一种基于可靠度估计的到达时间差滤波方法

张 婧

（中国电子科技集团第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

0 引 言

到达时间差（Time Difference of Arrival, TDOA）是一种常用的无线信号源定位技术。它通过测量信号到达各接收站接收天线的时间差，来计算信号源到达各接收天线的距离差，从而计算出信号源的位置。使用该技术进行定位时，到达时间差的测量准确度决定了定位准确度。

影响到达时间差测量准确度的因素主要包括：各接收站之间的时间同步性、接收信号带宽、接收机采样率等，尤其当信号在空气中非视距传输时，受到应用环境中建筑物、树木等障碍物的影响，信号传输到各接收天线的过程中，可能会出现反射、衍射、散射等现象，使得接收信号引入不确定时延，即测量到达时间差偏离视距距离差，最终导致目标定位不准确。

在实际应用环境中无法做到无遮挡。因此，如何在系统硬件资源、环境因素不变的情况下，利用信号处理技术提高到达时间差的测量准确性，是一个有实际意义且富有挑战的课题。

1 可靠度估计与滤波算法

本文所提方法主要解决非视距传输时接收信号引入的不确定时延，即在信号带宽、采样率确定、环境因素不可避免的情况下，如何提高两路信号到达时间差测量准确度的问题。

为解决上述问题，提供了一种基于可靠度估计的时差测量滤波算法，该方法对一段时间内的多个时刻点获取的几组信号进行时差测量，然后计算每个独立时差的可靠度，最终滤除可靠度低的时差。在上述方法中，假设多组信号采集过程中，信号源的位置基本不变，因此，使用该方法时，应根据信号源移动速度选取采集组数和采集时间间隔。

1.1 互相关法测量时差

设2个接收站和，在一段时间[,]内的个时刻点(,,...,t)采集了组信号。设该段时间内，信号源位置变化很小，可忽略不计（依据信号源移动速度，通过对-进行合适选取设计，可满足该假设条件）。

设R()为2个信号幅度序列的互相关函数，通过求互相关峰值对应的时间变量可求得2个序列的时差。

式中：c为电磁波在空气中的传播速度，c≈3×10m/s；为A/D采样频率。

1.2 测量时差可靠度估计

计算时差互相关时，互相关函数的峰值越凸起，则该时差测量值越可信，即可靠度越高。定义时差测量值的可靠度为Dep，可按下述方法进行估计。

（4）求时差测量值TDOA的置信度Dep：

1.3 时差滤波算法

求出 2 个接收站在个时刻点（,,...,t）采集到的信号的时差（TDOA, TDOA,..., TDOA），以及它们对应的可靠度（Dep, Dep,..., Dep）。预设可靠度阈值为 Dep，时差滤波算法是将可靠度低于阈值Dep的时差滤除。

2 实验结果

为测试可靠度估计的时差测量滤波算法的有效性，搭建测试平台，4个接收站通过与处理中心相连，站与站之间相距约500 m，在处理中心的控制下，在指定时刻开始采集200组数据，2个相邻时刻相差 10 ms，采样率=14 MHz，各接收站每次采集=4 096个点，输出IQ两路信号。4站接收机布置示意图如图1所示。

图1 4站接收机布置示意图

将信号源分别置于4站接收机所包含区域的东、西、南、北、中5个定点位置进行TDOA定位测试，在可靠度估计滤波算法使用前和使用后分别计算定位误差，对比结果见表1、表2所列。

表1 可靠度估计滤波算法使用前定位误差统计表

表2 可靠度估计滤波算法使用后定位误差统计表

通过测试对比，证明可靠度估计滤波算法可以滤除受环境噪声影响严重的采样信号，有效解决信号在非视距传输时引入的不确定时延，提高定位时差的测量精度，从而提高TDOA定位精度。

3 结 语

本文针对信号在空气中非视距传输时，受应用环境中建筑物、树木等障碍物的影响，使得接收信号引入不确定时延的问题，提出对每个时差测量的结果进行可靠度估计，滤除可靠度低的时差测量结果。测试结果表明，此举可以有效避免噪声（接收机内部噪声、外界干扰信号、环境遮挡等）对单次时差测量的影响，提高TDOA定位准确度。