CN102196559B - 基于tdoa定位的通道时延误差消除方法 - Google Patents

Abstract

一种基于TDOA定位的通道时延误差消除方法，解决监测节点通道时延差对TDOA测量值的干扰使得定位结果误差偏大的问题。该方法的步骤是：用时钟同步设备GPS对接收机进行时钟同步；接收机收到定位网络管理中心的定位指令后，在同一时刻对被监测信号打时标；同时，监测节点数字单元存储AD采样信号；监测节点将AD采样信号发送到管理中心，由管理中心统计接收机的通道时间延迟差；管理中心根据GCC法计算总的时间延迟差；管理中心利用总的时间延迟差和通道时间延迟差计算出空中传输时延差；管理中心根据空中传输时间延迟差对目标节点进行定位。本发明可减少通道时延差对时间延迟估计带来的误差，提高网络定位精度。

Description

基于TDOA定位的通道时延误差消除方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线通信技术、信号处理技术领域，具体涉及到基于到达时间差(Time Difference of Arrival，TDOA)定位的通道时延误差消除的方法，可用于蜂窝网、无线传感器网络或其他网络的电磁频谱信号源定位与跟踪业务中采用TDOA定位时，消除监测设备之间通道时延误差。

背景技术

随着移动通信技术的迅速发展，电磁频谱信号源定位技术已经成为下一代移动通信系统所必须具备的功能。近年来，研究结果表明，由于电磁频谱监测工作多是对信号的被动无源监测，无法实现对被监测目标的控制，因此监测目标和监测节点之间无法实现严格时钟同步。而TDOA定位方法只要求实现监测节点之间的时钟同步，可适用于蜂窝网、无线传感器网络等多种类型网络。且该定位方法由于应用成本低、定位精度较高，因而受到广泛关注，并在3GPP中被确定为一种标准的定位方法。

TDOA定位方法由两个步骤组成：一、估计无线电信号在空中的传播时间延迟差；二、采用该时延差计算目标节点的位置。时间延迟差简称时延差，即TDOA，是指由于被监测目标所发射无线电信号到达不同监测节点的传播距离不同，不同监测节点所接收到的同源信号之间的时间差。时间延迟差估计是指利用参数估计和信号处理的理论和方法，根据所接收到的监测信号，准确、快速地估计出不同监测节点之间由于监测信号传播路径不同而引起的时间延迟差。由此进一步确定其他相关的目标参量，例如目标节点的距离、方位角、运动方向和速度等。网络定位正是利用时间延迟差来计算目标节点和监测节点的距离差，因此准确、快速地估计时间延迟差是网络定位的前提。

时延差估计技术是近十多年来发展起来的新技术，其在实际工程中的应用引起了人们的极大的关注。在国外，时延差估计技术已在军事、地球物理、生物医学和工业过程的领域得到了广泛的应用。在国内，时延差估计技术也在被动定位和跟踪技术领域开始应用。目前可供选择的时间延迟差估计算法有多种，如：基本相关法，广义相关函数GCC法，广义相位谱法，自适应LMS滤波器法等。

实际网络定位时，由于不同监测节点的模拟通道之间难免存在差异，造成被监测信号在不同通道通过时所形成的时间延迟不同，使得利用上述算法估计出来的时间延迟差中不仅包括信号在空中传播的时间延迟差，也包括了通道时延差，这就使得由时间延迟差计算出来的距离差存在很大的误差。如Jaccob Benesty等人于2004年9月在IEEE发表的文章《Time-Delay Estimation via Linear Interpolation and Cross Correlation》，仅仅利用相关法计算得到的包含实际的通道时延误差的TDOA值进行定位，会造成较大的误差。可见，在网络定位时，若未能消除通道时延差，便无法准确计算出空中传输距离差，从而影响定位精度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种基于TDOA定位的通道时延误差消除方法，以减小时延估计的误差，提高了定位精度。

实现本发明的技术思路是，针对不同监测节点通道对监测信号的时间延迟不同，通过在监测信号中人为添加时间标志的方法，称为“打时标”，进行通道时延误差估计，其具体实现步骤包括如下：

(1)记录同步误差：FPGA从装在n个监测节点上的n个GPS仪器上分别解析各自记录的时间，确定误差在15ns之内，实现n个监测节点之间的精确时间同步。

(2)处理被检测信号：n个监测节点的数字单元将被监测信号存储为AD采样信号，同时对该AD采样信号打时标；打时标的方法是在收到定位网络管理中心对其发送的定位指令后，n个监测节点的数字单元在同一时刻发送控制信号给监测节点通道入口的电子开关，电子开关收到控制信号后，打开通道，通道中形成信号上升沿，将通道中接收到的信号上升沿形成较为稳定波形的时刻记录为打上时标的时刻。

(3)计算通道时延差：将所有监测节点的AD采样信号送入定位网络管理中心，定位网络管理中心计算信号中所添加时间标志之间的时间差，以获得n个监测节点的通道之间时间延迟差。

(4)计算总时延差：定位网络管理中心利用广义相关GCC法计算AD采样信号之间由被监测信号的空中传输延迟差，通道时间延迟差，同步误差组成的总的时间延迟差。

(5)消除通道时延差：用步骤(4)中获得的总时间延迟差减去步骤(3)中获得的通道时间延迟差，得到空中传输延迟差。

(6)定位阶段：定位网络管理中心根据步骤(5)中计算所得的空中传输延迟差，利用TDOA方法对目标节点进行定位，得到目标节点的坐标。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明由于使用人为添加时间标志的打时标技术，估计出以往方法所未能考虑到的定位网络中不同监测节点通道对被监测信号的延迟误差，从而避免了通道延迟误差对TDOA测量值的干扰，测得更精确的TDOA测量值，提高了网络定位的精度。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明打时标的原理图；

图3为本发明对被监测信号之间的通道时延差示意图；

图4为本发明在监测节点数目变化情况下的仿真图；

图5为本发明在监测节点覆盖范围变化情况下的仿真图；

具体实施方式

参考图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，记录同步误差

从装在n个监测节点上的n个GPS仪器上分别读取各自记录的时间，记录n个监测节点之间时间同步误差，分别为δ_i，j，i，j＝1，2，3，...，n，且i≠j，确定误差在允许范围之内，实现n个监测节点之间的精确时间同步。

步骤2，处理被检测信号

2a)参考图2，收到定位命令后，n个监测节点的数字单元在同一时刻发送通道打开控制信号给监测节点通道入口的电子开关，电子开关收到统一的通道打开控制信号后，同时打开通道，通道中形成信号上升沿，该上升沿间的时间差就是通道时延差；

2b)n个监测节点的数字单元将接受到被检测信号存储为AD采样信号。

步骤3，计算通道时延差

参照图3：将步骤2b)中所有n个监测节点的AD采样信号送入定位网络管理中心，本发明的实施例取n＝3，定位网络管理中心按以下步骤统计信号中所添加时间标志之间的时间差R_i，j：

3a)将AD采样信号的峰值做归一化处理。过程如下：三条曲线中每个点的采样值定义为x，归一化处理之后的值定义为y，利用公式：

$y=\frac{(x-\min \mathrm{value})}{(\max \mathrm{value}-\min \mathrm{value})}$

完成归一化处理，其中min value代表该曲线中采样值的最小值，maxvalue代表该曲线中采样值的最小值；

3b)在AD采样信号被打上时标的位置进行统计：横线A为打在三个监测节点采样信号上的时标，记录图中三条曲线横轴所示的达到该信号幅度时的采样点数；

3c)计算采样点数的两两差值，即为n个监测节点的通道之间通道时延差R_i，j，i，j＝1，2，3，...，n，且i≠j。

步骤4，计算总时延差

定位网络管理中心利用广义相关GCC法计算AD采样信号之间总的时间延迟差τ_ij，τ_ij包括了被监测信号的空中传输延迟差TDOA_i，j，通道时间延迟差R_i，j，同步误差δ_i，j，i，j＝1，2，3，...，n，且i≠j：

4a)系统中n个监测节点组成一个定位系统，通过下列方程估计出总的时延差τ_ij：

x_i(t)＝as(t-τ_i)+n_i(t)

x_j(t)＝bs(t-τ_j)+n_j(t)

其中，x_i(t)和x_j(t)分别为监测节点i和j接收到的被监测信号的数学模型，s(t-τ_i)和s(t-τ_j)分别为不同的两个监测节点收到目标节点发出的被监测信号，τ_i和τ_j分别为被监测信号到达监测节点i和j的传播时间，τ_ij＝τ_i-τ_j为两个监测节点接收被监测信号的延迟时间差，即总的到达时间差。a和b分别为被监测信号到达不同监测节点后的衰减系数，n_i(t)和n_j(t)为监测节点接收的除被监测信号外附加的随机噪声，在仿真分析时假定随机噪声是零均值的平稳噪声，且与被监测信号s(t)独立；

4b)按照下列公式计算x_i(t)和x_j(t)的互相关函数，得到：

$R_{x_i{x}_j}\left(\mathrm{\τ}\right)=E\left[x_i\left(t\right)x_j(t+\mathrm{\τ})\right]$

$={\mathrm{abR}}_{\mathrm{ss}}(\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}})+R_{n_i{n}_j}\left(\mathrm{\τ}\right)$

其中，R_ss(τ)＝E[s(t)s(t+τ)]是被监测信号s(t)的自相关序列，

是两个噪声的互相关序列，E(·)是数学期望。由于噪声之间互不相关，则

故

$R_{x_i{x}_j}\left(\mathrm{\τ}\right)={\mathrm{abR}}_{\mathrm{ss}}(\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}})$

4c)由自相关函数的性质：

|R_ss(τ-τ_ij)|≤R_ss(0)

则，互相关函数

在τ＝τ_ij处取得最大值。互相关函数取得最大值时的滞后时间τ便是对总的时延差τ_ij的估计；

4d)当有限长的观测时间和噪声源之间并不完全独立时，对互相关函数进行加窗平滑即加权处理，以克服在τ＝τ_ij处不一定取得峰值的误差，获得较好的时延差估计。如下式：

$R_{x_i{x}_j}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{S}_{x_i{x}_j}\left(f\right)\mathrm{\Φ}\left(f\right)e^{j2\mathrm{\πf\τ}}\mathrm{df}$

$=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\mathrm{\ψ}\left(f\right)e^{j2\mathrm{\πf\τ}}\mathrm{df}$

其中，

是两个监测节点接收的被监测信号的互相关谱，Φ(f)为窗函数，

为广义相关谱，故时延差τ_ij为：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}=\arg \max R_{x_i{x}_j}\left(\mathrm{\τ}\right)$

步骤5，消除通道时延差

用总的时间延迟差τ_ij中减去通道时间延迟差R_i，j，得到只含有同步误差δ_i，j的空中传输延迟差TDOA_i，j：

TDOA_i，j+δ_i，j＝τ_ij-R_i，j

由该公式计算出来的空中时延差TDOA_i，j包含可容忍的同步误差δ_i，j，忽略同步误差δ_i，j，得到下式作为空中时延差TDOA的估计值：

TDOA_i，j≈TDOA_i，j+δ_i，j

步骤6，定位阶段

定位网络管理中心根据步骤6中计算所得的空中时延差TDOA_i，j，对目标节点进行定位，得到目标节点的坐标：

6a)监测节点的坐标为(x_i，y_i)，其中，i＝1，2，3，...n，n为监测节点的数目，第i个监测节点和第j个监测节点到目标节点的距离分别为：

$d_i=\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2}$

$d_j=\sqrt{{(x_j-x)}^2+{(y_j-y)}^2}$

其中，(x，y)为目标节点的坐标，是要求解的未知值，而d_i和d_j两者的距离差d_ij为：

$d_{\mathrm{ij}}=\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2}-\sqrt{{(x_j-x)}^2+{(y_j-y)}^2}$

6b)根据步骤5中计算出的空中时延差，计算出d_ij：

d_ij＝c×TDOA_i，j＝c×(τ_ij-R_i，j)

其中，c为电磁波传播速度。将6b)中的式子代入6a)以得到以未知节点坐标为未知变量的方程：

$c\×({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}-R_{i,j})=\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2}-\sqrt{{(x_j-x)}^2+{(y_j-y)}^2}$

取不同的i，j，得到两个上式这样的式子，联立这两个式子，求得目标节点的坐标(x，y)。

本发明的效果可以通过下面的仿真实例得到进一步证明：

一、仿真条件

假设TDOA的时钟同步误差服从均值为15ns的正态分布，目标节点的坐标为(-150，100)，参考节点的坐标为(20，100)，单位为m，其他监测节点分布在覆盖范围的圆周上。每个监测节点和参考节点之间通道时延差为100ns，分别在以下条件下进行仿真：

仿真条件1：监测节点的数目为3～8个，监测节点的覆盖范围半径为1000m，时钟同步误差的均值为15ns；

仿真条件2：监测节点数目为5个，监测节点的覆盖范围半径的变化范围为200m～2000m，时钟同步误差的均值为15ns。

二、仿真内容与结果

仿真1：用本发明、未消除通道时延差的系统在仿真条件1下，分别对目标节点进行1000次定位计算，得到目标节点的坐标误差，如图4所示，圆圈连起的曲线表示应用本发明后消除通道时延差的定位性能曲线，星号连起的曲线表示未应用本发明，带有通道时延差时的定位性能曲线。

由图4可见，在监测节点数目从3个到8个变化时，应用本发明消除了通道时延差的系统与未消除通道时延差的系统对目标节点计算的坐标误差均减小。比较可见，应用本发明的系统相比未消除通道时延差的系统，定位性能有进一步的提高。

仿真2：用本发明、未消除通道时延差的系统在仿真条件2下，分别对目标节点进行1000次定位计算，得到目标节点的坐标误差，如图5所示，圆圈连起的曲线表示应用本发明后消除通道时延差的定位性能曲线，星号连起的曲线表示未应用本发明，带有通道时延差时的定位性能曲线。

由图5可见，在监测节点覆盖范围的半径从200m变化到2000m时，应用本发明消除了通道时延差的系统与未消除通道时延差的系统对目标节点计算的坐标误差均趋于平缓。比较可见，应用本发明的系统相比未消除通道时延差的系统，定位性能有进一步的提高。

综合上述仿真结果，应用本发明的定位系统定位目标节点的坐标时，能很好的消除通道时延差对时间延迟估计带来的误差，提高了网络定位的精度。

Claims (4)

1.一种基于TDOA定位的通道时延误差消除方法，其具体实现步骤包括如下：

(1)记录同步误差：FPGA从装在n个监测节点上的n个GPS仪器上分别解析各自记录的时间，确定误差在15ns之内，实现n个监测节点之间的精确时间同步；

(2)处理被检测信号：n个监测节点的数字单元将被监测信号存储为AD采样信号，同时对该AD采样信号打时间标志；打时间标志的方法是在收到定位网络管理中心对其发送的定位指令后，n个监测节点的数字单元在同一时刻发送控制信号给监测节点通道入口的电子开关，电子开关收到控制信号后，打开通道，通道中形成信号上升沿，将通道中接收到的信号上升沿形成较为稳定波形的时刻记录为打上时间标志的时刻；

(3)计算通道时延差：将所有监测节点的AD采样信号送入定位网络管理中心，定位网络管理中心计算信号中所添加时间标志之间的时间差，以获得n个监测节点的通道之间时延差；

(4)计算总时延差：定位网络管理中心利用广义相关GCC法计算AD采样信号之间由被监测信号的空中时延差，通道时延差，同步误差组成的总的时延差；

(5)消除通道时延差：用步骤(4)中获得的总时延差减去步骤(3)中获得的通道时延差，得到空中时延差；

(6)定位阶段：定位网络管理中心根据步骤(5)中计算所得的空中时延差，利用TDOA方法对目标节点进行定位，得到目标节点的坐标。

2.根据权利要求1所述的基于TDOA定位的通道时延误差消除方法，其特征在于：所述步骤(3)中计算信号所添加时间标志之间的时间差的方法为，记录不同监测节点接收到的AD采样信号时间标志位置所对应的采样点数，采样点数之间的两两差值就是所加时间标志之间的时间差。

3.根据权利要求1所述的基于TDOA定位的通道时延误差消除方法，其特征在于：所述步骤(4)的广义相关GCC求解总的时延差的步骤如下：

3a)系统中n个监测节点组成一个定位系统，通过下列方程估计出总的时延差τ_ij：

$x_i\left(t\right)=\mathrm{as}(t-{\mathrm{\τ}}_i)+n_i\left(t\right)$

$x_j\left(t\right)=\mathrm{bs}(t-{\mathrm{\τ}}_j)+n_j\left(t\right)$

其中，x_i(t)和x_j(t)分别为监测节点i和j接收到的被监测信号的数学模型；s(t-τ_i)和s(t-τ_j)分别为不同的两个监测节点收到目标节点发出的被监测信号，τ_i和τ_j分别为被监测信号到达监测节点i和j的传播时间，τ_ij＝τ_i-τ_j为两个监测节点接收被监测信号的时延差，即总的到达时间差；a和b分别为被监测信号到达不同监测节点后的衰减系数；n_i(t)和n_j(t)为监测节点接收的除被监测信号外附加的随机噪声，在仿真分析时假定随机噪声是零均值的平稳噪声，且与被监测信号s(t)独立；

3b)按照下列公式计算x_i(t)和x_j(t)的互相关函数：

$R_{x_i{x}_j}\left(\mathrm{\τ}\right)=E\left[x_i\left(t\right)x_j(t+\mathrm{\τ})\right]$

$=\mathrm{ab}{R}_{\mathrm{ss}}(\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}})+R_{n_i{n}_j}\left(\mathrm{\τ}\right)$

其中，R_ss(τ)＝E[s(t)s(t+τ)]是被监测信号s(t)的自相关序列，

是两个噪声的互相关序列，E(·)是数学期望；由于噪声之间互不相关，

故

$R_{x_i{x}_j}\left(\mathrm{\τ}\right)=\mathrm{ab}{R}_{\mathrm{ss}}(\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}})$

3c)根据自相关函数|R_ss(τ-τ_ij)|≤R_ss(0)的性质，互相关函数

在τ＝τ_ij处取得最大值，记录互相关函数取得最大值时的滞后时间τ，作为对总的时延差τ_ij的估计；

3d)当有限长的观测时间和噪声源之间并不完全独立时，按下式对互相关函数进行加窗平滑的加权处理：

$R_{x_i{x}_j}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{S}_{x_i{x}_j}\left(f\right)\mathrm{\Φ}\left(f\right)e^{j2\mathrm{\πf\τ}}\mathrm{df}$

$=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\mathrm{\ψ}\left(f\right)e^{j2\mathrm{\π\τ}}\mathrm{df}$

其中，

(f)＝E[X_i(f)X_j(f)]是两个监测节点接收的被监测信号的互相关谱，Ф(f)为窗函数，

(f)Ф(f)为广义相关谱，故时延差τ_ij为： ${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}=\arg \max R_{x_i{x}_j}\left(\mathrm{\τ}\right).$

4.根据权利要求1所述的基于TDOA定位的通道时延误差消除方法，其特征在于：所述步骤(5)的空中时延差包含可容忍的同步误差。

Images