[发明专利]一种超宽带定位系统的到达时间估计方法

摘要

一种超宽带定位系统的到达时间估计方法，该方法有三大步骤：步骤一：接收信号的能量采样；步骤二：判决门限的解算；步骤三：信号的到达时间估计。本发明所涉及的门限解算模型因为是基于恒虚警率约束的，在不同的超宽带信道模式都能取得很好的到达时间估计精度；所涉及的计算过程对能量序列进行了预先排序，减少了完成到达时间估计的计算量；所涉及的迭代门限选择算法具有独立性，不依赖于信道先验信息的获取，能够应用于实际的超宽带定位系统之中。它在信号检测与估计技术领域里具有较好的实用价值及广阔的应用前景。

主权项

1.一种超宽带定位系统的到达时间估计方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一：接收信号的能量采样对帧同步后的超宽带信号进行平方率检波，得到接收信号的能量信号；再对此能量信号进行采样，得到接收信号的能量采样序列；接收到的跳时脉冲超宽带信号表示为r(t)=Σj=-∞∞djwmp(t-jTf-cjTc-τtoa)+n(t)]]>其中，T_f和T_c分别为帧长和码片长度；d_j为第j帧信号的极性，τ_toa为信号的到达时间；n(t)为高斯白噪声，均值为零，方差为δ²，双边功率谱密度为N₀/2；c_j是为了防止不同用户之间的信号冲突而分配的跳时码，它决定了脉冲码片在一帧中的位置，第k个用户分配到的跳时序列满足；w_mp(t)为接收到的多径脉冲波形，表示为wmp(t)=EΣl=1Lalw(t-τl)]]>w(t)为能量归一化的单个脉冲波形，持续时间为T_p；L为多径数量；a_l和τ_l分别为信道的衰减系数和延迟系数；E为脉冲能量，接收到的信号通过能量积分后，以采样间隔T_b对能量信号进行采样，令N_f为每个符号中的帧的数目，每个符号的能量序列为z[n]=Σj=1Nf∫(j-1)Tf+(cj+n-1)Tb(j-1)Tf+(cj+n)Tb|r(t)|2dt]]>步骤二：判决门限的解算对信号的能量采样序列进行排序，在恒虚警率约束下通过迭代优化解算出一个能量门限值，用于对接收信号的首达路径进行判决；在信号已经完成帧同步之后，首径的到达时间在一帧中均匀分布，考虑到帧间的串扰，将观察间隔设置为1.5倍的帧长；令T_ob为观察间隔，则序列z[n]包括个采样能量块；其中包括纯噪声能量块和信号与噪声的叠加能量块；在能量序列的K个能量采样块中，包括纯噪声能量块和噪声信号叠加能量块两种；其中，纯噪声能量块的值服从中心卡方分布，均值为Mδ²，方差为2Mδ⁴，自由度为M=2BT_b+1，B为信号的带宽；噪声信号叠加能量块则服从非中心卡方分布，均值为Mδ²+E_n，方差为2Mδ⁴+4δ²E_n，E_n为该采样块的信号能量；迭代门限算法采用尼曼-皮尔逊假设检验，在恒虚警率约束下迭代出门限值，对于中心卡方分布的噪声能量块，虚警率P_fa和门限值ξ的关系如下：Pfa=P(z[n]>ξ)=exp(-ξ2δ2)Σk=0M/2-11k!(ξ2δ2)k]]>该迭代门限选择算法的的关键是在将噪声能量块依次排除，在每次迭代中完成门限值的更新，从而检测出一部分噪声能量块，当所有噪声能量块都被检测出来时，门限的性能达到算法最优的到达时间估计精度；步骤三：信号的到达时间估计利用步骤二中得到的判决门限从能量采样序列中检测出信号的首达路径，信号的首达路径的到达时间即为信号到达时间的估计值，在低信噪比的条件下，通过预定的补偿策略完成门限失效情况下的到达时间估计；在解算出最优门限值后，首达路径所在能量块的到达时间表示为τITS={minK(k|z[k]>ξopt)-0.5}×Tb]]>在低信噪比的条件下，纯噪声能量块和噪声信号叠加能量块间的采样值之间没有显著性的差异，这会导致迭代的门限值无法完成检测的情况，即迭代出的门限值大于搜索序列中所有的能量采样值；在门限失效的情况下，采用两种补偿策略，第一种是以观察序列中的最强值的到达时间作为信号的到达时间，第二种是以观察窗的中值作为信号的到达时间。