CN108347765A - 一种基于cdma前向链路信号的伪距测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于CDMA前向链路信号的伪距测量方法。该方法利用IS‑95协议中CDMA前向链路信号进行伪距测量，主要针对CDMA下行信号无线定位方面的应用；采用实采CDMA信号，与实际应用更接近；提取同步信息中的PN序列偏置系数，校验导频信道捕获和跟踪所用PN码相位，正确性更有保证；传播时延的计算中包含了信号从基站的发射时间，在个别基站时间没有严格同步时测量精度更高，也适用于基站之间没有时间同步要求的情况；采用TDOA时延计算方式，可以消除各个基站与接收机之间存在的共同误差，提高测量精度。

Description

一种基于CDMA前向链路信号的伪距测量方法
技术领域
本发明涉及一种伪距测量方法，特别是涉及一种利用IS-95协议中CDMA前向链路信号进行伪距测量的方法。
背景技术
CDMA基站在我国分布非常广泛，所有基站的位置固定且可获取；全网时间同步于GPS系统；CDMA前向链路信号的导频信道只有PN码，且在固定位置重复出现，同时，导频信号大约比通信业务信道的电平高4-6dB，且不进行功率控制；同步信道中含有系统的时间信息和导频偏置；这些特征均非常适合用于非合作移动终端的被动定位。与GPS系统定位原理类似，利用CDMA前向链路信号进行定位的前提和关键是对接收机到各基站伪距的精确测量。
目前，对于CDMA信号的应用和研究大多集中在无源探测领域，而利用CDMA前向链路信号进行非合作被动定位的研究相对较少。
“CDMA导频信号无源定位仿真研究”(科学技术与工程，2010年第10卷第36期)一文采用“CDMA+INS”组合导航，把CDMA蜂窝网导频信号作为非合作源进行无源定位，并进行了CDMA导频信号定位分析。
文中仿真生成了多个基站的PN码，并对到达接收机处带有时延的PN码进行捕获和跟踪，再进行TDOA提取与定位。但该文的仿真前提是导频偏置为已知；且各个基站的系统时间精确同步。但在实际应用中，接收机可能处于没有先验知识的环境，无法提前获取基站对应的导频偏置；同时，当某个基站的系统时间没有严格同步或者应用于基站之间无时间同步要求的系统时，就不能采用文中的方法进行伪距测量了。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于CDMA前向链路信号的伪距测量方法，包括如下步骤：
步骤一：选取室外采集点，采集接收机当前位置能收到的CDMA信号并存储；
步骤二：利用本地存储的所有相位PN码序列，对采集到的CDMA信号进行导频信道PN码遍历搜索，按照距离采集点远近的顺序，选取离采集点较近的若干个基站信号；
步骤三：对选取的基站信号分别用对应的PN码进行跟踪，获取对应的导频同步位置；
步骤四：对于每个基站，提取同步信道中与信号发射有关的时间信息；
步骤五：对于每个基站，提取同步信道中导频PN序列的偏置系数；
步骤六：确定当前收到的各基站导频相关峰的接收时刻；
步骤七：获取各基站到接收机的TDOA时延。
进一步的，步骤四及步骤六中，所述时间信息包括系统时间以及从系统时间开始的偶数秒的个数以及导频同步位置。
进一步的，步骤四中，对单个基站提取时间信息的办法具体为：对导频通道信号进行捕获和跟踪以后，利用同步信道超帧与PN码的相位对应关系，搜索超帧起点，再进行沃尔什码剥离、解交织、去除码元重复和解卷积后，根据同步信道的消息格式提取同步信道中的时间信息。
进一步的，步骤六具体为：利用系统时间和从系统时间开始的偶数秒的个数，结合导频序列与本地序列的相关峰出现在每个偶数秒起始后的导频同步位置，共同确定当前收到的各基站导频相关峰的接收时刻。
进一步的，步骤六中确定基站导频相关峰接收时刻公式为：
T＝SYS_TIME+2×LP_SEC+Δt；
其中，T为对应基站的导频相关峰接收时刻，SYS_TIME为系统时间，LP_SEC为从系统时间开始的偶数秒的个数，Δt为导频同步位置。
进一步的，步骤七具体为：将各基站信号的导频相关峰的接收时刻与其中一固定基站信号的接收时刻相减，获得TDOA时延组，作为后续定位解算的基础。
本发明的有益效果为：
该发明利用IS-95协议中CDMA前向链路信号进行伪距测量，主要针对CDMA下行信号无线定位方面的应用；采用实采CDMA信号，与实际应用更接近；提取同步信息中的PN序列偏置系数，校验导频信道捕获和跟踪所用PN码相位，正确性更有保证；传播时延的计算中包含了信号从基站的发射时间，在个别基站时间没有严格同步时测量精度更高，也适用于基站之间没有时间同步要求的情况；采用TDOA时延计算方式，可以消除各个基站与接收机之间存在的共同误差，提高测量精度。
附图说明
图1为CDMA接收机捕获导频通道PN码的原理框图。
图2为CDMA接收机跟踪导频通道PN码的原理框图。
图3为同步信道帧结构。
图4为导频序列的偏置系数与同步信道超帧起点的位置关系。
图5为4个基站下行信号导航原理图。
图6为本发明流程图。
具体实施方式
本发明的设计构思为：本发明利用IS-95协议中CDMA前向链路信号进行伪距测量的方法，具体考虑以下方面：
(1)导频信道的PN码在固定位置重复出现，且没有调制任何数据信息，可以在CDMA下行链路信号载波剥离的基础上进行PN码捕获和跟踪，获取导频同步位置。
(2)对同步信道进行载波剥离和解码，从而提取其中与信号发射有关的时间信息。
(3)提取同步信道中导频PN序列的偏置系数，与导频信道捕获和跟踪时的PN码偏置相互校验。
(4)利用同步信道中的时间信息，确定信号的发射时刻。
(5)从各基站信号的发射时刻与导频同步位置获取各基站信号的接收时刻，利用各个时延再共同得出各基站到接收机的TDOA时延。
下面结合图6对本发明技术方案进行详细说明。
本发明包括如下步骤：
步骤一：选取室外采集点，采集接收机当前位置能收到的CDMA信号并存储。
步骤二：利用给本地存储(本地存储指计算机，上面存储了自己生成的所有相位PN码序列)的所有相位PN码序列，对采集到的CDMA信号进行导频信道PN码遍历搜索，按照距离采集点远近的顺序，选取离采集点较近的n个基站信号。n为整数，其大于1，具体取值可以根据实际需求进行选取。
步骤三：对选取的各个基站信号分别用对应的PN码进行跟踪，获取对应的导频同步位置。
该步骤的具体做法采用现有技术。本发明所使用的技术，包含如下步骤：
步骤3.1：获得到达接收端的CDMA射频信号。
CDMA射频信号从基站发出，到达接收端时可以表示为
式中，和CQ(t)表示I和Q支路的PN波形；gi表示非导频信道对于导频信道的幅度；di表示时隙内数据符号的值，Wi(t)表示第i个沃尔什函数，r(t)表示达到接收端的CDMA信号。spilot表示导频通道信号，i的取值为1～63，t表示时间。
步骤3.2：接收端对到达接收端的CDMA射频信号进行载波剥离。
如下式所示：
rI(t)、rQ(t)分别表示载波剥离后的I和Q路信号。载波剥离后的I路和Q路信号都包含序列CI(t)和CQ(t)，CI(t)、CQ(t)分别表示I支路、Q支路的PN波形。
步骤3.3：CI(t)、CQ(t)分别与两个本地PN码相乘，得到如下四个信号：
其中，τ是接收信号的PN码与本地PN码之间的相差。其中，Ec为PN序列的导频信号码片能量；Tc为PN序列的导频信号码片持续时间；CI(t)和CQ(t)表示I和Q支路的PN波形；φω表示载波相位；n(t)表示噪声。
步骤3.4：将上一步所得的四个信号再进行组合后在观测时间间隔上进行积分，
积分公式为：
其中，Z1M、Z2M为所得的两个积分值。
步骤3.5：将所得的两个积分值进行评分相加，得到输入信号PN码与本地PN码的相关峰输出。
ZM为输入信号PN码与本地PN码的相关峰输出。
以上解调和相关的过程可以理解为对接收CDMA信号PN码的捕获，处理框图如图1所示。
步骤3.6：通过粗捕获建立的本地PN码相位对应的时间记为t1。之后再通过跟踪使输入PN码与本地PN码的相对时差减小到0。如图2所示，是PN码的延迟锁定环(DLL)。其中低通滤波器的输出是自相关函数R1[τ(t)]和R2[τ(t)]。两个相关器输出的差用于产生误差信号e(τ)。
e(τ)＝R2(τ)-R1(τ)
步骤3.7：误差信号e(τ)驱动压控振荡器(VCO)调节本地PN码相位，使其最终与输入PN码相位完全对齐，跟踪过程中调节的PN码相位所对应的时间记为t2，单个基站的导频同步位置为
Δt＝t1+t2。
步骤四：对于每个基站，提取同步信道中与信号发射有关的时间信息。
同步信道上传输的同步信息，其中包括很多系统参数信息，例如系统标识(SID)、网络标识(NID)、导频PN序列的偏置系数(PILOT_PN)等解调需用到的重要参数。除此之外还包含有时间信息，所述时间信息包括系统时间(SYS_TIME)、从系统时间开始的偶数秒的个数(LP_SEC)、系统时间与本地时间差(LTM_OFF，以30分钟为单位)等，如表1所示。其中，CDMA基站的时间与UTC(世界协调时间)同步。表1为CDMA同步信道表示时间的消息字段。
表1
提取时间信息的原理为：
对于每个基站，利用同步信道超帧与PN码的相位对应关系搜索超帧起点，再进行沃尔什码剥离、解交织、去除码元重复和解卷积后，根据同步信道的消息格式提取同步信息中导频PN序列的偏置系数(PILOT_PN)、系统时间(SYS_TIME)以及从系统时间开始的偶数秒的个数(LP_SEC)。
同步信道以帧为单位，每个帧的长度为32bit，其中第一个比特称为SOM(Start-of-Message bit，消息起始标志)，剩下的31个bit承载同步信道消息的内容。每3个同步信道的帧又构成一个超帧，时长80ms。超帧开始的时间与基站导频PN序列开始时间对齐，同步信道的帧结构如图3所示。
偶秒(偶数秒)是基本同步单位，基站每个偶秒与UTC同步一次。在每个偶秒开始时，I、Q序列都是偏置为0的PN序列。导频PN序列的偏置(用码片表示)等于其偏置系数乘以64。同步信道的超帧起点表示如图4所示。
对导频通道信号进行捕获和跟踪以后，本地PN码与接收信号PN码已经建立了精确同步。此时，利用同步信道超帧与PN码的相位对应关系，搜索超帧起点，再进行沃尔什码剥离、解交织、去除码元重复和解卷积后，根据同步信道的消息格式可提取同步信道中的时间信息。
步骤五：对于每个基站，提取同步信道中导频PN序列的偏置系数，与本地捕获和跟踪所用PN码对比，校验偏置是否相同。提取偏置系数的原理是：
各基站之间的PN码用相位来区分，导频信道在捕获PN码时一般采用盲搜的策略，因此不同相位的本地PN码均可能与接收信号产生相关峰，加上多径等干扰的影响，会对寻找最大相关峰值造成一定影响。导频PN序列的偏置系数(PILOT_PN)是基站实际采用的PN码的偏置大小，其与本地捕获和跟踪所用的PN码序列相位应一致。
在提取同步信息以后，读取其中的PN序列的偏置系数(PILOT_PN)字段，与本地捕获和跟踪所用PN码对比，校验偏置是否相同。不相同就表示捕获和跟踪的结果是错误的，需要重新进行捕获和跟踪。
步骤六：利用系统时间和从系统时间开始的偶数秒的个数(系统时间(SYS_TIME)和从系统时间开始的偶数秒的个数(LP_SEC))，结合导频序列与本地序列的相关峰出现在每个偶数秒起始后的导频同步位置，共同确定当前收到的各基站导频相关峰的接收时刻。
从表1中的参数可以看出，解调提取系统时间(SYS_TIME)和从系统时间开始的偶数秒的个数(LP_SEC)，就可以得到当前同步信道发射时刻的标记。导频序列与本地序列的相关峰出现在每个偶数秒起始后的导频同步位置，标记为Δt，其中包含了传播时延。
因此，结合导频序列相关峰出现位置及同步信息中的时刻信息共同确定当前收到的导频相关峰的接收时刻T。
T＝SYS_TIME+2×LP_SEC+Δt。
步骤七：将各基站信号的导频相关峰接收时刻与其中一固定基站信号的接收时刻相减，获得TDOA时延组，作为后续定位解算的基础。
要获取每个基站到接收机的绝对传播时延需要引入本地时钟，也增加了出现误差的概率。事实上可以将各基站信号的接收时刻相减，获得TDOA时延。这样可以消除两个基站信号之间相同的时间分量，也不需要额外引入本地时钟，增加了时延计算的精度。具体如下式。
其中，τi1是第i个基站与第1个基站的传播时延差(i＝1.....N)；SYS_TIMEi和LP_SECi是第i个基站的发射时间信息；Δti是第i个基站到接收机的接收时刻。当基站之间时间严格同步时，各基站的SYS_TIMEi和LP_SECi是相同的，当个别基站时间不同步时，就需要引入新的基站来共同解方程未知数。
结合附图5说明本发明的一个实施实例。
在用户的接收机位置，用频谱仪观察CDMA下行信号的频点上是否有信号存在。选择其中一个有信号存在的频点，用采集器采集CDMA下行信号并存储。假设该频点共采集到4个基站的下行信号。
利用给本地存储的所有相位PN码序列，对采集信号进行导频信道PN码遍历搜索，确定4个基站所用的PN码相位。再单独对每个基站进行PN码跟踪，从而得到导频同步位置{Δt1,Δt2,Δt3,Δt4}。
对于每个基站，利用同步信道超帧与PN码的相位对应关系，搜索超帧起点，再进行解交织和卷积等操作。提取同步信息中导频PN序列的偏置系数(PILOT_PN1、PILOT_PN2、PILOT_PN3、PILOT_PN4)、系统时间(SYS_TIME1、SYS_TIME2、SYS_TIME3、SYS_TIME4)以及从系统时间开始的偶数秒的个数(LP_SEC1、LP_SEC2、LP_SEC3、LP_SEC4)。
根据每个基站信号同步信息中的PN序列偏置系数(PILOT_PN1、PILOT_PN2、PILOT_PN3、PILOT_PN4)，核对该基站导频信道捕获和跟踪所用的PN码偏置。根据每个基站信号所获得的系统时间(SYS_TIME1、SYS_TIME2、SYS_TIME3、SYS_TIME4)、从系统时间开始的偶数秒的个数(LP_SEC1、LP_SEC2、LP_SEC3、LP_SEC4)以及导频同步位置{Δt1,Δt2,Δt3,Δt4}，计算得到每个导频相关峰的接收时刻(T1、T2、T3、T4)。
将各基站信号的接收时刻与基站1的信号接收时刻相减，获得TDOA时延组{τ1,τ2,τ3,τ4}。

Claims (6)

1.一种基于CDMA前向链路信号的伪距测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：选取室外采集点，采集接收机当前位置能收到的CDMA信号并存储；
步骤二：利用本地存储的所有相位PN码序列，对采集到的CDMA信号进行导频信道PN码遍历搜索，按照距离采集点远近的顺序，选取离采集点较近的若干个基站信号；
步骤三：对选取的基站信号分别用对应的PN码进行跟踪，获取对应的导频同步位置；
步骤四：对于每个基站，提取同步信道中与信号发射有关的时间信息；
步骤五：对于每个基站，提取同步信道中导频PN序列的偏置系数；
步骤六：确定当前收到的各基站导频相关峰的接收时刻；
步骤七：获取各基站到接收机的TDOA时延。
2.如权利要求1所述的一种基于CDMA前向链路信号的伪距测量方法，其特征在于，步骤四及步骤六中，所述时间信息包括系统时间以及从系统时间开始的偶数秒的个数以及导频同步位置。
3.如权利要求2所述的一种基于CDMA前向链路信号的伪距测量方法，其特征在于，步骤四中，对单个基站提取时间信息的办法具体为：对导频通道信号进行捕获和跟踪以后，利用同步信道超帧与PN码的相位对应关系，搜索超帧起点，再进行沃尔什码剥离、解交织、去除码元重复和解卷积后，根据同步信道的消息格式提取同步信道中的时间信息。
4.如权利要求1所述的一种基于CDMA前向链路信号的伪距测量方法，其特征在于，步骤六具体为：利用系统时间和从系统时间开始的偶数秒的个数，结合导频序列与本地序列的相关峰出现在每个偶数秒起始后的导频同步位置，共同确定当前收到的各基站导频相关峰的接收时刻。
5.如权利要求4所述的一种基于CDMA前向链路信号的伪距测量方法，其特征在于，步骤六中确定基站导频相关峰接收时刻公式为：
其中，T为对应基站的导频相关峰接收时刻， SYS_TIME为系统时间，LP_SEC为从系统时间开始的偶数秒的个数，为导频同步位置。
6.如权利要求4所述的一种基于CDMA前向链路信号的伪距测量方法，其特征在于，步骤七具体为：将各基站信号的导频相关峰的接收时刻与其中一固定基站信号的接收时刻相减，获得TDOA时延组，作为后续定位解算的基础。
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