CN114355323A - 一种高精度短突发信号的测距方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高精度短突发信号的测距方法和装置，包括以下步骤：步骤1、中心站根据用户终端发送的入站信号，得到入站时刻；步骤2、中心站提取入站信号中的出站时间标志位，同时根据所述出站时间标志位，得到出站时刻；步骤3、中心站根据入站时刻与出站时刻，得到双向测量时延；步骤4、中心站根据双向测量时延，利用时差测量实现测。采用本发明的技术方案，对低载噪比条件下的短突发信号进行高精度测距，满足所需的测距精度。

Description

一种高精度短突发信号的测距方法和装置
技术领域
本发明属于卫星导航技术领域，尤其涉及一种高精度短突发信号的测距方法和装置。
背景技术
我国自主建设的北斗卫星导航定位系统兼具RDSS(Radio DeterminationSatellite Service,卫星无线电定位业务)和卫星无线电导航业务(Radio NavigationSatellite Service,RNSS)。RDSS是其中的重要组成部分，其工作原理为，主控站通过多颗GEO卫星向各类RDSS用户机广播出站信号，用户机通过GEO卫星向主控站发送入站信号。主控站接收入站信号后，进行信息解调、伪距计算和定位解算，然后再将定位结果返回给用户机。入站信号是典型的短突发信号，其高精度测距是影响地面段用户可获得的服务质量的主要因素。
针对导航信号的高灵敏度接收，高精度测距的通用方法是环路法，通过加长相关积分的长度，获得足够的载噪比以达到所需的测距精度。若信号是短突发信号，采用环路法一方面可能会限制积分时长，影响高精度测距，另一方面，收敛时间长，影响后续测量。为了满足短突发入站信号的高精度测距，需要探索新的测距方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高精度短突发信号的测距方法和装置，对低载噪比条件下的短突发信号进行高精度测距，满足所需的测距精度。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种高精度短突发信号的测距方法，包括以下步骤：
步骤1、中心站根据用户终端发送的入站信号，得到入站时刻；
步骤2、中心站提取入站信号中的出站时间标志位，同时根据所述出站时间标志位，得到出站时刻；
步骤3、中心站根据入站时刻与出站时刻，得到双向测量时延；
步骤4、中心站根据双向测量时延，利用时差测量实现测距。
作为优选，入站时刻计算如下：设周内秒为S、秒内采样点数为L，采样率为Fs，采样点内时延估计值为
Figure BDA0003468022610000021
则入站时刻为：
Figure BDA0003468022610000022
作为优选，步骤1中，采用基于多相关器的多项式拟合测量方式，通过多个相关器输出的相关值进行拟合处理，得到找相关值最大点处的时延估计值
Figure BDA0003468022610000023
作为优选，所述出站时刻计算如下：设接收到的信号的分帧号为N1，一个分帧的时间间隔为t分帧，则出站时刻为：t出站＝t分帧×N1；
所述双向时延计算为：t双向＝t入站-t出站。
作为优选，步骤2中，以每秒的分帧号作为出站时间标志位，当用户终端收到出站信号后，在预定一个分帧起始时刻发射入站信号，并将此时的分帧号作为出站时间标志位写入入站信息；中心站接收到入站信号后，将出站时间标志位提取出来，根据分帧号计算出站时刻。
本发明提供一种高精度短突发信号的测距装置，包括：周内秒计数器、秒内采样点计数器、采样点内时延值测量器、出站时刻计算器、双向时延计算器和测距模块；其中，
所述周内秒计数器、秒内采样点计数器，用于分别根据捕获的相位信息，将对应时刻的入站信号的周内秒计数、秒内采样点计数输出至双向时延计算器；
所述采样点内时延值测量器，用于测量入站信号以确定采样点内时延值，将所述采样点内时延值输出至双向时延计算器；
所述出站时刻计算器，用于锁存入站信号信息标识的分帧号，将所述分帧号转换为出站时刻，并将所述出站时刻输出至双向时延计算器；
所述双向时延计算器，用于根据周内秒计数、秒内采样点计数、采样点内时延值、出站时刻，得到双向时延；
测距模块，用于根据双向时延，利用时差测量实现测距，输出测距结果。
作为优选，所述周内秒计数器、秒内采样点计数器通过两个多位计数器实现，秒内采样点计数器以采样时钟驱动，记录一秒内的采样点，周内秒计数器以秒脉冲为驱动，记录一周内的秒数。
作为优选，采样点内时延值测量器由多相关器实现，根据伪码初相启动多相关器，对入站信号进行相关，并基于相关值进行多项式拟合，得到采样点内时延值。
作为优选，所述出站时刻计算器提取入站信号携带的出站分帧号，锁存帧计数值，按照帧周期转换为出站时刻。
本发明采用基于多相关器的多项式拟合测量的方法，通过多个相关器输出的相关值进行拟合处理，寻找相关值最大点处的时延值，提升测量精度。本发明可以在测距时间较短时能够实现高精度的测距，特别适用于接收信号是短突发体制，在无法应用一般环路方法的场合可以实现快速高精度估计信号伪码相位。
附图说明
图1是本发明提供的高精度短突发信号测距方法原理流程示意图；
图2是本发明提供的高精度短突发信号测距装置的原理结构示意图；
图3是本发明提供的高精度短突发信号测距装置中的采样点内时延值测量器原理结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
本发明实施例提供一种高精度短突发信号的测距方法，用户终端响应中心站出站信号，发射入站信号，入站信号信息层中加入出站时间标志位，中心站接收入站信号，测量入站时刻，并通过出站时间标志位计算出站时刻，根据入站时刻与出站时刻得到双向测量时延；根据双向测量时延，利用时差测量实现测距。具体包括以下步骤：
步骤1、入站时刻测量
入站信号到达中心站后，被本地时钟采样，得到到达时刻的周内秒、秒内采样点数，然后通过多相关器测量得到采样点内时延值，三个时延值组合，获取入站时刻。其中周内秒、秒内采样点数经过信号采样后确定，采样点内时延值通过多相关器测量得到，测量原理如下：
对输入的数字信号通过数字正交下变频器后同时送入N路相关器，相关器的本地码根据入站信号的捕获码相位生成，每个相关器间隔1/M个采样点，形成以捕获码相位为中心的超前/滞后本地码组；
各相关器的本地码组与输入信号相关输出相关值，构成输入信号的相关峰，然后伪码相位估计器根据相关峰，采用拟合算法，计算得到相关峰的峰值所在的时延值。
设输入扩频码为PN(t-τ)，本地0通道对应的扩频码为PN(t)，τ为输入信号与本地扩频码的时延差，即需要测量的时延差。超前的(N-1)/2个相关器的本地码分别表示为
Figure BDA0003468022610000051
滞后的(N-1)/2个相关器的本地码分别表示为
Figure BDA0003468022610000052
Ts为扩频码码片宽度，取值为；
对应各相关器的输出信号相关值为：
Figure BDA0003468022610000053
带宽受限条件下，扩频码PN(t)的自相关函数R(t)在弧顶附近将呈现半弧形形状，可采用二次函数进行逼近。
本发明采用多项式拟合的方法，进行高精度测距。
Figure BDA0003468022610000054
采用最小二乘法，求解相应的参数a、b、c，最小二乘法为公知常识，不再赘述。
输入信号与本地扩频码的时延差τ对应的相关值最大，因此，可以对相关值求导，确定时延值，对应的采样点内时延估计值为：
Figure BDA0003468022610000061
通过选择合适数量的相关器，可以达到所需的测量精度。
设周内秒为S、秒内采样点数为L，采样率为Fs，采样点内时延估计值为
Figure BDA0003468022610000062
则入站时刻为：
Figure BDA0003468022610000063
步骤2、出站时刻计算
以每秒的分帧号作为出站时间标志位，用户终端收到出站信号后，在某一个分帧起始时刻发射入站信号，并将此时的分帧号作为出站时间标志位写入入站信息。中心站接收到入站信号后，将出站时间标志位提取出来，根据分帧号计算出站时刻。
设接收到的信号的分帧号为N1，一个分帧的时间间隔为t分帧，则大数部分测量值可表示如下：
t出站＝t分帧×N1
步骤3、双向时延计算
根据计算的出站时刻，以及测量得到的入站时刻，相减得到双向时延。
综合出入站时刻测量结果，可计算信号的整个空间传播时延，表示如下：
t双向＝t入站-t出站
步骤4、实现测距
根据双向测量时延t双向，利用时差测量实现测距。
实施例2：
如图2所示，本发明还提供一种高精度短突发信号的测距装置包括：周内秒计数器、秒内采样点计数器、采样点内时延值测量器、出站时刻计算器、双向时延计算器和测距模块；其中，周内秒计数器、秒内采样点计数器根据捕获的相位信息，将对应时刻的入站信号的周内秒计数、秒内采样点计数输出至双向时延计算器；采样点内时延值测量器对入站信号进行高精度测量，确定采样点内时延，输出至双向时延计算器；出站时刻计算器锁存入站信号信息标识的分帧号，转换为出站时刻，输出至双向时延计算器；双向时延计算器根据输入的周内秒计数、秒内采样点计数、采样点内时延值、出站时刻计算得到双向时延；测距模块，用于根据双向时延，利用时差测量实现测距，输出测距结果。
作为本实施例的一种实施方式，周内秒计数器、秒内采样点计数器通过两个多位计数器实现，秒内采样点计数器以采样时钟驱动，记录一秒内的采样点，周内秒计数器以秒脉冲为驱动，记录一周内的秒数。
作为本实施例的一种实施方式，采样点内时延值测量器由多相关器实现，根据伪码初相，启动多相关器，对入站信号进行相关，并基于相关值进行多项式拟合，得到精确的时延估计值。采样点内时延值测量器具体实现原理下面将详细介绍。
作为本实施例的一种实施方式，出站时刻计算器提取入站信号携带的出站分帧号，锁存帧计数值，按照帧周期，转换为出站时刻。
作为本实施例的一种实施方式，双向时延计算器接收周内秒计数值、秒内采样点计数值、出站时刻、采样点内时延估计值，综合这几方面的信息，算出整个时延的值。
如图3所示，本发明的采样点内时延值测量器采用多相关器阵列的方法获取更精密的伪码相位信息，相关器规模为N个。
对输入的数字信号通过数字正交下变频器后同时送入N路相关器，相关器的本地码根据入站信号的捕获码相位生成，每个相关器间隔1/M个采样点，形成以捕获码相位为中心的超前/滞后本地码组；
各相关器的本地码组与输入信号相关输出相关值，构成输入信号的相关峰，然后伪码相位估计器根据相关峰，采用拟合算法，计算得到相关峰的峰值所在的时延值。
设输入扩频码为PN(t-τ)，本地0通道对应的扩频码为PN(t)，τ为输入信号与本地扩频码的时延差，即需要测量的时延差。超前的(N-1)/2个相关器的本地码分别表示为
Figure BDA0003468022610000081
滞后的(N-1)/2个相关器的本地码分别表示为
Figure BDA0003468022610000082
Ts为扩频码码片宽度，取值为；
对应各相关器的输出信号相关值为：
Figure BDA0003468022610000083
带宽受限条件下，扩频码PN(t)的自相关函数R(t)在弧顶附近将呈现半弧形形状，可采用二次函数进行逼近。
本发明采用多项式拟合的方法，进行高精度测距。
Figure BDA0003468022610000091
采用最小二乘法，求解相应的参数a、b、c，最小二乘法为公知常识，不再赘述。
输入信号与本地扩频码的时延差τ对应的相关值最大，因此，可以对相关值求导，确定时延值，对应的采样点内时延估计值为：
Figure BDA0003468022610000092
通过选择合适数量的相关器，可以达到所需的测量精度。
尽管上述实施例是针对直接序列扩频体制的短突发信号进行描述的，但不局限于该范畴，任何形式的短突发信号需要进行高精度测距均可采用本发明。
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 (9)

1.一种高精度短突发信号的测距方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、中心站根据用户终端发送的入站信号，得到入站时刻；
步骤2、中心站提取入站信号中的出站时间标志位，同时根据所述出站时间标志位，得到出站时刻；
步骤3、中心站根据入站时刻与出站时刻，得到双向测量时延；
步骤4、中心站根据双向测量时延，利用时差测量实现测距。
2.如权利要求1所述的高精度短突发信号的测距方法，其特征在于，入站时刻计算如下：设周内秒为S、秒内采样点数为L，采样率为Fs，采样点内时延估计值为
Figure FDA0003468022600000011
则入站时刻为：
Figure FDA0003468022600000012
3.如权利要求2所述的高精度短突发信号的测距方法，其特征在于，步骤1中，采用基于多相关器的多项式拟合测量方式，通过多个相关器输出的相关值进行拟合处理，得到找相关值最大点处的时延估计值
Figure FDA0003468022600000013
4.如权利要求2所述的高精度短突发信号的测距方法，其特征在于，所述出站时刻计算如下：设接收到的信号的分帧号为N1，一个分帧的时间间隔为t分帧，则出站时刻为：t出站＝t分帧×N1；
所述双向时延计算为：t双向＝t入站-t出站。
5.如权利要求4所述的高精度短突发信号的测距方法，其特征在于，步骤2中，以每秒的分帧号作为出站时间标志位，当用户终端收到出站信号后，在预定一个分帧起始时刻发射入站信号，并将此时的分帧号作为出站时间标志位写入入站信息；中心站接收到入站信号后，将出站时间标志位提取出来，根据分帧号计算出站时刻。
6.一种高精度短突发信号的测距装置，其特征在于，包括：周内秒计数器、秒内采样点计数器、采样点内时延值测量器、出站时刻计算器、双向时延计算器和测距模块；其中，
所述周内秒计数器、秒内采样点计数器，用于分别根据捕获的相位信息，将对应时刻的入站信号的周内秒计数、秒内采样点计数输出至双向时延计算器；
所述采样点内时延值测量器，用于测量入站信号以确定采样点内时延值，将所述采样点内时延值输出至双向时延计算器；
所述出站时刻计算器，用于锁存入站信号信息标识的分帧号，将所述分帧号转换为出站时刻，并将所述出站时刻输出至双向时延计算器；
所述双向时延计算器，用于根据周内秒计数、秒内采样点计数、采样点内时延值、出站时刻，得到双向时延；
测距模块，用于根据双向时延，利用时差测量实现测距，输出测距结果。
7.如权利要求6所述的高精度短突发信号的测距装置，其特征在于，所述周内秒计数器、秒内采样点计数器通过两个多位计数器实现，秒内采样点计数器以采样时钟驱动，记录一秒内的采样点，周内秒计数器以秒脉冲为驱动，记录一周内的秒数。
8.如权利要求6所述的高精度短突发信号的测距装置，其特征在于，采样点内时延值测量器由多相关器实现，根据伪码初相启动多相关器，对入站信号进行相关，并基于相关值进行多项式拟合，得到采样点内时延值。
9.如权利要求6所述的高精度短突发信号的测距装置，其特征在于，所述出站时刻计算器提取入站信号携带的出站分帧号，锁存帧计数值，按照帧周期转换为出站时刻。
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