CN103023527A - 用于直接序列扩频测距系统信号时延估计方法与实现 - Google Patents

Abstract

公开了一种基于最小二乘算法实现直扩信号空间传输精确时延估计的方法。公开了基于该算法的实现方法与结构。首先，本地伪码发生器同时输出五路本地伪码信号，其相位分别超前3/4chip、超前1/4chip、当前相位、滞后1/4chip与滞后3/4chip；其次，将五路本地伪码分别与接收到的测距信号进行相干相关，相关时长为测距伪码整数个周期长。再次，用最小二乘算法对五个相关结果进行二次曲线拟合。最后，通过搜索拟合所得曲线的极值，估计出测距信号空间传输的时延的精确值部分。与直扩测距系统中的脉宽法时延精测估计方法相比，本发明所述算法具有运算量低、估计精度高等优点。同时，无需复杂的信号变换电路。

Description

用于直接序列扩频测距系统信号时延估计方法与实现

技术领域

本发明涉及一种通信系统中的信号传播时延的精确估计算法。确切的讲，涉及直接序列扩频测距系统中收、发伪码的时延精确差部分的估计。属于数字通信信号处理技术领域。 

背景技术

直接序列扩频测距(简称：直接扩频测距)是利用测距伪随机码(简称：伪码)的相关特性实现无线电波空间传播时间的测量。测距系统正向统一载波的数字化实现方向迈进。数字技术给测距系统带来了诸多优点，同时也给测距系统带来了一个亟待解决的问题——信号的离散化导致测距系统中的伪码跟踪环的跟踪精度恶化，严重影响测距的精度。 

造成上述问题的主要原因在于系统的采样脉冲与信号的过零点不同步。而简单实现其同步对具有多普勒频移的信号来讲，不具有长期通用性。实践中，人们采用了各种技术方法试图从其它方面消除或降低该问题对测距精度的影响。现已取得的成果主要有：一，提高系统采样速率以减小采样的间隔为手段，实现信号空间传输时延的较精确估计。2002年，Quirk等人就采用该方案来改善伪码跟踪环的精度。但很快发现：当系统的采样率接近或者恰好等于码片速率的整数倍(等量采样)时，系统的性能会骤降。为此，又提出了采用非等量采样技术(即：采样速率与伪码周期不成整数比例关系。)以改善系统的跟踪性能，取得了较好的效果。但基于非等量采样技术的直扩测距方法并不能完全消除离散化带来的相关函数峰值出现的位置模糊问题(如图1中线1与线2所示)。难以满足人们对距离测量精度的要求。若再提升采样速率，则对系统的后继处理及其器件均提出了更高要求。二，从减小本地再生测距伪码时钟的抖动量入手，设计了采用窄带提纯环路对本地伪码时钟输出进行提纯，再与发测距伪码时钟比相，获得二者的相位差，由时宽测量方法对该相位差进行测量，得到一个信号空间传播时延的精估计值，并将其与以匹配滤波器技术获取的信号时延粗估计值相链接，实现对问题解。该方法也在实践中取得了良好效果，但测量系统复杂，且基于计数器方式的时宽测量存在计数±1问题，难以满足实际需要。三，有相关文献报道了在直接扩频测距系统中采用 小波分析来估计信号时延的精确部分。它也是先对收信号与本地的具有固定相位差的多路伪码做互相关，再进行小波变换，总后在全域内找极大值获取信号空间传播时延信息的。该算法的复杂度高，运算量大。 

综上所述，提出基于“最小二乘”算法直扩信号传播时延精确部分的估计方法具有实际意义。在实践中，我们对直扩测距系统的整体进行了长期研究，得出：直扩测距系统中设计有各种信号成形滤波器，这些滤波器与自由空间一起构成系统的广义信道，它会对收发测距伪码的相关函数产生影响，使相关函数的波形不再是伪码的理想三角形特征(在一个周期内)。而是在相关函数的最大值附近应具有二次函数曲线特征(如图1中线2所示)。根据相关函数的离散样点，采用“最小二乘”算法进行过这些样点的曲线拟合，通过拟合出的曲线，可找到这些离散的相关函数值点对应的连续相关函数曲线的峰值位置，这个位置就对应与连续直接扩频测距信号相关时的峰值位置，从而弥补因离散化造成的离散相关峰与连续相关峰的偏移(又称：采样模糊度问题)。 

发明内容

本发明旨在解决离散化引起的伪距测量模糊度问题(如图1所示线3与线4峰值偏移)。 

问题的解决思路：受系统信道滤波器影响，收、发测距伪码的互相关函数在其最大值附近可近似为一条二次函数曲线特征(如图1中线2所示)。因采样脉冲位置的不确定性引起导致数字系统中存在采样模糊问题。不考虑系统采样器时延的情况下(注：高速采样器的时延非常小，可以不予考虑)，与测距系统中发、伪码离散后的互相关函数值仅仅是对应连续信号的相关函数的采样。当采样脉冲与接收伪码信号的过零点重合时，离散相关函数的峰值与连续相关函数的峰值重合；当采样脉冲与接收伪码信号的过零点间存在τ偏移时，离散的相关函数值的峰值就与连续相关函数的峰偏移，其偏移量也是τ(如下图1所示)。因此，基于扩频测距系统的数字化实现时，可以采用合理的方法来消除采样模糊度的问题。根据上述这些特点，本发明提出了利用“最小二乘算法”拟合一条过五个离散相关函数值点的二次曲线，再通过该二次曲线的峰值对应的时间坐标，确定采样的不确定时间τ(即时延的精确值部分)。 

解决问题的步骤：首先，将接收信号同时与具有固定相位差的本地五路伪码相关，其中，相关运算的时间宽度为整数倍伪码周期；其次，根据五个相关值拟合一条过这五点的二次曲线；最后，根据拟合曲线的峰值位置估计信号精确时延值。 

本发明具有如下显著特点： 

(1)本发明所述的方法可以解决直扩测距系统中信号离散化对时延估计值的影响。 

(2)本发明所述的方法与基于过采样法或基于时宽测量法相比较，具有运算量低，时延估计的精度高等优点，且易于数字化实现。 

(3)本发明所述的方法与基于过采样法或基于时宽测量法相比较，可节省大量的信号调理电路设计，降低测距系统的整体复杂性，改善测距系统的性能。 

附图说明

图1为本发明所述算法的理论依据方框图。 

图2为本发明所述算法的实现流程示意方框图。 

图3为本发明所述算法结构示意方框图。 

图4为本发明所述算法实现流程图。 

其中图3中：1.伪码理想相关函数波形，2.受信道滤波器影响后伪码相关函数波形，3.信号离散后某次相关结果分布，4.信号离散后相关结果的理论分布，5.五路伪码相关器，6.存储器，7.曲线拟合器，8.时延计算器，9.伪码发生器，10.伪码时钟产生器。 

具体实施方式

为使本发明所述算法的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。 

本发明所述算法涉及一种用于直接序列扩频测距信号空间传播时延的估计方法，适用于直接扩频测距系统实现测量体与被测体之间的径向距离测量。本发明所述算法的基本的特征在于：首先，本地伪码发生器并行输出多路具有固定相位差的伪码信号，由相关器对其与待测体返回的直接序列扩频测距信号同时、分别相关运算；然后，由这些相关值与伪码的相对相移量作为相关函数曲线上的点，采用“最小二乘”算法拟合一条通过这些点的一条二次曲 线。最后，根据伪码相关函数具有单峰值的特点，求出拟合所得曲线的峰值位置实现信号时延的精确估计。 

本发明所述算法的实现方案。其基本的特征在于：本地伪码发生器输出五路伪码，这五路伪码的相对移位分别为：0相位、超前3/4伪码片相位、超前1/4伪码片相位、滞后3/4、滞后1/4伪码片相位；五了相关器同时对本地的五个伪码与接收信号进行整数了伪码周期长的相关运算，并经运算结果输出给延时估计器；延时估计器根据输入信号进行最小二乘法拟合二次曲线，根据其导函数为零后系数的关系，估计出信号空间传播时延的精确信息。(参见图3所示)。 

参见图1～图4，介绍本发明所述方法的具体操作步骤： 

1.根据权利要求1所述方法，其特征在于：所使用的算法包括如下步骤： 

1a.本地伪码产生器输出五路具有相对固定相位差的伪码信号；本地伪码与接收到的直扩测距信号互相关，并将相关结果存到地址为y1-y5存储器单元。相关的时间长为一个伪码周期或数个伪码周期。(参见图3所示)。 

1b.根据最小二乘法曲线拟合算法，由y1-y5中的五个相关函数值与对应的本地伪码相对相移作为互相关函数曲线上的五个点。 

1c.根据最小二乘法曲线拟合算法，拟合一个二次曲线方程P(x)，并搜索其峰值位置，确定信号时延的精确值。(参见图4所示)。 

2.根据权利要求1所述，其特征在于：所使用的基于“最小二乘”法曲线拟合算法实现直扩测距信号空间传播时延精确估计包括一下步骤： 

2a.按照步骤1a所述，五路本地伪码发生器产生的伪码的相对相位分别为：-3/4chip(滞后)、-1/4chip(滞后)、0(当前)、+1/4chip(超前)和+3/4chip(超前)。假设测距伪码(PN)周期为N，每chip有L采样，则一个周期的样点总数为M(M＝L·N)个。任一路本地伪码与直接扩频测距的接收信号的相关按式(1)， 

$y_i=\frac{1}{M}\underset{k=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}r\left(k\right)\·\mathrm{PN}(k+k_1),i=\mathrm{1,2},\·\·\·,5---\left(1\right)$

进行。(参见图3所示)。 

2b.按照步骤1b所述，相关函数曲线上的五个坐标点按如下方式确定：(-3/4，y₁)、(-1/4，y₂)、(0，y₃)、(1/4，y₄)和(3/4，y₅)。 

2c.按照步骤1c所述的的曲线方程按设为：p(x)＝a₀x⁰+a₁x¹+a₂x²，则其中的待定系数(a₀，a₁，a₂)根据最小二乘算法按式(2)， 

$\left(\begin{array}{ccc}\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^0& \underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^1& \underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2\\ \underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^1& \underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2& \underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^3\\ \underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2& \underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^3& \underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^4\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\\ a_2\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{y}_1{x}_i^0\\ \underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{y}_1{x}_i^1\\ \underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{y}_1{x}_i^2\end{array}\right)---\left(2\right)$

进行。测距信号的空间传播时间的精确部分按式(3)， 

$\mathrm{\τ}=-\frac{a_1}{2a_2}---\left(3\right)$

进行估计。(参见图4所示) 

3.根据权利要求2所述算法的实现方法，其特征在于：伪码时钟产生器(10)接本地伪码发生器(9)，本地伪码发生器(9)输出五路信号给伪码相关器(5)，伪码相关器(5)输出结果给存储器(6)，曲线拟合器(7)取存储器(6)中对应单元的数据y₁-y₅，曲线拟合器(7)输出接延时估计器(8)。(参见图1所示) 

Claims (5)

1.一种用于直接序列扩频测距信号空间传播时延的精确估计方法，适用于直接扩频测距系统实现测量体与被测体之间的径向距离测量。本发明所述算法的基本的特征在于：首先，本地伪码发生器并行输出多路具有固定相位差的伪码信号，由相关器对其与待测体返回的直接序列扩频测距信号同时、分别相关运算；其次，由相关值与伪码的相对相移量组合构成相关函数曲线上的点，采用“最小二乘”算法拟合一条通过这些点的二次曲线。最后，根据伪码相关函数具有单峰值的特点，求出拟合所得曲线的峰值位置，根据峰值位置与原点的差，完成信号时延精确部分的估计。

2.一种用于权利1所述算法的实现方案。其基本的特征在于：本地伪码发生器输出五路伪码，其相对移位分别为：0相位、超前3/4伪码片相位、超前1/4伪码片相位、滞后3/4、滞后1/4伪码片相位分别给五个数字相关器；五个数字相关器同时对本地的五个伪码与接收信号进行相关运算(相关时间长为整数了伪码周期长)，并将运算结果提供给延时估计器；延时估计器根据五个相关结果采用“最小二乘算法”拟合一条过这五点的二次函数，根据其导函数为零，估计二次函数的极值位置；根据极值位置与原点的关系，估计出信号空间传播时延的精确部分，实现距离的精测。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于：所使用的算法包括如下步骤：

3a.本地伪码产生器输出五路具有相对固定相位差的伪码信号；本地伪码与接收到的直扩测距信号互相关，并将相关结果存到地址为y1-y5存储器单元。相关的时间长为一个伪码周期或数个伪码周期。

3b.根据“最小二乘”曲线拟合算法，由y1-y5中的五个相关函数值与对应的本地伪码相对相移作为互相关函数曲线上的五个点。

3c.根据“最小二乘”曲线拟合算法，拟合过步骤3b所述的五点的一条二次曲线方程P(x)，并搜索其峰值位置，确定信号时延的精确值。

4.根据权利要求1所述，其特征在于：基于“最小二乘”曲线拟合算法，直扩测距信号空间传播时延精确估计包括一下步骤：

4a.按照步骤3a所述，五路本地伪码发生器产生的伪码的相对相位分别为：-3/4chip(滞后)、-1/4chip(滞后)、0(当前)、+1/4chip(超前)和+3/4chip(超前)。

假设测距伪码(PN)周期为N，每chip有L采样，则一个周期的样点总数为M(M＝L·N)个。每路本地伪码与直接扩频测距接收信号的相关运算按式(1)，

$y_i=\frac{1}{M}\underset{k=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}r\left(k\right)\·\mathrm{PN}(k+k_1),i=\mathrm{1,2},\·\·\·,5---\left(1\right)$ 进行。

4b.按照步骤3b所述，相关函数曲线上的五个坐标点按如下方式确定：(-3/4，y₁)、(-1/4，y₂)、(0，y₃)、(1/4，y₄)和(3/4，y₅)。

4c.按照步骤3c所述的的曲线方程按设为：p(x)＝a₀x⁰+a₁x¹+a₂x²，则其中的待定系数(a₀，a₁，a₂)，根据最小二乘算法按式(2)，

$\left(\begin{array}{ccc}\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^0& \underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^1& \underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2\\ \underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^1& \underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2& \underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^3\\ \underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2& \underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^3& \underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^4\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\\ a_2\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{y}_1{x}_i^0\\ \underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{y}_1{x}_i^1\\ \underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{y}_1{x}_i^2\end{array}\right)---\left(2\right)$

进行。测距信号的空间传播时间的精确部分按式(3)，

$\mathrm{\τ}=-\frac{a_1}{2a_2}---\left(3\right)$ 进行估计。

5.根据权利要求2所述算法的实现方法，其特征在于：伪码时钟产生器(10)接本地伪码发生器(9)，本地伪码发生器(9)输出五路信号给伪码相关器(5)，伪码相关器(5)输出结果给存储器(6)，曲线拟合器(7)取存储器(6)中对应单元的数据y₁-y₅，曲线拟合器(7)输出接延时估计器(8)。

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