CN109116301A - 一种基于置信度估计的到达时间差测量方法 - Google Patents

一种基于置信度估计的到达时间差测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于置信度估计的到达时间差测量方法，两个接收站S1和S2，在一段时间[tmin，tmax]内的Z个时刻点(t1，t2，…，tZ)采集了Z组信号。设该段时间内，信号源位置变化很小，可忽略不计(依据信号源移动速度，通过对tmax‑tmin进行合适选取设计，可满足该假设条件)。先对每组信号进行时差测量和置信度估计，然后对多个时差测量结果进行滤波，最后获得加权后时差。本发明通过内插法提高了单次时差测量的准确性；对每个时差测量的结果进行置信度估计，滤除置信度低的测量结果，并用多次高置信度的结果求加权平均得到最终时差。避免了受到噪声(接收站内部噪声、外界干扰信号、环境遮挡等)影响，单次时差测量不准确的问题。

Description

一种基于置信度估计的到达时间差测量方法
技术领域
本发明涉及一种无线信号源定位技术，尤其涉及的是一种基于置信度估计的到达时间差测量方法。
背景技术
到达时间差(Time Difference of Arrival，TDOA)是一种常用的无线信号源定位技术。它通过测量信号到达各个接收站的接收天线的时间差，来计算信号源到达各个接收天线的距离差，从而计算出信号源的位置。使用该技术进行定位时，到达时间差的测量准确度决定了定位准确度。
影响到达时间差测量准确度的因素主要包括：1)各个接收站之间的时间同步性，各站时间同步性越高，测量时差越准确；2)信号带宽和采样率，带宽越宽，采样率越高，量化误差越小，测量时差越准确；3)非视距传输，受到应用环境中建筑物、树木等障碍物的影响，信号传输到各个接收天线的过程中，可能会出现散射、反射、衍射等现象，导致信号非视距传输，非视距传输使得接收信号引入不确定时延，即测量到达时间差偏离视距距离差，最终导致目标定位不准确。
在实际应用中，受限于成本、器件、信道带宽、技术等因素，各接收站时间不可能实现完全同步，信道带宽不能无限增加，采样率提高也会极大消耗系统资源，实际应用环境也无法做到无遮挡。因此，在实际的应用中，如何在系统硬件资源、环境因素不变的情况下，利用信号处理技术提高到达时间差的测量准确性，是一个有实际意义且富有挑战的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何提高两路信号到达时间差测量准确度，提供了一种基于置信度估计的到达时间差测量方法。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括以下步骤：
(1)单组信号的时差测量；
(2)对每组信号的时差测量结果进行置信度估计；
对于每组信号的时差置信度按照如下步骤估计：
(21)计算出互相关的峰值
(22)将互相关函数归一化到[0，1]区间，
设归一化后的互相关函数为
(23)求归一化的互相关函数的平均值
(24)求时差测量值的置信度
(3)对多组信号时差置信度滤波
两个接收站在Z个时刻点(t1，t2，…，tZ)采集到的信号的时差以及它们对应的置信度ConfThreshold为预设的置信度阈值，时差滤波是将置信度低于阈值ConfThreshold的时差滤除，等效于将其置信度置为0，
(4)对多个时差测量结果的加权平均
最终时差TDOA由所有时刻点的测量时差加权和得到，权重系数与该时差测量值的置信度成正比：
所述步骤(1)中，设接收站S1在t1时刻采集的信号经过处理后，得到同相信号分量为正交信号分量为则接收站S1在t1时刻的复信号序列表示为：
同理，接收站S2在t1时刻采集的信号经过处理后，得到同相信号分量为正交信号分量为接收站S2在t1时刻的复信号序列表示为：
所述步骤(1)中，测量信号到达接收站S1、接收站S2的时间差Δt12，以及的置信度的具体过程如下：
(11)计算两路信号的幅度序列
接收站S1、接收站S2在t1时刻的信号幅度序列为：
(12)对幅度序列进行插值
采用线性或非线性插值函数对两站幅度序列和进行插值，在序列每相邻两点间插入q个点，设两接收站插值后的信号幅度序列为插值后的序列长度为M，则有：
M＝N+(N-1)*q，其中m∈[1，m]
通过内插法，将信号采样率提高(q+1)倍，即插值后的等效采样率满足下式：
量化误差降低至原来的1/(q+1)；
(13)互相关法测量时差
设为两个插值序列的互相关函数，通过求互相关的峰值对应的时间变量求得两个序列的时差：
上式中，k为时间变量，表示将信号延迟或提前k个采样间隔周期；|·|为求绝对值运算；当时，Tmax为算法预设参数，设系统监控区域为D，当信号源处于该区域内任一位置时，信号源与接收站S1、接收站S2的最大视距距离差Dmax，则Tmax可由下式计算得到：
其中，c为电磁波在空气中的传播速度，c≈3*108m/s，为前述的插值后序列的等效采样频率；
当互相关最大时，此时对应两个信号的时差，即求出互相关最大时的时间变量然后换算为时间差如下所示：
所述接收站包括接收天线、信号接收前端、通信模块、高精度GPS模块和供电单元，接收天线接收无线信号，并将信号放大后输入到信号接收前端；信号接收前端对输入信号进行放大、下变频、AD采样、时间标记、信号变换处理后，输出IQ两路信号；通信模块与处理中心通信，接收采集命令、传输IQ信号；高精度GPS模块接收GPS信号，获得接收站位置和时间，结合高稳定时钟保证各接收站之间时间同步；供电单元为各部分提供所需电源。
对一段时间内的多个时刻点获取的几组信号进行时差测量，然后采用基于置信度估计的滤波算法，滤除置信度低的时差，最终时差由剩余多个时差加权获得。在上述方法中，假设多组信号采集过程中，信号源的位置基本不变，因此，使用该方法时，应根据信号源移动速度选取采集组数和采集时间间隔。
两个接收站S1和S2，在一段时间[tmin，tmax]内的Z个时刻点(t1，t2，…，tZ)采集了Z组信号。设该段时间内，信号源位置变化很小，可忽略不计(依据信号源移动速度，通过对tmax-tmin进行合适选取设计，可满足该假设条件)。先对每组信号进行时差测量和置信度估计，然后对多个时差测量结果进行滤波，最后获得加权后时差。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明通过内插法提高了单次时差测量的准确性；对每个时差测量的结果进行置信度估计，滤除置信度低的测量结果，并用多次高置信度的结果求加权平均得到最终时差。避免了受到噪声(接收站内部噪声、外界干扰信号、环境遮挡等)影响，单次时差测量不准确的问题。
附图说明
图1是基于置信度估计的到达时间差测量方法流程图；
图2是本发明时差测量装置的结构示意图；
图3是本发明接收站的结构示意图；
图4是单组信号时差测量流程。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括以下步骤：
(1)单组信号的时差测量与置信度估计
设接收站S1在t1时刻采集的信号经过处理后，得到同相信号分量为正交信号分量为则接收站S1在t1时刻的复信号序列表示为：
同理，接收站S2在t1时刻采集的信号经过处理后，得到同相信号分量为正交信号分量为接收站S2在t1时刻的复信号序列表示为：
(2)计算两路信号的幅度序列
接收站S1、接收站S2在t1时刻的信号幅度序列为：
(3)对幅度序列进行插值
采用线性或非线性插值函数对两站幅度序列和进行插值，在序列每相邻两点间插入q个点，设两接收站插值后的信号幅度序列为插值后的序列长度为M，则有：
M＝N+(N-1)*q，其中m∈[1，M] (5)
通过内插法，将信号采样率提高(q+1)倍，即插值后的等效采样率满足下式：
量化误差降低至原来的1/(q+1)；
(4)互相关法测量时差
设为两个插值序列的互相关函数，通过求互相关的峰值对应的时间变量求得两个序列的时差：
上式中，k为时间变量，表示将信号延迟或提前k个采样间隔周期；|·|为求绝对值运算；当时，Tmax为算法预设参数，设系统监控区域为D，当信号源处于该区域内任一位置时，信号源与接收站S1、接收站S2的最大视距距离差Dmax，则Tmax可由下式计算得到：
其中，c为电磁波在空气中的传播速度，c≈3*108m/s，为前述的插值后序列的等效采样频率；
当互相关最大时，此时对应两个信号的时差，即求出互相关最大时的时间变量然后换算为时间差如下所示：
(5)测量时差置信度估计
互相关函数的峰值越凸起，即峰值点相对其他函数值越大，则该时差测量值越可信，即置信度越高，计算时差置信度
时差置信度按照如下步骤估计：
(51)计算出互相关的峰值
(52)将互相关函数归一化到[0，1]区间：
设归一化后的互相关函数为
(53)求归一化的互相关函数的平均值
(54)求时差测量值的置信度
(6)时差滤波
求出两接收站在Z个时刻点(t1，t2，…，tZ)采集到的信号的时差以及它们对应的置信度获得时差滤波；
所述时差滤波是将置信度低于阈值ConfThreshold的时差滤除，等效于将其置信度置为0，ConfThreshold为预设的置信度阈值，
(7)加权时差估计
最终时差TDOA可由所有时刻点的测量时差加权和得到，权重系数与该时差测量值的置信度成正比：
如图2所示，信号源2发出信号，GPS授时脉冲3实现整个系统的时间同步，两个接收站S1和S2通过与处理中心1相连，在处理中心1的控制下，在指定的时刻点开始采集指定长度数据。
如图3所示，本实施例的接收站包括接收天线4、信号接收前端5、通信模块6、高精度GPS模块7、供电单元8。其中，接收天线4接收无线信号，并将信号放大后输入到信号接收前端5；信号接收前端5负责对输入信号进行放大、下变频、AD采样、时间标记、信号变换等处理后，输出IQ两路信号；通信模块6负责与处理中心1通信，接收采集命令、传输IQ信号；高精度GPS模块7接收GPS信号，获得接收站位置和时间，结合高稳定时钟保证各接收站之间时间同步；供电单元8为各部分提供所需电源。
利用时差测量装置，可控制两个接收站同时在Z个时刻点(t1，t2，…，tZ)进行信号采集。本实施例中，共采集8组数据，即Z＝8，两个相邻时刻相差10ms，采样率fs＝14MHz，各接收站每次采集N＝4096个点，输出IQ两路信号。
获得8组信号后，可先对每组信号进行时差测量和置信度估计，然后对多个时差测量结果进行滤波，最后获得加权后时差。下面以第一组信号为例，讲述第一组信号的时差测量与置信度估计的方法和过程。
(1)第1组信号的时差测量与置信度估计
图4描述的是单组信号时差测量流程。当输入两个接收站同时采集的等长IQ序列时，先需要计算各接收站的幅度序列，然后对幅度序列进行插值，用插值后的幅度序列计算互相关，计算出两接收站时差，并根据自相关函数估计时差测量值的置信度。
可按照公式(1-4)计算出两个接收站信号的幅度序列，设分别表示接收站S1、S2的幅度序列，序列长度为N＝4096。
本实施例中，采用线性插值技术，在幅度序列的每两个相邻点间插入q＝9个值，则插值后的两站的幅度序列的长度变为M＝40951，等效采样率 与插值前信号相比，采样率提高10倍。
在本实施例中，两个接收站距离2km，因此，信号到达两接收站之间的距离差Dmax≤2km，根据公式8可计算出Tmax＝933。两站插值后的幅度序列的互相关函数可由公式7计算得到。设当时，互相关函数取得峰值则信号到达两接收站的时间差可由公式10计算得出，时间差的置信度可由公式11-14估计得出。
(2)第2～8组信号的时差测量与置信度估计
依次计算出第2～8组信号的时差测量与置信度估计。
(3)时差滤波
设定阈值ConfThreshold，本实施例中ConfThreshold＝0.15，将置信度低于阈值的测量时差的置信度重置为0，如公式15所示。
(4)最终时差估计
如公式16所示，最终时差由所有测量时差加权求和得到，其权重系数与该时差测量值的置信度成正比。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于置信度估计的到达时间差测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)单组信号的时差测量；
(2)对每组信号的时差测量结果进行置信度估计；
对于每组信号的时差置信度按照如下步骤估计：
(21)计算出互相关的峰值
(22)将互相关函数归一化到[0，1]区间，
设归一化后的互相关函数为
(23)求归一化的互相关函数的平均值
(24)求时差测量值的置信度
(3)对多组信号时差置信度滤波
两个接收站在Z个时刻点(t1，t2，…，tZ)采集到的信号的时差以及它们对应的置信度ConfThreshold为预设的置信度阈值，时差滤波是将置信度低于阈值ConfThreshold的时差滤除，等效于将其置信度置为0，
(4)对多个时差测量结果的加权平均
最终时差TDOA由所有时刻点的测量时差加权和得到，权重系数与该时差测量值的置信度成正比：
2.根据权利要求1的一种基于置信度估计的到达时间差测量方法，其特征在于，所述步骤(1)中，设接收站S1在t1时刻采集的信号经过处理后，得到同相信号分量为正交信号分量为则接收站S1在t1时刻的复信号序列定示为：
同理，接收站S2在t1时刻采集的信号经过处理后，得到同相信号分量为正交信号分量为接收站S2在t1时刻的复信号序列表示为：
3.根据权利要求2的一种基于置信度估计的到达时间差测量方法，其特征在于，所述步骤(1)中，测量信号到达接收站S1、接收站S2的时间差Δt12，以及的置信度的具体过程如下：
(11)计算两路信号的幅度序列
接收站S1、接收站S2在t1时刻的信号幅度序列为：
(12)对幅度序列进行插值
采用线性或非线性插值函数对两站幅度序列和进行插值，在序列每相邻两点间插入q个点，设两接收站插值后的信号幅度序列为插值后的序列长度为M，则有：
M＝N+(N-1)*q，其中m∈[1，M]
通过内插法，将信号采样率提高(q+1)倍，即插值后的等效采样率满足下式：
量化误差降低至原来的1/(q+1)；
(13)互相关法测量时差
设为两个插值序列的互相关函数，通过求互相关的峰值对应的时间变量求得两个序列的时差：
上式中，k为时间变量，表示将信号延迟或提前k个采样间隔周期；|·|为求绝对值运算；当时，Tmax为算法预设参数，设系统监控区域为D，当信号源处于该区域内任一位置时，信号源与接收站S1、接收站S2的最大视距距离差Dmax，则Tmax可由下式计算得到：
其中，c为电磁波在空气中的传播速度，c≈3*108m/s，为前述的插值后序列的等效采样频率；
当互相关最大时，此时对应两个信号的时差，即求出互相关最大时的时间变量然后换算为时间差如下所示：
4.根据权利要求1所述的一种基于置信度估计的到达时间差测量方法，其特征在于，所述接收站包括接收天线、信号接收前端、通信模块、高精度GPS模块和供电单元，接收天线接收无线信号，并将信号放大后输入到信号接收前端；信号接收前端对输入信号进行放大、下变频、AD采样、时间标记、信号变换处理后，输出IQ两路信号；通信模块与处理中心通信，接收采集命令、传输IQ信号；高精度GPS模块接收GPS信号，获得接收站位置和时间，结合高稳定时钟保证各接收站之间时间同步；供电单元为各部分提供所需电源。
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