一种射频无源TDOA定位系统数据块选择传输方法与流程

一种射频无源tdoa定位系统数据块选择传输方法
技术领域
[0001]
本发明属于无线通信领域，涉及一种射频无源tdoa定位系统数据块选择传输方法。
[0002]


背景技术：

[0003]
射频无源tdoa定位系统由中心站和3个或更多测站组成，测站间距离在几公里到百公里之间。中心站包括数据处理计算机和应用软件，向测站发布tdoa定位任务，接收多个测站采集的信号iq数据块，估计测站间的tdoa，根据测站卫星定位坐标和测站间tdoa解算出信号发射位置。测站由射频接收机、卫星定位/授时模块和计算机组成，根据中心站任务命令，采集带时间戳和卫星定位坐标的被测信号iq数据块，通过网络传递给中心站。测站部署方式包括地面固定测站、车载测站和机载测站等，测站与中心站可通过有线网、公共无线移动网和无线自组织网等通信，其中有线网只能用于地面固定站。
[0004]
tdoa定位系统定位精度受到tdoa估计精度、双曲线交会定位算法精度、卫星定位精度以及测站几何分布形状等因素影响，其中tdoa估计精度是首要影响因素。
[0005]
从原理上来说，tdoa估计算法对两个时间戳对齐的测站数据块执行相关运算，获得tdoa估计值。tdoa估计精度受时间戳精度、接收机采样率、数据块内信号采样的瞬时带宽、载噪比以及多径传播等因素影响。时间戳精度受限于卫星授时模块精度，属于硬件性能问题；多径传播是tdoa估计算法自身需要克服的问题；tdoa估计精度正比于输入数据块采样率，采样率是接收机和测站计算机性能、卫星授时模块精度和被测信号带宽和网络性能之间的折中。需要强调的是，tdoa估计精度正比于输入数据块的载噪比和信号瞬时带宽，尤其对瞬时带宽更为敏感。从接收机输出的iq数据流中为tdoa估计算法筛选出载噪比较高且瞬时带宽较宽的数据块，涉及中心站与测站之间的协同机制，是tdoa定位系统在系统层面要解决的基本问题。
[0006]
对于调频广播来和对讲机信号，信号瞬时带宽具有时变性质，在讲话停顿时段，发射机仅发射载波，载噪比较高，但此时段信号瞬时带宽等效于单载波，tdoa估计算法将会失败；类似的，对于一些频移键控数字信号，信号瞬时带宽也具有时变性质，发送连续0或连续1符号时段，调制后的信号带宽内只有少数几个谱线，瞬时带宽较窄，tdoa估计精度降低甚至失败；对于雷达和飞行器应答机信号，信号持续时间只有几十到几百微秒，信号出现间隔较长，从数据流中准确地截获短时突发信号段，才有可能获得有效的tdoa估计结果。
[0007]
目前射频无源tdoa定位系统使用的数据采集和传输方案及其优缺点如下：1)测站向中心站传送所有采集到的iq数据：例如，采集时标为10ms，测站从每个整秒开始，将整秒内每个10ms时段的信号采样封装为一个数据块，依次传递给中心站；优点是，没有采样被丢弃；缺点是对网络带宽和中心站计算机性能要求较高且采样率受传输带宽限制，只能用于地面固定测站，工程代价较高；对于车载和机载测站来说，受到通信链路带宽和可靠性的限制，这一方案在工程上难以实现。
[0008]
2)测站周期性地采集一个iq数据段传递给中心站：例如，采集时标为500ms，测站从整秒开始，每500ms采集若干信号采样点封装为数据块，传递给中心站，丢弃其他采样点；优点是，通过调整采集时标和采样点数，可适应各种网络传输环境和采样率；其缺点在于，当被测信号是短时突发信号时，例如对讲机、应答机、雷达等信号，测站无法保证抽取的数据段中包含有效信号段；当被测信号瞬时带宽具有时变性质时，无法保证数据块中包含瞬时带宽较宽的信号段。
[0009]


技术实现要素：

[0010]
本发明的目的在于提供一种射频无源tdoa定位系统数据块选择传输方法，该方法通过载噪比和过0点数组合指标评估数据块质量，从测站采集的iq数据块序列中选择质量较好的数据块传递给中心站作为tdoa估计算法的输入数据。
[0011]
一种射频无源tdoa定位系统数据块选择传输方法，其特征在于，包含如下步骤：s1、参数设置：设置信号带宽b
w
，接收机采样率fs， iq数据块采集时标t
mark
≤1000ms，iq数据块采样点数l
block
，iq数据块子段数n
seg
≥1，测站报告周期t
report
≥t
mark
，定位任务需要的最少测站数s
min
≥3，信号分类需要的站数s
class
≥1，载噪比阈值s
thd1
和s
thd2
>s
thd1
，单载波数据块判定系数s
carrier
≥1.0等参数；s2、在整秒开始周期为t
mark
的时间点上，从射频接收机输出的iq数据流中采集采样数为l
block
的数据块，将数据块与起始采样时间戳和卫星定位坐标封装为一个定时数据块，缓存到定时数据块队列；s3、在测站，将数据块划分为n
seg
个子段，计算每个子段质量参数q
seg
；s4、根据子段质量参数q
seg
计算数据块质量参数q
block
；s5、在测站，将数据块的起始采样时间戳、采样数和质量参数q
block
封装为一个报告节点缓存到测站报告队列，测站以t
report
为周期向中心站发送测站报告队列中的报告节点；s6、在中心站，接收各个测站发送的报告并存储到报告队列，从报告队列中搜索时间戳对齐的报告并统计报告数为s
align
，将时间戳对齐报告数s
align
≥s
min
的报告集封装为一个节点，缓存到候选数据块队列，计算时间戳对齐最大报告数s
max
为s
align
的最大值，搜索完毕后，删除候选数据块队列中报告数少于s
max
的节点，此时候选数据块队列中所有节点都包含s
max
个测站报告，每个测站报告由时间戳、采样数和q
block
等参数构成；s7、在中心站，根据候选数据块队列节点中的s
max
个测站数据块质量参数q
block
，选择候选数据块，根据候选数据块的起始采样时间戳和采样数发布命令通知测站上传定时数据块；s8、在测站，接收中心站命令，根据命令指定的数据块起始时间戳和采样数，从定时数据块队列中搜索时间戳匹配的定时数据块，将指定采样数的定时数据块上传给中心站；s9、 在中心站，接收测站上传的定时数据块，缓存到中心站定时数据块队列，作为tdoa估计算法的输入数据。
[0012]
进一步地，s3所述计算每个子段质量参数q
seg
具体步骤如下：s31、q
seg
是由子段载噪比q
cnr
、子段时域i和q分量过0点数之和q
czn
组成的二元组，即，q
seg
=(q
cnr
，q
czn
)，当q
cnr
>v
thd1
时q
czn
反比于子段内信号段的瞬时带宽，当q
cnr
≤v
thd1
时q
czn
表达
子段内信号段瞬时带宽的可靠性降低。
[0013]
进一步地，s4所述根据子段质量参数q
seg
计算数据块质量参数q
block
具体步骤如下：s41、数据块质量参数q
block
=(q
cnr_max
, q
czn_max
, q
cnr_avg
, q
czn_avg
, q
cnr_min
)是一个5元组，q
cnr_max
为数据块中子段载噪比q
cnr
的最大值，q
czn_max
为数据块中最大载噪比子段的过0点数q
czn
，q
cnr_avg
为数据块中子段载噪比q
cnr
的均值，q
czn_avg
为数据块中子段过0点数q
czn
的均值，q
cnr_min
为数据块中子段载噪比q
cnr
的最小值，q
cnr_max
和q
czn_max
用于表达短时突发信号段的质量，q
cnr_avg
和q
czn_avg
用于表达连续信号的质量，q
cnr_min
用于突发和连续信号类型的判定。
[0014]
进一步地，s7所述选择候选数据块具体步骤如下：s71、遍历候选数据块队列，当一个节点中存在不少于s
class
个测站的q
block
成员参数q
czn_max >s
carrier
×
q
czn_avg
时，将该节点分类为单载波信号段，丢弃该节点；s72、遍历候选数据块队列，当所有节点都存在不少于s
class
个测站的q
block
成员参数q
cnr_min < v
thd1
且q
cnr_max
ꢀ-ꢀ
q
cnr_min > v
thd2
时，判定信号类型为突发型，否则判定信号类型为连续型；s73、当信号为连续型，遍历候选数据块队列，当一个节点中存在不少于s
class
个测站的q
block
成员参数q
cnr_avg > v
thd1
时将该节点分类到高载噪比子集，否则分类到低载噪比子集，遍历完毕后，从高载噪比子集中选择测站q
block
成员参数q
czn_avg
之和最小的节点作为候选节点，当高载噪比子集为空时，从低载噪比子集中选择测站q
block
成员参数q
cnr_avg
之和最大的节点作为候选节点；s74、当信号为突发型，遍历候选数据块队列，当一个节点中存在不少于s
class
个测站的q
block
成员参数q
cnr_max > s
thd1
时将该节点分类到高载噪比子集，否则被分类为低载噪比子集，遍历完毕后，从高载噪比子集中选择测站q
block
成员参数q
czn_max
之和最小的节点作为候选节点，当高载噪比子集为空时，从低载噪比子集中选择测站q
cnr_max
之和最大的节点作为候选节点；s75、取候选节点任一测站报告中的起始采样时间戳为候选数据块的起始采样时间戳，取候选节点所有测站报告最小采样数为候选数据块的采样数。
[0015]
本发明的有益效果：1、在现实工程中，一些信号瞬时带宽具有较强的时变性，加上测站电磁环境差异较大，通过频谱检测信号数据块中采样的瞬时带宽存在可靠性较低的问题，载噪比q
cnr
和过0点数q
czn
是信号处理领域常用的两个参数，在本方法中使用载噪比q
cnr
和过0点数q
czn
组合后的二元组q
seg
=(q
cnr
, q
czn
)表达iq数据段的信号质量，有益之处在于，当载噪比q
cnr
>s
thd1
时过0点数指标q
czn
能够可靠地表达信号瞬时带宽，q
czn
反比于瞬时带宽，当载噪比q
cnr
<s
thd1
时过0点数指标q
czn
表达信号瞬时带宽的可靠性降低，阈值s
thd1
正比于射频接收机噪声系数，使用子段质量参数q
seg
计算出的数据块质量参数q
block
能够可靠地从信号数据块序列中选择出质量好的数据块，作为tdoa估计算法的输入数据，从数据源头上达到改善tdoa定位系统精度的目的；2、通过数据块质量参数q
block
选择iq数据块，同时兼顾了带宽稳定连续信号、带宽时变连续信号和短时突发信号等几种类型信号数据块选择问题，适应各种射频信号的tdoa定位任务，具有通用性；
3、质量二元组q
seg
=(q
cnr
, q
czn
)的计算复杂度适中，适合在各种性能的测站计算机中实现;4、测站报告节点仅涉及起始时间戳、采样点数和质量5元组q
block
等7个参数，在中心站收到多站报告且存在时间对齐数据块时，才会向测站发送优选数据块上传命令，使得本方法可适应各种性能的传输网络。
[0016]
附图说明
[0017]
图1 本方法流程图。
[0018]
具体实施方式
[0019]
以fm广播电台信号定位任务为例说明本方法的实施方式，tdoa定位系统使用1个中心站和4个测站执行二维tdoa定位任务，射频接收机使用可接收卫星定位模块的1pps脉冲为采样点加时间戳，具备连续基带iq数据流输出api接口的射频接收机，测站计算机使用可接收射频接收机iq数据流的计算机，在中心站计算机和测站计算机中以计算机程序方式实现本方法。
[0020]
步骤1、参数设置：设置信号带宽b
w
=100khz，接收机采样率fs=4msps，iq数据块采集时标t
mark
=2ms，iq数据块采样数l
block
=8192，每个数据块的子段数n
seg = 4，测站报告周期t
report
=100ms，定位任务需要的最少测站数s
min
=3，信号分类需要的站数s
class
=3，载噪比阈值s
thd1
=6db、s
thd2
=9db，单载波段判定系数s
carrier
=1.5，计算子段质量参数q
seg
时的降采样率抽取因子m
dec
=8使得降采样率f
s
/m
dec
≥2
×
b
w
，根据网络传输带宽和时延，设置定时数据块缓存队列中的数据保持时长t
keep
=4000ms；步骤2、在整秒开始周期为t
mark
的时间点上，从射频接收机输出的iq数据流中采集采样数为l
block
的数据块，将数据块与起始采样时间戳和卫星定位坐标封装为一个定时数据块，缓存到定时数据块队列，删除时间戳早于t
keep
之前的节点以避免存储器耗尽；步骤3、在测站，将数据块划分为n
seg
个子段，计算每个子段质量参数q
seg
；步骤4、在测站，根据子段质量参数q
seg
计算数据块质量参数q
block
；步骤5、在测站，将数据块的起始采样时间戳、采样数和质量参数q
block
封装为一个报告节点缓存到测站报告队列，测站以t
report
为周期向中心站发送测站报告队列中的报告节点，发送后清空报告队列；步骤6、在中心站，接收各个测站发送的报告并存储到报告队列，从报告队列中搜索时间戳对齐的报告并统计报告数为s
align
，将时间戳对齐报告数s
align
≥s
min
的报告集封装为一个节点，缓存到候选数据块队列，计算时间戳对齐最大报告数s
max
为s
align
的最大值，搜索完毕后，删除候选数据块队列中报告数少于s
max
的节点，此时候选数据块队列中所有节点都包含s
max
个测站报告；
步骤7、在中心站，在没有开始上传数据块或传输已经超时的条件下，根据候选数据块队列节点中测站报告所携带的数据块质量参数q
block
，选择候选数据块，从报告队列中删除时间戳与候选数据块时间戳对齐的节点，根据候选数据块的起始采样时间戳和采样数发布命令通知测站上传定时数据块，设置数据块开始传输标志和传输超时起始时间；步骤8、在测站，接收中心站命令，根据命令中指定的数据块起始时间戳和采样数，从定时数据块队列中搜索时间戳匹配的定时数据块，将指定采样数的定时数据块上传给中心站；步骤9、在中心站，接收测站上传的定时数据块，缓存到中心站定时数据块队列，作为tdoa估计算法的输入数据，当s
max
个测站指定时间戳的数据块全部到达时，复位数据块开始传输标志。
[0021]
进一步地，步骤3所述计算每个子段质量参数q
seg
具体步骤如下：步骤31、q
seg
是由子段载噪比q
cnr
、子段时域i和q分量过0点数之和q
czn
组成的二元组，即，q
seg
=(q
cnr
，q
czn
)，当q
cnr
>v
thd1
时q
czn
反比于子段内信号段的瞬时带宽，当q
cnr
≤v
thd1
时q
czn
表达子段内信号段瞬时带宽的可靠性降低；步骤32、为了降低计算开销以适应测站计算机性能，对子段采样使用抽取因子m
dec
进行降采样率抽取，得到采样数为l
block
/(n
seg
×
m
dec
)=256的采样集s
dec
，降采样率f
s
/ m
dec =500ksps，载噪比q
cnr
通过采样集s
dec
的快速傅里叶变换幅度谱得到，为了消除带宽外强信号对q
czn
结果的影响，在计算q
czn
前，使用截止带宽为b
w
的低通滤波器对采样集s
dec
进行滤波，计算滤波器输出采样i分量和q分量过0点数之和得到q
czn
。
[0022]
进一步地，步骤4所述根据子段质量参数q
seg
计算数据块质量参数q
block
具体步骤如下：步骤41、数据块质量参数q
block
=(q
cnr_max
, q
czn_max
, q
cnr_avg
, q
czn_avg
, q
cnr_min
)是一个5元组，q
cnr_max
为数据块中子段载噪比q
cnr
的最大值，q
czn_max
为数据块中最大载噪比子段的过0点数q
czn
，q
cnr_avg
为数据块中子段载噪比q
cnr
的均值，q
czn_avg
为数据块中子段过0点数q
czn
的均值，q
cnr_min
为数据块中子段载噪比q
cnr
的最小值，q
cnr_max
和q
czn_max
用于表达短时突发信号段的质量，q
cnr_avg
和q
czn_avg
用于表达连续信号的质量，q
cnr_min
用于突发和连续信号类型的判定。
[0023]
进一步地，步骤7所述选择候选数据块具体步骤如下：步骤71、遍历候选数据块队列，当一个节点中存在不少于s
class
个测站的q
block
成员参数q
czn_max >s
carrier
×
q
czn_avg
时，将该节点分类为单载波信号段，丢弃该节点；步骤72、遍历候选数据块队列，当所有节点都存在不少于s
class
个测站的q
block
成员参数q
cnr_min < v
thd1
且q
cnr_max
ꢀ-ꢀ
q
cnr_min > v
thd2
时，判定信号类型为突发型，否则判定信号类型为连续型；步骤73、当信号为连续型，遍历候选数据块队列，当一个节点中存在不少于s
class
个测站的q
block
成员参数q
cnr_avg > v
thd1
时将该节点分类到高载噪比子集，否则分类到低载噪比子集，遍历完毕后，从高载噪比子集中选择测站q
block
成员参数q
czn_avg
之和最小的节点作为候选节点，当高载噪比子集为空时，从低载噪比子集中选择测站q
block
成员参数q
cnr_avg
之和最大的节点作为候选节点；步骤74、当信号为突发型，遍历候选数据块队列，当一个节点中存在不少于s
class
个测
站的q
block
成员参数q
cnr_max > s
thd1
时将该节点分类到高载噪比子集，否则被分类为低载噪比子集，遍历完毕后，从高载噪比子集中选择测站q
block
成员参数q
czn_max
之和最小的节点作为候选节点，当高载噪比子集为空时，从低载噪比子集中选择测站q
cnr_max
之和最大的节点作为候选节点；步骤75、取候选节点任一测站报告中的起始采样时间戳为候选数据块的起始采样时间戳，取候选节点所有测站报告最小采样数为候选数据块的采样数。
[0024]
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。