CN114660581A - 基于外信息辅助的异步突发信号测距方法 - Google Patents

基于外信息辅助的异步突发信号测距方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于外信息辅助的异步突发信号测距方法、装置、系统及存储介质，该方法包括第一测距节点向第二测距节点发送第一测量帧信号，接收第二测距节点根据第一测量帧信号反馈的第二测量帧信号，根据接收第一测量帧信号对应的外信息和接收第二测量帧信号对应的外信息，确定第一测距节点和第二测距节点的相对速度，最后利用第一测量帧信号、第二测量帧信号和相对速度，获得第一测距节点和第二测距节点的相对距离。本发明通过利用节点速度、加速度信息等外信息进行距离外推，减小同频时分双工系统中因节点的高动态特性而导致的测量系统误差，同时也解决了传统时分双工测量结果的非连续问题。

Description

基于外信息辅助的异步突发信号测距方法
技术领域
本发明涉及无线电测距技术领域，尤其涉及到一种基于外信息辅助的异步突发信号测距方法、装置、系统及存储介质。
背景技术
伪随机码测距系统不仅可以进行高精度测距，还具有抗截获、抗干扰、扩展频谱、码分多址的优点，但是传统的伪码测距法要想提高精度则必须减小码元宽度，使得占用带宽增加，捕码更加复杂，占用时间长。
在伪随机码测距系统中，如果采用连续波通信体制，一般可通过延迟锁定环计算到达时间(TOA)进行测距，环路的长时间积分与反馈机制可以极大地提高测量精度；如果采用猝发/突发通信体制，则可通过相关法计算TOA测距，但测距精度局限于一个采样点的时间分辨率，当采样速率受限于功耗、器件水平等因素时，不能获得高精度的计算结果。其改进方法：多相关值拟合法，可以通过增加相关器和拟合模块在一定程度上提高TOA计算精度,从而提高测距精度。
然而，当前伪随机码测距方法只适用于频分双工的通信系统，若应用于同频时分双工通信系统中时，由于节点间的相对运动，会导致测量值存在较大的系统误差。因此，如何提供一种适用于时分双工通信系统的伪随机码测距方法，是一个亟需解决的技术问题。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于外信息辅助的异步突发信号测距方法、装置、系统及存储介质，旨在解决目前伪随机码测距不适用于时分双工通信系统的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于外信息辅助的异步突发信号测距方法，用于第一测距节点，所述方法包括以下步骤：
向第二测距节点发送第一测量帧信号；其中，所述第一测量帧信号包括第一测量帧信号的发射时间；
接收所述第二测距节点根据所述第一测量帧信号反馈的第二测量帧信号，并确定接收第二测量帧信号的接收时间；其中，所述第二测量帧信号包括第一测量帧信号的接收时间、第二测量帧信号的发射时间以及接收第一测量帧信号的外信息；
基于接收第一测量帧信号对应的外信息和接收第二测量帧信号对应的外信息，确定第一测距节点和第二测距节点的相对速度；
根据所述第一测量帧信号的发射时间、第一测量帧信号的接收时间、第二测量帧信号的发射时间、第二测量帧信号的接收时间和相对速度，获得第一测距节点和第二测距节点的相对距离。
可选的，所述向第二测距节点发送第一测量帧信号步骤之前，所述方法还包括：
利用单向授时与双向延迟比对，对第一测距节点和第二测距节点进行时间校对。
可选的，所述确定接收第二测量帧信号的接收时间步骤，具体包括：
在接收到第二测量帧信号时，匹配直扩定频序列，以使第一测距节点和第二测距节点进行时间粗同步；
利用预置的跳频图案进行载波环路与码环路锁定，提取码环的相位信息，以获得接收第二测量帧信号的接收时间；所述第二测量帧信号的接收时间的表达式为：
TAR2＝TARL2+τARL2-NARL2×Tchip；
其中，TARL2为提取时间，τARL2为环码的相位信息，NARL2为当前时刻距离测量帧头的码片周期个数，Tchip为每个码片周期的时间。
可选的，所述外信息为多普勒频偏信息，所述确定第一测距节点和第二测距节点的相对速度的表达式为：
Figure BDA0003552970650000021
其中，fc为系统载频，fdoln-1为第二测距节点接收到第一测量帧信号后通过频率同步得到的多普勒频偏，fdoln为第一测距点接收到第二测量帧信号后通过频率同步得到的多普勒频偏。
可选的，所述获得第一测距节点和第二测距节点的相对距离的表达式为：
D(TBRn-1)＝[(TBRn-1-TATn-1)c+(TARn-TBTn)c+(TARn-TBRn-1)v]/2
D(TARn)＝[(TBRn-1-TATn-1)c+(TARn-TBTn)c-(TARn-TBRn-1)v]/2；
其中，TBRn-1为第一测量帧信号的接收时间，TATn-1为第一测量帧信号的发射时间，TARn为第二测量帧信号的接收时间，TBTn为第二测量帧信号的发射时间，D(TBRn-1)为接收第一测量帧信号时第一测距节点和第二测距节点的相对距离，D(TARn)为接收第二测量帧信号时第一测距节点和第二测距节点的相对距离。
可选的，所述确定第一测距节点和第二测距节点的相对速度步骤之后，所述方法还包括：通过捷联惯导获得径向加速度；所述获得第一测距节点和第二测距节点的相对距离的表达式为：
D(TBRn-1)＝[(TBRn-1-TATn-1)c+(TARn-TBTn)c+(TARn-TBRn-1)v+0.5a(TARn-TBRn-1)2]/2
D(TARn)＝[(TBRn-1-TATn-1)c+(TARn-TBTn)c-(TARn-TBRn-1)v-0.5a(TARn-TBRn-1)2]/2；
其中，TBRn-1为第一测量帧信号的接收时间，TATn-1为第一测量帧信号的发射时间，TARn为第二测量帧信号的接收时间，TBTn为第二测量帧信号的发射时间，D(TBRn-1)为接收第一测量帧信号时第一测距节点和第二测距节点的相对距离，D(TARn)为接收第二测量帧信号时第一测距节点和第二测距节点的相对距离，a为捷联惯导获得的径向加速度。
此外，为了实现上述目的，本发明还提供了一种基于外信息辅助的异步突发信号测距方法，用于第二测距节点，所述方法包括以下步骤：
接收第一测距节点发送的第一测量帧信号，并确定所述第一测量帧信号的接收时间；
利用所述第一测量帧信号的接收时间、第二测量帧信号的发射时间以及接收第一测量帧信号对应的外信息，构建第二测量帧信号；
将所述第二测量帧信号发送至第一测距节点，以使所述第一测距节点根据所述第二测量帧信号，获得第一测距节点和第二测距节点的相对距离。
可选的，所述利用所述第一测量帧信号的接收时间、第二测量帧信号的发射时间以及接收第一测量帧信号对应的外信息，构建第二测量帧信号步骤之后，所述方法还包括：
接收所述第一测距节点根据所述第二测量帧信号反馈的第三测量帧信号，并确定接收第三测量帧信号的接收时间；其中，所述第三测量帧信号包括第二测量帧信号的接收时间、第三测量帧信号的发射时间以及接收第二测量帧信号的外信息；
基于接收第二测量帧信号对应的外信息和接收第三测量帧信号对应的外信息，确定第一测距节点和第二测距节点的相对速度；
根据所述第二测量帧信号的发射时间、第二测量帧信号的接收时间、第三测量帧信号的发射时间、第三测量帧信号的接收时间和相对速度，获得第一测距节点和第二测距节点的相对距离。
可选的，所述获得第一测距节点和第二测距节点的相对距离的表达式为：
D(TBTn-1)＝[(TARn-1-TBTn-1)c+(TBRn-TATn)c+(TATn-TBTn-1)v]/2
D(TATn)＝[(TARn-1-TBTn-1)c+(TBRn-TATn)c-(TATn-TBTn-1)v]/2；
其中，TBTn-1为第二测量帧信号的接收时间，TARn-1为第二测量帧信号的发射时间，TBRn为第三测量帧信号的接收时间，TATn为第三测量帧信号的发射时间，D(TBTn-1)为接收第二测量帧信号时第一测距节点和第二测距节点的相对距离，D(TATn)为接收第三测量帧信号时第一测距节点和第二测距节点的相对距离。
可选的，所述确定第一测距节点和第二测距节点的相对速度步骤之后，所述方法还包括：通过捷联惯导获得径向加速度；所述获得第一测距节点和第二测距节点的相对距离的表达式为：
D(TBTn-1)＝
[(TARn-1-TBTn-1)c+(TBRn-TATn)c+(TATn-TBTn-1)v+0.5a(TATn-TBTn-1)2]/2
D(TATn)＝
[(TARn-1-TBTn-1)c+(TBRn-TATn)c-(TATn-TBTn-1)v-0.5a(TATn-TBTn-1)2]/2；
其中，TBTn-1为第二测量帧信号的接收时间，TARn-1为第二测量帧信号的发射时间，TBRn为第三测量帧信号的接收时间，TATn为第三测量帧信号的发射时间，D(TBTn-1)为接收第二测量帧信号时第一测距节点和第二测距节点的相对距离，D(TATn)为接收第三测量帧信号时第一测距节点和第二测距节点的相对距离，a为捷联惯导获得的径向加速度。
此外，为了实现上述目的，本发明还提供了一种基于外信息辅助的异步突发信号测距装置，用于第一测距节点，所述基于外信息辅助的异步突发信号测距装置包括：
第一发送模块，用于向第二测距节点发送第一测量帧信号；其中，所述第一测量帧信号包括第一测量帧信号的发射时间；
第一接收模块，用于接收所述第二测距节点根据所述第一测量帧信号反馈的第二测量帧信号，并确定接收第二测量帧信号的接收时间；其中，所述第二测量帧信号包括第一测量帧信号的接收时间、第二测量帧信号的发射时间以及接收第一测量帧信号的外信息；
确定模块，用于基于接收第一测量帧信号对应的外信息和接收第二测量帧信号对应的外信息，确定第一测距节点和第二测距节点的相对速度；
测距模块，用于根据所述第一测量帧信号的发射时间、第一测量帧信号的接收时间、第二测量帧信号的发射时间、第二测量帧信号的接收时间和相对速度，获得第一测距节点和第二测距节点的相对距离。
此外，为了实现上述目的，本发明还提供了一种基于外信息辅助的异步突发信号测距装置，用于第二测距节点，所述基于外信息辅助的异步突发信号测距装置包括：
第二接收模块，用于接收第一测距节点发送的第一测量帧信号，并确定所述第一测量帧信号的接收时间；
构建模块，用于利用所述第一测量帧信号的接收时间、第二测量帧信号的发射时间以及接收第一测量帧信号对应的外信息，构建第二测量帧信号；
第二发送模块，用于将所述第二测量帧信号发送至第一测距节点，以使所述第一测距节点根据所述第二测量帧信号，获得第一测距节点和第二测距节点的相对距离。
此外，为了实现上述目的，本发明还提供了一种基于外信息辅助的异步突发信号测距系统，所述系统包括：
如上所述的第一测距节点，所述第一测距节点包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的基于外信息辅助的异步突发信号测距程序，所述基于外信息辅助的异步突发信号测距程序被所述处理器执行时实现上述用于第一测距节点的基于外信息辅助的异步突发信号测距方法的步骤；
如上所述的第二测距节点，所述第二测距节点包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的基于外信息辅助的异步突发信号测距程序，所述基于外信息辅助的异步突发信号测距程序被所述处理器执行时实现上述用于第二测距节点的基于外信息辅助的异步突发信号测距方法的步骤。
此外，为了实现上述目的，本发明还提供了一种存储介质，所述存储介质上存储有基于外信息辅助的异步突发信号测距程序，所述基于外信息辅助的异步突发信号测距程序被处理器执行时实现上述用于第一测距节点的基于外信息辅助的异步突发信号测距方法的步骤。
此外，为了实现上述目的，本发明还提供了一种存储介质，所述存储介质上存储有基于外信息辅助的异步突发信号测距程序，所述基于外信息辅助的异步突发信号测距程序被处理器执行时实现上述用于第二测距节点的基于外信息辅助的异步突发信号测距方法的步骤。
本发明实施例提出的一种基于外信息辅助的异步突发信号测距方法、装置、系统及存储介质，该方法包括第一测距节点向第二测距节点发送第一测量帧信号，接收第二测距节点根据第一测量帧信号反馈的第二测量帧信号，根据接收第一测量帧信号对应的外信息和接收第二测量帧信号对应的外信息，确定第一测距节点和第二测距节点的相对速度，最后利用第一测量帧信号、第二测量帧信号和相对速度，获得第一测距节点和第二测距节点的相对距离。本发明通过利用节点速度、加速度信息等外信息进行距离外推，减小同频时分双工系统中因节点的高动态特性而导致的测量系统误差，同时也解决了传统时分双工测量结果的非连续问题。
附图说明
图1为本发明实施例中基于外信息辅助的异步突发信号测距系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中基于外信息辅助的异步突发信号测距设备的结构示意图；
图3为本发明基于外信息辅助的异步突发信号测距方法的第一实施例的流程示意图；
图4为本发明实施例中测量帧信号的结构原理图；
图5为本发明实施例中基于外信息辅助的异步突发信号测距的原理示意图；
图6为本发明基于外信息辅助的异步突发信号测距方法的第二实施例的流程示意图；
图7为本发明基于外信息辅助的异步突发信号测距装置第一实施例的结构框图；
图8为本发明基于外信息辅助的异步突发信号测距装置第二实施例的结构框图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
伪随机码测距系统不仅可以进行高精度测距，还具有抗截获、抗干扰、扩展频谱、码分多址的优点，但是传统的伪码测距法要想提高精度则必须减小码元宽度，使得占用带宽增加，捕码更加复杂，占用时间长。
在伪随机码测距系统中，如果采用连续波通信体制，一般可通过延迟锁定环计算到达时间(TOA)进行测距，环路的长时间积分与反馈机制可以极大地提高测量精度；如果采用猝发/突发通信体制，则可通过相关法计算TOA测距，但测距精度局限于一个采样点的时间分辨率，当采样速率受限于功耗、器件水平等因素时，不能获得高精度的计算结果。其改进方法：多相关值拟合法，可以通过增加相关器和拟合模块在一定程度上提高TOA计算精度,从而提高测距精度。
然而，当前伪随机码测距方法只适用于频分双工的通信系统，若应用于同频时分双工通信系统中时，由于节点间的相对运动，会导致测量值存在较大的系统误差。因此，如何提供一种适用于时分双工通信系统的伪随机码测距方法，是一个亟需解决的技术问题。
为了解决这一问题，提出本发明的基于外信息辅助的异步突发信号测距方法的各个实施例。本发明提供的基于外信息辅助的异步突发信号测距方法通过第一测距节点向第二测距节点发送第一测量帧信号，接收第二测距节点根据第一测量帧信号反馈的第二测量帧信号，根据接收第一测量帧信号对应的外信息和接收第二测量帧信号对应的外信息，确定第一测距节点和第二测距节点的相对速度，最后利用第一测量帧信号、第二测量帧信号和相对速度，获得第一测距节点和第二测距节点的相对距离。利用节点速度、加速度信息等外信息进行距离外推，减小同频时分双工系统中因节点的高动态特性而导致的测量系统误差，同时也解决了传统时分双工测量结果的非连续问题。
参照图1，图1为本发明实施例方案涉及的基于外信息辅助的异步突发信号测距系统，该系统包括第一测距节点和第二测距节点。
参照图2，图2为本发明实施例方案涉及的第一测距节点100和第二测距节点200的结构示意图。
第一测距节点100和第二测距节点200可以是设置于带测距运动体的移动电话、智能电话、笔记本电脑、数字广播接收器、个人数字助理(PDA)、平板电脑(PAD)等用户设备(User Equipment，UE)、手持设备、车载设备、可穿戴设备、计算设备或连接到无线调制解调器的其它处理设备、移动台(Mobile station，MS)等。设备可能被称为用户终端、便携式终端、台式终端等。
通常，第一测距节点100和第二测距节点200包括：至少一个处理器301、存储器302以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的基于外信息辅助的异步突发信号测距程序，所述基于外信息辅助的异步突发信号测距程序配置为实现如前所述的基于外信息辅助的异步突发信号测距方法的步骤。
处理器301可以包括一个或多个处理核心，比如4核心处理器、8核心处理器等。处理器301可以采用DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)、FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、PLA(Programmable Logic Array，可编程逻辑阵列)中的至少一种硬件形式来实现。处理器301也可以包括主处理器和协处理器，主处理器是用于对在唤醒状态下的数据进行处理的处理器，也称CPU(CentralProcessingUnit，中央处理器)；协处理器是用于对在待机状态下的数据进行处理的低功耗处理器。在一些实施例中，处理器301可以在集成有GPU(Graphics Processing Unit，图像处理器)，GPU用于负责显示屏所需要显示的内容的渲染和绘制。处理器301还可以包括AI(Artificial Intelligence，人工智能)处理器，该AI处理器用于处理有关基于外信息辅助的异步突发信号测距操作，使得基于外信息辅助的异步突发信号测距模型可以自主训练学习，提高效率和准确度。
存储器302可以包括一个或多个计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是非暂态的。存储器302还可包括高速随机存取存储器，以及非易失性存储器，比如一个或多个磁盘存储设备、闪存存储设备。在一些实施例中，存储器302中的非暂态的计算机可读存储介质用于存储至少一个指令，该至少一个指令用于被处理器301所执行以实现本申请中方法实施例提供的基于外信息辅助的异步突发信号测距方法。
在一些实施例中，终端还可选包括有：通信接口303和至少一个外围设备。处理器301、存储器302和通信接口303之间可以通过总线或信号线相连。各个外围设备可以通过总线、信号线或电路板与通信接口303相连。具体地，外围设备包括：射频电路304、显示屏305和电源306中的至少一种。
通信接口303可被用于将I/O(Input/Output，输入/输出)相关的至少一个外围设备连接到处理器301和存储器302。通信接口303通过外围设备用于接收用户上传的多个移动终端的移动轨迹以及其他数据。在一些实施例中，处理器301、存储器302和通信接口303被集成在同一芯片或电路板上；在一些其他实施例中，处理器301、存储器302和通信接口303中的任意一个或两个可以在单独的芯片或电路板上实现，本实施例对此不加以限定。
射频电路304用于接收和发射RF(Radio Frequency，射频)信号，也称电磁信号。射频电路304通过电磁信号与通信网络以及其他通信设备进行通信，从而可获取多个移动终端的移动轨迹以及其他数据。射频电路304将电信号转换为电磁信号进行发送，或者，将接收到的电磁信号转换为电信号。可选地，射频电路304包括：天线系统、RF收发器、一个或多个放大器、调谐器、振荡器、数字信号处理器、编解码芯片组、用户身份模块卡等等。射频电路304可以通过至少一种无线通信协议来与其它终端进行通信。该无线通信协议包括但不限于：城域网、各代移动通信网络(2G、3G、4G及5G)、无线局域网和/或WiFi(WirelessFidelity，无线保真)网络。在一些实施例中，射频电路304还可以包括NFC(Near FieldCommunication，近距离无线通信)有关的电路，本申请对此不加以限定。
显示屏305用于显示UI(User Interface，用户界面)。该UI可以包括图形、文本、图标、视频及其它们的任意组合。当显示屏305是触摸显示屏时，显示屏305还具有采集在显示屏305的表面或表面上方的触摸信号的能力。该触摸信号可以作为控制信号输入至处理器301进行处理。此时，显示屏305还可以用于提供虚拟按钮和/或虚拟键盘，也称软按钮和/或软键盘。在一些实施例中，显示屏305可以为一个，电子设备的前面板；在另一些实施例中，显示屏305可以为至少两个，分别设置在电子设备的不同表面或呈折叠设计；在再一些实施例中，显示屏305可以是柔性显示屏，设置在电子设备的弯曲表面上或折叠面上。甚至，显示屏305还可以设置成非矩形的不规则图形，也即异形屏。显示屏305可以采用LCD(LiquidCrystal Display，液晶显示屏)、OLED(Organic Light-Emitting Diode,有机发光二极管)等材质制备。
电源306用于为电子设备中的各个组件进行供电。电源306可以是交流电、直流电、一次性电池或可充电电池。当电源306包括可充电电池时，该可充电电池可以支持有线充电或无线充电。该可充电电池还可以用于支持快充技术。
本领域技术人员可以理解，图1中示出的结构并不构成对基于外信息辅助的异步突发信号测距设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
本发明实施例提供了一种基于外信息辅助的异步突发信号测距方法，参照图3，图3为本发明基于外信息辅助的异步突发信号测距方法的第一实施例的流程示意图。
本实施例中，所述基于外信息辅助的异步突发信号测距方法用于第一测距节点，包括以下步骤：
步骤S100，向第二测距节点发送第一测量帧信号；其中，所述第一测量帧信号包括第一测量帧信号的发射时间。
具体而言，在实际应用中，在向第二测距节点发送第一测量帧信号前，还需利用单向授时与双向延迟比对，对第一测距节点和第二测距节点进行时间校对，确保节点之间的时差已经缩小到亚微秒量级。
需要说明的是，如图4所示，第一测距节点向第二测距节点或第二测距节点向第一节点发送的测量帧信号通常由两部分组成，第一段为测量帧头，即采用直接序列扩频方式在固定频点上发射伪随机码；第二段为测量帧数据段，该数据段包括本节点帧发射时间、对方节点(第二测距节点)发射帧的本地接收时间以及节点外信息，其中，外信息主要指外测信息，也包括其他手段获取的待测距运动体的速度、加速度信息。本实施例中，第一测量帧信号仅包含第一测量帧信号的发射时间。
步骤S200，接收所述第二测距节点根据所述第一测量帧信号反馈的第二测量帧信号，并确定接收第二测量帧信号的接收时间；其中，所述第二测量帧信号包括第一测量帧信号的接收时间、第二测量帧信号的发射时间以及接收第一测量帧信号的外信息。
具体而言，在确定接收第二测量帧信号的接收时间时，可在接收到第二测量帧信号时，匹配直扩定频序列，以使第一测距节点和第二测距节点进行时间粗同步，利用预置的跳频图案进行载波环路与码环路锁定，提取码环的相位信息，以获得接收第二测量帧信号的接收时间。
进一步的，第二测量帧信号的接收时间的表达式为：
TAR2＝TARL2+τARL2-NARL2×Tchip；
其中，TARL2为提取时间，τARL2为环码的相位信息，NARL2为当前时刻距离测量帧头的码片周期个数，Tchip为每个码片周期的时间。同时，对承载信息的直扩跳频序列进行承载信息的解调，从解调信息中提取第二测距节点发射时间TBT2。
在另一实施例中，本方法不仅适用于适用于延迟锁定环路，还适用于非延迟锁定环路，即采取实时方法计算到达时刻，在非环路条件下，到达时间的精确计算方法大约比环路方法低一个数量级。此处，还可首先通过匹配直扩定频序列实现时间粗同步，然后用本地序列与本地跳频载波对粗同步后的跳频段进行解相关，对每一跳的数据进行相位补偿与搜索，找到积分峰值最大的补偿相位，换算出该相位对应时延即可。该方法虽然较环路方法精度低，但是相比现有方法，可以实现复杂度相当下，精度随跳频带宽的增加而提高。
步骤S300，基于接收第一测量帧信号对应的外信息和接收第二测量帧信号对应的外信息，确定第一测距节点和第二测距节点的相对速度。
具体而言，外信息为多普勒频偏信息，所述确定第一测距节点和第二测距节点的相对速度的表达式为：
Figure BDA0003552970650000121
其中，fc为系统载频，fdoln-1为第二测距节点接收到第一测量帧信号后通过频率同步得到的多普勒频偏，fdoln为第一测距点接收到第二测量帧信号后通过频率同步得到的多普勒频偏。
需要说明的是，在本实施例中，节点相对运动则速度方向为正，节点相向运动则速度方向为负。
步骤S400，根据所述第一测量帧信号的发射时间、第一测量帧信号的接收时间、第二测量帧信号的发射时间、第二测量帧信号的接收时间和相对速度，获得第一测距节点和第二测距节点的相对距离。
具体而言，获得第一测距节点和第二测距节点的相对距离的表达式为：
D(TBRn-1)＝[(TBRn-1-TATn-1)c+(TARn-TBTn)c+(TARn-TBRn-1)v]/2
D(TARn)＝[(TBRn-1-TATn-1)c+(TARn-TBTn)c-(TARn-TBRn-1)v]/2；
其中，TBRn-1为第一测量帧信号的接收时间，TATn-1为第一测量帧信号的发射时间，TARn为第二测量帧信号的接收时间，TBTn为第二测量帧信号的发射时间，D(TBRn-1)为接收第一测量帧信号时第一测距节点和第二测距节点的相对距离，D(TARn)为接收第二测量帧信号时第一测距节点和第二测距节点的相对距离。
另外，需要说明的是，确定第一测距节点和第二测距节点的相对速度步骤之后，还可通过捷联惯导获得径向加速度。
进而，获得第一测距节点和第二测距节点的相对距离的表达式为：
D(TBRn-1)＝[(TBRn-1-TATn-1)c+(TARn-TBTn)c+(TARn-TBRn-1)v+0.5a(TARn-TBRn-1)2]/2
D(TARn)＝[(TBRn-1-TATn-1)c+(TARn-TBTn)c-(TARn-TBRn-1)v-0.5a(TARn-TBRn-1)2]/2；
其中，TBRn-1为第一测量帧信号的接收时间，TATn-1为第一测量帧信号的发射时间，TARn为第二测量帧信号的接收时间，TBTn为第二测量帧信号的发射时间，D(TBRn-1)为接收第一测量帧信号时第一测距节点和第二测距节点的相对距离，D(TARn)为接收第二测量帧信号时第一测距节点和第二测距节点的相对距离，a为捷联惯导获得的径向加速度。
如图5所示，在第一测距节点进行相对距离的测量时，可重复上述步骤，进而通过第一测距节点和第二测距节点之间测量帧信号的发射与接收，实现对两者相对距离的持续测量与监测。
在时分双工系统中，如果仍然采用频分双工的测距方法，在节点的高动态条件下会带来较大的系统误差，本发明采用新的帧结构提出一种基于节点速度的测距方法，可以实现时分双工下的高精度测量；同时提出的距离外推方法使得系统测量连续性更好；本发明在测量帧信息中自带速度信息，可以不依赖于惯导进行距离外推，如果系统能够提供惯导信息，本发明也兼容基于惯导的距离外推方法，此时测量精度可以更高。
在本实施例中，通过利用节点速度、加速度信息等外信息进行距离外推，减小同频时分双工系统中因节点的高动态特性而导致的测量系统误差，同时也解决了传统时分双工测量结果的非连续问题。
为了便于理解，参阅图6，图6为本发明基于外信息辅助的异步突发信号测距方法的第二实施例的流程示意图。基于如图3所示的基于外信息辅助的异步突发信号测距方法的第一实施例，本实施例提出基于外信息辅助的异步突发信号测距方法的第二实施例，具体如下：
步骤S500，接收第一测距节点发送的第一测量帧信号，并确定所述第一测量帧信号的接收时间。
具体而言，本实施例中，第二测距节点在接收到第一测距节点之后，可采用上述实施例的匹配和提取方法，获得第一测量帧信号的接收时间。同时，对承载信息的直扩跳频序列进行承载信息的解调，从解调信息中提取第一测距节点的发射时间。
步骤S600，利用所述第一测量帧信号的接收时间、第二测量帧信号的发射时间以及接收第一测量帧信号对应的外信息，构建第二测量帧信号。
具体而言，在本实施例中，在第二测距节点完成解调后，可将计算得到的第一测量帧信号的接收时间、第二测量帧信号的发射时间以及接收的第一测量帧信号对应的外信息，调制到承载信息的字段，加上测量帧头后进行发射。
步骤S700，将所述第二测量帧信号发送至第一测距节点，以使所述第一测距节点根据所述第二测量帧信号，获得第一测距节点和第二测距节点的相对距离。
在本实施例中，将第二测量帧信号发送至第一测距节点之后，第一测距节点即可根据第二测量帧信号计算第一测距节点和第二测距节点的相对距离。
在另一实施例中，在将所述第二测量帧信号发送至第一测距节点，以使所述第一测距节点根据所述第二测量帧信号，获得第一测距节点和第二测距节点的相对距离之后，第二测距节点也可进行测距过程。具体过程如下：
接收所述第一测距节点根据所述第二测量帧信号反馈的第三测量帧信号，并确定接收第三测量帧信号的接收时间；其中，所述第三测量帧信号包括第二测量帧信号的接收时间、第三测量帧信号的发射时间以及接收第二测量帧信号的外信息；
基于接收第二测量帧信号对应的外信息和接收第三测量帧信号对应的外信息，确定第一测距节点和第二测距节点的相对速度；
根据所述第二测量帧信号的发射时间、第二测量帧信号的接收时间、第三测量帧信号的发射时间、第三测量帧信号的接收时间和相对速度，获得第一测距节点和第二测距节点的相对距离。
容易理解的，基于上述实施例中第一测距节点和第二测距节点的相对距离的计算原理，本实施例中，获得第一测距节点和第二测距节点的相对距离的表达式为：
D(TBTn-1)＝[(TARn-1-TBTn-1)c+(TBRn-TATn)c+(TATn-TBTn-1)v]/2
D(TATn)＝[(TARn-1-TBTn-1)c+(TBRn-TATn)c-(TATn-TBTn-1)v]/2；
其中，TBTn-1为第二测量帧信号的接收时间，TARn-1为第二测量帧信号的发射时间，TBRn为第三测量帧信号的接收时间，TATn为第三测量帧信号的发射时间，D(TBTn-1)为接收第二测量帧信号时第一测距节点和第二测距节点的相对距离，D(TATn)为接收第三测量帧信号时第一测距节点和第二测距节点的相对距离。
另外，需要说明的是，确定第一测距节点和第二测距节点的相对速度步骤之后，还可通过捷联惯导获得径向加速度。
进而，获得第一测距节点和第二测距节点的相对距离的表达式为：
D(TBTn-1)＝[(TARn-1-TBTn-1)c+(TBRn-TATn)c+(TATn-TBTn-1)v+0.5a(TATn-TBTn-1)2]/2
D(TATn)＝[(TARn-1-TBTn-1)c+(TBRn-TATn)c-(TATn-TBTn-1)v-0.5a(TATn-TBTn-1)2]/2；
其中，TBTn-1为第二测量帧信号的接收时间，TARn-1为第二测量帧信号的发射时间，TBRn为第三测量帧信号的接收时间，TATn为第三测量帧信号的发射时间，D(TBTn-1)为接收第二测量帧信号时第一测距节点和第二测距节点的相对距离，D(TATn)为接收第三测量帧信号时第一测距节点和第二测距节点的相对距离，a为捷联惯导获得的径向加速度。
同样的，如图5所示，在第一测距节点进行相对距离的测量时，可重复上述步骤，进而通过第一测距节点和第二测距节点之间测量帧信号的发射与接收，实现对两者相对距离的持续测量与监测。
本发明实施例还提供了一种基于外信息辅助的异步突发信号测距系统的测距实例，该实例包含第一测距节点和第二测距节点的测距实例过程。具体内容如下：
考虑无线网络节点中的第一测距节点和第二测距节点均为同频时分双工的通信系统，系统载频fc＝2GHz,扩频码周期Tchip＝1/1.024MHz，测量帧帧长为5ms。节点间的相对运动方向为正(距离越来越近)，相对运动速度v＝6km/s，加速度忽略不计。
以第一测距节点一次双向测距为例：
步骤1、通过单向授时与双向RTT比对完成第一阶段的时间比对与校正，确保节点之间的时差已经缩小到亚微秒量级。
步骤2、第一测距节点发起与第二测距节点的高精度测距任务：第一测距节点按节点自身本地时钟在TAT1＝0时刻(为了方便理解，假设在0时刻)发射测量帧信号，承载了本次发射时间信息TAT1与上一次的接收时间信息。
步骤3、第二测距节点收到A发送的测量帧后，首先通过匹配直扩定频序列实现时间粗同步，随后通过预置的跳频图案开始进行载波环路与码环路的锁定，锁定后在TBRL1＝12.73ms时刻提取出码环的相位信息τBRL1＝15/232，当前时刻距离测量帧头的码片周期个数为13，计算得到测量帧1的到达时间：
TBR1＝TBRL1+τBRL1-NBRL1×Tchip＝0.0347ms
同时，对承载信息的直扩跳频序列进行承载信息的解调，从解调信息中提取第一测距节点发射时间TAT1。
步骤4、第二测距节点完成解调后，将计算得到测量帧1的到达时间TBR1与测量应答帧2的发射时间TBT2＝20ms调制到承载信息的字段，加上测量帧头后进行发射。
步骤5、第一测距节点收到第二测距节点发送的测量应答帧2后，首先通过匹配直扩定频序列实现时间粗同步，随后通过预置的跳频图案开始进行载波环路与码环路的锁定，锁定后在TARL2＝32.74ms时刻提取出码环的相位信息τARL2＝19/232，当前时刻距离测量帧头的码片周期个数为13，计算得到测量帧2的到达时间：
TAR2＝TRRL2+τARL2-NARL2×Tchip＝20.0447ms
同时，对承载信息的直扩跳频序列进行承载信息的解调，从解调信息中提取第二测距节点发射时间TBT2。
步骤6、第一测距节点获取的多普勒频偏fdol1＝39.997MHz，fdol2＝39.995MHz，计算节点间径向相对速度：
Figure BDA0003552970650000161
步骤7、第一测距节点利用速度信息v计算在测量帧1到达第二测距节点时刻TBR1，两节点的距离：
D(TBR1)＝[(TBR1-TAT1)c+(TAR2-TBT2)c+(TAR2-TBR1)v]/2＝11967.46m。
步骤8、推算出ART2时刻的距离值为：
D(TAR2)＝[(TBR1-TAT1)c+(TAR2-TBT2)c-(TAR2-TBR1)v]/2＝11847.41m。
步骤9、第二测距节点采取与第一测距节点同样的测量方法，不断重复以上步骤，则实现同频时分双工系统中，任意测量时刻的节点距离。
在本实施例中，本发明提供一种新的帧结构，该结构可以实现时分双工下的高精度测量；同时，充分利用现有的测量系统，在外信息的辅助下，仅需要在传统测量系统基础上，新增外推算法结构，即可解决同频时分双工通信系统中因节点间相对运动而产生的系统误差，提高测量精度。既可用于无惯导系统也可用于有惯导系统，适用性强。还能可以有效解决同频时分双工通信系统中因时分体制造成的测量结果不连续问题，使得系统测量连续性更好。
参照图7，图7为本发明基于外信息辅助的异步突发信号测距装置第一实施例的结构框图。
如图7所示，本发明实施例提出的基于外信息辅助的异步突发信号测距装置包括：
第一发送模块10，用于向第二测距节点发送第一测量帧信号；其中，所述第一测量帧信号包括第一测量帧信号的发射时间；
第一接收模块20，用于接收所述第二测距节点根据所述第一测量帧信号反馈的第二测量帧信号，并确定接收第二测量帧信号的接收时间；其中，所述第二测量帧信号包括第一测量帧信号的接收时间、第二测量帧信号的发射时间以及接收第一测量帧信号的外信息；
确定模块30，用于基于接收第一测量帧信号对应的外信息和接收第二测量帧信号对应的外信息，确定第一测距节点和第二测距节点的相对速度；
测距模块40，用于根据所述第一测量帧信号的发射时间、第一测量帧信号的接收时间、第二测量帧信号的发射时间、第二测量帧信号的接收时间和相对速度，获得第一测距节点和第二测距节点的相对距离。
本发明基于外信息辅助的异步突发信号测距装置的其他实施例或具体实现方式可参照上述各方法实施例，此处不再赘述。
参照图8，图8为本发明基于外信息辅助的异步突发信号测距装置第一实施例的结构框图。
如图8所示，本发明实施例提出的基于外信息辅助的异步突发信号测距装置包括：
第二接收模块50，用于接收第一测距节点发送的第一测量帧信号，并确定所述第一测量帧信号的接收时间；
构建模块60，用于利用所述第一测量帧信号的接收时间、第二测量帧信号的发射时间以及接收第一测量帧信号对应的外信息，构建第二测量帧信号；
第二发送模块70，用于将所述第二测量帧信号发送至第一测距节点，以使所述第一测距节点根据所述第二测量帧信号，获得第一测距节点和第二测距节点的相对距离。
本发明基于外信息辅助的异步突发信号测距装置的其他实施例或具体实现方式可参照上述各方法实施例，此处不再赘述。
此外，本发明实施例还提出一种存储介质，所述存储介质上存储有基于外信息辅助的异步突发信号测距程序，所述基于外信息辅助的异步突发信号测距程序被处理器执行时实现如上文所述的基于外信息辅助的异步突发信号测距方法的步骤。因此，这里将不再进行赘述。另外，对采用相同方法的有益效果描述，也不再进行赘述。对于本申请所涉及的计算机可读存储介质实施例中未披露的技术细节，请参照本申请方法实施例的描述。确定为示例，程序指令可被部署为在一个计算设备上执行，或者在位于一个地点的多个计算设备上执行，又或者，在分布在多个地点且通过通信网络互连的多个计算设备上执行。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，上述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，上述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
另外需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，当然也可以通过专用硬件包括专用集成电路、专用CPU、专用存储器、专用元器件等来实现。一般情况下，凡由计算机程序完成的功能都可以很容易地用相应的硬件来实现，而且，用来实现同一功能的具体硬件结构也可以是多种多样的，例如模拟电路、数字电路或专用电路等。但是，对本发明而言更多情况下软件程序实现是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在可读取的存储介质中，如计算机的软盘、U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

Claims (10)

1.一种基于外信息辅助的异步突发信号测距方法，其特征在于，用于第一测距节点，所述方法包括以下步骤：
向第二测距节点发送第一测量帧信号；其中，所述第一测量帧信号包括第一测量帧信号的发射时间；
接收所述第二测距节点根据所述第一测量帧信号反馈的第二测量帧信号，并确定接收第二测量帧信号的接收时间；其中，所述第二测量帧信号包括第一测量帧信号的接收时间、第二测量帧信号的发射时间以及接收第一测量帧信号的外信息；
基于接收第一测量帧信号对应的外信息和接收第二测量帧信号对应的外信息，确定第一测距节点和第二测距节点的相对速度；
根据所述第一测量帧信号的发射时间、第一测量帧信号的接收时间、第二测量帧信号的发射时间、第二测量帧信号的接收时间和相对速度，获得第一测距节点和第二测距节点的相对距离。
2.如权利要求1所述的基于外信息辅助的异步突发信号测距方法，其特征在于，所述向第二测距节点发送第一测量帧信号步骤之前，所述方法还包括：
利用单向授时与双向延迟比对，对第一测距节点和第二测距节点进行时间校对。
3.如权利要求1所述的基于外信息辅助的异步突发信号测距方法，其特征在于，所述确定接收第二测量帧信号的接收时间步骤，具体包括：
在接收到第二测量帧信号时，匹配直扩定频序列，以使第一测距节点和第二测距节点进行时间粗同步；
利用预置的跳频图案进行载波环路与码环路锁定，提取码环的相位信息，以获得接收第二测量帧信号的接收时间；所述第二测量帧信号的接收时间的表达式为：
TAR2＝TARL2+τARL2-NARL2×Tchip；
其中，TARL2为提取时间，τARL2为环码的相位信息，NARL2为当前时刻距离测量帧头的码片周期个数，Tchip为每个码片周期的时间。
4.如权利要求3所述的基于外信息辅助的异步突发信号测距方法，其特征在于，所述外信息为多普勒频偏信息，所述确定第一测距节点和第二测距节点的相对速度的表达式为：
Figure FDA0003552970640000021
其中，fc为系统载频，fdoln-1为第二测距节点接收到第一测量帧信号后通过频率同步得到的多普勒频偏，fdoln为第一测距点接收到第二测量帧信号后通过频率同步得到的多普勒频偏。
5.如权利要求4所述的基于外信息辅助的异步突发信号测距方法，其特征在于，所述获得第一测距节点和第二测距节点的相对距离的表达式为：
D(TBRn-1)＝[(TBRn-1-TATn-1)c+(TARn-TBTn)c+(TARn-TBRn-1)v]/2
D(TARn)＝[(TBRn-1-TATn-1)c+(TARn-TBTn)c-(TARn-TBRn-1)v]/2；
其中，TBRn-1为第一测量帧信号的接收时间，TATn-1为第一测量帧信号的发射时间，TARn为第二测量帧信号的接收时间，TBTn为第二测量帧信号的发射时间，D(TBRn-1)为接收第一测量帧信号时第一测距节点和第二测距节点的相对距离，D(TARn)为接收第二测量帧信号时第一测距节点和第二测距节点的相对距离。
6.如权利要求4所述的基于外信息辅助的异步突发信号测距方法，其特征在于，所述确定第一测距节点和第二测距节点的相对速度步骤之后，所述方法还包括：通过捷联惯导获得径向加速度；所述获得第一测距节点和第二测距节点的相对距离的表达式为：
D(TBRn-1)＝
[(TBRn-1-TATn-1)c+(TARn-TBTn)c+(TARn-TBRn-1)v+0.5a(TARn-TBRn-1)2]/2
D(TARn)＝
[(TBRn-1-TATn-1)c+(TARn-TBTn)c-(TARn-TBRn-1)v-0.5a(TARn-TBRn-1)2]/2；
其中，TBRn-1为第一测量帧信号的接收时间，TATn-1为第一测量帧信号的发射时间，TARn为第二测量帧信号的接收时间，TBTn为第二测量帧信号的发射时间，D(TRRn-1)为接收第一测量帧信号时第一测距节点和第二测距节点的相对距离，D(TARn)为接收第二测量帧信号时第一测距节点和第二测距节点的相对距离，a为捷联惯导获得的径向加速度。
7.一种基于外信息辅助的异步突发信号测距方法，其特征在于，用于第二测距节点，所述方法包括以下步骤：
接收第一测距节点发送的第一测量帧信号，并确定所述第一测量帧信号的接收时间；
利用所述第一测量帧信号的接收时间、第二测量帧信号的发射时间以及接收第一测量帧信号对应的外信息，构建第二测量帧信号；
将所述第二测量帧信号发送至第一测距节点，以使所述第一测距节点根据所述第二测量帧信号，获得第一测距节点和第二测距节点的相对距离。
8.如权利要求7所述的基于外信息辅助的异步突发信号测距方法，其特征在于，所述利用所述第一测量帧信号的接收时间、第二测量帧信号的发射时间以及接收第一测量帧信号对应的外信息，构建第二测量帧信号步骤之后，所述方法还包括：
接收所述第一测距节点根据所述第二测量帧信号反馈的第三测量帧信号，并确定接收第三测量帧信号的接收时间；其中，所述第三测量帧信号包括第二测量帧信号的接收时间、第三测量帧信号的发射时间以及接收第二测量帧信号的外信息；
基于接收第二测量帧信号对应的外信息和接收第三测量帧信号对应的外信息，确定第一测距节点和第二测距节点的相对速度；
根据所述第二测量帧信号的发射时间、第二测量帧信号的接收时间、第三测量帧信号的发射时间、第三测量帧信号的接收时间和相对速度，获得第一测距节点和第二测距节点的相对距离。
9.如权利要求8所述的基于外信息辅助的异步突发信号测距方法，其特征在于，所述获得第一测距节点和第二测距节点的相对距离的表达式为：
D(TBTn-1)＝[(TARn-1-TBTn-1)c+(TBRn-TATn)c+(TATn-TBTn-1)v]/2
D(TATn)＝[(TARn-1-TBTn-1)c+(TBRn-TATn)c-(TATn-TBTn-1)v]/2；
其中，TBTn-1为第二测量帧信号的接收时间，TARn-1为第二测量帧信号的发射时间，TBRn为第三测量帧信号的接收时间，TATn为第三测量帧信号的发射时间，D(TBTn-1)为接收第二测量帧信号时第一测距节点和第二测距节点的相对距离，D(TATn)为接收第三测量帧信号时第一测距节点和第二测距节点的相对距离。
10.如权利要求8所述的基于外信息辅助的异步突发信号测距方法，其特征在于，所述确定第一测距节点和第二测距节点的相对速度步骤之后，所述方法还包括：通过捷联惯导获得径向加速度；所述获得第一测距节点和第二测距节点的相对距离的表达式为：
D(TBTn-1)＝
[(TARn-1-TBTn-1)c+(TBRn-TATn)c+(TATn-TBTn-1)v+0.5a(TATn-TBTn-1)2]/2
D(TATn)＝
[(TARn-1-TBTn-1)c+(TBRn-TATn)c-(TATn-TBTn-1)v-0.5a(TATn-TBTn-1)2]/2；
其中，TBTn-1为第二测量帧信号的接收时间，TARn-1为第二测量帧信号的发射时间，TBRn为第三测量帧信号的接收时间，TATn为第三测量帧信号的发射时间，D(TBTn-1)为接收第二测量帧信号时第一测距节点和第二测距节点的相对距离，D(TATn)为接收第三测量帧信号时第一测距节点和第二测距节点的相对距离，a为捷联惯导获得的径向加速度。
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