RU2524843C2 - Method of measuring time of arrival of signal and apparatus for realising said method - Google Patents

Method of measuring time of arrival of signal and apparatus for realising said method Download PDF

Info

Publication number
RU2524843C2
RU2524843C2 RU2012152893/08A RU2012152893A RU2524843C2 RU 2524843 C2 RU2524843 C2 RU 2524843C2 RU 2012152893/08 A RU2012152893/08 A RU 2012152893/08A RU 2012152893 A RU2012152893 A RU 2012152893A RU 2524843 C2 RU2524843 C2 RU 2524843C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signal
values
maximum
time
dkkf
Prior art date
Application number
RU2012152893/08A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012152893A (en
Inventor
Борис Муссаевич Боташев
Алексей Анатольевич Скрипкин
Александр Васильевич Тулинов
Владимир Александрович Щербачев
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро по радиоконтролю систем управления, навигации и связи" (ОАО "КБ "Связь")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро по радиоконтролю систем управления, навигации и связи" (ОАО "КБ "Связь") filed Critical Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро по радиоконтролю систем управления, навигации и связи" (ОАО "КБ "Связь")
Priority to RU2012152893/08A priority Critical patent/RU2524843C2/en
Publication of RU2012152893A publication Critical patent/RU2012152893A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2524843C2 publication Critical patent/RU2524843C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: physics, computer engineering.
SUBSTANCE: invention relates to means of measuring the time of arrival of two-position angular manipulated signals at a receiving position. The technical result is achieved by eliminating receiving frequency uncertainty, which eliminates the need for two-dimensional search of arguments of the maximum of a two-dimensional discrete cross-correlation function (DCCF) for the two-position angular manipulated signal, thereby avoiding the search for the argument of the maximum of a one-dimensional DCCF. A two-level modulating signal is generated and differentially decoded. Each symbol of the differentially decoded signal is mapped onto a corresponding number of readings of the received signal converted to digital relative to the time scale of the receiving position by repeating values of the differentially decoded signal with increase in sampling frequency thereof to the sampling frequency of the received signal converted to digital. A second digital data stream is generated, which is converted using fast Fourier transform to values of a second spectrum.
EFFECT: high computational efficiency and high measurement accuracy.
5 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для измерения времени прихода сигналов с двухпозиционной угловой манипуляцией на приемной позиции.The invention relates to radio engineering and can be used to measure the time of arrival of signals with on-off angle manipulation at the receiving position.

Измерение времени прихода (ВП) сигналов на приемной позиции с известными координатами имеет большое значение в системах дальней космической связи с космическими аппаратами (КА) типа Mars Polarlander, Mars Pathfinder [1] или с КА типа Voyager и Galileo [2], в том числе для определения параметров движения таких КА.The measurement of the arrival time (VP) of signals at a receiving position with known coordinates is of great importance in systems of long-distance space communications with spacecraft (SC) of the Mars Polarlander, Mars Pathfinder type [1] or with the Voyager and Galileo type spacecraft [2], including to determine the motion parameters of such spacecraft.

Известен ряд способов измерения ВП сигналов, в том числе с разнесенных приемных позиций [3-6], основанных на нахождении аргументов максимума двумерной кросс-корреляционной функции, потенциально дающих статистически оптимальные максимально правдоподобные оценки. Однако потенциальная точность способов [3-6] нереализуема на практике ввиду отсутствия плавно регулируемых эталонов времени и частоты [7, 8].A number of methods are known for measuring VP signals, including from spaced receiving positions [3-6], based on finding the arguments for the maximum of a two-dimensional cross-correlation function, which potentially give statistically optimal, most plausible estimates. However, the potential accuracy of the methods [3-6] is not feasible in practice due to the lack of continuously adjustable standards of time and frequency [7, 8].

Известен ряд цифровых способов измерения ВП сигналов с разнесенных приемных позиций [8], основанных на нахождении аргумента максимума кросс-корреляционной функции или аргумента минимума разностных дискретных кросс-корреляционных функций (ДККФ), позволяющих реализовать потенциальную точность способов [3-6] за счет исключения погрешности дискретности путем параболической интерполяции окрестностей максимума или минимума соответствующих функций. Однако цифровые способы измерения ВП сигналов [8-9] неприменимы при наличии неопределенности по частоте приема, что имеет место в системах дальней космической связи с космическими аппаратами. Другим недостатком цифровых способов измерения, представленных в работе [8], является низкая вычислительная эффективность на больших размерах выборки данных, поскольку они основаны на прямом вычислении кросс-корреляционных функций (при таком методе нахождения кросс-корреляционных функций количество операций умножения пропорционально квадрату длины (n) выборки данных, подобная пропорциональность обычно обозначается как O(n2)).A number of digital methods are known for measuring VP signals from spaced receiving positions [8], based on finding the argument of the maximum of the cross-correlation function or the argument of the minimum of the differential discrete cross-correlation functions (DKKF), allowing to realize the potential accuracy of the methods [3-6] by eliminating discreteness errors by parabolic interpolation of the neighborhoods of the maximum or minimum of the corresponding functions. However, digital methods for measuring VP signals [8–9] are not applicable in the presence of uncertainty in the frequency of reception, which occurs in systems of long-distance space communications with spacecraft. Another disadvantage of the digital measurement methods presented in [8] is the low computational efficiency on large data sample sizes, since they are based on the direct calculation of cross-correlation functions (with this method of finding cross-correlation functions, the number of multiplication operations is proportional to the square of the length (n ) data sampling, such proportionality is usually denoted as O (n 2 )).

При измерении ВП сигнала для определения дальности до КА дальней космической связи неизбежно возникает неопределенность по частоте приема, которая может быть вызвана как разностью опорных частот на КА и на земле, так и за счет эффекта Доплера, вызываемого взаимным движением наземной приемной позиции и КА. Поэтому в таких случаях при измерении ВП сигнала необходимо находить максимум двумерной кросс-корреляционной функции с одновременным разрешением неопределенности по частоте и измерением, таким образом, частоты приема или разности частоты приема (РЧП).When measuring the airborne signal for determining the distance to the spacecraft, the uncertainty in the reception frequency inevitably arises, which can be caused both by the difference in the reference frequencies on the spacecraft and on the ground, as well as due to the Doppler effect caused by the mutual movement of the ground receiving position and the spacecraft. Therefore, in such cases, when measuring the IP signal, it is necessary to find the maximum of the two-dimensional cross-correlation function with the simultaneous resolution of the frequency uncertainty and, thus, measuring the reception frequency or the difference in the reception frequency (RFI).

В патентах [10-12] представлен ряд цифровых способов совместного измерения разности времени прихода (РВП) и РЧП сигналов с разнесенных приемных позиций, основанных на нахождении аргументов максимума двумерной ДККФ (ДДККФ), которые позволяют производить измерения при наличии движения источника сигнала или приемной позиции. Основная цель, поставленная автором патентов [10-12], посвящена снижению потоков информации, передаваемых между разнесенными приемными позициями, и компенсации систематической погрешности, возникающей при корреляции компрессированного и опорного сигналов. Однако в способах совместного измерения РВП и РЧП [10-12] не решены вопросы исключения погрешности дискретности (корреляционная зависимость между РВП и РЧП [13] не позволяет очевидным способом распространить на совместные измерения подходы, изложенные в [8]) и вопросы повышения вычислительной эффективности, так как кросс-корреляционные функции в способах [10-12] порождаются прямым методом через свертку двух последовательностей данных, как и в [8], а за счет n-кратного повторения (для обеспечения поиска аргумента максимума в частотной области) количество операций умножения увеличивается и пропорционально кубу длины (n) выборки данных, т.е. O(n3).In patents [10-12], a number of digital methods are presented for jointly measuring the difference in arrival time (RWP) and RFI of signals from spaced receiving positions, based on finding the arguments of the maximum of two-dimensional DKKF (DKKF), which allow measurements in the presence of movement of the signal source or receiving position . The main goal set by the author of patents [10-12] is devoted to reducing the flow of information transmitted between spaced receiving positions, and to compensate for the systematic error arising from the correlation of the compressed and reference signals. However, in the methods of joint measurement of RWP and RFI [10-12], the issues of eliminating discreteness errors are not resolved (the correlation between the RVP and RFI [13] does not allow the approaches described in [8] to be applied to joint measurements in an obvious way) and the issues of increasing computational efficiency , since the cross-correlation functions in methods [10-12] are generated by the direct method through the convolution of two data sequences, as in [8], but due to n-fold repetition (to ensure the search for the maximum argument in the frequency domain) if the number of multiplication operations increases and is proportional to the cube of the length (n) of the data sample, i.e. O (n 3 ).

Наиболее близким к предлагаемому способу измерения ВП сигналов по совокупности используемых действий над сигналом является способ [14], основанный на нахождении аргументов максимума ДДККФ (вычислительно существенно более эффективный, чем аналоги), принятый за прототип.Closest to the proposed method for measuring the VP of signals by the totality of the actions used on the signal is the method [14], based on finding the arguments of the maximum DKKF (computationally significantly more efficient than analogues), adopted as a prototype.

Согласно этому способу:According to this method:

1. Принимают сигнал на двух разнесенных приемных позициях.1. Receive a signal at two spaced receiving positions.

2. Преобразуют сигнал, полученный от одной приемной позиции в первый цифровой поток данных, который в цифровой форме представляет сигнал как ряд значений функции времени.2. Convert the signal received from one receiving position to the first digital data stream, which digitally represents the signal as a series of values of the time function.

3. Преобразуют сигнал, полученный от другой приемной позиции во второй цифровой поток данных, который в цифровой форме представляет сигнал как ряд значений функции времени.3. Convert the signal received from another receiving position into a second digital data stream, which digitally represents the signal as a series of values of the time function.

4. Преобразуют с использованием быстрого преобразования Фурье (БПФ) упомянутый первый цифровой поток данных в значения первого спектра, который представляет сигнал как ряд значений функции частоты S1(k), где k - целочисленная индексная переменная, изменяющаяся в пределах длины данных.4. Using the fast Fourier transform (FFT), the aforementioned first digital data stream is converted into the values of the first spectrum, which represents the signal as a series of values of the frequency function S 1 (k), where k is an integer index variable that varies within the data length.

5. Преобразуют с использованием БПФ упомянутый второй цифровой поток данных в значения второго спектра, который представляет сигнал как ряд значений функции частоты S2(k).5. Using the FFT, the mentioned second digital data stream is converted into the values of the second spectrum, which represents the signal as a series of values of the frequency function S 2 (k).

6. Взаимно перемножают значения спектра одного из сигналов с комплексно сопряженными значениями спектра другого сигнала для порождения кросс-спектра.6. Mutually multiply the spectrum values of one of the signals with the complex conjugate values of the spectrum of another signal to generate a cross spectrum.

7. Спектр одного из сигналов Si(k), где i=1, 2 - номер одного из двух спектров, преобразуют по частоте на величины m, выбираемые согласно требованиям по разрешению РЧП, из целочисленного ряда значений от единицы до (N-1), где N - длина обрабатываемого цифрового потока данных, с созданием последовательности преобразованных по частоте спектров Si,m(k), полученной из исходных спектральных составляющих сигнала по следующему правилу:7. The spectrum of one of the signals S i (k), where i = 1, 2 is the number of one of the two spectra, is converted in frequency to the values of m, selected according to the requirements for resolution of the RFI, from an integer series of values from unity to (N-1 ), where N is the length of the processed digital data stream, with the creation of a sequence of frequency-converted spectra S i, m (k) obtained from the original spectral components of the signal according to the following rule:

S i , m ( k ) = { S i ( k m ) , m k < N 2 S i ( k m ) + S i ( k + m ) , N 2 k m k < N 2 0, k < m < N 2 k S i ( k + m ) , N 2 m < k < m < N 2 ,

Figure 00000001
S i , m ( k ) = { S i ( k - m ) , m k < N 2 S i ( k - m ) + S i ( k + m ) , N 2 - k m k < N 2 0 k < m < N 2 - k S i ( k + m ) , N 2 - m < k < m < N 2 ,
Figure 00000001

где i - номер одного из двух принимаемых сигналов.where i is the number of one of the two received signals.

8. Значения спектров Si,m(k) преобразованных по частоте сигналов взаимно перемножают с комплексно сопряженными значениями спектра второго из двух исходных сигналов для порождения множества кросс-спектров.8. The values of the spectra S i, m (k) of the frequency-converted signals are mutually multiplied with the complex conjugate values of the spectrum of the second of the two source signals to generate multiple cross-spectra.

9. Вычисляют ДДККФ сигнала с использованием обратного БПФ множества кросс-спектров.9. Calculate the DKKF signal using the inverse FFT multiple cross-spectra.

10. Определяют разности времени прихода и частоты приема сигналов как аргументы максимума ДДККФ сигнала.10. Determine the difference in the time of arrival and frequency of reception of signals as the arguments of the maximum DCCF signal.

По существу способ, описанный выше [14], реализует вычислительно эффективное, по сравнению с аналогами [10-12] нахождение аргументов максимума ДДККФ с использованием при вычислении ДДККФ быстрых преобразований Фурье на основании теоремы Винера-Хинчина [15], определяющей взаимосвязь между спектром и корреляционной функцией сигнала.In fact, the method described above [14] implements a computationally efficient, in comparison with analogs [10-12], finding the arguments of the maximum DKKF using fast Fourier transforms when calculating the DKKF based on the Wiener-Khinchin theorem [15], which determines the relationship between the spectrum and signal correlation function.

В описании прототипа [14] представлена оценка объема вычислительных затрат на нахождение двумерной кросс-корреляционной функции в способе-прототипе и в аналогах, показывающая, что для выборки данных длиной n=1024 при k=n в способе-прототипе на нахождение ДДККФ требуется порядка O(k·n·log2n+k·n) или 10 миллионов операций (страница 10 описания способа-прототипа), а в аналогах требуется от O(3·k·n·log2n+k·n) до O(n3) или от 30 миллионов до миллиарда операций (страница 5 описания способа-прототипа).In the description of the prototype [14], an estimate of the amount of computational costs for finding a two-dimensional cross-correlation function in the prototype method and in analogues is presented, showing that ordering data of length n = 1024 with k = n in the prototype method for finding the DQFF requires about O (k · n · log 2 n + k · n) or 10 million operations (page 10 of the description of the prototype method), and in analogs it is required from O (3 · k · n · log 2 n + k · n) to O ( n 3 ) or from 30 million to a billion operations (page 5 of the description of the prototype method).

Несмотря на существенное снижение вычислительных затрат по сравнению с аналогами одним из недостатков способа-прототипа является недостаточная вычислительная эффективность. Другим недостатком способа-прототипа является, как и у аналогов [10-12], длительное время нахождения аргумента максимума, то есть длительное время измерения.Despite a significant reduction in computing costs compared with analogues, one of the disadvantages of the prototype method is the lack of computing efficiency. Another disadvantage of the prototype method is, like analogs [10-12], a long time to find the maximum argument, that is, a long measurement time.

Устройство-прототип [14] содержит первое средство приема сигналов, подключенное к устройству определения аргументов максимума ДДККФ, через последовательно включенные первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП), первый процессор БПФ, вычислитель кросс-спектров и второй процессор БПФ. Выход устройства определения аргументов максимума ДДККФ является выходом устройства измерения. Между вторым средством приема сигналов и вторым входом вычислителя кросс-спектров последовательно включены второй АЦП и третий процессор БПФ. Между выходом первого процессора БПФ и третьим входом вычислителя кросс-спектров включено арифметическое устройство.The prototype device [14] contains the first means of receiving signals connected to the device for determining the arguments of the maximum DKKF through sequentially connected the first analog-to-digital Converter (ADC), the first FFT processor, a cross-spectrum computer and a second FFT processor. The output of the DCDCF maximum argument determination device is the output of the measurement device. Between the second signal receiving means and the second input of the cross-spectrum calculator, a second ADC and a third FFT processor are connected in series. Between the output of the first FFT processor and the third input of the cross-spectrum calculator, an arithmetic device is turned on.

Недостатком устройства-прототипа является недостаточное быстродействие определения РЧП и РВП сигналов. Другим недостатком устройства-прототипа является длительное время нахождения аргумента максимума, то есть длительное время измерения.The disadvantage of the prototype device is the lack of speed in determining RFI and RVP signals. Another disadvantage of the prototype device is the long time it takes to find the maximum argument, that is, a long measurement time.

Техническим результатом изобретения является повышение вычислительной эффективности за счет исключения неопределенности частоты приема, позволяющее исключить необходимость двумерного поиска аргументов максимума ДДККФ для сигнала с двухпозиционной угловой манипуляцией и обойтись, таким образом, поиском аргумента максимума одномерной ДККФ.The technical result of the invention is to increase computational efficiency by eliminating the uncertainty of the reception frequency, which eliminates the need for a two-dimensional search for the arguments of the maximum DKKF for a signal with two-position angular manipulation and, therefore, by searching for the argument of the maximum of the one-dimensional DKKF.

Технический результат достигнут тем, что в способе измерения времени прихода сигнала с двухпозиционной угловой манипуляцией, включающем прием сигнала, аналого-цифровое преобразование принятого сигнала в первый цифровой поток данных, представляющий сигнал как ряд значений функции времени, преобразованных в цифровую форму, использование быстрого преобразования Фурье (БПФ) для двух сигналов, представляющего оба сигнала в виде ряда дискретных значений спектра Si(k), где k - целочисленная индексная переменная, изменяющаяся в пределах длины данных, а i=1, 2 - индексная переменная, означающая порядковый номер преобразуемого с использованием БПФ цифрового потока данных в значения спектра, взаимное перемножение значений спектра одного из сигналов с комплексно сопряженными значениями спектра другого сигнала, порождающее кросс-спектр, вычисление дискретной кросс-корреляционной функции (ДККФ) сигнала с использованием обратного БПФ, определение времени прихода (ВП) сигнала как аргумента максимума ДККФ сигнала, согласно изобретению осуществляют квадратурное разложение первого цифрового потока данных относительно номинальной центральной частоты модулированного сигнала в соответствующее указанному потоку множество синфазных и квадратурных отсчетов, полученные синфазные и квадратурные отсчеты независимо низкочастотно фильтруют с частотой среза, соответствующей скорости манипуляции модулирующего сигнала, получают множество текущих фаз сигнала как аргументов комплексных чисел, в качестве действительной части которых используют соответствующие отфильтрованные синфазные отсчеты, а в качестве мнимой - соответствующие отфильтрованные квадратурные отсчеты сигнала, задерживают множество полученных текущих фаз сигнала на длительность символа модулирующего сигнала, вычитают по модулю 2π из каждой полученной текущей фазы соответствующее значение задержанной текущей фазы сигнала, а полученный разностный цифровой поток данных преобразуют с использованием БПФ в значения первой функции частоты S1(k), формируют двухуровневый модулирующий сигнал и дифференциально декодируют, отображают каждый символ дифференциально декодированного сигнала на соответствующее количество отсчетов преобразованного в цифровую форму принятого сигнала относительно шкалы времени приемной позиции и формируют, таким образом, второй цифровой поток данных, который преобразуют с использованием БПФ в значения второй функции частоты S2(k).The technical result is achieved by the fact that in the method of measuring the time of arrival of a signal with on-off angle manipulation, including receiving a signal, analog-to-digital conversion of the received signal into a first digital data stream, representing the signal as a series of values of the time function, converted to digital form, using the fast Fourier transform (FFT) for the two signals representing the two signals as a series of discrete spectral values S i (k), where k - integer index variable which varies within the length data, and i = 1, 2 is the index variable, which means the serial number of the digital data stream converted using the FFT to the spectrum values, the mutual multiplication of the spectrum values of one of the signals with the complex conjugate values of the spectrum of another signal, which generates a cross spectrum, calculates a discrete cross the correlation function (DKKF) of the signal using the inverse FFT, determining the time of arrival (VP) of the signal as an argument of the maximum of the DKKF signal, according to the invention, quadrature decomposition of the first digit a straight data stream relative to the nominal center frequency of the modulated signal into a plurality of in-phase and quadrature samples corresponding to the specified stream, the obtained in-phase and quadrature samples are independently low-pass filtered with a cutoff frequency corresponding to the modulation signal manipulation speed, and the set of current signal phases as complex number arguments is obtained as real parts of which use the corresponding filtered in-phase readings, and as imaginary - respectively The filtered filtered quadrature samples of the signal, delay the set of received current signal phases by the duration of the modulating signal symbol, subtract modulo 2π from each received current phase the corresponding value of the delayed current signal phase, and the resulting differential digital data stream is converted using the FFT into the values of the first frequency function S 1 (k), a two-level modulating signal is generated and differentially decoded, each symbol of the differentially decoded signal is mapped to the corresponding number of samples of the digitized received signal relative to the time scale of the receiving position and thus form the second digital data stream, which is converted using the FFT into the values of the second frequency function S 2 (k).

Другим техническим результатом изобретения является исключение погрешности измерений, вызываемой некратностью длительности двухуровневого модулирующего символа и частоты выборки аналого-цифрового преобразования принятого сигнала.Another technical result of the invention is the elimination of measurement error caused by the multiple duration of the two-level modulating symbol and the sampling frequency of the analog-to-digital conversion of the received signal.

Технический результат достигнут тем, что в способе измерения времени прихода сигнала согласно изобретению для сигнала, у которого длительность символа сигнала некратна частоте выборки аналого-цифрового преобразования принятого сигнала, отфильтрованные синфазные и квадратурные отсчеты дополнительно децимируют и интерполируют с обеспечением кратности частоты отсчетов первого цифрового потока данных длительности символа двухуровневого модулирующего сигнала.The technical result is achieved in that in the method for measuring the time of arrival of a signal according to the invention for a signal for which the signal symbol duration is not a multiple of the sampling frequency of the analog-to-digital conversion of the received signal, the filtered in-phase and quadrature samples are additionally decimated and interpolated to provide a frequency multiplicity of the samples of the first digital data stream symbol duration of a two-level modulating signal.

Другим техническим результатом изобретения является исключение погрешности дискретности за счет использования того факта, что окрестность главного максимума дискретной кросс-корреляционной функции сигнала имеет форму параболы [13, стр.8-9], и за счет разработки оптимального, в среднеквадратическом смысле, аналитического метода оценки параметров параболы и определения аргумента ее максимума.Another technical result of the invention is the elimination of the discreteness error due to the fact that the neighborhood of the main maximum of the discrete cross-correlation signal function has the shape of a parabola [13, p. 8-9], and due to the development of an optimal, in the mean-square sense, analytical method of estimation parameters of the parabola and determining the argument of its maximum.

Технический результат достигнут тем, что в способе измерения времени прихода сигнала согласно изобретению слева и справа от аргумента максимума ДККФ сигнала выбирают по L точек указанной функции, значения ДККФ для выбранных точек и точки максимума объединяют в порядке временного следования в вектор-столбец с, из единиц формируют вектор-столбец v0 такой же размерности, как вектор с, соответствующие выбранным точкам ДККФ аргументы выражают через индексную переменную l=0, ±1, … , ±L, где индексы l с отрицательным знаком соответствуют временам до точки максимума ДККФ, нулевой индекс l соответствует точке максимума ДККФ, а индексы l с положительным знаком соответствуют временам после точки максимума ДККФ, аргументы выбранных точек ДККФ упорядочивают также как и компоненты вектора с и объединяют в вектор-столбец v1, квадраты компонент вектора v1 аналогично объединяют в вектор-столбец v2, а уточненное значение ВП τ ^ M

Figure 00000002
определяют по следующему правилу:The technical result is achieved by the fact that in the method of measuring the time of arrival of the signal according to the invention, to the left and to the right of the maximum argument DKKF signal is selected by L points of the specified function, the DKKF values for the selected points and maximum points are combined in the order of time in a column vector c, from units form a column vector v 0 of the same dimension as vector c, corresponding to the selected points of the DKKF, the arguments are expressed through the index variable l = 0, ± 1, ..., ± L, where the indices l with a negative sign correspond to the times d about the DKKF maximum point, the zero index l corresponds to the DKKF maximum point, and the l indices with a positive sign correspond to the times after the DKKF maximum point, the arguments of the selected DKKF points are ordered as well as the components of the vector c and are combined into the column vector v 1 , the squares of the components of the vector v 1 similarly combine into a column vector v 2 , and the specified value of the VP τ ^ M
Figure 00000002
determined by the following rule:

τ ^ M = ( S 2 N Q ) v 1 T c 2 ( N S v 2 S 2 v 0 ) T c T s ,

Figure 00000003
τ ^ M = ( S 2 - N Q ) v one T c 2 ( N S v 2 - S 2 v 0 ) T c T s ,
Figure 00000003

где N=2L+1 - размерность сформированных векторов, надстрочный индекс T обозначает операцию транспонирования вектора, Ts - период дискретизации сигнала, v 1 T c

Figure 00000004
- скалярное произведение векторов v1 и с, коэффициент S определяется выражениемwhere N = 2L + 1 is the dimension of the generated vectors, the superscript T denotes the transpose of the vector, T s is the signal sampling period, v one T c
Figure 00000004
- a scalar product of the vectors v 1 and, S ratio is determined by the expression

Figure 00000005
Figure 00000005

коэффициент Q определяется другим выражениемthe coefficient Q is determined by another expression

Figure 00000006
Figure 00000006

a (NSv2-S2v0)Tc - скалярное произведение разностного вектора (NSv2-S2v0) с вектором с.a (NSv 2 -S 2 v 0 ) T c is the scalar product of the difference vector (NSv 2 -S 2 v 0 ) with the vector с.

Способ реализуется устройством измерения прихода сигнала с двухпозиционной угловой манипуляцией по пп.1 и 2, содержащим средство приема сигналов, вход которого является входом устройства измерения, соединенного с аналого-цифровым преобразователем (АЦП), последовательно включенные первый процессор БПФ, вычислитель кросс-спектров, второй процессор БПФ и устройство определения аргументов максимума дискретной кросс-корреляционной функции (ДККФ) сигнала, выход которого является выходом устройства измерения, при этом к второму входу вычислителя кросс-спектров подключен третий процессор БПФ, согласно изобретению между выходом АЦП и входом первого процессора БПФ последовательно включены устройство квадратурного разложения сигнала, первый фильтр нижних частот (ФНЧ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и устройство вычитания по модулю 2π, между вторым выходом устройство квадратурного разложения сигнала и вторым входом ПЗУ включен второй ФНЧ, вычитающий вход устройства вычитания соединен с выходом ПЗУ через элемент задержки на длительность символа сигнала, а вход третьего процессора БПФ подключен к выходу формирователя двухуровневого модулирующего сигнала через последовательно соединенные дифференциальный декодер и экспандер частоты дискретизации.The method is implemented by a signal arrival measuring device with on-off angle manipulation according to claims 1 and 2, comprising a signal receiving means, the input of which is an input to a measuring device connected to an analog-to-digital converter (ADC), a first FFT processor, a cross-spectrum calculator, connected in series, a second FFT processor and a device for determining the arguments of the maximum of the discrete cross-correlation function (DKKF) of the signal, the output of which is the output of the measurement device, while calculating to the second input a third FFT processor is connected according to the invention, between the ADC output and the input of the first FFT processor, a quadrature signal decomposition device, a first low-pass filter (LPF), a read-only memory (ROM) and a subtractor modulo 2π between the second output are connected in series the quadrature decomposition of the signal and the second input of the ROM includes a second low-pass filter, the subtracting input of the subtraction device is connected to the output of the ROM through the delay element for the duration of the signal symbol, and the input is third its FFT processor is connected to the output of the shaper of a two-level modulating signal through a series-connected differential decoder and expander of the sampling frequency.

Другим техническим результатом изобретения является исключение в устройстве погрешности дискретности за счет использования того факта, что окрестность главного максимума ДККФ сигнала имеет форму параболы, и за счет аналитического метода оценки параметров параболы и определения аргумента ее максимума.Another technical result of the invention is the elimination of discreteness errors in the device due to the fact that the neighborhood of the main maximum of the DCQF signal has the shape of a parabola, and due to the analytical method for estimating the parameters of the parabola and determining the argument of its maximum.

Технический результат достигнут тем, что в устройстве измерения прихода сигнала с двухпозиционной угловой манипуляцией согласно изобретению к выходу устройства определения аргумента максимума дискретной кросс-корреляционной функции сигнала дополнительно подключено арифметическое устройство.The technical result is achieved in that an arithmetic device is additionally connected to the output of the device for measuring the signal arrival with on-off angle manipulation according to the invention to the output of the device for determining the maximum argument of the discrete cross-correlation function of the signal.

На фиг.1 представлен пример полной фазы сигнала с двухпозиционной фазовой манипуляцией при наличии частотной расстройки.Figure 1 presents an example of the full phase of the signal with on-off phase shift keying in the presence of frequency detuning.

На фиг.2 представлен пример разности фаз сигналов со сдвигом на длительность символа Т.Figure 2 presents an example of a phase difference of signals with a shift by the duration of the symbol T.

На фиг.3 приведена структурная схема устройства, в котором реализуется предложенный способ.Figure 3 shows the structural diagram of a device in which the proposed method is implemented.

Согласно предлагаемому способу:According to the proposed method:

1. Принимают сигнал.1. Receive a signal.

2. Преобразуют принятый сигнал в первый цифровой поток данных, представляющий сигнал как ряд значений функции времени, преобразованных в цифровую форму.2. The received signal is converted into a first digital data stream representing the signal as a series of values of a time function converted to digital form.

3. Осуществляют квадратурное разложение первого цифрового потока данных относительно номинальной центральной частоты модулированного сигнала в соответствующее указанному потоку множество синфазных и квадратурных отсчетов.3. Quadrature decomposition of the first digital data stream is carried out relative to the nominal center frequency of the modulated signal into a plurality of in-phase and quadrature samples corresponding to said stream.

4. Полученные синфазные и квадратурные отсчеты независимо низкочастотно фильтруют с частотой среза, соответствующей скорости манипуляции модулирующего сигнала.4. The obtained in-phase and quadrature samples are independently low-pass filtered with a cutoff frequency corresponding to the manipulation speed of the modulating signal.

5. Получают множество текущих фаз сигнала как аргументов комплексных чисел, в качестве действительной части которых используют соответствующие отфильтрованные синфазные отсчеты, а в качестве мнимой - соответствующие отфильтрованные квадратурные отсчеты сигнала.5. A plurality of current signal phases are obtained as arguments of complex numbers, the corresponding filtered common-mode samples are used as the real part, and the filtered filtered quadrature samples of the signal are used as the imaginary part.

6. Задерживают множество полученных текущих фаз сигнала на длительность символа модулирующего сигнала.6. Delay the set of received current signal phases for the duration of the modulating signal symbol.

7. Вычитают по модулю 2π из каждой полученной текущей фазы соответствующее значение задержанной текущей фазы сигнала.7. Subtract modulo 2π from each received current phase the corresponding value of the delayed current phase of the signal.

8. Преобразуют с использованием быстрого преобразования Фурье (БПФ) полученный разностный цифровой поток данных как первый цифровой поток данных в дискретные значения первого спектра S1(k), где k - целочисленная индексная переменная, изменяющаяся в пределах длины данных.8. Using the fast Fourier transform (FFT), the resulting differential digital data stream is converted as the first digital data stream into discrete values of the first spectrum S 1 (k), where k is an integer index variable that varies within the data length.

9. Формируют двухуровневый модулирующий сигнал.9. Form a two-level modulating signal.

10. Дифференциально декодируют сформированный сигнал.10. Differentially decode the generated signal.

11. Отображают каждый символ дифференциально декодированного сигнала на соответствующее количество отсчетов преобразованного в цифровую форму принятого сигнала относительно шкалы времени приемной позиции путем повтора значений дифференциально декодированного сигнала с повышением его частоты выборки до частоты выборки преобразованного в цифровую форму принятого сигнала и формируют, таким образом, второй цифровой поток данных.11. Each symbol of the differentially decoded signal is mapped to the corresponding number of samples of the digitized received signal relative to the time scale of the receiving position by repeating the values of the differentially decoded signal with increasing its sampling frequency to the sampling frequency of the digitalized received signal and, thus, form a second digital data stream.

12. Преобразуют с использованием БПФ упомянутый второй цифровой поток данных в значения второго спектра S2(k).12. Using the FFT, said second digital data stream is converted to the values of the second spectrum S 2 (k).

13. Взаимно перемножают значения спектра одного из сигналов с комплексно сопряженными значениями спектра другого сигнала для порождения кросс-спектра.13. Mutually multiply the spectrum values of one of the signals with the complex conjugate values of the spectrum of another signal to generate a cross spectrum.

14. Вычисляют дискретную кросс-корреляционную функцию (ДККФ) сигнала с использованием обратного БПФ кросс-спектра.14. The discrete cross-correlation function (DKKF) of the signal is calculated using the inverse FFT cross-spectrum.

15. Определяют время прихода сигнала как аргумент максимума ДККФ сигнала.15. Determine the time of arrival of the signal as an argument to the maximum DKKF signal.

Покажем, что в предложенном способе измерения времени прихода сигнала с двухпозиционной угловой манипуляцией возможно исключение необходимости двумерного поиска при нахождении аргумента максимума ДККФ.We show that in the proposed method for measuring the time of arrival of a signal with two-position angular manipulation, it is possible to exclude the need for a two-dimensional search when finding the argument of the maximum DKKF.

Сигнал с двухпозиционной фазовой манипуляцией описывается следующим образом [24]:A signal with on-off phase shift keying is described as follows [24]:

s ( t ) = A b ( t ) cos ω c t , t , ( 1 )

Figure 00000007
s ( t ) = A b ( t ) cos ω c t , - t , ( one )
Figure 00000007

b ( t ) = k = b k p ( t k T ) , ( 2 )

Figure 00000008
b ( t ) = k = - b k p ( t - k T ) , ( 2 )
Figure 00000008

где bk∈{-1,+1}, p(t) - прямоугольный импульс с единичной амплитудой длительностью T, определенный на интервале [-T/2, T/2], А - амплитуда сигнала, а ωc - частота несущей. Полная фаза такого сигналаwhere b k ∈ {-1, + 1}, p (t) is a rectangular pulse with a unit amplitude of duration T, defined on the interval [-T / 2, T / 2], A is the signal amplitude, and ω c is the carrier frequency . The full phase of such a signal

Ф ( t ) = φ 0 + ω c t + k = θ k p ( t k T ) , ( 3 )

Figure 00000009
F ( t ) = φ 0 + ω c t + k = - θ k p ( t - k T ) , ( 3 )
Figure 00000009

где θk∈{0,π} и связана с bk соотношениемwhere θ k ∈ {0, π} and is related to b k by the relation

θ k = π 2 ( 1 b k ) . ( 4 )

Figure 00000010
θ k = π 2 ( one - b k ) . ( four )
Figure 00000010

При квадратурном разложении сигнала (1), несущая частота которого априорно неизвестна, в полной фазе сигнала практически всегда будет частотная расстройка между частотой несущей сигнала ωc и номинальной частотой ω0, относительно которой осуществляется квадратурное разложение, то есть в полной фазе сигнала будет присутствовать компонента, линейно зависящая от времени, которая соответствует второму слагаемому выражения (3), что не позволяет напрямую использовать выражение для полной фазы для формирования ДККФ.In the quadrature decomposition of signal (1), the carrier frequency of which is a priori unknown, in the full phase of the signal there will almost always be a frequency mismatch between the frequency of the signal carrier ω c and the nominal frequency ω 0 , relative to which the quadrature decomposition is performed, i.e., the component will be present in the full phase of the signal linearly dependent on time, which corresponds to the second term of expression (3), which does not allow direct use of the expression for the full phase for the formation of DKKF.

На фиг.1 представлен пример полной фазы сигнала с двухпозиционной фазовой манипуляцией при наличии частотной расстройки, демонстрирующий влияние компоненты, линейно зависящей от времени.Figure 1 presents an example of the full phase of a signal with on-off phase shift keying in the presence of frequency detuning, showing the influence of a component that linearly depends on time.

Из представленного на фиг.1 примера видно, что при наличии частотной расстройки полная фаза сигнала не тождественна модулирующей функции сигнала, и ее нельзя напрямую использовать для одномерной корреляционной обработки при определении времени прихода сигнала.From the example shown in Fig. 1, it can be seen that in the presence of a frequency detuning, the complete phase of the signal is not identical to the modulating function of the signal, and it cannot be directly used for one-dimensional correlation processing when determining the signal arrival time.

Разность фаз со сдвигом на длительность символа T позволяет исключить частотную расстройку как компоненту, линейно зависящую от времени ψ ( t ) = Ф ( t ) Ф ( t T ) = = ω 0 t + k = θ k p ( t k T ) ( ω 0 ( t T ) + k = θ k p ( t ( k + 1 ) T ) ) = = ω 0 T + k = θ k p ( t k T ) k = θ k 1 p ( t k T ) = ω 0 T + k = ( θ k θ k 1 ) p ( t k T ) . ( 5 )

Figure 00000011
The phase difference with a shift by the duration of the symbol T eliminates the frequency detuning as a component that linearly depends on time ψ ( t ) = F ( t ) - F ( t - T ) = = ω 0 t + k = - θ k p ( t - k T ) - ( ω 0 ( t - T ) + k = - θ k p ( t - ( k + one ) T ) ) = = ω 0 T + k = - θ k p ( t - k T ) - k = - θ k - one p ( t - k T ) = ω 0 T + k = - ( θ k - θ k - one ) p ( t - k T ) . ( 5 )
Figure 00000011

Как видно из выражения (5), разность фаз Ψ(t) за исключением постоянного смещения ω0Т, определяемого величиной частотной расстройки, однозначно соответствует дифференциально декодированной модулирующей функции сигнала (смотри фиг.2).As can be seen from expression (5), the phase difference Ψ (t), with the exception of the constant bias ω 0 T, determined by the magnitude of the frequency detuning, uniquely corresponds to the differentially decoded modulating function of the signal (see figure 2).

Поскольку постоянное смещение не влияет на аргумент кросс-корреляционной функции [19], то одномерная корреляционная обработка дифференциально декодированной модулирующей функции сигнала с функцией разности фаз сигнала Ψ(t) позволит определить время прихода сигнала как аргумент максимума кросс-корреляционной функции указанных сигналов. Аналогичный результат можно показать и для сигнала с манипуляцией минимальным сдвигом [24].Since the constant bias does not affect the argument of the cross-correlation function [19], one-dimensional correlation processing of the differential-decoded signal modulating function with the signal phase difference function Ψ (t) will allow us to determine the signal arrival time as an argument of the maximum cross-correlation function of these signals. A similar result can be shown for the signal with manipulation of the minimum shift [24].

Согласно второму варианту предлагаемого способа, исключающему погрешность измерений, вызываемой некратностью длительности двухуровневого модулирующего символа и частоты выборки аналого-цифрового преобразования принятого сигнала:According to the second variant of the proposed method, eliminating the measurement error caused by the non-multiplicity of the duration of the two-level modulating symbol and the sampling frequency of the analog-to-digital conversion of the received signal:

1. Принимают сигнал.1. Receive a signal.

2. Преобразуют принятый сигнал в первый цифровой поток данных, представляющий сигнал как ряд значений функции времени, преобразованных в цифровую форму.2. The received signal is converted into a first digital data stream representing the signal as a series of values of a time function converted to digital form.

3. Осуществляют квадратурное разложение первого цифрового потока данных относительно номинальной центральной частоты модулированного сигнала в соответствующее указанному потоку множество синфазных и квадратурных отсчетов.3. Quadrature decomposition of the first digital data stream is carried out relative to the nominal center frequency of the modulated signal into a plurality of in-phase and quadrature samples corresponding to said stream.

4. Полученные синфазные и квадратурные отсчеты независимо низкочастотно фильтруют с частотой среза, соответствующей скорости манипуляции модулирующего сигнала.4. The obtained in-phase and quadrature samples are independently low-pass filtered with a cutoff frequency corresponding to the manipulation speed of the modulating signal.

5. Отфильтрованные синфазные и квадратурные отсчеты дополнительно децимируют и интерполируют с обеспечением кратности частоты отсчетов первого цифрового потока данных длительности символа сигнала.5. The filtered in-phase and quadrature samples are additionally decimated and interpolated to provide a frequency multiplicity of the samples of the first digital data stream of the signal symbol duration.

6. Получают множество текущих фаз сигнала как аргументов комплексных чисел, в качестве действительной части которых используют соответствующие синфазные отсчеты, а в качестве мнимой - соответствующие квадратурные отсчеты сигнала.6. A plurality of current signal phases are obtained as arguments of complex numbers, the corresponding in-phase samples are used as the real part, and the corresponding quadrature samples of the signal are used as the imaginary part.

7. Задерживают множество полученных текущих фаз сигнала на длительность символа модулирующего сигнала.7. The set of received current signal phases is delayed by the duration of the modulating signal symbol.

8. Вычитают по модулю 2π из каждой полученной текущей фазы соответствующее значение задержанной текущей фазы сигнала.8. Subtract modulo 2π from each received current phase the corresponding value of the delayed current phase of the signal.

9. Преобразуют с использованием быстрого преобразования Фурье (БПФ) полученный разностный цифровой поток данных как первый цифровой поток данных в дискретные значения первого спектра S1(k), где k - целочисленная индексная переменная, изменяющаяся в пределах длины данных.9. Using the fast Fourier transform (FFT), the resulting differential digital data stream is converted as the first digital data stream into discrete values of the first spectrum S 1 (k), where k is an integer index variable that varies within the data length.

10. Формируют двухуровневый модулирующий сигнал.10. Form a two-level modulating signal.

11. Дифференциально декодируют сформированный сигнал.11. Differentially decode the generated signal.

12. Отображают каждый символ дифференциально декодированного сигнала на соответствующее количество отсчетов преобразованного в цифровую форму принятого сигнала относительно шкалы времени приемной позиции путем повтора значений дифференциально декодированного сигнала с повышением его частоты выборки до частоты выборки преобразованного в цифровую форму принятого сигнала и формируют, таким образом, второй цифровой поток данных.12. Each symbol of the differentially decoded signal is mapped to the corresponding number of samples of the digitized received signal relative to the time scale of the receiving position by repeating the values of the differentially decoded signal with increasing its sampling frequency to the sampling frequency of the digitalized received signal and, thus, form a second digital data stream.

13. Преобразуют с использованием БПФ упомянутый второй цифровой поток данных в значения второго спектра S2(k).13. Using the FFT, said second digital data stream is converted to the values of the second spectrum S 2 (k).

14. Взаимно перемножают значения спектра одного из сигналов с комплексно сопряженными значениями спектра другого сигнала для порождения кросс-спектра.14. Mutually multiply the spectrum values of one of the signals with the complex conjugate values of the spectrum of another signal to generate a cross spectrum.

15. Вычисляют дискретную кросс-корреляционную функцию (ДККФ) сигнала с использованием обратного БПФ кросс-спектра.15. Calculate the discrete cross-correlation function (DKKF) signal using the inverse FFT cross-spectrum.

16. Определяют время прихода сигнала как аргумент максимума ДККФ сигнала.16. Determine the time of arrival of the signal as an argument to the maximum DKKF signal.

Некратность длительности двухуровневого модулирующего символа и частоты выборки аналого-цифрового преобразования принятого сигнала можно устранить, к примеру, полифазной фильтрацией [18], позволяющей за счет интерполяции и децимации обеспечить целочисленное количество отсчетов сигнала на длительности символа на конечном интервале времени.Slowness of the duration of a two-level modulating symbol and the sampling frequency of the analog-to-digital conversion of the received signal can be eliminated, for example, by polyphase filtering [18], which allows, due to interpolation and decimation, to provide an integer number of signal samples for the symbol duration over a finite time interval.

Согласно другому варианту предлагаемого способа, исключающему погрешность дискретности:According to another variant of the proposed method, eliminating the discreteness error:

1. Принимают сигнал.1. Receive a signal.

2. Преобразуют принятый сигнал в первый цифровой поток данных, представляющий сигнал как ряд значений функции времени, преобразованных в цифровую форму.2. The received signal is converted into a first digital data stream representing the signal as a series of values of a time function converted to digital form.

3. Осуществляют квадратурное разложение первого цифрового потока данных относительно номинальной центральной частоты модулированного сигнала в соответствующее указанному потоку множество синфазных и квадратурных отсчетов.3. Quadrature decomposition of the first digital data stream is carried out relative to the nominal center frequency of the modulated signal into a plurality of in-phase and quadrature samples corresponding to said stream.

4. Полученные синфазные и квадратурные отсчеты независимо низкочастотно фильтруют с частотой среза, соответствующей скорости манипуляции модулирующего сигнала.4. The obtained in-phase and quadrature samples are independently low-pass filtered with a cutoff frequency corresponding to the manipulation speed of the modulating signal.

5. Получают множество текущих фаз сигнала как аргументов комплексных чисел, в качестве действительной части которых используют соответствующие отфильтрованные синфазные отсчеты, а в качестве мнимой - соответствующие отфильтрованные квадратурные отсчеты сигнала.5. A plurality of current signal phases are obtained as arguments of complex numbers, the corresponding filtered common-mode samples are used as the real part, and the filtered filtered quadrature samples of the signal are used as the imaginary part.

6. Задерживают множество полученных текущих фаз сигнала на длительность символа модулирующего сигнала.6. Delay the set of received current signal phases for the duration of the modulating signal symbol.

7. Вычитают по модулю 2π из каждой полученной текущей фазы соответствующее значение задержанной текущей фазы сигнала.7. Subtract modulo 2π from each received current phase the corresponding value of the delayed current phase of the signal.

8. Преобразуют с использованием быстрого преобразования Фурье (БПФ) полученный разностный цифровой поток данных как первый цифровой поток данных в дискретные значения первой функции частоты S1(k), где k - целочисленная индексная переменная, изменяющаяся в пределах длины данных.8. Using the fast Fourier transform (FFT), the resulting differential digital data stream is converted as the first digital data stream into discrete values of the first frequency function S 1 (k), where k is an integer index variable that varies within the data length.

9. Формируют двухуровневый модулирующий сигнал.9. Form a two-level modulating signal.

10. Дифференциально декодируют сформированный сигнал.10. Differentially decode the generated signal.

11. Отображают каждый символ дифференциально декодированного сигнала на соответствующее количество отсчетов преобразованного в цифровую форму принятого сигнала относительно шкалы времени приемной позиции путем повтора значений дифференциально декодированного сигнала с повышением его частоты выборки до частоты выборки преобразованного в цифровую форму принятого сигнала и формируют, таким образом, второй цифровой поток данных.11. Each symbol of the differentially decoded signal is mapped to the corresponding number of samples of the digitized received signal relative to the time scale of the receiving position by repeating the values of the differentially decoded signal with increasing its sampling frequency to the sampling frequency of the digitalized received signal and, thus, form a second digital data stream.

12. Преобразуют с использованием БПФ упомянутый второй цифровой поток данных в значения второго спектра S2(k).12. Using the FFT, said second digital data stream is converted to the values of the second spectrum S 2 (k).

13. Взаимно перемножают значения спектра одного из сигналов с комплексно сопряженными значениями спектра другого сигнала для порождения кросс-спектра.13. Mutually multiply the spectrum values of one of the signals with the complex conjugate values of the spectrum of another signal to generate a cross spectrum.

14. Вычисляют дискретную кросс-корреляционную функцию (ДККФ) сигнала с использованием обратного БПФ кросс-спектра.14. The discrete cross-correlation function (DKKF) of the signal is calculated using the inverse FFT cross-spectrum.

15. Определяют время прихода сигнала как аргумент максимума ДККФ сигнала.15. Determine the time of arrival of the signal as an argument to the maximum DKKF signal.

16. Слева и справа от аргумента максимума ДККФ сигнала выбирают по L точек указанной функции.16. To the left and right of the argument of the maximum DKKF signal select L points of the specified function.

17. Значения ДККФ для выбранных точек и точки максимума объединяют в порядке временного следования в вектор-столбец с.17. The values of DKKF for the selected points and maximum points are combined in the order of temporal sequence in the column vector c.

18. Из единиц формируют вектор-столбец v0 такой же размерности, как вектор с.18. Of the units form the column vector v 0 of the same dimension as the vector c.

19. Соответствующие выбранным точкам ДККФ аргументы выражают через индексную переменную l=0, ±1, … , ±L, где индексы l с отрицательным знаком соответствуют временам до точки максимума ДККФ, нулевой индекс l соответствует точке максимума ДККФ, а индексы l с положительным знаком соответствуют временам после точки максимума ДККФ.19. The arguments corresponding to the selected DKKF points are expressed through the index variable l = 0, ± 1, ..., ± L, where the indices l with a negative sign correspond to the times to the maximum point of the DKKF, the zero index l corresponds to the maximum of the DKKF, and the indices l with a positive sign correspond to times after the maximum point of DKKF.

20. Аргументы выбранных точек ДККФ, упорядочивают также, как и компоненты вектора с, и объединяют в вектор-столбец v1.20. The arguments of the selected DKKF points are ordered as well as the components of the vector c, and are combined into a column vector v 1 .

21. Квадраты компонент вектора v1 аналогично объединяют в вектор-столбец v2.21. The squares of the components of the vector v 1 are likewise combined into a column vector v 2 .

22. Определяют по следующему правилу уточненное значение ВП τ ^ M

Figure 00000012
:22. Determine, by the following rule, the specified value of VP τ ^ M
Figure 00000012
:

τ ^ M = ( S 2 N Q ) v 1 T c 2 ( N S v 2 S 2 v 0 ) T c T s ,

Figure 00000013
τ ^ M = ( S 2 - N Q ) v one T c 2 ( N S v 2 - S 2 v 0 ) T c T s ,
Figure 00000013

где N=2L+1 - размерность сформированных векторов, надстрочный индекс Т обозначает операцию транспонирования вектора, Ts - период дискретизации сигнала, v 1 T c

Figure 00000014
- скалярное произведение векторов v1 и с, коэффициент S определяется выражениемwhere N = 2L + 1 is the dimension of the generated vectors, the superscript T denotes the transpose of the vector, T s is the signal sampling period, v one T c
Figure 00000014
- a scalar product of the vectors v 1 and, S ratio is determined by the expression

Figure 00000005
Figure 00000005

коэффициент Q определяется другим выражениемthe coefficient Q is determined by another expression

Figure 00000006
Figure 00000006

а (NSv2-S2v0)Tc - скалярное произведение разностного вектора (NSv2-S2v0) с вектором с.and (NSv 2 -S 2 v 0 ) T c is the scalar product of the difference vector (NSv 2 -S 2 v 0 ) with the vector с.

При цифровом преобразовании непрерывного сигнала неизбежно появляются погрешности дискретности [17-18], их влияние может быть существенно снижено интерполяцией ДККФ в окрестности экстремума, что не влечет значительных вычислительных затрат, возникающих при интерполяции сигнала в целом.When digitally transforming a continuous signal, discreteness errors inevitably appear [17-18], their influence can be significantly reduced by interpolating the DCQF in the vicinity of the extremum, which does not entail significant computational costs arising from the interpolation of the signal as a whole.

Вариант предлагаемого способа, исключающий погрешность дискретности при оценке параметров ДККФ, основан на том, что в окрестности максимума указанная функция имеет форму параболы [13, стр.8-9], оценив параметры которой в результате решения системы линейных уравнений, можно уточнить значение времени прихода как аргумента максимума ДККФ, поскольку ДККФ является выборочной от кросс-корреляционной функции в непрерывном времени.A variant of the proposed method, which eliminates the discreteness error when estimating the DQF parameters, is based on the fact that in the vicinity of the maximum this function has the shape of a parabola [13, p. 8-9], estimating the parameters of which as a result of solving a system of linear equations, we can clarify the value of the arrival time as an argument of the maximum DKKF, since DKKF is selective from the cross-correlation function in continuous time.

Уравнение, описывающее вершину кросс-корреляционной функции CXY(τ) как параболу, имеет видThe equation describing the vertex of the cross-correlation function C XY (τ) as a parabola has the form

C X Y ( τ ) a τ 2 + b τ + c ( 6 )

Figure 00000015
C X Y ( τ ) a τ 2 + b τ + c ( 6 )
Figure 00000015

Для заданных отсчетов cn кросс-корреляционной функции CXY(τ)For given samples c n of the cross-correlation function C XY (τ)

c n = C X Y ( τ n ) + ξ n , τ n = n T s , ( 7 )

Figure 00000016
c n = C X Y ( τ n ) + ξ n , τ n = n T s , ( 7 )
Figure 00000016

где ξn - погрешность задания отсчетов КФ, Ts - период дискретизации.where ξ n is the error in specifying the CF samples, T s is the sampling period.

Для параболы (6) оценка точки экстремума (в данном случае максимума, исходя из смысла задачи и предположения о единственности экстремума в рассматриваемой окрестности) определяется соотношениемFor parabola (6), the estimate of the extremum point (in this case, the maximum, based on the meaning of the problem and the assumption of uniqueness of the extremum in the considered neighborhood) is determined by the relation

τ ^ M = b ^ 2 a ^ . ( 8 )

Figure 00000017
τ ^ M = - b ^ 2 a ^ . ( 8 )
Figure 00000017

Оценки для коэффициентов а, b в (8) могут быть получены из линейной системы видаThe estimates for the coefficients a, b in (8) can be obtained from a linear system of the form

[ 1 K K 2 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 K K 2 ] V [ c b T s a T s 2 ] θ + ξ = [ c k c 1 c 0 c 1 c K ] c . ( 9 )

Figure 00000018
[ one - K K 2 ... ... ... one - one one one 0 0 one one one ... ... ... one K K 2 ] V [ c b T s a T s 2 ] θ + ξ = [ c - k ... c - one c 0 c one ... c K ] c . ( 9 )
Figure 00000018

где ξ - вектор погрешностей задания отсчетов кросс-корреляционной функции (7). Кроме того, в (9) предполагается нечетное число исходных данных (7) и принята симметричная индексация n=-К, -(К-1),… , -1, 0, 1, 2,… , К, и хотя данные предположения не существенны для общей оценки по методу наименьших квадратов (МНК), они не умаляют общность, а их смысл будет пояснен позднее.where ξ is the vector of errors in specifying the samples of the cross-correlation function (7). In addition, an odd number of source data (7) is assumed in (9) and symmetric indexing n = -K, - (K-1), ..., -1, 0, 1, 2, ..., K is accepted, and although these assumptions are not essential for a general least squares (LSM) estimate, they do not detract from the generality, and their meaning will be explained later.

Согласно [22] МНК оценка вектора коэффициентов для (9) и соответствующая (8) оценка задержки имеют видAccording to [22] OLS, the estimate of the coefficient vector for (9) and the delay estimate corresponding to (8) are of the form

θ ^ = V c , τ ^ M = θ ^ 2 2 θ ^ 3 T s , ( 10 )

Figure 00000019
θ ^ = V c , τ ^ M = - θ ^ 2 2 θ ^ 3 T s , ( 10 )
Figure 00000019

где V - псевдообратная матрица, которая при существовании W=(VTV)-1 имеет вид V=WVT [22-23].where V is a pseudo-inverse matrix, which, if there is W = (V T V) -1, has the form V = WV T [22-23].

Приняв оценку τ ^ M

Figure 00000020
, определяемую в (8) за требуемое решение, заметим, что для ее получения в указанном виде должна быть использована операция обращения матрицы, что не всегда вычислительно эффективно, особенно при реализации слежения за задержкой в реальном времени. Матрица V не зависит от исходных измерений (7) и может быть рассчитана априорно, но она зависит от объема данных N. При таком подходе необходимо хранить набор матриц для различных N либо требовать работы с всегда фиксированным объемом, что тоже может оказаться не оптимальным. Кроме того, при вычислении оценки τ ^ M
Figure 00000021
согласно первому выражению в (10) осуществляются затраты на оценку θ ^ 1
Figure 00000022
не используемую далее. С целью повышения вычислительной эффективности получим для величины τ ^ M
Figure 00000023
тождественные соотношения видаAccepting grade τ ^ M
Figure 00000020
defined in (8) for the required solution, we note that to obtain it in the indicated form, the matrix inversion operation should be used, which is not always computationally effective, especially when real-time delay tracking is implemented. The matrix V does not depend on the initial measurements (7) and can be calculated a priori, but it depends on the amount of data N. With this approach, it is necessary to store a set of matrices for different N or to require work with an always fixed volume, which may also not be optimal. In addition, when calculating the score τ ^ M
Figure 00000021
according to the first expression in (10), the costs of assessment θ ^ one
Figure 00000022
not used further. In order to increase computational efficiency, we obtain for τ ^ M
Figure 00000023
identical relations of the form

τ ^ M = β N T c 2 α N T c T s , ( 11 )

Figure 00000024
τ ^ M = - β N T c 2 α N T c T s , ( eleven )
Figure 00000024

где αN, βN - весовые N-вектора, определяемые явными арифметическими зависимостями от N.where α N , β N are weighted N-vectors defined by explicit arithmetic dependences on N.

Рассматривая в (9) матрицу V=[v0 v1 v2] как совокупность ее столбцов, определения которых очевидно из (9), заметим, что в силу симметрии, имеют место следующие свойстваConsidering in (9) the matrix V = [v 0 v 1 v 2 ] as a collection of its columns, the definitions of which are obvious from (9), we note that, due to symmetry, the following properties hold

Figure 00000025
Figure 00000025

Тогда используемая в оценке (10) и требующая обращения матрица W принимает видThen the matrix W used in estimate (10) and requiring inversion takes the form

W = ( V T V ) 1 = [ N 0 S 0 S 0 S 0 Q ] 1 = 1 D [ S Q 0 S 2 0 N Q S 2 0 S 2 0 N S ] , ( 13 )

Figure 00000026
W = ( V T V ) - one = [ N 0 S 0 S 0 S 0 Q ] - one = one D [ S Q 0 - S 2 0 N Q - S 2 0 - S 2 0 N S ] , ( 13 )
Figure 00000026

где D=det(VTV)=S(NQ-S2) - определитель, значение которого для дальнейшего можно и не вычислять.where D = det (V T V) = S (NQ-S 2 ) is a determinant, the value of which for later can not be calculated.

Из определений (10) и (11) видно, что искомые весовые функции β N T

Figure 00000027
, α N T
Figure 00000028
являются второй и третьей строками матрицы V соответственно, получимIt follows from definitions (10) and (11) that the desired weight functions β N T
Figure 00000027
, α N T
Figure 00000028
are the second and third rows of the matrix V †, respectively, we obtain

β N T = N Q S 2 D v 1 T , α N T = 1 D ( N S v 2 T S 2 v 0 T ) . ( 14 )

Figure 00000029
β N T = N Q - S 2 D v one T , α N T = one D ( N S v 2 T - S 2 v 0 T ) . ( fourteen )
Figure 00000029

Тогда с учетом (14) из определения (11) можно найти уточненную искомую оценку времени прихода в видеThen, taking into account (14), from definition (11) we can find the updated desired estimate of the arrival time in the form

τ ^ M = ( S 2 N Q ) v 1 T c 2 ( N S v 2 S 2 v 0 ) T c T s . ( 15 )

Figure 00000030
τ ^ M = ( S 2 - N Q ) v one T c 2 ( N S v 2 - S 2 v 0 ) T c T s . ( fifteen )
Figure 00000030

Таким образом, при соответствующем выборе точек в окрестности максимума ДККФ, являющейся, в дискретном времени, выборочной функцией для кросс-корреляционной функции CXY(τ), с соответствующим формированием из выбранных отсчетов ДККФ вектора с, с формированием из аргументов выбранных отсчетов и их квадратов векторов v1 и v2, а также с формированием вектора v0 из единиц можно найти уточненную оценку времени прихода при использовании правила (15).Thus, with the appropriate choice of points in the vicinity of the DQF maximum, which is, in discrete time, a sample function for the cross-correlation function C XY (τ), with the corresponding formation of a vector c from the selected DQF samples, with the formation of the selected samples and their squares from the arguments vectors v 1 and v 2 , as well as with the formation of the vector v 0 from units, you can find an updated estimate of the time of arrival using rule (15).

Полученная на основе выведенных здесь преобразований над сигналом последовательность действий и реализует патентуемый способ.The sequence of actions obtained on the basis of the transformations derived here above the signal implements the patented method.

Устройство для реализации способа измерения времени прихода сигнала с двухпозиционной угловой манипуляцией (смотри Фигуру 3) содержит средство приема сигналов 1, соединенное с аналого-цифровым преобразователем 2 (АЦП), последовательно включенные первый процессор БПФ 3, вычислитель кросс-спектров 4, второй процессор БПФ 5 и устройство определения аргумента максимума дискретной кросс-корреляционной функции (ДККФ) сигнала 6. Вход средства приема сигналов 1 является входом устройства измерения. Выход устройства 6 является выходом устройства измерения. Ко второму входу вычислителя кросс-спектров 4 подключен третий процессор БПФ 7. Между выходом АЦП 2 и входом первого процессора БПФ 3 последовательно включены устройство квадратурного разложения сигнала 8, первый фильтр нижних частот (ФНЧ) 9, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 10 и устройство вычитания по модулю 2π 11. Между вторым выходом устройства квадратурного разложения сигнала 8 и вторым входом ПЗУ 10 включен второй ФНЧ 12. Вычитающий вход устройства вычитания 11 соединен с выходом ПЗУ 10 через элемент задержки на длительность символа сигнала 13. Вход третьего процессора БПФ 7 подключен к выходу формирователя двухуровневого модулирующего сигнала 14 через последовательно соединенные дифференциальный декодер 15 и экспандер частоты дискретизации 16.A device for implementing a method of measuring the time of arrival of a signal with on-off angle manipulation (see Figure 3) comprises a signal receiving means 1 connected to an analog-to-digital converter 2 (ADC), a first FFT processor 3, a cross-spectrum calculator 4, a second FFT processor, connected in series 5 and a device for determining the maximum argument of a discrete cross-correlation function (DKKF) of the signal 6. The input of the signal receiving means 1 is the input of the measuring device. The output of device 6 is the output of the measurement device. A third FFT processor 7 is connected to the second input of the cross-spectrum calculator 4. Between the ADC 2 output and the input of the first FFT processor 3, the quadrature decomposition of signal 8, the first low-pass filter (LPF) 9, read-only memory (ROM) 10, and the device a subtraction modulo 2π 11. Between the second output of the quadrature decomposition device of signal 8 and the second input of the ROM 10, a second low-pass filter is connected 12. The subtractive input of the subtractor 11 is connected to the output of the ROM 10 through a delay element for the symbol duration 13. Sign drove third FFT processor 7 is connected to the output of the two-level modulation signal generator 14 through a series connected differential decoder 15 and expander 16, the sampling frequency.

В другом варианте устройства измерения времени прихода сигнала к выходу устройства определения аргумента максимума ДККФ сигнала 6 дополнительно подключено арифметическое устройство 17.In another embodiment of the device for measuring the time of arrival of the signal to the output of the device for determining the argument of the maximum DKKF signal 6, an arithmetic device 17 is additionally connected.

Предлагаемое устройство для реализации способа измерения времени прихода сигнала с двухпозиционной угловой манипуляцией работает следующим образом.The proposed device for implementing the method of measuring the time of arrival of a signal with on-off angle manipulation operates as follows.

Средство приема сигналов 1 принимает сигнал. С выхода первого средства приема сигналов 1 принятый сигнал подают на вход АЦП 2 и преобразуют сигнал в первый цифровой поток данных, который в цифровой форме представляет сигнал как ряд значений функции времени. Устройство квадратурного разложения сигнала 8 осуществляет квадратурное разложение первого цифрового потока данных относительно номинальной центральной частоты модулированного сигнала в соответствующее указанному потоку множество синфазных и квадратурных отсчетов. Полученные синфазные и квадратурные отсчеты независимо низкочастотно фильтруют ФНЧ 9 и 12 с частотой среза, соответствующей скорости манипуляции модулирующего сигнала. В ПЗУ 10 получают множество текущих фаз сигнала как аргументов комплексных чисел, в качестве действительной части которых используют соответствующие отфильтрованные синфазные отсчеты, а в качестве мнимой - соответствующие отфильтрованные квадратурные отсчеты сигнала. Элемент задержки 13 задерживает множество полученных текущих фаз сигнала на длительность символа модулирующего сигнала. В устройстве вычитания 11 вычитают по модулю 2π из каждой полученной текущей фазы соответствующее значение задержанной текущей фазы сигнала. В первом процессоре БПФ 3 преобразуют полученный разностный цифровой поток данных как первый цифровой поток данных в дискретные значения первой функции частоты S1(k), где k - целочисленная индексная переменная, изменяющаяся в пределах длины данных. Формирователь 14 формирует двухуровневый модулирующий сигнал. Сформированный сигнал дифференциально декодируют декодером 15. Каждый символ дифференциально декодированного сигнала отображают на соответствующее количество отсчетов преобразованного в цифровую форму принятого сигнала относительно шкалы времени приемной позиции путем увеличения частоты дискретизации с использованием экспандера частоты дискретизации 16 и формируют, таким образом, второй цифровой поток данных. В третьем процессоре БПФ 7 преобразуют упомянутый второй цифровой поток данных в значения второго спектра, который представляет сигнал как ряд значений функции частоты S2(k). В вычислителе кросс-спектров 4 взаимно перемножают значения спектра одного из сигналов с комплексно сопряженными значениями спектра другого сигнала, поступившие из первого 3 и третьего 7 процессоров БПФ для порождения кросс-спектра. Выходной сигнал из вычислителя 4 подается на вход второго процессора БПФ 5, в котором с использованием обратного БПФ кросс-спектра вычисляют ДККФ сигнала. Полученная ДККФ сигнала с выхода второго процессора БПФ 5 поступает на вход устройства 2, где определяют время прихода сигнала как аргумент максимума ДККФ сигнала.Means for receiving signals 1 receives a signal. From the output of the first signal receiving means 1, the received signal is fed to the input of the ADC 2 and the signal is converted into a first digital data stream, which digitally represents the signal as a series of values of the time function. The quadrature decomposition device of signal 8 performs quadrature decomposition of the first digital data stream relative to the nominal center frequency of the modulated signal into a plurality of in-phase and quadrature samples corresponding to the specified stream. The obtained in-phase and quadrature samples independently low-pass filter the low-pass filters 9 and 12 with a cutoff frequency corresponding to the speed of manipulation of the modulating signal. In ROM 10, a plurality of current signal phases are obtained as arguments of complex numbers, the corresponding filtered common-mode samples are used as the real part, and the corresponding filtered quadrature signal samples are used as the imaginary part. The delay element 13 delays the set of received current signal phases by the duration of the modulating signal symbol. In the subtractor 11, the corresponding value of the delayed current phase of the signal is subtracted modulo 2π from each received current phase. In the first FFT processor 3, the resulting differential digital data stream is converted as the first digital data stream into discrete values of the first frequency function S 1 (k), where k is an integer index variable that varies within the data length. Shaper 14 generates a two-level modulating signal. The generated signal is differentially decoded by the decoder 15. Each symbol of the differentially decoded signal is mapped to the corresponding number of samples of the digitized received signal relative to the time scale of the receiving position by increasing the sampling frequency using the sampling frequency expander 16 and, thus, a second digital data stream is generated. In the third processor, the FFT 7 converts said second digital data stream into the values of the second spectrum, which represents the signal as a series of values of the frequency function S 2 (k). In the cross-spectral calculator 4, the spectrum values of one of the signals are mutually multiplied with the complex conjugate values of the spectrum of the other signal coming from the first 3 and third 7 FFT processors to generate the cross spectrum. The output signal from the calculator 4 is fed to the input of the second FFT processor 5, in which the DCFF signal is calculated using the inverse FFT cross-spectrum. Received DKKF signal from the output of the second processor FFT 5 is fed to the input of device 2, where they determine the time of arrival of the signal as an argument of the maximum DKKF signal.

В другом варианте устройства измерения времени прихода сигнала выходной сигнал устройства определения аргумента максимума 6 дополнительно подается на арифметическое устройство 17, которое работает в соответствии с правилом (15) и определяет уточненное значение времени прихода сигнала.In another embodiment of the device for measuring the time of arrival of the signal, the output signal of the device for determining the argument of maximum 6 is additionally supplied to the arithmetic device 17, which operates in accordance with rule (15) and determines the updated value of the time of arrival of the signal.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES

1. Harcke, L., and G. Wood, Laboratory and Flight Performance of the Mars Pathfinder (15, 1/6) Convolutionally Encoded Telemetry Link,TDA PR 42-129, January-March 1997, pp.1-11, May 15, 1997.1. Harcke, L., and G. Wood, Laboratory and Flight Performance of the Mars Pathfinder (15, 1/6) Convolutionally Encoded Telemetry Link, TDA PR 42-129, January-March 1997, pp. 1-11, May 15, 1997.

2. Rebold, Т.A., M. Tinto, S.W. Asmar, and E.R. Kursinski, Neptune Revisited: Synthesizing Coherent Doppler From Voyager's Noncoherent Downlink, TDA PR 42-131, July-September 1997, pp.1-19, November 15, 1997.2. Rebold, T. A., M. Tinto, S. W. Asmar, and E.R. Kursinski, Neptune Revisited: Synthesizing Coherent Doppler From Voyager's Noncoherent Downlink, TDA PR 42-131, July-September 1997, pp. 1-19, November 15, 1997.

3. Knapp С.Н. and Carter G.С., Estimation of time delay in the presence of source or receiver motion, J. Acoust. Soc. Amer., vol. 61, no. 6, pp.1545-1549, June 1977.3. Knapp S.N. and Carter G.C., Estimation of time delay in the presence of source or receiver motion, J. Acoust. Soc. Amer., Vol. 61, no. 6, pp. 1545-1549, June 1977.

4. Adams W.В., Kuhn J.P., and Whyland W.P., Correlator compensation requirements for passive time-delay estimation with moving source or receivers, IEEE Trans. Acoust., Speech, Signal Processing, vol. ASSP-28, pp.158-168, Apr. 1980.4. Adams W. B., Kuhn J. P., and Whyland W. P., Correlator compensation requirements for passive time-delay estimation with moving source or receivers, IEEE Trans. Acoust., Speech, Signal Processing, vol. ASSP-28, pp. 158-168, Apr. 1980.

5. Stuller J.A., Maximum-likelihood estimation of time-varying delay - Part I, IEEE Trans. Acoust., Speech, Signal Processing, vol. ASSP-35, pp.300-313, Mar. 1987.5. Stuller J.A., Maximum-likelihood estimation of time-varying delay - Part I, IEEE Trans. Acoust., Speech, Signal Processing, vol. ASSP-35, pp. 300-313, Mar. 1987.

6. Jin Q., Wong K.M., and Luo Z.Q.Т., The estimation of time delay and doppler stretch of wideband signals, IEEE Trans. Signal Processing, vol. 43, pp.904-916, Apr. 1995.6. Jin Q., Wong K.M., and Luo Z.Q.T., The estimation of time delay and doppler stretch of wideband signals, IEEE Trans. Signal Processing, vol. 43, pp. 904-916, Apr. 1995.

7. Одуан К., Гино Б. Измерение времени. Основы GPS. M.: Техносфера, 2002, 400 с.7. Oduan K., Gino B. Measurement of time. GPS basics. M .: Technosphere, 2002, 400 p.

8. Jacovitti G. and Scarano G., Discrete time techniques for time delay estimation, IEEE Trans. Signal Processing, vol. 41, pp.525-533, Feb. 1993 (аналоги).8. Jacovitti G. and Scarano G., Discrete time techniques for time delay estimation, IEEE Trans. Signal Processing, vol. 41, pp. 525-533, Feb. 1993 (analogues).

9. US Patent No.6201499, Hawkes K.D., Koehler J.L., Time difference of arrival measurement system, МПК 7: G01S 001/24, March 13, 2001 (аналог).9. US Patent No.6201499, Hawkes K. D., Koehler J. L., Time difference of arrival measurement system, IPC 7: G01S 001/24, March 13, 2001 (analog).

10. US Patent No.5570099, DesJardins G.A., TDOA/FDOA technique for locating a transmitter, МПК 7: G01S 003/16; G01S 005/04; G01S 015/00; G01S 003/80, October 29, 1996 (аналог).10. US Patent No.5570099, DesJardins G.A., TDOA / FDOA technique for locating a transmitter, IPC 7: G01S 003/16; G01S 005/04; G01S 015/00; G01S 003/80, October 29, 1996 (analog).

11. US Patent No.5874916, DesJardins G.A., Frequency selective TDOA/FDOA cross-correlation, February 23, 1999 (аналог).11. US Patent No.5874916, DesJardins G.A., Frequency selective TDOA / FDOA cross-correlation, February 23, 1999 (analogue).

12. European Patent No.0649033 A2, DesJardins G.A., Improved TDOA/FDOA technique for locating a transmitter, МПК 7: G01S 5/06, April 19, 1995(аналог).12. European Patent No.0649033 A2, DesJardins G.A., Improved TDOA / FDOA technique for locating a transmitter, IPC 7: G01S 5/06, April 19, 1995 (analogue).

13. Moura Jose M.F., Baggeroer A.B., Passive Systems Theory with Narrow-band and linear Constrraints: Part 1 - Spatial Diversity, IEEE Journal on Ocean Engineering, vol.OE-3, pp.5-13, No.1 Jan. 1978.13. Moura Jose M.F., Baggeroer A.B., Passive Systems Theory with Narrow-band and linear Constrraints: Part 1 - Spatial Diversity, IEEE Journal on Ocean Engineering, vol.OE-3, pp.5-13, No.1 Jan. 1978.

14. Подчиненко Н.Е., Скрипкин А.А., Щербачев В.А. Патент РФ №2256192. Способ измерения разностей времени прихода и частоты приема сигналов и устройство для его реализации (Способ и устройство-прототип).14. Podchinenko N.E., Skripkin A.A., Shcherbachev V.A. RF patent No. 2256192. A method for measuring differences in arrival time and signal reception frequency and a device for its implementation (Prototype method and device).

15. Радиотехнические цепи и сигналы. - Под ред. К.А. Самойло. - М.: «Радио и связь», 1982. - 528 с.15. Radio engineering circuits and signals. - Ed. K.A. Samoilo. - M.: “Radio and Communications”, 1982. - 528 p.

16. Блейхут Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1989, 448 с.16. Bleikhut R. Fast algorithms for digital signal processing. M .: Mir, 1989, 448 p.

17. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1978, 848 с.17. Rabiner L., Gould B. Theory and application of digital signal processing. M .: Mir, 1978, 848 p.

18. Оппенгейм А.В., Шафер Р.В. Цифровая обработка сигналов. М.: Связь, 1979, 416 с.18. Oppenheim A.V., Schafer R.V. Digital signal processing. M .: Communication, 1979, 416 p.

19. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. М.: Мир, 1989, 540 с.19. Bendat J., Piersol A. Applied analysis of random data. M .: Mir, 1989, 540 p.

20. Френке Л. Теория сигналов. М.: Сов. радио, 1974, 344 с.20. Frank L. Theory of signals. M .: Sov. Radio, 1974, 344 p.

21. Беклемишев Д.В. Курс аналитической геометрии и линейной алгебры. М.: Наука, 1974, 320 с.21. Beklemishev D.V. Course of analytic geometry and linear algebra. M .: Nauka, 1974, 320 p.

22. Альберт А. Регрессия, псевдоинверсия, рекуррентное оценивание. М.: Наука, 1977, 223 с.22. Albert A. Regression, pseudo-inversion, recurrent estimation. M .: Nauka, 1977, 223 p.

23. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. М.: Наука, 1988, 552 с.23. Gantmakher F.R. Matrix theory. M .: Nauka, 1988, 552 p.

24. F. Xiong, Digital Modulation Techniques, Artech House, Second Edition. 2006.24. F. Xiong, Digital Modulation Techniques, Artech House, Second Edition. 2006.

Claims (5)

1. Способ измерения времени прихода сигнала с двухпозиционной угловой манипуляцией, включающий прием сигнала, аналого-цифровое преобразование принятого сигнала в первый цифровой поток данных, представляющий сигнал как ряд значений функции времени, преобразованных в цифровую форму, использование быстрого преобразования Фурье (БПФ) для двух сигналов, представляющего оба сигнала в виде ряда дискретных значений спектра Si(k), где k - целочисленная индексная переменная, изменяющаяся в пределах длины данных, a i=1, 2 - индексная переменная, означающая порядковый номер преобразуемого с использованием БПФ цифрового потока данных в значения спектра, взаимное перемножение значений спектра одного из сигналов с комплексно сопряженными значениями спектра другого сигнала, порождающее кросс-спектр, вычисление дискретной кросс-корреляционной функции (ДККФ) сигнала с использованием обратного БПФ, определение времени прихода (ВП) сигнала как аргумента максимума ДККФ сигнала, отличающийся тем, что осуществляют квадратурное разложение первого цифрового потока данных относительно номинальной центральной частоты модулированного сигнала в соответствующее указанному потоку множество синфазных и квадратурных отсчетов, полученные синфазные и квадратурные отсчеты независимо низкочастотно фильтруют с частотой среза, соответствующей скорости манипуляции модулирующего сигнала, получают множество текущих фаз сигнала как аргументов комплексных чисел, в качестве действительной части которых используют соответствующие отфильтрованные синфазные отсчеты, а в качестве мнимой - соответствующие отфильтрованные квадратурные отсчеты сигнала, задерживают множество полученных текущих фаз сигнала на длительность символа модулирующего сигнала, вычитают по модулю 2π из каждой полученной текущей фазы соответствующее значение задержанной текущей фазы сигнала, а полученный разностный цифровой поток данных преобразуют с использованием БПФ в значения первого спектра S1(k), формируют двухуровневый модулирующий сигнал и дифференциально декодируют, отображают каждый символ дифференциально декодированного сигнала на соответствующее количество отсчетов преобразованного в цифровую форму принятого сигнала относительно шкалы времени приемной позиции путем повтора значений дифференциально декодированного сигнала с повышением его частоты выборки до частоты выборки преобразованного в цифровую форму принятого сигнала и формируют, таким образом, второй цифровой поток данных, который преобразуют с использованием БПФ в значения второго спектра S2(k).1. A method of measuring the time of arrival of a signal with two-position angular manipulation, including receiving a signal, analog-to-digital conversion of the received signal into a first digital data stream, representing the signal as a series of values of the time function, digitized, using the fast Fourier transform (FFT) for two signals representing both signals in the form of a series of discrete values of the spectrum S i (k), where k is an integer index variable that varies within the data length, ai = 1, 2 is an index variable, I mean the serial number of the digital data stream converted using the FFT to the spectrum values, the mutual multiplication of the spectrum values of one of the signals with the complex conjugate spectral values of the other signal, which generates the cross spectrum, the calculation of the discrete cross-correlation function (DCF) of the signal using the inverse FFT time of arrival (VP) of the signal as an argument of the maximum DKKF signal, characterized in that the quadrature decomposition of the first digital data stream relative to the nominal the central frequency of the modulated signal into the set of in-phase and quadrature samples corresponding to the specified stream, the obtained in-phase and quadrature samples are independently low-pass filtered with a cut-off frequency corresponding to the modulation signal manipulation speed, and the set of current signal phases are obtained as arguments of complex numbers, the corresponding part of which is used filtered in-phase samples, and as imaginary - the corresponding filtered quadrature samples signal Ety, delay set received current signal phases on the duration of the modulation signal symbol, subtracting modulo 2π from each of the resultant current phase corresponding to the value of the delayed current signal phase, and the resulting differential digital data stream is converted using FFT values of the first spectrum S 1 (k) form a two-level modulating signal and differentially decode, map each symbol of the differentially decoded signal to the corresponding number of samples of the converted o into the digital form of the received signal relative to the time scale of the receiving position by repeating the values of the differentially decoded signal with increasing its sampling frequency to the sampling frequency of the digitalized received signal and thus generating a second digital data stream, which is converted using the FFT into the values of the second spectrum S 2 (k). 2. Способ измерения времени прихода сигнала по п.1, отличающийся тем, что для сигнала, у которого длительность символа сигнала некратна частоте выборки аналого-цифрового преобразования принятого сигнала, отфильтрованные синфазные и квадратурные отсчеты дополнительно децимируют и интерполируют с обеспечением кратности частоты отсчетов первого цифрового потока данных длительности символа сигнала.2. The method of measuring the time of arrival of a signal according to claim 1, characterized in that for a signal for which the duration of the signal symbol is not a multiple of the sampling frequency of the analog-to-digital conversion of the received signal, the filtered in-phase and quadrature samples are additionally decimated and interpolated to provide a frequency multiplicity of the first digital samples data stream signal symbol duration. 3. Способ измерения времени прихода сигнала по пп.1 или 2, отличающийся тем, что слева и справа от аргумента максимума ДККФ сигнала выбирают по L точек указанной функции, значения ДККФ для выбранных точек и точки максимума объединяют в порядке временного следования в вектор-столбец с, из единиц формируют вектор-столбец v0 такой же размерности как вектор с, соответствующие выбранным точкам ДККФ аргументы, выражают через индексную переменную l=0, ±1, … , ±L, где индексы l с отрицательным знаком соответствуют временам до точки максимума ДККФ, нулевой индекс l соответствует точке максимума ДККФ, а индексы l с положительным знаком соответствуют временам после точки максимума ДККФ, аргументы выбранных точек ДККФ упорядочивают также как и компоненты вектора с и объединяют в вектор-столбец v1, квадраты компонент вектора v1 аналогично объединяют в вектор-столбец v2, a уточненное значение ВП
Figure 00000031
определяют по следующему правилу:
Figure 00000032
,
где N=2L+1 - размерность сформированных векторов, надстрочный индекс T обозначает операцию транспонирования вектора, Ts - период дискретизации сигнала,
Figure 00000004
- скалярное произведение векторов v1 и с, коэффициент S определяется выражением
Figure 00000033
,
коэффициент Q определяется другим выражением
Figure 00000034
,
a (NSv2-S2v0)Tc - скалярное произведение разностного вектора (NSv2-S2v0) с вектором с.
3. The method of measuring the time of arrival of a signal according to claims 1 or 2, characterized in that to the left and to the right of the maximum DKKF signal argument, L points of the specified function are selected, the DKKF values for the selected points and maximum points are combined in the order of time following in a column vector c, a column vector v 0 of the same dimension as vector c is formed from units, and the arguments corresponding to the selected points of the DCQF are expressed through the index variable l = 0, ± 1, ..., ± L, where the indices l with a negative sign correspond to the times to the maximum point DKKF, zero index l DKKF corresponds to the maximum point, and the indices l with positive sign correspond to times when the maximum point DKKF arguments DKKF selected points as well as ordering the vector components and are combined into the column vector v 1, the squares of the vector components v 1 similarly combined in the vector column v 2 , a specified value of VP
Figure 00000031
determined by the following rule:
Figure 00000032
,
where N = 2L + 1 is the dimension of the generated vectors, the superscript T denotes the transpose of the vector, T s is the signal sampling period,
Figure 00000004
- a scalar product of the vectors v 1 and, S ratio is determined by the expression
Figure 00000033
,
the coefficient Q is determined by another expression
Figure 00000034
,
a (NSv 2 -S 2 v 0 ) T c is the scalar product of the difference vector (NSv 2 -S 2 v 0 ) with the vector с.
4. Устройство для реализации способа измерения времени прихода сигнала с двухпозиционной угловой манипуляцией, содержащее средство приема сигналов, вход которого является входом устройства измерения, соединенное с аналого-цифровым преобразователем (АЦП), последовательно включенные первый процессор БПФ, вычислитель кросс-спектров, второй процессор БПФ и устройство определения аргументов максимума дискретной кросс-корреляционной функции (ДККФ) сигнала, выход которого является выходом устройства измерения, при этом к второму входу вычислителя кросс-спектров подключен третий процессор БПФ, отличающееся тем, что между выходом АЦП и входом первого процессора БПФ последовательно включены устройство квадратурного разложения сигнала, первый фильтр нижних частот (ФНЧ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и устройство вычитания по модулю 2π, между вторым выходом устройство квадратурного разложения сигнала и вторым входом ПЗУ включен второй ФНЧ, вычитающий вход устройства вычитания соединен с выходом ПЗУ через элемент задержки на длительность символа сигнала, а вход третьего процессора БПФ подключен к выходу формирователя двухуровневого модулирующего сигнала через последовательно соединенные дифференциальный декодер и экспандер частоты дискретизации.4. A device for implementing a method for measuring the time of arrival of a signal with on-off angle manipulation, comprising a signal receiving means, the input of which is an input to a measuring device connected to an analog-to-digital converter (ADC), a first FFT processor, a cross-spectrum calculator, and a second processor FFT and the device for determining the arguments of the maximum of the discrete cross-correlation function (DCF) of the signal, the output of which is the output of the measuring device, while to the second input of the subtraction a third FFT processor is connected to the cross-spectral splitter, characterized in that between the ADC output and the input of the first FFT processor, a quadrature signal decomposition device, a first low-pass filter (LPF), read-only memory (ROM) and a subtraction device modulo 2π are connected between the second output device is a quadrature decomposition of the signal and the second input of the ROM includes a second low-pass filter, the subtracting input of the subtractor is connected to the output of the ROM through a delay element for the duration of the signal symbol, and the input is the third FFT processor is connected to the output of the shaper of the two-level modulating signal through a series-connected differential decoder and expander of the sampling frequency. 5. Устройство для реализации способа измерения времени прихода сигнала с двухпозиционной угловой манипуляцией по п.4, отличающееся тем, что к выходу устройства определения аргумента максимума дискретной кросс-корреляционной функции сигнала дополнительно подключено арифметическое устройство. 5. A device for implementing the method of measuring the time of arrival of a signal with on-off angle manipulation according to claim 4, characterized in that an arithmetic device is additionally connected to the output of the device for determining the maximum argument of the discrete cross-correlation signal function.
RU2012152893/08A 2012-11-27 2012-11-27 Method of measuring time of arrival of signal and apparatus for realising said method RU2524843C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012152893/08A RU2524843C2 (en) 2012-11-27 2012-11-27 Method of measuring time of arrival of signal and apparatus for realising said method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012152893/08A RU2524843C2 (en) 2012-11-27 2012-11-27 Method of measuring time of arrival of signal and apparatus for realising said method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012152893A RU2012152893A (en) 2014-06-10
RU2524843C2 true RU2524843C2 (en) 2014-08-10

Family

ID=51214225

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012152893/08A RU2524843C2 (en) 2012-11-27 2012-11-27 Method of measuring time of arrival of signal and apparatus for realising said method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2524843C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2663881C1 (en) * 2017-10-05 2018-08-13 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" Device for determining time of receipt of optical signal

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0649033A2 (en) * 1993-10-15 1995-04-19 International Business Machines Corporation Improved TDOA/FDOA technique for locating a transmitter
US5874916A (en) * 1996-01-25 1999-02-23 Lockheed Martin Corporation Frequency selective TDOA/FDOA cross-correlation
US6201499B1 (en) * 1998-02-03 2001-03-13 Consair Communications Time difference of arrival measurement system
RU2003119894A (en) * 2003-06-30 2004-12-27 Государственное конструкторское бюро аппаратно-программных систем "Связь" Всероссийского НИИ "Градиент" (ГКБ "Связь") METHOD FOR MEASURING DIFFERENCES OF ARRIVAL TIME AND FREQUENCY OF RECEIVING SIGNALS AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2256192C2 (en) * 2003-06-30 2005-07-10 Государственное конструкторское бюро аппаратно-программных систем "Связь" Всероссийского НИИ "Градиент" (ГКБ "Связь") Method and device for measuring difference in signal arrival time and in signal reception frequency

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0649033A2 (en) * 1993-10-15 1995-04-19 International Business Machines Corporation Improved TDOA/FDOA technique for locating a transmitter
US5570099A (en) * 1993-10-15 1996-10-29 Loral Federal Systems Company TDOA/FDOA technique for locating a transmitter
US5874916A (en) * 1996-01-25 1999-02-23 Lockheed Martin Corporation Frequency selective TDOA/FDOA cross-correlation
US6201499B1 (en) * 1998-02-03 2001-03-13 Consair Communications Time difference of arrival measurement system
RU2003119894A (en) * 2003-06-30 2004-12-27 Государственное конструкторское бюро аппаратно-программных систем "Связь" Всероссийского НИИ "Градиент" (ГКБ "Связь") METHOD FOR MEASURING DIFFERENCES OF ARRIVAL TIME AND FREQUENCY OF RECEIVING SIGNALS AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2663881C1 (en) * 2017-10-05 2018-08-13 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" Device for determining time of receipt of optical signal

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012152893A (en) 2014-06-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106855628B (en) Rapid acquisition and tracking system and method for high-dynamic satellite navigation signals
Akopian Fast FFT based GPS satellite acquisition methods
US6370207B1 (en) Method for mitigating multipath effects in radio systems
US9465115B2 (en) Processing of signals to provide a delay Doppler map
CN105229431A (en) The level gauging that the distance with improvement is determined
Maskell et al. The estimation of subsample time delay of arrival in the discrete-time measurement of phase delay
RU2516432C2 (en) Method of locating radio-frequency source
RU2524843C2 (en) Method of measuring time of arrival of signal and apparatus for realising said method
RU2491569C2 (en) Method of direction finding with increased resolution ability
RU2483319C2 (en) Method of measuring time of arrival of signal and apparatus for realising said method
CN108027442A (en) Satellite navigation receiver with fixed point Sigma sieve wave filter
RU2256192C2 (en) Method and device for measuring difference in signal arrival time and in signal reception frequency
RU2483318C2 (en) Method of measuring time of arrival of signal and apparatus for realising said method
Garvanov et al. On the modeling of innovative navigation systems
RU2476986C1 (en) Method of measuring time of arrival of signal and apparatus for realising said method
Won et al. Noniterative filter-based maximum likelihood estimators for GNSS signal tracking
Jiang et al. An efficient algorithm for WBAF estimation based on linear interpolation and its estimation error
RU2476985C1 (en) Method of measuring time of arrival of signal and apparatus for realising said method
RU2642846C2 (en) Method for determining coordinates of radio emission source
RU2687884C1 (en) Method for determining doppler frequency shift based on an information phase-manipulated signal based on analysis of deviation of phase difference 2 of order
Nothnagel The correlation process in Very Long Baseline Interferometry
Bidon et al. Variational Bayes phase tracking for correlated dual-frequency measurements with slow dynamics
Wang et al. An efficient time-frequency algorithm for weak signal acquisition of modernized GNSS signals
RU2321014C2 (en) Mode of direction finding and multi channel direction finder
Nelson et al. Scale cross-ambiguity and target resolution

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20190924

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20201128