張 婧

（中國(guó)電子科技集團(tuán)第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

0 引 言

到達(dá)時(shí)間差（Time Difference of Arrival, TDOA）是一種常用的無線信號(hào)源定位技術(shù)。它通過測(cè)量信號(hào)到達(dá)各接收站接收天線的時(shí)間差，來計(jì)算信號(hào)源到達(dá)各接收天線的距離差，從而計(jì)算出信號(hào)源的位置。使用該技術(shù)進(jìn)行定位時(shí)，到達(dá)時(shí)間差的測(cè)量準(zhǔn)確度決定了定位準(zhǔn)確度。

影響到達(dá)時(shí)間差測(cè)量準(zhǔn)確度的因素主要包括：各接收站之間的時(shí)間同步性、接收信號(hào)帶寬、接收機(jī)采樣率等，尤其當(dāng)信號(hào)在空氣中非視距傳輸時(shí)，受到應(yīng)用環(huán)境中建筑物、樹木等障礙物的影響，信號(hào)傳輸?shù)礁鹘邮仗炀€的過程中，可能會(huì)出現(xiàn)反射、衍射、散射等現(xiàn)象，使得接收信號(hào)引入不確定時(shí)延，即測(cè)量到達(dá)時(shí)間差偏離視距距離差，最終導(dǎo)致目標(biāo)定位不準(zhǔn)確。

在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中無法做到無遮擋。因此，如何在系統(tǒng)硬件資源、環(huán)境因素不變的情況下，利用信號(hào)處理技術(shù)提高到達(dá)時(shí)間差的測(cè)量準(zhǔn)確性，是一個(gè)有實(shí)際意義且富有挑戰(zhàn)的課題。

1 可靠度估計(jì)與濾波算法

本文所提方法主要解決非視距傳輸時(shí)接收信號(hào)引入的不確定時(shí)延，即在信號(hào)帶寬、采樣率確定、環(huán)境因素不可避免的情況下，如何提高兩路信號(hào)到達(dá)時(shí)間差測(cè)量準(zhǔn)確度的問題。

為解決上述問題，提供了一種基于可靠度估計(jì)的時(shí)差測(cè)量濾波算法，該方法對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的多個(gè)時(shí)刻點(diǎn)獲取的幾組信號(hào)進(jìn)行時(shí)差測(cè)量，然后計(jì)算每個(gè)獨(dú)立時(shí)差的可靠度，最終濾除可靠度低的時(shí)差。在上述方法中，假設(shè)多組信號(hào)采集過程中，信號(hào)源的位置基本不變，因此，使用該方法時(shí)，應(yīng)根據(jù)信號(hào)源移動(dòng)速度選取采集組數(shù)和采集時(shí)間間隔。

1.1 互相關(guān)法測(cè)量時(shí)差

設(shè)2個(gè)接收站和，在一段時(shí)間[,]內(nèi)的個(gè)時(shí)刻點(diǎn)(,,...,t)采集了組信號(hào)。設(shè)該段時(shí)間內(nèi)，信號(hào)源位置變化很小，可忽略不計(jì)（依據(jù)信號(hào)源移動(dòng)速度，通過對(duì)-進(jìn)行合適選取設(shè)計(jì)，可滿足該假設(shè)條件）。

設(shè)R()為2個(gè)信號(hào)幅度序列的互相關(guān)函數(shù)，通過求互相關(guān)峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間變量可求得2個(gè)序列的時(shí)差。

式中：c為電磁波在空氣中的傳播速度，c≈3×10m/s；為A/D采樣頻率。

1.2 測(cè)量時(shí)差可靠度估計(jì)

計(jì)算時(shí)差互相關(guān)時(shí)，互相關(guān)函數(shù)的峰值越凸起，則該時(shí)差測(cè)量值越可信，即可靠度越高。定義時(shí)差測(cè)量值的可靠度為Dep，可按下述方法進(jìn)行估計(jì)。

（4）求時(shí)差測(cè)量值TDOA的置信度Dep：

1.3 時(shí)差濾波算法

求出 2 個(gè)接收站在個(gè)時(shí)刻點(diǎn)（,,...,t）采集到的信號(hào)的時(shí)差（TDOA, TDOA,..., TDOA），以及它們對(duì)應(yīng)的可靠度（Dep, Dep,..., Dep）。預(yù)設(shè)可靠度閾值為 Dep，時(shí)差濾波算法是將可靠度低于閾值Dep的時(shí)差濾除。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為測(cè)試可靠度估計(jì)的時(shí)差測(cè)量濾波算法的有效性，搭建測(cè)試平臺(tái)，4個(gè)接收站通過與處理中心相連，站與站之間相距約500 m，在處理中心的控制下，在指定時(shí)刻開始采集200組數(shù)據(jù)，2個(gè)相鄰時(shí)刻相差 10 ms，采樣率=14 MHz，各接收站每次采集=4 096個(gè)點(diǎn)，輸出IQ兩路信號(hào)。4站接收機(jī)布置示意圖如圖1所示。

圖1 4站接收機(jī)布置示意圖

將信號(hào)源分別置于4站接收機(jī)所包含區(qū)域的東、西、南、北、中5個(gè)定點(diǎn)位置進(jìn)行TDOA定位測(cè)試，在可靠度估計(jì)濾波算法使用前和使用后分別計(jì)算定位誤差，對(duì)比結(jié)果見表1、表2所列。

表1 可靠度估計(jì)濾波算法使用前定位誤差統(tǒng)計(jì)表

表2 可靠度估計(jì)濾波算法使用后定位誤差統(tǒng)計(jì)表

通過測(cè)試對(duì)比，證明可靠度估計(jì)濾波算法可以濾除受環(huán)境噪聲影響嚴(yán)重的采樣信號(hào)，有效解決信號(hào)在非視距傳輸時(shí)引入的不確定時(shí)延，提高定位時(shí)差的測(cè)量精度，從而提高TDOA定位精度。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)信號(hào)在空氣中非視距傳輸時(shí)，受應(yīng)用環(huán)境中建筑物、樹木等障礙物的影響，使得接收信號(hào)引入不確定時(shí)延的問題，提出對(duì)每個(gè)時(shí)差測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行可靠度估計(jì)，濾除可靠度低的時(shí)差測(cè)量結(jié)果。測(cè)試結(jié)果表明，此舉可以有效避免噪聲（接收機(jī)內(nèi)部噪聲、外界干擾信號(hào)、環(huán)境遮擋等）對(duì)單次時(shí)差測(cè)量的影響，提高TDOA定位準(zhǔn)確度。