CN114630268A - 一种基于tdoa与css技术的测距方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于TDOA与CSS技术的测距方法，利用CSS符号特性，将相位差转化为频率差，通过延长信号持续时间提升频率分辨率以提升相位差分辨精度，从而提高了测距精度；此外该测距方法可与数据传输很好地结合，测距码可视为传输长连0的数据帧，测距功能主要在在基站侧完成，大大降低了节点的实现复杂度。作为物理层数据通信与测距方案。使用CSS扩频通信的抗干扰特性达到更广的覆盖范围，同时提出的测距方案可在通信覆盖范围内达到较高的测距精度，所以它在LPWAN中有较好的应用前景。

Description

一种基于TDOA与CSS技术的测距方法
技术领域
本发明涉及一种测距方法，具体的说是一种基于TDOA与CSS技术的测距方法，属于无线通信技术领域。
背景技术
随着物联网(Internet of Things，IoT)技术的发展，物联网技术在各行业中的应用越来越广泛。不同的应用环境和领域有着其具体需求和考量，如今广泛使用的无线传输技术具有的传输距离短、速度快等特征，但不适于物联网数据传输所要求的窄带宽、低功耗以及长距离通信。因此，有了一项新兴技术：低功耗广域网(Low-Power Wide-AreaNetwork,LPWAN)，作为一种广域低功耗无线电通信网络技术，明显区别于传统移动通信网络技术中所使用的无线接入技术，LPWAN拥有传输距离远、长待机、低成本、广覆盖、易于部署等优势。在工作模式上，LPWAN仅在有数据传输的条件下才会建立连接，以减少终端功耗，因此，LPWAN使用少量的数据、传输设备就可以支撑巨量的终端通信。LPWAN中包括了Sigfox,LoRa,NB-IoT,Telensa,PTC等几种比较典型的技术。其中LoRa采用的CSS调制技术，拥有更优秀的抗干扰性能，且有着天然的多普勒效应抗性，是LPWAN通信中越来越流行的调制方案。
随着无线通信技术的进步发展，目标定位已成为无线传感器网络和物联网中新兴应用的关键方面。人们对于无线定位及测向的需求日益显著，许多应用领域都要求提供位置信息。现有定位技术中卫星定位系统存在明显的应用局限，难以覆盖如室内、地下隧道等许多场合；视觉定位技术、红外线技术和超声波技术都存在信号覆盖范围小的缺点；WiFi定位虽然覆盖范围有所提高，但是精度却不足，且由于室内环境复杂多变且非视距现象严重，很难获取准确的信号强度衰减模型；蓝牙定位技术容易受到外部噪声信号的干扰，信号稳定性较差，通信范围较小。因此实现面向复杂环境的，较高精度的无线定位目前仍然是一个研究热点及难点。
目前基于CSS技术的测距方案应用最为广泛的是到达时刻TOA，即根据消息包在发射和接收节点的双向传输时间来计算两通信节点的距离，其测距精度与采样间隔时间密切相关，如10Msps的采样率单个采样点对应距离为30m，该测距精度不能达到很多应用的需求。若提高采样速率会增加计算单元成本与功耗，与物联网的需求相矛盾。此外该方法需要两次传输，被测节点端也须完成相应的测距运算，增加了节点的开销。
LoRa提供的基于TDOA的定位功能，精度为20-200m，基于RSSI的定位精度为1000-2000m，该精度仍不能满足很多应用场景。为了使地理位置更准确， LoRa至少需要三个网关接收数据包，这就对网关的部署提出了更高的要求。由于LoRa的物理层完全由美国Semtech公司一家把控，至今没有公开底层的实现，为世界上许多国家监管部门所担忧，其安全性无法得到保障，这就使其在涉及国民经济数据等对保密性有要求的领域应用时要有所考虑。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于TDOA与CSS技术的测距方法，能够在基于CSS通信的基础上增加测距功能，通过延长信号发射时间提高频率分辨率，从而显著提高相位差测量精度，实现高精度测距。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于TDOA与CSS技术的测距方法，包括一个待定位的CSS无线终端和两个位置已知的双天线CSS无线基站，其具体步骤如下：
步骤1、双天线CSS无线基站不断生成一个调制值为0本地up chirp信号并将其虚部取反生成一个本地downchirp信号；
步骤2、待测节点向双天线CSS无线基站发射测距帧，测距帧由前导码、同步码、帧头以及测距码组成；
步骤3、双天线CSS无线基站将一端天线接收到的信号与本地产生的 downchirp信号相乘做FFT，并判断是否接收到信号帧；
步骤4、双天线CSS无线基站通过多相滤波器内插出本地downchirp信号的8个相位，并使用其与此天线接收到的信号做乘累加运算，调整本地 downchirp信号相位为乘累加运算最大值所对应的相位；同时继续做接收信号与本地downchirp信号的相乘FFT运算，查看最大值幅度是否依然超过闸值，且此时最大值位置是否在0频点上，当两条件均满足时进入下一步骤，否则继续调整本地downchirp信号相位；此步骤为消除接收信号中的小数符号时间偏移STO；
步骤5、双天线CSS无线基站同时将在此天线接收到的信号与本地产生的 upchirp信号相乘，并产生17个频率的正弦波与相乘结果做互相关运算，所述相关运算指两个信号互相关值的运算，是两个序列的相似性比较的一种数学运算；将相关运算所求出的最大值与步骤3中的FFT运算产生的最大值相比，同时继续做接收信号与本地downchirp信号的相乘FFT运算，查看最大值幅度是否依然超过闸值，且此时最大值位置是否在0频点上，在两条件均满足时继续本步骤，否则返回步骤3；此步骤为消除接收信号中的整数载波频率偏移 CFO。
步骤6、双天线CSS无线基站同时将在此天线接收到的信号与本地产生的 upchirp信号相乘，并产生17个频率的正弦波与相关结果之做互相关运算，将相关运算所求出的最大值与步骤3FFT运算产生的最大值相比，若大于说明检测到同步码中的第二个downchirp信号,并根据相关运算最大值对应频点调整载波偏移补偿模块补偿的频率值与本地downchirp信号相位并进入下一步骤；同时继续做接收信号与本地downchirp信号的相乘FFT运算查看最大值幅度是否依然超过闸值、且此时最大值位置是否在0频点上，在两条件均满足时，继续本步骤，否则返回步骤3；此步骤为消除接收信号中的小数载波频率偏移CFO；
步骤7、双天线CSS无线基站将此天线接收到的信号与本地调整后的 downchirp信号相乘做FFT，查询FFT输出最大值位置索引，根据传输信息获得节点信息与此次传输功能，若为数据传输功能则进入步骤8，若为测距功能则进入步骤9；
步骤8、双天线CSS无线基站将此天线接收到的信号与本地调整后的 downchirp信号相乘做FFT，查询FFT输出最大值位置索引即为此符号传输的 7bit数据；
步骤9、双天线CSS无线基站将从两个天线接收到的两路信号与本地产生的downchirp信号相乘，进行相位补偿，并计算出两个天线所接收信号的相位差，由此计算出节点到双天线CSS无线基站的两个天线的距离之差，根据两天线位置确定节点位置所在的双曲线；根据两个双天线CSS无线基站多次测量平均求得的距离差分别计算出的双曲线即可确定节点位置。
进一步的，所述步骤2中，所述前导码由6至256个调制值为0的基准 up chirp信号组成，同步码由两个调制值为0的基准downchirp信号组成，帧头由多个调制值携带节点信息与功能信息的up chirp信号组成，测距码由大量调制值为0的基准up chirp信号组成。
进一步的，所述步骤3中，查询FFT输出最大值幅度是否超过闸值，若超过闸值则判断为接收到信号帧；同时根据FFT最大值位置索引调整本地 downchirp信号相位，并继续做相乘FFT运算查看最大值幅度是否依然超过闸值，同时最大值位置是否在0频点上，在这两个条件均满足时，进入下一步骤，否则继续调整本地downchirp信号相位；此步骤为消除接收信号中的整数符号时间偏移STO。
进一步的，所述步骤5中，双天线CSS无线基站将在此天线接收到的信号与本地产生的up chirp信号相乘，并产生17个频率的正弦波与相乘结果做互相关运算，若互相关运算结果中的最大值大于信号检测闸值，则说明检测到同步码中的第一个downchirp信号,并根据相关运算最大值对应频点调整载波偏移补偿模块补偿的频率值与本地downchirp信号相位并进入下一步骤。
进一步的，所述步骤9中，频率分辨率是指将两个相邻谱峰分开的能力。对信号的观察周期越长，信号处理后得到的频率分辨效果就越好。一般来说，观察时长为T的一个观察窗可以分离相隔超过1/T Hz的频率分量。。
进一步的，所述步骤9中，基站将从两个天线接收到的两路信号与本地产生的downchirp信号相乘，在本地downchirp信号瞬时频率对应最大、次大、最小、次小的两端的两个采样点间分别对两路接收信号与本地downchirp信号做相位补偿；再对相乘与补偿后的两路信号做CIC滤波降采样，将降采样后的一路数据做共轭处理后与另一路数据相乘再进行FFT运算，查看FFT运算最大值对应的索引即可计算出频率差，由此可以计算出两个天线所接收信号的相位之差，进一步可以计算出节点到此基站的两根天线的距离之差。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：由于传统基于TOA与SDS-TWR算法测量精度较低，且节点侧也需要进行测距运算，增加了节点端的开销。而本发明利用CSS符号特性，将相位差转化为频率差，通过延长信号持续时间提升频率分辨率以提升相位差分辨精度，从而提高了测距精度；此外该测距方法可与数据传输很好地结合，测距码可视为传输长连0的数据帧，测距功能主要在在基站侧完成，大大降低了节点的实现复杂度。第三，该测距算法在基站侧的实现复杂度也较低。
本发明主要运用于LPWAN中，作为物理层数据通信与测距方案。使用CSS 扩频通信的抗干扰特性达到更广的覆盖范围，同时提出的测距方案可在通信覆盖范围内达到较高的测距精度，所以它在LPWAN中有较好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的系统组成框图。
图2是本发明的测距过程中相位未补偿时的结果示意图。
图3是本发明的测距过程中相位补偿后的结果示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本实施例提出的一种基于TDOA与CSS技术的测距方法，如图1所示，需要一个待定位的CSS无线终端和两个双天线CSS无线基站，并且两个无线基站的位置已知。无线终端由FPGA与SX1255射频模块组成。无线基站由FPGA与 AD9361射频模块组成，其中AD9361的两路射频接收使用同源时钟。以CSS信号带宽BW＝500KHz,扩频因子SF＝7,采样率Fs＝500Ksps例，基于TDOA与CSS技术的测距方法，具体包括以下步骤：
步骤1：基站不断生成一个调制值为0本地up chirp信号并将其虚部取反生成一个本地downchirp信号。
步骤2：待测节点向基站发射测距帧，测距帧由前导码、同步码、帧头以及测距码组成。其中前导码由一定数量调制值为0的基准up chirp信号组成，同步码由两个调制值为0的基准downchirp信号组成，帧头由多个调制值携带节点信息与功能信息的up chirp信号组成，测距码由大量调制值为0的基准 up chirp信号组成。
步骤3：基站将在一端天线接收到的信号与本地产生的downchirp信号相乘做FFT，查询FFT输出最大值幅度是否超过闸值，有则判断为接收到信号帧。同时根据FFT最大值位置索引调整本地downchirp信号相位，并继续做相乘 FFT运算查看最大值幅度是否依然超过闸值同时最大值位置是否在0频点上，两条件均满足时进入下一步骤，否则继续调整本地downchirp信号相位。此步骤为消除接收信号中的整数符号时间偏移STO。
步骤4：基站侧通过多相滤波器内插出本地downchirp信号的8个相位，并使用其与此天线接收到的信号做乘累加运算，调整本地downchirp信号相位为乘累加运算最大值所对应的相位。同时继续做接收信号与本地downchirp信号的相乘FFT运算查看最大值幅度是否依然超过闸值同时最大值位置是否在0 频点上，两条件均满足时进入下一步骤，否则继续调整本地downchirp信号相位。此步骤为消除接收信号中的小数符号时间偏移STO。
步骤5：基站同时将在此天线接收到的信号与本地产生的up chirp信号相乘，并产生[-8:1:8]*FFT bin(FFT bin＝BW/2^SF)共17个频率的正弦波与之做相关运算，将相关运算所求出的最大值与步骤3FFT运算产生的最大值相比，若大于说明检测到同步码中的第一个downchirp信号,并根据相关运算最大值对应频点调整载波偏移补偿模块补偿的频率值与本地downchirp信号相位并进入下一步骤。同时继续做接收信号与本地downchirp信号的相乘FFT运算查看最大值幅度是否依然超过闸值同时最大值位置是否在0频点上，两条件均满足时继续本步骤，否则返回步骤3。此步骤为消除接收信号中的整数载波频率偏移CFO。
步骤6：基站同时将在此天线接收到的信号与本地产生的up chirp信号相乘，并产生[-1:1/8:1]*FFT bin(FFT bin＝BW/2^SF)共17个频率的正弦波与之做相关运算，将相关运算所求出的最大值与步骤3FFT运算产生的最大值相比，若大于说明检测到同步码中的第二个downchirp信号,并根据相关运算最大值对应频点调整载波偏移补偿模块补偿的频率值与本地downchirp信号相位并进入下一步骤。同时继续做接收信号与本地downchirp信号的相乘FFT 运算查看最大值幅度是否依然超过闸值同时最大值位置是否在0频点上，两条件均满足时继续本步骤，否则返回步骤3。此步骤为消除接收信号中的小数载波频率偏移CFO。
步骤7：基站将此天线接收到的信号与本地调整后的downchirp信号相乘做FFT，查询FFT输出最大值位置索引，根据传输信息获得节点信息与此次传输功能，若为数据传输功能则进入步骤8，若为测距功能则进入步骤9。
步骤8：基站将此天线接收到的信号与本地调整后的downchirp信号相乘做FFT，查询FFT输出最大值位置索引即为此符号传输的7bit数据。
步骤9：基站将从两个天线接收到的两路信号与本地产生的downchirp信号相乘，在本地downchirp信号瞬时频率对应最大、次大、最小、次小的两端的两个采样点间分别对两路接收信号与本地downchirp信号做相位补偿。再对相乘与补偿后的两路信号做CIC滤波降采样，将降采样后的一路数据做共轭处理后与另一路数据相乘再进行FFT运算，查看FFT运算最大值对应的索引即可计算出频率差，由此可以计算出两个天线所接收信号的相位之差，进一步可以计算出节点到此基站的两根天线的距离之差，由此可根据两天线位置确定节点位置所在的双曲线。根据两个基站多次测量平均求得的距离差分别计算出的双曲线即可确定节点位置。
以带宽BW＝500KHz,扩频因子SF＝7的chirp信号为例，其持续时间
Figure BDA0003516391470000081
其斜率
Figure BDA0003516391470000082
假设信号到达两根天线的距离差为Δd,则到达时间差
Figure BDA0003516391470000083
其中c为光速。两信号与相同downchirp信号相乘所产生单音信号的频率差即为
Figure BDA0003516391470000084
因此1m的距离差对于此 chirp信号将产生约6.5Hz的频率差。
频率分辨率是指将两个相邻谱峰分开的能力。对信号的观察周期越长，信号处理后得到的频率分辨效果就越好。一般来说，观察时长为T的一个观察窗可以分离相隔超过1/T Hz的频率分量。因此分辨6.5Hz的频率差需至少约154ms的持续时间的单频信号，即需要600个以上的0调制值up chirp信号组成测距码。增加测距码长度提高频率分辨率还可进一步提高测距精度。
由于在测距码相邻符号间前一符号末尾到后一符号起始发生瞬时频率跳变以及本地downchirp信号经前导码同步码调整后仍和接收信号存在一定相位差，因此接收信号在与本地downchirp信号相乘后产生的单频信号会在chirp符号间产生相位跳变，如图2所示，为减少频率分辨时的干扰需对此相位跳变进行补偿。由于前导码和同步码期间对本地downchirp信号相位与接收upchirp信号做了对准，对准精度取决于多相滤波器相位精度，即为1/8采样频率。选择本地downchirp信号瞬时频率对应最大、次大、最小、次小的两端的两个采样点，则单频信号的相位跳变发生在这两点之间，取后一采样点采集的复接收信号的共轭与前一采样点的复接收信号相乘归一化得到相位补偿值，对后续接收信号乘以此值即可使单频信号相位连续如图3所示。在每个chirp符号间都需做此补偿。
应该注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。

Claims (6)

1.一种基于TDOA与CSS技术的测距方法，其特征在于：包括一个待定位的CSS无线终端和两个位置已知的双天线CSS无线基站，其具体步骤如下：
步骤1、双天线CSS无线基站不断生成一个调制值为0本地up chirp信号并将其虚部取反生成一个本地downchirp信号；
步骤2、待测节点向双天线CSS无线基站发射测距帧，测距帧由前导码、同步码、帧头以及测距码组成；
步骤3、双天线CSS无线基站将一端天线接收到的信号与本地产生的downchirp信号相乘做FFT，并判断是否接收到信号帧；
步骤4、双天线CSS无线基站通过多相滤波器内插出本地downchirp信号的8个相位，并使用其与此天线接收到的信号做乘累加运算，调整本地downchirp信号相位为乘累加运算最大值所对应的相位；同时继续做接收信号与本地downchirp信号的相乘FFT运算，查看最大值幅度是否依然超过闸值，且此时最大值位置是否在0频点上，当两条件均满足时进入下一步骤，否则继续调整本地downchirp信号相位；此步骤为消除接收信号中的小数符号时间偏移STO；
步骤5、双天线CSS无线基站同时将在此天线接收到的信号与本地产生的up chirp信号相乘，并产生17个频率的正弦波与相乘结果做互相关运算，所述相关运算指两个信号互相关值的运算，是两个序列的相似性比较的一种数学运算；将相关运算所求出的最大值与步骤3中的FFT运算产生的最大值相比，同时继续做接收信号与本地downchirp信号的相乘FFT运算，查看最大值幅度是否依然超过闸值，且此时最大值位置是否在0频点上，在两条件均满足时继续本步骤，否则返回步骤3；此步骤为消除接收信号中的整数载波频率偏移CFO。
步骤6、双天线CSS无线基站同时将在此天线接收到的信号与本地产生的up chirp信号相乘，并产生17个频率的正弦波与相关结果之做互相关运算，将相关运算所求出的最大值与步骤3FFT运算产生的最大值相比，若大于说明检测到同步码中的第二个downchirp信号,并根据相关运算最大值对应频点调整载波偏移补偿模块补偿的频率值与本地downchirp信号相位并进入下一步骤；同时继续做接收信号与本地downchirp信号的相乘FFT运算查看最大值幅度是否依然超过闸值、且此时最大值位置是否在0频点上，在两条件均满足时，继续本步骤，否则返回步骤3；此步骤为消除接收信号中的小数载波频率偏移CFO；
步骤7、双天线CSS无线基站将此天线接收到的信号与本地调整后的downchirp信号相乘做FFT，查询FFT输出最大值位置索引，根据传输信息获得节点信息与此次传输功能，若为数据传输功能则进入步骤8，若为测距功能则进入步骤9；
步骤8、双天线CSS无线基站将此天线接收到的信号与本地调整后的downchirp信号相乘做FFT，查询FFT输出最大值位置索引即为此符号传输的7bit数据；
步骤9、双天线CSS无线基站将从两个天线接收到的两路信号与本地产生的downchirp信号相乘，进行相位补偿，并计算出两个天线所接收信号的相位差，由此计算出节点到双天线CSS无线基站的两个天线的距离之差，根据两天线位置确定节点位置所在的双曲线；根据两个双天线CSS无线基站多次测量平均求得的距离差分别计算出的双曲线即可确定节点位置。
2.根据权利要求1所述的基于TDOA与CSS技术的测距方法，其特征在于：所述步骤2中，所述前导码由6至256个调制值为0的基准up chirp信号组成，同步码由两个调制值为0的基准downchirp信号组成，帧头由多个调制值携带节点信息与功能信息的up chirp信号组成，测距码由大量调制值为0的基准up chirp信号组成。
3.根据权利要求1所述的基于TDOA与CSS技术的测距方法，其特征在于：所述步骤3中，查询FFT输出最大值幅度是否超过闸值，若超过闸值则判断为接收到信号帧；同时根据FFT最大值位置索引调整本地downchirp信号相位，并继续做相乘FFT运算查看最大值幅度是否依然超过闸值，同时最大值位置是否在0频点上，在这两个条件均满足时，进入下一步骤，否则继续调整本地downchirp信号相位；此步骤为消除接收信号中的整数符号时间偏移STO。
4.根据权利要求1所述的基于TDOA与CSS技术的测距方法，其特征在于：所述步骤5中，双天线CSS无线基站将在此天线接收到的信号与本地产生的up chirp信号相乘，并产生17个频率的正弦波与相乘结果做互相关运算，若互相关运算结果中的最大值大于信号检测闸值，则说明检测到同步码中的第一个downchirp信号,并根据相关运算最大值对应频点调整载波偏移补偿模块补偿的频率值与本地downchirp信号相位并进入下一步骤。
5.根据权利要求4所述的基于TDOA与CSS技术的测距方法，其特征在于：所述步骤9中，频率分辨率是指将两个相邻谱峰分开的能力。对信号的观察周期越长，信号处理后得到的频率分辨效果就越好。一般来说，观察时长为T的一个观察窗可以分离相隔超过1/T Hz的频率分量。。
6.根据权利要求1所述的基于TDOA与CSS技术的测距方法，其特征在于：所述步骤9中，基站将从两个天线接收到的两路信号与本地产生的downchirp信号相乘，在本地downchirp信号瞬时频率对应最大、次大、最小、次小的两端的两个采样点间分别对两路接收信号与本地downchirp信号做相位补偿；再对相乘与补偿后的两路信号做CIC滤波降采样，将降采样后的一路数据做共轭处理后与另一路数据相乘再进行FFT运算，查看FFT运算最大值对应的索引即可计算出频率差，由此可以计算出两个天线所接收信号的相位之差，进一步可以计算出节点到此基站的两根天线的距离之差。
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