CN103648160B - 一种信号测距和定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种信号测距方法和定位方法。在本发明的定位系统中，考虑多个发射机同时发送定位信号寻求位置信息，为了避免各个定位信号之间的干扰，需要设计多接入方法，即采用最佳的测距和定位信号。采用本发明的方法能够占用最广的带宽，而且把能量集中在带宽的两端，所产生的信号有最高的距离估计精度，同时，对于包含多个发射机同时发送信号的定位系统中，要求各个发射机定位信号具有基本相等的测距精度，所以，最佳定位测距信号(就均方带宽而言)几乎占用全部的带宽，但是又没有频率重叠，没有相互间的信号干扰。
Description
技术领域
本专利属于信号测距定位领域， 在信号带宽和发射功率固定的前提下，此信号具有最高的测距和定位精度。
背景技术
如图1所示，OFDM信号的频域表示，OFDM信号在通信领域中应用时，因为通信追求的是传输速率, 虽然每个用户只用其中的一部分,但仍然会用完所有的子载波。
在定位，PN（或者CDMA）信号一直是主流，这是因为PN在GPS中应用的成功。 包括在WiMax中， 虽然通信用OFDM，但是定位还是用PN信号。
现存文献指出，测距或定位系统的延时估计中，OFDM比通常所用的伪随机序列更好，相同的信噪比下，OFDM测距或定位精度更高；相同的测距或定位精度下，OFDM所需要的信噪比要比伪随机序列低4.8dB。
在利用OFDM对信道进行子载波化后，在部分子载波上加载传输数据的传输技术为OFDMA，目前文献所提出的OFDMA在定位中的应用， 是把整个OFDM的子载波按块分给每个用户，比如一个OFDM信号具有1024个子载波，用户（或者是发射机，或者是基站： 看情况）4个，分配如下： 前256个子载波分给用户1，再256个子载波分给用户2，再256个子载波分给用户3，最后256个子载波分给用户在通信上， 这个分配没有问题； 在定位上，如此分配会导致mean square bandwidth的下降， 定位精度严重下降。
发明内容
1、本发明的目的。
为了解决现有技术中OFDM和OFDMA信号在测距或定位时精度严重下降,信号之间相互干扰的情况，而提出一种OFDMA信号测距和定位方法，以提高测距和定位的精度。
2、本发明所采用的技术方案。
一种信号测距方法，包括一个发射机发送信号到一个接收机，其中信号只占用两端的子载波，两端子载波中间的噪声进行前端过滤后发射，接收机检测到信号并估计出信号传播的距离，即是发射机和接收机之间的距离。
一种信号测距装置，包括一个发射机和一个接收机：
其中发射机发射的信号测距方法所述，信号只占用两端的子载波，两端子载波中间的噪声进行前端过滤后发射，接收机检测到信号并估计出信号传播的距离，即是发射机和接收机之间的距离。
更进一步，发射信号测距方法：产生第0和N-1个子载波为高电平，中间N-2个子载波都为低电平的数据源信号，由串行转为并行，经过傅里叶逆变换后，由并行转为串行，再将信号放大后发射；接收第0和N-1个子载波为高电平，中间N-2个子载波都为低电平信号，并将信号放大，再将串行信号转为并行信号，经过傅里叶变换，过滤掉中间子载波上的噪声，再将并行信号转为串行信号，同时，在接收本地将原始发射信号进行复制，本地振荡器将原始发射信号转为高频信号，并基于二维搜索进行信号获取，再经过去多普勒影响和延时粗估计的计算后，进一步对跟踪信号进行精确的延时估计，确定位置。
更进一步，发射信号定位方法：从不同地点的发射机同时发送定位信号寻求位置信息，通过1个地点接收机接收，对于第k个发射机， k=1，2，3，4，第k-1和N+k-5个子载波为高电平，其他N-2个子载波都为低电平，发射的信号带宽相同，两端子载波的带宽相同，子载波之间的距离相同，每个发射机按照上述的发射信号测距方法发射信号，并最后通过接收单元接收信号通过定位算法进行定位。
一种信号测距装置：包括一个发射机和一个接收机，其中发射机包括信号发生器、串行转并行电路、傅里叶逆变换模块、并行转串行电路、信号放大电路及发射电路；接收机包括前端放大与接收电路、串行转并行电路、傅里叶变换模块、滤波器、并行转串行电路、本地测距信号复制器、本地振荡器；信号发生器将第0和N-1个子载波为高电平，中间N-2个子载波都为低电平的信号输入到串行转并行电路，再经过傅里叶逆变换模块后，由并行转串行电路进行将信号由并行转为串行，在经过前端放大电路将信号放大，经过发射电路将信号发射进行定位；前段放大与接收电路接收第0和N-1个子载波为高电平，中间N-2个子载波都为低电平的频域信号，并将信号放大，通过串行转并行电路将串行频域信号转为并行频域信号，经过傅里叶变换模块后，通过滤波器过滤掉中间子载波上的噪声，再经过并行转串行电路将并行信号转为串行信号，同时，在接收本地将原始发射信号通过本地测距信号复制器进行复制，本地振荡器将原始发射信号转为高频信号，并通过处理器进行基于二维搜索进行信号获取，再经过去多普勒影响和延时粗估计的计算后，通过跟踪信号进行精确估计，获取延时估计，确定位置。
一种信号定位装置，组成包括信号测距装置，其中包括多个发射机和1个接收机，所传递的信号为OFDMA信号，对于第k个发射机， k=1，2，3，4：第k-1和N+k-5个子载波为高电平，其他N-2个子载波都为低电平，每个发射机发射的信号带宽相同。
2、本发明的有益效果。
（1）信噪比门槛低：在相同的测距或定位精度下，所需要的信噪比比通常的OFDM信号还要低4.8dB， 即比伪随机序列低9.6dB。
（2）精度高：采用OFDMA定位信号占用最广的带宽，而且把能量集中在带宽的两端，没有频率重叠，没有相互间的信号干扰，所产生的信号有最高的距离估计精度。
（3）载波幅度大：现实系统中,N足够大，所以. . 当且仅当多载波信号S(f)只占用k=0和k=N-1两个子载波，中间所有N-2个子载波空闲不用，在相同的发射功率下，其载波的幅度值是通常OFDM信号的倍。
附图说明
图1 现有技术中OFDM信号的频域表示。
图2为最佳测距信号频谱分配图。
图3为信号发生升余弦脉冲测距发射机结构设计。
图4升余弦脉冲测距接收机结构设计。
图5升余弦脉冲定位系统中第k个发射机设计.
图6升余弦脉冲定位接收机设计。
图7最佳OFDMA测距信号的频域表示。
图8为最佳定位信号频谱分配，(a) 第一个发射机的最佳频谱分配，(b) 第二个发射机的最佳频谱分配，(c) 第三个发射机的最佳频谱分配，(d) 第四个发射机的最佳频谱分配。
图9假设共有四个发射机, (a) 第一个发射机的最佳OFDMA定位信号，(b) 第二个发射机的最佳OFDMA定位信号，(c) 第三个发射机的最佳OFDMA定位信号，(d) 第四个发射机的最佳OFDMA定位信号。
图10（测距或）定位系统框架。
图11最佳测距信号的发射机设计，第0和N-1个子载波为高电平，中间N-2个子载波都为低电平。
图12 最佳测距信号的接收机设计。
图13 最佳定位信号的发射机设计，对于第k个发射机， k=1，2，3，4：第k-1和N+k-5个子载波为高电平，其他N-2个子载波都为低电平。
图14 最佳定位信号的接收机。
图15定位结果比较：三种信号的目标定位估计。
图16定位结果分析：累积分布函数。
具体实施方式
实施例1
图2描述了最佳测距信号的频谱分配。
如图11和图12所示，具体描述信号的测距方法：产生第0和N-1个子载波为高电平，中间N-2个子载波都为低电平的数据源信号，由串行转为并行，经过傅里叶逆变换后，由并行转为串行，再将信号放大后发射；接收第0和N-1个子载波为高电平，中间N-2个子载波都为低电平信号，并将信号放大，再将串行信号转为并行信号，经过傅里叶变换，过滤掉中间子载波上的噪声，再将并行信号转为串行信号，同时，在接收本地将原始发射信号进行复制，本地振荡器将原始发射信号转为高频信号，并基于二维搜索进行信号获取，再经过去多普勒影响和延时粗估计的计算后，进一步对跟踪信号进行精确的延时估计，确定位置。
一个发射机发送信号到一个接收机， 接收机检测到信号并估计出信号传播的距离，即是发射机和接收机之间的距离。 假设发射机的信号带宽[-B,B]，则信号测距装置具体结构包括一个发射机和一个接收机，其中发射机包括信号发生器、串行转并行电路、傅里叶逆变换模块、并行转串行电路、信号放大电路及发射电路；接收机包括前端放大与接收电路、串行转并行电路、傅里叶变换模块、滤波器、并行转串行电路、本地测距信号复制器、本地振荡器；信号发生器将第0和N-1个子载波为高电平，中间N-2个子载波都为低电平的信号输入到串行转并行电路，再经过傅里叶逆变换模块后，由并行转串行电路进行将信号由并行转为串行，在经过前端放大电路将信号放大，经过发射电路将信号发射进行定位；前段放大与接收电路接收第0和N-1个子载波为高电平，中间N-2个子载波都为低电平的频域信号，并将信号放大，通过串行转并行电路将串行频域信号转为并行频域信号，经过傅里叶变换模块后，通过滤波器过滤掉中间子载波上的噪声，再经过并行转串行电路将并行信号转为串行信号，同时，在接收本地将原始发射信号通过本地测距信号复制器进行复制，本地振荡器将原始发射信号转为高频信号，并通过处理器进行基于二维搜索进行信号获取，再经过去多普勒影响和延时粗估计的计算后，通过跟踪信号进行精确估计，获取延时估计，确定位置。
其中优选信号发生升余弦脉冲测距发射机设计如图3所示，随机脉冲发生器分两路信号经过升余弦滤波器后，分别与和相乘，随后叠加，形成定位和测距信号，经前端放大和发射电路发射。
优选升余弦脉冲测距接收机结构设计如图4所示，前端放大电路与接收电路接收到信号后与相乘，另外本地测距信号复制器将复制的信号与本地振荡器相乘，同时对两路信号基于二维搜索获取并对其多普勒影响和延时粗估计，最后进行信号跟踪获取精确的延时估计。
以上信号产生可以想象并不仅限于上述实施方式，其实现存在多种方式，只要能够使信号频谱两端或靠近两端为高电平，中间为低电平即可。
实施例2
如图13和图14所示，最佳信号定位方法，其测距部分如实施例1，不同的是包括k个发射机和一个接收机，从不同地点的发射机同时发送定位信号寻求位置信息，通过1个地点接收机接收，对于第k个发射机， k=1，2，3，4，第k-1和N+k-5个子载波为高电平，其他N-2个子载波都为低电平，发射的信号带宽相同，两端子载波的带宽相同，子载波之间的距离相同。
信号定位装置，如实施例1所示的信号测距装置，其中包括多个发射机和一个接收机，所传递的信号为OFDMA信号，对于第k个发射机， k=1，2，3，4：第k-1和N+k-5个子载波为高电平，其他N-2个子载波都为低电平，每个发射机发射的信号带宽相同。
如图5所示，升余弦脉冲定位系统中第k个发射机设计，随机脉冲发生器分两路信号经过升余弦滤波器后，分别与和相乘，随后叠加，形成定位和测距信号，经前端放大和发射电路发射。
图6为升余弦脉冲定位接收机设计，前段放大与接收电路与相乘，将来自四个发射机的接收信号分离后，对信号进行获取和跟踪，每个发射机到接收机的距离和每个发射机位置输入到定位算法中，接收机估算位置。
以上信号产生可以想象并不仅限于上述实施方式，其实现存在多种方式，只要能够使信号频谱两端或靠近两端为高电平，中间为低电平即可。
实施例3
图7最佳OFDMA测距信号的频域表示。
其中最佳信号为OFDMA信号，定位系统为：四个发射机同时发送信号到一个接收机，接收机检测来自所有发射机的信号并估计出接收机自身所在的位置。假设所有发射机的公用信号带宽[-B,B]，图8描述了各个发射机的最佳定位信号的频谱分配， 表示为占用信号占用频谱的宽度。
图10所示是一个（测距或）定位系统的框架，一个发射机（蓝盒子）在发射OFDM信号，一个或多个基站在接收此信号。在测距系统中， 只有一个发射机和一个接收基站， 基站接收信号然后估计信号传输的距离。在三维定位系统中， 可以有多个发射机和至少4个的接收基站。定位的原理是， 先测距， 根据所测得的距离和接收基站的位置， 估计发射机的位置。
定位系统中的最佳OFDMA信号验证过程：
在定位系统中，考虑多个发射机同时发送定位信号寻求位置信息，为了避免各个定位信号之间的干扰，需要设计多接入方法，即最佳OFDMA定位信号。基于图3所示最佳OFDMA测距信号，得出结论：占用最广的带宽，而且把能量集中在带宽的两端，所产生的信号有最高的距离估计精度。同时，对于包含多个发射机同时发送信号的定位系统中，要求各个发射机定位信号具有基本相等的测距精度。所以，最佳OFDMA信号必须占用几乎全部的带宽，但是又没有频率重叠，没有相互间的信号干扰。
假设定位系统中有M个发射机，定义SID为0到M-1的一个数用来表示每个发射机。假设所用OFDM在频域从0到N-1共有N个子载波，定义ID为子载波的集合用来表示每个发射机占用的子载波序号。ID可以表示为
(1)
频域中，每个载波的幅度值S[k]为
(2)
公式（9）中，的大小由发射机的功率决定。
假设发射机的个数M=4，信号在频域占用[-B,B]的带宽，根据公式（1）可以得出4个发射机的最佳OFDMA定位信号，见图9。 图9（a）是发射机0的最佳OFDMA定位信号，它占用第0个和第N-4个子载波，基本占有所有的带宽；图9（b）是发射机1的最佳OFDMA定位信号，它占用第1个和第N-3个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟发射机0的定位信号没有频率重叠；图9（c）是发射机2的最佳OFDMA定位信号，它占用第2个和第N-2个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟发射机0和发射机1的定位信号没有频率重叠；图9（d）是发射机3的最佳OFDMA定位信号，它占用第3个和第N-3个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟发射机0，发射机1和发射机2的定位信号都没有频率重叠。所以，四个发射机的定位信号可以得到基本相等的测距精度，在频域上也没有重叠，也就没有彼此间的信号干扰。
更详细一些，考虑可用载波数N=1024，整个带宽B=1MHz，发射机的个数M=4，可以仿真得到四个发射机最佳OFDMA定位信号的均方带宽（RMSB）。均方带宽越大，定位精度越高。表１比较了四个发射机最佳OFDMA定位信号和最佳OFDMA测距信号（见图7）的均方带宽，可以得出结论：最佳定位信号几乎相等，所以测距精度基本相等，都等于最佳测距信号的精度。
图9假设共有四个发射机, (a) 第一个发射机的最佳OFDMA定位信号，(b) 第二个发射机的最佳OFDMA定位信号，(c) 第三个发射机的最佳OFDMA定位信号，(d) 第四个发射机的最佳OFDMA定位信号。
表1最佳OFDMA定位信号和最佳OFDMA测距信号的均方带宽比较。
为了验证提出的理论，在加拿大卡尔加里大学iRadio实验室曾搭建小的定位系统，包括五个发射机和一个接收机。发射载频2.45GHz，信号带宽5MHz，实验比较了PN信号，OFDM信号和最佳OFDMA定位信号（OSS）。实验结果如下图和下表所示：
表 2 三种信号的定位误差比较
图15为三种信号的目标定位估计，图16定位结果分析：累积分布函数，进一步验证了本发明的优越性。
通过本发明的具体实施例可以验证采用本发明的方法，把能量集中在带宽的两端，没有频率重叠，没有相互间的信号干扰，所产生的信号有最高的距离估计精度。
上述实施例不以任何方式限制本发明，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种信号测距方法，其特征在于：一个发射机发送信号到一个接收机，其中信号只占用两端的子载波，两端子载波中间的噪声进行前端过滤后发射，接收机检测到信号并估计出信号传播的距离，得到发射机和接收机之间的距离；把整个信号带宽划分为N个子载波，产生第0和N-1个子载波为高电平，中间N-2个子载波都为低电平的数据源信号，由串行转为并行，经过傅里叶逆变换后，由并行转为串行，再将信号放大后发射；接收第0和N-1个子载波为高电平，中间N-2个子载波都为低电平信号，并将信号放大，再将串行信号转为并行信号，经过傅里叶变换，过滤掉中间子载波上的噪声，再将并行信号转为串行信号，同时，在接收本地将原始发射信号进行复制，本地振荡器将原始发射信号转为高频信号，并基于二维搜索进行信号获取，再经过去多普勒影响和延时粗估计的计算后，进一步对跟踪信号进行精确的延时估计，确定位置。
2.如权利要求1所述的测距方法，其特征在于：第0和N-1个子载波为高电平，中间N-2个子载波都为低电平的信号的发射方法：随机脉冲发生器分两路信号经过升余弦滤波器后，分别与和相乘进行频谱搬移，随后叠加，形成定位和测距信号，经前端放大和发射电路发射；接收机接收信号的处理方法为前端放大电路与接收电路接收到信号后与相乘，另外本地测距信号复制器将复制的信号与本地振荡器相乘，同时对两路信号基于二维搜索获取并对其多普勒影响和延时粗估计，最后进行信号跟踪获取精确的延时估计。
3.一种信号测距装置，其特征在于：包括一个发射机和一个接收机，发射机发射的信号如权利要求1所述，信号只占用两端的子载波，两端子载波中间的噪声进行前端过滤后发射，接收机检测到信号并估计出信号传播的距离，即是发射机和接收机之间的距离；其中发射机包括信号发生器、串行转并行电路、傅里叶逆变换模块、并行转串行电路、信号放大电路及发射电路；接收机包括前端放大与接收电路、串行转并行电路、傅里叶变换模块、滤波器、并行转串行电路、本地测距信号复制器、本地振荡器；信号发生器将第0和N-1个子载波为高电平，中间N-2个子载波都为低电平的信号输入到串行转并行电路，再经过傅里叶逆变换模块后，由并行转串行电路进行将信号由并行转为串行，在经过前端放大电路将信号放大，经过发射电路将信号发射进行定位；前段放大与接收电路接收第0和N-1个子载波为高电平，中间N-2个子载波都为低电平的频域信号，并将信号放大，通过串行转并行电路将串行频域信号转为并行频域信号，经过傅里叶变换模块后，通过滤波器过滤掉中间子载波上的噪声，再经过并行转串行电路将并行信号转为串行信号，同时，在接收本地将原始发射信号通过本地测距信号复制器进行复制，本地振荡器将原始发射信号转为高频信号，并通过处理器进行基于二维搜索进行信号获取，再经过去多普勒影响和延时粗估计的计算后，通过跟踪信号进行精确估计，获取延时估计，确定位置。
4.一种定位方法，其特征在于：采用如权利要求1所示的测距方法，包括多个发射机和1个接收机，从不同地点的发射机同时发送定位信号寻求位置信息，对于第k个发射机， k=1，2，3，4，第k-1和N+k-5个子载波为高电平，其他N-2个子载波都为低电平，发射的信号带宽相同，两端子载波的带宽相同，子载波之间的距离相同。
5.如权利要求4所述的定位方法，其特征在于第k个发射机，随机脉冲发生器分两路信号经过升余弦滤波器后，分别与和相乘进行频谱搬移，随后叠加，形成定位和测距信号，经前端放大和发射电路发射；升余弦脉冲定位接收机，前段放大与接收电路与相乘，将来自四个发射机的接收信号分离后，对信号进行获取和跟踪，每个发射机到接收机的距离和每个发射机位置输入到定位算法中，接收机估算位置。
6.一种信号定位装置，其特征在于包括如权利要求3所述的信号测距装置，其中包括多个发射机和1个接收机，所传递的信号为OFDMA信号，对于第k个发射机， k=1，2，3，4：第k-1和N+k-5个子载波为高电平，其他N-2个子载波都为低电平，每个发射机发射的信号带宽相同。
7.如权利要求6所述的信号定位装置，其特征在于：所传递的信号为OFDMA信号，发射机个数为4和接收机的个数为1；第一个发射机第0和第N-4子载波为高电平，其他N-2个都是低电平，第二个发射机第1和第N-3子载波为高电平，其他N-2个都是低电平，第三个发射机第2和第N-2子载波为高电平，其他N-2个都是低电平，第四个发射机第3和第N-1子载波为高电平，其他N-2个都是低电平。
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