一种基于啁啾扩频拍频波的TDOA距离差测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于啁啾扩频拍频波的TDOA距离差测量方法，利用多天线基站上两根天线收到的啁啾扩频CSS时域信号之间的互相关性，获得目标节点发射的测量信号到达多天线基站上两根天线之间的到达时间差，由此获得距离差。使用多天线接收基站作为接收设备，采用CSS信号作为测量信号，具有抗干扰能力强、覆盖距离远等特点。在接收端，通过差频正交解调得到两路中频CSS信号，并对该信号继续进行拍频化处理，使两路接收信号进行互相关运算后的互相关函数仍保留“拍频”现象，较大提高了距离差测量精度和抗噪声性能。综合以上手段,使得本方法在信噪低至

【技术实现步骤摘要】
一种基于啁啾扩频拍频波的TDOA距离差测量方法


[0001]本专利技术涉及一种无线距离差测量方法，是一种基于啁啾扩频CSS(Chirp Spread Spectrum)拍频波的TDOA距离差测量方法，属于无线通信


技术介绍

[0002]近些年来，随着无线技术和物联网技术的发展，目标定位在无线传感器网络和物联网领域中具有广泛的需求。在室外条件下，以中国的北斗卫星导航系统、美国GPS系统为代表的全球导航卫星系统(GNSS)，已经能出色地提供精确定位。而在室内环境下，由于建筑物对卫星信号的遮挡，GNSS无法再提供精确的定位。故室内定位技术的研究，成为一个重要研究方向。目前，基于各种通信技术和定位方法的室内定位方案百花齐放，各有各的优势，也各有不足，至今未出现一种在各个方面均表现出色的方案。其主要原因是，在测量距离或距离差阶段，无法实现一种测量准确且抗干扰能力强、覆盖距离远的测量方案。
[0003]目前室内定位技术中常用的定位方案包括使用RFID、WiFi、蓝牙、Zigbee、UWB、超声波、LoRa等通信方式的定位方案。在这些定位方案中，RFID、WiFi、蓝牙、Zigbee、LoRa采用接收信号强度指示(RSSI)的方法进行距离估计，由于无线网络中环境复杂，信号穿墙引起的衰减或是信道中的其他干扰等因素均会对RSSI造成影响，导致基于RSSI的距离测量精度比较一般，造成最终的定位精度往往只能做到米级，且除了使用扩频调制解调技术的LoRa方案外，其他方案的通信距离有限，导致定位系统的覆盖范围也比较有限，扩大覆盖范围必须布置更多的定位基站。基于超声波的定位方案使用反射式测距法，测距精度可达厘米级，但超声波信号受多径效应和非视距传播影响很大，且超声波频率易受多普勒效应和温度影响，使得基于超声波的定位方案应用场景非常有限。基于UWB(Ultra Wide Band)技术的定位方案使用基于信号到达时间差(TDOA)的距离差测量方法，TDOA方法只需测量信号到达两接收节点的时间差而非时间，因此不要求接收基站和发射测量信号的目标节点间严格的时间同步，使系统相对简化，且测得的距离差精度也很高，使得基于TDOA方法的UWB定位方案精度可达亚米级甚至厘米级，但是局限于UWB信号传输距离短的缺点，使得UWB定位方案精度高，但覆盖范围十分有限，而且UWB模块功耗大、代价高，在低功耗物联网中难以发挥作用。

技术实现思路

[0004]为了解决现有室内定位技术中存在的无法同时实现距离/距离差高精度测量、抗干扰能力强、覆盖范围广的问题，本专利技术提出了一种基于啁啾扩频拍频波的TDOA距离差测量方法，由目标节点发出经正交调制后的啁啾扩频CSS测量信号，经过无线信道传播后，到达接收基站的任意2根接收天线，对这2根接收天线的接收信号进行差频正交解调，得到中频信号，再对该中频信号进行拍频化处理，然后使两路拍频化信号进行互相关运算，该互相关函数仍保留“拍频”现象，搜索互相关函数实部的最大值点，由此可获得两路信号之间的时间差。采用中频+拍频化处理后，能明显地提高抗噪声性能和距离差的测量精度。
[0005]采用中频信号而不是基带信号进行互相关运算，可以使两路信号完全对准时的互相关函数(实部最大)与相差一个抽样点时的互相关函数值有明显差异，因而能提高抗噪性能，但会使互相关函数(实部)的相邻载波处也出现峰值，影响了测距精度的进一步提高；进行拍频化处理后，互相关函数(实部)的相邻载波峰值被压缩明显。
[0006]进行上述处理后，可以获得目标节点发射的测量信号到达多天线基站上两根天线之间的到达时间差Δt，由此获得发射设备与两根天线之间的距离差Δr。本方法所使用的硬件系统由一台发射测量信号的目标节点和一台具有多天线的接收基站组成，接收基站的各天线到接收基站上的射频芯片间的馈线长度相等，且可根据需要进行长度调整，同时，接收基站带有可进行数据处理和运算的处理器。部署时，发射测量信号的目标节点位于接收基站的远场环境中，且测量信号可通过直射路径到达。本方法使用多天线接收基站，大幅降低了TDOA系统的实现复杂度和成本。
[0007]技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
[0008]第一方面，本专利技术提供一种基于啁啾扩频拍频波的TDOA距离差测量方法，包括：
[0009]定位系统包括目标节点与多天线接收基站，采用经正交调制后的啁啾扩频CSS信号作为测量信号；
[0010]响应于目标节点发射经正交调制后的啁啾扩频CSS信号，获取多天线接收基站中至少任意两根接收天线的接收信号；
[0011]对所述接收信号进行差频正交解调，得到中频信号；
[0012]对所述中频信号进行拍频化处理，得到拍频化信号；
[0013]对两路拍频化信号进行互相关运算，使互相关函数仍保留“拍频”现象，确定互相关函数实部的最大值点对应的时延；
[0014]基于所述时延获得目标节点与多天线基站上两根天线之间的距离差。
[0015]在一些实施例中，目标节点用于发射测量信号，多天线接收基站用于接收测量信号，并进行信号处理和距离差计算；
[0016]多天线接收基站具有多根接收天线，每根天线的规格相同，每根天线到接收端射频芯片间的馈线长度相等且可调节；
[0017]发射测量信号的目标节点位于远场环境中，且测量信号通过直射路径到达多天线接收基站的每根天线；
[0018]在所述定位系统中，目标节点与接收基站的任意2根接收天线构成一套TDOA测量系统，存在一个待测的发射设备与两根天线之间的距离差Δr。
[0019]在一些实施例中，测量信号采用经正交调制后的啁啾扩频CSS信号，复数基带信号m(t)为：
[0020]复数基带信号m(t)＝I(t)+jQ(t)＝cosθ(t)+jsinθ(t)＝e
jθ(t)
；
[0021]其中I(t)、Q(t)、j分别表示同相分量、正交分量、虚数单位；
[0022][0023]mod表示取模运算；
[0024]μ为扩频调制扫频斜率；
[0025]f0为扫频起始频率；
[0026]BW为信号带宽。
[0027]在一些实施例中，在作为发射端的目标节点中，通过正交调制的方式将基带测量信号变换为射频信号s(t)：
[0028][0029]其中Re{}表示取实部运算；ω
cu
＝2πf
cu
，f
cu
为正交调制本振频率。
[0030]在一些实施例中，射频信号s(t)经过无线信道到达多天线接收基站的天线i，i＝1,2,3
…
，天线i上的接收信号r
i
(t)表示为：
[0031][0032]其中h
i
(t)为无线信道i的单位冲击响应，N
i
(t)为信道i的随机噪声信号，表示卷积运算。
[0033]在一些实施例中，对接收信号r
i
(t)进行差频正交解调，得本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于啁啾扩频拍频波的TDOA距离差测量方法，其特征在于，定位系统包括目标节点与多天线接收基站，采用经正交调制后的啁啾扩频CSS信号作为测量信号；响应于目标节点发射经正交调制后的啁啾扩频CSS信号，获取多天线接收基站中至少任意两根接收天线的接收信号；对所述接收信号进行差频正交解调，得到中频信号；对所述中频信号进行拍频化处理，得到拍频化信号；对两路拍频化信号进行互相关运算，确定互相关函数实部的最大值点对应的时延；基于所述时延获得目标节点与多天线基站上两根天线之间的距离差。2.根据权利要求1所述基于啁啾扩频拍频波的TDOA距离差测量方法，其特征在于，目标节点用于发射测量信号，多天线接收基站用于接收测量信号，并进行信号处理和距离差计算；多天线接收基站具有多根接收天线，每根天线的规格相同，每根天线到接收端射频芯片间的馈线长度相等且可调节；发射测量信号的目标节点位于远场环境中，且测量信号通过直射路径到达多天线接收基站的每根天线；在所述定位系统中，目标节点与接收基站的任意2根接收天线构成一套TDOA测量系统，存在一个待测的发射设备与两根天线之间的距离差Δr。3.根据权利要求1所述基于啁啾扩频拍频波的TDOA距离差测量方法，其特征在于，测量信号采用经正交调制后的啁啾扩频CSS信号，复数基带信号m(t)为：复数基带信号m(t)＝I(t)+jQ(t)＝cosθ(t)+jsinθ(t)＝e
jθ(t)
；其中I(t)、Q(t)、j分别表示同相分量、正交分量、虚数单位；mod表示取模运算；μ为扩频调制扫频斜率；f0为扫频起始频率；BW为信号带宽。4.根据权利要求3所述基于啁啾扩频拍频波的TDOA距离差测量方法，其特征在于，在作为发射端的目标节点中，通过正交调制的方式将基带测量信号变换为射频信号s(t)：其中Re{}表示取实部运算；ω
cu
＝2πf
cu
，f
cu
为正交调制本振频率。5.根据权利要求1所述基于啁啾扩频拍频波的TDOA距离差测量方法，其特征在于，射频信号s(t)经过无线信道到达多天线接收基站的天线i，i＝1,2,3
…
，天线i上的接收信号r
i
(t)表示为：
其中h
i
(t)为无线信道i的单位冲击响应，N
i
(t)为信道i的随机噪声信号，表示卷积运算。6.根据权利要求1所述基于啁啾扩频拍频波的TDOA距离差测量方法，其特征在于，对接收信号r
i
(t)进行差频正交解调，得到中频信号y
i
(t)，包括：(t)，包括：y
i
(t)＝I
i
(t)+jQ
i
(t)其中正交解调ω
cd
≠ω
cu
；表示使信号通过低通滤波器LPF；对所述中频信号y
i
(t)进行拍频化处理，得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾桂根，王涛，卢敏，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：