CN107870317B - 一种基于时差计算的窄带信号tdoa定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时差计算的窄带信号TDOA定位方法及装置，该方法包括：接收不同测量站收到同一个辐射源发出的窄带信号；分别去除窄带信号之间的相对频偏值进行频偏纠正；根据频偏纠正后的窄带信号计算时间差，进行TDOA定位。本发明针对窄带信号，通过消除来自两个接收机的信号的频偏差，从而提高时差计算精度，最终提高了TDOA定位系统的性能。

Description

一种基于时差计算的窄带信号TDOA定位方法及装置

技术领域

本发明属于无源定位的技术领域，尤其是涉及一种基于时差计算的窄带信号TDOA定位方法及装置。

背景技术

无源定位相对于有源定位，不需要发射电磁波，无源定位通过接收目标辐射源发射电磁波来确定目标的位置。无源定位中的TDOA定位技术尤其受到业界的广泛关注，TDOA定位技术具有定位精度高、易组网实现等优点。TDOA定位首先要解决的问题就是要计算同一信号到达不同接收机的时间差。

时间延迟，即时间差的计算在许多工程应用领域都有应用，因此，关于时间延迟的计算是现代信号处理领域的重要研究课题。

在时间差的计算方法中，传统的相关法是经典的计算方法。但是在实际环境中，存在环境噪声以及各种干扰，相关法达不到令人满意的结果。为了改进基本相关时延估计算法的缺陷，人们提出了广义加权相关时延估计算法，该算法在接收机前端对信号进行预处理，增强了信号中信噪比比较高的频率成分，抑制了噪声，从而提高了时延估计的可靠性。

广义相关时延计算方法是利用信号的二阶统计量进行时差计算，在相关函数之前进行预滤波处理，从而得到更好的时差估值。但是，在实际环境中对讲机、虚警仪等设备发出的窄带信号的带宽较窄，信号的带宽越窄，对应到时域内的相关函数就会被展的很宽，时差估计算法的精度越低，对窄带信号进行时差估计难以达到较高的精度。传统的广义相关时延估计算法对宽带信号效果不错，但是，相对于宽带信号来说，窄带信号时延估计的效果差一些。因为窄带信号的绝对带宽较小，在高采样率下得到的相对带宽就很小。因此，时差估计的难度越大。

综上所述，针对现有技术中存在的上述问题，需要一种针对窄带信号定位精度高的基于时差计算的窄带信号TDOA定位方法及装置。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于时差计算的窄带信号TDOA定位方法及装置，通过对接收到的不同测量站的测量信号进行修正，消除不同测量站的接收机的信号之间的频偏差，有效提高时差计算的精度，进而提高了TDOA定位系统的性能。

本发明的第一目的是提供一种基于时差计算的窄带信号TDOA定位方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：

一种基于时差计算的窄带信号TDOA定位方法，该方法包括以下步骤：

接收不同测量站收到同一个辐射源发出的窄带信号；

分别去除窄带信号之间的相对频偏值进行频偏纠正；

根据频偏纠正后的窄带信号计算时间差，进行TDOA定位。

在本发明中，对传统的广义相关时延计算方法进行改进，有效去除窄带信号之间的相对频偏值，解决了窄带信号对于频偏敏感的问题，提高针对窄带信号的TDOA定位中的时差计算的精度，对窄带信号的时间延迟进行有效计算，最终提高了TDOA定位系统的性能。

作为进一步的优选方案，所述不同测量站收到同一个辐射源发出的窄带信号，两两对比计算时间差，两个测量站接收的信号分别为第一窄带信号和第二窄带信号。

作为进一步的优选方案，所述第一窄带信号和第二窄带信号均为I-Q数据格式。

作为进一步的优选方案，所述分别去除窄带信号之间的相对频偏值进行频偏纠正包括：针对所述第一窄带信号去除窄带信号之间的相对频偏值进行频偏纠正和针对所述第二窄带信号去除窄带信号之间的相对频偏值进行频偏纠正。

作为进一步的优选方案，所述针对所述第一窄带信号或所述第二窄带信号去除窄带信号之间的相对频偏值进行频偏纠正，具体包括以下步骤：

获取所述第一窄带信号或所述第二窄带信号向量的相位角；

对相位角序列进行解卷绕，并进行一维拟合，得到一维拟合函数；

根据一维拟合函数的斜率对所述第一窄带信号或所述第二窄带信号进行修正，消除相对频偏。

作为进一步的优选方案，在本方法中，采用线性回归的方法对解卷绕的相位角序列进行一维拟合。

作为进一步的优选方案，在本方法中，还将频偏纠正后的所述第一窄带信号或所述第二窄带信号进行相关解算，得到相关解算信号。

作为进一步的优选方案，在本方法中，还将相关解算信号进行峰值检测，计算得到时间差，进行TDOA定位。

本发明的第二目的是提供一种计算机可读存储介质。

为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：

一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备设备的处理器加载并执行以下处理：

接收不同测量站收到同一个辐射源发出的窄带信号；

分别去除窄带信号之间的相对频偏值进行频偏纠正；

根据频偏纠正后的窄带信号计算时间差，进行TDOA定位。

本发明的第三目的是提供一种基于时差计算的窄带信号TDOA定位装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：

一种基于时差计算的窄带信号TDOA定位装置，采用计算终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行以下处理：

接收不同测量站收到同一个辐射源发出的窄带信号；

分别去除窄带信号之间的相对频偏值进行频偏纠正；

根据频偏纠正后的窄带信号计算时间差，进行TDOA定位。

本发明的有益效果：

本发明所述的一种基于时差计算的窄带信号TDOA定位方法及装置，对传统的广义相关时延计算方法进行改进，有效去除窄带信号之间的相对频偏值，解决了窄带信号对于频偏敏感的问题，提高针对窄带信号的TDOA定位中的时差计算的精度，对窄带信号的时间延迟进行有效计算，最终提高了TDOA定位系统的性能。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明中的方法流程图；

图2为实施例1中时差计算流程图；。

具体实施方式：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。针对本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本实施例使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于时差计算的窄带信号TDOA定位方法及装置，通过对接收到的不同测量站的测量信号进行修正，消除不同测量站的接收机的信号之间的频偏差，有效提高时差计算的精度，进而提高了TDOA定位系统的性能。

在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

本实施例1的目的是提供一种基于时差计算的窄带信号TDOA定位方法。

在本实施例中设定两个测量站的接收机收到同一个辐射源发出的信号，接收的信号分别是第一信号x(t)和第二信号y(t)，表达式如下：

x(t)＝s(t)+n₁(t)

y(t)＝As(t-D)+n₂(t)

其中，D是需要计算的时间延迟。n₁(t)和n₂(t)是噪声。A是两个信号幅值的比值。为了提高抗干扰的性能，现有的广义相关时延计算方法是在x(t)和y(t)之后加上第一滤波器H₁(f)，第二滤波器H₂(f)进行预处理，再通过积分器，求平方，最后进行峰值检测。

然而，数字下变频的本地振荡信号不可能与接收信号的载频信号完全相同，这就会导致频偏的存在。由于控制中心需要对来自两台接收机的信号求相关，而两台接收机之间也不能保证性能完全一致，这就导致两个信号的频偏不一致。窄带信号对于频偏特别敏感，如果不能有效去除两个信号的相对频偏值，会对时差计算造成很大的影响，甚至失效。

为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：

控制中心接收测量站传输过来的IQ数据，因此，实际处理过程中，主要针对复数数据进行处理。本发明的方法流程图如图1所示，本实施例的实际处理过程图2所示，x(t)和y(t)表示两个测量站的接收机接收到的同一辐射源发出的信号。为了消除两个信号由于接收机造成的相对频偏，本实施例提出一种基于时差计算的窄带信号TDOA定位方法，该方法包括以下步骤：

步骤(1)：接收不同测量站收到同一个辐射源发出的窄带信号；

在步骤(1)中，所述不同测量站收到同一个辐射源发出的窄带信号，两两对比计算时间差，两个测量站接收的信号分别为第一窄带信号和第二窄带信号。

所述第一窄带信号和第二窄带信号均为I-Q数据格式。

步骤(2)：分别去除窄带信号之间的相对频偏值进行频偏纠正；

在步骤(2)中，所述分别去除窄带信号之间的相对频偏值进行频偏纠正包括：针对所述第一窄带信号去除窄带信号之间的相对频偏值进行频偏纠正和针对所述第二窄带信号去除窄带信号之间的相对频偏值进行频偏纠正。

所述针对所述第一窄带信号去除窄带信号之间的相对频偏值进行频偏纠正，具体包括以下步骤：

步骤(2a-1)：获取所述第一窄带信号向量的相位角；

步骤(2a-2)：对相位角序列进行解卷绕；

步骤(2a-3)：对解卷绕后的相位角序列进行一维拟合，得到一维拟合函数；

步骤(2a-4)：根据一维拟合函数的斜率对所述第一窄带信号进行修正，消除相对频偏。

所述针对所述第二窄带信号去除窄带信号之间的相对频偏值进行频偏纠正，具体包括以下步骤：

步骤(2b-1)：获取所述第二窄带信号向量的相位角；

步骤(2b-2)：对相位角序列进行解卷绕；

步骤(2b-3)：对解卷绕后的相位角序列进行一维拟合，得到一维拟合函数；

步骤(2b-4)：根据一维拟合函数的斜率对所述第二窄带信号进行修正，消除相对频偏。

在本实施例中，采用线性回归的方法对解卷绕的相位角序列进行一维拟合。

步骤(3)：根据频偏纠正后的窄带信号计算时间差，进行TDOA定位。

在本实施例中，还将频偏纠正后的所述第一窄带信号或所述第二窄带信号进行相关解算，得到相关解算信号。

将相关解算信号进行峰值检测，计算得到时间差，进行TDOA定位。

在本实施例中，对传统的广义相关时延计算方法进行改进，有效去除窄带信号之间的相对频偏值，解决了窄带信号对于频偏敏感的问题，提高针对窄带信号的TDOA定位中的时差计算的精度，对窄带信号的时间延迟进行有效计算，最终提高了TDOA定位系统的性能。

本实施例中提出了窄带信号的频偏修正技术，针对TDOA定位系统的窄带信号时差计算方法，对两个测量接收机的信号频偏分别进行修正补偿，最低限度保证两路信号的频偏不存在差异，从而提高窄带信号的时间延迟估计精度，实现对窄带信号的时间延迟估计。

与目前广泛应用的广义相关时延估计算法相比，可以对窄带信号的时间延迟进行有效计算，克服广义相关时延估计算法被用于窄带信号的时延估计失效的问题，考虑到了两台测量接收机之间性能不完全一致，导致接收信号的频偏不一致，从而对两个接收机的信号分别进行频偏修正，提高时差计算的精度。

实施例2：

本实施例2的目的是提供一种计算机可读存储介质。

为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：

一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备设备的处理器加载并执行以下处理：

接收不同测量站收到同一个辐射源发出的窄带信号；

分别去除窄带信号之间的相对频偏值进行频偏纠正；

根据频偏纠正后的窄带信号计算时间差，进行TDOA定位。

在本实施例中，计算机可读记录介质的例子包括磁存储介质(例如，ROM，RAM，USB，软盘，硬盘等)、光学记录介质(例如，CD-ROM或DVD)、PC接口(例如，PCI、PCI-Expres、WiFi等)等。然而，本公开的各个方面不限于此。

实施例3：

本实施例3的目的是提供一种基于时差计算的窄带信号TDOA定位装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：

一种基于时差计算的窄带信号TDOA定位装置，采用一种计算终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行以下处理：

接收不同测量站收到同一个辐射源发出的窄带信号；

分别去除窄带信号之间的相对频偏值进行频偏纠正；

根据频偏纠正后的窄带信号计算时间差，进行TDOA定位。

本发明的有益效果：

本发明所述的一种基于时差计算的窄带信号TDOA定位方法及装置，对传统的广义相关时延计算方法进行改进，有效去除窄带信号之间的相对频偏值，解决了窄带信号对于频偏敏感的问题，提高针对窄带信号的TDOA定位中的时差计算的精度，对窄带信号的时间延迟进行有效计算，最终提高了TDOA定位系统的性能。

本领域技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种基于时差计算的窄带信号TDOA定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

接收不同测量站收到同一个辐射源发出的窄带信号；

分别去除窄带信号之间的相对频偏值进行频偏纠正；

根据频偏纠正后的窄带信号计算时间差，进行TDOA定位；

第一窄带信号或第二窄带信号去除窄带信号之间的相对频偏值进行频偏纠正，具体包括以下步骤：

获取所述第一窄带信号或所述第二窄带信号向量的相位角；

对相位角序列进行解卷绕，并进行一维拟合，得到一维拟合函数；

根据一维拟合函数的斜率对所述第一窄带信号或所述第二窄带信号进行修正，消除相对频偏。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不同测量站收到同一个辐射源发出的窄带信号，两两对比计算时间差，两个测量站接收的信号分别为第一窄带信号和第二窄带信号。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一窄带信号和第二窄带信号均为I-Q数据格式。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述分别去除窄带信号之间的相对频偏值进行频偏纠正包括：针对所述第一窄带信号去除窄带信号之间的相对频偏值进行频偏纠正和针对所述第二窄带信号去除窄带信号之间的相对频偏值进行频偏纠正。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在本方法中，采用线性回归的方法对解卷绕的相位角序列进行一维拟合。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在本方法中，还将频偏纠正后的所述第一窄带信号或所述第二窄带信号进行相关解算，得到相关解算信号。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在本方法中，还将相关解算信号进行峰值检测，计算得到时间差，进行TDOA定位。

8.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由终端设备设备的处理器加载并执行以下处理：

接收不同测量站收到同一个辐射源发出的窄带信号；

分别去除窄带信号之间的相对频偏值进行频偏纠正；

根据频偏纠正后的窄带信号计算时间差，进行TDOA定位；

第一窄带信号或第二窄带信号去除窄带信号之间的相对频偏值进行频偏纠正，具体包括以下步骤：

获取所述第一窄带信号或所述第二窄带信号向量的相位角；

对相位角序列进行解卷绕，并进行一维拟合，得到一维拟合函数；

根据一维拟合函数的斜率对述第一窄带信号或所述第二窄带信号进行修正，消除相对频偏。

9.一种基于时差计算的窄带信号TDOA定位装置，采用计算终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行以下处理：

接收不同测量站收到同一个辐射源发出的窄带信号；

分别去除窄带信号之间的相对频偏值进行频偏纠正；

根据频偏纠正后的窄带信号计算时间差，进行TDOA定位；

第一窄带信号或第二窄带信号去除窄带信号之间的相对频偏值进行频偏纠正，具体包括以下步骤：

获取所述第一窄带信号或所述第二窄带信号向量的相位角；

对相位角序列进行解卷绕，并进行一维拟合，得到一维拟合函数；

根据一维拟合函数的斜率对述第一窄带信号或所述第二窄带信号进行修正，消除相对频偏。

Images