基于高精度低复杂度的伪多普勒的定位算法

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1、概述本篇论文的s的是讨论伪多普勒方式的位a佔计丼展示现代数字信号处理和信号相关知识足如何提升伪多普勒技术并使它可应用于简从定位的。木文的基木思路是不均匀地转换发射端天线，丼且精确地检测相位突变以排除K他原因带来的相位改变（如调制，时钟不同步，时钟抖动）来实现位置估计。关键词定位，伪多普勒，数字信号处理1说明自从方h'd性天线实用以来精确方位估汁及定位被广泛应用。现朽的研究主要依靠商分辨率，多通道算法例如SAGE,MUSIC,ESPRIT，他们都足杂的系统和火fi资源来获得可靠并准确的方位信息。然而小的，低能耗的设备需要

2、不M的方法。单通道多咎勒定位方法就能提供较方向天线高的准确度。它的内容就是一个全向天线绕卷一个中心旋转，在正常观测信号上叠加上一个多普勒频移，而这个多普勒频移吋方位角（AOA）的闲数。我们可以用模拟的方法很方便地提取出这个信息，这在当吋只有模拟倍号处理情况卜是很正常的，并且现在新的技术仍在应用它。此技水进化版本就足用转挽均匀分布在一个岡上的天线（形成环形阵列UCA）来替代天线的旋转。这就是伪多普勒技术，它的优势在于没有转动部分并且可以形成基木的定位方法。正因为它的简便性并几只需耍最基本的天线没备，人们广泛地使用伪多普勒

3、技术。这些应用包括了传统的传感器网络，业余无线电泛滥，甚至安装在车辆上。然活所有简单的事物上都是细节决定成败，直接的应用总是忽略隐藏在背沿的机会和一些S杂的重点。举个例子，一个集中地天线阵列可能引起反射或者散射。每个天线必须准确地匹配来消除额外的相位偏移。另外天线间的距离必须小于波长以此來避免相位模糊，尽管我们仍有一些方法即使以上条件不都满足。相位偏移不是微不足道的丼且除了它我们还奋正弦拟合的课题。如果信号不足简单的正弦波而足经过调制的携带信息的载波，突然的转换可能引起信号劣化，我们的目标是不仅仅确定位置并且提取出携带

4、的信息。最近儿年很多人开始提出此方法的缺点。为了应对突然的转换带來的副作川，人们开始研究了平滑转换。人们提岀了一个算法来在输出信号屮完全消除转换信息。为了处理信道中噪声，每个天线上的锁相环（pll）被提出。方向性天线技术保证丫更高的信噪比因此更远的冇效距离但同时周期性地失去了信号。干涉测景法使得别人讨能在更低的频率上操作此系统。上述这些方法都足伪多普勒方法的提高，但是都是基于模拟倌号处理的角度。然而最先进的信号处理技水使我们可能利用上述之外的机会。本文的主要贡献在于（1）确定伪多普勒技术的主要问题并描述绝决方案，（2）

5、介绍基于上述解决方案的具体操作，（3）提供实验结果。本文展示了如何通过精确地调整大线转换和相位突变检测来完善伪多普勒技术，从而实现抗调制，抗不匹配，抗时钟抖动的不影响信息内界的精确定位。剩下的部分吋这么组织的：第二部分简述传统多普勒技术，最后解释基于伪多普勒的完整定位系统。第三部分进一步提高信号处理方法。第四部分给出结果。2概述2.1简述多普勒技术假设一个全句天线正在接受一个由在一个不受限制的空叫屮的全句天线发射的单•一正弦波，并没有多径效应。为了简便，两根天线都是在z=0的平而，接收端在(x，y)，信兮强度是(A),

6、载波频率(fc),相位(*)都是常数。又假设发射机离着很远，这样当信号到达时讨以被考虑为平而波。用简单的尺度变换接收到的信号就讨以被写成(1),这里p=T，A是波长，频率fe,e是方位角或平面波的AOA。f(x,y,t)=Acos(2rrfct+(h+p(cos0+ysin0))(1)记住了这个公式，我们基于多普勒现象的定位方法：被测朵频率随着接受其的移动而改变。让我们给接收点ftl—个顺吋针或逆吋针方向旋转:的天线。阁片1:多咎勒方法，一个天线以恒定角速度绕Q)着中心旋转，半径「，从t=0时刻开始。这个系统足定义在实

7、际天线是在t=0吋刻开始的。在接收天线在以固定的角速度旋转吋它在远离信源和靠近信源两种状态之M转换。这两种情况下频率偏移都是可以观测的，于是观测角(AOA)就可以被计算出来。如果接收端的移动半径是r角速度0)，那么我们能得到(2)式。Xcos0+ysin0=rcos(a)t)cos0+rsin(o)t)sin0=rcos(o)t-0)将此式带入(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)意味着信号因为环形运动而受到了调制。重点足这里的调制信号

8、prcosM-0)包涵AOA，而且我们可以以prcoS(a)t)为参考。阁2为一个接收到的信号。注意这垠相位是由180到-180变化的，并且这个结果足山特定的测量方式引起的并没有代表性。用不同的方式相位变化可能或多或少，之后的情况K相位将被折叠。05阁2:上部分是被凋制倍号，卜而是调制倍号或山天线旋转引起的相位变化。2.2伪多普勒