一种基于多维度评分的TDOA定位基站选择方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多维度评分的TDOA定位基站选择方法及系统，属于TDOA定位技术领域，包括以下步骤：S1：输入数据；S2：第一阶段筛选；S3：第二阶段筛选；S4：选择基站组合。本发明专利技术考虑了影响TDOA系统定位精度的多个因素，从基站几何区域形状、到达时间差测量误差、信噪比大小等多个方面进行优化，能够选择出使TDOA系统定位精度更高的定位基站组合，值得被推广使用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多维度评分的TDOA定位基站选择方法及系统
本专利技术涉及领域，具体涉及一种基于多维度评分的TDOA定位基站选择方法及系统。
技术介绍
TDOA(TimeDifferenceofArrival，到达时间差)是一种比较精确的定位方法。如图1所示，为TDOA系统的定位原理示意图，BS1、BS2和BS3为三个定位基站，目标辐射源E与各站距离r1、r2和r3未知，但两组时间差(r2-r1、r3-r1)可测量得到，TDOA定位方法通过处理到达时间差对目标辐射源E进行定位。在二维平面内，信号到达两个定位基站的时间差确定了一组以两站为焦点的双曲线，两组双曲线(最少三个定位基站)的交点即可确定辐射源的位置。因此，三个及以上定位基站可实现目标辐射源的二维定位，三维定位则需要四个及以上定位基站。TDOA系统的定位精度与到达时间差测量准确度、定位基站选择密切相关。各定位基站的时间同步性、采样率、通道一致性、多径效应、环境中的电磁干扰等都会影响到达时间差的测量准确度，从而影响系统的定位精度；基站数量、相互之间的距离、几何形状、基站与目标辐射源的相对位置都将直接影响TDOA系统的定位精度。为此，提出一种基于多维度评分的TDOA定位基站选择方法及系统。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于：如何解决在包含冗余站情况下定位基站选择的问题，提供了一种基于多维度评分的TDOA定位基站选择方法。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：S1：输入数据设TDOA系统共有N个定位基站，输入N个定位基站的位置数据和各定位基站同一时刻采集到的目标辐射源的I/Q信号序列；S2：第一阶段筛选从N个定位基站中选取前M个信号能量最大的信号所对应的定位基站；S3：第二阶段筛选从步骤S2中选取的M个定位基站中选取K个定位基站，对选取K个定位基站进行组合，从目标与基站距离、到达时间差可信度、基站几何形状三个维度对各基站组合进行评分，分别得到各基站组合的三个维度得分，计算各基站组合的总得分，总得分由各个维度分项得分加权得到；S4：选择基站组合选择步骤S3中总得分最高的基站组合。更进一步地，在所述步骤S2中，选取M个定位基站的具体过程如下：S21：第n个接收站接收到的I/Q信号序列为In(1…X)和Qn(1…X)，计算相应的复信号序列Rn(1…X)，计算公式如下：Rn(q)＝In(q)+j*Qn(q)q∈[1,X]其中，X为信号点数；S22：对复信号序列Rn(1…X)做FFT变换，可得到信号的频域复信号Fn(1…X)，计算目标信号能量Pn，目标信号能量Pn为信号频段内各个频谱分量的幅度的平方和，计算公式如下：其中，X1、X2分别对应目标信号频段的下限频率、上限频率所对应的点数；S23：根据频域复信号Fn(1…X)的频谱图依次计算出所有站点采集到目标信号能量Pn，选取前M个能量最高的基站作为步骤S3的输入。更进一步地，在所述步骤S22中，当目标频段未知时，X1＝1，X2＝X。更进一步地，在所述步骤S23中，若目标频段已知，目标信号能量Pn为目标频段内的各频率分量能量之和；若目标频段未知，目标信号能量Pn为整个频段内的各频率分量能量之和。更进一步地，在所述步骤S3中，从M个定位基站中选择K个，基站组合的数量更进一步地，在所述步骤S3中，对于任意一个基站组合Gi(1≤i≤g)，从目标与基站距离、到达时间差可信度、基站几何形状三个维度进行评分，分别得到基站组合Gi的三个维度得分f1(i)、f2(i)、f3(i)，Gi的总得分f(i)由各个分项得分加权得到，计算公式如下：f(i)＝w1×f1(i)+w2×f2(i)+w3×f3(i)其中，w1、w2和w3为权重，取值范围为[0,1]。更进一步地，在所述步骤S3中，目标与基站距离评分过程如下：设任意基站组合Gi包括BSi1、BSi2、…、BSiK，共K个基站，f1(i)代表基站组合Gi中各个定位基站接收到的信号能量的平均值，将f1(i)归一化到[0,1]区间，计算公式如下：其中，Pi1、Pi2、…、PiK为Gi中各定位基站BSi1、BSi2、…、BSiK接收到的信号能量，Pmax为TDOA系统中全部N个定位基站中接收到的信号能量的最大值，表达式如下：更进一步地，在所述步骤S3中，到达时间差可信度评分过程如下：S311：设参考点T处有一信号辐射源，BSa、BSb、BSc为任意三个定位基站，La、Lb、Lc分别表示基站与参考点T的真实距离，Lab为辐射源信号到达BSa、BSb的真实距离差，TDOAab为辐射源信号到达BSa、BSb的真实时间差，根据定义得到：Lab＝Lb-La＝TDOAab×光速Lab＝Lb-La＝Lb-Lc+Lc-La＝Lcb+LacLab-Lcb-Lac＝0；S312：设L′ab、L′cb、L′ac分别为Lab、Lcb、Lac的测量值，令Δabc表示BSa、BSb、BSc三个基站的目标辐射源信号到达时间差的测量误差，计算公式如下：Δabc＝|L′ab-L′cb-L′ac|当L′ab、L′cb、L′ac均无测量误差时，Δabc＝0；Δabc越大，表示某个或多个到达距离差的测量误差越大；S313：给出任意3个基站，以及它们在同一时刻接收到的I/Q数据，先测量出任意两站之间的到达距离差L′ab、L′cb、L′ac，然后代入Δabc的计算公式，求得这3个基站的到达时间差的测量误差，取平均值作为Gi的测量误差计算公式如下：其中，表示基站组合Gi中选取的3站的到达时间差的测量误差；S314：计算基站组合Gi的到达时间差可信度得分f2(i)，计算公式如下：其中，Δmax为所有基站组合中到达时间差的最大测量误差，计算公式如下：更进一步地，基站几何形状评分过程如下：S321：设为基站组合Gi中各站BSi1、BSi2、…、BSiK所围成的几何多边形的面积，f3(i)计算公式为：其中，Smax为所有基站组合中的最大面积，计算公式为：其中，f3(i)∈[0,1]，f3(i)越大，表示基站组合Gi所包围面积越大，目标辐射源出现在基站覆盖区域内的可能性越高。本专利技术还提供了一种基于多维度评分的TDOA定位基站选择系统，利用上述选择方法选择合适的定位基站组合，包括：数据输入模块，用于输入N个定位基站的位置数据和各定位基站同一时刻采集到的目标辐射源的I/Q信号序列；第一筛选模块，用于从N个定位基站中选取前M个信号能量最大的信号所对应的定位基站；第二筛选模块，用于从已选取的M个定位基站中选取K个定位基站，对选取K个定位基站进行组合，从目标与基站距离、到达时间差可信度、基站几何形状三个维度对各基站组合进行评分，分别得到各基站组本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多维度评分的TDOA定位基站选择方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：输入数据/n设TDOA系统共有N个定位基站，输入N个定位基站的位置数据和各定位基站同一时刻采集到的目标辐射源的I/Q信号序列；/nS2：第一阶段筛选/n从N个定位基站中选取前M个信号能量最大的信号所对应的定位基站；/nS3：第二阶段筛选/n从步骤S2中选取的M个定位基站中选取K个定位基站，对选取K个定位基站进行组合，从目标与基站距离、到达时间差可信度、基站几何形状三个维度对各基站组合进行评分，分别得到各基站组合的三个维度得分，计算各基站组合的总得分，总得分由各个维度分项得分加权得到；/nS4：选择基站组合/n选择步骤S3中总得分最高的基站组合。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于多维度评分的TDOA定位基站选择方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：输入数据
设TDOA系统共有N个定位基站，输入N个定位基站的位置数据和各定位基站同一时刻采集到的目标辐射源的I/Q信号序列；
S2：第一阶段筛选
从N个定位基站中选取前M个信号能量最大的信号所对应的定位基站；
S3：第二阶段筛选
从步骤S2中选取的M个定位基站中选取K个定位基站，对选取K个定位基站进行组合，从目标与基站距离、到达时间差可信度、基站几何形状三个维度对各基站组合进行评分，分别得到各基站组合的三个维度得分，计算各基站组合的总得分，总得分由各个维度分项得分加权得到；
S4：选择基站组合
选择步骤S3中总得分最高的基站组合。


2.根据权利要求1所述的一种基于多维度评分的TDOA定位基站选择方法，其特征在于：在所述步骤S2中，选取M个定位基站的具体过程如下：
S21：第n个接收站接收到的I/Q信号序列为In(1…X)和Qn(1…X)，计算相应的复信号序列Rn(1…X)，计算公式如下：
Rn(q)＝In(q)+j*Qn(q)q∈[1,X]
其中，X为信号点数；
S22：对复信号序列Rn(1…X)做FFT变换，可得到信号的频域复信号Fn(1…X)，计算目标信号能量Pn，目标信号能量Pn为信号频段内各个频谱分量的幅度的平方和，计算公式如下：



其中，X1、X2分别对应目标信号频段的下限频率、上限频率所对应的点数；
S23：根据频域复信号Fn(1…X)的频谱图依次计算出所有站点采集到目标信号能量Pn，选取前M个能量最高的基站作为步骤S3的输入。


3.根据权利要求2所述的一种基于多维度评分的TDOA定位基站选择方法，其特征在于：在所述步骤S22中，当目标频段未知时，X1＝1，X2＝X。


4.根据权利要求2所述的一种基于多维度评分的TDOA定位基站选择方法，其特征在于：在所述步骤S23中，若目标频段已知，目标信号能量Pn为目标频段内的各频率分量能量之和；若目标频段未知，目标信号能量Pn为整个频段内的各频率分量能量之和。


5.根据权利要求2所述的一种基于多维度评分的TDOA定位基站选择方法，其特征在于：在所述步骤S3中，从M个定位基站中选择K个，基站组合的数量


6.根据权利要求5所述的一种基于多维度评分的TDOA定位基站选择方法，其特征在于：在所述步骤S3中，对于任意一个基站组合Gi(1≤i≤g)，从目标与基站距离、到达时间差可信度、基站几何形状三个维度进行评分，分别得到基站组合Gi的三个维度得分f1(i)、f2(i)、f3(i)，Gi的总得分f(i)由各个分项得分加权得到，计算公式如下：
f(i)＝w1×f1(i)+w2×f2(i)+w3×f3(i)
其中，w1、w2和w3为权重，取值范围为[0,1]。


7.根据权利要求6所述的一种基于多维度评分的TDOA定位基站选择方法，其特征在于：在所述步骤S3中，目标与基站距离评分过程如下：
设任意基站组合Gi包括BSi1、BSi2、…、BSiK，共K个基站，f1(i)代表基站组合Gi中各个定位基站接收到的信号能量的平均值，将f1(i)归一化到[0,1]区间，计算公式如下：



其中，Pi1、Pi2、…、PiK为G...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭芝源，王镪，朱秋君，张婧，李立，
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