基于msk扩频调制模式的相参伪码测距方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于MSK扩频调制模式的相参伪码测距方法，涉及通信【技术领域】，该方法基于MSK扩频调制解调，将信号的基带测距伪码嵌入到通信信息码中，在接收端测距，在整个过程采用两次粗测距和一次精测距的方式来进行测距，同时还在码元同步过程中采用新的滤波方式。本发明的有益效果在于：在不增加通信信道带宽，不改变原有的信息速率、扩频码元速率和MSK调制模式的情况下，将测距帧嵌在信息帧中，简便快速实现长距离和高精度测距。由于系统工作在扩频调制的模式下，具有较强的抗干扰能力和抗捕获能力。通过在码元同步方法中采用了改进型的滤波方法来减小位同步脉冲的相位偏离过大的问题，同时缩短相位调整时间。
【专利说明】基于MSK扩频调制模式的相参伪码测距方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及通信【技术领域】，特别是一种基于MSK扩频调制模式的相参伪码测距方法。
【背景技术】
[0002]传统的无线电测距方法主要有:伪码测距、连续波测距、调频测距、脉冲测距和多音相位测距。
[0003]在传统的测距方法中，到达时间法应用很广泛，通过测量电波到达天线的时延来估计距离。因为电波在空气中的传播速度是恒定的，因此只要获得时延值，就可以得到测量距离。
[0004]测距系统采用测距机和应答机，测距机发射当测距机发射的测距信号经过发射通道传输，空间传输，应答机响应，接收通道接收回应答机的应答信号，应答信号与测距信号虽然内容完全一致，但是两者已经出现了时间差，通过时间差来测算距离。测距机接收应答机返回的应答帧，同样完成载波同步，码元同步，解扩，解调，完成应答帧信息提取。
[0005]伪码测距具有很强的抗干扰能力，良好的低截获特性，受到广泛关注。影响伪码测距精度的因素有:伪随机码的码片宽度，跟踪伪码相位的准确度以及突发测距的时间。伪码测距受到处理芯片采样率、码片长度、信号带宽的限制，若采样率提高会大大增加硬件成本，若选用的扩频码过长，会增加信号计算的难度和延长信息处理时间，若提高码片速率则需要增加信号带宽，因此，在传统的方法中，不能做到既长距离又高精度的测距。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于:为了解决现有技术存在的问题，提供一种不增加带宽、不改变原信息速率、扩频码元速率基于MSK扩频调制模式的相参伪码测距方法实现长距离高精度的测量。
[0007]为了实现上述目的，基于MSK扩频调制模式的相参伪码测距方法，包括以下步骤，
[0008]步骤一、测距机将基带测距伪码与通信信息码一起组帧打包成为测距帧；
[0009]步骤二、测距帧信号通过扩频码扩频，MSK调制，测距机完成测距帧的发送；
[0010]步骤三、应答机接收到测距帧后完成载波跟踪、MSK解调、解扩、码元同步，提取测距帧信息，同时根据码元同步的相位锁定过程提取测距帧的同步时钟，完成时钟再生；
[0011]步骤四、应答机应用再生的时钟发送应答帧，应答帧的内容与测距帧的内容一致，发送的应答帧通过扩频码扩频、MSK调制，完成应答帧的发送；
[0012]步骤五、测距机接收应答机返回的应答帧，完成载波跟踪、MSK解调、解扩、码元同步，提取应答帧信息，完成接收再生时钟；
[0013]步骤六、根据步骤五接收到的信息与步骤一组帧前的信息进行相位比对，计算距离差。
[0014]优选地，步骤一中的基带测距伪码嵌在通信信息码之后，基带测距伪码前后都有保护位。
[0015]优选地，MSK调制采用预编码正交调制方式，MSK解调采用正交解调方法。
[0016]优选地，正交解调方法包括以下步骤:
[0017]步骤一、中频信号经过数字正交下变频模块；
[0018]步骤二、正交信号分别经过低通滤波器，形成I路、Q路基带信号；
[0019]步骤三、根据I路、Q路基带信号计算出信号的瞬时相位与频差，完成解调。
[0020]优选地，上述步骤六计算距离差过程包括以下步骤，
[0021]步骤一、解调出的基带伪码与本地基带伪码匹配滤波，通过匹配相关计算出相关峰相对于测距帧的相关峰的延迟计数，计算出码片整周期的伪码延迟值的Tl，完成第一次粗测量。
[0022]步骤二、通过码元同步，判决出每个扩频码片的最佳采样点，通过最佳采样点采样判决出扩频码，与本地扩频码匹配相关，通过匹配相关计算出相关峰相对于发射的测距帧的相关峰的延迟计数，计算出码片整周期的伪码延迟值T2，完成第二次粗测量。
[0023]步骤三、通过码元同步锁相计算出测距机接收的应答帧扩频码相位相对于测距机发送的测距帧的扩频码相位的延迟值T3，完成精测量。
[0024]步骤四、根据L=l/(T1+T2+T3-Tdly)计算出实际距离值，其中Tdly为整个信号在物理信道中传输的延迟值和信号处理时延。
[0025]优选地，其中步骤三和步骤五所述的码元同步中包括滤波方法，所述滤波方法包括以下步骤:
[0026]步骤一、检测到连续的超前或滞后脉冲时，随机徘徊滤波器工作；
[0027]步骤二、当继续检测到连续的超前或滞后脉冲时，调整脉冲直接通过两个与门输出；
[0028]步骤三、检测到零星的随机出现的超前或滞后脉冲时，脉冲使触发器置零，关闭两个与门。
[0029]本发明的有益效果:在不增加通信信道带宽，不改变原有的信息速率、扩频码元速率和MSK调制模式的情况下，将测距帧嵌在信息帧中，简便快速实现长距离和高精度测距。由于系统工作在扩频调制的模式下，具有较强的抗干扰能力和抗捕获能力。通过在码元同步方法中采用了改进型的滤波方法来减小位同步脉冲的相位偏离过大的问题，同时缩短相位调整时间。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]下面结合【专利附图】
【附图说明】对本发明作进一步说明。
[0031]图1为本发明中测距帧的组成结构图。
[0032]图2为本发明测距原理框图。
[0033]图3为计算距离差的过程示意图。
[0034]图4为MSK正交调制框图。
[0035]图5为MSK正交解调框图。
[0036]图6随机徘徊滤波器的原理图。
[0037]图7为改进型随机徘徊滤波器原理图。[0038]图8为码元同步原理框图。
[0039]图9为测距机和应答机相同部分的原理图。
【具体实施方式】
[0040]下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。
[0041]实施例:基于MSK(二进制频移键控)扩频调制模式的相参伪码测距方法，是在FPGA中实现的，信号进行MSK扩频调制后进行两次粗测距和一次精测距相结合来实现。
[0042]为了实现测距帧测距和信息通信的通道复用，将测距帧嵌在数据帧之后，其前后都有保护位，这样的组帧结构可以在不改变信号传输速率、调制方式、带宽等的情况下，完成测距。测距帧的组成如图1所示。在系统组网方案中，根据需要，考虑其截短基带测距伪码长度或者多次循环基带测距伪码的方案，也可以在此基础上稍做修改，便可以完成更远距离的测距。
[0043]测距原理如图2所示:在接收端测距，采用两次粗测距与一次精测距结合的方法实现测距，具体步骤如下:
[0044]( I )、测距机将基带测距伪码与通信信息码一起组帧打包组成测距帧；
[0045](2)、测距帧信号通过扩频码扩频，MSK调制，测距机完成测距帧的发送；
[0046](3)、应答机接收到测距帧完成载波跟踪，MSK解调，解扩，码元同步，完成测距帧信息的提取，同时根据码元同步的相位锁定过程提取测距帧的同步时钟，完成时钟再生；
[0047](4)、应答机应用再生的时钟发送应答帧，应答帧的内容与测距帧的内容完全一致。发送应答帧通过扩频码扩频、MSK调制，扩频和MSK调制方式与步骤(2)中的扩频、调制方式完全相同；
[0048](5)、测距机接收应答机返回的应答帧，完成载波跟踪，MSK解调，解扩，码元同步，完成应答帧信息提取，其过程和步骤(3) —样；
[0049](6)、根据步骤(5)得到的信息与步骤(I)组帧前的信息进行相位比对，计算距离差。
[0050]其中步骤(6)中的计算距离差的过程分为4步，如图3所示:
[0051](I)、解调出的基带伪码与本地基带伪码匹配滤波，通过匹配相关计算出相关峰相对于测距帧的相关峰的延迟计数，便可以求出码片整周期的伪码延迟值的Tl，完成第一次粗测量。
[0052](2)、通过码元同步，可以判决出每个扩频码片的最佳采样点，通过最佳采样点采样判决出扩频码，与本地扩频码匹配相关，通过匹配相关计算出相关峰相对于发射的测距帧的相关峰的延迟计数，便可以求出码片整周期的伪码延迟值T2，完成第二次粗测量。
[0053](3)、最后通过码元同步锁相计算出测距机接收的应答帧扩频码相位相对于测距机发送的测距帧的扩频码相位的延迟值T3，完成精测量。
[0054](4)、混频只改变频率不改变相位。实际距离值L=I/ (Tl+T2+T3-Tdly)，其中Tdly为整个信号在物理信道中传输的延迟值和信号处理时延。Tdly值包括测距机收发通道延迟，应答机收发通道延迟，应答机信号处理，测距机信号处理延迟等。Tdly值可以通过实测和计算结合得到准确的值，其中实测值为测距机初始的校准值。
[0055]通过上述四步，完成计算距离的过程。由于测距信号之前有保护位，码元同步和载波同步在进行测距信号到来的时候已经同步，因此不需要再考虑同步的时间。
[0056]码元同步跟踪环相位误差的均值E(Te/Tc)=0，应用多次测量平均会使误差减小。由误差理论可知，在测量次数n〈=10时，多次测量的平均误差为δ/W，，当η大于10以后，平均误差减小明显变缓。在工程中保证群延迟不过大的情况下取η>=25，测距精度提高4倍。
[0057]为了节省带宽，采用MSK调制方式，该波形的时域相应函数为:
[0058]
【权利要求】
1.基于MSK扩频调制模式的相参伪码测距方法，其特征在于:包括以下步骤， 步骤一、测距机将基带测距伪码与通信信息码一起组帧打包成为测距帧； 步骤二、测距帧信号通过扩频码扩频，MSK调制，测距机完成测距帧的发送； 步骤三、应答机接收到测距帧后完成载波跟踪、MSK解调、解扩、码元同步，提取测距帧信息，同时根据码元同步的相位锁定过程提取测距帧的同步时钟，完成时钟再生； 步骤四、应答机应用再生的时钟发送应答帧，应答帧的内容与测距帧的内容一致，发送的应答帧通过扩频码扩频、MSK调制，完成应答帧的发送； 步骤五、测距机接收应答机返回的应答帧，完成载波跟踪、MSK解调，解扩，码元同步，提取应答帧信息,完成接收再生时钟； 步骤六、根据步骤五接收到的信息与步骤一组帧前的信息进行相位比对，计算距离差。
2.如权利要求1所述的基于MSK扩频调制模式的相参伪码测距方法，其特征在于:所述步骤一中的基带测距伪码嵌在通信信息码之后，基带测距伪码前后都有保护位。
3.如权利要求1所述的基于MSK扩频调制模式的相参伪码测距方法，其特征在于:所述MSK调制采用预编码正交调制方式，所述MSK解调采用正交解调方法。
4.如权利要求3所述的基于MSK扩频调制模式的相参伪码测距方法，其特征在于:所述正交解调方法包括以下步骤: 步骤一、中频信号经过数字正交下变频模块； 步骤二、正交信号分别经过低通滤波器，形成I路、Q路基带信号； 步骤三、根据I路、Q路基带信号计算出信号的瞬时相位与频差，完成MSK解调。
5.根据权利要求1所述的基于MSK扩频调制模式的相参伪码测距方法，其特征在于:所述步骤六计算距离差过程包括以下步骤， 步骤一、解调出的基带伪码与本地基带伪码匹配滤波，通过匹配相关计算出相关峰相对于测距帧的相关峰的延迟计数，计算出码片整周期的伪码延迟值的Tl，完成第一次粗测量; 步骤二、通过码元同步，判决出每个扩频码片的最佳采样点，通过最佳采样点采样判决出扩频码，与本地扩频码匹配相关，通过匹配相关计算出相关峰相对于发射的测距帧的相关峰的延迟计数，计算出码片整周期的伪码延迟值T2，完成第二次粗测量； 步骤三、通过码元同步锁相计算出测距机接收的应答帧扩频码相位相对于测距机发送的测距帧的扩频码相位的延迟值T3，完成精测量； 步骤四、根据L=l/(T1+T2+T3-Tdly)计算出实际距离值，其中Tdly为整个信号在物理信道中传输的延迟值和信号处理时延。
6.如权利要求1中所述的基于MSK扩频调制模式的相参伪码测距方法，其特征在于:其中步骤三和步骤五所述的码元同步中包括滤波方法，所述滤波方法包括以下步骤: 步骤一、检测到连续的超前或滞后脉冲时，随机徘徊滤波器工作； 步骤二、当继续检测到连续的超前或滞后脉冲时，调整脉冲直接通过两个与门输出； 步骤三、检测到零星的随机出现的超前或滞后脉冲时，脉冲使触发器置零，关闭两个与门。
【文档编号】H04W64/00GK103533651SQ201310526918
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月30日 优先权日:2013年10月30日
【发明者】折卫东, 喻娜, 程皓, 苏莹, 余擎阳 申请人:成都航天通信设备有限责任公司