一种等效信号级TOA测量的快速仿真方法和装置与流程

本发明涉及多点定位技术领域，尤其是一种等效信号级toa测量的快速仿真方法和装置。

背景技术：

多点定位技术目前是国内外研究的一个热点，其中信号toa测量精度直接决定了多点定位系统的精度，目前普遍通过产生数字信号进行toa测量和估计，简称为信号级仿真，该过程是进行算法验证的过程，也可称为算法模块仿真过程，但这种方法比较适用于单个平台单个目标信号toa算法的验证；当进行多点定位系统仿真时，toa算法由单个目标变成多个目标，站点由单个站点变成多个站点，系统还需要考虑站间同步、时钟漂移、步站阵型、步站误差等其它因素的影响，同时需要增加多点定位系统其他各种复杂算法验证，其运算量远远比单目标单平台信号toa算法大很多，对于观察整个仿真系统的效果如果采用信号级仿真的方法往往需要等很长时间，不利于快速评估系统整体的运行效果。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：针对采用信号级仿真的方法需要等很长时间，不利于快速评估系统整体的运行效果的问题，提供一种等效信号级toa测量的快速仿真方法和装置。

本发明采用的技术方案如下：

一种等效信号级toa测量的快速仿真方法，包括：

步骤1，通过信号级toa算法模块仿真，获得信号接收功率与toa的数学关系式；

步骤2，根据目标的信号发射功率计算信号接收功率，利用信号接收功率与toa的数学关系式，计算得到toa估计值。

进一步地，步骤1具体包括：

(1)建立等效信号级toa测量的算法仿真模型；

(2)基于建立的算法仿真模型，以信号接收功率为自变量，toa误差为因变量进行蒙的卡罗仿真，获得不同信号接收功率下的toa均方根误差；

(3)通过统计不同信号接收功率下的toa均方根误差，获得信号接收功率与toa的关系；

(4)根据信号接收功率与toa的关系，通过非线性拟合确定信号接收功率与toa的数学关系式：

toai＝ζ(pi)＝a*pi³+b*pi²+c*pi¹+d

其中，toai表示第i次toa的测量结果，pi表示信号接收功率，参数a、b、c、d的值由matlab经过非线性拟合获得。

进一步地，建立等效信号级toa测量的toa测量算法仿真模型需要根据信号波形的特点进行设计。

进一步地，步骤2具体包括：

(1)根据目标发射功率pt和信道损耗lp计算信号接收功率pr：pr＝pt-lp；

(2)利用信号接收功率与toa的数学关系式，由信号接收功率pr计算得到toa估计值。

进一步地，所述信道损耗lp包括：路径损耗ld、阴影衰落ls、多径衰落lmpath：lp＝ld+ls+lmpath。

进一步地，所述路径损耗ld的计算公式为：ld＝32.4+20lgf+20lgd，其中，d为目标与侦收平台之间的距离，f为载波频率。

进一步地，所述阴影衰落ls用一个概率密度呈对数正态分布的随机变量xσ来描述，xσ均值为0，标准差为σ。

进一步地，所述多径衰落lmpath用一个概率密度呈瑞利分布或莱斯分布随机变量yμ来描述，yμ均值为0，标准差为μ。

进一步地，对多种信号类型的toa测量时，对每种信号类型分别对应一个信号接收功率和toa的数学表达式；根据不同信号类型对应的信号接收功率和toa的数学表达式，分别进行计算得到不同信号类型的toa估计值。

一种等效信号级toa测量的快速仿真装置，包括：

算法仿真模块，用于通过信号级toa算法模块仿真，获得信号接收功率与toa的数学关系式；

系统仿真模块，用于根据目标的信号发射功率计算信号接收功率，利用信号接收功率与toa的数学关系式，计算得到toa估计值。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明通过算法模块仿真获得信号接收功率与toa的数学关系式，在系统仿真时，直接由数学关系式得到toa估计值，不再进行信号发射接收仿真处理流程，从而避免了大量计算，通过实验，本发明的等效信号级toa测量的快速仿真方法(简称功能级仿真)比信号级仿真测量方法速度快50倍以上，该方法在不影响仿真效果的同时，快速提升了系统的仿真速度，其有效解决多点定位系统级仿真速度慢的问题，在不损失整体性能的情况下，有利于系统指标的快速验证。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的等效信号级toa测量的快速仿真方法的流程图。

图2为信号级仿真与本发明的功能级仿真实现结构对比图。

图3为非线性拟合信号接收功率与toa精度关系图。

图4为理想路径损耗情况下信号接收功率与目标距离之间关系图。

图5为信道环境下信号接收功率与目标距离之间关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例以ads-b信号为例，其它信号如s模式询问应答信号、m3a/c询问应答信号、dme询问应答信号均可按照此方法进行验证。本实施例提供的一种等效信号级toa测量的快速仿真方法，如图1所示，包括：

步骤1，算法模块仿真：通过信号级toa算法模块仿真，获得信号接收功率与toa的数学关系式：

(1)建立等效信号级toa测量的算法仿真模型：根据信号波形的特点进行设计。目前多点定位比较常见的算法包括：脉冲前沿toa测量算法、脉冲匹配滤波toa测量算法、脉冲差分匹配滤波toa测量算法等等。本实施例ads-b信号主要采用了脉冲匹配滤波toa测量算法，其仿真实现过程如图2中信号级仿真过程所示。

(2)基于建立的算法仿真模型，采用matlab编写信号产生模块、信号接收模块，toa算法测量模块，以信号接收功率为自变量，toa误差为因变量进行蒙的卡罗仿真，获得不同信号接收功率下的toa均方根误差。进行n次仿真的toa均方根误差的评估公式为：

ads-b信号在-90dbm～-50dbm功率范围内以5dbm功率为步进进行蒙的卡罗仿真，在每个功率点仿真的次数n为1000，toa均方根误差如图3所示。

(3)通过统计不同信号接收功率下的toa均方根误差，获得信号接收功率与toa的关系：

(4)根据信号接收功率与toa的关系，通过非线性拟合确定信号接收功率与toa的数学关系式：

toai＝ζ(pi)＝a*pi³+b*pi²+c*pi¹+d

其中，toai表示第i次toa的测量结果，pi表示信号接收功率，参数a、b、c、d的值由matlab经过非线性拟合获得，非线性拟合的效果如图3中的实线所示。

步骤2，系统仿真：根据目标的信号发射功率计算信号接收功率，利用信号接收功率与toa的数学关系式，计算得到toa估计值。

(1)根据目标发射功率pt和信道损耗lp计算信号接收功率pr：pr＝pt-lp；

通过侦收平台接收目标信号，目标的信号发射功率假设为pt和信道损耗为lp，信道损耗lp包括：路径损耗ld、阴影衰落ls、多径衰落lmpath：

lp＝ld+ls+lmpath

对于航空监视信号，所述路径损耗ld的计算公式为：

ld＝32.4+20lgf+20lgd

其中，d为目标与侦收平台之间的距离(单位km)，f为载波频率(单位mhz)。本实施例测量ads-b信号在理想路径损耗情况下，信号接收功率pr与目标距离d的关系如图4所示。由图可知，随着距离的增加，接收功率逐渐减小，其关系是时不变、一一对应的。

所述阴影衰落ls的概率密度函数服从对数正态分布，用一个概率密度呈对数正态分布的随机变量xσ来描述，xσ均值为0，标准差为σ。

所述多径衰落lmpath的概率密度函数服从瑞利分布或莱斯分布，用一个概率密度呈瑞利分布或莱斯分布随机变量yμ来描述，yμ均值为0，标准差为μ。

综上所述，信号接收功率pr表示为：

pr＝pt-lp＝pt-(ld-xσ-yμ)

本实施例测量ads-b信号的信道损耗lp时，信号接收功率pr与目标距离d的关系如图5所示。由图可知，随着距离的增加，接收功率与目标距离的关系是非线性的和时变的。

(2)利用信号接收功率与toa的数学关系式，由信号接收功率pr计算得到toa估计值。将计算得到的信号接收功率pr代入信号接收功率与toa的数学关系式，计算出该目标位置的toa估计值，实现目标信号的toa测量。

基于上述等效信号级toa测量的快速仿真方法，本实施例还提供一种等效信号级toa测量的快速仿真装置，包括：

算法仿真模块，用于通过信号级toa算法模块仿真，获得信号接收功率与toa的数学关系式；

系统仿真模块，用于根据目标的信号发射功率计算信号接收功率，利用信号接收功率与toa的数学关系式，计算得到toa估计值。

该等效信号级toa测量的快速仿真装置中的功能模块的运行过程已由上述等效信号级toa测量的快速仿真方法的流程描述进行了说明，在此不再赘述。

根据本发明方法的实现过程可以知道，本发明通过算法模块仿真获得信号接收功率与toa的数学关系式，在系统仿真时，直接由数学关系式得到toa估计值，不再进行信号发射接收仿真处理流程，从而避免了大量计算，通过实验，本发明的等效信号级toa测量的快速仿真方法(简称功能级仿真)比信号级仿真测量方法速度快50倍以上，该方法在不影响仿真效果的同时，快速提升了系统的仿真速度，其有效解决多点定位系统级仿真速度慢的问题，在不损失整体性能的情况下，有利于系统指标的快速验证。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。