基于高精度低復(fù)雜度的偽多普勒的定位算法

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1、概述本篇論文的s的是討論偽多普勒方式的位a佔計丼展示現(xiàn)代數(shù)字信號處理和信號相關(guān)知識足如何提升偽多普勒技術(shù)并使它可應(yīng)用于簡從定位的。木文的基木思路是不均勻地轉(zhuǎn)換發(fā)射端天線，丼且精確地檢測相位突變以排除K他原因帶來的相位改變（如調(diào)制，時鐘不同步，時鐘抖動）來實現(xiàn)位置估計。關(guān)鍵詞定位，偽多普勒，數(shù)字信號處理1說明自從方h'd性天線實用以來精確方位估汁及定位被廣泛應(yīng)用。現(xiàn)朽的研究主要依靠商分辨率，多通道算法例如SAGE,MUSIC,ESPRIT，他們都足雜的系統(tǒng)和火fi資源來獲得可靠并準確的方位信息。然而小的，低能耗的設(shè)備需要

2、不M的方法。單通道多咎勒定位方法就能提供較方向天線高的準確度。它的內(nèi)容就是一個全向天線繞卷一個中心旋轉(zhuǎn)，在正常觀測信號上疊加上一個多普勒頻移，而這個多普勒頻移吋方位角（AOA）的閑數(shù)。我們可以用模擬的方法很方便地提取出這個信息，這在當吋只有模擬倍號處理情況卜是很正常的，并且現(xiàn)在新的技術(shù)仍在應(yīng)用它。此技水進化版本就足用轉(zhuǎn)挽均勻分布在一個岡上的天線（形成環(huán)形陣列UCA）來替代天線的旋轉(zhuǎn)。這就是偽多普勒技術(shù)，它的優(yōu)勢在于沒有轉(zhuǎn)動部分并且可以形成基木的定位方法。正因為它的簡便性并幾只需耍最基本的天線沒備，人們廣泛地使用偽多普勒

3、技術(shù)。這些應(yīng)用包括了傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，業(yè)余無線電泛濫，甚至安裝在車輛上。然活所有簡單的事物上都是細節(jié)決定成敗，直接的應(yīng)用總是忽略隱藏在背沿的機會和一些S雜的重點。舉個例子，一個集中地天線陣列可能引起反射或者散射。每個天線必須準確地匹配來消除額外的相位偏移。另外天線間的距離必須小于波長以此來避免相位模糊，盡管我們?nèi)杂幸恍┓椒词挂陨蠗l件不都滿足。相位偏移不是微不足道的丼且除了它我們還奮正弦擬合的課題。如果信號不足簡單的正弦波而足經(jīng)過調(diào)制的攜帶信息的載波，突然的轉(zhuǎn)換可能引起信號劣化，我們的目標是不僅僅確定位置并且提取出攜帶

4、的信息。最近兒年很多人開始提出此方法的缺點。為了應(yīng)對突然的轉(zhuǎn)換帶來的副作川，人們開始研究了平滑轉(zhuǎn)換。人們提岀了一個算法來在輸出信號屮完全消除轉(zhuǎn)換信息。為了處理信道中噪聲，每個天線上的鎖相環(huán)（pll）被提出。方向性天線技術(shù)保證丫更高的信噪比因此更遠的冇效距離但同時周期性地失去了信號。干涉測景法使得別人討能在更低的頻率上操作此系統(tǒng)。上述這些方法都足偽多普勒方法的提高，但是都是基于模擬倌號處理的角度。然而最先進的信號處理技水使我們可能利用上述之外的機會。本文的主要貢獻在于（1）確定偽多普勒技術(shù)的主要問題并描述絕決方案，（2）

5、介紹基于上述解決方案的具體操作，（3）提供實驗結(jié)果。本文展示了如何通過精確地調(diào)整大線轉(zhuǎn)換和相位突變檢測來完善偽多普勒技術(shù)，從而實現(xiàn)抗調(diào)制，抗不匹配，抗時鐘抖動的不影響信息內(nèi)界的精確定位。剩下的部分吋這么組織的：第二部分簡述傳統(tǒng)多普勒技術(shù)，最后解釋基于偽多普勒的完整定位系統(tǒng)。第三部分進一步提高信號處理方法。第四部分給出結(jié)果。2概述2.1簡述多普勒技術(shù)假設(shè)一個全句天線正在接受一個由在一個不受限制的空叫屮的全句天線發(fā)射的單?一正弦波，并沒有多徑效應(yīng)。為了簡便，兩根天線都是在z=0的平而，接收端在(x，y)，信兮強度是(A),

6、載波頻率(fc),相位(*)都是常數(shù)。又假設(shè)發(fā)射機離著很遠，這樣當信號到達時討以被考慮為平而波。用簡單的尺度變換接收到的信號就討以被寫成(1),這里p=T，A是波長，頻率fe,e是方位角或平面波的AOA。f(x,y,t)=Acos(2rrfct+(h+p(cos0+ysin0))(1)記住了這個公式，我們基于多普勒現(xiàn)象的定位方法：被測朵頻率隨著接受其的移動而改變。讓我們給接收點ftl—個順吋針或逆吋針方向旋轉(zhuǎn):的天線。閣片1:多咎勒方法，一個天線以恒定角速度繞Q)著中心旋轉(zhuǎn)，半徑「，從t=0時刻開始。這個系統(tǒng)足定義在實

7、際天線是在t=0吋刻開始的。在接收天線在以固定的角速度旋轉(zhuǎn)吋它在遠離信源和靠近信源兩種狀態(tài)之M轉(zhuǎn)換。這兩種情況下頻率偏移都是可以觀測的，于是觀測角(AOA)就可以被計算出來。如果接收端的移動半徑是r角速度0)，那么我們能得到(2)式。Xcos0+ysin0=rcos(a)t)cos0+rsin(o)t)sin0=rcos(o)t-0)將此式帶入(1)十，就足多普勒的最基本等式。f(r/0,t)=Acos(2Trfct+(I)+prcos(tot-0))⑶等式(3)意味著信號因為環(huán)形運動而受到了調(diào)制。重點足這里的調(diào)制信號

8、prcosM-0)包涵AOA，而且我們可以以prcoS(a)t)為參考。閣2為一個接收到的信號。注意這垠相位是由180到-180變化的，并且這個結(jié)果足山特定的測量方式引起的并沒有代表性。用不同的方式相位變化可能或多或少，之后的情況K相位將被折疊。05閣2:上部分是被凋制倍號，卜而是調(diào)制倍號或山天線旋轉(zhuǎn)引起的相位變化。2.2偽多普勒