一种适应于宽带无线定位系统中的精确信号传播时延估计方法及实现装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种适应于宽带无线定位系统中的精确信号传播时延估计方法及实 现装置，属于通信技术领域。
【背景技术】
[0002] 在无线电导航定位系统中，时延估计是极其重要的环节，因为它直接牵扯到测距 定位的精确度。传统方法中常采用时钟同步的方法来减小时延误差，但是在采用具体电路 实现该环节时，若使用实时原子钟，虽然能保证较高的时间精准度，但是成本过高，不利于 广泛应用；根据目前的硬件水平，可以使用时钟频率在几十兆至几百兆，稳准度在0.lpprn 至lppm之间的石英晶振和计数器来进行时间同步，但是每次加电或复位后时钟计数器会 从零开始计数，时钟同步的校正实现起来也非常麻烦。鉴于时钟同步这个方法中存在的种 种弊端，如果可以找到一种高精度的时间估计算法来减弱整个系统对时钟同步方面的依 赖，对于这个问题的解决将会大有裨益。结合已有的时间延迟估计理论和上述分析我们可 以得到下述结论：时延估计算法的时间分辨率决定了测距定位的精度，而时延估计方法的 优劣则决定了整个测距定位系统的好坏。从这个角度考虑，解决这一问题，我们可以从时延 估计方法这个方向着手。目前应用较为广泛的时延估计方法有下面两种，但都有其局限性。 基于匹配滤波的相干传播时间延迟估计，需要非常精准的本地参考模板并且要借助采样速 率极高的模数转换芯片，估计速度较慢，但是精度较高；基于能量检测的非相干传播时间延 迟估计，不需要本地模板信号和极高的信号采样速率，虽然估计速度相对较快，但是精度较 低。无论依靠上述哪种传播时间延迟估计方法，都需要借助时钟速率极高的模数转换芯片 来完成采样工作，模数转换芯片的时钟速率直接决定了导航定位的测距精度。依照目前的 硬件水平，即使得到了高速的采样数据，常规数字信号处理芯片在数据处理环节上也是无 能为力，当然，定位跟踪系统实时性的功能也就更难以得到保障了。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术的不足，本发明提供一种适应于宽带无线定位系统中的精确信号传 播时延估计方法。该方法涉及宽带无线定位系统中的精确信号传播时间延迟估计问题，是 一种利用本地伪随机序列滑动相关匹配和样点梳状滤波器比对的方式来进行高精度传播 时间延迟估计的方法。使用本方法可以在保证测距定位精确度的同时降低无线电测距计算 复杂度和硬件成本，可以广泛应用于无线电导航定位系统中。
[0004] 本发明还提供一种实现上述方法的实现装置。
[0005] 本发明的技术方案如下：
[0006] -种适应于宽带无线定位系统中的精确信号传播时延估计方法，包括步骤如下：
[0007] 在发射端包括：
[0008] 1)利用信号生成装置生成原始信号序列，然后利用扩频装置对原始信号序列进行 本地扩频调制，得到扩频信号序列；
[0009] 2)利用波形滤波器进行码片成形，得到扩频信号，即扩频后的波形信号；该操作 可以降低抽样时序列中零值出现的概率，然后将信号经过调制器调制后通过天线发射出 去；
[0010] 在定位接收端包括：
[0011] 3)接收端本地信号生成模块生成与发射端扩频信号序列相同的码序列，并将该码 序列扩展成为和接收信号序列长度相同的码序列，即扩频码序列；
[0012] 4)接收信号先通过低噪放大器模块和解调模块后解调为基带信号，然后利用抽样 模块对扩频码序列和解调后的基带信号进行相同时间间隔的抽样，进入到计算模块中对两 个抽样后的序列进行相关运算和峰值比较，得到信号的大步进时间延迟估计的结果；
[0013] 5)在所述大步进时间延迟估计的基础上，在最强能量块附近的前后若干样点间， 利用梳状滤波器组估计出单个码片内的精准传播时间延迟估计的结果；所述的最强能量块 为步骤4)中所述峰值所对应的时间点；
[0014] 6)将大步进时间延迟估计的结果和精准传播时间延迟估计的结果相加，即得到无 线电定位系统的传播时间延迟估计。
[0015] 根据本发明优选的，所述扩频信号为利用伪随机序列调制后的扩频信号，各码片 采用三角波波形成形；所述定位接收端的模数转换器的时钟速率为整数倍码片速率，定位 接收端采用与发射端完全相同的伪随机序列进行相关匹配运算、并寻找最大相关峰的具体 位置，从而完成大步进信号传播时间延迟估计。
[0016] 根据本发明优选的，所述定位接收端的模数转换器的时钟速率为4-12倍码片速 率。
[0017] 根据本发明优选的，所述定位接收端的接收信号r(t)表示为：
[0018]
【主权项】
1. 一种适应于宽带无线定位系统中的精确信号传播时延估计方法，其特征在于，该方 法包括步骤如下： 在发射端包括： 1) 利用信号生成装置生成原始信号序列，然后利用扩频装置对原始信号序列进行本地 扩频调制，得到扩频信号序列； 2) 利用波形滤波器进行码片成形，得到扩频信号，即扩频后的波形信号；在定位接收 端包括： 3) 接收端本地信号生成模块生成与发射端扩频信号序列相同的码序列，并将该码序列 扩展成为和接收信号序列长度相同的码序列，即扩频码序列； 4) 接收信号先通过低噪放大器模块和解调模块后解调为基带信号，然后利用抽样模块 对扩频码序列和解调后的基带信号进行相同时间间隔的抽样，进入到计算模块中对两个抽 样后的序列进行相关运算和峰值比较，得到信号的大步进时间延迟估计的结果； 5) 在所述大步进时间延迟估计的基础上，在最强能量块附近的前后若干样点间，利用 梳状滤波器组估计出单个码片内的精准传播时间延迟估计的结果；所述的最强能量块为步 骤4)中所述峰值所对应的时间点； 6) 将大步进时间延迟估计的结果和精准传播时间延迟估计的结果相加，即得到无线电 定位系统的传播时间延迟估计。
2. 根据权利要求1所述的一种适应于宽带无线定位系统中的精确信号传播时延估计 方法，其特征在于，所述扩频信号为利用伪随机序列调制后的扩频信号，各码片采用三角波 波形成形；所述定位接收端的模数转换器的时钟速率为整数倍码片速率，定位接收端采用 与发射端完全相同的伪随机序列进行相关匹配运算、并寻找最大相关峰的具体位置，从而 完成大步进信号传播时间延迟估计。
3. 根据权利要求2所述的一种适应于宽带无线定位系统中的精确信号传播时延估计 方法，其特征在于，所述定位接收端的模数转换器的时钟速率为4-12倍码片速率； 所述定位接收端的接收信号r(t)表示为：
在公式（I)中a为单个波形能量，h表示信息码元，用于传输信息，同时平滑信号的功 率谱密度，i表示帧序号，Tfranre为帧周期，j表示码片序号，T表示码片周期，一帧内的码 片数为N = TframZTc^, f。为调制载波中心频率，n(t)为加性高斯白噪声，dm(t)表示单个发 送波形经无线信道传输后到达定位接收端的波形，表示为
在公式（II)，ω (t)为归一化能量发送脉冲波形，此处为三角波脉冲，持续时间为TMde， 数据点间隔时间为Itei，每个波形产生K个样点；L为多径分量总数，|^与τ 1分别表示第 1个多径分量的增益及到达时间。
4. 根据权利要求1所述的一种适应于宽带无线定位系统中的精确信号传播时延估计 方法，其特征在于，所述定位接收端的基带信号r b_band(t)为 nr, ΛΓ-1 所述伪随机序列模板信号记为
在公式（IV)中，bk为第k个码片值，bke {+1，-1}，伪随机序列长度与一帧内的码片数 相同，均为N。
5. 根据权利要求4所述的一种适应于宽带无线定位系统中的精确信号传播时延估计 方法，其特征在于，利用步骤3)、步骤4)的方法将本地扩频序列进行扩展，使得扩展后的新 序列和基带信号r b_band(t)的长度相同，具体操作方法是将每一个扩频码的长度扩展到对 应的码片周期内的数据点的个数，得到本地参考信号temp n(t)为：
在公式（V)中，此处从第k个采样点位置开始对一个码片周期长度内的数据以1；为间 隔周期进行采样，同时也对进行扩展后的扩频码序列按照Ts为间隔周期进行采样，然后将 两个采样结果做相关匹配运算：
在公式（VI)中，从上述相关值数据中寻找最大相关峰，最大相关峰对应的位置即大步 进时延同步点的位置：
用一帧内的样点数与所述最大相关峰相减，并与采样间隔Ts相乘便得到大步进传播时 延估计值：
6. 根据权利要求5所述的一种适应于宽带无线定位系统中的精确信号传播时延估 计方法，其特征在于，所述步骤5)中，以R1(I^t)中最大相关峰所在位置为中心，对所得 到的相关值数据排成的序列向左、向右分别各取Q个点，得到一个相关值序列R 1(Ii), η =-Q，L，-1，0, 1，L，Q，这里R1 (O)表示相关峰所在位置，即大步进时延峰值点处的相关值，其 它相关值R1 (η)则表示延迟了 η个采样点的相关值，R1 (η)表示为
将上述的 2Q+1 个 R1 (η)记做矢量 R，R = [R (-Q)，LR (O)，LR (Q)]。
7. 根据权利要求5所述的一种适应于宽带无线定位系统中的精确信号传播时延估计 方法，其特征在于，步骤5)中，以步骤4)中得到的大步进时延同步点的中心位置为起始点， 对一个码片周期内的数据点以T s为间隔进行周期采样，得到一个样本点序列；将采样起始 点平移Itei，再对一个码片周期内的数据以T s为间隔周期进行采样，得到另一个序列；逐个 样点平移并重复上述过程，直到平移了 1；时刻停止，即得到T/1^组样本点序列； 以上述平移样点序列作为梳状滤波器组的系数，记为Γ，将第二步中所得的R利用所 述梳状滤波器Γ进行滤波比对；此时，经梳状滤波器输出为一个新的相关值序列
从上述Ts/Ttai组相关值数据中寻找最大相关峰的位置
其与时移间隔Itei相乘便可得到精准的无线电信号传播时延估计值：
8. 根据权利要求7所述的一种适应于宽带无线定位系统中的精确信号传播时延估计 方法，其特征在于，所述步骤6)中，将大步进传播时间延迟估计和精准时间延迟估计相加 即得到整个测距定位系统的信号传播时延估计值：
9. 一种实现如权利要求1-8任意一项所述估计方法的装置，其特征在于，该装置包括 发射端和定位接收端，发射端包括信号生成装置、扩频装置、波形滤波器、调制器和天线；定 位接收端包括低噪放大器模块、解调模块、抽样模块、接收端本地信号生成模块、计算模块 和梳状滤波器；所述抽样模块包括模数转换器。
【专利摘要】本发明提供一种适应于宽带无线定位系统中的精确信号传播时延估计方法。该方法涉及宽带无线定位系统中的精确信号传播时间延迟估计问题，是一种利用本地伪随机序列滑动相关匹配和样点梳状滤波器比对的方式来进行高精度传播时间延迟估计的方法。使用本方法可以在保证测距定位精确度的同时降低无线电测距计算复杂度和硬件成本，可以广泛应用于无线电导航定位系统中。
【IPC分类】H04W64-00, H04W24-06
【公开号】CN104735713
【申请号】CN201510127597
【发明人】熊海良, 高丽梅, 元辉, 朱维红, 马丕明
【申请人】山东大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月23日