CN110133583B - 基于离散时间驱动的信号toa测量方法和装置 - Google Patents

基于离散时间驱动的信号toa测量方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于离散时间驱动的信号TOA测量方法和装置，所述方法包括：步骤S1、建立仿真场景；步骤S2，在仿真场景中对目标发射信号的发射时间进行离散序列化，获得目标发射信号的时间离散序列；步骤S3，根据目标发射信号的时间离散序列，获得平台的接收时间标签；步骤S4，通过接收时间标签的前后时间对比，完成信号混叠判断；步骤S5，产生信号，并根据信号混叠判断的判断结果进行信号混叠，生成TOA待测信号；步骤S6，通过将TOA待测信号送入TOA算法模块进行信号TOA测量。本发明其采用了时间标签的方式，极大的方便进行TOA误差的统计。

Description

基于离散时间驱动的信号TOA测量方法和装置
技术领域
本发明涉及多点定位技术领域，尤其是一种基于离散时间驱动的信号TOA测量方法和装置。
背景技术
多点定位技术属于利用电子设备辐射信号进行无源侦收定位的一种技术，该技术具备高精度、防信息欺骗的优点，逐步成为国内外研究的一个热点。评估多点定位关键技术比较经济有效方法是采用系统仿真的手段，而多点定位系统仿真考虑因素较多，不仅需考虑站间同步、时钟漂移、步站阵型、步站误差等因素的影响，而且涉及到关键技术中各种复杂算法的验证，其中信号TOA测量是多点定位关键技术中重要的一环，也是耗时最多的一个环节。如何提升整个多点定位系统的仿真速度是一个重点关注的问题。如果完成一次系统仿真动则几个小时或者几天，则直接影响着仿真的效率和评估的效能，目前系统仿真普遍采用做法是购置或者租赁更高配置的服务器，采用更多内核的CPU以及利用GPU等并行运算等硬件设施手段，但无疑会增加整个仿真系统的成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种基于离散时间驱动的信号TOA测量方法和装置。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于离散时间驱动的信号TOA测量方法，包括：
步骤S1、建立仿真场景；
步骤S2，在仿真场景中对目标发射信号的发射时间进行离散序列化，获得目标发射信号的时间离散序列；
步骤S3，根据目标发射信号的时间离散序列，获得平台的接收时间标签；
步骤S4，通过接收时间标签的前后时间对比，完成信号混叠判断；
步骤S5，产生信号，并根据信号混叠判断的判断结果进行信号混叠，生成TOA待测信号；
步骤S6，根据TOA待测信号进行信号TOA测量。
进一步地，步骤S1中建立的仿真场景的因素包括目标个数、目标轨迹、目标发射信号类型、目标发射信号的时间和平台位置。
进一步地，步骤S2中在仿真场景中对目标发射信号的发射时间进行离散序列化，获得目标发射信号的时间离散序列的方法为：(1)按照单个目标将目标发射信号的发射时间进行离散序列化，获得单个目标发射信号的时间离散序列；(2)在单个目标发射信号的时间离散序列的基础上，进行多个目标发射时间的叠加，形成所有目标统一的时间离散序列。
进一步地，步骤S3中根据目标发射信号的时间离散序列，获得平台的接收时间标签的方法为：根据目标发射信号的时间离散序列进行时间推进，每次推进一个时间点，通过目标发射时间点T、目标与平台之间传输时延ΔT，获得平台的接收时间标签Ref_T＝T+ΔT。
进一步地，步骤S4中通过接收时间标签的前后时间对比，完成信号混叠判断的判断结果包括：信号不混叠、信号中间部分混叠，信号中间全部混叠，信号前半部分混叠和信号后半部分混叠。
进一步地，步骤S5中产生信号，并根据信号混叠判断的判断结果进行信号混叠，生成TOA待测信号的方法为：
(1)生成检测信号和混叠信号，分别根据检测信号和混叠信号的类型和格式，生成调制信号，调制信号幅度按照目标与平台的路径距离进行衰减；
(2)生成信号保护间隔，信号保护间隔主要为了消除经过滤波等信号处理对检测信号幅度、有效长度的影响；
(3)根据信号混叠判断的判断结果进行信号混叠，进行信号混叠的同时引入接收机噪声，生成TOA待测信号。
进一步地，在TOA算法模块进行信号TOA测量时，在理想情况下计算理想TOA测量位置与信号的起始位置的固定偏差TOAoffset；然后将TOA测量结果减去固定偏差TOAoffset进行修正，使TOA测量结果TOAi与接收时间标签Ref_Ti统一对齐。
进一步地，对TOA算法模块进行信号TOA测量的误差统计为：TOA误差ΔTOA表示为：ΔTOA＝TOAi-Ref_Ti；
在信噪比较好的情况下，TOA测量结果TOAi与接收时间标签Ref_Ti相等，ΔTOA＝0；
在信噪比较差的情况下，通过TOA均方根误差评估公式进行信号TOA测量的误差统计；TOA均方根误差评估公式为：
Figure BDA0002036380100000031
其中，Ref_Ti为第i个接收时间标签，TOAi-Ref_Ti为第i次TOA测量的TOA误差，n为最大离散化时间的个数。
一种基于离散时间驱动的信号TOA测量装置，包括：
场景仿真模块，用于建立仿真场景；
时间离散化模块，用于在仿真场景中对目标发射信号的发射时间进行离散序列化，获得目标发射信号的时间离散序列；
时间标签生成模块，用于根据目标发射信号的时间离散序列，获得平台的接收时间标签；
信号判断模块，用于通过接收时间标签的前后时间对比，完成信号混叠判断；
TOA待测信号生成模块，用于根据信号混叠判断的判断结果，生成TOA待测信号；
TOA测量模块，用于根据TOA待测信号进行信号TOA测量。。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明利用了航空监视信号不会连续发送的特点，通过获得目标发射信号的时间离散序列，由时间离散序列驱动产生信号并进行信号合成，完成信号的识别、侦收、TOA测量功能，避免了对无信号时的长时间无效检测，有效提高整个仿真系统的仿真效率和运行速度。同时，其采用了时间标签的方式，极大的方便进行TOA误差的统计。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的信号TOA测量方法的流程框图。
图2为本发明的实施例建立的仿真场景示意图。
图3为本发明的实施例的时间离散序列示意图。
图4为本发明的实施例的信号混叠判断示意图。
图5为本发明的实施例的生成TOA待测信号示意图；
图6为本发明的实施例ADS_B信号基于接收时间标签的测量结果修正示意图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供的一种基于离散时间驱动的信号TOA测量方法，如图1所示，包括：
步骤S1、建立仿真场景；如图2所示的2个目标1个平台的仿真场景，建立的仿真场景的因素包括目标个数、目标轨迹、目标发射信号类型、目标发射信号的时间和平台位置。
步骤S2，在仿真场景中对目标发射信号的发射时间进行离散序列化，获得目标发射信号的时间离散序列；在仿真场景中，每个目标的发射信号时间可能是周期性的，也有可能是随机变化的，(1)按照单个目标将目标发射信号的发射时间进行离散序列化，获得单个目标发射信号的时间离散序列；(2)在单个目标发射信号的时间离散序列的基础上，进行多个目标发射时间的叠加，形成所有目标统一的时间离散序列。假设某段仿真时间一个目标平均有N次发射，那么M个目标就形成的一个一维共有M×N单元的时间离散序列，如图3所示。
步骤S3，根据目标发射信号的时间离散序列，获得平台的接收时间标签：根据目标发射信号的时间离散序列进行时间推进，每次推进一个时间点，通过目标发射时间点T、目标与平台之间传输时延ΔT，获得某一个目标某一个信号针对某一平台的接收时间标签Ref_T＝T+ΔT。
步骤S4，通过接收时间标签的前后时间对比，完成信号混叠判断：
本实施例的仿真场景有2个目标1个平台(多个目标和多个平台可以以此类推)，其中一个目标发射时间为T1，到达平台的延时为ΔT1，平台接收时间标签为Ref_T1，另一个目标发射时间T2，到达平台的延时为ΔT2，平台接收时间标签为Ref_T2，假设目前正在测量Ref_T1时刻信号，则可能出现如图4所示的5种情况：
情况1：Ref_T1远远大于或者远远小于Ref_T2，且Ref_T1与Ref_T2之间的时间间隔远大于一个信号的发射周期，信号不叠加；
情况2：Ref_T1小于Ref_T2，Ref_T2信号宽度小于Ref_T1信号宽度，Ref_T2信号在中间混叠部分Ref_T1信号；
情况3：Ref_T1大于Ref_T2，Ref_T2信号宽度大于Ref_T1信号宽度，Ref_T2信号在中间混叠整个Ref_T1信号；
情况4：Ref_T1大于Ref_T2，Ref_T2信号混叠了前半部分Ref_T1信号，信号前混叠；
情况5：Ref_T1小于Ref_T2，Ref_T2信号混叠了后半部分Ref_T1信号，信号后混叠；
步骤S5，产生信号，并根据信号混叠判断的判断结果进行信号混叠，生成TOA待测信号：
(1)生成检测信号和混叠信号，分别根据检测信号和混叠信号的类型和格式，生成调制信号，调制信号幅度按照目标与平台的路径距离进行衰减；
(2)生成信号保护间隔，信号保护间隔主要为了消除经过滤波等信号处理对检测信号幅度、有效长度的影响；
(3)根据信号混叠判断的判断结果进行信号混叠，进行信号混叠的同时引入接收机噪声，生成TOA待测信号，如图5所示。
步骤S6，通过将TOA待测信号送入TOA算法模块进行信号TOA测量。如图6所示，TOA实际测量的位置与信号的起始位置存在一个固定的偏差TOAoffset，在TOA算法模块进行信号TOA测量时，在理想情况下(无误差时)，可以计算理想TOA测量位置与信号的起始位置的固定偏差TOAoffset；然后将TOA测量结果加上固定偏差TOAoffset进行修正，使TOA测量结果TOAi与接收时间标签Ref_Ti统一对齐。由此，方便TOA算法模块进行信号TOA测量的误差统计：
TOA误差ΔTOA表示为：ΔTOA＝TOAi-Ref_Ti；
在信噪比较好的情况下，TOA测量结果TOAi与接收时间标签Ref_Ti相等，ΔTOA＝0；
在信噪比较差的情况下，通过TOA均方根误差评估公式进行信号TOA测量的误差统计；TOA均方根误差评估公式为：
Figure BDA0002036380100000071
其中，Ref_Ti为第i个接收时间标签，TOAi-Ref_Ti为第i次TOA测量的TOA误差，n为最大离散化时间的个数。
本实施例还提供一种基于离散时间驱动的信号TOA测量装置，包括：
场景仿真模块，用于建立仿真场景；
时间离散化模块，用于在仿真场景中对目标发射信号的发射时间进行离散序列化，获得目标发射信号的时间离散序列；
时间标签生成模块，用于根据目标发射信号的时间离散序列，获得平台的接收时间标签；
信号判断模块，用于通过接收时间标签的前后时间对比，完成信号混叠判断；
TOA待测信号生成模块，用于根据信号混叠判断的判断结果，生成TOA待测信号；
TOA算法模块，用于根据TOA待测信号进行信号TOA测量。
该信号TOA测量装置中的功能模块的运行过程已由上述基于离散时间驱动的信号TOA测量方法的流程描述进行了说明，在此不再赘述。
本发明利用了航空监视信号不会连续发送的特点，通过获得目标发射信号的时间离散序列，由时间离散序列驱动产生信号并进行信号合成，完成信号的识别、侦收、TOA测量功能，避免了对无信号时的长时间无效检测，有效提高整个仿真系统的仿真效率和运行速度。同时，其采用了时间标签的方式，极大的方便进行TOA误差的统计。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于离散时间驱动的信号TOA测量方法，其特征在于，包括：
步骤S1、建立仿真场景；
步骤S2，在仿真场景中对目标发射信号的发射时间进行离散序列化，获得目标发射信号的时间离散序列；
步骤S3，根据目标发射信号的时间离散序列，获得平台的接收时间标签；
步骤S4，通过接收时间标签的前后时间对比，完成信号混叠判断；
步骤S5，产生信号，并根据信号混叠判断的判断结果进行信号混叠，生成TOA待测信号；
步骤S6，通过将TOA待测信号送入TOA算法模块进行信号TOA测量；
步骤S5中产生信号，并根据信号混叠判断的判断结果进行信号混叠，生成TOA待测信号的方法为：
(1)生成检测信号和混叠信号，分别根据检测信号和混叠信号的类型和格式，生成调制信号，调制信号幅度按照目标与平台的路径距离进行衰减；
(2)生成信号保护间隔，信号保护间隔主要为了消除经过滤波信号处理对检测信号幅度、有效长度的影响；
(3)根据信号混叠判断的判断结果进行信号混叠，进行信号混叠的同时引入接收机噪声，生成TOA待测信号。
2.如权利要求1所述的基于离散时间驱动的信号TOA测量方法，其特征在于，步骤S1中建立的仿真场景的因素包括目标个数、目标轨迹、目标发射信号类型、目标发射信号的时间和平台位置。
3.如权利要求1所述的基于离散时间驱动的信号TOA测量方法，其特征在于，步骤S2中在仿真场景中对目标发射信号的发射时间进行离散序列化，获得目标发射信号的时间离散序列的方法为：(1)按照单个目标将目标发射信号的发射时间进行离散序列化，获得单个目标发射信号的时间离散序列；(2)在单个目标发射信号的时间离散序列的基础上，进行多个目标发射时间的叠加，形成所有目标统一的时间离散序列。
4.如权利要求1所述的基于离散时间驱动的信号TOA测量方法，其特征在于，步骤S3中根据目标发射信号的时间离散序列，获得平台的接收时间标签的方法为：根据目标发射信号的时间离散序列进行时间推进，每次推进一个时间点，通过目标发射时间点T、目标与平台之间传输时延ΔT，获得平台的接收时间标签Ref_T＝T+ΔT。
5.如权利要求1所述的基于离散时间驱动的信号TOA测量方法，其特征在于，步骤S4中通过接收时间标签的前后时间对比，完成信号混叠判断的判断结果包括：信号不混叠、信号中间部分混叠，信号中间全部混叠，信号前半部分混叠和信号后半部分混叠。
6.如权利要求1所述的基于离散时间驱动的信号TOA测量方法，其特征在于，在TOA算法模块进行信号TOA测量时，在理想情况下计算理想TOA测量位置与信号的起始位置的固定偏差TOAoffset；然后将TOA测量结果减去固定偏差TOAoffset进行修正，使TOA测量结果TOAi与接收时间标签Ref_Ti统一对齐。
7.如权利要求1所述的基于离散时间驱动的信号TOA测量方法，其特征在于，对TOA算法模块进行信号TOA测量的误差统计为：TOA误差ΔTOA表示为：ΔTOA＝TOAi-Ref_Ti；
在信噪比较好的情况下，TOA测量结果TOAi与接收时间标签Ref_Ti相等，ΔTOA＝0；
在信噪比较差的情况下，通过TOA均方根误差评估公式进行信号TOA测量的误差统计；TOA均方根误差评估公式为：
Figure FDA0003475392230000031
其中，Ref_Ti为第i个接收时间标签，TOAi-Ref_Ti为第i次TOA测量的TOA误差，n为最大离散化时间的个数。
8.一种基于离散时间驱动的信号TOA测量装置，其特征在于，包括：
场景仿真模块，用于建立仿真场景；
时间离散化模块，用于在仿真场景中对目标发射信号的发射时间进行离散序列化，获得目标发射信号的时间离散序列；
时间标签生成模块，用于根据目标发射信号的时间离散序列，获得平台的接收时间标签；
信号判断模块，用于通过接收时间标签的前后时间对比，完成信号混叠判断；
TOA待测信号生成模块，用于根据信号混叠判断的判断结果，生成TOA待测信号；生成TOA待测信号的方法为：
(1)生成检测信号和混叠信号，分别根据检测信号和混叠信号的类型和格式，生成调制信号，调制信号幅度按照目标与平台的路径距离进行衰减；
(2)生成信号保护间隔，信号保护间隔主要为了消除经过滤波信号处理对检测信号幅度、有效长度的影响；
(3)根据信号混叠判断的判断结果进行信号混叠，进行信号混叠的同时引入接收机噪声，生成TOA待测信号；
TOA测量模块，用于根据TOA待测信号进行信号TOA测量。
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