一种基于置信度估计的到达时间差测量方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A Method for Measuring Time Difference of Arrival Based on Confidence Estimation

The invention discloses a measurement method of time difference of arrival based on confidence estimation, two receiving stations S1 and S2, Z time points (t1, t2,...) in a period of time [tmin, tmax]. (tZ) Z sets of signals were collected. In this period of time, the position of the signal source changes very little and can be neglected (according to the moving speed of the signal source, the hypothesis can be satisfied by selecting and designing Tmax Tmin appropriately. Firstly, time difference measurement and confidence estimation are carried out for each group of signals. Then, several time difference measurements are filtered. Finally, weighted time difference is obtained. The invention improves the accuracy of single time difference measurement by interpolation method, estimates the confidence of each time difference measurement result, filters out the low confidence measurement result, and obtains the final time difference by weighted average with the result of multiple high confidence. It avoids the problem of inaccurate single time TDOA measurement due to the influence of noise (internal noise of receiving station, external interference signal, environmental occlusion, etc.).

【技术实现步骤摘要】
一种基于置信度估计的到达时间差测量方法
本专利技术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。
技术介绍
到达时间差(TimeDifferenceofArrival，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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本专利技术包括以下步骤：(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。本专利技术相比现有技术具有以下优点：本专利技术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是本专利技术时差测量装置的结构示意图；图3是本专利技术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专利技术的实施例作详细说明，本实施例在以本专利技术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，但本专利技术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；本文档来自技高网...

【技术保护点】
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

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭芝源，王镪，朱秋君，张婧，黄双双，李臻，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第三十八研究所，
类型：发明
国别省市：安徽,34