φi2=2fi RTp-ΔfiTOAr
再经多次不同频率载波相位测量结果综合进行解模糊计算,无模糊载波相位乘以波长得到双程距离:
λi(Ni1+Ni2+φi1+φi2)=2λi(fi+Δfi R)Tp-λiΔfiTOAr
=2L+2L*Δfi R/fi-λiΔfiTOAr
其中,λi为载波波长,fi为标称频率,Δfi R为载波频率与标称频率的差值,L=λifiTp为真实距离值;L*Δfi R/fi为频率准确度造成的距离测量误差,λiΔfiTOAr为收发频差造成的距离偏差。
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