一种基于互相关的改进时延估计方法技术

本发明专利技术属于室内导航定位技术领域，涉及一种基于互相关的改进时延估计方法，尤其是一种在无线传感器网络室内定位时的时延估计方法。本发明专利技术解决问题的技术方案是：一种基于互相关的改进时延估计方法，通过以下步骤实现：步骤一：在无线传输网络中的四个基站发送信号到接收端，步骤二：分别对信号进行互相关运算，函数的峰值点为两个基站信号到达接收端的时间差，步骤三：使用抛物线插值法取得最大值，步骤四：根据距离差算法得到信号接收端的时间延迟以及基站与接收端的距离差。本发明专利技术可以在非相关背景噪声下估计非整数时延，解决时延真值不是采样间隔整数倍时出现的无法克服误差平台问题，提高对噪声的鲁棒性，提高室内定位精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于室内导航定位
，涉及一种基于互相关的改进时延估计方法。
技术介绍
目前北斗/GPS卫星导航定位系统已经发展成熟，可以满足室外导航定位的应用需求，但是在室内定位时，这种系统又有其局限性，卫星信号穿透建筑物传播时大幅度衰减；设备价格高，不宜在室内定位系统中推广。无线传感器网络定位因其低成本、低功耗、易扩展等优点在室内定位中广泛应用，由于信号在室内传播时会受到多径效应影响，到达接收端的角度与幅度发生变化，这样想要准确测量基站与接受端的距离较难，因此提高测距精度成为关键。TDOA定位是利用相关函数和功率谱密度估计接收信号的时延差，通过这个时延差进行定位，时延估计的精度及鲁棒性是关系到室内定位精度的关键。TDOA定位中的常用算法广义互相关法在信噪比较高的情况下具有较好的时延估计精度，但是当信噪比降低，时延估计精度较差。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种在无线传感器网络室内定位时的时延估计方法。本专利技术解决问题的技术方案是：一种基于互相关的改进时延估计方法，通过以下步骤实现：步骤一：在无线传输网络中的四个基站发送信号到接收端；步骤二：分别对信号进行互相关运算，函数的峰值点为两个基站信号到达接收端的时间差；步骤三：使用抛物线插值法取得最大值；步骤四：根据距离差算法得到信号接收端的时间延迟以及基站与接收端的距离差。进一步地，分别对基站发送到接收端的离散信号进行互相关运算，得到离散互相关函数无线传输网络中四个基站信号源发送信号si(t)(i＝1，2，3，4)经过信道传输后受到噪声干扰,并且si(t)信号源为延迟不同的相同信号源，则接收端信号为xi(t)＝Ais(t-di)+ni(t)，假设si(t)与ni(t)(i＝1，2，3，4)互不相关，则x1(t)和x2(t)，x1(t)和x3(t)，x1(t)和x4(t)在有限周期内进行互相关，对离散互相关函数进行傅立叶变换得：X1(k)=Σn=0N-1x1[n]e-j2πNknX2(k)=Σn=0N-1x2[n]e-j2πNknX3(k)=Σn=0N-1x3[n]e-j2πNknX4(k)=Σn=0N-1x4[n]e-j2πNkn,k=0,...,N-1---(1)]]>Rn1n1(k)=X1(k)X1*(k)Rn2n1(k)=X1(k)X2*(k)Rn3n1(k)=X1(k)X3*(k)Rn4n1(k)=X1(k)X4*(k)---(2)]]>xi[n]：信号xi(t)对应的离散采样信号；Xi(k)：信号xi[n]的傅立叶变换；Xi*(k)：xi(k)的共轭信号。对上式傅立叶反变换得到时域内的互相关函数：en11[n]=1NΣk=0N-1Rn1n1(K)ej2πNknen21[n]=1NΣk=0N-1Rn2n1(K)ej2πNknen31[n]=1NΣk=0N-1Rn3n1(K)ej2πNknen41[n]=1NΣk=0N-1Rn4n1(K)ej2πNkn,-(N-1)≤n≤(N-1)---(3)]]>T：定位周期；N：定位周期(T)内接收端接收的离散信号点个数；Fs：基站向接收端发送信号时的发送频率；信号x1(t)和xi(t)的自相关函数。进一步地，对离散信号使用抛物线插值法求得[min(n0，n1，n2)max(n0，n1，n2)]时间区间内信号最大值n，计算公式如下：g(nx)=en[n0](nx-n1)(nx-n2)(n0-n1)(n0-n2)+en[n1](nx-n0)(nx-n2)(n1-n0)(n1-n2)+en[n2](nx-n0)(nx-n1)(n2-n0)(n2-n1)]]>分别计算和最大值时对应的g(nx)值：n21-0=maxn[en21[n]]n31-0=maxn[en31[n]]n41-0=maxn[en41[n]]---(4)]]>对n21-0点附近求得另外两个最大的点分别为n21-1，n21-2，则由点和三点构成的抛物线插值法曲线g21为：g21(nx)=en21[n21-0](nx-n21-1)(nx-n21-2)(n21-0-n21-1)(n21-0-n21-2)+en21[n21-1](nx-n21-0)(nx-n21-2)(n21-1-n21-0)(n21-1-n21-2)+en21[n21-2](nx-n21-0)(nx-n21-1)(n21-2-n21-0)(n21-2-n21-1)---(5)]]>进一步地，计算出时延以及接收端与基站之间的距离差R＝c*D。计算函数g21(nx)在区间[min(n21-0，n21-1，n21-2)max(n21-0，n21-1，n21-2)]上的最大值n21＝max[g21(nx)]。同理，计算得n31＝max[g31(nx)]、n41＝max[g41(nx)]。根据距离差算法计算出时延以及接收端与基站之间的距离差：相应的时延为：接收端到基站的距离差为：上式中，ni1：接收端到基站1和i的时间差(离散采样点形式)；Di1：接收端到基站1和i的时间差(时间形式)；Ri，1：接收端到基站1和i的距离差。本专利技术的有益效果为：本专利技术将广义互相关法和抛物线插值法相结合，可以在非相关背景噪声下估计非整数时延，解决时延真值不是采样间隔整数倍时出现的无法克服误差平台问题，提高对噪声的鲁棒性，提高室内定位精度。附图说明图1是基于互相关的改进时延估计方法详细流程图。图2是抛物线插值算法曲线。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式，对本专利技术作进一步的说明。参考图1基于互相关的改进时延估计方法详细流程图，对接收端信号进行以下一系列算法运算：无线传感器网络中四个基站信号源发送信号si(t)(i＝1，2，3，4)经过信道传输后受到噪声干扰,并且si(t)信号源为延迟不同的相同信号源，则接收端信号为xi(t)＝Ais(t-di)+ni(t)假设si(t)与ni(t)(i＝1，2，3，4)互不相关，则x1(t)和x2(t)，x1(t)和x3(t)，x1(t)和x4(t)在有限周期内进行互相关，对离散互相关函数进行傅立叶变换得：X1(k)=Σn=0N-1x1[n]e-j2πNknX2(k)=Σn=0N-1x2[n]e-j2πNknX3(k)=Σn=0N-1x3[n]e-j2πNknX4(k)=Σn=0N-1x4[n]e-j2πNkn,k=0,...,N-1---(1)]]>Rn1n1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于互相关的改进时延估计方法，其特征在于，通过以下步骤实现：步骤一：在无线传输网络中的四个基站发送信号到接收端，步骤二：分别对信号进行互相关运算，函数的峰值点为两个基站信号到达接收端的时间差，步骤三：使用抛物线插值法取得最大值，步骤四：根据距离差算法得到信号接收端的时间延迟以及基站与接收端的距离差。

【技术特征摘要】
1.一种基于互相关的改进时延估计方法，其特征在于，通过以下步骤实现：步骤一：在无线传输网络中的四个基站发送信号到接收端，步骤二：分别对信号进行互相关运算，函数的峰值点为两个基站信号到达接收端的时间差，步骤三：使用抛物线插值法取得最大值，步骤四：根据距离差算法得到信号接收端的时间延迟以及基站与接收端的距离差。2.根据权利要求1所述的基于互相关的改进时延估计方法，其特征在于，分别对基站发送到接收端的离散信号进行互相关运算，得到离散互相关函数无线传输网络中四个基站信号源发送信号si(t)(i＝1,2,3,4)经过信道传输后受到噪声干扰,并且si(t)信号源为延迟不同的相同信号源，则接收端信号为xi(t)＝Ais(t-di)+ni(t),假设si(t)与ni(t)(i＝1,2,3,4)互不相关，则x1(t)和x2(t)，x1(t)和x3(t)，x1(t)和x4(t)在有限周期内进行互相关，对离散互相关函数进行傅立叶变换得：xi[n]：信号xi(t)对应的离散采样信号；xi(k)：信号xi[n]的傅立叶变换；：xi(k)的共轭信号，对上式傅立叶反变换得到时域内的互相关函数：T：定位周期；N：定位周期(T)内接收端接收的离散信号点个数；...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国川，
申请(专利权)人：北斗时空信息技术北京有限公司，张国川，
类型：发明
国别省市：北京;11