CN109116301B - 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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CN109116301B CN201810923155.0A CN201810923155A CN109116301B CN 109116301 B CN109116301 B CN 109116301B CN 201810923155 A CN201810923155 A CN 201810923155A CN 109116301 B CN109116301 B CN 109116301B
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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
Figure BDA0001764748380000011
按照如下步骤估计：
(21)计算出互相关的峰值
Figure BDA0001764748380000012
Figure BDA0001764748380000013
(22)将互相关函数
Figure BDA0001764748380000014
归一化到[0，1]区间，
设归一化后的互相关函数为
Figure BDA0001764748380000021
Figure BDA0001764748380000022
(23)求归一化的互相关函数
Figure BDA0001764748380000023
的平均值
Figure BDA0001764748380000024
Figure BDA0001764748380000025
(24)求时差测量值
Figure BDA0001764748380000026
的置信度
Figure BDA0001764748380000027
Figure BDA0001764748380000028
(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
Figure BDA0001764748380000029
以及它们对应的置信度
Figure BDA00017647483800000210
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，
Figure BDA00017647483800000211
(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：
Figure BDA00017647483800000212
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
Figure BDA00017647483800000213
正交信号分量为
Figure BDA00017647483800000214
则接收站S1在t1时刻的复信号序列
Figure BDA00017647483800000215
表示为：
Figure BDA00017647483800000216
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
Figure BDA00017647483800000217
正交信号分量为
Figure BDA00017647483800000218
接收站S2在t1时刻的复信号序列
Figure BDA00017647483800000219
表示为：
Figure BDA00017647483800000220
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
Figure BDA00017647483800000221
的置信度
Figure BDA00017647483800000222
的具体过程如下：
(11)计算两路信号的幅度序列
Figure BDA00017647483800000223
接收站S1、接收站S2在t1时刻的信号幅度序列
Figure BDA0001764748380000031
为：
Figure BDA0001764748380000032
Figure BDA0001764748380000033
(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
Figure BDA0001764748380000034
和
Figure BDA0001764748380000035
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
Figure BDA0001764748380000036
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
Figure BDA0001764748380000037
满足下式：
Figure BDA0001764748380000038
量化误差降低至原来的1/(q+1)；
(13)互相关法测量时差
设
Figure BDA0001764748380000039
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：
Figure BDA00017647483800000310
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
Figure BDA00017647483800000311
时，
Figure BDA00017647483800000312
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：
Figure BDA00017647483800000313
其中，c为电磁波在空气中的传播速度，c≈3*108m/s，
Figure BDA00017647483800000314
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
Figure BDA00017647483800000315
然后换算为时间差
Figure BDA00017647483800000316
如下所示：
Figure BDA00017647483800000317
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
Figure BDA0001764748380000041
正交信号分量为
Figure BDA0001764748380000042
则接收站S1在t1时刻的复信号序列
Figure BDA0001764748380000043
表示为：
Figure BDA0001764748380000044
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
Figure BDA0001764748380000045
正交信号分量为
Figure BDA0001764748380000051
接收站S2在t1时刻的复信号序列
Figure BDA0001764748380000052
表示为：
Figure BDA0001764748380000053
(2)计算两路信号的幅度序列
Figure BDA0001764748380000054
接收站S1、接收站S2在t1时刻的信号幅度序列
Figure BDA0001764748380000055
为：
Figure BDA0001764748380000056
Figure BDA0001764748380000057
(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
Figure BDA0001764748380000058
和
Figure BDA0001764748380000059
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
Figure BDA00017647483800000510
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
Figure BDA00017647483800000511
满足下式：
Figure BDA00017647483800000512
量化误差降低至原来的1/(q+1)；
(4)互相关法测量时差
设
Figure BDA00017647483800000513
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：
Figure BDA00017647483800000514
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
Figure BDA00017647483800000515
时，
Figure BDA00017647483800000516
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：
Figure BDA00017647483800000517
其中，c为电磁波在空气中的传播速度，c≈3*108m/s，
Figure BDA00017647483800000518
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
Figure BDA0001764748380000061
然后换算为时间差
Figure BDA0001764748380000062
如下所示：
Figure BDA0001764748380000063
Figure BDA0001764748380000064
(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
Figure BDA0001764748380000065
时差置信度
Figure BDA0001764748380000066
按照如下步骤估计：
(51)计算出互相关的峰值
Figure BDA0001764748380000067
Figure BDA0001764748380000068
(52)将互相关函数
Figure BDA0001764748380000069
归一化到[0，1]区间：
设归一化后的互相关函数为
Figure BDA00017647483800000610
Figure BDA00017647483800000611
(53)求归一化的互相关函数
Figure BDA00017647483800000612
的平均值
Figure BDA00017647483800000613
Figure BDA00017647483800000614
(54)求时差测量值
Figure BDA00017647483800000615
的置信度
Figure BDA00017647483800000616
Figure BDA00017647483800000617
(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
Figure BDA00017647483800000618
以及它们对应的置信度
Figure BDA00017647483800000619
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，
Figure BDA00017647483800000620
(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：
Figure BDA0001764748380000071
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
Figure BDA0001764748380000072
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
Figure BDA0001764748380000073
的长度变为M＝40951，等效采样率
Figure BDA0001764748380000074
Figure BDA0001764748380000075
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
Figure BDA0001764748380000076
可由公式7计算得到。设当
Figure BDA0001764748380000077
时，互相关函数
Figure BDA0001764748380000078
取得峰值
Figure BDA0001764748380000079
则信号到达两接收站的时间差
Figure BDA00017647483800000710
可由公式10计算得出，时间差
Figure BDA00017647483800000711
的置信度
Figure BDA00017647483800000712
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
Figure FDA0004008538370000011
按照如下步骤估计：
(21)计算出互相关的峰值
Figure FDA0004008538370000012
Figure FDA0004008538370000013
(22)将互相关函数
Figure FDA0004008538370000014
归一化到[0，1]区间，
设归一化后的互相关函数为
Figure FDA0004008538370000015
Figure FDA0004008538370000016
(23)求归一化的互相关函数
Figure FDA0004008538370000017
的平均值
Figure FDA0004008538370000018
Figure FDA0004008538370000019
(24)求时差测量值
Figure FDA00040085383700000110
的置信度
Figure FDA00040085383700000111
Figure FDA00040085383700000112
(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
Figure FDA00040085383700000113
以及它们对应的置信度
Figure FDA00040085383700000114
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，
Figure FDA00040085383700000115
(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：
Figure FDA00040085383700000116
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
Figure FDA0004008538370000021
正交信号分量为
Figure FDA0004008538370000022
则接收站S1在t1时刻的复信号序列
Figure FDA0004008538370000023
表示为：
Figure FDA0004008538370000024
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
Figure FDA0004008538370000025
正交信号分量为
Figure FDA0004008538370000026
接收站S2在t1时刻的复信号序列
Figure FDA0004008538370000027
表示为：
Figure FDA0004008538370000028
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
Figure FDA0004008538370000029
的置信度
Figure FDA00040085383700000210
的具体过程如下：
(11)计算两路信号的幅度序列
Figure FDA00040085383700000211
接收站S1、接收站S2在t1时刻的信号幅度序列
Figure FDA00040085383700000212
为：
Figure FDA00040085383700000213
Figure FDA00040085383700000214
(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
Figure FDA00040085383700000215
和
Figure FDA00040085383700000216
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
Figure FDA00040085383700000217
Figure FDA00040085383700000218
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
Figure FDA00040085383700000219
满足下式：
Figure FDA00040085383700000220
量化误差降低至原来的1/(q+1)；
(13)互相关法测量时差
设
Figure FDA00040085383700000221
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：
Figure FDA0004008538370000031
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
Figure FDA0004008538370000032
时，
Figure FDA0004008538370000033
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：
Figure FDA0004008538370000034
其中，c为电磁波在空气中的传播速度，c≈3*108m/s，
Figure FDA0004008538370000035
为前述的两接收站插值后的信号幅度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
Figure FDA0004008538370000036
然后换算为时间差
Figure FDA0004008538370000037
如下所示：
Figure FDA0004008538370000038
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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