[发明专利]一种基于码分复用的通信与测距一体化系统和方法

说明书

本发明涉及一种基于码分复用的通信与测距一体化系统和方法，该系统由发射机和接收机组成，所述发射机采用相互正交的扩频码对定位数据和通信数据进行扩频，实现基带信号到射频信号的转换；所述接收机首先将接收到的射频信号转换为基带信号，利用不同的扩频码恢复原始的定位数据和通信数据，同时测量出发射机到接收机之间的距离。该方法包括定位和通信数据生成、多路正交伪随机码扩频、射频发射、射频接收、相关时延估计、多路正交伪随机码解扩、定位和通信数据恢复等七个步骤。本发明可以在飞行器节点间建立双向无线链路，同时完成通信和测距两种功能，在保持一定测距精度的前提下提高通信传输速率。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种新型的无线通信和测距一体化方法，特别适用于无人机集群间的通信和相对定位。

背景技术

当前随着无人系统技术的不断发展，以无人机集群、导弹集群和卫星编队为代表无人飞行器集群在军事、工业和农业等领域得到了广泛的应用和发展。无人飞行器集群的组网通信和相对定位是实现集群任务协同、编队保持和监控管理的关键技术。飞行器集群的组网通信是实现数据业务、控制指令等信息交互的基础，主要是利用不同飞行器节点间的无线链路进行传输。飞行器集群的相对定位具有多种实现方法，最常用的方式是集群各节点利用全球卫星导航系统获取自身位置，通过无线链路获取其他节点位置信息实现相对定位。集群利用卫星导航等外部定位系统获取自身位置，在对抗条件下容易受到干扰而瘫痪。此外，当飞行器集群处于室内或者城市等不利于获取卫星信号的场景时，卫星导航信息微弱从而影响自身位置信息获取。因此，无人飞行器集群利用自身设备实现自主相对定位，脱离对导航卫星信号的依赖，对于复杂场景下集群编队飞行具有重要意义。

飞行器间自主相对定位可以采用光学定位和无线电定位两种方法。光学定位方法精度较高，但是容易受到环境的影响且光学系统的对准难度较大。无线电自主定位是利用无线电波测量不同节点间的距离或者角度，主要的实现方法包括蜂窝网定位、WIFI定位、蓝牙定位、超宽带UWB定位、ZigBee系统定位等。这些无线电定位系统与无线电通信系统属于两个独立的系统，采用不同的硬件资源和频带资源来同时实现定位和通信功能。因此，通信系统和定位系统采用一体化设计，可以显著较少对飞行器节点重量、体积和功耗的需求，有利于飞行器节点的小型化设计。

针对体积受限的无人机飞行器集群，通常采用距离测量实现节点间的相对定位。目前，通信与测距一体化系统设计普遍基于扩频码实现，具有测量精度高、无模糊距离长、抗干扰能力强等特点。无线电测距系统为提高测距精度要求提高扩频码的速率和周期，不利于提高扩频通信系统的传输速率。2009年，施浒立、崔君霞等登记的发明专利“导航和通信一体化信号结构”(发明专利申请号：200910084033.8)中提出利用正交和同相两条正交之路分别传输导航电文和通信电文，或者传输通信电文与导航定位短电文交替的组合电文，但是系统的通信效率较低。2012年，李文刚、张跃龙等登记的发明专利“宽带无线通信与测距定位一体化系统和方法”(发明专利申请号：201210392983.9)中提出将通信信息与扩频后的测距定位信息在同一频带叠加，但是通信信号和测距定位信号之间存在相互干扰。因此，为了同时提高测距精度和通信速率，迫切需要一种新型的通信与测距一体化系统设计方法。

发明内容

本发明针对现有无线通信与测距一体化技术存在的不足，提出了一种基于码分复用的通信与测距一体化系统及其方法，可以在飞行器节点间建立双向无线链路，同时完成通信和测距两种功能，在保持一定测距精度的前提下提高通信传输速率。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

本发明提出的通信与测距一体化系统由发射机和接收机组成，发射机和接收机利用无线信道进行信号传输。发射机采用相互正交的扩频码对定位数据和通信数据进行扩频，实现基带信号到射频信号的转换。接收机首先将接收到的射频信号转换为基带信号，利用不同的扩频码恢复原始的定位数据和通信数据，同时测量出发射机到接收机之间的距离。

该通信与测距一体化系统的发射机主要包括：