CN116148893A - 适用于vdes r-模式的基于实时比特边缘检测的测距方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线导航领域，提出了适用于VDES R‑模式的基于实时比特边缘检测的测距方法及系统。该方法基于现有的船载VDES接收机，处理得到一段时间间隔内VDES信号的全息数据，并检测其载波信号的比特边缘，得到传输延时，获取定位信息。此方法无需对系统传输的信号进行改变，适用范围更广且实现复杂度较低。

Description

适用于VDES R-模式的基于实时比特边缘检测的测距方法及 系统
技术领域
本发明属于无线导航领域，涉及信号检测和陆基定位交叉应用学科，具体涉及一种适用于VDES R-模式的自适应实时比特边缘检测方法及系统。
背景技术
全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)是船舶导航所依赖的主要技术，然而GNSS存在其固有的脆弱性，每年都会发生多起由于GNSS故障而导致的航行安全事件。因此，为了保证航行安全，国际海事组织(International MaritimeOrganization，IMO)要求船舶必须装备天基和陆基双备份定位导航系统。
甚高频数据交换系统(VHF Data Exchange System，VDES)是新一代海上通信系统，在现有船舶自动识别系统(Automatic Identification System，AIS)功能的基础上，增加了特殊应用报文(Application Specific Message，ASM)和甚高频数据交换(VHF DataExchange，VDE)功能，因此，VDES包含三种信号形式，即AIS信号、ASM信号和VDE信号，利用VDES实现定位功能即VDES R-模式。VDES R-模式是IMO号召世界各成员国开展研究的陆基无线电导航系统之一，利用VDES实现定位可以充分利用现有的岸站设备，节省大量的基站建设费用。然而，VDES的本质是一个通信系统，若利用其实现定位，首先必须解决定位信息的识别、提取和测量这一关键技术问题。
已有的解决方法是对VDES重新进行信号设计，以获得一个可以提供测距信息的信号，但是这一方法仅适用于其中的ASM信号和VDE信号，AIS信号无法重新进行设计，因此这种方法的适用范围不够全面且实现复杂度较高；所以亟需一种适用范围更广且实现复杂度较低的解决方案。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种适用于VDES R-模式的基于实时比特边缘检测的测距方法及系统，基于现有的船载VDES接收机，处理得到一段时间间隔内VDES信号的全息数据，并检测其载波信号的比特边缘，得到传输延时，获取定位信息。此方法无需对系统传输的信号进行改变，适用范围更广且实现复杂度较低。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种适用于VDES R-模式的基于实时比特边缘检测的测距方法，包括步骤如下：
S1:移动接收机终端将接收到的VDES信号经过下变频模块和AD转换模块的处理后，输出VDES中频信号；所述VDES信号包含AIS信号、ASM信号和VDE信号；
气象传感器实时将气象数据输入传输损耗预测模块，所述传输损耗预测模块通过预测计算得到VDES信号的海面传输损耗L；
S2:将步骤S1中得到的VDES中频信号和VDES信号的海面传输损耗结果输入稀疏表示处理模块中，根据VDES信号的海面传输损耗L，对VDES中频信号进行自适应地选择稀疏表示方式，从而得到VDES信号的全息数据；
S3:将步骤S2得到VDES信号的全息数据输入比特边缘检测模块，所述比特边缘检测模块通过同步原子钟实现与岸站时间同步；
利用比特边缘检测模块得到VDES信号的比特边缘，将所述比特边缘对应的时间作为VDES信号的时间戳信息；
S4:将步骤S3获得的时间戳信息输入定位信息解算模块，根据TOA测量值计算得到定位信息，从而获得定位所需的测距值。
进一步地，步骤S3所述的比特边缘检测模块，用于检测VDES信号波形的过零点，将其对应于二进制序列的比特边缘，进而将二进制序列的比特边缘所对应的时间作为VDES信号的时间戳信息。
进一步地，步骤S1中，所述VDES信号的海面传输损耗L的预测计算，如公式(1)所示：
Figure SMS_1
其中，f是信号频率，Γ是反射系数，ht是发射天线的高度，hr是接收天线的高度，d是信号传播的水平距离，d1和d2分别是发射点到反射点的水平距离和接收点到反射点的水平距离，λ是信号的波长，R是地球半径。
进一步地，根据VDES工作在甚高频频段，所述反射系数Γ的选择规则为：当海面风速大于10m/s时，是粗糙海面的反射系数；当风速小于10m/s时，是光滑海面的反射系数。
进一步地，所述光滑海面的反射系数Γc由菲涅尔反射系数计算求出，如公式(2)所示：
Figure SMS_2
其中，εr是海水的相对介电常数，κ是海水的电导率，
Figure SMS_3
是信号的掠射角，λ是信号的波长；
所述粗糙海面的反射系数Γr的计算如公式(3)所示：
Γr＝Df×ρ×Γc (3)
其中，Df是由于地球曲率造成反射系数减小的扩散系数，ρ是海面粗糙度修正系数；
所述扩散系数Df的计算如公式(4)所示：
Figure SMS_4
所述海面粗糙度修正系数ρ的计算如公式(5)所示：
Figure SMS_5
其中，σ′h是海浪高度的修正标准差，
Figure SMS_6
U5是高于海平面5m处的风速，I0(x)是第一类零阶贝塞尔函数。
进一步地，步骤S2中，所述稀疏表示方式包括快速稀疏表示或者抗噪稀疏表示；其中，当传输损耗L超过设定的门限值时，使用抗噪稀疏表示，当传输损耗L小于门限值时，使用快速稀疏表示。
进一步地，步骤S2中，所述稀疏表示由字典学习和稀疏分解两部分组成：
所述字典学习采用K项奇异值分解法(K-Singular Value Decomposition，K-SVD)：
所述稀疏分解：当传输损耗小于门限值时，通过优化正交匹配追踪算法(Orthogonal Matching Pursuit，OMP)实现VDES中频信号快速稀疏表示；当传输损耗大于门限值时，通过将含噪信号分段处理的方法，实现VDES中频信号抗噪稀疏表示。
进一步地，所述优化正交匹配追踪算法具体为：
Figure SMS_7
其中εk为目标偏差，k为迭代计数，x是信号Y在完备字典D下的表示系数，G＝DTD，β＝DT(Y-Dxk)。
所述将含噪信号分段处理的方法，具体为：
Figure SMS_8
其中，Y代表去噪之后的输出信号，
Figure SMS_9
为稀疏表示系数，Ri是用来提取信号片段的矩阵，I为单位矩阵，λ是拉格朗日乘子，
Figure SMS_10
由下式得到：
Figure SMS_11
其中，Z为含噪的输入信号。
本发明还提供了一种适用于VDES R-模式的基于实时比特边缘检测的测距系统，包括下变频模块、AD转换模块、气象传感器、传输损耗预测模块、同步原子钟、稀疏表示处理模块、比特边缘检测模块、定位信息解算模块；
所述下变频模块，用于将移动接收机终端接收到的VDES信号处理后输入到AD转换模块；
所述AD转换模块，用于输出VDES中频信号；
所述气象传感器，用于实时将气象数据输入传输损耗预测模块；
所述传输损耗预测模块，用于根据气象数据，通过预测计算得到VDES信号的海面传输损耗L；
所述稀疏表示处理模块，用于根据VDES信号的海面传输损耗L，对所述AD转换模块输出的VDES中频信号进行自适应地选择稀疏表示方式，从而得到VDES信号的全息数据；
所述比特边缘检测模块，用于根据所述稀疏表示处理模块输出的VDES信号的全息数据，检测VDES信号的比特边缘，将所述比特边缘对应的时间作为VDES信号的时间戳信息；其原理是基于VDES电文是由一系列二进制序列表示的，而二进制序列的比特边缘可以很容易地被检测，所以将二进制序列比特边缘所对应的时间作为VDES信号的时间戳，而二进制序列可以等效为一组单位阶跃信号经过平移后交错累加的结果，同时由于VDES信号使用GMSK调制，因此VDES信号的高斯基带波形可以表示为高斯误差函数，进而高斯误差函数的幅值中值点为0，对应于二进制序列的比特边缘，因此，检测VDES信号波形的过零点即可对应获取时间戳信息。
所述同步原子钟，用于实现所述比特边缘检测模块与岸站时间同步；
所述定位信息解算模块，用于根据所述比特边缘检测模块输出的VDES信号的时间戳信息，运用TOA测量值计算得到定位信息，从而获得定位所需的测距值。
本发明的有益效果为提供了一种适用于VDES R-模式的测距方法，是响应国际海事组织号召的前沿课题，该方法同时适用于VDES的AIS信号、ASM信号和VDE信号，解决了现有技术中需要对VDES重新进行信号设计的高复杂度、适用范围不全面、以及实现成本高的技术问题，实测结果满足陆基备份定位系统精度要求。
附图说明
图1是本发明实施例的适用于VDES R-模式的基于实时比特边缘检测的测距系统的结构框图。
图2是本发明实施例的不同测试点解算出的距离及标准差。
具体实施方式
下面，基于适用于VDES R-模式的基于实时比特边缘检测的测距系统，结合具体实例对本发明技术方案做进一步说明。
实施例1：
通过与船载终端设备时间同步的VDES岸站系统发射VDES信号。
船载终端设备接收到的信号经过下变频模块和AD转换模块的处理后，变成VDES数字中频信号。
传输损耗预测模块同步对VDES信号的传输损耗进行预测计算：
计算VDES信号海面传输的传输损耗：
Figure SMS_12
其中，f是信号频率，Γ是反射系数，hΓ是发射天线的高度，hr是接收天线的高度，d是信号传播的水平距离，d1和d2分别是发射点到反射点的水平距离和接收点到反射点的水平距离，λ是信号的波长，R是地球半径。由上式可知，计算VDES信号海面传输损耗，要知道反射系数Γ，而反射系数Γ与海面条件有关。VDES工作在甚高频频段，在此频段下，可认为当海面风速大于10m/s时，是粗糙海面，当风速小于10m/s时，是光滑海面。
计算光滑海面条件下VDES信号的传输损耗：
光滑海面的反射系数由菲涅尔反射系数计算求出，表示为：
Figure SMS_13
其中，εr是海水的相对介电常数，κ是海水的电导率，
Figure SMS_14
是信号的掠射角。
计算粗糙海面条件下VDES信号的传输损耗：
粗糙海面的反射系数表示为：
Γr＝Df×ρ×Γc
其中，Γc是光滑海面的反射系数，Df是由于地球曲率造成反射系数减小的扩散系数，ρ是海面粗糙度修正系数。
扩散系数Df的计算公式为：
Figure SMS_15
海面粗糙度修正系数ρ表示为：
Figure SMS_16
其中，σ′h是海浪高度的修正标准差，I0(x)是第一类零阶贝塞尔函数。
σ′h由海面风速计算得到：
Figure SMS_17
其中，U5是高于海平面5m处的风速。
由上述公式得出，VDES信号的传输损耗与收发天线的海拔高度、水平传播距离、信号频率、以及海水温度、海水盐度和海面风速等气象因素有关，其中相关气象数据由气象传感器获取。
VDES数字中频信号进入VDES信号稀疏表示处理模块后，自适应地根据设定的传输损耗门限值进行判断，当传输损耗超过设定的门限值时，使用抗噪稀疏表示，当传输损耗小于门限值时，使用快速稀疏表示。
VDES信号稀疏表示由字典学习和稀疏分解两部分组成：
字典学习：
采用K项奇异值分解法(K-Singular Value Decomposition，K-SVD)进行字典学习，目标函数为：
Figure SMS_18
K-SVD字典学习算法的实现步骤如下：
①设置一个l2范数归一化的初始字典矩阵D(0)∈Rn×K，并设置迭代计数变量
j＝1；
②根据给定的字典Dj-1，利用任意稀疏分解算法得到对应的系数；
③逐列更新字典Dj-1，字典的列记为dk∈{d1,d2,…dK}。
稀疏分解：
当传输损耗小于门限值时，通过正交匹配追踪算法(Orthogonal MatchingPursuit，OMP)计算速度优化方法实现VDES中频信号快速稀疏表示：
Figure SMS_19
其中εk为目标偏差，k为迭代计数，x是信号Y在完备字典D下的表示系数，G＝DTD，β＝DT(Y-Dxk)。
当传输损耗大于门限值时，通过将含噪信号分段处理的方法，实现VDES信号抗噪稀疏表示：
Figure SMS_20
其中，Y代表去噪之后的信号(输出信号)，
Figure SMS_21
为稀疏表示系数，Ri是用来提取信号片段的矩阵，I为单位矩阵，λ是拉格朗日乘子，
Figure SMS_22
可由下式得到：
Figure SMS_23
其中，Z为含噪信号(输入信号)。
本实施例中采用的字典学习和稀疏分解的具体方法与大连海事大学博士学位论文——《AIS自主定位信息实时检测理论与关键技术研究》中采取的方法相同。
快速稀疏表示和抗噪稀疏表示所使用的字典学习算法相同，区别在于稀疏分解算法不同，两者都可以实现获取一段时间间隔内VDES信号的全息数据。
VDES信号的全息数据进入与岸站时间同步的比特边缘检测模块，时间同步功能由高精度同步原子钟实现。
实验例：船载终端接收VDES信号测量延时
船载终端置于船上，船舶在航程中选择了四个抛锚定位测试点接收来自某基站的信号，岸站发射的信号的电文长度设置为256比特。初始接收点距离老铁山基站15km；第二个接收点距离基站20km；第三个接收点距离基站25km；最后一个接收点距离基站30km；实际距离是根据经度和纬度的坐标计算得到，每个测试点定点进行1000次测试。
图2中，横坐标代表实验次数，纵坐标代表在四个测试点利用定位信息解算模块而解算出来的距离，可以看出，在第一个测试点经过1000次测试得到的距离的均值为15048m，标准差为47.63m；第二个测试点距离的均值为19973m，标准差为46.53m；第三个测试点距离的均值为24981m，标准差为45.45m；最后一个测试点距离的均值为30033m，标准差为45.87m。实测的结果说明测试得到的距离与实际距离的偏差非常小，对于电文长度为一个时隙的VDES岸站信号，可以准确的获取定位信息。
可能以许多方式来实现本公开的方法和系统。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本公开的方法和系统。用于方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本公开的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本公开实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本公开的方法的机器可读指令。因而，本公开还覆盖存储用于执行根据本公开的方法的程序的记录介质。本公开的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本公开限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本公开的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本公开从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种适用于VDES R-模式的基于实时比特边缘检测的测距方法，其特征在于，包括步骤如下：
S1:移动接收机终端将接收到的VDES信号经过下变频模块和AD转换模块的处理后，输出VDES中频信号；
气象传感器实时将气象数据输入传输损耗预测模块，所述传输损耗预测模块通过预测计算得到VDES信号的海面传输损耗L；
S2:将步骤S1中得到的VDES中频信号和VDES信号的海面传输损耗结果输入稀疏表示处理模块中，根据VDES信号的海面传输损耗L，对VDES中频信号进行自适应地选择稀疏表示方式，从而得到VDES信号的全息数据；
S3:将步骤S2得到VDES信号的全息数据输入比特边缘检测模块，所述比特边缘检测模块通过同步原子钟实现与岸站时间同步；
利用比特边缘检测模块得到VDES信号的比特边缘，将所述比特边缘对应的时间作为VDES信号的时间戳信息；
S4:将步骤S3获得的时间戳信息输入定位信息解算模块，根据TOA测量值计算得到定位信息，从而获得定位所需的测距值。
2.根据权利要求1所述的适用于VDES R-模式的自适应实时比特边缘检测方法，其特征在于，步骤S3所述的比特边缘检测模块，用于检测VDES信号波形的过零点，将其对应于二进制序列的比特边缘，进而将二进制序列的比特边缘所对应的时间作为VDES信号的时间戳信息。
3.根据权利要求1所述的适用于VDES R-模式的自适应实时比特边缘检测方法，其特征在于，步骤S1中，所述VDES信号的海面传输损耗L的预测计算，如公式(1)所示：
Figure QLYQS_1
其中，f是信号频率，Γ是反射系数，ht是发射天线的高度，hr是接收天线的高度，d是信号传播的水平距离，d1和d2分别是发射点到反射点的水平距离和接收点到反射点的水平距离，λ是信号的波长，R是地球半径。
4.根据权利要求3所述的适用于VDES R-模式的自适应实时比特边缘检测方法，其特征在于，根据VDES工作在甚高频频段，所述反射系数Γ的选择规则为：当海面风速大于10m/s时，是粗糙海面的反射系数；当风速小于10m/s
时，是光滑海面的反射系数。
5.根据权利要求4所述的适用于VDES R-模式的自适应实时比特边缘检测方法，其特征在于，所述光滑海面的反射系数Γc由菲涅尔反射系数计算求出，如公式(2)所示：
Figure QLYQS_2
其中，εr是海水的相对介电常数，κ是海水的电导率，
Figure QLYQS_3
是信号的掠射角，λ是信号的波长；
所述粗糙海面的反射系数Γr的计算如公式(3)所示：
Γr＝Df×ρ×Γc (3)
其中，Df是扩散系数，ρ是海面粗糙度修正系数；
所述扩散系数Df的计算如公式(4)所示：
Figure QLYQS_4
所述海面粗糙度修正系数ρ的计算如公式(5)所示：
Figure QLYQS_5
其中，σ′h是海浪高度的修正标准差，
Figure QLYQS_6
U5是高于海平面5m处的风速，I0(x)是第一类零阶贝塞尔函数。
6.根据权利要求1所述的适用于VDES R-模式的自适应实时比特边缘检测方法，其特征在于，步骤S2中，所述稀疏表示方式包括快速稀疏表示或者抗噪稀疏表示；其中，当传输损耗L超过设定的门限值时，使用抗噪稀疏表示，当传输损耗L小于门限值时，使用快速稀疏表示。
7.根据权利要求6所述的适用于VDES R-模式的自适应实时比特边缘检测方法，其特征在于，步骤S2中，所述稀疏表示由字典学习和稀疏分解两部分组成：
所述字典学习采用K项奇异值分解法：
所述稀疏分解：当传输损耗小于门限值时，通过优化正交匹配追踪算法实现VDES中频信号快速稀疏表示；当传输损耗大于门限值时，通过将含噪信号分段处理的方法，实现VDES中频信号抗噪稀疏表示。
8.根据权利要求7所述的适用于VDES R-模式的自适应实时比特边缘检测方法，其特征在于，所述优化正交匹配追踪算法具体为：
Figure QLYQS_7
其中εk为目标偏差，k为迭代计数，x是信号Y在完备字典D下的表示系数，G＝DTD，β＝DT(Y-Dxk)。
9.根据权利要求7所述的适用于VDES R-模式的自适应实时比特边缘检测方法，其特征在于，所述将含噪信号分段处理的方法，具体为：
Figure QLYQS_8
其中，Y代表去噪之后的输出信号，
Figure QLYQS_9
为稀疏表示系数，Ri是用来提取信号片段的矩阵，I为单位矩阵，λ是拉格朗日乘子，
Figure QLYQS_10
由下式得到：
Figure QLYQS_11
其中，Z为含噪的输入信号。
10.一种适用于VDES R-模式的基于实时比特边缘检测的测距系统，其特征在于，包括下变频模块、AD转换模块、气象传感器、传输损耗预测模块、同步原子钟、稀疏表示处理模块、比特边缘检测模块、定位信息解算模块；
所述下变频模块，用于将移动接收机终端接收到的VDES信号处理后输入到AD转换模块；
所述AD转换模块，用于输出VDES中频信号；
所述气象传感器，用于实时将气象数据输入传输损耗预测模块；
所述传输损耗预测模块，用于根据气象数据，通过预测计算得到VDES信号的海面传输损耗L；
所述稀疏表示处理模块，用于根据VDES信号的海面传输损耗L，对所述AD转换模块输出的VDES中频信号进行自适应地选择稀疏表示方式，从而得到VDES信号的全息数据；
所述比特边缘检测模块，用于根据所述稀疏表示处理模块输出的VDES信号的全息数据，检测VDES信号的比特边缘，将所述比特边缘对应的时间作为VDES信号的时间戳信息；
所述同步原子钟，用于实现所述比特边缘检测模块与岸站时间同步；
所述定位信息解算模块，用于根据所述比特边缘检测模块输出的VDES信号的时间戳信息，运用TOA测量值计算得到定位信息，从而获得定位所需的测距值。
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