一種基于可靠度估計的到達時間差濾波方法

摘 要 ：由于硬件資源、應用環境等條件限制，各接收站采集的信號中不可避免存在噪聲，因此，高精度的到達時間差測量仍極具挑戰。文中給出了一種基于可靠度的信號到達時間差濾波方法，在一段時間內采集多組信號，對各組信號進行獨立的時差測量和可靠度估計 ；根據可靠度估計濾波算法，濾除低于預設可靠度閾值的測量時差，降低不確定時延導致的誤差，提高了單組信號時差測量的準確度。

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 [1-4]。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 [5-8]。

在實際應用環境中無法做到無遮擋。因此，如何在系統硬件資源、環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 S1 和 S2，在一段時間 [tmin, tmax] 內的 X 個時刻點 (t1, t2, ..., tX) 采集了 X 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tmax-tmin 進行合適選取設計，可滿足該假設條件）。

各接收站通過接收天線接收到信號后，通過接收機信號放大、下變頻、A/D 采樣等處理后，將得到同相分量 I 路與正交分量 Q 路信號，fs 為接收機 A/D 采樣頻率。設接收站S1 在 t1 時刻采集的信號經過處理后，得到的同相信號分量為I1t1(n)、正交信號分量為 Q1t1(n)，接收站 S2 在 t1 時刻采集的信號經處理后的同相信號分量為 I2t1(n)，正交信號分量為Q2t1(n)，則接收站 S1、接收站 S2 在 t1 時刻的信號幅度序列A1t1(n)、A2t1(n) 可表示為 ：

設 Rt1(m) 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：m 為時間變量，表示將信號延遲或提前 m 個采樣間隔周期；|·| 為求絕對值運算； 當 (n+m) [1, N] 時，A2t1(n+m)=0；M 為算法預設參數，設系統監控區域為 D，當信號源處于該區域內任一位置時，信號源與接收站 S1、接收站 S2 的最大視距距離差為 Lmax，M 可由下式計算得到：

式中：c 為電磁波在空氣中的傳播速度，c ≈ 3×108 m/s；fs為 A/D 采樣頻率。

當互相關最大時，此時對應 2 個信號的時差。即求出互相關最大時的時間變量 ，然后換算為時間差 TDOAt1，如下所示 ：

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 Dept1，可按下述方法進行估計。

（1）計算出互相關的峰值 Rmt1ax ：

（2）將互相關函數 Rt1(m) 歸一化到 [0, 1] 區間，設歸一化后的互相關函數為 t1(m) ：

（3）求歸一化的互相關函數 t1(m) 的平均值 t1ave：

（4）求時差測量值 TDOAt1的置信度 Dept1：

1.3 時差濾波算法

求出 2 個接收站在 X 個時刻點（t1, t2, ..., tX）采集到的信號的時差（TDOAt1, TDOAt2, ..., TDOAtX），以及它們對應的可靠度（Dept1, Dept2, ..., DeptX）。預設可靠度閾值為 DepLth，時差濾波算法是將可靠度低于閾值 DepLth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 fs=14 MHz，各接收站每次采集 N=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。

將信號源分別置于 4 站接收機所包含區域的東、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。

通過測試對比，證明可靠度估計濾波算法可以濾除受環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、環境遮擋等）對單次時差測量的影響，提高 TDOA 定位準確度 [9-10]。

審核編輯 ：李倩