CN116609724B - 一种基于tdoa的载具的定位追踪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于TDOA的载具的定位追踪方法,包括:载具发送任意频段的无线电信号给所有接收机;所有接收机接收无线电信号,并获取自身的时间戳和定位数据;将时间戳插入无线电信号中生成带时戳数据,并通过接收机将带时戳数据和定位数据传输给定位计算系统;定位计算系统根据带时戳数据计算出任意组合的两台接收机接收到无线电信号的时间差;定位计算系统根据两台接收机的定位数据和这两台接收机接收到无线电信号的时间差,推导出曲线;根据多组定位数据和时间差计算多条曲线;将多条曲线重合的交点判定为载具发出无线电信号的位置。本发明解决了不具备定位系统或具备定位系统但没有自动位置报告系统的载具的自动播报自身位置信息问题。
Description
技术领域
本发明涉及定位追踪技术领域,尤其涉及一种基于TDOA的载具的定位追踪方法。
背景技术
载具是指代交通工具或运输工具,用于携带人员、物品或设备进行运输,通常的载具包含汽车、飞机、轮船等,且需具备无线电信号发射功能。现有的载具存在以下三种情况:
1、第一种载具本身具备有定位系统(如:全球定位系统GPS、北斗卫星导航系统、伽利略卫星导航系统、全球导航卫星系统等)和自动位置报告系统(如:APRS(AutomaticPosition Reporting System)、ads-b、ais、wspr协议),主要依赖于定位系统和自动位置报告系统来实现自动报告自身位置信息,通过定位系统来获取本身的位置信息,并通过自动位置报告系统的相关协议将本身的位置信息以无线电信号的形式进行广播报位。这种方式虽然可以实现实时播报位置信息,但是存在保密性差、成本高等问题。
2、第二种载具仅具备定位系统而没有自动位置报告系统,这样存在仅能获得自身的位置信息,但没有自动播报自身位置功能,导致无法实时获取该载具的位置信息。
3、第三种载具由于部分载具因各种业务需求和成本问题不具备定位系统和自动位置报告系统,导致无法实时获取该载具的位置信息。
在复杂的现代化信息环境下各种载具的位置信息非常的重要,但是要想获取到不具备定位系统的载具的位置信息是难以实现的。故而,亟需开发一种基于TDOA的载具的定位追踪方法。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提出一种基于TDOA的载具的定位追踪方法。
为了实现上述的技术目的,本发明所采用的技术方案为:
本发明提供了一种基于TDOA的载具的定位追踪方法,需提供一台具有无线电信号发送功能的载具、至少3台具有无线电信号接收功能和定位功能的接收机以及一个定位计算系统;包括如下步骤:
步骤1、所述载具发送任意频段的无线电信号给所有接收机;
步骤2、所有接收机接收无线电信号,并获取自身的时间戳和定位数据;
步骤3、将所述时间戳插入无线电信号中生成带时戳数据,并通过所述接收机将带时戳数据和定位数据传输给定位计算系统;
步骤4、所述定位计算系统根据带时戳数据计算出任意组合的两台接收机接收到无线电信号的时间差;
步骤5、所述定位计算系统根据两台接收机的定位数据和这两台接收机接收到无线电信号的时间差,推导出曲线;根据多组定位数据和时间差计算多条曲线;
步骤6、将多条曲线重合的交点判定为载具发出无线电信号的位置。
进一步的,所述步骤4具体包括:
步骤41、所述定位计算系统将带时戳数据进行傅里叶变换生成频谱图,选取频谱图各波峰和波谷作为关键点,计算每相邻两个关键点之间时间差和振幅差;
步骤42、所述定位计算系统根据时间差和振幅差确认任意组合的两组带时戳数据的相似信号区段;
步骤43、根据所述相似信号区段中同一关键点对应的时间戳,计算任意组合的两台接收机接收到无线电信号的时间差。
进一步的,所述步骤42具体包括:
步骤421、根据接收机的台数选出任意两台接收机分别发送的两组带时戳数据所生成的两张频谱图;
步骤422、对比这两张频谱图中每相邻两个关键点之间时间差和振幅差,若其中一张频谱图中某一组时间差和振幅差与另一张频谱图中某一组时间差和振幅差相等或在误差范围内,则判定对应的两个关键点之间的区域为相似信号区间;
步骤423、判断两张频谱图中是否存在多个连续的相似信号区间,若是,则多个连续的相似信号区间构成相似信号区段,进入步骤43;若否,则丢弃该组带时戳数据。
进一步的,所述步骤43具体包括:
步骤431、选定一张频谱图的相似信号区段中任意一个关键点位置,并确定出对应的时间戳;
步骤432、从另一张频谱图的相似信号区段中相同的关键点位置确定出对应的时间戳;
步骤433、计算确定出的两个时间戳的时间位移,得到两台接收机接收到无线电信号的一组时间差;
步骤434、每两台接收机进行任意组合后重复步骤421-步骤423和步骤431-步骤433,得到多组时间差。
进一步的,所述步骤5具体包括:
步骤51、所述定位计算系统利用TDOA算法,根据两台接收机的定位数据和这两台接收机接收到无线电信号的时间差,推导出曲线;
步骤52、所述定位计算系统根据多组定位数据和时间差重复步骤51,则计算出多条曲线,所述多条曲线的数量与根据接收机台数和组合个数得到的排列组合数量相等。
进一步的,所述步骤51具体包括:
步骤511、定义有两个接收机,分别为接收机S1和接收机S2,接收机S1所在的定位数据为(xS1, yS1),接收机S2所在的定位数据为(xS2, yS2),信号源位于平面上的未知位置(x, y),接收收机S1和接收机S2接收到信号源的时间分别为tS1和tS2,信号源在空气中传播速度为v;
步骤512、根据时间计算公式得到以下两个方程:
(1)
(2)
步骤513、将方程(1)和(2)整理并平方,可以得到曲线方程:
(3)
其中,(xS1, yS1)和(xS2, yS2)是接收机S1和接收机S2已知的坐标,接收机S1和接收机S2接收到无线电信号的时间差(tS1-tS2)也是已知的,得到的方程(3)是一个曲线方程,该方程(3)表示信号源可能存在的位置。
进一步的,所述步骤52中根据接收机台数和组合个数得到的排列组合数量,其计算方式具体包括:
步骤521、将排列组合数量定义为C(n, k),其中n表示待组合的接收机台数,k表示每组选取的个数;
步骤522、排列组合数量的计算公式为:
C(n, k)=n! / (k! × (n - k)!)(4)
其中,!表示阶乘符号。
进一步的,所述步骤6具体包括:
步骤61、若多条曲线重合的交点仅有一个,则判定该交点为载具发出无线电信号的位置;
步骤62、若多条曲线重合的交点具有多个,则判定重合最多曲线的交点为载具发出无线电信号的位置。
进一步的,所述接收机中设置有定位装置和信号收发装置。
进一步的,所述定位装置为全球定位系统、北斗卫星导航系统、伽利略卫星导航系统或全球导航卫星系统。
采用上述的技术方案,本发明与现有技术相比,其具有的有益效果为:
本发明是基于全球范围内,依赖满足高精度时间(精度100ns以上)、具有定位数据的接收机,计算获取有发送无线电信号的载具位置,弥补了不具备定位系统或具备定位系统但没有自动位置报告系统的载具的自动播报自身位置信息问题。本发明通过测量载具发送的无线电信号发出频段,仅需在载具附近明确可接收到其发出的信号信息,通过TDOA计算即可获取到该载具位置。无需依赖自动位置报告系统的自报位信号进行解析与解密等过程,进行特殊载具定位的补充。
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是本发明实施例提供的一种基于TDOA的载具的定位追踪方法执行流程图。
图2是本发明实施例提供的载具、接收机和定位计算系统之间的结构图。
图3是本发明实施例提供的4台接收机两两组合后得到的6条曲线示意图。
图4是本发明实施例提供的曲线判定依据原理图。
图5是本发明实施例提供的一种电子设备的示意图。
图6是本发明实施例提供的一种计算机可读存储介质的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是,以下实施例仅用于说明本发明,但不对本发明的范围进行限定。同样的,以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
请参见图1-图3,本发明的一种基于TDOA的载具的定位追踪方法,需提供一台具有无线电信号发送功能的载具、至少3台具有无线电信号接收功能和定位功能的接收机以及一个定位计算系统;每台所述接收机中均设置有定位装置和信号收发装置;所述定位装置为全球定位系统、北斗卫星导航系统、伽利略卫星导航系统或全球导航卫星系统。其中,TDOA(Time Difference of Arrival,到达时间差)是一种利用不同接收机之间接收无线电信号存在的时间差进行定位的技术;需要采用至少3台接收机是因为需要两台接收机的定位数据和时间差只能计算出一条曲线,信号源的位置是在这条曲线上,但不能确定出具体的位置,所以至少需要两条曲线,才能确定出两条曲线的交点,而要想由接收机进行两两组合后得到两条曲线,就必须设置接收机的数量至少要3台。
包括如下步骤:
步骤1、所述载具发送任意频段的无线电信号给所有接收机;所述载具不具备定位系统和自动位置报告系统,但具有无线电信号发送功能;所述载具可以通过自身下发的无线电信号来传输数据;
步骤2、所有接收机接收无线电信号,并获取自身的时间戳和定位数据;所述接收机设置有具有收发信号功能的信号收发装置,可以通过该信号收发装置接收到由载具发出的无线电信号;同时,所述接收机还具备定位装置,可以通过该定位装置采集接收机自身的时间戳和定位数据;
步骤3、将所述时间戳插入无线电信号中生成带时戳数据(为I\Q路调制数据),目的是为了使得无线电信号中的每个数据都有对应的时间戳,即一个数据中既包含有数据信息又包含有时间信息,这为计算时间差提供了基础;并通过所述接收机将带时戳数据和定位数据传输给定位计算系统,为实现对载具位置信息的计算提供有用的数据;
步骤4、所述定位计算系统根据带时戳数据计算出任意组合的两台接收机接收到无线电信号的时间差;
在本实施例中,所述步骤4具体包括:
步骤41、所述定位计算系统将带时戳数据进行傅里叶变换生成频谱图,选取频谱图各波峰和波谷作为关键点,计算每相邻两个关键点之间时间差和振幅差;
步骤42、所述定位计算系统根据时间差和振幅差确认任意组合的两组带时戳数据的相似信号区段;通过关键点、时间差和振幅差的关系可以从两张频谱图中的快速找出关联的部分,因此,采用这种方式可以快速准确地确定出两组带时戳数据的相似信号区段。
在本实施例中,所述步骤42具体包括:
步骤421、根据接收机的台数选出任意两台接收机分别发送的两组带时戳数据所生成的两张频谱图;
步骤422、对比这两张频谱图中每相邻两个关键点之间时间差和振幅差,若其中一张频谱图中某一组时间差和振幅差与另一张频谱图中某一组时间差和振幅差相等或在误差范围内,则判定对应的两个关键点之间的区域为相似信号区间;
步骤423、判断两张频谱图中是否存在多个连续的相似信号区间,若是,则多个连续的相似信号区间构成相似信号区段,进入步骤43;若否,则丢弃该组带时戳数据。
步骤43、根据所述相似信号区段中同一关键点对应的时间戳,计算任意组合的两台接收机接收到无线电信号的时间差。由于每个关键点位置上都携带有对应一个时间戳,在相似信号区段中找出波形相同位置上的关键点,就能根据两个关键点对应的两个时间戳计算出对应的时间差,这种方式计算过程比较简单。
在本实施例中,所述步骤43具体包括:
步骤431、选定一张频谱图的相似信号区段中任意一个关键点位置,并确定出对应的时间戳;
步骤432、从另一张频谱图的相似信号区段中相同的关键点位置确定出对应的时间戳;
步骤433、计算确定出的两个时间戳的时间位移,得到两台接收机接收到无线电信号的一组时间差;
步骤434、每两台接收机进行任意组合后重复步骤421-步骤423和步骤431-步骤433,得到多组时间差。
步骤5、所述定位计算系统根据两台接收机的定位数据和这两台接收机接收到无线电信号的时间差,推导出曲线;根据多组定位数据和时间差计算多条曲线;通过时间差和及两台接收机的定位数据所计算出的曲线,表明该曲线上的所有点位置都有可能是载具存在的位置,缩小了载具位置的可能范围;再根据多个曲线的交点处位置,就可以精准地判断载具的具体位置,计算过程简单,结果准确。
在本实施例中,所述步骤5具体包括:
步骤51、所述定位计算系统利用TDOA算法,根据两台接收机的定位数据和这两台接收机接收到无线电信号的时间差,推导出曲线;
步骤52、所述定位计算系统根据多组定位数据和时间差重复步骤51,则计算出多条曲线,所述多条曲线的数量与根据接收机台数和组合个数得到的排列组合数量相等。
在本实施例中,所述步骤51具体包括:
步骤511、定义有两个接收机,分别为接收机S1和接收机S2,接收机S1所在的定位数据为(xS1, yS1),接收机S2所在的定位数据为(xS2, yS2),信号源位于平面上的未知位置(x, y),接收收机S1和接收机S2接收到信号源的时间分别为tS1和tS2,信号源在空气中传播速度为v;
步骤512、根据时间计算公式得到以下两个方程:
(1)
(2)
步骤513、将方程(1)和(2)整理并平方,可以得到曲线方程:
(3)
其中,(xS1, yS1)和(xS2, yS2)是接收机S1和接收机S2已知的坐标,接收机S1和接收机S2接收到无线电信号的时间差(tS1-tS2)也是已知的,得到的方程(3)是一个曲线方程,该方程(3)表示信号源可能存在的位置。
在本实施例中,所述步骤52中根据接收机台数和组合个数得到的排列组合数量,其计算方式具体包括:
步骤521、将排列组合数量定义为C(n, k),其中n表示待组合的接收机台数,k表示每组选取的个数;
步骤522、排列组合数量的计算公式为:
C(n, k)=n! / (k! × (n - k)!)(4)
其中,!表示阶乘符号。
例如:对于3台接收机的两两组合,可以选取2台接收机进行组合,因此k=2。
根据组合数公式,计算C(3, 2)的值,即:
C(3, 2) = 3! / (2! * (3 - 2)!) = 3! / (2! * 1!) = 3 / (2 * 1) = 3
因此,在给定3台接收机的情况下,有3种不重复的两两组合方式。
例如:对于4台接收机的两两组合,可以选取2台接收机进行组合,因此k=2。
根据组合数公式,计算C(4, 2)的值,即:
C(4, 2) = 4! / (2! * (4 - 2)!) = 4! / (2! * 2!) = 4 * 3 / (2 * 1) = 6
因此,在给定4台接收机的情况下,有6种不重复的两两组合方式。
例如:对于6台接收机的两两组合,可以选取2台接收机进行组合,因此k=2。
根据组合数公式,计算C(6, 2)的值,即:
C(6, 2) = 6! / (2! * (6 - 2)!) = 6! / (2! * 4!) = 6 * 5 / (2 * 1) =15
因此,在给定6台接收机的情况下,有15种不重复的两两组合方式。
步骤6、将多条曲线重合的交点判定为载具发出无线电信号的位置。
在本实施例中,所述步骤6具体包括:
步骤61、若多条曲线重合的交点仅有一个,则判定该交点为载具发出无线电信号的位置;
步骤62、若多条曲线重合的交点具有多个,则判定重合最多曲线的交点为载具发出无线电信号的位置。由于测量和计算过程中有可能存在一定的误差,因为多条曲线有可能不会重合在同一个交点上,此时认定重合最多曲线的交点是最准确的,结果也比较准确。
具体实施例一:
采用4台接收机(分别为接收机A、接收机B、接收机C、接收机D)、一台载具和一个定位计算系统进行处理,具体步骤如下:
步骤S1、所述载具发送任意频段的无线电信号给接收机A、接收机B、接收机C、接收机D;
步骤S2、接收机A、接收机B、接收机C、接收机D接收无线电信号,并获取自身的时间戳和定位数据(经纬度信息);
步骤S3、将接收机A的时间戳插入无线电信号中生成接收机A的带时戳数据a,将接收机B的时间戳插入无线电信号中生成接收机B的带时戳数据b,将接收机C的时间戳插入无线电信号中生成接收机C的带时戳数据c,将接收机D的时间戳插入无线电信号中生成接收机D的带时戳数据d;再将接收机A的带时戳数据a和定位数据、接收机B的带时戳数据b和定位数据、接收机C的带时戳数据c和定位数据、接收机D的带时戳数据d和定位数据均传输给定位计算系统;
步骤S4、所述定位计算系统将带时戳数据进行傅里叶变换生成频谱图,即将带时戳数据a进行傅里叶变换生成频谱图1,将带时戳数据b进行傅里叶变换生成频谱图2,将带时戳数据c进行傅里叶变换生成频谱图3,将带时戳数据d进行傅里叶变换生成频谱图4;选取频谱图各波峰和波谷作为关键点,计算每相邻两个关键点之间时间差和振幅差,即计算频谱图1中每相邻两个关键点之间时间差和振幅差,得到多个数据;计算频谱图2中每相邻两个关键点之间时间差和振幅差,得到多个数据;计算频谱图3中每相邻两个关键点之间时间差和振幅差,得到多个数据;计算频谱图4中每相邻两个关键点之间时间差和振幅差,得到多个数据;
步骤S5、所述定位计算系统根据时间差和振幅差确认任意组合的两组带时戳数据的相似信号区段;具体包括:
步骤S51、根据接收机的台数选出任意两台接收机分别发送的两组带时戳数据所生成的两张频谱图;根据4台接收机对应的4张频谱图进行两两组合,得到组合1:频谱图1和频谱图2,组合2:频谱图1和频谱图3,组合3:频谱图1和频谱图4,组合4:频谱图2和频谱图3,组合5:频谱图2和频谱图4,组合6:频谱图3和频谱图4;总共可以有6种组合形式。
步骤S52、对比这两张频谱图中每相邻两个关键点之间时间差和振幅差,若其中一张频谱图中某一组时间差和振幅差与另一张频谱图中某一组时间差和振幅差相等或在误差范围内,则判定对应的两个关键点之间的区域为相似信号区间;例如:在频谱图1和频谱图2中,通过关键点、时间差和振幅差进行比对判断波形,可以判定出相似信号区间;
步骤S53、判断两张频谱图中是否存在不小于m个连续的相似信号区间,m的数值可用户根据情况自行设定,这里设置为50≤m≤200;若是,则将所有连续的相似信号区间构成相似信号区段,进入步骤S6;若否,则丢弃该组带时戳数据。若频谱图1和频谱图2中只有小于m个相似信号区间或不小于m个但不连续,说明相似信号区间存在随机性,因此数据不精准不予以采用;若频谱图1和频谱图2中有不小于m个连续的相似信号区间,说明数据比较稳定,可以作为计算的依据,提高了计算结果的准确性。
步骤S6、根据所述相似信号区段中同一关键点对应的时间戳,计算任意组合的两台接收机接收到无线电信号的时间差。具体包括:
步骤S61、选定一张频谱图的相似信号区段中任意一个关键点位置,并确定出对应的时间戳;
步骤S62、从另一张频谱图的相似信号区段中相同的关键点位置确定出对应的时间戳;
步骤S63、计算确定出的两个时间戳的时间位移,得到两台接收机接收到无线电信号的一组时间差;
步骤S64、每两台接收机进行任意组合后重复步骤51-步骤53和步骤61-步骤63,得到多组时间差。由于找到的相似信号区段已经相对准备了,因此两张频谱图的相似信号区段中的位置相对应的两个关键点是存在关联性的,是两台接收机接收到同一个数据点的位置,因此,根据关键点对应的时间戳就能快速计算出两台接收机接收到同一个数据点的时间差。
步骤S7、所述定位计算系统根据两台接收机的定位数据和这两台接收机接收到无线电信号的时间差,推导出曲线;根据多组定位数据和时间差计算多条曲线;具体包括:
步骤S71、所述定位计算系统利用TDOA算法,根据两台接收机的定位数据和这两台接收机接收到无线电信号的时间差,推导出曲线;具体包括:
定义有两个接收机,分别为接收机S1和接收机S2,接收机S1所在的定位数据为(xS1, yS1),接收机S2所在的定位数据为(xS2, yS2),信号源位于平面上的未知位置(x, y),接收收机S1和接收机S2接收到信号源的时间分别为tS1和tS2,信号源在空气中传播速度为v;
根据时间计算公式得到以下两个方程:
(1)
(2)
将方程(1)和(2)整理并平方,可以得到曲线方程:
(3)
其中,(xS1, yS1)和(xS2, yS2)是接收机S1和接收机S2已知的坐标,接收机S1和接收机S2接收到无线电信号的时间差(tS1-tS2)也是已知的,得到的方程(3)是一个曲线方程,该方程(3)表示信号源可能存在的位置。曲线判定依据:如图4所示,其中,R1表示接收机S1接收到由信号源发出的信号所需的时间,R2表示接收机S2接收到由信号源发出的信号所需的时间。
步骤S72、所述定位计算系统根据多组定位数据和时间差重复步骤6,则计算出多条曲线,所述多条曲线的数量与根据接收机台数和组合个数得到的排列组合数量相等。根据接收机台数和组合个数得到的排列组合数量,其计算方式具体包括:
将排列组合数量定义为C(n, k),其中n表示待组合的接收机台数,k表示每组选取的个数;
步排列组合数量的计算公式为:
C(n, k)=n! / (k! × (n - k)!)(4)
其中,!表示阶乘符号。
对于4台接收机的两两组合,可以选取2台接收机进行组合,因此k=2。
根据组合数公式,计算C(4, 2)的值,即:
C(4, 2) = 4! / (2! * (4 - 2)!) = 4! / (2! * 2!) = 4 * 3 / (2 * 1) = 6
因此,在给定4台接收机的情况下,有6种不重复的两两组合方式。所以可以得到6条曲线。
步骤S8、将多条曲线重合的交点判定为载具发出无线电信号的位置。具体包括:
步骤S81、若多条(6条)曲线重合的交点仅有一个,精准度高,则判定该交点为载具发出无线电信号的位置;
步骤S82、若多条(6条)曲线重合的交点具有多个(不止一个,如两个),这是由于测量和计算过程中有可能存在一定的误差,因为多条曲线有可能不会重合在同一个交点上,则判定重合最多曲线的交点为载具发出无线电信号的位置。例如:交点1中重合了4条曲线,交点2中重合了2条曲线,此时认定重合最多曲线的交点1是最准确的,结果也比较准确。但若不同交点的重合曲线个数相同时,只能大概认定可能载具可能存在在这几个交点处,具体位置还需要重新计算,若交点1中重合了3条曲线,交点2中重合了3条曲线,则说明载具可能在交点1也有可能在交点2,还需要进一步判断。
如图5所示,本发明实施例还提供一种电子设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述程序时实现上述的一种基于TDOA的载具的定位追踪方法。
如图6所示,本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该程序被处理器执行时实现上述的一种基于TDOA的载具的定位追踪方法。
另外,在本发明各个实施方式中的各功能单元可以集成在一个处理单元中,也可以是各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机,服务器,或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施方式方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括:U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅为本发明的部分实施例,并非因此限制本发明的保护范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于TDOA的载具的定位追踪方法,其特征在于,需提供一台具有无线电信号发送功能的载具、至少3台具有无线电信号接收功能和定位功能的接收机以及一个定位计算系统;包括如下步骤:
步骤1、所述载具发送任意频段的无线电信号给所有接收机;
步骤2、所有接收机接收无线电信号,并获取自身的时间戳和定位数据;
步骤3、将所述时间戳插入无线电信号中生成带时戳数据,并通过所述接收机将带时戳数据和定位数据传输给定位计算系统;
步骤4、所述定位计算系统根据带时戳数据计算出任意组合的两台接收机接收到无线电信号的时间差;具体包括:
步骤41、所述定位计算系统将带时戳数据进行傅里叶变换生成频谱图,选取频谱图各波峰和波谷作为关键点,计算每相邻两个关键点之间时间差和振幅差;
步骤42、所述定位计算系统根据时间差和振幅差确认任意组合的两组带时戳数据的相似信号区段;具体包括:
步骤421、根据接收机的台数选出任意两台接收机分别发送的两组带时戳数据所生成的两张频谱图;
步骤422、对比这两张频谱图中每相邻两个关键点之间时间差和振幅差,若其中一张频谱图中某一组时间差和振幅差与另一张频谱图中某一组时间差和振幅差相等或在误差范围内,则判定对应的两个关键点之间的区域为相似信号区间;
步骤423、判断两张频谱图中是否存在不少于m个连续的相似信号区间,m的数值设置为50≤m≤200;若是,则将所有连续的相似信号区间构成相似信号区段,进入步骤43;若否,则丢弃该组带时戳数据;
步骤43、根据所述相似信号区段中同一关键点对应的时间戳,计算任意组合的两台接收机接收到无线电信号的时间差;具体包括:
步骤431、选定一张频谱图的相似信号区段中任意一个关键点位置,并确定出对应的时间戳;
步骤432、从另一张频谱图的相似信号区段中相同的关键点位置确定出对应的时间戳;
步骤433、计算确定出的两个时间戳的时间位移,得到两台接收机接收到无线电信号的一组时间差;
步骤434、每两台接收机进行任意组合后重复步骤421-步骤423和步骤431-步骤433,得到多组时间差;
步骤5、所述定位计算系统根据两台接收机的定位数据和这两台接收机接收到无线电信号的时间差,推导出曲线;根据多组定位数据和时间差计算多条曲线;具体包括:
步骤51、所述定位计算系统利用TDOA算法,根据两台接收机的定位数据和这两台接收机接收到无线电信号的时间差,推导出曲线;
步骤52、所述定位计算系统根据多组定位数据和时间差重复步骤51,则计算出多条曲线,所述多条曲线的数量与根据接收机台数和组合个数得到的排列组合数量相等;
步骤6、将多条曲线重合的交点判定为载具发出无线电信号的位置。
2.如权利要求1所述的一种基于TDOA的载具的定位追踪方法,其特征在于,所述步骤51具体包括:
步骤511、定义有两个接收机,分别为接收机S1和接收机S2,接收机S1所在的定位数据为(xS1,yS1),接收机S2所在的定位数据为(xS2,yS2),信号源位于平面上的未知位置(x,y),接收收机S1和接收机S2接收到信号源的时间分别为tS1和tS2,信号源在空气中传播速度为v;
步骤512、根据时间计算公式得到以下两个方程:
步骤513、将方程(1)和(2)整理并平方,得到曲线方程:
其中,(xS1,yS1)和(xS2,yS2)是接收机S1和接收机S2已知的坐标,接收机S1和接收机S2接收到无线电信号的时间差(tS1-tS2)也是已知的,得到的方程(3)是一个曲线方程,该方程(3)表示信号源可能存在的位置。
3.如权利要求1所述的一种基于TDOA的载具的定位追踪方法,其特征在于,其特征在于,所述步骤52中根据接收机台数和组合个数得到的排列组合数量,其计算方式具体包括:
步骤521、将排列组合数量定义为C(n,k),其中n表示待组合的接收机台数,k表示每组选取的个数;
步骤522、排列组合数量的计算公式为:
C(n,k)=n!/(k!×(n-k)!) (4)
其中,!表示阶乘符号。
4.如权利要求1所述的一种基于TDOA的载具的定位追踪方法,其特征在于,其特征在于,所述步骤6具体包括:
步骤61、若多条曲线重合的交点仅有一个,则判定该交点为载具发出无线电信号的位置;
步骤62、若多条曲线重合的交点具有多个,则判定重合最多曲线的交点为载具发出无线电信号的位置。
5.如权利要求1所述的一种基于TDOA的载具的定位追踪方法,其特征在于,其特征在于,所述接收机中设置有定位装置和信号收发装置。
6.如权利要求5所述的一种基于TDOA的载具的定位追踪方法,其特征在于,其特征在于,所述定位装置为全球定位系统、北斗卫星导航系统或伽利略卫星导航系统。
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