一種基于可靠度估計的到達時間差濾波方法

張 婧

（中國電子科技集團第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

0 引 言

到達時間差（Time Difference of Arrival, TDOA）是一種常用的無線信號源定位技術。它通過測量信號到達各接收站接收天線的時間差，來計算信號源到達各接收天線的距離差，從而計算出信號源的位置。使用該技術進行定位時，到達時間差的測量準確度決定了定位準確度。

影響到達時間差測量準確度的因素主要包括：各接收站之間的時間同步性、接收信號帶寬、接收機采樣率等，尤其當信號在空氣中非視距傳輸時，受到應用環(huán)境中建筑物、樹木等障礙物的影響，信號傳輸到各接收天線的過程中，可能會出現反射、衍射、散射等現象，使得接收信號引入不確定時延，即測量到達時間差偏離視距距離差，最終導致目標定位不準確。

在實際應用環(huán)境中無法做到無遮擋。因此，如何在系統硬件資源、環(huán)境因素不變的情況下，利用信號處理技術提高到達時間差的測量準確性，是一個有實際意義且富有挑戰(zhàn)的課題。

1 可靠度估計與濾波算法

本文所提方法主要解決非視距傳輸時接收信號引入的不確定時延，即在信號帶寬、采樣率確定、環(huán)境因素不可避免的情況下，如何提高兩路信號到達時間差測量準確度的問題。

為解決上述問題，提供了一種基于可靠度估計的時差測量濾波算法，該方法對一段時間內的多個時刻點獲取的幾組信號進行時差測量，然后計算每個獨立時差的可靠度，最終濾除可靠度低的時差。在上述方法中，假設多組信號采集過程中，信號源的位置基本不變，因此，使用該方法時，應根據信號源移動速度選取采集組數和采集時間間隔。

1.1 互相關法測量時差

設2個接收站和，在一段時間[,]內的個時刻點(,,...,t)采集了組信號。設該段時間內，信號源位置變化很小，可忽略不計（依據信號源移動速度，通過對-進行合適選取設計，可滿足該假設條件）。

設R()為2個信號幅度序列的互相關函數，通過求互相關峰值對應的時間變量可求得2個序列的時差。

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 測量時差可靠度估計

計算時差互相關時，互相關函數的峰值越凸起，則該時差測量值越可信，即可靠度越高。定義時差測量值的可靠度為Dep，可按下述方法進行估計。

（4）求時差測量值TDOA的置信度Dep：

1.3 時差濾波算法

求出 2 個接收站在個時刻點（,,...,t）采集到的信號的時差（TDOA, TDOA,..., TDOA），以及它們對應的可靠度（Dep, Dep,..., Dep）。預設可靠度閾值為 Dep，時差濾波算法是將可靠度低于閾值Dep的時差濾除。

2 實驗結果

為測試可靠度估計的時差測量濾波算法的有效性，搭建測試平臺，4個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，在指定時刻開始采集200組數據，2個相鄰時刻相差 10 ms，采樣率=14 MHz，各接收站每次采集=4 096個點，輸出IQ兩路信號。4站接收機布置示意圖如圖1所示。

圖1 4站接收機布置示意圖

將信號源分別置于4站接收機所包含區(qū)域的東、西、南、北、中5個定點位置進行TDOA定位測試，在可靠度估計濾波算法使用前和使用后分別計算定位誤差，對比結果見表1、表2所列。

表1 可靠度估計濾波算法使用前定位誤差統計表

表2 可靠度估計濾波算法使用后定位誤差統計表

通過測試對比，證明可靠度估計濾波算法可以濾除受環(huán)境噪聲影響嚴重的采樣信號，有效解決信號在非視距傳輸時引入的不確定時延，提高定位時差的測量精度，從而提高TDOA定位精度。

3 結 語

本文針對信號在空氣中非視距傳輸時，受應用環(huán)境中建筑物、樹木等障礙物的影響，使得接收信號引入不確定時延的問題，提出對每個時差測量的結果進行可靠度估計，濾除可靠度低的時差測量結果。測試結果表明，此舉可以有效避免噪聲（接收機內部噪聲、外界干擾信號、環(huán)境遮擋等）對單次時差測量的影響，提高TDOA定位準確度。