專利名稱：一種存在頻率偏移的通信信號時差測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于輻射源無源定位領(lǐng)域、涉及時差測量技術(shù)，尤其涉及時差定位系統(tǒng)中存在頻率偏移的通信信號時差測量方法。
背景技術(shù)：
高精度的時差測量技術(shù)在雷達(dá)、聲納、衛(wèi)星和通信等系統(tǒng)的輻射源定位種具有重要的應(yīng)用價值。在時差定位系統(tǒng)中，任意兩個接收傳感器位于空間不同的位置，分別接收來自空間同一目標(biāo)輻射源經(jīng)過一定傳播時延的信號，其中一路接收信號可以看作是另一路接收信號的時延副本。經(jīng)典的到達(dá)時差(Time difference of arrival,TD0A)測量方法的主要思想是將一路接收信號的采樣序列相對于另一路接收信號的采樣序列按照不同的采樣點移位，利用互相關(guān)技術(shù)比較兩路信號的采樣序列之間的相似性，相似性最大的采樣點移 位量對應(yīng)著兩路信號時差的估計值。由于時差測量的基本原理是計算相關(guān)，因此要求兩路接收信號具有嚴(yán)格的時間同步和頻率同歩。它表現(xiàn)在一方面要求兩路接收信號的采樣序列的起始時刻同歩。異地信號采集起始時刻的同步可以全球定位系統(tǒng)(Globe positioning system, GPS)完成,在位于空間不同位置處的兩個接收傳感器中分別加入GPS設(shè)備，接收傳感器利用GPS衛(wèi)星提供的高精度時間標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行授時，其精度可以達(dá)到5ns以內(nèi)，可以滿足采樣序列的起始時刻同步的要求。另ー方面要求來自同一輻射源信號的兩路接收信號之間的頻率不能存在頻率差異。但實際上，來自同一輻射源信號的兩路接收信號之間的頻率往往存在差異，頻率偏移有時候達(dá)到幾百赫茲甚至上千赫茲。不同位置處的接收站與目標(biāo)輻射源之間的徑向相對運(yùn)動會引起多普勒效應(yīng)，在信號載波上附加不同的多普勒頻率偏移。此外，接收傳感器的晶體振蕩器個體差異，在超外差接收處理中也會引入不同的頻率偏移。針對不同位置處接收信號之間存在頻率偏移的通信信號時差估計問題，主要有兩類方法第一類方法主要采用相關(guān)原理測量時差。此時，接收信號之間存在的頻率偏移會使兩部接收傳感器輸出的離散時間序列之間的相關(guān)函數(shù)變?yōu)椹`個隨時間變化的量，兩路信號的時差測量值會偏離真實值，這種偏差在采樣時間或積累時間長的情況下尤為明顯。當(dāng)兩路接收信號的頻率偏差較大時，信號之間的相關(guān)函數(shù)序列甚至不會出現(xiàn)明顯的峰值，無法得到時差測量值。第二類方法則將未知的頻率偏移也作為ー個未知參數(shù)，采用ニ維相關(guān)方法(時域和頻域)進(jìn)行時差和頻率偏移的聯(lián)合估計。為了達(dá)到需要的精度，ニ維相關(guān)方法需要時域和頻率的ニ維計算與精細(xì)搜索，復(fù)雜度很高，難以實現(xiàn)。存在代價高、運(yùn)算量大、難以實現(xiàn)等缺點。目前，也有關(guān)于時差測量方面的專利。例如，申請?zhí)枮?00810085071的中國發(fā)明專利，名稱為“ー種TDOA的估計方法、系統(tǒng)和裝置”，它主要利用通信系統(tǒng)中正交頻分復(fù)用(OFDM)的前導(dǎo)符號定時檢測來獲取信號達(dá)到時刻，進(jìn)而實現(xiàn)時差測量。使用該方法和裝置的前提條件是獲取通信系統(tǒng)的OFDM信息，無法應(yīng)用到被動的無源探測定位系統(tǒng)中。申請?zhí)枮閁S2002/000754的美國發(fā)明專利(中國申請?zhí)枮?2814248. 9)，名稱為“在無線定位系統(tǒng)中估計TDOA和FDOA的改進(jìn)方法”，與經(jīng)典中的ニ維相關(guān)方法相比較，該發(fā)明的特點是將時差和頻偏的ニ維查找限制在那些排除所有其他可能值之后的最大可能范圍內(nèi)。此夕卜，申請?zhí)枮镃N101915928A的中國發(fā)明專利，名稱為“雙星時差/頻差聯(lián)合定位的方法及裝置”，該發(fā)明在時域和頻域的ニ維相關(guān)函數(shù)最大值搜索的基礎(chǔ)上，進(jìn)ー步通過Lagrange插值方法，獲得更為精細(xì)的時差值。這些方法雖然在一定程度上限制了查找搜索范圍，但是仍然屬于時域和頻域的ニ維搜索計算，計算量仍然很大，不能實現(xiàn)實時計算。此外，當(dāng)需要處理的信號持續(xù)時間比較長時，計算量急劇增加，仍然存在代價高、運(yùn)算量大、難以在線實現(xiàn)等缺點。綜上所述，現(xiàn)有方法有的無法適應(yīng)接收信號之間存在頻率偏移的情形，有的方法實現(xiàn)代價高和運(yùn)算量大，無法同時達(dá)到測量精度和運(yùn)算量的高要求，難以滿足時差定位系統(tǒng)的實際需求。為獲得高精度的時差測量，積累時間不能太短，提高計算效率，因此，需要發(fā)展ー種適用于存在頻率偏移的通信信號精度高、速度快的時差測量方法
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為實際中接收信號之間存在頻率偏移情形下的輻射源精確、快速時差定位提供ー種高精度、快速的通信信號時差測量方法。本發(fā)明的目的是這樣達(dá)到的ー種存在頻率偏移的通信信號時差測量方法，其特征在干根據(jù)兩個不同位置處接收信號的自相關(guān)函數(shù)的比值序列與時差參數(shù)無關(guān)這一特性，消除了頻率偏移與時差之間的耦合關(guān)系，將頻率偏移和時差ニ維參數(shù)估計問題變成兩個ー維參數(shù)估計問題，先通過兩路信號的自相關(guān)函數(shù)的比值序列測量頻率偏移的初估值和精估值，補(bǔ)償頻率偏移后，再利用兩路信號的互相關(guān)函數(shù)測量時差的初估值和精估值，獲得兩路接收信號存在頻率偏移情形下的通信信號時差測量值。其具體步驟是步驟a，根據(jù)接收信號的載波頻率、帶寬和采樣頻率，確定兩個不同位置處接收信號經(jīng)數(shù)字下變頻后的基帶信號；步驟b，確定兩個不同位置處接收信號的基帶信號的各自自相關(guān)函數(shù)；步驟C，確定兩個自相關(guān)函數(shù)比值的快速傅里葉變換(FFT)后的幅度最大值位置，對應(yīng)著頻率偏移初估值；步驟d，在頻率偏移初估值的鄰域內(nèi)確定兩個自相關(guān)函數(shù)比值的Chirp-z變換后的幅度最大值位置，對應(yīng)著頻率偏移精估值；步驟e，根據(jù)頻率偏移精估值，確定對第二路接收信號數(shù)字下變頻后基帶信號頻率補(bǔ)償后的信號；步驟f，確定第一路信號與第二路補(bǔ)償信號之間的互相關(guān)函數(shù)最大值對應(yīng)的位置，對應(yīng)著時差初估值；步驟g，在時差初估值的鄰域內(nèi)確互相關(guān)函數(shù)的頻譜經(jīng)Chirp-z逆變換后的最大值位置，對應(yīng)著時差精估值。所述根據(jù)接收信號的載波頻率、帶寬和采樣頻率，確定兩個不同位置處接收信號經(jīng)數(shù)字下變頻后的基帶信號序列為X1 (η)和χ2(η)，其中η = 0，1，…，Ν_1，Ν為采樣數(shù)據(jù)長度，基帶信號采樣率變成fs。所述確定兩個不同位置處接收信號的基帶信號的各自自相關(guān)函數(shù)rn(k)和r22(k)分別為
權(quán)利要求
1.ー種存在頻率偏移的通信信號時差測量方法，其特征在于根據(jù)兩個不同位置處接收信號的自相關(guān)函數(shù)的比值序列與時差參數(shù)無關(guān)這一特性，消除了頻率偏移與時差之間的耦合關(guān)系，將頻率偏移和時差ニ維參數(shù)估計問題變成兩個ー維參數(shù)估計問題，先通過兩路信號的自相關(guān)函數(shù)的比值序列測量頻率偏移的初估值和精估值，補(bǔ)償頻率偏移后，再利用兩路信號的互相關(guān)函數(shù)測量時差的初估值和精估值，獲得兩路接收信號存在頻率偏移情形下的通信信號時差測量值。其具體步驟是 步驟a，根據(jù)接收信號的載波頻率、帶寬和采樣頻率，確定兩個不同位置處接收信號經(jīng)數(shù)字下變頻后的基帶信號； 步驟b，確定兩個不同位置處接收信號的基帶信號的各自自相關(guān)函數(shù)； 步驟c，確定兩個自相關(guān)函數(shù)比值的快速傅里葉變換(FFT)后的幅度最大值位置，對應(yīng)著頻率偏移初估值； 步驟d，在頻率偏移初估值的鄰域內(nèi)確定兩個自相關(guān)函數(shù)比值的Chirp-z變換后的幅度最大值位置，對應(yīng)著頻率偏移精估值； 步驟e，根據(jù)頻率偏移精估值，確定對第二路接收信號數(shù)字下變頻后基帶信號頻率補(bǔ)償后的信號； 步驟f，確定第一路信號與第二路補(bǔ)償信號之間的互相關(guān)函數(shù)最大值對應(yīng)的位置，對應(yīng)著時差初估值； 步驟g，在時差初估值的鄰域內(nèi)確互相關(guān)函數(shù)的頻譜經(jīng)Chirp-z逆變換后的最大值位置，對應(yīng)著時差精估值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的存在頻率偏移的通信信號時差測量方法，其特征在于根據(jù)接收信號的載波頻率、帶寬和采樣頻率，確定兩個不同位置處接收信號經(jīng)數(shù)字下變頻后的基帶信號序列為xjn)和X2(n)，其中n = 0,1,…，N-l，N為采樣數(shù)據(jù)長度，基帶信號采樣率變成fs。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的存在頻率偏移的通信信號時差測量方法，其特征在于所述確定兩個不同位置處接收信號的基帶信號的各自自相關(guān)函數(shù)rn(k)和r22(k)分別為
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的存在頻率偏移的通信信號時差測量方法，其特征在于所述確定兩個自相關(guān)函數(shù)比值的快速傅里葉變換(FFT)
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的存在頻率偏移的通信信號時差測量方法，其特征在于所述在頻率偏移初估值fd(l的鄰域內(nèi)，確定兩個自相關(guān)函數(shù)比值的Chirp-z變換(CZT)
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的存在頻率偏移的通信信號時差測量方法，其特征在于所述根據(jù)頻率偏移精估值fd，確定對第二路接收信號數(shù)字下變頻后基帶信號頻率補(bǔ)償后的信號
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的存在頻率偏移的通信信號時差測量方法，其特征在于所述確定第一路信號與第二路補(bǔ)償信號之間的互相關(guān)函數(shù)r12(k)
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的存在頻率偏移的通信信號時差測量方法，其特征在于所述在時差初估值Tki的鄰域內(nèi)確定互相關(guān)函數(shù)的頻譜
全文摘要
存在頻率偏移的通信信號時差測量方法屬于輻射源無源定位領(lǐng)域。根據(jù)兩個不同位置處接收信號的自相關(guān)函數(shù)比值序列是頻率偏移參數(shù)的單諧波函數(shù)這一特性，將頻率偏移和時差二維參數(shù)估計問題變成兩個一維參數(shù)估計問題。包括確定兩個不同位置處接收的信號經(jīng)數(shù)字下變頻后的基帶信號及其各自自相關(guān)函數(shù)；通過自相關(guān)函數(shù)比值，進(jìn)行傅里葉變換得到頻率偏移初估值，進(jìn)行Chirp-Z變換得到精估值；確定對第二路基帶信號的頻率偏移補(bǔ)償；確定第一路信號與第二路補(bǔ)償信號的互相關(guān)函數(shù)，尋找最大值位置得到時差初估值，對互相關(guān)函數(shù)進(jìn)行Chirp-Z變換得到時差的精估值。本方法可對存在頻率偏移的通信信號進(jìn)行高精度快速的時差測量，廣泛應(yīng)用于通信輻射源信號無源定位系統(tǒng)。
文檔編號H04W24/08GK102857961SQ20121033902
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月14日
發(fā)明者魏合文, 葉尚福 申請人:中國人民解放軍總參謀部第五十七研究所