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兴趣联盟 - 电子与通信工程

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    卫星定位系统中采样带宽和采样时间设置的研究

    张进 2010-12-05 16:58

    1 概述

      近期,国家无线电监测中心深圳监测站为卫星定位系统增加了不同采样带宽和采样时间的手动配置功能,提高了系统处理增益,为灵活运用定位系统、确定某些特殊目标信号提供了有力的技术方法和工具。

      采样带宽和采样时间设置不同,所得结果和所耗时间差别很大。利用系统默认的设置进行工作时,某些特殊信号的相关信噪比偏低,处理结果浮动较大。经过系统升级,系统可针对多种信号,手动选择采样带宽和采样时间,以实现有效的干扰定位。

      手动设置采样带宽和采样时间时需要考虑很多因素,必须科学调整,以获得最优的结果。故非常有必要研究和探讨采样带宽和采样时间的配置,总结多种设置情况下获得的结果,找到线索、发现规律,科学有效地开展相关工作。

    2 定位系统基本工作原理和几个需要考虑的参数

      2.1 定位系统基本工作原理

      深圳监测站的卫星定位系统基于双星定位技术[1],利用两副接收天线接收经两个卫星转发的目标信号以及参考信号,通过互模糊函数相关处理,分别获得干扰信号和参考信号间的时间和相位信息,然后估计出时间差(DTO—Differential Time Offset)和频率差(DFO—Differential Frequency Offset)。

      对于确定的卫星位置,由DTO值确定一个双曲面,与地球面相交出一条曲线,即时差位置线。为了得到正确的DTO值,必须知道卫星间的几何关系及信号在卫星与接收站间的传播时延。

      DTO值只能给出一条位置线,无法确定发射源的位置。由于静止轨道卫星相对于地球的漂移,因此多普勒频移在接收站的径向上存在差异,即多普勒频率差DFO。与DTO类似,通过DFO测量的结果也可以在地球上画出一条频差位置线,两条位置线的交点即为目标信号的位置。

      2.2 数字信号处理中几个参数的关系

      在数字信号处理系统中,有几个非常关键的参数必须考虑,分别是A/D变换长度、采样时间、采样带宽、采样速率、数据缓存、系统存取时间和信号分析计算效率[2][3]。

      假定系统的A/D变换长度为L位、采样时间为t、采样带宽为BSample、采样速率为RSample,如果A/D变换长度L<8,则一个采样点占1个字节;如果A/D变换长度L≥8,则一个采样点占2个字节。

      根据采样卡类型及采样带宽不同,BSample和RSample之间存在一个带宽系数的线性对应关系,即RSample<=>ηBSample,η为带宽转换因子。如果单位时间内RSample不超过采样卡自带缓存,可直接进行采样和存储,且占用时间忽略不计;如果单位时间内RSample大于采样卡自带缓存,则必须对自带缓存进行扩展,以满足存储需要,但同时系统时效性会受到一定影响。

      当用A/D变换为L位的采样卡进行采样时,在采样时间为t、采样带宽为BSample的情况下,所得数据大小为:

      C1=1×[η×BSample]×t(L<8);

      C2=2×[η×BSample]×t(L≥8)。

      在信号分析处理中,考虑到系统的计算效率、初始分析和处理并非针对所有采样所得数据,而是根据所建的数学模型,应首先对重要的、概率分布大的数据段进行分析处理。当参数估计的结果不理想、相关信噪比较低时,再逐步扩大处理范围,还可增加采样带宽和采样时间,加长数据长度。当信噪比足够大时,为节约参数的估算时间,可以将初值搜索的数据长度设置得短一些,以快速估计理想的参数。

    3 测量方法和测量结果

      在不同采样带宽下,针对不同的采样时间,基于采样卡的采集速度和信号处理系统的计算效率,形成采样带宽和采样时间的9组组合。为方便分析起见,定义不同组合的名称为1组、2组……9组。具体组合和名称如表1所示。

      表1 采样带宽和采样时间组合

      

      为获得信号相关信噪比、采样处理时间和系统可用度的最佳方案,我们分别在9种采样带宽和采样时间的组合下,对实际工作中相关计算较难的4个信号进行了测量,统计分析了9次测量后4个信号的平均相关信噪比及其变化情况、9次测量所用平均时间及时间变化情况。具体测试结果见图1至图5所示。图1至图3为相关信噪比信息,图4和图5为测量时间信息。

      其中,相关信噪比门限值设为18dB,当所得信噪比超过该门限值时,信号处理系统进行下一步处理;低于该门限值时,无法得到可信的结果,系统则自动放弃下一步处理。

      

      图1 9次测量后4个信号的平均相关信噪比分布图

      

      图2 9次测量后总的相关信噪比分布图

      

      图3 9次测量后4个信号平均相关信噪比方差分布图

      

      图4 9次测量所用平均时间分布图

      

      图5 9次测量所用时间方差分布图

     

    4 统计分析及建议

      4.1 相关信噪比分析

      相关信噪比对于系统正常工作非常重要,有时需要牺牲其他因素换来相关信噪比的抬升,所以应先从相关信噪比着手分析。

      从图1的测量结果可以看出:信号1的相关信噪比总体是最优的,超过门限值的比率为77.8%;但第5组和第6、8组中有所下降,尤其是第6、8组,其数值下降很快,已低于门限值18dB的要求,无法实现定位;信号3相关信噪比数值总体最差,超过门限值的比率为66.7%,且数值明显低于其他信号;但在第4组和第6组中相对其他信号其数值有所上升。由此可以看出,信号不同,采用的设置不同,所得的结果差别很大;即使同一个信号,不同的设置得到的相关信噪比差别也很明显。所以对不同的目标信号,设置不同的采样带宽和时间非常有必要,总结发现相关规律,以获得最优的结果。

      同时,从图1中还可以看出第6组和第8组设置所得的结果相当不稳定,基本无法满足需要。而第9组设置的结果尚可使用,但不建议采用。该结论在图2中也可以得到印证,唯一不同之处是图2中的第9组平均信噪比不好,原因是某个信号在这种设置下的相关信噪比很差,导致该组合下的整体平均值下降。根据图2中总的平均值,对相关信噪比≥18dB的几种设置排序为:1组、3组、2组、5组、7组、4组;相关信噪比<18dB的几种设置排序为:6组、9组、8组,这三组设置无法正常定位,在实际使用中应尽量避免。

      同时,我们从相关信噪比方差的角度来考察几种组合所得结果,由信噪比方差分布图中可以看出:第1、2、3、7组结果相对集中,且方差不大;第4、5组结果尚可;其他几组变化过大,非常不稳定,已经不利于稳定的定位结果;尤其是第6、8、9组的方差变化太大,在使用中应尽量避免。该结论和上述结论基本相同。

      4.2 测量时间分析

      在定位处理中,除相关信噪比的大小对定位结果产生直接影响外,测量时间也是一个至关重要的参数。由于卫星干扰出现的时间不同,对干扰查找的时效性要求很高,如所需时间过长,干扰定位本身已失去意义,所以在卫星干扰分析和查找中必须考虑时间因素。

      由所用平均时间的分布图可以看出,9种组合所需时间差别很大,最长时间和最短时间差高达8倍,且明显分为三个档次:其中在20~50秒之间的为第4、5、6、8组,排列顺序为8组、4组、6组、5组;在50~100秒之间的为第2、9组,排列顺序为2组、9组;在100~160秒之间的为第1、3、7组,排列顺序为3组、7组、1组。9种组合所需时间按优劣排序为:8组、4组、6组、5组、2组、9组、3组、7组、1组。

      从所用时间方差分布图来看,9种组合所需时间差别更大,最长时间和最短时间相差将近13倍,且明显分为两个档次:其中位于0.5~2之间的为第4、5、6、7、8组,其排列顺序为5组、4(8)组、7组、6组;位于4.5~7之间的为第1、2、3、9组,其排列顺序为3组、1组、2组、9组。9种组合所用时间方差按优劣排序为:5组、4(8)组、7组、6组、3组、1组、2组、9组。

      4.3 综合分析

      在干扰定位中,相关信噪比及方差、所需时间及方差都非常重要。相对而言,相关信噪比最重要,必须予以保证;所需时间也很重要;两个方差要尽量小,以便在稳定的时间内获得稳定的定位结果。按照该原则,对9种组合进行综合排序,以选出在信噪比、时间、方差中最优的折衷方案。

      由于相关信噪比最为重要,我们首先从信噪比入手,利用排除法筛选,可排除第6、9、8组;然后从所需时间入手,第7组在相关信噪比和所需时间两方面都比较靠后,没有优势,予以排除;再从时间方差看,第5、4组较好,第3、1、2组稍差。具体情况见表2。

      表2综合分析表

      

      为进一步分析,取每组的前三种组合再取并集,且对信噪比和所需时间加权考虑,可以看出第2组是最优的选择,它实现了相关信噪比和所需时间的最理想的折衷。实际测量中第2组的数据为:相关信噪比24.78dB,信噪比方差1.22,所需时间54.80秒,时间方差5.72。基本实现了最优折衷,尤其是在保证相关信噪比的前提下,所需时间大幅降低,为定位工作争取了宝贵的时间。

      同时还可以看出第1组和第3组结果也能接受,故有必要从相关信噪比和所需时间单独考察第1、3组。第1组相关信噪比28.68dB、所需时间150.67秒,第3组相关信噪比26.43d、所需时间106.00秒。可见和第2组相比,第3组信噪比提升不到2dB,但时间却延长了近一倍,优势不太明显,而第1组的时间尽管延长了很多,却换来了相关信噪比的较大幅度提升,符合处理特殊信号时用其他因素换取相关信噪比的工作原则,所以第1组组合在极端情况下非常值得推荐。

      另外值得一提的是第4组数据,其相关信噪比为21.24dB,所需时间为23.50秒。尽管相关信噪比降低了3.5dB,但时间却大幅度降低,是9种设置中最节省时间的一种配置。对于相关信噪比较强的信号来说,该设置可以在短时间内获得更多组数据,为进一步深入分析和判断信号提供了尽可能多的信息来源,也是非常值得推荐的一种组合。

    5 结论

      综上分析,第2组设置为最优方案,其采样带宽为400kHz,采样时间为2秒。同时,因相关信噪比明显提升,第1组在处理特殊信号时也不愧为很好的选择,其采样带宽为800kHz,采样时间为2秒。另外,第4组在处理强相关信噪比信号时,因所需时间明显缩短,也是一种非常好的组合方式,其采样带宽为200kHz,采样时间为2秒。这三组设置的采样时间都为2秒钟,即只要信号存在2秒钟,就有可能获得一组数据,这为我们及时定位干扰信号提供了很好的便利条件。

    (文章转载)

  • 举报 #1
    韩斐 2013-04-06 22:55
    定位系统基本工作原理
  • 举报 #3
    韩斐 2013-04-06 22:56
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  • 举报 #5
    韩斐 2013-04-06 23:01
    测量方法和测量结果
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