CN114325576B - 一种频谱混叠的协同时差估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线电定位技术领域，具体涉及一种频谱混叠的协同时差估计方法。本发明提出的一种频谱混叠的协同时差估计方法，通过2对1的协同处理(第二信号接收站和第三信号接收站相对于第一信号接收站)，可在三个信号接收站将接收到的信号频谱数据传输到信号处理中心之前先对各自的信号频谱数据进行混叠，将数据量减少了一半的情况下，同时估计两个信号接收站相对于另一个信号接收站的信号到达时差，从而达到利用频谱混叠降低时差估计所需的数据传输量的同时，利用三个信号接收站混叠后的频谱通过协同的方式确定第二信号接收站和第三信号接收站相对于第一信号接收站的时差的目的。

Description

一种频谱混叠的协同时差估计方法
技术领域
本发明属于无线电定位技术领域，具体涉及一种频谱混叠的协同时差估计方法。
背景技术
在无线电定位领域，与测向定位技术相比，时差定位是一种高精度的定位技术。在频域利用两个信号接收站各自接收到的信号频谱之间的相位差，通过频域相关处理确定相位差随频率变化的斜率，即可确定一个无线电信号传播到两个信号接收站的到达时差。在对两个信号接收站各自接收到的信号进行相关处理之前，需要将两个信号接收站各自接收到的信号传输到信号处理中心，因此，与测向定位技术相比，时差定位技术对数据通信带宽有较高的要求。
在实际应用场景中，一方面，由时差定位原理可知，更宽的频谱数据有利于获得更高精度的时差定位结果，另一方面，在通信带宽有限或单位时间可靠传输的频谱数据量受到限制的情况下，难以实时的将两个信号接收站各自接收到的信号频谱数据传输到信号处理中心。为此，需要发展一种适用于低速率数据传输链路的高精度时差估计方法。
由于时差定位需要3个以上的信号接收站，而常用的时差估计方法是通过一对一的相关处理估计两个信号接收站之间的信号到达时差，当两个信号接收站接收的信号出现频谱混叠时，两个信号接收站接收到的信号频谱之间的相位差随频率变化的关系不再是线性的，因此，通过一对一的相关处理确定时差估计的常用方法失效。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种频谱混叠的协同时差估计方法，对三个信号接收站协同进行两个时差估计的情况，三个信号接收站将接收到的信号频谱数据传输到信号处理中心之前先对各自的信号频谱数据进行混叠，然后将混叠后数据量减少了一半的信号频谱数据传输到信号处理中心，信号处理中心如何利用三个信号接收站传输过来的混叠后的频谱数据进行频谱混叠的协同时差估计，从而达到在利用更宽的频谱数据确定两个时差估计的同时，将所需要传输的频谱数据量减少一半的目的。
本发明的技术方案是：
一种频谱混叠的协同时差估计方法，包括以下步骤：
S1、设置第一信号接收站、第二信号接收站和第三信号接收站接收信号的混叠频点数为L，相邻频点间隔为δ，时差搜索间隔为σ，光速为c；定义第一信号接收站和第二信号接收站之间的距离为d12，时差搜索格点数为M＝2d12/(cσ)，第一信号接收站和第三信号接收站之间的距离为d13，时差搜索格点数为N＝2d13/(cσ)；第一信号接收站、第二信号接收站和第三信号接收站各自接收信号的2L维频谱向量的前L个元素分别和后L个元素相加，得到L维混叠频谱向量分别为x1、x2和x3；设置协同时差搜索格点(τ1m,τ2n)，其中τ1m为第二信号接收站相对于第一信号接收站的时差搜索值，τ1m＝-d12/c+(m-1)σ，m＝1,2,…,M，τ2n为第三信号接收站相对于第一信号接收站的时差搜索值，τ2n＝-d13/c+(n-1)σ，n＝1,2,…,N；
S2、由第一信号接收站的混叠频谱向量x1，得到第一测量向量q1为：
Figure BDA0003454729650000021
第二测量向量q2为：
Figure BDA0003454729650000022
其中，0L为L阶的零矩阵；
S3、由第二信号接收站和第三信号接收站的混叠频谱向量x2、x3和协同时差搜索格点(τ1m,τ2n)，确定第一协同时差搜索矩阵Q1(τ1m,τ2n)为：
Figure BDA0003454729650000031
第二协同时差搜索矩阵Q2(τ1m,τ2n)为：
Figure BDA0003454729650000032
其中，I为L阶单位矩阵，H表示矩阵的共轭转置，
Figure BDA0003454729650000033
Figure BDA0003454729650000034
Figure BDA0003454729650000035
Figure BDA0003454729650000036
S4、由第一测量向量q1和第一协同时差搜索矩阵Q1(τ1m,τ2n)，确定第一协同时差搜索向量h1(τ1m,τ2n)为：
Figure BDA0003454729650000037
其中
Figure BDA0003454729650000038
表示矩阵Q1的逆矩阵；
S5、由第二测量向量q2、第二协同时差搜索矩阵Q2(τ1m,τ2n)和第一协同时差搜索向量h1(τ1m,τ2n)，确定第二协同时差搜索向量h2(τ1m,τ2n)为：
h2(τ1m,τ2n)＝q2-Q2(τ1m,τ2n)h1(τ1m,τ2n)
从而得到频谱混叠的协同时差估计
Figure BDA0003454729650000039
为：
Figure BDA0003454729650000041
本发明的有益效果是：本发明提出的一种频谱混叠的协同时差估计方法，通过2对1的协同处理(第二信号接收站和第三信号接收站相对于第一信号接收站)，可在三个信号接收站将接收到的信号频谱数据传输到信号处理中心之前先对各自的信号频谱数据进行混叠，将数据量减少了一半的情况下，同时估计两个信号接收站相对于另一个信号接收站的信号到达时差，从而达到利用频谱混叠降低时差估计所需的数据传输量的同时，利用三个信号接收站混叠后的频谱通过协同的方式确定第二信号接收站和第三信号接收站相对于第一信号接收站的时差的目的。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的实用性进行说明。
本发明提出的一种频谱混叠的协同时差估计方法，首先设置信号接收站1、2和3接收信号的频点数，相邻频点间隔，时差搜索间隔，光速；信号接收站1、2之间的距离，时差搜索格点数，信号接收站1、3之间的距离，时差搜索格点数；信号接收站1、2和3接收信号的混叠频谱向量；信号接收站2相对于信号接收站1的时差搜索格点；信号接收站3相对于信号接收站1的时差搜索格点；然后由信号接收站1的混叠频谱向量，确定测量向量1和测量向量2；接着由信号接收站2、3的混叠频谱向量和协同时差搜索格点，确定协同时差搜索矩阵1和协同时差搜索矩阵2；其次由测量向量1和协同时差搜索矩阵1，确定协同时差搜索向量1；最后由测量向量2、协同时差搜索矩阵2和协同时差搜索向量1，确定协同时差搜索向量2，进而确定频谱混叠的协同时差估计。
实施例
在本例中，设置信号接收站1、2和3接收信号的频点数为L＝32，相邻频点间隔为δ＝5kHz，时差搜索间隔为σ＝20纳秒，光速为c＝3x108米/秒；信号接收站1、2之间的距离为d12＝2027.9米，时差搜索格点数为M＝2d12/(cσ)＝338，信号接收站1、3之间的距离为d13＝1947.7米，时差搜索格点数为N＝2d13/(cσ)＝325；信号接收站1、2和3各自接收信号的64维频谱向量的前32个元素分别和后32个元素相加，得到L维混叠频谱向量分别为x1、x2和x3；信号接收站2相对于信号接收站1的时差搜索值τ1m＝-d12/c+(m-1)σ，m＝1,2,…,338；信号接收站3相对于信号接收站1的时差搜索值τ2n＝-d13/c+(n-1)σ，n＝1,2,…,325；
信号接收站1、2、3的接收信号频点间隔5kHz，频点数等于32，信号接收站2、3相对于信号接收站1的时差分别为-1.6483微秒和1.7204微秒
在信号接收站1、2、3的接收信号信噪比分别为14.0dB、17.7dB和17.0dB的情况下，利用混叠前的频谱数据确定的信号接收站2、3相对于信号接收站1的时差估计分别为-1.6602微秒和1.7578微秒；而利用本发明方法确定的信号接收站2、3相对于信号接收站1的时差估计分别为-1.6437微秒和1.7454微秒。与实际时差相比，利用混叠前的频谱数据确定的信号接收站2、3相对于信号接收站1的时差估计误差分别为-11.9纳秒和37.4纳秒；利用本发明的一种频谱混叠的协同时差估计方法，确定的信号接收站2、3相对于信号接收站1的时差估计误差分别为4.6纳秒和24.9纳秒，达到了在频谱混叠下确定时差估计的目的。

Claims (1)

1.一种频谱混叠的协同时差估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、设置第一信号接收站、第二信号接收站和第三信号接收站接收信号的混叠频点数为L，相邻频点间隔为δ，时差搜索间隔为σ，光速为c；定义第一信号接收站和第二信号接收站之间的距离为d12，时差搜索格点数为M＝2d12/(cσ)，第一信号接收站和第三信号接收站之间的距离为d13，时差搜索格点数为N＝2d13/(cσ)；第一信号接收站、第二信号接收站和第三信号接收站各自接收信号的2L维频谱向量的前L个元素分别和后L个元素相加，得到L维混叠频谱向量分别为x1、x2和x3；设置协同时差搜索格点(τ1m,τ2n)，其中τ1m为第二信号接收站相对于第一信号接收站的时差搜索值，τ1m＝-d12/c+(m-1)σ，m＝1,2,…,M，τ2n为第三信号接收站相对于第一信号接收站的时差搜索值，τ2n＝-d13/c+(n-1)σ，n＝1,2,…,N；
S2、由第一信号接收站的混叠频谱向量x1，得到第一测量向量q1为：
Figure FDA0003454729640000011
第二测量向量q2为：
Figure FDA0003454729640000012
其中，0L为L阶的零矩阵；
S3、由第二信号接收站和第三信号接收站的混叠频谱向量x2、x3和协同时差搜索格点(τ1m,τ2n)，确定第一协同时差搜索矩阵Q1(τ1m,τ2n)为：
Figure FDA0003454729640000021
第二协同时差搜索矩阵Q2(τ1m,τ2n)为：
Figure FDA0003454729640000022
其中，I为L阶单位矩阵，H表示矩阵的共轭转置，
Figure FDA0003454729640000023
Figure FDA0003454729640000024
Figure FDA0003454729640000025
Figure FDA0003454729640000026
S4、由第一测量向量q1和第一协同时差搜索矩阵Q1(τ1m,τ2n)，确定第一协同时差搜索向量h1(τ1m,τ2n)为：
Figure FDA0003454729640000027
其中
Figure FDA0003454729640000029
表示矩阵Q1的逆矩阵；
S5、由第二测量向量q2、第二协同时差搜索矩阵Q2(τ1m,τ2n)和第一协同时差搜索向量h1(τ1m,τ2n)，确定第二协同时差搜索向量h2(τ1m,τ2n)为：
h2(τ1m,τ2n)＝q2-Q2(τ1m,τ2n)h1(τ1m,τ2n)
从而得到频谱混叠的协同时差估计
Figure FDA0003454729640000028
为：
Figure FDA0003454729640000031
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