CN104243064A - 一种非视距密集多径场景下的扩频toa测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种室内非视距密集多径场景下基于到达时间(Time of Arrival,TOA)的测距方法。将接收端扩频信号与原发射端扩频信号进行滑动相关，得到滑动相关函数，在滑动相关函数中进行首径搜索确定首径时延，进而由TOA测距求出待测距离。为了提高测距精度，对首径搜索中的判决门限进行了优化，找到了最优的判决门限，使平均测距误差最小。测量结果表明，在典型室内非视距场景下，本方法的首径搜索平均误差小于24.67ns，平均测距误差小于7.4m。

Description

一种非视距密集多径场景下的扩频TOA测距方法

技术领域

本发明属于信号检测与估计技术领域，特别涉及一种到达时间估计的测距方法。

背景技术

室内定位技术能够在住宅楼、办公楼、图书馆、地下车库、货品仓库等复杂环境下实现对人员以及物品的迅速定位。室内定位在人们的生活工作及科学研究中起到了非常重要的作用。实现非视距(Non Line of Sight,NLOS)室内场景下有效对抗多径效应的测距方法是实现室内定位技术的基本条件。对于视距(Line of Sight,LOS)路径，接收端可以通过寻找最大径功率信号来求取首径信号，进而求取信号到达时间(Time of Arrival,TOA)，得到目标距离。然而室内NLOS环境存在密集多径，大量多径信号叠加得到的最大功率相关峰不一定是首径信号所在的相关峰。这种现象导致首径信号难以提取，TOA结果误差较大。基于此背景，本发明提出了一种非视距密集多径场景扩频TOA测距方法。首先，应用滑动相关技术将接收端扩频信号与发射端扩频信号进行滑动相关，得到滑动相关函数。其次，设计首径搜索算法，对滑动相关函数进行首径搜索得到首径所在相关峰的TOA。最终，采用TOA估计待测距离。在此基础上，为了提高测距精度，通过实际测量对首径搜索中使用的判决门限进行优化。

基于TOA的扩频测距是利用扩频序列的相关特性解算出扩频码在空间的传输时延，进而求出目标体的距离。扩频测距具有测距精度高、抗干扰性能好、适应性强等优点。基于TOA的扩频测距方法目前主要应用于导航定位、卫星测控***中。在测距***中，对距离的测定就是对到达扩频序列和本地扩频序列时间差的估计和跟踪。扩频测距***的具体工作原理：在发送端，信源经过扩频和调制，由发射机发射出去。接收端，信号经过相关等处理，由TOA估计算法得到发射信号和接收信号的时延差，进而求得到达时间TOA,从而计算出待测目标和发送端之间的距离，完成测距任务。

TOA技术由于其算法相对简单且精度较高得到广范应用。GPS(GlobalPosition System)等TOA测距***主要应用于LOS场景，这类场景下存在大功率视距路径，基于滑动相关方法获取的相关函数中最大相关峰的时延与首径时延基本相等，测距***具有较高精度。而在室内NLOS场景下，由于存在密集多径，在滑动相关的过程中，很多密集多径在同一个相关峰内大量叠加，导致通过滑动相关测得的最大相关峰时延未必是首径时延，甚至最大相关峰未必是首径所在的相关峰。现有文献都采用波峰能量检测将能量最大的波峰作为首径信号所在的相关峰得到TOA。其缺陷是，在室内NLOS下由于存在密集的多径，在作相关时很多多径在同一个波峰内大量叠加，使得最大峰值不一定是首径信号，测距存在较大误差。在室内NLOS测距领域，迄今为止，尚没有能够有效抵抗密集多径影响的TOA测距方法。

发明内容

为了克服现有技术中的缺陷，本发明提出了一种非视距NLOS密集多径场景下的扩频TOA测距方法，该方法能够有效抵抗密集多径对TOA估计的影响。

本发明通过以下技术方案实现：

一种非视距密集多径场景下的扩频到达时间测距方法，包括以下步骤：

a.扩频测距***发射扩频码信号，经过无线信道传播后接收机获得接收信号，将接收端信号与发射信号进行滑动相关，获取n个滑动相关函数；这里的n个滑动相关函数是由n个收发天线间的接收信号与其发射信号进行滑动相关得到的；

b.在信道测量时，同时测量收发天线间的直线距离d_i，1≤i≤n，进而得到精确时延其中c为光速；

c.选取判决门限p；

d.对于第i个滑动相关函数，将所述滑动相关函数波形的所有峰值找到，记最大峰值为a_m；

e.首径搜索：由判决门限p得到搜索区域D＝(pa_m,a_m)，即所述滑动相关函数中由上下两个边界a_m、pa_m确定的一块条形区域；找到D内的所有波峰，时延最小的峰值记为a_p，a_p即在判决门限p下首径搜索得到的首径信号所在的相关峰的峰值，记a_p的时延为τ_i；。

f.首径搜索误差e_i＝τ_i-ξ_i，对应于不同的判决门限p，平均误差为 $\stackrel{\‾}{e_p}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{e}_i;$

g.判断是否为最小值，若不是最小值，则回到步骤c，重新选取判决门限p；若是最小值，则此时对应的p为最优判决门限，τ_i为首径时延；

h.根据τ_i获得测距结果。

附图说明

图1是本发明的扩频TOA测距方法的滑动相关过程示意图；

图2是典型滑动相关函数图，其中首径是最大峰；

图3是典型滑动相关函数图，其中首径不是最大峰；

图4是本发明的扩频TOA测距方法的首径搜索流程图；

图5是本发明的首径搜索示意图，其中首径在最大峰；

图6是本发明的首径搜索示意图，其中首径不在最大峰；

图7是采用本发明的首径搜索方法得到的不同判决门限下首径搜索的平均误差图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

由于存在密集多径，为了获得TOA，必须求取首径信号的时延。扩频测距***中，发射端的扩频信号一般是由扩频码调制的载波，扩频码(如m序列)具有良好的自相关性，其经过无线信道传播后，可以根据其相关波形确定传输时延。基于此原理，本发明将扩频测距***中接收端信号与原发射信号进行滑动相关，通过滑动相关函数来提取首径。滑动相关的原理是，将接收到的信号延时不同的时间，分别与原发射信号进行匹配滤波，得到不同延时的匹配结果，即要得到的滑动相关函数。具体的滑动相关过程如附图1所示。

通过以上过程得到的典型滑动相关函数波形如附图2、3所示。由附图2、3可知，典型的滑动相关函数是由若干个相关峰构成。由于存在多径效应，滑动相关函数的波峰实际上是由多个到达径信号的叠加而成。由于室内NLOS场景下，信道存在密集多径，多径的功率和时延都是随机的。因而，最大功率的相关峰未必是首径所在的相关峰。必须采用合理的方法从滑动相关函数中准确提取首径信号所在的相关峰。

本发明中采用左右差分法寻找滑动相关峰，具体为：

对于滑动相关函数曲线的某点，记其坐标为(k,f(k))，左移一个单位后该点对应的滑动相关函数值为f(k-1)，右移一个单位后该时刻对应的滑动相关函数值为f(k+1)，若有

$\left\{\begin{array}{c}f\left(k\right)-f(k-1)>0\\ f\left(k\right)-f(k+1)>0\end{array}\right.---\left(1\right)$

成立，则该点为滑动相关波峰；若该式不成立，则该点不是滑动相关波峰。

传统方法认为最大相关峰就是首径所在的相关峰(如附图2)，然而由于信道存在密集多径分量，多径分量相互叠加导致首径信号所在相关峰的功率有可能小于其他多径所在相关峰的功率，此时首径不在滑动相关函数的最大相关峰内，利用最大相关峰的时延进行TOA估计将会引入很大误差(如附图3)。综合考虑以上情况，本发明提出了一种NLOS密集多径场景扩频TOA测距方法的首径搜索方法，其流程图如附图4所示，包括如下步骤：

1)将滑动相关函数波形的所有峰值找到，记最大峰值为a_m，如附图2中的最大波峰为第一个波峰，且此时a_m＝10^-5.075。

2)确定判决门限p(dB),由p得到搜索区域D＝(pa_m,a_m)，即滑动相关函数中由上下两个边界确定的一块条形区域。

3)找到D内的所有波峰，时延最小的峰值记为a_p，a_p即在判决门限p下首径搜索得到的首径信号所在的相关峰的峰值，记a_p的时延为τ_i。

4)τ_i即为首径时延。

该方法实际上是在滑动相关函数波形中确定一个搜索区域。即附图5、6中两条虚线之间区域。对于不在搜索区域的相关峰，噪声干扰严重，信号功率足够小，判决时舍弃这些相关峰。对于在搜索区域内的相关峰，寻找其中时延最小的相关峰，即为首径所在的相关峰。

附图5中，当判决门限p＝-36.65dB时，搜索区域范围为(10^-6.909,10^-5.075)。图中有A₁，B₁，C₁，D₁，E₁，F₁，G₁共7个相关峰，而在搜索区域内只有A₁，B₁，G₁三个相关峰，时延最小的峰是A₁，时延为100ns，进而首径搜索获得的首径信号时延为100ns。附图5的滑动相关函数首径信号时延就是峰值最大的相关峰的时延。

附图6中，当判决门限p＝-25.3dB时，搜索区域范围(10^-6.843,10^-5.579)。图中有A₂，B₂，C₂，D₂，E₂，F₂共6个相关峰，位于搜索区域内有A₂，B₂，C₂，D₂，F₂共5个相关峰，时延最小的峰是A₂峰，时延为40ns，则首径搜索获得的首径信号时延为40ns。附图6的滑动相关函数首径信号时延并不是峰值最大的相关峰的时延，与附图5有所区别。

使用首径搜索方法获得TOA后，由信号传播速度，进而得到待测距离。TOA的精度直接决定测距精度。

上述方法寻找的首径具有较高的精度。为了提高首径搜索精度，有必要对判决门限p进行优化，寻找最优的判决门限，使平均搜索误差降到最小，大幅提高测距精度。

本发明采用的首径搜索方法，运用到了判决门限p，对于不同的p值，首径搜索的效果不同。为了提高首径搜索的精度，必须对所有判决门限值，分别使用上述首径搜索方法，从而确定一个最优的判决门限。

为了获得精确的首径时延，在信道测量时，同时测量收发天线间的直线距离d_i(1≤i≤n)，进而得到精确时延其中c为光速。在本次信道测量时，n取1440。

首径搜索误差e_i即为图2中滑动相关函数得到的首径τ_i与精确时延ξ_i之间的差值e_i＝τ_i-ξ_i，对应于不同的判决门限p，求取对应的平均误差

$\stackrel{\‾}{e_p}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{e}_i---\left(2\right)$

取使公式(2)达到最小的判决门限p，此时的门限p即为本发明得到的最优判决门限。

为了确定最优判决门限，需要获取足够数量的滑动相关函数。为此，进行了典型室内NLOS信道测量，得到了1440个信道测量数据，对应不同的信道数据，分别将发射端扩频信号通过信道，仿真出接收信号，将接收信号与发射信号作滑动相关，得到1440个滑动相关函数后，应用本发明的首径搜索方法，得到不同判决门限下首径搜索的平均误差，如附图7所示。

由图7可知，存在一个判决门限，使得首径搜索平均误差达到最小，该门限值为-18.7dB，此时的首径搜索平均误差为测距平均误差为7.4m，实现了判决门限的优化。

本发明提出了一种非视距密集多径场景下的扩频TOA测距方法。将接收端扩频信号与原发射端扩频信号进行滑动相关，得到滑动相关函数，在滑动相关函数中进行首径搜索确定首径时延，进而由TOA测距求出待测距离。为了提高测距精度，对首径搜索中的判决门限进行了优化，找到了最优的判决门限，使平均测距误差最小。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种非视距密集多径场景下的扩频到达时间测距方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

a.将接收端信号与发射信号进行滑动相关，获取n个滑动相关函数；

b.在信道测量时，同时测量收发天线间的直线距离d_i，1≤i≤n，进而得到精确时延其中c为光速；

c.选取判决门限p；

d.对于第i个滑动相关函数，将所述滑动相关函数波形的所有峰值找到，记最大峰值为a_m；

e.首径搜索：由判决门限p得到搜索区域D＝(pa_m,a_m)，即所述滑动相关函数中由上下两个边界a_m、pa_m确定的一块条形区域；找到D内的所有波峰，时延最小的峰值记为a_p，a_p即在判决门限p下首径搜索得到的首径信号所在的相关峰的峰值，记a_p的时延为τ_i；。

f.首径搜索误差e_i＝τ_i-ξ_i，对应于不同的判决门限p，平均误差为 $\stackrel{\‾}{e_p}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{e}_i;$

g.判断是否为最小值，若不是最小值，则回到步骤c，重新选取判决门限p；若是最小值，则此时对应的p为最优判决门限，τ_i为首径时延；

h.根据τ_i获得测距结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤a具体为：扩频测距***发射扩频码信号，经过无线信道传播后接收机获得接收信号，将接收到的信号延时不同的时间，分别与原发射信号进行匹配滤波，得到不同延时的匹配结果，即为所获取滑动相关函数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤b中采用左右差分法寻找滑动相关峰，具体为：

对于所述滑动相关函数曲线的某点，记其坐标为(k,f(k))，左移一个单位后该点对应的滑动相关函数值为f(k-1)，右移一个单位后该时刻对应的滑动相关函数值为f(k+1)，若有

$\left\{\begin{array}{c}f\left(k\right)-f(k-1)>0\\ f\left(k\right)-f(k+1)>0\end{array}\right.$

成立，则该点为滑动相关波峰；若该式不成立，则该点不是滑动相关波峰。