CN108924743A - 二次过零点检测与判决的脉冲到达时间戳标记方法 - Google Patents

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马艳秋
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Abstract

一种二次过零点检测与判决的脉冲到达时间戳标记方法。该方法基于时间同步的时差测量原理，主站和各副站均设有高稳定度的统一的时间基准，分别接收目标应答信号并进行检测、判别及数字化，搜索信号过零点并标记时间戳，获取目标应答信号的到达时间，主站和各副站根据各自的时间戳计算其到达时间，然后传送给数据处理中心；数据处理中心根据到达时间汇算到达时间差，进而估计出目标的位置。本发明提优点：可最大程度地缩小到达时刻的标记位置与正确到达时刻(过零点)之间的时间偏差，达到抑制过零点检测本身引起的到达时间估计误差的目标，能在信噪比不佳的环境下显著提高基站TOA测量的精确度。

Description

二次过零点检测与判决的脉冲到达时间戳标记方法
技术领域
本发明属于航空技术领域，特别是涉及一种二次过零点检测与判决的脉冲到达时间戳标记方法。
背景技术
多点定位系统(MLAT)或被动定位系统是由若干个分布在监视区域内的地面接收基站(分为主站与副站)与数据处理中心等组成，是基于目标应答信号的被动监视系统。各基站分别测得目标应答信号到达时间并汇总至数据处理中心，该中心汇算目标发射信号到达主站和各副站的到达时间差(TDOA)，由此实现目标空间位置的连续估算，完成终端区、机场场面区域及低空区域内移动和静止状态的航空器和车辆等目标的精确监视。由于终端区、机场区域空侧及陆侧内航站楼、廊桥等各类建筑物存在的遮挡现象，以及电波在自由空间传输的衰落特点，导致基站测量导出的到达时间(TOA)随机误差大，制约了多点定位系统(MLAT)或被动定位系统定位精确度的进一步提升。
传统差分匹配滤波器法对其输出信号的每个值都进行分析、检测，再把其输出中最先出现的过零点时刻确认为脉冲到达基站的时刻，标记时间戳，从而作为被动定位的脉冲到达时间的计算依据。由于系统误差与信道随机噪声的存在，传统匹配滤波器检测输出的脉冲过零点位置存在偏离真实值的情况，导致脉冲到达时刻的时间戳标记存在偏差，根据该时间戳计算得到的到达时间(TOA)误差较大，从而影响定位精确度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种二次过零点检测与判决的脉冲到达时间戳标记方法。
为了达到上述目的，本发明提供的二次过零点检测与判决的脉冲到达时间戳标记方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)建立多点定位系统，该系统包括数据处理中心和至少四个收发基站，将其中一个收发基站设为主站n，其余收发基站设为副站m；
2)各接收基站对接收到的终端区、机场场面区域及低空区域内移动和静止状态的航空器和车辆在内的目标应答信号进行检测、判别及数字化，经过差分匹配滤波器处理后得到具有过零点的输出信号；
3)搜索上述输出信号的过零点，检测输出信号过零状态，采取逐点下降斜率比较方式等距截取过零点前后的两个采样点，连接这两个采样点构成一条拟合直线，设定适当采样间隔对该拟合直线进行二次采样而获得二次采样点；
4)任意选取上述拟合直线上的两个采样点Pi和Pj，其中i,j＝1,2……N，N为拟合直线的采样点数量，且i≠j，然后比较两个采样点Pi和Pj中哪一个采样点的值更接近零值，循环比对直至选出最接近于零值的采样点确定该采样点为过零点，并在该位置上标记时间戳；
5)主站n和各副站m根据各自的时间戳计算其到达时间TOAn和TOAm，然后传送给数据处理中心；
6)数据处理中心计算主站n与各副站m之间的到达时间差TDOAm，其中m＝1,2……M，M为基站数量，即TDOAm＝TOAm-TOAn，其中m≠n，然后利用这些到达时间差TDOAm建立定位方程组；
7)利用成熟定位算法求解上述定位方程组，由此估算出目标的位置。
在步骤7)中，所述的成熟定位算法采用CHAN算法。
本发明提供的二次过零点检测与判决的脉冲到达时间戳标记方法具有如下优点：
1)可最大程度地缩小到达时刻的标记位置与正确到达时刻(过零点)之间的时间偏差，达到抑制过零点检测本身引起的到达时间估计误差的目标，能够在信噪比不佳的环境下显著提高基站TOA测量的精确度。
2)可降低对信噪比的要求，将多点定位(或被动定位)监视区域的定位误差大幅度减小至米级的水平。
附图说明
图1为本发明中基于时间同步的时差测量原理示意图。
图2为本发明中过零点区域二次采样原理示意图，其中图2(a)为第一次过零点检测判别输出；图2(b)为第二次过零点检测判别输出。
图3为到达脉冲时间戳位置的标记分布状态图，其中图3(a)为原始算法的时间戳位置；图3(b)为本发明方法的时间戳位置。
图4为时间戳标记引起的TOA估计均方根误差态势，其中图4(a)为传统差分匹配滤波器算法时间戳标记引起的TOA估计均方根误差态势；图4(b)为本发明方法的时间戳位置引起的TOA估计均方根误差态势。
图5为本发明提供的二次过零点检测与判决的脉冲到达时间戳标记方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图5所示，本发明提供的二次过零点检测与判决的脉冲到达时间戳标记方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)建立多点定位系统，该系统包括数据处理中心和至少四个收发基站，将其中一个收发基站设为主站n，其余收发基站设为副站m；为说明方便、简洁起见，本发明以以四个接收基站的多点定位系统为例，多于四个接收基站的多点定位及广域多点定位系统的时间戳标记与TOA计算方法可简单推得；
2)各接收基站对接收到的终端区、机场场面区域及低空区域内移动和静止状态的航空器和车辆在内的目标应答信号进行检测、判别及数字化，经过差分匹配滤波器处理后得到具有过零点的输出信号；
3)搜索上述输出信号的过零点，检测输出信号过零状态，采取逐点下降斜率比较方式等距截取过零点前后的两个采样点，连接这两个采样点构成一条拟合直线，设定适当采样间隔对该拟合直线进行二次采样而获得二次采样点；
4)任意选取上述拟合直线上的两个采样点Pi和Pj，其中i,j＝1,2……N，N为拟合直线的采样点数量，且i≠j，然后比较两个采样点Pi和Pj中哪一个采样点的值更接近零值，循环比对直至选出最接近于零值的采样点确定该采样点为过零点，并在该位置上标记时间戳；
5)主站n和各副站m根据各自的时间戳计算其到达时间TOAn和TOAm，然后传送给数据处理中心；
6)数据处理中心计算主站n与各副站m之间的到达时间差TDOAm，其中m＝1,2……M，M为基站数量，即TDOAm＝TOAm-TOAn，其中m≠n，然后利用这些到达时间差TDOAm建立定位方程组；
7)利用成熟定位算法求解上述定位方程组，由此估算出目标的位置。本发明采用CHAN算法。
为基于时间同步的时差测量原理，主站n和各副站m均设有高稳定度的统一的时间基准，分别接收目标应答信号并进行检测、判别及数字化，搜索信号过零点并标记时间戳，获取目标应答信号的到达时间，主站n和各副站m根据各自的时间戳计算其到达时间，然后传送给数据处理中心；数据处理中心根据到达时间汇算到达时间差，进而估计出目标的位置。
图2(a)为单脉冲经过差分匹配滤波器的输出信号波形，圆圈内的两个采样点为经循环检测比较选取的过零点附近的两个采样点；图2(b)为对图2(a)中所选取的两个采样点进行直线拟合并二次采样的放大图，本发明中的采样间隔取0.835ns，方框内的采样点即为经顺序循环检测出的最接近过零点的采样点，即真正时间戳的标记位置。
从统计学角度分析，信号信噪比SNR＝5dB、仿真估计1000次，原始时间戳标记算法和本发明方法在时间戳位置标记的分布状态如图3所示。原始时间戳标记算法中估计距离与实际标记位置(理论位置点为32)的距离很分散，本发明方法的时间戳标记位置分布在28-36之间，且集中分布在32附近。
传统差分匹配滤波器算法与本发明方法所获得的时间戳以及用于计算到达时间所对应的时间估计的均方根误差变化状态如图4所示。
另外，可利用GDOP值等方式评估通过本发明方法获得的TOA导致的定位性能变化。
从图3、图4所示可见，本发明方法能够达到显著提高定位精确度的效果。
最后应说明的是：以上实施例仅以四基站定位(一主站、三副站)用以说明本发明的技术方案，而非对其基站数量及基站分布方式的限制；尽管参照前述实施例对本发明进行详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种二次过零点检测与判决的脉冲到达时间戳标记方法，其特征在于：所述的方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)建立多点定位系统，该系统包括数据处理中心和至少四个收发基站，将其中一个收发基站设为主站n，其余收发基站设为副站m；
2)各接收基站对接收到的终端区、机场场面区域及低空区域内移动和静止状态的航空器和车辆在内的目标应答信号进行检测、判别及数字化，经过差分匹配滤波器处理后得到具有过零点的输出信号；
3)搜索上述输出信号的过零点，检测输出信号过零状态，采取逐点下降斜率比较方式等距截取过零点前后的两个采样点，连接这两个采样点构成一条拟合直线，设定适当采样间隔对该拟合直线进行二次采样而获得二次采样点；
4)任意选取上述拟合直线上的两个采样点Pi和Pj，其中i,j＝1,2……N，N为拟合直线的采样点数量，且i≠j，然后比较两个采样点Pi和Pj中哪一个采样点的值更接近零值，循环比对直至选出最接近于零值的采样点确定该采样点为过零点，并在该位置上标记时间戳；
5)主站n和各副站m根据各自的时间戳计算其到达时间TOAn和TOAm，然后传送给数据处理中心；
6)数据处理中心计算主站n与各副站m之间的到达时间差TDOAm，其中m＝1,2……M，M为基站数量，即TDOAm＝TOAm-TOAn，其中m≠n，然后利用这些到达时间差TDOAm建立定位方程组；
7)利用成熟定位算法求解上述定位方程组，由此估算出目标的位置。
2.根据权利要求1所述的二次过零点检测与判决的脉冲到达时间戳标记方法，其特征在于：在步骤7)中，所述的成熟定位算法采用CHAN算法。
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