CN107124700A - 一种基于tdoa通信距离估计的不确定性分析方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于TDOA通信距离估计的不确定性分析方法，涉及基于TDOA无线通信距离估计过程中的不确定性分析。本发明是为了有效解决基于TDOA通信距离估计过程中的不确定性敏感性分析和传播问题。本发明所述的一种基于TDOA通信距离估计的不确定性分析方法，首先分析距离估计过程中的不确定性因素，采用偏微分的方法获得不确定性因素的敏感因子；然后测量基于TDOA通信距离估计中传输时间差测量的不确定性，从而评估传输时间测量不确定度对距离估计结果的影响程度，为改善通信距离估计精度方法提供支持；最后，计算传输时间差测量值的不确定性传播到距离估计结果的影响，并以此来评估通信距离估计的质量，也为后续处理方法提供质量评估参考。

Description

一种基于TDOA通信距离估计的不确定性分析方法
技术领域
本发明涉及通信距离估计和定位技术。
背景技术
实际无线通信环境中，由于噪声、环境和测量误差等不良因素的影响，引起通信距离估计具有较大的误差，导致通信距离估计结果具有很强的不确定性，给通信距离估计精度提高的途径和方法，以及通信距离值在后续定位计算等处理方法提出了挑战。针对上述问题，本发明对基于TDOA通信距离估计过程中引起不确定性的因素进行敏感性分析，分析出导致不确定性的主要因素及机理，为改善距离估计精度提供指导。
发明内容
本发明的目的是为了有效解决基于TDOA通信距离估计过程中的不确定性敏感性分析和传播问题，提供一种基于TDOA通信距离估计的不确定性分析方法。
本发明所述的一种基于TDOA通信距离估计的不确定性分析方法包括以下步骤：
步骤一、TDOA通信距离估计系统中有两个无线传感器网络节点，它们都具有nanoLoc无线射频收发模块和超声波收发器模块，一个为发射节点，另一个为接收节点，发射节点具有超声波发射功能，接收节点具有超声波接收功能，通过接收节点接收到无线电波信号和超声波信号的时间差来估计发射节点和接收节点之间的距离；
步骤二、在发射端，发射节点同时发出电磁波信号和超声波信号，由于在空气中，电磁波信号传播速度远大于超声波传播速度，所以接收节点先后接收到电磁波信号和超声波信号，分别记录接收时刻t1和t2(t2>t1)，通过接收两种信号的时间差可以估计出发射节点和接收节点间的距离，如公式(1)所示：
其中，为距离估计值，c为电磁波在空气中的传播速度，c≈3.0*108m/s，v为超声波在空气中的传播速度，v≈340m/s，Δt为两种信号到达时间差，Δt＝t2-t1；
步骤三、公式(1)中v和c都为常量，所以影响距离估计准确性因素的只有Δt，通过公式(2)求出Δt的敏感因子SΔt，它表示Δt对距离估计值影响程度的大小，
其中，敏感因子SΔt为时间差Δt对距离估计值影响的敏感程度；
步骤四、当发射节点与接收节点间的距离在通信范围内的任意值d时，发射节点同时发出电磁波信号和超声波信号，接收节点分别记下接收到两种信号的时刻t1和t2，得到时间差Δt1，重复以上过程N-1次，其中N为正整数，且10≤N≤100，本专利中N取值为60，由此得到可以得到时间差序列ΔT＝{Δt1,Δt2,Δt3,…,Δtn,…,ΔtN}，对ΔT进行统计计算，得到其统计均值Δt_u和统计标准差Δtσ，将Δt_u作为时间差Δt的最终测量值，Δt_σ作为Δt的不确定度；
步骤五、发射节点和接收节点间距离估计值及其不确定性分别由公式(5)和公式(6)计算得到，
其中不确定性表示距离估计结果D的不确定程度的大小，也与距离估计结果的置信概率相对应，为定位计算等后续处理方法提供先验和决策信息；
步骤六、无线发送节点判断距离估计任务是否完成，若是，则结束距离估计和不确定性分析，否则，继续执行步骤四到步骤六；
附图说明
图1为一种基于TDOA通信距离估计的不确定性分析方法的流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于TDOA通信距离估计的不确定性分析方法包括以下步骤：
步骤一、TDOA通信距离估计系统中有两个无线传感器网络节点，它们都具有nanoLoc无线射频收发模块和超声波收发器模块，一个为发射节点，另一个为接收节点，发射节点具有超声波发射功能，接收节点具有超声波接收功能，通过接收节点接收到无线电波信号和超声波信号的时间差来估计发射节点和接收节点之间的距离；
步骤二、在发射端，发射节点同时发出电磁波信号和超声波信号，由于在空气中，电磁波信号传播速度远大于超声波传播速度，所以接收节点先后接收到电磁波信号和超声波信号，分别记录接收时刻t1和t2(t2>t1)，通过接收两种信号的时间差可以估计出发射节点和接收节点间的距离，如公式(1)所示：
其中，为距离估计值，c为电磁波在空气中的传播速度，c≈3.0*108m/s，v为超声波在空气中的传播速度，v≈340m/s，Δt为两种信号到达时间差，Δt＝t2-t1；
步骤三、公式(1)中v和c都为常量，所以影响距离估计准确性因素的只有Δt，通过公式(2)求出Δt的敏感因子SΔt，它表示Δt对距离估计值影响程度的大小，
其中，敏感因子SΔt为时间差Δt对距离估计值影响的敏感程度；
步骤四、当发射节点与接收节点间的距离在通信范围内的任意值d时，发射节点同时发出电磁波信号和超声波信号，接收节点分别记下接收到两种信号的时刻t1和t2，得到时间差Δt1，重复以上过程N-1次，其中N为正整数，且10≤N≤100，本专利中N取值为60，由此得到可以得到时间差序列ΔT＝{Δt1,Δt2,Δt3,…,Δtn,…,ΔtN}，对ΔT进行统计计算，得到其统计均值Δt_u和统计标准差Δtσ，将Δt_u作为时间差Δt的最终测量值，Δt_σ作为Δt的不确定度；
步骤五、发射节点和接收节点间距离估计值及其不确定性分别由公式(5)和公式(6)计算得到，
其中不确定性表示距离估计结果D的不确定程度的大小，也与距离估计结果的置信概率相对应，为定位计算等后续处理方法提供先验和决策信息；
步骤六、无线发送节点判断距离估计任务是否完成，若是，则结束距离估计和不确定性分析，否则，继续执行步骤四到步骤六；
具体实施方案二，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于TDOA通信距离估计的不确定性分析方法的步骤五作进一步说明，本实施方式中，通信距离d估计结果在区间的概率为68.26％，通信距离d估计结果在区间 的概率为95.44％，通信距离d估计结果在区间 的概率为99.73％。
具体实施方案三，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于TDOA通信距离估计的不确定性分析方法作进一步说明，本实施方式中，从本质上分析出了导致误差产生的主要因素和机理，给出的不确定度能够表明距离估计结果的可信赖程度，给无线定位计算等后续处理方法提供重要的先验知识，提高了其实际应用价值。
具体实施方案四，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于TDOA通信距离估计的不确定性分析方法作进一步说明，本实施方式中，采用偏微分法，通过分析基于TDOA的通信距离估计模型，得到影响距离估计结果的敏感因子及其影响程度的大小。
具体实施方案五，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于TDOA通信距离估计的不确定性分析方法作进一步说明，本实施方式中，能够为提高距离估计结果的精度和价值提供指导，为故障诊断、预测等其他领域的不确定性分析方法提供参考，具有重要的理论与现实意义。该方法适用于无线环境中距离估计和定位技术领域，同时还可以扩展到水下的定位技术应用中。

Claims (5)

1.一种基于TDOA通信距离估计的不确定性分析方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
步骤一、TDOA通信距离估计系统中有两个无线传感器网络节点，它们都具有nanoLoc无线射频收发模块和超声波收发器模块，一个为发射节点，另一个为接收节点，发射节点具有超声波发射功能，接收节点具有超声波接收功能，通过接收节点接收到无线电波信号和超声波信号的时间差来估计发射节点和接收节点之间的距离；
步骤二、在发射端，发射节点同时发出电磁波信号和超声波信号，由于在空气中，电磁波信号传播速度远大于超声波传播速度，所以接收节点先后接收到电磁波信号和超声波信号，分别记录接收时刻t1和t2(t2>t1)，通过接收两种信号的时间差可以估计出发射节点和接收节点间的距离，如公式(1)所示：
其中，为距离估计值，c为电磁波在空气中的传播速度，c≈3.0*108m/s，v为超声波在空气中的传播速度，v≈340m/s，Δt为两种信号到达时间差，Δt＝t2-t1；
步骤三、公式(1)中v和c都为常量，所以影响距离估计准确性因素的只有Δt，通过公式(2)求出Δt的敏感因子SΔt，它表示Δt对距离估计值影响程度的大小，
其中，敏感因子SΔt为时间差Δt对距离估计值影响的敏感程度；
步骤四、当发射节点与接收节点间的距离在通信范围内的任意值d时，发射节点同时发出电磁波信号和超声波信号，接收节点分别记下接收到两种信号的时刻t1和t2，得到时间差Δt1，重复以上过程N-1次，其中N为正整数，且10≤N≤100，本专利中N取值为60，由此得到可以得到时间差序列ΔT＝{Δt1,Δt2,Δt3,...,Δtn,...,ΔtN}，对ΔT进行统计计算，得到其统计均值Δt_u和统计标准差Δtσ，将Δt_u作为时间差Δt的最终测量值，Δt_σ作为Δt的不确定度；
步骤五、发射节点和接收节点间距离估计值及其不确定性分别由公式(5)和公式(6)计算得到，
其中不确定性表示距离估计结果D的不确定程度的大小，也与距离估计结果的置信概率相对应，为定位计算等后续处理方法提供先验和决策信息；
步骤六、无线发送节点判断距离估计任务是否完成，若是，则结束距离估计和不确定性分析，否则，继续执行步骤四到步骤六。
2.根据权利要求1所述的一种基于TDOA通信距离估计的不确定性分析方法的步骤五作进一步说明，其特征在于通信距离d估计结果在区间的概率为68.26％，通信距离d估计结果在区间的概率为95.44％，通信距离d估计结果在区间的概率为99.73％。
3.根据权利要求1所述的一种基于TDOA通信距离估计的不确定性分析方法作进一步说明，其特征在于从本质上分析出了导致误差产生的主要因素和机理，给出的不确定度能够表明距离估计结果的可信赖程度，给无线定位计算等后续处理方法提供重要的先验知识，提高了其实际应用价值。
4.根据权利要求1所述的一种基于TDOA通信距离估计的不确定性分析方法作进一步说明，其特征在于采用偏微分法，通过分析基于TDOA的通信距离估计模型，得到影响距离估计结果的敏感因子及其影响程度的大小。
5.根据权利要求1所述的一种基于TDOA通信距离估计的不确定性分析方法作进一步说明，其特征在于为提高距离估计结果的精度和价值提供指导，为故障诊断、预测等其他领域的不确定性分析方法提供参考，具有重要的理论与现实意义。
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