一种结合载波相位的超带宽距离估计方法与流程

1.本发明涉及到达时间估计技术领域，特别是涉及一种结合载波相位的超带宽距离估计方法。


背景技术：

2.uwb系统，是采用纳秒级脉冲传输信息的通讯系统，由于其脉冲短、带宽大，具有优异的区分多径信号的能力，在室内等复杂环境条件下，能够精准的测量电磁波飞行时间，能够进行高精度的测距和定位。uwb系统的带宽一般是500mhz以上，对应的一个脉冲的时间宽度大约为2ns。
3.接收机进行对uwb信号进行到达时间估计的方法是寻找前导码信号的信道冲击响应中的第一径信号，找到第一径信号在信道冲击响应中的大致位置后，接下来需要做精确到达时间估计，接收机提取第一径峰值点前后的若干个累加器样本点的幅度值，峰值点附近的样本点应当是对uwb脉冲包络的离散采样，到达时间的精确估计就是匹配离散点和已知包络形状在时间上的对应关系，实际匹配算法需要考虑计算复杂度和精度的一个平衡，已经有很多相关论文研究基于包络的到达时间估计方法，uwb标准802.15.4中也有具体的算法描述。
4.现有到达时间估计算法，仅仅处理第一径信号的幅度信息，将第一径信号峰值附近的若干个样本和已知包络进行匹配，估计出峰值的位置从而得到到达时间，由于uwb接收机adc的采样频率有限，实际大多采用1ghz采样率，单个uwb脉冲时间宽度约为2ns，脉冲内有效的样本点数大约为3个，数量较少。目前采用上述到达时间估计方法的主流的uwb接收机大约能够达到正负6cm的测距精度。
5.本发明涉及的技术术语解释如下：
6.uwb：ultra wide band，超宽带
7.toa：time of arrival，到达时间
8.adc：analog to digital conveter，模拟数字转换器
9.twr：two way ranging，双向测距。


技术实现要素：

10.本发明所要解决的技术问题是提供一种结合载波相位的超带宽距离估计方法，能够大大提升uwb测距和定位的精度。
11.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种结合载波相位的超带宽距离估计方法，包括以下步骤：
12.(1)接收uwb发起端发送的前导码，所述前导码分为第一部分和第二部分，所述第一部分和第二部分的载波频率不同；
13.(2)根据接收到的前导码，确定第一部分的载波相位值和第二部分的载波相位值；
14.(3)基于包络信息完成测距流程，得到估计距离，且设定所述估计距离与实际距离
的误差范围；
15.(4)根据所述估计距离、所述第一部分的载波相位值、所述第二部分的载波相位值、以及所述第一部分的载波波长和所述第二部分的载波波长计算第一参数；
16.(5)根据所述估计距离与实际距离的误差范围、所述第一部分的载波波长和所述第二部分的载波波长确定第二参数取值范围；
17.(6)采用所述第一参数、第二参数和所述第一部分的载波频率系数和第二部分的载波频率系数构建目标函数，并求取目标函数最小时的第二参数；
18.(7)根据所述第一参数、第二参数、以及第一部分的载波波长或第二部分的载波波长计算所述实际距离。
19.所述第一部分的载波频率w1＝mw0，所述第二部分的载波频率w2＝nw0，其中，w0为晶振的基准频率，m和n分别为所述第一部分的载波频率系数和第二部分的载波频率系数，且为互质整数。
20.所述步骤(4)中通过计算第一参数，其中，k
′
和j
′
分别为第一部分的第一参数和第二部分的第一参数；r为估计距离，λ1和λ2分别为所述第一部分的载波波长和所述第二部分的载波波长，φ1和φ2分别为所述第一部分的载波相位值和第二部分的载波相位值，{
·
}表示取小数部分，mod(
·
,
·
)表示取模。
21.所述步骤(5)通过确定第二参数取值范围，其中，m
′
和n
′
分别为第一部分的第二参数和第二部分的第二参数，er为所述估计距离与实际距离的误差范围，λ1和λ2分别为所述第一部分的载波波长和所述第二部分的载波波长。
22.所述步骤(6)中的目标函数为|(m
′
+k
′
)n-(n
′
+j
′
)m|，其中，k
′
和j
′
分别为第一部分的第一参数和第二部分的第一参数，m
′
和n
′
分别为第一部分的第二参数和第二部分的第二参数，m和n分别为所述第一部分的载波频率系数和第二部分的载波频率系数。
23.所述步骤(7)中通过r0＝r+(m
′
+k
′
)λ1或r0＝r+(n
′
+j
′
)λ2计算所述实际距离，其中，r0表示实际距离，k
′
和j
′
分别为第一部分的第一参数和第二部分的第一参数，m
′
和n
′
分别为第一部分的第二参数和第二部分的第二参数，r为估计距离，λ1和λ2分别为所述第一部分的载波波长和所述第二部分的载波波长。
24.有益效果
25.由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过结合已有的uwb到达时间估计方法以及载波相位信息处理，大大提升uwb的到达时间估计精度，能够实现毫米级别的测距精度，大大提升了uwb系统的测距精度和定位精度。
附图说明
26.图1是本发明实施方式的流程图。
具体实施方式
27.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
28.本发明的实施方式涉及一种结合载波相位的超带宽距离估计方法，如图1所示，包括以下步骤：
29.接收uwb发起端发送的前导码，所述前导码分为第一部分和第二部分，所述第一部分和第二部分的载波频率不同；
30.根据接收到的前导码，确定第一部分的载波相位值和第二部分的载波相位值；
31.基于包络信息完成测距流程，得到估计距离，且设定所述估计距离与实际距离的误差范围；
32.根据所述估计距离、所述第一部分的载波相位值、所述第二部分的载波相位值、以及所述第一部分的载波波长和所述第二部分的载波波长计算第一参数；
33.根据所述估计距离与实际距离的误差范围、所述第一部分的载波波长和所述第二部分的载波波长确定第二参数取值范围；
34.采用所述第一参数、第二参数和所述第一部分的载波频率系数和第二部分的载波频率系数构建目标函数，并求取目标函数最小时的第二参数；
35.根据所述第一参数、第二参数、以及第一部分的载波波长或第二部分的载波波长计算所述实际距离。
36.本实施方式中的测距方法需要通过uwb发射机和uwb接收机实现。uwb发射机主要功能为脉冲成型和上变频，载波频率和系统时钟频率是从同一个晶振源通过倍频得到。发射uwb脉冲信号的数学表达式为：其中，s(t)为脉冲信号包络，w为载波频率，为载波初始相位。本实施方式中的发射机需要实现包络和载波的同步，保证每个发送脉冲的为一常数，不失一般性，假设为0度。
37.uwb发射机发送的前导码为重复发送的若干个符号，本实施方式中的发射机，将前导码分为第一部分和第二部分，第一部分和第二部分的载波频率略有差异，第一部分脉冲信号的数学表达式为：第二部分脉冲信号的数学表达式为：在uwb的物理层标准802.15.4z中，增加了sts段，sts段是一个经过扰码加密的前导码信号，非常适合作为本实施方式的第二段前导码信号。
38.设晶振的基准频率为w0，w1＝mw0，w2＝nw0，m和n分别为所述第一部分的载波频率系数和第二部分的载波频率系数，且为互质整数，且w1和w2均应在标准载波频率附近，例如：标准载波频率为6489.6mhz，晶振频率为w0＝38.4mhz，可以选择m＝169，n＝168，则w1＝mw0＝169
×
38.4mhz＝6489.6mhz，w2＝nw0＝168
×
38.4mhz＝6451.2mhz。
39.一个前导码符号数量为128的信号，分割的两部分分别为64个符号，每个符号的时
间长度大约为1us，因此两部分相差64us，在低速情况下(《10m/s)，64us内移动的距离不超过0.64mm，可以忽略，因此可以近似认为第一部分和第二部分同时发送。
40.uwb接收机收发两端进行正常的测距流程，分别接收两段前导码信号，得到第一部分的载波相位值和第二部分的载波相位值：φ1和φ2，取值范围均为[0,2π)，并且已经通过包络信息估计得到测距为r，假设实际距离为r0，测距误差小于10cm，即所述估计距离与实际距离的误差范围er＝0.1。
[0041]
有：r0＝r+δr＝(m+k)λ1，其中，m≥0为整周数，
[0042]
又有：r0＝r+δr＝(n+j)λ2，其中，n≥0为整周数，
[0043]
因为r为已知观测量，两边减去r，可以得到：
[0044]
δr＝(m
′
+k
′
)λ1＝(n
′
+j
′
)λ2[0045]
其中，m
′
和n
′
分别为第一部分的第二参数和第二部分的第二参数，且均为整数，k
′
和j
′
分别为第一部分的第一参数和第二部分的第一参数，k
′
∈[0,1),j
′
∈[0,1)，其中，{
·
}表示取小数部分，mod(
·
,
·
)表示取模，将结果归一化到[0,1)。由于δr≤er，那么必然有本实施方式中，er＝0.1，因此则有对于载波频率为6489.6mhz的uwb信号，波长约为4.6cm，那么就有：
[0046]-3≤m
′
≤2
[0047]-3≤n
′
≤2
[0048]
根据之前的频率设定，有：
[0049]
(m
′
+k
′
)λ1＝(n
′
+j
′
)λ2[0050]
(m
′
+k
′
)n＝(n
′
+j
′
)m
[0051]
考虑噪声的存在，第二参数m
′
和n
′
的解是从的取值范围中选出令(m
′
+k
′
)n-(n
′
+j
′
)m|最小的值。
[0052]
得到第二参数m
′
和n
′
后，可以通过r0＝r+(m
′
+k
′
)λ1或r0＝r+(n
′
+j
′
)λ2计算所述实际距离。
[0053]
由此可见，本发明通过结合已有的uwb到达时间估计方法以及载波相位信息处理，大大提升uwb的到达时间估计精度，能够实现毫米级别的测距精度，大大提升了uwb系统的测距精度和定位精度。