CN109541532A - 一种大尺度缓变信道下的tdoa时差估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种大尺度缓变信道下TDOA时差估计方法，包括以下步骤：选取一个位置已知的目标作为参考目标，根据位置信息计算出参考目标到达两个测量接收机的实际时差值；然后，为目标信号的时差估计做预补偿，根据参考目标发射的信号估计到达测量接收机的时差，对目标信号的时差做校正。本发明解决了由于传播信道的缓变对时差估计的影响，通过选取一个位置已知的目标作为参考，为目标信号的时差估计做预补偿，从而对时差估计进行校正，保证了时差估计的精度。

Description

一种大尺度缓变信道下的TDOA时差估计方法

技术领域

本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种大尺度缓变信道下的TDOA时差估计方法。

背景技术

当前，随着电子通信领域的高速发展，电磁环境呈现越发复杂的态势，因此对频谱监测能力的要求越来越高，而对发射源的无源定位是频谱监测业务的一项重要内容。TDOA无源时差定位技术具有精度高、布站灵活、工程易于实现等优点，近年来被广泛研究。其中，时间延迟估计的精度直接影响了TDOA定位的性能。而时延估计一直是信号分析领域中的重要研究内容，在生物医学，雷达、声纳、和地球物理等领域具有广泛的应用。因而提高时延估计的精度，具有重要的意义。

通常在时差估计过程中，假设信号在传播信道中的速度是定值。但是，实际传播过程中，由于通信的传播环境十分复杂，传播机理多种多样，一般情况下几乎包括了电波传播的所有过程，如直射、绕射、反射、散射等，传播参数随时变化。无线信道的连续变化,对时差估计造成了极大的影响。此时，当信道变化发生起伏，电距离一直在变，会对时差估计产生很大的影响。当信道缓变发生起伏时，对时差估计造成很大的影响。目前对时变信道的时差估计大多采用广义相关法和自适应估计算法。

传统的广义相关时差估计算法对于发生起伏的信道效果不佳。自适应估计算法通过调整自身参数，跟踪时变的时延，但当滤波器的阶数较高时，存在计算量大，收敛速度慢等缺点。

发明内容

本发明在传统的时差估计算法基础上，提出了一种大尺度缓变信道下时差估计方法，解决了由于传播信道的缓变对时差估计的影响，通过选取一个位置已知的目标作为参考，为目标信号的时差估计做预补偿，从而对时差估计进行校正，保证了时差估计的精度。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种大尺度缓变信道下TDOA时差估计方法，包括以下步骤：选取一个位置已知的目标作为参考目标，根据位置信息计算出参考目标到达两个测量接收机的实际时差值；然后，为目标信号的时差估计做预补偿，根据参考目标发射的信号估计到达测量接收机的时差，对目标信号的时差做校正。

可选地，所述方法还包括：在频域使用矩形窗截取参考信号，采用相位拟合法计算第一接收机和第二接收机接收到的参考信号之间的时差。

可选地，所述采用相位拟合法计算第一接收机和第二接收机接收到的参考信号的时差的步骤，包括：步骤11，在频域使用矩形窗截取参考信号；步骤12，计算两个接收机获取的参考信号的互功率谱；步骤13，获取互功率谱的相位谱；步骤14，对相位谱进行解卷绕，然后进行直线拟合，直线的斜率便是对应的时差。

可选地，所述方法还包括：在频域使用矩形窗截取目标信号，采用相位拟合法计算第一接收机和第二接收机获取的目标信号的时差。

可选地，所述采用相位拟合法计算第一接收机和第二接收机获取的目标信号的时差的步骤，包括：步骤21，在频域使用矩形窗截取目标信号；步骤22，计算两个接收机获取的目标信号的互功率谱；步骤23，获取互功率谱的相位谱；步骤24，对相位谱进行解卷绕，然后进行直线拟合，直线的斜率便是对应的时差。

可选地，所述方法还包括：所述参考信号在时间轴上分成N段，每一段计算一次时差，获取N个时差；目标信号在时间轴上也分成N段，每一段计算一次时差，获取N个时差；

根据参考信号的时差变化趋势对每一段参考信号计算的时差进行校正，校正公式如下：

其中，TD_reference_i表示第i段参考信号的计算时差，TD_target_i表示第i段目标信号的计算时差，TD_reference_real表示参考信号的实际时差。

本发明的有益效果是：

(1)克服了传统的广义相关时延估计算法对于信道发生起伏导致时差估计不佳的缺点。

(2)不需要自适应估计算法那样的复杂计算，只需要一台位置已知的参考目标发射参考信号，用简单的计算步骤即可对大尺度缓变信道下的信号进行时差估计。

(3)根据参考信号时差的变化趋势对目标信号时差进行预补偿，待测信号与发射信号

(4)位于不同的频段并且在时间上一一对应，解决了由于信号传播过程中信道的缓变对时差估计的影响，通过预补偿对时差估计进行校正，保证了时差估计的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为参考信号和目标信号在时间轴上的分段示意图；

图2为参考信号的时差分布示意图。

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。基于本发明中的实施例，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。

在一定范围内，信道起伏的情况基本相似，一般不会出现局部剧烈变化的情况。因此，本申请提出了一种大尺度缓变信道下TDOA时差估计方法，包括以下步骤：选取一个位置已知的目标作为参考目标，根据位置信息计算出参考目标到达两个测量接收机的实际时差值；然后，为目标信号的时差估计做预补偿，根据参考目标发射的信号估计到达测量接收机的时差，对目标信号的时差做校正，提高时差估计精度。所述目标信号就是待测辐射源发出的信号，参考信号是位置已知的参考目标发射的信号；通过对目标已知的参考目标进行定位，得到信道起伏的大体趋势，从而对目标信号的的时差进行校正。

可选地，布局测量接收机的过程，测量接收机的数量大于等于三个，采用二维定位，根据GDOP(Geometrical Dilution ofPrecision)等值线分布的情况，选取GODP值比较小的区域布置参考目标。

可选地，所述方法还包括：在频域使用矩形窗截取参考信号，采用相位拟合法计算第一接收机1和第二接收机2接收到的参考信号之间的时差。如图1所示，参考信号在时间轴上分成N段，每一段可以计算一次时差，这样可以获取N个时差。因此可以得到N段数据对应的时间内，由于信道起伏变化导致时差变化的趋势。

所述采用相位拟合法计算第一接收机1和第二接收机2接收到的参考信号之间的时差的步骤，包括：步骤11，在频域使用矩形窗截取参考信号；步骤12，计算两个接收机获取的参考信号的互功率谱；步骤13，获取互功率谱的相位谱；步骤14，对相位谱进行解卷绕，然后进行直线拟合，直线的斜率便是对应的时差。

可选地，所述方法还包括：在频域使用矩形窗截取目标信号，采用相位拟合法计算第一接收机1和第二接收机2获取的目标信号的时差。如图1所示，目标信号在时间轴上也分成N段，每一段可以计算一次时差，这样可以获取N个时差。

所述采用相位拟合法计算第一接收机1和第二接收机2获取的目标信号之间的时差的步骤，包括：步骤21，在频域使用矩形窗截取目标信号；步骤22，计算两个接收机获取的目标信号的互功率谱；步骤23，获取互功率谱的相位谱；步骤24，对相位谱进行解卷绕，然后进行直线拟合，直线的斜率便是对应的时差。

由于计算参考信号的N个时差与计算目标信号的N个时差所选用的数据段在时间上是一一对应的，因此根据参考信号的时差变化趋势对每一段参考信号计算的时差进行校正，校正公式如下：

其中，TD_reference_i表示第i段参考信号的计算时差，TD_target_i表示第i段目标信号的计算时差，TD_reference_real表示参考信号的实际时差。

下面给出本发明一种大尺度缓变信道下TDOA时差估计方法的一个具体实施例。

该实施例中，布局测量接收机，测量接收机的数量大于等于三个，采用二维定位，根据GDOP(Geometrical Dilution ofPrecision)等值线分布的情况，选取GODP值比较小的区域布置参考目标。

测量接收机同时接收来自参考目标发射的参考信号以及待测目标发射的目标信号。参考信号占用的频段与目标信号占用的频段互不重合，即参考信号不能在频域对目标信号造成干扰。这样测量接收机同时接收参考信号和目标信号。

测量接收机采集数据，获取参考目标发射的信号，然后将采集数据上传给控制中心，控制中心进行时差计算，在频域使用矩形窗截取参考信号，采用相位拟合法计算接收机1和接收机2接收到的参考信号之间的时差。如图1所示，参考信号在时间轴上分成N段，每一段可以计算一次时差，这样可以获取N个时差。因此可以得到N段数据对应的时间内，由于信道起伏变化导致时差变化的趋势。

测量接收机采集数据，获取辐射源发射的信号，然后将采集数据上传给控制中心，控制中心进行时差计算，在频域使用矩形窗截取目标信号，采用相位拟合法计算接收机1和接收机2获取的目标信号的时差。如图1所示，参考信号在时间轴上也分成N段，每一段可以计算一次时差，这样可以获取N个时差。

例如，采用N＝50段数据计算了50个时差，理想时差值TD_reference_real＝3.5个采样点(即时差为3.5/采样率)，由于信道起伏导致时差在不同时间段上出现漂移。由于计算参考信号的N个时差与计算目标信号的N个时差所选用的数据段在时间上是一一对应的，因此根据参考信号的时差变化趋势对每一段参考信号计算的时差进行校正，校正公式如下：

其中，TD_reference_i表示第i段参考信号的计算时差，TD_target_i表示第i段目标信号的计算时差，TD_reference_real表示参考信号的实际时差。

本发明的方法与目前广泛应用的广义相关时延估计算法相比，克服了传统的广义相关时延估计算法对于信道发生起伏，光速发生变化导致时差估计不佳的缺点。同时，本发明的方法不需要自适应估计算法那样的复杂计算，只需要一台位置已知的参考目标发射参考信号，用简单的计算步骤即可对大尺度缓变信道下的信号进行时差估计。

本发明的方法根据参考信号时差的变化趋势对目标信号时差进行预补偿，待测信号与发射信号位于不同的频段并且在时间上一一对应，解决了由于信号传播过程中信道的缓变对时差估计的影响，通过预补偿对时差估计进行校正，保证了时差估计的精度。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种大尺度缓变信道下TDOA时差估计方法，其特征在于，包括以下步骤：选取一个位置已知的目标作为参考目标，根据位置信息计算出参考目标到达两个测量接收机的实际时差值；然后，为目标信号的时差估计做预补偿，根据参考目标发射的信号估计到达测量接收机的时差，对目标信号的时差做校正。

2.如权利要求1所述的一种大尺度缓变信道下TDOA时差估计方法，其特征在于，还包括：在频域使用矩形窗截取参考信号，采用相位拟合法计算第一接收机和第二接收机接收到的参考信号之间的时差。

3.如权利要求2所述的一种大尺度缓变信道下TDOA时差估计方法，其特征在于，所述采用相位拟合法计算第一接收机和第二接收机接收到的参考信号的时差的步骤，包括：步骤(11)，在频域使用矩形窗截取参考信号；步骤(12)，计算两个接收机获取的参考信号的互功率谱；步骤(13)，获取互功率谱的相位谱；步骤(14)，对相位谱进行解卷绕，然后进行直线拟合，直线的斜率便是对应的时差。

4.如权利要求1所述的一种大尺度缓变信道下TDOA时差估计方法，其特征在于，还包括：在频域使用矩形窗截取目标信号，采用相位拟合法计算第一接收机和第二接收机获取的目标信号的时差。

5.如权利要求4所述的一种大尺度缓变信道下TDOA时差估计方法，其特征在于，所述采用相位拟合法计算第一接收机和第二接收机获取的目标信号的时差的步骤，包括：步骤(21)，在频域使用矩形窗截取目标信号；步骤(22)，计算两个接收机获取的目标信号的互功率谱；步骤(23)，获取互功率谱的相位谱；步骤(24)，对相位谱进行解卷绕，然后进行直线拟合，直线的斜率便是对应的时差。

6.如权利要求1所述的一种大尺度缓变信道下TDOA时差估计方法，其特征在于，还包括：所述参考信号在时间轴上分成N段，每一段计算一次时差，获取N个时差；目标信号在时间轴上也分成N段，每一段计算一次时差，获取N个时差；

根据参考信号的时差变化趋势对每一段参考信号计算的时差进行校正，校正公式如下：

其中，TD_reference_i表示第i段参考信号的计算时差，TD_target_i表示第i段目标信号的计算时差，TD_reference_real表示参考信号的实际时差。