CN103744095B - 一种多载波传输定位系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多载波传输定位系统及方法。多个卫星或基站同时发送多载波定位信号，每个卫星或基站发射的信号没有频率重叠。在发射信号的过程中，每个卫星的发射信号的相位分别用唯一的伪随机信息调制；在接收端，用同样的伪随机信息解调相位用来识别卫星或基站，然后用取相关的办法找到各个卫星或基站信号的传输时延，最终计算出接收机的位置。本发明具有抗干扰性强、灵敏度高、相同带宽下精度高和卫星识别准确等优点，能够应用与未来的GPS导航、北斗系统，欧洲伽利略系统和俄罗斯的GLONASS等导航系统（和可能的地面定位系统）中，应用前景广泛。
Description
技术领域
本发明属于定位技术领域，更具体地提出一种基于多载波传输信号的卫星定位系统的定位方法和卫星识别方法。
背景技术
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。基于位置估计理论，定位信号带宽越宽，测距和定位精度越高。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，为未来GPS设计的多载波传输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。
现存文献提出，OFDM信号可以用于未来的GPS定位系统，但是没有提出可以避免频率互扰的可行的定位信号，更没有提出接收端卫星的识别方法。在OFDMA应用于GPS定位系统中，由于多普勒频率偏移的出现，在接收端会出现无法识别卫星编号的问题。比如，卫星0的的定位信号经过多普勒平移后，有可能到卫星1的位置，从而在接收端被误认为是卫星0的接收信号，从而导致定位过程的错误。
在CN1797966B公开了一种终端和优化其正向/逆向傅立叶变换计算装置包括用于处理来自于卫星定位系统的定位信号的装置、用于计算正向/逆向傅立叶变换的装置、使用OFDM调制的无线通信装置以及用于将正向/逆向傅立叶变换计算装置的资源分配给定位信号处理装置或无线通信装置的优先级管理装置。该发明集中(pool)资源以使支持卫星定位功能和基于OFDM调制的无线通信功能的移动终端的结构最优化。
上述这种方式是将整个OFDM的子载波按块分给每个用户，在定位上，因为带宽有限，如此分配会导致平均带宽的下降，定位精度严重下降。同样也没有提出接收端卫星的识别方法。
发明内容
1、本发明的目的。
本发明基于现有技术所存在的问题，为了避免现有技术中频率互扰的多载波多介入的情况，并且能够识别接收端卫星（或地面基站），而提出的一种OFDMA信号多载波定位、识别卫星（或基站）的系统和方法。
2、本发明所采用的技术方案。
多载波传输定位系统，由多个发射机同时发送多载波定位信号，每个发射机发射的信号所占用如下子载波：
M为个发射机个数、SID用来表示发射机序号，取值范围为0到M-1，OFDM在频域从0到N-1共有N个子载波，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。
一个接收机接收此叠加信号后识别每个发射机，分离此叠加信号从而得到对应于各个发射机发射信号的接收信号，估计接收机和每个发射机的距离，根据所测得的距离和发射机的位置，接收机估计自己的位置,多载波传输定位方法，包括多个发射机和1个接收机，多个发射机同时发送多载波定位信号，一个接收机接收此叠加信号后识别每个发射机，分离此叠加信号从而得到对应于各个发射机发射信号的接收信号，估计接收机和每个发射机的距离，根据所测得的距离和发射机的位置，接收机估计自己的位置，每个发射机发射的信号所占用如下子载波：
M为个发射机个数、SID用来表示发射机序号，取值范围为0到M-1，OFDM在频域从0到N-1共有N个子载波，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。。
多载波传输定位方法，生成所述的信号后，由串行转为并行，再经过傅里叶逆变换，由并行转为串行，融合导航信息数据后，插入伪随机相位，然后通过前端放大和发射电路发射信号；接收机的前端放大与接收电路接收信号后放大，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，多个发射机发射的信号进行分离，同时，在接收本地将原始发射信号进行复制，插入同样的伪随机信息去除接收信号的相位，然后通过本地振荡器转为高频信号，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、距离估计和确定发射机的位置，最后通过定位确定个目标估计的位置。
多载波传输定位系统，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、本地信号发生器、本地振荡器，信号发生器生成所述的信号后，由串行转为并行，再经过傅里叶逆变换，由并行转为串行，融合导航信息数据后，插入共轭的伪随机相位，然后通过前端放大和发射电路发射信号；接收机的前端放大与接收电路接收信号后放大，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，多个发射机发射的信号进行分离，同时，在接收本地通过本地信号发生器将原始发射信号进行复制，插入同样的伪随机信息去除接收信号的相位，然后通过本地振荡器转为高频信号，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、距离估计和确定发射机的位置，最后通过定位确定个目标估计的位置。
3、本发明的有益效果。
本专利提出OFDMA应用于未来的GPS系统（或者Beidou等其他卫星导航系统），代替现在的GPS的CA码，其具有以下优点：
（1）抗干扰性强：通过本专利的子载波分配，没有频率重叠，没有相互间的信号干扰，具有OFDM抗多径影响强的优点；
（2）灵敏度高：通过本专利的子载波分配，均方带宽比现在的CA码更高，其定位接收机的灵敏度更高；
（3）精度高：相同带宽和信号能量下，所产生的信号具有更高的定位精度。
（4）卫星识别准确：通过“插入和去除伪随机相位”的方法能够有效识别卫星。
附图说明
图1基于OFDMA信号的GPS定位系统发射机。
图2基于OFDMA信号的GPS定位系统接收机。
图3是卫星0的OFDMA定位信号，它占用第0个，32个，64个，…，直到第992个子载波，基本占有所有的带宽。
图4是卫星1的OFDMA定位信号，它占用第1个，33个，65个，…，直到第993个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟卫星0的定位信号没有频率重叠。
图5是卫星2的OFDMA定位信号，它占用第2个，34个，66个，…，直到第994个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟卫星0和1的定位信号没有频率重叠。
图6是卫星3OFDMA定位信号，它占用第3个，35个，67个，…，直到第995个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟卫星0-2的定位信号没有频率重叠。
图7是卫星4OFDMA定位信号，它占用第4个，36个，68个，…，直到第996个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟卫星0-3的定位信号没有频率重叠。
图8是卫星5OFDMA定位信号，它占用第5个，37个，69个，…，直到第997个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟卫星0-4的定位信号没有频率重叠。
图9是卫星6OFDMA定位信号，它占用第6个，38个，70个，…，直到第998个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟卫星0-5的定位信号没有频率重叠。
图10是卫星7OFDMA定位信号，它占用第7个，39个，71个，…，直到第999个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟卫星0-6的定位信号没有频率重叠。
图11是卫星8OFDMA定位信号，它占用第8个，40个，72个，…，直到第1000个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟卫星0-7的定位信号没有频率重叠。
图12是卫星9OFDMA定位信号，它占用第9个，41个，73个，…，直到第1001个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟卫星0-8的定位信号没有频率重叠。
图13是卫星10OFDMA定位信号，它占用第10个，42个，74个，…，直到第1002个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟卫星0-9的定位信号没有频率重叠。
图14是卫星11OFDMA定位信号，它占用第11个，43个，75个，…，直到第1003个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟卫星0-10的定位信号没有频率重叠。
图15是卫星12OFDMA定位信号，它占用第12个，44个，76个，…，直到第1004个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟卫星0-11的定位信号没有频率重叠。
图16是卫星13OFDMA定位信号，它占用第13个，45个，77个，…，直到第1005个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟卫星0-12的定位信号没有频率重叠。
图17是卫星14OFDMA定位信号，它占用第14个，46个，78个，…，直到第1006个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟卫星0-13的定位信号没有频率重叠。
图18是卫星15OFDMA定位信号，它占用第15个，47个，79个，…，直到第1007个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟卫星0-14的定位信号没有频率重叠。
图19是卫星16OFDMA定位信号，它占用第16个，48个，80个，…，直到第1008个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟卫星0-15的定位信号没有频率重叠。
图20是卫星17OFDMA定位信号，它占用第17个，49个，81个，…，直到第1009个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟卫星0-16的定位信号没有频率重叠。
图21是卫星18OFDMA定位信号，它占用第18个，50个，82个，…，直到第1010个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟卫星0-17的定位信号没有频率重叠。
图22是卫星19OFDMA定位信号，它占用第19个，51个，83个，…，直到第1011个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟卫星0-18的定位信号没有频率重叠。
图23是卫星20OFDMA定位信号，它占用第20个，52个，84个，…，直到第1012个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟卫星0-19的定位信号没有频率重叠。
图24是卫星21OFDMA定位信号，它占用第21个，53个，85个，…，直到第1013个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟卫星0-20的定位信号没有频率重叠。
图25是卫星22OFDMA定位信号，它占用第22个，54个，86个，…，直到第1014个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟卫星0-21的定位信号没有频率重叠。
图26是卫星23OFDMA定位信号，它占用第23个，55个，87个，…，直到第1015个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟卫星0-22的定位信号没有频率重叠。
图27是卫星24OFDMA定位信号，它占用第24个，56个，88个，…，直到第1016个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟卫星0-23的定位信号没有频率重叠。
图28是卫星25OFDMA定位信号，它占用第25个，57个，89个，…，直到第1017个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟卫星0-24的定位信号没有频率重叠。
图29是卫星26OFDMA定位信号，它占用第26个，58个，90个，…，直到第1018个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟卫星0-25的定位信号没有频率重叠。
图30是卫星27OFDMA定位信号，它占用第27个，59个，91个，…，直到第1019个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟卫星0-26的定位信号没有频率重叠。
图31是卫星28OFDMA定位信号，它占用第28个，60个，92个，…，直到第1020个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟卫星0-27的定位信号没有频率重叠。
图32是卫星29OFDMA定位信号，它占用第29个，61个，93个，…，直到第1021个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟卫星0-28的定位信号没有频率重叠。
图33是卫星30OFDMA定位信号，它占用第30个，62个，94个，…，直到第1022个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟卫星0-29的定位信号没有频率重叠。
图34是卫星31OFDMA定位信号，它占用第31个，63个，95个，…，直到第1023个子载波，也基本占有所有的带宽，而且跟卫星0-30的定位信号没有频率重叠。
图35OFDMA-GPS仿真的发射机信号生成算法和接收机接收算法的仿真结果：卫星发射信号的自相关函数。
图36OFDMA-GPS仿真的发射机信号生成算法和接收机接收算法的仿真结果：卫星发射信号的互相关函数
具体实施方式
实施例1
本发明以GPS为例，每个卫星上有个独一无二的伪随机序列对应于CA码。在本发明把伪随机信息调制在多载波发射信号的相位上，发送这个信号到接收端。在接收端，用同样的伪随机信息来去除接收信号的相位，然后采用相关的方法得到信号传输时延，最终计算出接收机的位置。同时为了能够识别卫星，在卫星发射端插入随机相位的方法，为每个卫星的定位信号插入不同的相位，一共为32组不同的随机相位，然后发送。在接收端，用接收信号逐个乘以随机相位的共轭，若发现有高于阈值的峰值出现，表示卫星可见。把有效的随机相位记录下来，找到对应的发射卫星。
如图3-34所示，多载波传输GPS定位系统，由多个发射机同时发送多载波定位信号，每个发射机发射的信号所占用如下子载波：
，
M为个发射机个数、SID用来表示发射机序号，取值范围为0到M-1，OFDM在频域从0到N-1共有N个子载波，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。每个载波的幅度大小由发射机的功率决定，频域中，每个载波的幅度值S[k]为：
一个接收机接收此叠加信号后识别每个发射机，分离此叠加信号从而得到对应于各个发射机发射信号的接收信号，估计接收机和每个发射机的距离，根据所测得的距离和发射机的位置，接收机估计自己的位置。
多载波传输定位方法，包括多个发射机和1个接收机，多个发射机同时发送多载波定位信号，一个接收机接收此叠加信号后识别每个发射机，分离此叠加信号从而得到对应于各个发射机发射信号的接收信号，估计接收机和每个发射机的距离，根据所测得的距离和发射机的位置，接收机估计自己的位置。
实施例2
如图1和2所示，多载波传输定位系统，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、本地信号发生器、本地振荡器，信号发生器生成所述的信号后，由串行转为并行，再经过傅里叶逆变换，由并行转为串行，融合导航信息数据后，插入共轭的伪随机相位，然后通过前端放大和发射电路发射信号；接收机的前端放大与接收电路接收信号后放大，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，多个发射机发射的信号进行分离，同时，在接收本地通过本地信号发生器将原始发射信号进行复制，插入同样的伪随机信息去除接收信号的相位，然后通过本地振荡器转为高频信号，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、距离估计和确定发射机的位置，最后通过定位确定个目标估计的位置。
多载波传输定位方法，生成所述的信号后，由串行转为并行，再经过傅里叶逆变换，由并行转为串行，融合导航信息数据后，插入伪随机相位，然后通过前端放大和发射电路发射信号；接收机的前端放大与接收电路接收信号后放大，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，多个发射机发射的信号进行分离，同时，在接收本地将原始发射信号进行复制，插入同样的共轭伪随机信息去除接收信号的相位，然后通过本地振荡器转为高频信号，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、距离估计和确定发射机的位置，最后通过定位确定个目标估计的位置。
其中发射机信号生成算法如下：
输入参数：
时延矩阵time_matrix
可见卫星矩阵visibility_matrix
多普勒矩阵Doppler_matrix
接收机位置RX_Loc
程序算法：
1:fori=1;i<=25;i++do
2://变量i表示0到24小时的时间索引，每次增加一小时
3:forj=1;j<=24;j++do
4://变量j表示1到24颗卫星
5:forinc=i;inc<=1024;inc+32do
6://变量inc表示从第i个子载波开始，到结束前，每次增加32个子载波
7:signal_OFDM+=SINC*pseudo_random_phase
8://为每个子载波添加伪随机相位
9:endfor
10://变量inc的循环结束
11://完成创建一个卫星的频域信号
12:time_matrix*=visibility_matrix
13://把可见与否应用于每个卫星的发射信号
14:code_delay=time_matrix/(1/(10*))
15://从传输时延算出‘半脉冲’个数
16:delay_signal(1,code_delay)=1;
17://创建一个时延信号
18:delay_OFDM=signal_OFDM*delay_signal;
19://应用时延到卫星的每个发射信号上
20:endfor
21://变量j的循环结束
22:TX_OFDM=SUM(delay_OFDM);
23://完成创建卫星信号
24:endfor
25://变量i的循环结束
26:returnTX_OFDM
接收机接收算法如下：
输入参数：
时延矩阵time_matrix
可见卫星矩阵visibility_matrix
卫星信号TX_OFDM
程序算法：
1:fori=1;i<=25;i++do
2://变量i表示0到24小时的时间索引，每次增加一小时
3:forj=1;j<=24;j++do
4://变量j表示1到24颗卫星
5：forinc=i;inc<=1024;inc+32do
6://变量inc表示从第i个子载波开始，到结束前，每次增加32个子载波
7:signal_ref+=SINC*pseudo_random_phase
8://为每个子载波在接受端添加伪随机相位
9:endfor
10://变量inc的循环结束
11://完成创建一个卫星的频域信号
12:forcode_delay=0;code_delay<=2048;code_delay++do
13:delay_signal(1,code_delay)=1;
14://创建一个时延信号
15:delay_ref=signal_ref*delay_signal;
16://应用时延到卫星的每个参考信号上
17:forDoppler=-5000;Doppler<=5000;Doppler+50do
18://多普勒以每50Hz间隔在-5KHz到+5KHz之间搜索
19:Doppler_and_delay_ref=delay_ref*exp(-i*pi*Doppler);
20:correlation=Doppler_and_delay_ref*conj(TX_OFDM);
21:time_domain_result=IFFT(correlation);
22:correlation_result(code_delay,Doppler)=sum(time_domain_result);
23:endfor
24://变量Doppler的循环结束
25:endfor
26://变量code_delay的循环结束
27:ifmax(max(correlation_result))<=thresholdthen
28:break;
29://小于阈值的卫星被视为不可见卫星
30:endif
31:[rows,cols]=find(correlation_result==max(max(correlation_result)));
32://找到最大相关值
33:code_delay_rx(i,j)=rows;
34://找到最大相关值对应的时延
35:Doppler_rx(I,j)=cols;
36://找到最大相关值对应的多普勒偏移
37:endfor
38://变量j的循环结束
39:endfor
40://变量i的循环结束
如图35-36所示，OFDMA-GPS多载波传输定位系统及方法所发射信号的自相关函数和互相关函数，可以看出有良好的自相关和互相关特性。
下面以卡尔加里、纽约、北京、悉尼、开普敦、里约热内卢六个城市为例，按照OFDMA-GPS仿真的发射机信号生成算法和接收机接收算法进行仿真。
| 纬度 | 经度 | 时延估计错误率 | |
| 卡尔加里 | 51.05 | -114.07 | 1.02% |
| 纽约 | 40.71 | -74.01 | 0.39% |
| 北京 | 39.91 | 116.40 | 0.32% |
| 悉尼 | -33.87 | 151.21 | 0.36% |
| 开普敦 | -33.98 | 18.42 | 0.40% |
| 里约热内卢 | -22.91 | -43.24 | 0.22% |
表一OFDMA-GPS六个城市的时延估计仿真结果
通过表一的结果可以看出延时估计错误率控制在1%以下，没有频率重叠，没有相互间的信号干扰，具有抗多径影响强、灵敏度精度更高、卫星识别精确等优点。
本发明多载波定位系统和方法适用于中国北斗定位系统，欧洲伽利略定位系统，俄罗斯的GLONASS定位系统，也适用于多载波地面基站定位系统中，有效识别地面基站。
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 (4)
1.一种多载波传输定位系统，其特征在于：多个发射机同时发送多载波定位信号，一个接收机接收此叠加信号，识别每个发射机，分离此叠加信号从而得到对应于各个发射机发射信号的接收信号，估计接收机和每个发射机的距离，根据所测得的距离和发射机的位置，接收机估计自己的位置，其特征在于：每个发射机发射的信号所占用如下子载波：
M为个发射机个数、SID用来表示发射机序号，取值范围为0到M-1，OFDM信号在频域从0到N-1共有N个子载波，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;
系统包括信号发生器、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、本地信号发生器、本地振荡器，信号发生器生成所述的信号后，由串行转为并行，再经过傅里叶逆变换，由并行转为串行，融合导航信息数据后，插入共轭的伪随机相位，然后通过前端放大和发射电路发射信号；接收机的前端放大与接收电路接收信号后放大，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，多个发射机发射的信号进行分离，同时，在接收本地通过本地信号发生器将原始发射信号进行复制，插入同样的伪随机信息去除接收信号的相位，然后通过本地振荡器转为高频信号，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、距离估计和确定发射机的位置，最后通过定位确定个目标估计的位置。
2.根据权利要求1所述的多载波传输定位系统，其特征在于：所述的多载波定位系统适用于中国北斗定位系统，欧洲伽利略定位系统，俄罗斯的GLONASS定位系统。
3.一种多载波传输定位方法，其特征在于：包括多个发射机和1个接收机，多个发射机同时发送多载波定位信号，一个接收机接收此叠加信号后识别每个发射机，分离此叠加信号从而得到对应于各个发射机发射信号的接收信号，估计接收机和每个发射机的距离，根据所测得的距离和发射机的位置，接收机估计自己的位置,每个发射机发射的信号如每个发射机发射的信号所占用如下子载波：
M为个发射机个数、SID用来表示发射机序号，取值范围为0到M-1，OFDM信号在频域从0到N-1共有N个子载波，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;
生成所述的信号后，由串行转为并行，再经过傅里叶逆变换，由并行转为串行，融合导航信息数据后，插入伪随机相位，然后通过前端放大和发射电路发射信号；接收机的前端放大与接收电路接收信号后放大，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，多个发射机发射的信号进行分离，同时，在接收本地将原始发射信号进行复制，插入同样的共轭伪随机信息去除接收信号的相位，然后通过本地振荡器转为高频信号，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、距离估计和确定发射机的位置，最后通过定位确定个目标估计的位置。
4.根据权利要求3所述的多载波传输定位方法，其特征在于：每个载波的幅度大小由发射机的功率决定。
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