CN108933750B - 一种基于联合估计的测距方法、装置及记录介质 - Google Patents

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CN108933750B CN201810622433.9A CN201810622433A CN108933750B CN 108933750 B CN108933750 B CN 108933750B CN 201810622433 A CN201810622433 A CN 201810622433A CN 108933750 B CN108933750 B CN 108933750B
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Abstract

一种基于联合估计的测距方法，包括如下步骤：步骤一、根据接收信号x(kTs)获得粗测距信息估计
Figure DDA0001698363800000011
计算接收信号x(kTs)的实部绝对值与虚部绝对值之和y(Ln+l)；步骤二、对步骤一中的接收信号x(kTs)的实部绝对值与虚部绝对值之和y(Ln+l)进行加权累积处理，计算精测距信息估计
Figure DDA0001698363800000012
步骤三、根据步骤一中的粗测距信息估计
Figure DDA0001698363800000013
和，步骤二中的精测距信息估计
Figure DDA0001698363800000014
计算两个通信终端间准确测距信息估计
Figure DDA0001698363800000015
其中
Figure DDA0001698363800000016

Description

一种基于联合估计的测距方法、装置及记录介质
技术领域
本发明涉及一种基于联合估计的测距方法、装置及记录介质，属于数字无线通信传输技术领域。
背景技术
在无线通信***中，移动通信终端之间由于姿态变化往往处于导航信息微弱，或者导航信号被干扰状态，难以获得卫星导航提供的位置信息，需要通过数据链路与信号处理手段获取终端之间的距离信息与位置信息。特别在无人机数据链***里，测控***需要获取无人机的位置从而调整信息传输***的参数配置与链路策略，提升作战***抗毁性。
传统伪随机码测距技术具有抗干扰、抗多径衰落、隐蔽性好等特点，但其测距精度依赖码片速率；基于谱估计的超分辨率算法具有较高的精度，但复杂度很高；采用延迟锁定环的测距方法，其测距精度主要取决于延迟锁定环的跟踪精度；相位测距是一种性能优越的测距方法，但其测距精度与测距范围存在一定的矛盾，即测距精度较高时的测距范围较小；基于接收信号能量指示的测距方法实现最简单，但是精确度也最差。
在“谢超.基于PN序列的无线测距方法研究.长春理工大学,2012.”文献中研究了基于PN序列的方法；在“闫朝星,付林罡,et al.一种多速率OFDM测控***的测距方法.遥测遥控,2017,38(2):1-6.”中，作者提供了正交频分复用OFDM技术的联合时域、频域的测距方法；
2018年5月4日中国授权的公告号为CN105391489A的专利“无人机测控数据链非相干测距方法”中公开了一种需迭代均衡和译码，并对该距离值进行校零标校的双向测距方法。在“王艳君.一种用于伪码测距的频域非线性估计算法.无线电工程2007.”中设计了一种对扩频码码环跟踪的抖动不敏感的频域非线性估计算法。但是以上文献多数是基于CDMA信号、OFDM信号、PN序列的测距方法或者双向测距及校准的方法，针对测控***常用数据链***线性调制信号的高精度测距技术较少涉及，或测距精度不高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于联合估计的测距方法、装置及记录介质，该方法首先用较短前导段数据估计粗测距信息，然后通过数据段过采样信号进行精测距信息估计，从而完成数据链***中两个通信终端间准确测距，该方法可以较低复杂度实现测距性能的有效提升。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种基于联合估计的测距方法，包括如下步骤：
步骤一、根据接收信号x(kTs)获得粗测距信息估计
Figure GDA0002861600670000021
计算接收信号x(kTs)的实部绝对值与虚部绝对值之和y(Ln+l)；
步骤二、对步骤一中的接收信号x(kTs)的实部绝对值与虚部绝对值之和y(Ln+l)进行加权累积处理，计算精测距信息估计
Figure GDA0002861600670000022
步骤三、根据步骤一中的粗测距信息估计
Figure GDA0002861600670000023
和，步骤二中的精测距信息估计
Figure GDA0002861600670000024
计算两个通信终端间准确测距信息估计
Figure GDA0002861600670000025
其中
Figure GDA0002861600670000026
上述基于联合估计的测距方法，所述步骤一中对接收信号x(kTs)进行定时同步、载波同步与帧同步，然后根据PN序列测距算法或CDMA伪码测距算法进行粗测距信息估计获得
Figure GDA0002861600670000027
上述基于联合估计的测距方法，所述步骤一中接收信号x(kTs)的实部绝对值与虚部绝对值之和y(Ln+l)为：
当发送的信号为二进制相移键控BPSK信号时
y(Ln+l)＝|xI(Ln+l)|+|xQ(Ln+l)|，1≤l≤L；
当发送的信号为一般线性调制信号时
y(Ln+l)＝|x(Ln+l)|，1≤l≤L；
其中，xI(Ln+l)为接收信号x(kTs)的实部，xQ(Ln+l)为接收信号x(kTs)的虚部，L为采样倍数；l为第一序数，l为正整数。
上述基于联合估计的测距方法，所述步骤二中精测距信息估计
Figure GDA0002861600670000031
为：
Figure GDA0002861600670000032
其中，c为光速，T为符号周期，arg{}为求复数信号的相位信息，L为采样倍数；N为发送端数据符号的长度；l为第一序数，l为正整数，w(l)为加权因子。
上述基于联合估计的测距方法，该测距方法应用于数据链***中。
一种记录介质，所述记录介质上记录了计算机可读程序，该程序被处理器执行时实现如下步骤：
步骤一、根据接收信号x(kTs)x(kTs)获得粗测距信息估计
Figure GDA0002861600670000033
计算接收信号x(kTs)的实部绝对值与虚部绝对值之和y(Ln+l)；
步骤二、对步骤一中的接收信号x(kTs)的实部绝对值与虚部绝对值之和y(Ln+l)进行加权累积处理，计算精测距信息估计
Figure GDA0002861600670000034
步骤三、根据步骤一中的粗测距信息估计
Figure GDA0002861600670000035
和，步骤二中的精测距信息估计
Figure GDA0002861600670000036
计算两个通信终端间准确测距信息估计
Figure GDA0002861600670000037
其中
Figure GDA0002861600670000038
上述记录介质，所述步骤一中对接收信号x(kTs)进行定时同步、载波同步与帧同步，然后根据PN序列测距算法或CDMA伪码测距算法进行粗测距信息估计获得
Figure GDA0002861600670000039
上述记录介质，所述步骤一中接收信号x(kTs)的实部绝对值与虚部绝对值之和y(Ln+l)为：
当发送的信号为二进制相移键控BPSK信号时
y(Ln+l)＝|xI(Ln+l)|+|xQ(Ln+l)|，1≤l≤L；
当发送的信号为一般线性调制信号时
y(Ln+l)＝|x(Ln+l)|，1≤l≤L；
其中，xI(Ln+l)为接收信号x(kTs)的实部，xQ(Ln+l)为接收信号x(kTs)的虚部，L为采样倍数；l为第一序数，l为正整数。
上述记录介质，所述步骤二中精测距信息估计
Figure GDA0002861600670000041
为：
Figure GDA0002861600670000042
其中，c为光速，T为符号周期，arg{}为求复数信号的相位信息，L为采样倍数；N为发送端数据符号的长度；l为第一序数，l为正整数，w(l)为加权因子。
一种基于联合估计的测距装置，采用权利要求1～5之一所述的基于联合估计的测距方法。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明一种数据链***中基于联合估计的测距方法，适用于一般线性调制信号，相对于传统PN序列或伪码测距方法更准确的提升数据链***测距准确度；
(2)本发明一种数据链***中基于联合估计的测距方法，基于过采样信号的绝对值之和进行精测距，可以较低的复杂度让***功耗更高效；
(3)本发明一种数据链***中基于联合估计的测距方法，基于过采样信号精测距信息估计，联合基于短前导段的粗测距信息估计，提升测距作用距离，同时降低测距模糊度。
附图说明
图1为本发明一种数据链***中基于联合估计的测距方法框图；
图2为本发明一种数据链***中基于联合估计的测距方法的测距误差根均方误差性能。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
图1为本发明一种数据链***中基于联合估计的测距方法框图。一种基于联合估计的测距方法，包括如下步骤：
步骤一、根据接收信号x(kTs)获得粗测距信息估计
Figure GDA0002861600670000051
计算接收信号x(kTs)的实部绝对值与虚部绝对值之和y(Ln+l)。
具体的，发送端在T0时刻将发射信号发送出去，发送端发送的数据帧为：s＝{a1,a2,...,ap,b1,b2,...,bd}，包含前导段{a1,a2,...,ap}与数据段{b2,...,bd}。待测飞行器在T0+T1时刻接收到信号后，于T0+T1+T2时刻转发出去，接收端在T0+2T1+T2时刻接收并对信号进行参数估计与测距等处理。接收端接收的接收信号x(kTs)为：
Figure GDA0002861600670000052
其中，Ts为采样时钟，Ts＝T/L；L为采样倍数；T为符号周期；sn为发送端长度为N的数据符号，包含前导段与数据段；g(t)为滤波器；τT为时延，z(t)为高斯白噪声；k为第二序数，k为正整数；n为第三序数，n为正整数。
接收信号还可以表示成：x(kTs)＝{x(Ln+1),x(Ln+2),...,x(Ln+L)}。对接收信号x(kTs)进行定时同步、载波同步与帧同步，然后根据PN序列测距算法或CDMA伪码测距算法进行粗测距信息估计获得
Figure GDA0002861600670000053
接收信号x(kTs)的实部绝对值与虚部绝对值之和y(Ln+l)为：
当发送的信号为二进制相移键控BPSK信号时
y(Ln+l)＝|xI(Ln+l)|+|xQ(Ln+l)|，1≤l≤L；
当发送的信号为一般线性调制信号时
y(Ln+l)＝|x(Ln+l)|，1≤l≤L；
其中，xI(Ln+l)为接收信号x(kTs)的实部，xQ(Ln+l)为接收信号x(kTs)的虚部，L为采样倍数；l为第一序数，l为正整数。
步骤二、对步骤一中的接收信号x(kTs)的实部绝对值与虚部绝对值之和y(Ln+l)进行加权累积处理，计算精测距信息估计
Figure GDA0002861600670000054
精测距信息估计
Figure GDA0002861600670000055
为：
Figure GDA0002861600670000061
其中，c为光速，约为3×108米/秒；T为符号周期，arg{}为求复数信号的相位信息，L为采样倍数；N为发送端数据符号的长度；l为第一序数，l为正整数，w(l)为加权因子，w(l)＝e-j2π(l-1)/L。
对于接收机采用L＝4时，精测距信息估计等效为：
Figure GDA0002861600670000062
步骤三、根据步骤一中的粗测距信息估计
Figure GDA0002861600670000063
和，步骤二中的精测距信息估计
Figure GDA0002861600670000064
计算两个通信终端间准确测距信息估计
Figure GDA0002861600670000065
其中
Figure GDA0002861600670000066
基于联合估计的测距方法可应用于数据链***中。
一种记录介质，所述记录介质上记录了计算机可读程序，该程序被处理器执行时实现如下步骤：
步骤一、根据接收信号x(kTs)获得粗测距信息估计
Figure GDA0002861600670000067
计算接收信号x(kTs)的实部绝对值与虚部绝对值之和y(Ln+l)。
具体的，发送端在T0时刻将发射信号发送出去，发送端发送的数据帧为：s＝{a1,a2,...,ap,b1,b2,...,bd}，包含前导段{a1,a2,...,ap}与数据段{b2,...,bd}。待测飞行器在T0+T1时刻接收到信号后，于T0+T1+T2时刻转发出去，接收端在T0+2T1+T2时刻接收并对信号进行参数估计与测距等处理。接收端接收的接收信号x(kTs)为：
Figure GDA0002861600670000068
其中，Ts为采样时钟，Ts＝T/L；L为采样倍数；T为符号周期；sn为发送端长度为N的数据符号，包含前导段与数据段；g(t)为滤波器；τT为时延，z(t)为高斯白噪声；k为第二序数，k为正整数；n为第三序数，n为正整数。
接收信号还可以表示成：x(kTs)＝{x(Ln+1),x(Ln+2),...,x(Ln+L)}。对接收信号x(kTs)进行定时同步、载波同步与帧同步，然后根据PN序列测距算法或CDMA伪码测距算法进行粗测距信息估计获得
Figure GDA0002861600670000071
接收信号x(kTs)的实部绝对值与虚部绝对值之和y(Ln+l)为：
当发送的信号为二进制相移键控BPSK信号时
y(Ln+l)＝|xI(Ln+l)|+|xQ(Ln+l)|，1≤l≤L；
当发送的信号为一般线性调制信号时
y(Ln+l)＝|x(Ln+l)|，1≤l≤L；
其中，xI(Ln+l)为接收信号x(kTs)的实部，xQ(Ln+l)为接收信号x(kTs)的虚部，L为采样倍数；l为第一序数，l为正整数。
步骤二、对步骤一中的接收信号x(kTs)的实部绝对值与虚部绝对值之和y(Ln+l)进行加权累积处理，计算精测距信息估计
Figure GDA0002861600670000072
精测距信息估计
Figure GDA0002861600670000073
为：
Figure GDA0002861600670000074
其中，c为光速，约为3×108米/秒；T为符号周期，arg{}为求复数信号的相位信息，L为采样倍数；N为发送端数据符号的长度；l为第一序数，l为正整数，w(l)为加权因子，w(l)＝e-j2π(l-1)/L。
对于接收机采用L＝4时，精测距信息估计等效为：
Figure GDA0002861600670000075
步骤三、根据步骤一中的粗测距信息估计
Figure GDA0002861600670000076
和，步骤二中的精测距信息估计
Figure GDA0002861600670000077
计算两个通信终端间准确测距信息估计
Figure GDA0002861600670000078
其中
Figure GDA0002861600670000079
一种基于联合估计的测距装置，采用基于联合估计的测距方法实现。
实施例1：
将本发明测距方法的性能仿真结果与测距的理论性能限进行比较，图2为本发明一种数据链***中基于联合估计的测距方法的测距误差根均方误差性能。采用BPSK信号，过采样L＝4倍，滚降系数为α＝0.1、0.35，设过采样信号N＝1000，在10MHz符号速率时粗测距方法精确度为0.1μs×3×108m/s＝30m。分析可知，α＝0.1时，SNR＝10dB、20dB、30dB对应测距误差的均方误差为0.26m、0.07m、0.02m；α＝0.35时，SNR＝10dB、20dB、30dB对应测距误差的均方误差为0.19m、0.05m、0.01m。在信噪比SNR>10dB的时候，本发明算法测距误差的均方误差可接近理论性能限，极大的提升了传统粗测距算法受限于信号速率的测距性能。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种基于联合估计的测距方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、根据接收信号x(kTs)获得粗测距信息估计
Figure FDA0002861600660000011
计算接收信号x(kTs)的实部绝对值与虚部绝对值之和y(Ln+l)；
步骤二、对步骤一中的接收信号x(kTs)的实部绝对值与虚部绝对值之和y(Ln+l)进行加权累积处理，计算精测距信息估计
Figure FDA0002861600660000012
步骤三、根据步骤一中的粗测距信息估计
Figure FDA0002861600660000013
和，步骤二中的精测距信息估计
Figure FDA0002861600660000014
计算两个通信终端间准确测距信息估计
Figure FDA0002861600660000015
其中
Figure FDA0002861600660000016
所述步骤一中对接收信号x(kTs)进行定时同步、载波同步与帧同步，然后根据PN序列测距算法或CDMA伪码测距算法进行粗测距信息估计获得
Figure FDA0002861600660000017
所述步骤二中精测距信息估计
Figure FDA0002861600660000018
为：
Figure FDA0002861600660000019
其中，c为光速，T为符号周期，arg{}为求复数信号的相位信息，L为采样倍数；N为发送端数据符号的长度；l为第一序数，l为正整数，w(l)为加权因子。
2.根据权利要求1所述的一种基于联合估计的测距方法，其特征在于：所述步骤一中接收信号x(kTs)的实部绝对值与虚部绝对值之和y(Ln+l)为：
当发送的信号为二进制相移键控BPSK信号时
y(Ln+l)＝|xI(Ln+l)|+|xQ(Ln+l)|，1≤l≤L；
当发送的信号为一般线性调制信号时
y(Ln+l)＝|x(Ln+l)|，1≤l≤L；
其中，xI(Ln+l)为接收信号x(kTs)的实部，xQ(Ln+l)为接收信号x(kTs)的虚部。
3.根据权利要求1所述的一种基于联合估计的测距方法，其特征在于：该测距方法应用于数据链***中。
4.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质上记录了计算机可读程序，该程序被处理器执行时实现如下步骤：
步骤一、根据接收信号x(kTs)x(kTs)获得粗测距信息估计
Figure FDA0002861600660000021
计算接收信号x(kTs)的实部绝对值与虚部绝对值之和y(Ln+l)；
步骤二、对步骤一中的接收信号x(kT)的实部绝对值与虚部绝对值之和y(Ln+l)进行加权累积处理，计算精测距信息估计
Figure FDA0002861600660000022
步骤三、根据步骤一中的粗测距信息估计
Figure FDA0002861600660000023
和，步骤二中的精测距信息估计
Figure FDA0002861600660000024
计算两个通信终端间准确测距信息估计
Figure FDA0002861600660000025
其中
Figure FDA0002861600660000026
所述步骤一中对接收信号x(kTs)进行定时同步、载波同步与帧同步，然后根据PN序列测距算法或CDMA伪码测距算法进行粗测距信息估计获得
Figure FDA0002861600660000027
所述步骤二中精测距信息估计
Figure FDA0002861600660000028
为：
Figure FDA0002861600660000029
其中，c为光速，T为符号周期，arg{}为求复数信号的相位信息，L为采样倍数；N为发送端数据符号的长度；l为第一序数，l为正整数，w(l)为加权因子。
5.根据权利要求4所述的一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述步骤一中接收信号x(kTs)的实部绝对值与虚部绝对值之和y(Ln+l)为：
当发送的信号为二进制相移键控BPSK信号时
y(Ln+l)＝|xI(Ln+l)|+|xQ(Ln+l)|，1≤l≤L；
当发送的信号为一般线性调制信号时
y(Ln+l)＝|x(Ln+l)|，1≤l≤L；
其中，xI(Ln+l)为接收信号x(kTs)的实部，xQ(Ln+l)为接收信号x(kTs)的虚部。
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