CN101799539B - 一种混沌测距方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种混沌测距方法及装置，可用于飞行器测控、移动目标的距离测量。如说明书附图1所示：混沌信号经量化器3成为二进制序列，它在调制器16进行载波调制后发送至信道，同时由选码脉冲电路4选取M个码片中的前N个(N≤M)存贮到移位寄存器8。目标17接收信号后发出应答信号至接收机10，经采样、匹配滤波相关、阈值判决器13判决，待出现相关峰值时得到的测距脉冲(15)宽度就是信号在测量站和目标间传输一个来回所需的时间，换算可得目标与测量站间的距离。其主要优点如下：测距信号具有非常高的保密性和抗截获性能；实现复杂度更简单，并可实现动态连续测量。本发明特别适用于远距离测控及对测距保密性、抗截获性要求高的场合。

Description

一种混沌测距方法及装置

技术领域：飞行器测控、导航定位、距离测量

本发明涉及一种利用混沌扩频测距系统，特别是涉及利用非周期混沌序列作为扩频码的扩频测距系统的实现方法及同步捕获技术。能够实现传统扩频伪码测距的功能并且具有更好的保密和抗截获性能。

背景技术：

在飞行器测控中，目前普遍采用扩频伪码测距技术，伪码测距具有良好的测量精度、抗干扰、保密和抗截获性能。但是传统的伪码测距系统采用的是基于线性反馈移位寄存器产生的序列，如m序列的Gold序列，以及由这些序列所组成的复合码等，由于m序列及Gold序列是线性移位寄存器周期序列，其复杂度低，其保密性能和抗截获性能不高，在许多应用场合，例如军用飞行测控应用场合，存在安全隐患。另外，由于m序列的数量不多，而且m序列的互相关性能不好，不适应多目标测控应用。Gold序列虽然能提供数量足够的互相关系数小的序列，以支持多目标测控，但是其自相关和性能比m序列有所下降，互相关性能也达不到理想状态。近年来，随着非线性理论和混沌理论的不断成熟，利用混沌序列对初值的敏感依赖性，可以提供数量众多、非相关、非周期、类噪声而又确定再生的信号。利用混沌码进行保密通信或利用混沌映射产生的序列替代传统的伪码进行扩频通信，已经成为国内外通信领域理论研究和工程应用的热点，并且已取得实质性进展。利用混沌序列替代传统的伪码进行扩频伪码测距，比传统的扩频伪码测距具有更好的保密性能和抗截获性能。

传统的伪码测距是由测距站向目标发射一个扩频信号，目标接收此信号后经透明转发或再生应答将此信号再发回测距站，测距站根据电磁信号在空中的传输时间，来计算测距站与目标之间的距离。其基本过程为：测距站产生一个PN码，然后将该码调制到合适的射频上并向远端的测距目标发送，目标接收到的测距信号又反射回测距站。为此，测距目标必须配备一个再生发射机应答器，或者是一个反向发射机应答器。在前一种情况下，接收到的PN码由相关接收机进行跟踪，然后再生并传回测距站。在实际应用中，再生发射机应答器可以产生一个与原始测距信号无差错的信号原型。在后一种情况下，反向发射机应答器对接收到的PN信号进行完整的解调，将其带宽限制在码片速率f_c的70％左右，再将PN码重新调制到射频上并发回测距站。

假设传播速度已知，则从测距目标到测距站的距离d可由PN码传播到测距目标并返回测距站的时延t_d＝2τ求得，即

$d=\frac{1}{2}c{t}_d=\mathrm{c\τ}$

c为电磁波在大气中的传播速度，t_d为电磁信号在测距站与目标之间一个来回所用的传播时间，τ是电磁信号在目标和测距站之间单向传播时间。

时延t_d可由启动-停止法或相位比较法求得。若采用启动-停止法，则时延可由测量起始码字和终止码字之间的时间得到。假设测距信号采用一个n阶的m序列，则起始码字和终止码字均可视为长度为n的特定m序列的子序列(通常情况下为全“1”状态)。启动-停止法采用起始码字开启门电路，当检测到终止码字时关闭门电路。在门电路开启的时间内，对离散时刻计数并以此来计算时延。

相位比较法是利用发送伪码与接收伪码的相位比较来测量传输时延的，这样可保证相位信息的实时提取，并可将其迅速转化为时延量和距离量。

发射端将伪码序列发送到信道，伪码产生器在输入时钟的驱动下，相位在递进。由目标返回后的信号经并行捕获(码周期为N时共有N种不同的相位)。将捕获到的伪码相位，与此时的发送端伪码相位进行比较，其相位差M个伪码码元，则时延为：

t_d＝MT_c

对于伪码测距系统，最大的无模糊测量距离，取决于系统可识别的最大时延，它由伪码周期决定。设测距码的周期为N，码片时间为T_c，则最大无模糊测量距离为：

$d_{\max }=\frac{1}{2}\mathrm{cN}{T}_c$

c为光速。

最小的可测距离(即测距精度)取决于对发送和接收PN码之间的相位差的测量精度。假设捕获技术可以得到最小精度为ΔT_c的时延，且ΔT_c＜T_c，则最小可测距离为：

$d_{\min }=\frac{1}{2}\mathrm{c\Δ}{T}_c$

即，最小测量误差为±d_min

在传统的伪码测距方案中，扩频码的捕获通常采用的方法有串行捕获(滑动相关)、并行捕获(最常用的是数字匹配滤波法)及串/并结合的捕获方法，由于串行捕获时间很长(尤其是码长很长时)，所以现在的飞行器测距一般采用并行捕获的方法。伪码跟踪一般采用延迟锁定环技术。

混沌测距的思想仍然是根据传统扩频伪码测距的思想，但是由于混沌对初值非常敏感，在传输的过程中受到噪声和干扰的污染，在接收端完全复制一个与发送端一样的同步混沌是非常困难的，而且由于混沌是非周期的，传统的伪码捕获方法已不再适用于混沌测距系统，这也是利用混沌混测距所面临的难题。

发明内容：

本发明就是针对混沌捕获的难题，设计一种利用混沌序列扩频的测距系统，并且提出由测距站发出经目标转发的信号有效检测方法。本发明的目的在于提供一种利用连续的非周期混沌序列测量信号在测距站与目标之间的传播时间，从而测得测距站与目标之间距离的方法。

其发明的核心思想是，测距站发送连续的混沌序列，将该混沌序列分段，分段的长度(M)取决于最大无模糊距离，每一段中存贮前N个混沌序列，N大小取决于抗干扰性能要求的扩频增益。利用这存贮的N个混沌序列对该段混沌信号经目标到达后的匹配接收。此方法不仅最大限度的利用混沌的保密性和抗截获性能，而且有效地解决了混沌同步的难题。其基本原理和过程如下：

混沌测距系统的原理图如说明书的图1所示。混沌产生电路2，在时钟(图1中的1模块)的驱动下进行混沌迭代，产生连续的混沌信号，此混沌信号经二值化器(图1中的3模块)后成为二进制序列(取值±1)。该序列可以调制遥测数据，亦可不调制数据，仅用于测距(在实际应用中，通常取前者，本发明中由于只考虑测距问题，以不调制遥测数据为例进行说明)，对载波(图1中模块9)由调制器(图1中模块16)发送至信道。发送电路在统一时钟驱动下，有一个选码脉冲电路(图1中模块4)，在每M个码片中选取前N个码片由移位寄存器(图1中模块8)进行存贮(N≤M)。设时钟周期为T_c，M的选取要满足最大模糊距离的要求，若设最大无模糊距离为d_max，则

$\frac{1}{2}c{\mathrm{MT}}_c>d_{\max }$

而N的选取应满足特定的扩频增益要求，以满足其抗干扰性能。

选码脉冲如说明书的图2(a)所示，其码无宽度为T_B＝NT_c，其周期为T_M＝NT_c，在下降沿锁存移位寄存器，这样就将选码脉冲所涵盖的N个码元锁存起来，用于发送信号经目标(图1中模块17)转发后到达测距站，经接收机(图1中模块10)后，由采样器(图1中模块11)进行采样，关入接收端的移位寄存器(图1中模块12)与发送端存的伪码进行匹配接收。在选码脉冲的驱动下，每周期(T_M时间)更换一次存贮的码字(码长为N)。

该选码脉冲经一个非门(图1中模块5)后产生一个触发脉冲，该触发脉冲的下降沿触发翻转触发器1(图1中模块6)，触发器的输出如图2(c)所示，该触发器输出作为异或器(图1中模块7)的一个输入。调制发送到信道中的混沌信号经目标转发后(透明转发或再生转发)到达测距站，经接收机、采样器后，进入接收端的移位寄存器(图1中模块12)，当发射的混沌码前N个码元(与存贮的N个混沌码相同)全部到达接收的移位寄存器时，匹配滤波器的输出得到相关峰值，如图2(d)所示。该相关峰值触发另一个翻转触发器2(图1中模块13)，其输出波形如图2(e)所示。两翻转触发器的输出进行异或，便得到一个周期的时延测量脉冲(图1中模块15)，其波形如图2(f)所示，该脉冲的宽度τ就是电波在测距站和目标之间传播一个来回所需的时间。连续测量得出的τ的值，便反映了目标与测距站之间的连续距离变化。

附图说明：

图1为混沌测距系统原理图。图中，1是时钟。2是混沌产生电路。3是二值量化器。4是选码脉冲产生电路。5是非门。6是翻转触发器1。7是异或门。8是发端移位寄存器。9是载波。10是接收机。11是采样器。12是接收端移位寄存器。13是相关峰值的阈值判决器。14是另一个翻转触发器。15是得到的测量脉冲。16是载波调制器。17是被测目标。

图2为混沌测距系统各点的对应波形。(a)是选码脉冲波形，脉冲周期为MT_c，脉冲宽度为NT_c，T_c为时钟宽度。(b)是选码脉冲的反向输出波形。(c)是翻转触发器1的输出波形。(d)是匹配滤波器的输出波形。(e)翻转触发器2的输出波形。(f)是异或门输出的脉冲波形。该波形的宽度就代表了测距信号在测距站与被测目标之间传播一个来回的时间。

实施测量方式：

利用本系统的测量具体实施过程如下：

①根据具体的测量精度要求，设置时钟频率，即设置时钟周期T_c大小。

②应用场景的需求，由最大的无模糊距离d_max，确定混沌序列的分段长度M

$M>\frac{{2d}_{\max }}{c{T}_c}$

其中，c为光速。

③对于有基带数据调制的系统，一个基带数据码元含有整数个(N)混沌码元，则根据系统所要达到的扩频增益G_p，设置每个混沌分段所要存贮的混沌码元个数N＝G_p。

④选定混沌映射，如改进型Logistic映射，其表达式为：

x_n+1＝1-2x_n ²     -1＜x_n＜1

选定初值后，在系统时钟的驱动下产生连续的混沌样值，经二值量化为成为幅度为±1的二进序列。

⑤此二进制序列一方面自动存贮部分序列在移位寄存器中，一方面对数据进行扩频调制后，经载波调制发往信道。

⑥接收端在匹配滤波器的输出的驱动下，测量异或门输出脉冲的宽度τ。

⑦由测量输出脉冲的宽度τ，用下式求出测距站与被测目标之间的距离

$d=\frac{1}{2}\mathrm{c\τ}$

⑧测量数据的后续处理。主要是针对漏检和虚警进行相关的处理。

具体实施时，应该满足以下关系：

①混沌序列分段的长度M应满足最大无模糊测距的要求，即：

$M>\frac{{2d}_{\max }}{c{T}_c}$

对于卫星测控来说，M值很大，取2¹⁸～2²⁰。

②时钟周期的取值应满足测距精度的要求，本方案采用的数字匹配滤波器捕获，其最差的捕获精度为此时的测距精度为：

$d_e=\frac{1}{2}c\frac{1}{2}{T}_c=\frac{1}{4}c{T}_c$

给定测距精度d_e的情况下，时钟周期应满足：

$T_c<\frac{{4d}_e}{c}$

c为光速。

③一般应用时，存贮混沌序列的长度N就是扩频增益，即N＝G_p。可以取N＝M，但一般是取N＜M或N＜＜M。

④本方案可以采用一些辅助电路，实现测距精度的提高。

本发明与传统的伪码测距系统相比有如下优点：

①由于混沌产生对于实值极端敏感，而且所利用的混沌序列是非周期性的，同时采用高增益扩频，因而具有更好的隐蔽性。传统的扩频伪码测距，只要第三方能接收一个整周期的伪码信号，就能很方便进行扩频解扩和数据解调，甚至接收部分序列，就可以推算出一个周期的伪码序列，但利用本发明，就不存在这个问题，因而具有更好的保密性。

②通过对混沌序列的研究表明，混沌序列的长度很长的情况下，混沌码序列与高斯白噪声序列性能相近，它比传统的m序列和Gold序列具有更好的自相关和互相关特性，因而在M足够大时，它比传统的扩频伪码测距具有更好的抗干扰性能。

③由于混沌序列数量巨大，而且不同的混沌序列之间，或同一映射，由于初值不同所产生的混沌序列之间具有良好的互相关性能，因此本发明对于多目标测控，能够提供数目巨大的地址码，而且不同地址码之间的互相关性能优良，因此多目标混测控时，本方案比传统的扩频伪码测距，具有更好的抗多址干扰能力，同时也具有更多的目标测控能力。

④m序列和Gold序列的长度均为2ⁿ-1，其中n是移位寄存器的级数；而混沌序列的长度可为任意的非零整数。对于调制数据而言，一般情况下，是一个基带数据码元含有一个周期的伪码，因而混沌序列比m序列和Gold序列具有更好的适应性。

⑤由于采用数字匹配滤波器捕获，捕获时间很短，平均捕获时间为NT_c，这为实际的应用提供了极大的方便。

混沌扩频通信及混沌测距中遇到的一个难题就是，不能有效地进行混沌码的捕获与混沌同步。若利用数字匹配滤波法进行捕获，势必要将非周期的混沌序列截成周期的序列，这样就降低了混沌序列本身的保密性和高抗截获性能。本发明就是利用传统扩频伪码测距的思想，结合测距系统的本身特性，在充分保证混沌序列本身良好特性的基础上，实现了混沌序列的扩频测距。由于采用数字匹配滤波器进行捕获，捕获时间比滑动相关捕获所需的时间大大减少。

本发明特别适用于军用飞行器测控，及安全保密性能要求高的卫星测控等。

Claims (2)

1.一种采用“混沌测距”的方法，其特征在于采用以下步骤：

A、混沌产生电路(2)在时钟(1)驱动下，产生离散混沌样值，该样值经二值量化器(3)后，形成取值±1的混沌序列，该混沌序列由载波调制器(16)进行调制后发送到信道；

B、对所产生的混沌序列，由选码脉冲产生电路(4)进行选码，所选择的码送入发端移位寄存器(8)进行存贮，同时，选码脉冲经非门(5)后，触发翻转触发器(6)，用于指示测距信号发送的时刻；

C、由被测目标(17)返回的测距信号，经接收机(10)接收后，由采样器(11)进行采样，采样后的数据送入接收端移位寄存器(12)进行存贮；

D、接收端移位寄存器(12)和发端移位寄存器(8)中的序列进行数字匹配相关运算，运算的结果送入相关峰值的阈值判决器(13)进行处理，相关峰值超过预设的门限后，相关峰值的阈值判决器(13)输出一个脉冲，该脉冲触发另一个翻转触发器(14)，翻转触发器(6)和另一个翻转触发器(14)的输出由异或门(7)进行异或运算，得到测量脉冲(15)；

E、得到的测量脉冲(15)的宽度，表示了测距信号在测距站和被测目标之间传输一个来回所需的时间，由此时间可计算出被测目标与测距站之间的距离。

2.一种实施权利要求1所述方法的测距装置，其特征在于，包括混沌产生电路(2)、二值量化器(3)、选码脉冲产生电路(4)、翻转触发器(6)及另一个翻转触发器(14)、发端移位存器(8)及接收端移位寄存器(12)、相关峰值的阈值判决器(13)及异或门(7)。

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