专利名称：一种混沌测距方法及装置的制作方法
技术领域：
飞行器测控、导航定位、距离测量本发明涉及一种利用混沌扩频测距系统，特别是涉及利用非周期混沌序列作为扩频码的扩频测距系统的实现方法及同步捕获技术。能够实现传统扩频伪码测距的功能并且 具有更好的保密和抗截获性能。
背景技术：
在飞行器测控中，目前普遍采用扩频伪码测距技术，伪码测距具有良好的测量精 度、抗干扰、保密和抗截获性能。但是传统的伪码测距系统采用的是基于线性反馈移位寄存 器产生的序列，如m序列的Gold序列，以及由这些序列所组成的复合码等，由于m序列及 Gold序列是线性移位寄存器周期序列，其复杂度低，其保密性能和抗截获性能不高，在许多 应用场合，例如军用飞行测控应用场合，存在安全隐患。另外，由于m序列的数量不多，而且 m序列的互相关性能不好，不适应多目标测控应用。Gold序列虽然能提供数量足够的互相 关系数小的序列，以支持多目标测控，但是其自相关和性能比m序列有所下降，互相关性能 也达不到理想状态。近年来，随着非线性理论和混沌理论的不断成熟，利用混沌序列对初值 的敏感依赖性，可以提供数量众多、非相关、非周期、类噪声而又确定再生的信号。利用混沌 码进行保密通信或利用混沌映射产生的序列替代传统的伪码进行扩频通信，已经成为国内 外通信领域理论研究和工程应用的热点，并且已取得实质性进展。利用混沌序列替代传统 的伪码进行扩频伪码测距，比传统的扩频伪码测距具有更好的保密性能和抗截获性能。传统的伪码测距是由测距站向目标发射一个扩频信号，目标接收此信号后经透明 转发或再生应答将此信号再发回测距站，测距站根据电磁信号在空中的传输时间，来计算 测距站与目标之间的距离。其基本过程为测距站产生一个PN码，然后将该码调制到合适 的射频上并向远端的测距目标发送，目标接收到的测距信号又反射回测距站。为此，测距目 标必须配备一个再生发射机应答器，或者是一个反向发射机应答器。在前一种情况下，接收 到的PN码由相关接收机进行跟踪，然后再生并传回测距站。在实际应用中，再生发射机应 答器可以产生一个与原始测距信号无差错的信号原型。在后一种情况下，反向发射机应答 器对接收到的PN信号进行完整的解调，将其带宽限制在码片速率f。的70%左右，再将PN 码重新调制到射频上并发回测距站。假设传播速度已知，则从测距目标到测距站的距离d可由PN码传播到测距目标并 返回测距站的时延td = 2 τ求得，即d = ^ctd = CTc为电磁波在大气中的传播速度，td为电磁信号在测距站与目标之间一个来回所 用的传播时间，τ是电磁信号在目标和测距站之间单向传播时间。时延td可由启动-停止法或相位比较法求得。若采用启动-停止法，则时延可由 测量起始码字和终止码字之间的时间得到。假设测距信号采用一个η阶的m序列，则起始 码字和终止码字均可视为长度为η的特定m序列的子序列(通常情况下为全“ 1”状态)。 启动-停止法采用起始码字开启门电路，当检测到终止码字时关闭门电路。在门电路开启的时间内，对离散时刻计数并以此来计算时延。 相位比较法是利用发送伪码与接收伪码的相位比较来测量传输时延的，这样可保 证相位信息的实时提取，并可将其迅速转化为时延量和距离量。 发射端将伪码序列发送到信道，伪码产生器在输入时钟的驱动下，相位在递进。由 目标返回后的信号经并行捕获(码周期为N时共有N种不同的相位)。将捕获到的伪码相 位，与此时的发送端伪码相位进行比较，其相位差M个伪码码元，则时延为td = MTc对于伪码测距系统，最大的无模糊测量距离，取决于系统可识别的最大时延，它由 伪码周期决定。设测距码的周期为N，码片时间为T。，则最大无模糊测量距离为<formula>formula see original document page 4</formula>c为光速。最小的可测距离(即测距精度)取决于对发送和接收PN码之间的相位差的测量 精度。假设捕获技术可以得到最小精度为ΔΤ。的时延，且ΔΤ。< T。，则最小可测距离为<formula>formula see original document page 4</formula>即，最小测量误差为士 dmin在传统的伪码测距方案中，扩频码的捕获通常采用的方法有串行捕获(滑动相 关)、并行捕获(最常用的是数字匹配滤波法)及串/并结合的捕获方法，由于串行捕获时 间很长(尤其是码长很长时)，所以现在的飞行器测距一般采用并行捕获的方法。伪码跟踪 一般采用延迟锁定环技术。混沌测距的思想仍然是根据传统扩频伪码测距的思想，但是由于混沌对初值非常 敏感，在传输的过程中受到噪声和干扰的污染，在接收端完全复制一个与发送端一样的同 步混沌是非常困难的，而且由于混沌是非周期的，传统的伪码捕获方法已不再适用于混沌 测距系统，这也是利用混沌混测距所面临的难题。

发明内容
本发明就是针对混沌捕获的难题，设计一种利用混沌序列扩频的测距系统，并且 提出由测距站发出经目标转发的信号有效检测方法。本发明的目的在于提供一种利用连续 的非周期混沌序列测量信号在测距站与目标之间的传播时间，从而测得测距站与目标之间 距离的方法。其发明的核心思想是，测距站发送连续的混沌序列，将该混沌序列分段，分段的长 度(M)取决于最大无模糊距离，每一段中存贮前N个混沌序列，N大小取决于抗干扰性能 要求的扩频增益。利用这存贮的N个混沌序列对该段混沌信号经目标到达后的匹配接收。 此方法不仅最大限度的利用混沌的保密性和抗截获性能，而且有效地解决了混沌同步的难 题。其基本原理和过程如下混沌测距系统的原理图如说明书的图1所示。混沌产生电路2，在时钟(图1中的 1模块)的驱动下进行混沌迭代，产生连续的混沌信号，此混沌信号经二值化器(图1中的 3模块)后成为二进制序列(取值士 1)。该序列可以调制遥测数据，亦可不调制数据，仅用 于测距(在实际应用中，通常取前者，本发明中由于只考虑测距问题，以不调制遥测数据为例进行说明)，对载波(图1中模块9)由调制器(图1中模块16)发送至信道。发送电路 在统一时钟驱动下，有一个选码脉冲电路(图1中模块4)，在每M个码片中选取前N个码片 由移位寄存器(图1中模块8)进行存贮(N彡M)。设时钟周期为T。，M的选取要满足最大 模糊距离的要求，若设最大无模糊距离为dmax，则<formula>formula see original document page 5</formula>
而N的选取应满足特定的扩频增益要求，以满足其抗干扰性能。选码脉冲如说明书的图2(a)所示，其码无宽度为Tb = NT。，其周期为Tm = NT。，在 下降沿锁存移位寄存器，这样就将选码脉冲所涵盖的N个码元锁存起来，用于发送信号经 目标(图1中模块17)转发后到达测距站，经接收机(图1中模块10)后，由采样器(图1 中模块11)进行采样，关入接收端的移位寄存器(图1中模块12)与发送端存的伪码进行 匹配接收。在选码脉冲的驱动下，每周期(Tm时间)更换一次存贮的码字(码长为N)。该选码脉冲经一个非门(图1中模块5)后产生一个触发脉冲，该触发脉冲的下降 沿触发翻转触发器1(图1中模块6)，触发器的输出如图2(c)所示，该触发器输出作为异 或器(图1中模块7)的一个输入。调制发送到信道中的混沌信号经目标转发后(透明转 发或再生转发)到达测距站，经接收机、采样器后，进入接收端的移位寄存器(图1中模块 12)，当发射的混沌码前N个码元(与存贮的N个混沌码相同)全部到达接收的移位寄存器 时，匹配滤波器的输出得到相关峰值，如图2(d)所示。该相关峰值触发另一个翻转触发器 2(图1中模块13)，其输出波形如图2(e)所示。两翻转触发器的输出进行异或，便得到一 个周期的时延测量脉冲(图1中模块15)，其波形如图2(f)所示，该脉冲的宽度τ就是电 波在测距站和目标之间传播一个来回所需的时间。连续测量得出的τ的值，便反映了目标 与测距站之间的连续距离变化。


图1为混沌测距系统原理图。图中，1是时钟。2是混沌产生电路。3是二值量化 器。4是选码脉冲产生电路。5是非门。6是翻转触发器1。7是异或门。8是发端移位寄 存器。9是载波。10是接收机。11是采样器。12是接收端移位寄存器。13是相关峰值的 阈值判决器。14是另一个翻转触发器。15是得到的测量脉冲。16是载波调制器。17是被 测目标。图2为混沌测距系统各点的对应波形。(a)是选码脉冲波形，脉冲周期为MT。，脉 冲宽度为NT。，Tc为时钟宽度。(b)是选码脉冲的反向输出波形。(c)是翻转触发器1的输 出波形。(d)是匹配滤波器的输出波形。(e)翻转触发器2的输出波形。(f)是异或门输出 的脉冲波形。该波形的宽度就代表了测距信号在测距站与被测目标之间传播一个来回的时 间。实施测量方式利用本系统的测量具体实施过程如下①根据具体的测量精度要求，设置时钟频率，即设置时钟周期T。大小。②应用场景的需求，由最大的无模糊距离dmax，确定混沌序列的分段长度M
Μ>—Ε 其中，c为光速。③对于有基带数据调制的系统，一个基带数据码元含有整数个(N)混沌码元，则 根据系统所要达到的扩频增益Gp，设置每个混沌分段所要存贮的混沌码元个数N = Gp。④选定混沌映射，如改进型Logistic映射，其表达式为xn+1 = l-2xn2 -1 < xn < 1选定初值后，在系统时钟的驱动下产生连续的混沌样值，经二值量化为成为幅度 为士 1的二进序列。⑤此二进制序列一方面自动存贮部分序列在移位寄存器中，一方面对数据进行扩 频调制后，经载波调制发往信道。⑥接收端在匹配滤波器的输出的驱动下，测量异或门输出脉冲的宽度τ。⑦由测量输出脉冲的宽度τ，用下式求出测距站与被测目标之间的距离d = 1/2CT⑧测量数据的后续处理。主要是针对漏检和虚警进行相关的处理。具体实施时，应该满足以下关系①混沌序列分段的长度M应满足最大无模糊测距的要求，即M>2dmax/cTc对于卫星测控来说，M值很大，取218 22°。②时钟周期的取值应满足测距精度的要求，本方案采用的数字匹配滤波器捕获， 其最差的捕获精度为|，此时的测距精度为de =Ux-Tc =Utc给定测距精度de的情况下，时钟周期应满足Tc<4de/cc为光速。③一般应用时，存贮混沌序列的长度N就是扩频增益，即N = Gp。可以取N = M， 但一般是取N<M或N<<M。④本方案可以采用一些辅助电路，实现测距精度的提高。本发明与传统的伪码测距系统相比有如下优点①由于混沌产生对于实值极端敏感，而且所利用的混沌序列是非周期性的，同时 采用高增益扩频，因而具有更好的隐蔽性。传统的扩频伪码测距，只要第三方能接收一个整 周期的伪码信号，就能很方便进行扩频解扩和数据解调，甚至接收部分序列，就可以推算出 一个周期的伪码序列，但利用本发明，就不存在这个问题，因而具有更好的保密性。②通过对混沌序列的研究表明，混沌序列的长度很长的情况下，混沌码序列与高 斯白噪声序列性能相近，它比传统的m序列和Gold序列具有更好的自相关和互相关特性，因而在M足够大时，它比传统的扩频伪码测距具有更好的抗干扰性能。③由于混沌序列数量巨大，而且不同的混沌序列之间，或同一映射，由于初值不同所产生的混沌序列之间具有良好的互相关性能，因此本发明对于多目标测控，能够提供数 目巨大的地址码，而且不同地址码之间的互相关性能优良，因此多目标混测控时，本方案比 传统的扩频伪码测距，具有更好的抗多址干扰能力，同时也具有更多的目标测控能力。④m序列和Gold序列的长度均为2n_l，其中η是移位寄存器的级数；而混沌序列 的长度可为任意的非零整数。对于调制数据而言，一般情况下，是一个基带数据码元含有一 个周期的伪码，因而混沌序列比m序列和Gold序列具有更好的适应性。⑤由于采用数字匹配滤波器捕获，捕获时间很短，平均捕获时间为NT。，这为实际 的应用提供了极大的方便。混沌扩频通信及混沌测距中遇到的一个难题就是，不能有效地进行混沌码的捕获 与混沌同步。若利用数字匹配滤波法进行捕获，势必要将非周期的混沌序列截成周期的序 列，这样就降低了混沌序列本身的保密性和高抗截获性能。本发明就是利用传统扩频伪码 测距的思想，结合测距系统的本身特性，在充分保证混沌序列本身良好特性的基础上，实现 了混沌序列的扩频测距。由于采用数字匹配滤波器进行捕获，捕获时间比滑动相关捕获所 需的时间大大减少。本发明特别适用于军用飞行器测控，及安全保密性能要求高的卫星测控等。
权利要求
一种采用“混沌测距”的方法，其特征在于采用以下步骤A、混沌产生器2在时钟1驱动下，产生离散混沌样值，该样值经二值量化器3后，形成取值±1的混沌序列。该混沌序列(可调制数据)由调制器16进行调制后发送到信道；B、对所产生的混沌序列，由一个选码脉冲产生电路4进行选码(码长为N)，所选择的码送入移位寄存器8进行存贮。同时，选码脉冲经非门5后，触发翻转触发器6，用于指示信号发送的时刻；C、由目标17返回的信号，经接收机10接收后，由采样器11进行采样，采样后的数据送入移位寄存器12进行存贮；D、移位寄存器12和移位寄存器8中的序列进行数字匹配相关运算，运算的结果送入阈值处理器13进行处理，相关峰值超过预设的门限后，13输出一个脉冲，该脉冲触发另一个翻转触发器14，6和14的输出由异或器7进行异或运算，得出测距脉冲15；E、测距脉冲15的宽度，表示了测距信号在测量站和目标之间传输一个来回所需的时间，由此时间可计算出目标与测量站之间的距离。
2.一种实施权利要求1所述方法的测距装置，包括混沌产生电路(2)、(3)，选码脉冲产 生电路(4)，翻转触发器(6)及(14)，混沌序列存贮电路⑶及(12)，阈值比较器(13)及异 或门(7)。
全文摘要
本发明公开一种混沌测距方法及装置，可用于飞行器测控、移动目标的距离测量。如说明书附图1所示混沌信号经量化器3成为二进制序列，它在调制器16进行载波调制后发送至信道，同时由选码脉冲电路4选取M个码片中的前N个(N≤M)存贮到移位寄存器8。目标17接收信号后发出应答信号至接收机10，经采样、匹配滤波相关、阈值判决器13判决，待出现相关峰值时得到的测距脉冲(15)宽度就是信号在测量站和目标间传输一个来回所需的时间，换算可得目标与测量站间的距离。其主要优点如下测距信号具有非常高的保密性和抗截获性能；实现复杂度更简单，并可实现动态连续测量。本发明特别适用于远距离测控及对测距保密性、抗截获性要求高的场合。
文档编号G01S13/36GK101799539SQ201010042009
公开日2010年8月11日 申请日期2010年1月5日 优先权日2010年1月5日
发明者何世彪, 吴乐华, 罗冬梅, 肖利丽, 袁宝峰, 谷诚 申请人:中国人民解放军重庆通信学院