CN105607096A - 一种双星时差频差定位方法和定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开双星时差频差定位方法和装置，方法包括：用主通道、辅通道接收CDMA信号分别得到第一路信号S₁和第二路信号S₂；对信号S₁和S₂预处理得信号S_1-预和S_2-预；选定一用户PN码，根据该PN码对信号S_1-预和S_2-预同步捕获得到时差、频差粗估计值；对信号S_2-预时延补偿得到信号S_2-时补，根据该PN码对信号S_2-时补、信号S_1-预同步解扩计算得到频差精估计值；用频差精估计值和时差粗估计值对S_2-预进行时频补偿得信号S_2-时频补；根据信号S_{2- 时频补}以及信号S_1-预计算得到时差精估计值；用时频差精估计值定位用户的位置。本技术方案解决CDMA信号时频域重叠、低信噪比问题，计算量小、精度高。

Description

一种双星时差频差定位方法和定位装置

技术领域

本发明涉及卫星定位技术领域，具体涉及一种双星时差频差定位方法和定位装置。

背景技术

在双星时差/频差无源定位系统中，利用两颗卫星分别被动接受地面目标辐射源信号，根据这个信号到达两颗卫星的时差和频差信息，结合目标辐射源在地球表面的先验信息，可以确定出目标辐射源的位置。双星时差/频差无源定位系统具有定位精度高、覆盖区域大等优点。时频差高精度估计是双星定位系统中的关键技术之一。

现有双星定位系统设计时主要针对窄带信号例如频分多址FDMA(frequencydivisionmultipleaccess)连续信号，运算量相对较小，精度一般也能保证。但对于宽带信号例如码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)的时频差估计实现难度较大，主要表现在以下几个方面：(1)采用扩频体制后，CDMA信号的功率谱密度更低，通常淹没在噪声以下；(2)时域频域上混叠有多个用户的信号，时频差提取时存在相互干扰；(3)不同用户的相关峰可能重叠在一起，影响各个单独用户相关峰位置的准确提取。现有技术方案在对扩频宽带信号(例如CDMA信号)进行时频差估计进而确定目标位置过程中，存在计算量大、精度低、时效性弱难以实现在工程上实时处理的问题。

发明内容

本发明提供了一种双星时差频差定位方法和定位装置以解决现有技术在处理CDMA信号时存在的计算量大、精度低、时效性弱难以实现在工程上实时处理的问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

根据本发明的一个方面，提供了一种双星时差频差定位方法，该方法包括：

利用主通道接收用户发射的码分多址CDMA信号，得到第一路信号S₁；利用辅通道接收所述用户发射的码分多址CDMA信号，得到第二路信号S₂；

对所述第一路信号S₁和所述第二路信号S₂进行预处理，得到预处理后的信号S_1-预和信号S_2-预；

选定一用户PN码序列，根据所述用户PN码序列对所述信号S_1-预和所述信号S_2-预进行同步捕获，得到所述信号S₁和信号S₂的时差粗估计值和频差粗估计值；

利用所述时差粗估计值对所述信号S_2-预进行时延补偿，得到信号S_2-时补，并根据所述用户PN码序列对所述信号S_2-时补同步解扩；以及，根据所述用户PN码序列对所述信号S_1-预同步解扩；根据所述信号S_2-时补，信号S_1-预的同步解扩结果，得到所述信号S₁和信号S₂的频差精估计值；

利用所述频差精估计值和所述时差粗估计值对所述信号S_2-预进行时延和频偏补偿，得到信号S_2-时频补；根据所述信号S_2-时频补以及所述信号S_1-预，得到所述信号S₁和信号S₂的时差精估计值；

利用所述信号S₁和信号S₂的时差精估计值和频差精估计值，定位出所述用户的位置。

可选地，所述选定一用户PN码序列，根据所述用户PN码序列对所述信号S_1-预和所述信号S_2-预进行同步捕获，得到所述信号S₁和信号S₂的时差粗估计值和频差粗估计值包括：

从本地保存的用户PN码序列中选定一用户PN码序列，对所述信号S_{1- 预}和所述信号S_2-预进行同步捕获，分别计算所述信号S_1-预以及所述信号S_2-预和所述选定的一用户PN码序列间的捕获相关峰值，根据所述相关峰值分别得到所述信号S₁的时间值和频率值以及所述信号S₂的时间值和频率值；将所述信号S₁的时间值和频率值与所述信号S₂的时间值和频率值对应相减，得到所述信号S₁和S₂的时差粗估计值和频差粗估计值。

可选地，所述根据所述信号S_2-时补，信号S_1-预的同步解扩结果，得到所述信号S₁和信号S₂的频差精估计值包括：

对所述信号S_2-时补以及信号S_1-预同步解扩后的信号进行共轭相乘，得到单载波信号，对所述单载波信号进行频谱内插处理后计算出所述单载波信号的频率值，所述单谐波函数的频率值即为所述信号S₁和信号S₂的频差精估计值。

可选地，所述利用所述频差精估计值和所述时差粗估计值对所述信号S_{2- 预}进行时延和频偏补偿，得到信号S_2-时频补；根据所述信号S_2-时频补以及所述信号S_1-预，得到所述信号S₁和信号S₂的时差精估计值包括：

根据所述时差粗估计值，确定时差精估计的估计范围；

在所述估计范围内，计算所述信号S_2-时频补以及所述信号S_1-预的互相关谱函数和互功率谱密度，得到时差精估计初值，在所述时差精估计初值附近通过二分查找算法进行细化搜索，从而确定出所述信号S₁和信号S₂的时差精估计值。

可选地，所述对所述第一路信号S₁和所述第二路信号S₂进行预处理，得到预处理后的信号S_1-预和信号S_2-预包括：

对所述第一路信号S₁和所述第二路信号S₂进行下变频处理，对下变频后的信号进行模数转换后得到数字信号，对所述数字信号进行滤波抽取后得到基带IQ信号S_1-预和S_2-预；

其中，所述信号S_1-预和信号S_2-预的采样频率是所述用户发射的CDMA信号带宽的2～4倍。

根据本发明的另一个方面，提供了一种双星时差频差定位装置，该装置包括：信号获取模块、预处理模块、时差频差粗估计模块、频差精估计模块、时差精估计模块和定位模块；

所述信号获取模块，用于利用主通道接收用户发射的码分多址CDMA信号，得到第一路信号S₁；利用辅通道接收所述用户发射的码分多址CDMA信号，得到第二路信号S₂；

所述预处理模块，用于对所述第一路信号S₁和所述第二路信号S₂进行预处理，得到预处理后的信号S_1-预和信号S_2-预；

所述时频差粗估计模块，用于选定一用户PN码序列，根据所述用户PN码序列对所述信号S_1-预和所述信号S_2-预进行同步捕获，得到所述信号S₁和信号S₂的时差粗估计值和频差粗估计值；

所述频差精估计模块，用于利用所述时差粗估计值对所述信号S_2-预进行时延补偿，得到信号S_2-时补，并根据所述用户PN码序列对所述信号S_2-时补同步解扩；以及，根据所述用户PN码序列对所述信号S_1-预同步解扩；根据所述信号S_2-时补，信号S_1-预的同步解扩结果，得到所述信号S₁和信号S₂的频差精估计值；

所述时差精估计模块，用于利用所述频差精估计值和所述时差粗估计值对所述信号S_2-预进行时延和频偏补偿，得到信号S_2-时频补；根据所述信号S_{2-时频 补}以及所述信号S_1-预，得到所述信号S₁和信号S₂的时差精估计值；

所述定位模块，用于利用所述信号S₁和信号S₂的时差精估计值和频差精估计值，定位出所述用户的位置。

可选地，所述时频差粗估计模块，具体用于从本地保存的用户PN码序列中选定一用户PN码序列，对所述信号S_1-预和所述信号S_2-预进行同步捕获，分别计算所述信号S_1-预以及所述信号S_2-预中的用户PN码序列和所述选定的一用户PN码序列间的相关峰值，根据所述相关峰值分别得到所述信号S₁的时间值和频率值以及所述信号S₂的时间值和频率值；将所述信号S₁的时间值和频率值与所述信号S₂的时间值和频率值对应相减，得到所述信号S₁和S₂的时差粗估计值和频差粗估计值。

可选地，所述频差精估计模块具体用于，对所述信号S_2-时补以及信号S_{1- 预}同步解扩后的信号进行共轭相乘，得到单载波信号，对所述单载波信号进行频谱内插处理后计算出所述单载波信号的频率值，所述单谐波函数的频率值即为所述信号S₁和信号S₂的频差精估计值。

可选地，所述时差精估计模块具体用于，根据所述时差粗估计值，确定时差精估计的估计范围；在所述估计范围内，计算所述信号S_2-时频补以及所述信号S_1-预的互相关谱函数和互功率谱密度，得到时差精估计初值，在所述时差精估计初值附近通过二分查找算法进行细化搜索，从而确定出所述信号S₁和信号S₂的时差精估计值。

可选地，所述预处理模块具体用于，对所述第一路信号S₁和所述第二路信号S₂进行下变频处理，对下变频后的信号进行模数转换后得到数字信号，对所述数字信号进行滤波抽取后得到基带IQ信号S_1-预和S_2-预；

其中，所述信号S_1-预和信号S_2-预的采样频率是所述用户发射的CDMA信号带宽的2～4倍。

本发明申请的技术方案，解决了CDMA信号双星定位处理中的时频差估计精度低、计算量大以及时效性弱的问题。通过选定一用户PN码序列对信号进行同步捕获以及解扩操作达到区分CDMA信号中用户目的，再通过时频差粗估计，频差精估计以及时差精估计分步骤提取时频差，能够以较短的信号样本，较小的计算量实现CDMA信号的时频差估计，从而提高了双星时频差定位的效率，节省了时间，方便在工程上实现。

附图说明

图1是本发明一个实施例的一种双星时差频差定位方法的流程示意图；

图2是本发明一个实施例的一种双星时差频差定位方法的信号处理示意图；

图3是本发明一个实施例的同步捕获二维搜索的原理示意图；

图4是本发明一个实施例的一种双星时差频差定位装置的框图。

具体实施方式

本发明的核心思想是：针对双星无源定位中的时差/频差参数提取，特别是CDMA信号具有时频域重叠、信噪比低、信号宽带大等特点，常规时频差估计方法难以在工程上实时实现的问题。本发明提供了一种双星时差频差定位方法，通过时频差粗估计后，再在时间-频率维两次迭代，解决了时频差估计精度与计算量的矛盾问题。

本发明实施例主要是针对双星接收地面目标辐射源发射的CDMA信号，并对CDMA时频差的估计。CDMA是在数字技术的分支-扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术，CDMA技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。CDMA通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分，而是用各自不同的编码序列即用户PN码序列来区分，或者说靠信号的不同波形来区分。如果从频域或时域来观察，多个CDMA信号是互相重叠的。现有的双星时频差定位中大多用的是窄带信号FDMA，针对CDMA信号的时频差估计存在前述问题，为了解决这些问题本发明实施例的技术方案主要包括如下3个方面：

(一)时差频差粗估计

根据预先获取的CDMA信号(一个CDMA信号通常包括多个用户PN码序列)，选取感兴趣的一个用户PN码对主/辅通道信号进行同步捕获。通过两通道的时间-频率二维搜索峰值后，确定对应的时间值和频率值，将两通道的时间值和频率值相减后即得到CDMA信号的时差频差粗估计值。

(二)频差精细估计

根据粗估计结果，对辅通道信号进行时延补偿，使得主/辅通道信号时间维初步对齐后，进行解扩处理，以抑制其他用户干扰信号，提升信噪比。将主/辅通道解扩后的信号进行共轭相乘，可以得到CDMA信号频差的单谐波函数，通过频谱内插处理后，实现频差的精细估计。

(三)时差精细估计

根据频差精估计结果，再次补偿辅通道信号(这里的补偿包括时延和频偏补充)对齐主/辅通道信号后，采用互相关谱内插方法和细化搜索方法，实现时差的精细估计。由于辅通道信号根据时差粗估计值补偿了时延并根据频差精估计值补偿了频偏，主/辅通道信号在频率维精确对齐，在时间维初步对齐，因此只需要选取较短的互相关样本长度，在满足时差估计精度前提下，能够进一步减小计算量。

图1是本发明一个实施例的一种双星时差频差定位方法的流程示意图，参见图1，本发明一个实施例的这种双星时差频差定位方法包括：

步骤11，利用主通道接收用户发射的码分多址CDMA信号，得到第一路信号S₁；利用辅通道接收所述用户发射的码分多址CDMA信号，得到第二路信号S₂；

步骤12，对所述第一路信号S₁和所述第二路信号S₂进行预处理，得到预处理后的信号S_1-预和信号S_2-预；

步骤13，选定一用户PN码序列，根据所述用户PN码序列对所述信号S_1-预和所述信号S_2-预进行同步捕获，得到所述信号S₁和信号S₂的时差粗估计值和频差粗估计值；

步骤14，利用所述时差粗估计值对所述信号S_2-预进行时延补偿，得到信号S_2-时补，并根据所述用户PN码序列对所述信号S_2-时补同步解扩；以及，根据所述用户PN码序列对所述信号S_1-预同步解扩；根据所述信号S_2-时补，信号S_{1- 预}的同步解扩结果，得到所述信号S₁和信号S₂的频差精估计值；

步骤15，利用所述频差精估计值和所述时差粗估计值对所述信号S_2-预进行时延和频偏补偿，得到信号S_2-时频补；根据所述信号S_2-时频补以及所述信号S_{1- 预}，得到所述信号S₁和信号S₂的时差精估计值；

步骤16，利用所述信号S₁和信号S₂的时差精估计值和频差精估计值，定位出所述用户的位置。

经过图1所示的步骤，本发明实施例的方法根据CDMA信号特征，解决了CDMA信号时频域重叠、低信噪比问题，能够以较短的信号样本，较小的计算量实现了CDMA信号的时频差高精度估计，利用时频差精估计值进而去得确定出发射CDMA信号的用户的位置。提高了双星无源定位系统中利用信号时频差定位的效率，节省了时间，方便在工程上推广应用。

图2是本发明一个实施例的一种双星时差频差定位方法的信号处理示意图，参见图2，在本实施例中，利用主通道(即主卫星)和辅通道(即辅卫星)接收地面辐射源发射的CDMA信号，由于在CDMA通信系统中，以用户PN码来区分一个CDMA信号中的多个用户，并且每个用户使用的PN码唯一。CDMA系统的接收端(即主/辅卫星)可以通过合作或者非合作的方式获得用户PN码，并保存到本地。合作方式是指主/辅通道预先知晓需要处理的CDMA信号中包括的用户个数以及每个用户使用的PN码，非合作方式是指主/辅通道对CDMA信号中包含的用户个数、以及每个用户PN码不完全知晓，需要通过其他信号处理方法计算出CDMA信号中有几个用户和用户对应的PN码。主通道接收到CDMA信号后，得到第一路信号S₁，辅通道接收到同一个CDMA信号后，得到第二路信号S₂；

(1)两路信号S1、S2首先做预处理；

本实施例中，对第一路信号S₁和第二路信号S₂进行预处理，得到预处理后的信号S_1-预和信号S_2-预包括：对第一路信号S₁和第二路信号S₂进行下变频处理，对下变频后的信号进行模数转换后得到数字信号，对数字信号进行滤波抽取后得到基带IQ信号S_1-预和S_2-预；其中，信号S_1-预和信号S_2-预的采样频率是用户发射的CDMA信号带宽的2～4倍。

具体的，两路信号S₁、S₂分别经过主/辅通道的天线、接收机下变频至统一中频后，由主/辅通道的ADC完成数字采样。数字信号经过变频抽取和信道滤波为基带IQ信号，并保证基带IQ信号的采样率大于CDMA信号带宽，本实施例中取2～4倍的码元速率。这里的基带IQ信号即信号S_1-预、S_2-预。

(2)两路信号S1、S2的时频差粗估计

本实施例中，选定一用户PN码序列，根据用户PN码序列对信号S_1-预和信号S_2-预进行同步捕获，得到信号S₁和信号S₂的时差粗估计值和频差粗估计值包括：从本地保存的用户PN码序列中选定一用户PN码序列，对信号S_1-预和信号S_2-预进行同步捕获，分别计算信号S_1-预以及信号S_2-预和选定的一用户PN码序列间的捕获相关峰值，根据相关峰值分别得到信号S₁的时间值和频率值以及信号S₂的时间值和频率值；将信号S₁的时间值和频率值与信号S₂的时间值和频率值对应相减，得到信号S₁和S₂的时差粗估计值和频差粗估计值。

具体的，两路信号S₁、S₂的时频差粗估计是通过对扩频用户的PN码同步捕获实现的。根据PN码特性，同步捕获是在用户发送的CDMA信号中的PN码和选定的一个用户PN码完全一致或同步误差在一定范围内(例如0.5个码片周期内)时确定捕获成功。然而当用户发射的CDMA信号载波频偏大一定数值导致同步捕获所使用的相关器出现严重能量衰减时，若要得到可靠的相关峰值，需对CDMA信号载波进行分区间检测，将捕获过程转换为频域与时域联合的二维搜索过程。

参见图2，时频差粗估计时的输入信号有：选定的一用户PN码序列、第一路信号S₁预处理后得到的信号S_1-预、第一路信号S₂处理后得到的信号S_2-预，用同一个用户PN码对两个信号S_1-预，S_2-预进行同步捕获，输出时差粗估计值Δt-粗、频差粗估计值Δf-粗。本申请中的时频差粗估计的处理方法与现有技术中的利用直接互模糊函数方法对信号进行时频差粗估计相比需要的信号样本比较短，计算量小，实时性强。

图3是本发明一个实施例的同步捕获二维搜索的原理示意图，参见图3，同步捕获首先是根据选定的一用户PN码，以及收到的CDMA信号的载波频率构建由所述频率和用户PN码相位(即时域)组成的二维检索单元，图3中每一个方格代表一个搜索单元，方格构成频率维和时间维搜索步进及搜索方向。然后在该二维检索单元中逐格查找，直至找到相关峰值。对于某一选定用户PN码而言，该过程能够实现CDMA信号中相应用户的到达时间和载波频率估计值。主/辅通道同时实现同步捕获后，到达时间和载频估计值的差值即可作为对应PN码用户主辅通道时频差粗估计结果。参见图3，以31所在方格为起始点，向右逐格查找相关峰，并在32所在的方格中查找到了相关峰，根据相关峰值的位置，得到信号的频率值和时间值，将两个通道都做相关峰检测后得到的两个频率值，比较相减后得到一个频差粗估计值，将两个时间值比较相减后得到一个时差粗估计值。

(3)两路信号S1、S2的频差精估计；

在本实施例中，利用前面计算得到的时差粗估计值(即Δt-粗)对信号S_2-预进行时延补偿，得到信号S_2-时补，并对所述信号S_2-时补同步解扩(同步解扩需要输入选定的一用户PN码序列)；以及对所述信号S_1-预同步解扩(也需要输入该用户PN码序列)；根据所述信号S_2-时补，信号S_1-预的同步解扩结果，得到信号S₁和信号S₂的频差精估计值。

参见图2，根据时频差粗估计的输出结果，对辅通道信号进行时延补偿后，可以实现主/辅通道信号时间维、频率维初步对齐，补偿对齐主/辅通道信号后，进行解扩处理，以抑制其他用户干扰信号，提升信噪比。主/辅通道解扩后信号共轭相乘，可以得到频差的单谐波函数。通过频谱内插处理后，可以实现频差的精细估计。

本发明实施例采用基于对FFT结果进行内插平滑的方法，得到频率的高精度估计值。精确估频是在检测到信号粗估频率(即Δf-粗)的基础上进行的。

频差精估计时的输入信号是对预处理后的信号S_1-预进行同步解扩后得到的信号，以及对信号S_2-预补充时延并同步解扩后得到的信号，频差精估计的输出结果是信号S₁、S₂的频差精估计值。以下具体说明如何利用差分后单谐波信号实现高精度的频率估计，算法步骤如下：

①取主通道和辅通道解扩后的差分信号：

②进行FFT计算y＝|FFT{z}|，并得到

③进行频移计算 $z^{\′}\left(n\right)=z\left(n\right)\exp (-j2{\mathrm{\πf}}_c^{0}n);$

④构造向量b＝{b₀,b₁,b₂,b₃}，其中

⑤构造相位差分向量d＝{d₁,d₂,d₃}，其中

⑥得出载频估计其中w＝{0.3,0.4,0.3}。

这里的单谐波信号的频差输出值f_c即为两路信号S₁、S₂之间的频差精估计值。

(4)两路信号S₁、S₂的时差精细估计

本实施例中，根据时差粗估计值，确定时差精估计的估计范围；在估计范围内，计算所述信号S_2-时频补以及所述信号S_1-预的互相关谱函数和互功率谱密度，得到时差精估计初值，在时差精估计初值附近通过二分查找算法进行细化搜索，从而确定出信号S₁和信号S₂的时差精估计值。

对于双星无源定位系统来说，上述基于同步捕获得到的时差粗估结果(即Δt-粗)是不满足精度要求的，需要做进一步的精估。需要说明的是，前述利用PN码同步捕获估计的时间差值(即Δt-粗)是以PN码片周期为精度的。PN码片对应的时间间隔是PN码的码片周期(基带IQ信号的采样周期是CDMA信号码片周期的1/2～1/4)。时差精估计是在时差粗估计得到的粗估计值的基础之上，利用原始采样信号，在采样周期上进行互相关运算，这样能够得到采样周期精度的时间差值。在本实施例中再通过二分查找法在采样周期精度基础之上，进一步提高时差估计精度，得到小于采样周期精度的时差精估计值。

二分查找法又称折半查找法，优点是比较次数少，查找速度快，平均性能好，并且对相关峰的形状没有特殊的要求。该算法的具体做法是在前述的粗估时差得到的一个时差的范围(即[0,Δt-粗])基础上，计算两信号在该范围的互相关函数值，基于相关函数在搜索范围内为单峰的假设，得出相关函数的峰值点应该在边界点相关函数较大的子区域，这样就把原来的搜索区域缩小了一半，重复以上的过程，可以得到高精度的时差估计值。具体的二分查找法的实现步骤如下：

①对于长度为N(即信号样本长度)的经过粗估计补偿后的主通道和辅通道时间信号s₁[n]和s₂[n]，计算两者的互相关函数，取补零后的FFT序列

${\stackrel{\‾}{S}}_i\[k\]=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{s}_i\[n\]e^{-j\frac{2\mathrm{\π}nk}{2N-1}},k\∈\[0,2N-2\],i=1,2$

则主通道和辅通道时间信号s₁[n]和s₂[n]的互功率谱密度的估计为

$G_{s_1{s}_2}^S\[k\]=\frac{1}{N}{\stackrel{\‾}{S}}_1^{*}\[k\]{\stackrel{\‾}{S}}_2\[k\],k\∈\[0,2N-2\]$

②然后通过互功率谱密度来估计互相关函数，得到

$R_{s_1{s}_2}^S\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{k=0}{\overset{2N-2}{\Σ}}{G}_{s_1{s}_2}^S\[k\]e^{j\frac{2\mathrm{\π}\mathrm{\τ}k}{2N-1}},\mathrm{\τ}\∈\[0,2N-2\]$

③信号S₁和S₂的时差精估计初值为

${\hat{D}}_0=\arg \underset{\mathrm{\τ}}{\max }\{R_{s_1{s}_2}^S\left(\mathrm{\τ}\right),\mathrm{\τ}\hat{I}\[0,2N-2\]\}$

④设 $D_l^i={\hat{D}}_0-1,D_u^i={\hat{D}}_0+1,i=0,$ 则时差精估计的区域为

⑤计算区域两端点的相关函数值

$P_b^i=R_{s_1{s}_2}^S\left(D_b^i\right)=\underset{k=0}{\overset{2N-2}{\Σ}}{G}_{s_1{s}_2}^S\[k\]e^{j\frac{2{\mathrm{\πD}}_b^{i}k}{2N-1}},b=l,u$

⑥计算区域中点的相关函数值，即通过三角函数sinc对相关函

数进行插值，得到小于采样间隔时间的相关函数值

$P_m^i=R_{s_1{s}_2}^S\left(D_m^i\right)=\underset{k=0}{\overset{2N-2}{\Σ}}{G}_{s_1{s}_2}^S\[k\]e^{j\frac{2{\mathrm{\πD}}_m^{i}k}{2N-1}}$

其中， $D_m^i=(D_l^i+D_u^i)/2;$

⑦判断区域中点与两端点的相关函数值的大小，

如果且即中点的相关函数值比两端点的相关函数值都大，则时差精估计值算法结束；

否则，

如果则i＝i+1，转到④继续计算时差估计区域；

如果i＝i+1，转到④继续计算时差估计区域。

以上，通过二分查找法比较查找区域两端点的相关函数值与中点的相关函数值，将查找区域逐步缩小，以到达高精度的时差估计的效果。本发明实施例中通过采用二分查找法对信号时差进行高精度估计，在相同时差估计精度下，本实施例中所用的信号样本长度比现有技术所用的信号样本长度短，计算量下，时差估计精度高。

需要说明的是，在根据上述过程得到了信号S₁和S₂的时差精估计值和频差精估计值后，根据时频差精估计值，以及用户的先验信息确定出用户的位置，具体的如何根据时频差精估计值计算用户的位置为现有技术，可以采用现有技术中的技术手段来实现，在此不再赘述。

与上述双星时差频差定位方法相对应的，本发明实施例还提供了一种双星时差频差定位装置，该双星时差频差定位装置40包括：信号获取模块41、预处理模块42、时差频差粗估计模块43、频差精估计模块44、时差精估计模块45和定位模块46；

信号获取模块41，用于利用主通道接收用户发射的码分多址CDMA信号，得到第一路信号S₁；利用辅通道接收用户发射的码分多址CDMA信号，得到第二路信号S₂；

预处理模块42，用于对第一路信号S₁和第二路信号S₂进行预处理，得到预处理后的信号S_1-预和信号S_2-预；

时频差粗估计模块43，用于选定一用户PN码序列，根据所述用户PN码序列对所述信号S_1-预和所述信号S_2-预进行同步捕获，得到所述信号S₁和信号S₂的时差粗估计值和频差粗估计值；

频差精估计模块44，用于利用时差粗估计值对信号S_2-预进行时延补偿，得到信号S_2-时补，并根据用户PN码序列对信号S_2-时补同步解扩；以及，根据用户PN码序列对信号S_1-预同步解扩；根据信号S_2-时补，信号S_1-预的同步解扩结果，得到信号S₁和信号S₂的频差精估计值；

时差精估计模块45，用于利用频差精估计值和时差粗估计值对信号S_2-预进行时延和频偏补偿，得到信号S_2-时频补；根据信号S_2-时频补以及信号S_1-预，得到信号S₁和信号S₂的时差精估计值；

定位模块46，用于利用信号S₁和信号S₂的时差精估计值和频差精估计值，定位出用户的位置。

在本发明的一个实施例中，时频差粗估计模块43，具体用于从本地保存的用户PN码序列中选定一用户PN码序列，对信号S_1-预和信号S_2-预进行同步捕获，分别计算信号S_1-预以及信号S_2-预中的用户PN码序列和选定的一用户PN码序列间的相关峰值，根据相关峰值分别得到信号S₁的时间值和频率值以及信号S₂的时间值和频率值；将信号S₁的时间值和频率值与信号S₂的时间值和频率值对应相减，得到信号S₁和S₂的时差粗估计值和频差粗估计值。

在本发明的一个实施例中，频差精估计模块44具体用于，对信号S_2-时补以及信号S_1-预同步解扩后的信号进行共轭相乘，得到单载波信号，对单载波信号进行频谱内插处理后计算出单载波信号的频率值，单谐波函数的频率值即为信号S₁和信号S₂的频差精估计值。

在本发明的一个实施例中，时差精估计模块45具体用于，根据时差粗估计值，确定时差精估计的估计范围；在估计范围内，计算信号S_2-时频补以及信号S_1-预的互相关谱函数和互功率谱密度，得到时差精估计初值，在时差精估计初值附近通过二分查找算法进行细化搜索，从而确定出信号S₁和信号S₂的时差精估计值。

在本发明的一个实施例中，预处理模块42具体用于，对第一路信号S₁和第二路信号S₂进行下变频处理，对下变频后的信号进行模数转换后得到数字信号，对数字信号进行滤波抽取后得到基带IQ信号S_1-预和S_2-预；

其中，信号S_1-预和信号S_2-预的采样频率是用户发射的CDMA信号带宽的2～4倍。

需要说明的是，在进行双星时频差定位时，信号获取模块41需要分布在两颗卫星上(即主卫星和辅卫星)；预处理模块42可以设置在主卫星和/或辅卫星上，为了计算方便，其余模块如时差频差粗估计模块43、频差精估计模块44、时差精估计模块45和定位模块46可以都设置在主卫星上。

需要说明的是，本发明实施例的这种双星时频差定位装置是和前述的双星时频差定位方法相对应的，因而本实施例中双星时频差定位装置的工作过程可以参见前述双星时频差定位方法部分的相关具体说明，在此不再赘述。

综上所述，本发明实施例的双星时差频差定位的技术方案针对双星无源定位中的时差/频差参数提取特别是CDMA信号具有时频域重叠、信噪比低、信号宽带大等特点，通过时频差粗估计后，再时间-频率分维两次迭代，解决了时频差估计精度和计算量矛盾的问题。本发明申请的技术方案以较短的信号样本，较小的计算量实现了CDMA信号的时频差高精度估计，从而提高了双星时频差定位的效率，节省了时间，方便在工程上推广应用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种双星时差频差定位方法，其特征在于，所述方法包括：

利用主通道接收用户发射的码分多址CDMA信号，得到第一路信号S₁；利用辅通道接收所述用户发射的码分多址CDMA信号，得到第二路信号S₂；

对所述第一路信号S₁和所述第二路信号S₂进行预处理，得到预处理后的信号S_1-预和信号S_2-预；

选定一用户PN码序列，根据所述用户PN码序列对所述信号S_1-预和所述信号S_2-预进行同步捕获，得到所述信号S₁和信号S₂的时差粗估计值和频差粗估计值；

利用所述时差粗估计值对所述信号S_2-预进行时延补偿，得到信号S_2-时补，并根据所述用户PN码序列对所述信号S_2-时补同步解扩；以及，根据所述用户PN码序列对所述信号S_1-预同步解扩；根据所述信号S_2-时补，信号S_1-预的同步解扩结果，得到所述信号S₁和信号S₂的频差精估计值；

利用所述频差精估计值和所述时差粗估计值对所述信号S_2-预进行时延和频偏补偿，得到信号S_2-时频补；根据所述信号S_2-时频补以及所述信号S_1-预，得到所述信号S₁和信号S₂的时差精估计值；

利用所述信号S₁和信号S₂的时差精估计值和频差精估计值，定位出所述用户的位置。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述选定一用户PN码序列，根据所述用户PN码序列对所述信号S_1-预和所述信号S_2-预进行同步捕获，得到所述信号S₁和信号S₂的时差粗估计值和频差粗估计值包括：

从本地保存的用户PN码序列中选定一用户PN码序列，对所述信号S_{1- 预}和所述信号S_2-预进行同步捕获，分别计算所述信号S_1-预以及所述信号S_2-预和所述选定的一用户PN码序列的捕获相关峰值，根据所述相关峰值分别得到所述信号S₁的时间值和频率值以及所述信号S₂的时间值和频率值；将所述信号S₁的时间值和频率值与所述信号S₂的时间值和频率值对应相减，得到所述信号S₁和S₂的时差粗估计值和频差粗估计值。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述信号S_2-时补，信号S_1-预的同步解扩结果，得到所述信号S₁和信号S₂的频差精估计值包括：

对所述信号S_2-时补以及信号S_1-预同步解扩后的信号进行共轭相乘，得到单载波信号，对所述单载波信号进行频谱内插处理后计算出所述单载波信号的频率值，所述单谐波函数的频率值即为所述信号S₁和信号S₂的频差精估计值。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述频差精估计值和所述时差粗估计值对所述信号S_2-预进行时延和频偏补偿，得到信号S_2-时频补；根据所述信号S_2-时频补以及所述信号S_1-预，得到所述信号S₁和信号S₂的时差精估计值包括：

根据所述时差粗估计值，确定时差精估计的估计范围；

在所述估计范围内，计算所述信号S_2-时频补以及所述信号S_1-预的互相关谱函数和互功率谱密度，得到时差精估计初值，在所述时差精估计初值附近通过二分查找算法进行细化搜索，从而确定出所述信号S₁和信号S₂的时差精估计值。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述第一路信号S₁和所述第二路信号S₂进行预处理，得到预处理后的信号S_1-预和信号S_2-预包括：

对所述第一路信号S₁和所述第二路信号S₂进行下变频处理，对下变频后的信号进行模数转换后得到数字信号，对所述数字信号进行滤波抽取后得到基带IQ信号S_1-预和S_2-预；

其中，所述信号S_1-预和信号S_2-预的采样频率是所述用户发射的CDMA信号带宽的2～4倍。

6.一种双星时差频差定位装置，其特征在于，所述装置包括：信号获取模块、预处理模块、时差频差粗估计模块、频差精估计模块、时差精估计模块和定位模块；

所述信号获取模块，用于利用主通道接收用户发射的码分多址CDMA信号，得到第一路信号S₁；利用辅通道接收所述用户发射的码分多址CDMA信号，得到第二路信号S₂；

所述预处理模块，用于对所述第一路信号S₁和所述第二路信号S₂进行预处理，得到预处理后的信号S_1-预和信号S_2-预；

所述时频差粗估计模块，用于选定一用户PN码序列，根据所述用户PN码序列对所述信号S_1-预和所述信号S_2-预进行同步捕获，得到所述信号S₁和信号S₂的时差粗估计值和频差粗估计值；

所述频差精估计模块，用于利用所述时差粗估计值对所述信号S_2-预进行时延补偿，得到信号S_2-时补，并根据所述用户PN码序列对所述信号S_2-时补同步解扩；以及，根据所述用户PN码序列对所述信号S_1-预同步解扩；根据所述信号S_2-时补，信号S_1-预的同步解扩结果，得到所述信号S₁和信号S₂的频差精估计值；

所述时差精估计模块，用于利用所述频差精估计值和所述时差粗估计值对所述信号S_2-预进行时延和频偏补偿，得到信号S_2-时频补；根据所述信号S_{2-时频 补}以及所述信号S_1-预，得到所述信号S₁和信号S₂的时差精估计值；

所述定位模块，用于利用所述信号S₁和信号S₂的时差精估计值和频差精估计值，定位出所述用户的位置。

7.如权利要求6所述的双星时差频差定位装置，其特征在于，

所述时频差粗估计模块，具体用于从本地保存的用户PN码序列中选定一用户PN码序列，对所述信号S_1-预和所述信号S_2-预进行同步捕获，分别计算所述信号S_1-预以及所述信号S_2-预中的用户PN码序列和所述选定的一用户PN码序列间的相关峰值，根据所述相关峰值分别得到所述信号S₁的时间值和频率值以及所述信号S₂的时间值和频率值；将所述信号S₁的时间值和频率值与所述信号S₂的时间值和频率值对应相减，得到所述信号S₁和S₂的时差粗估计值和频差粗估计值。

8.如权利要求6所述的双星时差频差定位装置，其特征在于，

所述频差精估计模块具体用于，对所述信号S_2-时补以及信号S_1-预同步解扩后的信号进行共轭相乘，得到单载波信号，对所述单载波信号进行频谱内插处理后计算出所述单载波信号的频率值，所述单谐波函数的频率值即为所述信号S₁和信号S₂的频差精估计值。

9.如权利要求6所述的双星时差频差定位装置，其特征在于，

所述时差精估计模块具体用于，根据所述时差粗估计值，确定时差精估计的估计范围；在所述估计范围内，计算所述信号S_2-时频补以及所述信号S_1-预的互相关谱函数和互功率谱密度，得到时差精估计初值，在所述时差精估计初值附近通过二分查找算法进行细化搜索，从而确定出所述信号S₁和信号S₂的时差精估计值。

10.如权利要求6所述的双星时差频差定位装置，其特征在于

所述预处理模块具体用于，对所述第一路信号S₁和所述第二路信号S₂进行下变频处理，对下变频后的信号进行模数转换后得到数字信号，对所述数字信号进行滤波抽取后得到基带IQ信号S_1-预和S_2-预；

其中，所述信号S_1-预和信号S_2-预的采样频率是所述用户发射的CDMA信号带宽的2～4倍。