CN112748395A - 一种基于dsp的时差数据匹配方法 - Google Patents

一种基于dsp的时差数据匹配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于DSP的时差数据匹配方法，属于电子侦查领域。该方法为：首先，当主、从站同步信号到达时，主、从站分别获得本站的同步信号数据和定位脉冲数据；其次，主站经由无线通信获得从站的同步信号数据和定位脉冲数据；其次，根据主站同步信号的到达时间修正从站同步信号到达时间和从站定位脉冲到达时间，消除高稳时钟的计时误差；其次，通过本次同步信号到达时间，处理主、从站定位脉冲的到达时间，使主、从站定位脉冲到达时间计时处于同一时间起点；其次，根据同步信号数据，插值计算出主、从站接收定位脉冲时刻的精确位置；最后，根据主、从站的脉冲数据以及主、从站最大通信距离，完成主从站的脉冲匹配，并计算匹配脉冲的时差。

Description

一种基于DSP的时差数据匹配方法
技术领域
本发明属于电子侦查领域，具体涉及一种基于DSP的时差数据匹配方法。
背景技术
时差定位是一种重要的无源定位方法，时差定位具有建模简单、定位精度高的优点，因此应用较为广泛。时差定位系统是利用多个已知位置的接收机接收某一个未知位置的辐射源信号的时差，来确定该辐射源的位置。因此，准确高效的匹配计算主从站时差数据至关重要。时差数据匹配常用的方法有两种：基于统一信号方式的时差匹配和基于统一时间的时差匹配，本专利采用基于统一时间的时差匹配方法。
统一信号方式，通常主从站之间的距离是固定的，各站位置坐标已知，主站中存在高稳时钟，从站没有时钟。各站同时接收辐射源信号，分别收到辐射源信号后，从站立即将信号发送到主站。主站接收到从站的信号，并分别测量各从站转发信号的到达时间，因为已知各站间距，且可以预先估计出信号从各从站转发的延时，所以可以匹配出辐射源信号到达各观测站的时间差，从而完成时差定位。
统一时间方式，该方法采用基于时间同步的时差匹配。这种方法中，主站和从站均设有高稳时钟，并且每个一段时间对一次时间(即产生同步信号)，因为可认为各站是高度时间同步的，拥有统一的时间基准。这样各站均可分别测量处理辐射源信号的到达时间，各站只需将信号到达时间信息传递给主站即可，对于固定主从站，其位置可以预先标注；对于运动主从站，在传递信号到达时间的同时还需要传递自身的导航位置，主站根据时间信息计算时间差并计算出辐射源的位置。
统一信号方式，时差匹配方法简单，但是使用场景单一，对场景的要求高；统一时间方式，可以在复杂场景中使用，使用方式灵活，但是时差数据匹配方法复杂，对高稳时钟的要求较高，主从站高稳时钟存在差异会导致时差数据的误差较大，对时差定位解算结果影响较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于DSP的时差数据匹配方法，解决现有时差匹配算法中对于应用场景单一、时差匹配复杂、时差误差大的问题，适合在工程实践中使用。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于DSP的时差数据匹配方法，步骤如下：
步骤1、主、从站分别查询本站的同步信号，当主站同步信号到达后，读取主站的同步信号数据和定位脉冲数据，其中同步信号数据包括同步信号的导航数据和同步信号到达时间，定位脉冲数据包括脉冲的到达时间、频率、脉宽，转入步骤2。
步骤2、通过无线通信接收三个从站的同步信号数据和定位脉冲数据，转入步骤3。
步骤3、重新对主站的脉冲到达时间进行处理，将本次主站同步信号到达时间Mtoa2作为时间起点，主站定位脉冲到达时间减去本次主站同步信号到达时间Mtoa2，转入步骤4。
步骤4、根据最近两次主站同步信号到达时间修正从站的同步信号到达时间和从站的定位脉冲到达时间，消除主、从站高稳时钟差异带来的计时误差，假设：
上次主站同步信号到达时间：Mtoa1
本次主站同步信号到达时间：Mtoa2
上次从站同步信号到达时间：Stoa1
本次从站同步信号到达时间：Stoa2
从站定位脉冲到达时间：PdwToa
修正比例：ppsk＝(Mtoa2-Mtoa1)/(Stoa2-Stoa1)
修正上次从站同步信号到达时间：Stoa1'＝ppsk×Stoa1
修正本次从站同步信号到达时间：Stoa2'＝ppsk×Stoa2
修正从站定位脉冲到达时间：PdwToa'＝ppsk×PdwToa
转入步骤5。
步骤5、重新对从站的脉冲到达时间进行处理：将修正的本次同步信号到达时间Stoa2'作为时间起点，修正的从站定位脉冲到达时间PdwToa'减去修正的本次从站同步信号到达时间Stoa2'，转入步骤6。
步骤6、根据上次主从站同步信号的到达时间与导航数据、本次主从站同步信号的到达时间和同步信号的导航数据，插值计算本次主从站每个定位脉冲的精确位置，假设
上次主从站同步信号到达时间：fToa1
上次主从站同步信号的导航数据：X1、Y1、Z1
本次主从站的同步信号到达时间：ftoa2
本次主从站的同步信号的导航数据：X2、Y2、Z2
所计算的脉冲到达时间：ftoa3
计算插值因子：fk＝(ftoa3-ftoa2)/(ftoa2-ftoa1)
插值计算主从站每个定位脉冲的精确位置：
X3＝(fk×(X2–X1)+X2)
Y3＝(fk×(Y2–Y1)+Y2)
Z3＝(fk×(Z2–Z1)+Z2)
转入步骤7。
步骤7、设定频率容差为10M，脉宽容差为1us，主从站最大通信距离为10KM，遍历主从站脉冲，主从站脉冲分别满足频率、脉宽在设定的容差范围内，且当时差<10KM/光速时，记录主从机脉冲时差、主从机的每个定位脉冲的精确位置，并作为匹配脉冲。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)时间复杂度低，实时性强，在工程应用中采用了主频为100M的DSP器件，可在5ms内给出128个脉冲时差数据匹配结果；
(2)算法空间复杂度低，占用内存空间少；
(3)对同步信号的高稳时钟精度要求相对较低；
(4)主、从站定位脉冲匹配精确度高。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于DSP的时差数据匹配方法流程图。
图2为实施例中本发明提出的方法计算出的时差匹配精度对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，本发明是一种基于DSP的时差数据匹配方法，是传统的统一时间方式的时差匹配方法的改进，继承了传统方法的可以在复杂坏境中使用、使用方式灵活的特点，并且计算复杂度远低于传统的时差匹配方法，将定位脉冲参数加以利用，脉冲匹配正确率也较高，具体的实施方法和效果见以下实例。
实例：
场景设置如下：主、从站以一定的速度运动，辐射源处于静止，主、从机高稳时钟为100M，同步信号周期为100ms，由于高稳时钟计时误差，主、从站同步信号周期略有差异。
各相关参数的取值如表1所示，根据本专利公开的一种基于DSP的时差数据匹配方法，其步骤具体如下：
表1 待定位辐射源参数
参数类型 取值
辐射源位置X 6349777(单位:m)
辐射源位置Y -55413(单位:m)
辐射源位置Z 596235(单位:m)
辐射源频率 8000MHz
辐射源脉宽 1us
辐射源重频 1ms
表2 主站同步信号数据
参数 取值
主站上次同步信号导航(X,Y,Z) 6563699,2045,365959(单位:m)
主站上次同步信号到达时间 1000(单位:10ns)
主站本次同步信号导航(X,Y,Z) 6561699,45,363959(单位:m)
主站本次同步信号到达时间 10001000(单位:10ns)
表3 主站定位脉冲参数取值范例
脉冲序号 频率(单位：MHZ) 脉宽(单位：10ns) 到达时间(单位：10ns)
1 8001 99 10002000
2 8003 100 10102000
3 8002 101 10202000
4 7998 99 10302000
5 7997 99 10402000
6 7999 98 10502000
7 8000 100 10602000
8 8005 101 10702000
9 8002 99 10802000
10 7996 100 10902000
表4 从站1同步信号数据
参数 取值
从站1上次同步信号导航(X,Y,Z) 6565560,4856,364668(单位:m)
从站1上次同步信号到达时间 10000(单位:10ns)
从站1本次同步信号导航(X,Y,Z) 6563560,2856,362668(单位:m)
从站1本次同步信号到达时间 10010003(单位:10ns)
表5 从机1定位脉冲参数取值范例
Figure BDA0002849303730000041
Figure BDA0002849303730000051
表6 从站2同步信号数据
参数 取值
从站2上次同步信号导航(X,Y,Z) 6565807,-764,365098(单位:m)
从站2上次同步信号到达时间 20000(单位:10ns)
从站2本次同步信号导航(X,Y,Z) 6563807,-2764,363098(单位:m)
从站2本次同步信号到达时间 10019998(单位:10ns)
表7 从机2定位脉冲参数取值范例
脉冲序号 频率(单位：MHZ) 脉宽(单位：10ns) 到达时间(单位：10ns)
1 8000 102 10021518
2 8002 103 10121518
3 8003 99 10221518
4 7996 97 10321518
5 7999 101 10421518
6 7998 102 10521518
7 8001 98 10621518
8 8000 99 10721518
9 8002 100 10821518
10 8000 101 10921518
表8 从站3同步信号数据
参数 取值
从站3上次同步信号导航(X,Y,Z) 6567084,2293,367322(单位:m)
从站3上次同步信号到达时间 30000(单位:10ns)
从站3本次同步信号导航(X,Y,Z) 6565084,293,365322(单位:m)
从站3本次同步信号到达时间 10030003(单位:10ns)
表9 从机3定位脉冲参数取值范例
脉冲序号 频率(单位：MHZ) 脉宽(单位：10ns) 到达时间(单位：10ns)
1 8003 102 10031439
2 8001 101 10131439
3 7999 99 10231439
4 7995 100 10331439
5 8002 98 10431439
6 8001 101 10531439
7 7998 102 10631439
8 7999 99 10731439
9 8000 100 10831439
10 8002 101 10931439
表10 容差设定取值范例
容差设定 取值
最大通信距离 10KM
频率容差 10MHZ
脉宽容差 100ns
包括以下步骤：
步骤1、主、从站分别查询本站的同步信号，当主站同步信号到达后，读取同步信号数据(包括同步信号的导航数据和同步信号到达时间)和定位脉冲数据(包括到达时间、频率、脉宽)，如表2和表3，转入步骤2；
步骤2、接收来自无线通信的三个从站的同步信号数据和定位脉冲数据，如表4-表9，转入步骤3；
步骤3、重新对主站的脉冲到达时间进行处理，将同步信号到达时间作为时间起点，主站定位脉冲到达时间减去同步信号到达时间，计算结果如表11，转入步骤4；
表11 处理完成的主机脉冲数据
脉冲序号 频率(单位：MHZ) 脉宽(单位：10ns) 到达时间(单位：10ns)
1 8001 99 1003
2 8003 100 101001
3 8002 101 201005
4 7998 99 301004
5 7997 99 401000
6 7999 98 501006
7 8000 100 601001
8 8005 101 701004
9 8002 99 801005
10 7996 100 901003
步骤4、根据最近两次主站同步信号到达时间修正从站同步信号到达时间和定位脉冲到达时间，消除主从站高稳时钟差异带来的计时误差，假设：
上次主站同步信号到达时间：Mtoa1
本次主站同步信号到达时间：Mtoa2
上次从站同步信号到达时间：Stoa1
本次从站同步信号到达时间：Stoa2
从站定位脉冲到达时间：PdwToa
修正比例：ppsk＝(Mtoa2-Mtoa1)/(Stoa2-Stoa1)
修正上次从站同步信号：Stoa1'＝ppsk*Stoa1
修正上次从站同步信号：Stoa2'＝ppsk*Stoa2
修正从站定位脉冲：PdwToa’＝ppsk*PdwToa
以从站1为例，修正结果如表12和表13，转入步骤5；
表12 修正完成的从站1同步信号数据
参数 取值
从站1上一周期同步信号导航(X,Y,Z) 6565560,4856,364668(单位:m)
从站1上一周期同步信号到达时间 10000(单位:10ns)
从站1当前周期同步信号导航(X,Y,Z) 6563560,2856,362668(单位:m)
从站1当前周期同步信号到达时间 10010003(单位:10ns)
表13 修正完成的从机1定位脉冲参数取值范例
脉冲序号 频率(单位：MHZ) 脉宽(单位：10ns) 到达时间(单位：10ns)
1 7999 100 10011891
2 7998 99 10111891
3 8003 101 10211891
4 8002 102 10311891
5 8000 98 10411891
6 7997 98 10511891
7 8001 100 10611891
8 7996 99 10711891
9 8002 102 10811891
10 8000 100 10911891
步骤5、重新对从站的脉冲到达时间进行处理，将修正的同步信号到达时间作为时间起点，修正的从站定位脉冲到达时间减去修正的从站同步信号到达时间，以从站1为例，计算结果如表14，转入步骤6。
表14 处理完成的从站1定位脉冲参数取值范例
脉冲序号 频率(单位：MHZ) 脉宽(单位：10ns) 到达时间(单位：10ns)
1 7999 100 1886
2 7998 99 101890
3 8003 101 201884
4 8002 102 301892
5 8000 98 401890
6 7997 98 501894
7 8001 100 601881
8 7996 99 701888
9 8002 102 801884
10 8000 100 901895
步骤6、根据上周期同步信号的到达时间和导航数据和本周期同步信号的到达时间和导航数据，插值计算当前周期主从站每个定位脉冲的精确位置，假设
上周期同步信号到达时间：fToa1
上周期同步信号的导航数据：X1、Y1、Z1
当前周期的同步信号到达时间：ftoa2
当前周期的同步信号的导航数据：X2、Y2、Z2
所计算的脉冲到达时间：ftoa3
计算插值因子：fk＝ftoa3/(ftoa2-ftoa1)
插值计算主从站每个脉冲的位置：
X3＝(fk*(X2–X1)+X2)
Y3＝(fk*(Y2–Y1)+Y2)
Z3＝(fk*(Z2–Z1)+Z2)
以主站为例，计算结果如表15，转入步骤7。
表15 主站脉冲导航数据
脉冲序号 X(单位：m) Y(单位：m) Z(单位：m)
1 6561698 45 363959
2 6561678 25 363939
3 6561658 5 363919
4 6561638 -15 363899
5 6561618 -35 363879
6 6561598 -55 363859
7 6561578 -75 363839
8 6561558 -95 363819
9 6561538 -115 363799
10 6561518 -135 363779
步骤7、遍历主从站脉冲，主从站脉冲分别满足频率、脉宽在设定的容差范围内，并且时差<主从站最大通信距离/光速时，记录主从机脉冲时差、主从机的脉冲导航数据，并作为匹配脉冲。
表16 匹配脉冲数据
Figure BDA0002849303730000081
Figure BDA0002849303730000091
根据表1的辐射源位置和表16的主、从站位置，可以计算出每个匹配脉冲的真实时差，和表16由本发明提出的方法计算出的时差对比如图2所示，精度比较高，已经满足定位算法对时差精度的要求。因此，通过本方法的主、从站的脉冲匹配精度较高，匹配计算过程计算量较小，适合在工程实践中使用。

Claims (1)

1.一种基于DSP的时差数据匹配方法，其特征在于：典型应用场景为一个主站和三个从站处于运动或者静止状态，对于静止目标进行定位，主、从站之间使用无线通信进行数据交互，无线通信距离10KM左右，并使用高稳时钟产生主、从站的同步信号和同步信号数据，同步信号数据包括同步信号到达时间和导航数据，主、从站接收到同步信号，开始接收外界的定位脉冲信号，具体步骤如下：
步骤1、主、从站分别查询本站的同步信号，当主站同步信号到达后，读取主站的同步信号数据和定位脉冲数据，其中同步信号数据包括同步信号的导航数据和同步信号到达时间，定位脉冲数据包括脉冲的到达时间、频率、脉宽，转入步骤2；
步骤2、通过无线通信接收三个从站的同步信号数据和定位脉冲数据，转入步骤3；
步骤3、重新对主站的脉冲到达时间进行处理，将本次主站同步信号到达时间Mtoa2作为时间起点，主站定位脉冲到达时间减去本次主站同步信号到达时间Mtoa2，转入步骤4；
步骤4、根据最近两次主站同步信号到达时间修正从站的同步信号到达时间和从站的定位脉冲到达时间，消除主、从站高稳时钟差异带来的计时误差，假设：
上次主站同步信号到达时间：Mtoa1
本次主站同步信号到达时间：Mtoa2
上次从站同步信号到达时间：Stoa1
本次从站同步信号到达时间：Stoa2
从站定位脉冲到达时间：PdwToa
修正比例：ppsk＝(Mtoa2-Mtoa1)/(Stoa2-Stoa1)
修正上次从站同步信号到达时间：Stoa1'＝ppsk×Stoa1
修正本次从站同步信号到达时间：Stoa2'＝ppsk×Stoa2
修正从站定位脉冲到达时间：PdwToa'＝ppsk×PdwToa
转入步骤5；
步骤5、重新对从站的脉冲到达时间进行处理：将修正的本次同步信号到达时间Stoa2'作为时间起点，修正的从站定位脉冲到达时间PdwToa'减去修正的本次从站同步信号到达时间Stoa2'，转入步骤6；
步骤6、根据上次主从站同步信号的到达时间与导航数据、本次主从站同步信号的到达时间和同步信号的导航数据，插值计算本次主从站每个定位脉冲的精确位置，假设
上次主从站同步信号到达时间：fToa1
上次主从站同步信号的导航数据：X1、Y1、Z1
本次主从站的同步信号到达时间：ftoa2
本次主从站的同步信号的导航数据：X2、Y2、Z2
所计算的脉冲到达时间：ftoa3
计算插值因子：fk＝(ftoa3-ftoa2)/(ftoa2-ftoa1)
插值计算主从站每个定位脉冲的精确位置：
X3＝(fk×(X2–X1)+X2)
Y3＝(fk×(Y2–Y1)+Y2)
Z3＝(fk×(Z2–Z1)+Z2)
转入步骤7；
步骤7、设定频率容差为10M，脉宽容差为1us，主从站最大通信距离为10KM，遍历主从站脉冲，主从站脉冲分别满足频率、脉宽在设定的容差范围内，且当时差<10KM/光速时，记录主从机脉冲时差、主从机的每个定位脉冲的精确位置，并作为匹配脉冲。
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