本发明属于无线通信技术领域，涉及一种定位性能检测技术，尤其是tdoa定位性能检测技术。
背景技术：
随着第五代移动通信系统和无线智慧城市应用的发展，基于位置的通信服务需求日益增加，因此定位技术受到越来越多的关注。定位技术主要分为两种方式：基于几何方式以及基于数据库方式。前者包含利用信号的到达时间、到达时间差(tdoa)、到达角度。后者利用机器学习算法实现地点特征和地理位置之间的映射，并以此预测待测源的位置。在这些定位方法中，tdoa利用信号从待测源到多台传感器的距离之差，得到待测源的位置。这种方法实现简单，设备成本较低，部署方便，有十分广泛的应用，能够在机场、车站等公共区域用于实现目标定位的应用。
tdoa系统的实际定位性能优劣和多种因素有关，主要包括tdoa定位算法的有效性和复杂度，以及定位系统硬件本身的性能表现。通常综合地检测一个tdoa定位系统的性能需要将系统置于真实测试环境中进行实地测试。然而，在真实环境中测试，通常只能分析定位系统在单一环境下的定位性能。若需要分析定位系统在更多场景下的定位性能，则需要耗费较高的成本。因此，传统tdoa定位系统性能检测技术无法通过不断改变环境来全面科学评估tdoa定位系统在各种非视距(nonelineofsight，nlos)环境中的定位性能，这是影响tdoa定位系统实际使用效果的重要因素。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种tdoa定位系统的定位性能检测技术，以克服在真实环境下检测tdoa定位系统的定位性能所面临的环境单一、干扰不可控和测试成本高等问题，允许在实验室搭建tdoa定位系统的性能检测系统，而无需在真实环境中布置实际的tdoa定位系统。
为了达到上述目的，本发明的解决方案是：
一种tdoa定位性能检测方法，采用信道仿真技术模拟得到真实测试环境的信道冲激响应，向待测tdoa定位系统的tdoa传感器发送基于发射信号和真实测试环境的信道冲激响应的中间发射信号，由待测tdoa定位系统基于所述中间发射信号计算待测源的位置，并与待测源的实际位置进行比较，评估待测tdoa定位系统的定位性能。
由射频装置向待测tdoa定位系统的tdoa传感器发射所述中间发射信号；优选地，所述射频装置为通用软件无线电外设；优选地，所述中间发射信号为待测源的发射信号与真实测试环境的信道冲激响应的卷积；进一步优选地，所述中间发射信号为待测源的发射信号与真实测试环境的信道冲激响应的卷积与高斯白噪声之和。
所述tdoa定位性能检测方法包括以下步骤：
(1)采用仿真技术构建真实测试环境的数字地图；
预设待测源和待测tdoa定位系统的tdoa传感器在所述数字地图中的位置；
(2)计算从所述待测源到所述tdoa传感器的信道冲激响应，并设置所述待测源的发射信号；
(3)计算所述信道冲激响应与所述发射信号的卷积，基于所述卷积形成中间发射信号；
(4)将所述中间发射信号发送给所述tdoa传感器；
(5)将所述待测tdoa定位系统根据所述中间发射信号预估的所述待测源的位置，与预设的待测源的位置进行比较，评估待测tdoa定位系统的定位性能。
所述数字地图中还涉及真实测试环境中各个物体的地理位置和尺寸；优选地，所述物体的地理位置由三维坐标表示；进一步优选地，所述物体的地理位置的三维坐标能够转化为gps(globalpositioningsystem，全球定位系统)的经度、纬度和海拔高度。
所述步骤(2)中采用图论算法计算从所述待测源到所述tdoa传感器的信道冲激响应。
所述步骤(4)中采用射频装置将所述中间发射信号发送给所述tdoa传感器；优选地，所述射频装置为通用软件无线电外设。
所述中间发射信号为所述信道冲激响应与所述发射信号的卷积；优选地，所述中间发射信号为所述信道冲激响应与所述发射信号的卷积与高斯白噪声之和。
一种实现上述tdoa定位性能检测方法的tdoa定位性能检测系统，包括第一网络结构和第二网络结构；第一网络结构包括第一路由器、与第一路由器分别连接的第一处理器和至少三个信号发送装置；第二网络结构包括第二路由器、与第二路由器分别连接的第二处理器和至少三个tdoa传感器；所述信号发送装置和所述tdoa传感器的数量相等且一一对应具有通信关系；第一处理器用于采用信道仿真技术模拟真实测试环境的信道冲激响应，基于所述信道冲激响应和待测源的发射信号计算中间发射信号；所述信号发送装置用于向对应的所述tdoa传感器发送所述中间发射信号；所述tdoa传感器用于根据所述中间发射信号，预估所述信号源的位置；所述第二处理器用于根据所述tdoa传感器所属的待测tdoa定位系统预估的所述信号源的位置，对比预设的信号源的位置，评价所述待测tdoa定位系统的定位性能。
所述信号发送装置为射频装置；优选地，所述射频装置为通用软件无线电外设。
所述tdoa定位性能检测系统还包括依次相互连接的gps天线、gps驯服时钟模块和时钟分布器；所述时钟分布器还与各所述射频装置通信连接；所述gps天线用于接收来自卫星的gps信号，并发送给所述gps驯服时钟模块；所述gps驯服时钟模块基于所述gps信号驯服其内部电路，输出设定频率的正弦波信号和1pps(pulsepersecond，每秒一脉冲)信号到所述时钟分布器；所述时钟分布器将接收的正弦波信号和所述1pps信号分成多路，分别输入到相应的所述信号发送装置，以实现多个射频装置同步发射信号；优选地，每台所述tdoa传感器均连接一gps天线，以使得各台所述tdoa传感器同步接收对应的所述射频装置发射的信号；优选地，所述设定频率为10mhz。
由于采用上述方案，本发明的有益效果是：本发明tdoa定位性能检测技术能够在实验室内进行，模拟待测源和tdoa传感器之间不同程度阻挡的环境和复杂多径传播环境，形成射频装置(如usrp)支持的频率、带宽、调制方式的待测源信号，来科学评估待测tdoa定位系统在nlos情况下的定位能力。本发明实施简单、快捷且有效，测试成本低，测试效率高，检测效果科学全面，具有巨大的应用前景。
附图说明
图1为本发明一实施例中tdoa定位性能检测系统的结构示意图；
图2为该实施例中构建的数字地图；
图3为该实施例中待测源和三个tdoa传感器之间的信道冲激响应的幅度的对比示意图；
图4为该实施例中三台usrp进行同步发射时实测得到的冲激响应；
图5为采用该实施例检测方法得到的对一tdoa定位系统的检测结果；
图6为采用该实施例检测方法得到的对另一tdoa定位系统的检测结果。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
本发明提出了一种tdoa定位性能检测方法，基于电波信道传播图论以及无线射频技术(如基于usrp(通用软件无线电外设)硬件装置)，对tdoa定位系统的定位性能进行检测。该tdoa定位性能检测方法包括以下步骤：
(1)构建真实测试环境的数字地图
为了模拟真实测试环境中信号从待测源发出，经过无线电波信道，再被测tdoa定位系统的tdoa传感器接收的过程，需要预设待测源的位置、待检测的tdoa定位系统的tdoa传感器的位置、以及真实测试环境中其他各个物体的地理位置和物理尺寸(如长、宽、高)，构建真实测试环境的数字地图。其中，物体的地理位置能够基于三维坐标系表示，具体地为由三个坐标x、y和z表示，并且能够转换为gps(globalpositioningsystem，全球定位系统)的经度、纬度和海拔高度。该转换过程需要考虑地球在不同经度、纬度上的半径。
如果需要得到比较精确的数字地图，可以采用三维扫描仪将一个限定区域的真实测试环境内的物体全部转化为数据，或者通过导入数字地图，将某个真实测试环境的3d描述，转换为传播图论软件所需的数据读入格式。或者，设定一个特定nlos传播环境，对多种tdoa定位系统进行比较、评估和分析。
(2)计算信号从预设的待测源到待测tdoa定位系统的信道冲激响应，以及设置待测源的发射信号
本实施例中，采用电波信道传播图论原理计算该信道冲激响应。此时，待测源、tdoa定位系统和环境中的物体均被视作节点，它们之间的信号传播路径被视作线段，传播图论理论基于这样的点-线拓扑结构。
首先，采用下式计算待测源和tdoa定位系统之间在特定频率f上的信道传输函数h(f)：
h(f)＝d(f)+r(f)[u-b(f)]-1t(f)
其中：d(f)表示信号在待测源与tdoa传感器之间直接传播的信道传输函数；
r(f)表示信号在tdoa传感器和环境中各物体之间传播的信道传输函数；
u表示单位矩阵；
b(f(表示信号在环境中各物体之间传播的信道传输函数；
t(f)表示信号在待测源和环境中各物体之间传播的信道传输函数。
然后，对信道传输函数h(f)进行傅里叶逆变换，得到信号在待测源和tdoa传感器之间的传播时延域上的信道冲激响应h(τ)，其中τ表示信号在传播路径上传播所需时间。
如果h(f)随时间t变化，即可以表示为时变信道传递函数h(t,f)(其中，t表示当前观测时刻)，那么相应的时变信道冲激响应可以表示为h(t,τ)。
待测源的发射信号指的是待测源发射出来的在基带上表示的信号，可以根据需要选择合适的序列生成。
(3)计算信道冲激响应与发射信号的卷积，基于该卷积形成中间发射信号
本实施例中，在该卷积中加入高斯白噪声，以模拟真实测试环境下tdoa传感器的接收信号(本发明中，该中间发射信号也可以直接是该卷积)，该中间发射信号可以表示为：
其中：y(t)表示中间发射信号；
x(t)表示基带上的待测源发射信号；
h(τ)表示基带上的传播时延域上的信道冲激响应；
n(t)表示高斯白噪声。
(4)将该中间发射信号发送给tdoa传感器
本实施例中，通过射频装置将该中间发射信号发送给tdoa传感器，该射频装置采用通用软件无线电外设(usrp)。
(5)将tdoa传感器所属的待测tdoa定位系统估计待测源的位置，与预设的待测源的位置进行比较，计算定位误差，从而评估待测tdoa定位系统的定位性能
这里，待测tdoa定位系统根据其tdoa传感器从对应的usrp接收的中间发射信号，基于其定位算法计算待测源的位置，将计算结果与步骤(1)中设置的待测源的位置进行比较，计算定位误差，从而评估待测tdoa定位系统的定位性能。
以定位待测源的经度和纬度为例，θ0和
本发明还提出了一种实现上述tdoa定位性能检测方法的tdoa定位性能检测系统。该定位性能检测系统包括第一网络结构和第二网络结构。第一网络结构包括第一路由器、与第一路由器分别连接的第一处理器和至少三个信号发送装置；第二网络结构包括第二路由器、与第二路由器分别连接的第二处理器和至少三个tdoa传感器，tdoa传感器属于待测tdoa定位系统。信号发送装置和tdoa传感器的数量相等且一一对应具有通信关系。第一处理器用于采用信道仿真技术模拟真实测试环境的信道冲激响应，基于信道冲激响应和待测源的发射信号计算中间发射信号。信号发送装置用于向对应的tdoa传感器发送中间发射信号(中间发射信号同上述tdoa定位性能检测方法中的中间发射信号)。tdoa定位系统用于根据其tdoa传感器接收的中间发射信号，预估信号源的位置。第二处理器用于根据tdoa定位系统预估的信号源的位置，对比信号源的实际设置的位置，评价对应的待测tdoa定位系统的定位性能。
本实施例中，第一处理器和第二处理器均采用计算机，分别为第一计算机和第二计算机。信号发送装置采用射频装置，具体为通用软件无线电外设(usrp)，共采用三台usrp。对应地，共设置有三台tdoa传感器，这三台传感器属于同一个待测tdoa定位系统。图1所示为该tdoa定位性能检测系统的结构示意图。其中，第一计算机和三台usrp(分别为第一usrp、第二usrp、第三usrp)连接至第一路由器，一起构成的第一网络结构为第一局域网，第二计算机和三台tdoa传感器(分别为第一tdoa传感器、第二tdoa传感器、第三tdoa传感器)连接至第二路由器，一起构成的第二网络结构为第二局域网。三台usrp和三台tdoa传感器的射频端口之间一一对应地连接，建立射频通信关系。另外，第一tdoa传感器、第二tdoa传感器、第三tdoa传感器分别连接至一个gps天线，使三台传感器同步接收射频信号。
分别在第一计算机和第二计算机中，将各usrp和各tdoa传感器的载波频率设置为相同；再在第一计算机中，设置各usrp的采样率和发射增益。
本实施例中，该tdoa定位性能检测系统还包括gps天线、gps驯服时钟模块和时钟分布器。该时钟分布器分别与各usrp连接，如图1所示，连接各usrp和时钟分布器的“虚线”表示1pps信号的通道，连接各usrp和时钟分布器的“实线”表示10mhz正弦波信号的通道。gps驯服时钟模块分别与时钟分布器和gps天线通信连接。
为了实现射频同步发射以及稳定usrp晶振的目的，需要分别使用1pps(pulsepersecond，每秒一脉冲)信号和10mhz正弦波信号。usrp晶振内置于usrp中，为usrp提供时钟频率信号以使usrp正常运行。10mhz正弦波信号能够使usrp内置晶振避免时钟频率漂移的现象。gps驯服时钟模块通过gps天线接收来自卫星的gps信号驯服其内部电路，最终输出10mhz的正弦波信号以及1pps信号到时钟分布器，时钟分布器将收到的10mhz正弦波信号和1pps信号分成多路，并输入到相应的usrp。在第一计算机中，还通过c++编程，实现数据包缓存和等待机制，使得多台usrp在同一时刻将二进制格式数据(该数据的内容为中间发射信号的数据，即卷积或卷积与高斯白噪声之和)转化为射频信号传送至tdoa传感器。
本实施例中，采用美国国家仪器公司下属ettusresearch公司生产的usrpn210作为射频装置，该装置的采样率在16位量化精度情况下为每秒25兆样点；同时选取ettusresearch公司生产的时钟分布器进行相关射频同步发射操作，具有八个相同的10mhz正弦波和1pps信号的输出通道。将usrpn210与需要检测的tdoa定位系统的相应射频端口连接，开启tdoa定位系统自带定位软件。模拟的基带上的tdoa定位系统接收信号以二进制格式保存在文件中。接着，在计算机上启动多台usrpn210，同步在射频上发送该二进制文件，传送至相应的tdoa定位系统的tdoa传感器。
该tdoa定位性能检测系统中，构建数字地图的工作由第一计算机实现，其构建数字地图的方法与上述tdoa定位性能检测方法中构建数字地图的方法相同，图2所示为第一计算机构建的数字地图。待测源、tdoa传感器和环境中的物体均被视作节点，这些节点的位置在直角坐标系下由三个分量x、y、z表示。待测源标记为1；第一tdoa传感器、第二tdoa传感器和第三tdoa传感器分别标记为201、202、203。待测源1和第一tdoa传感器201、以及待测源1和第二tdoa传感器202之间的视距(lineofsight,los)路径没有被阻挡，信号可以从待测源1直接打到第一tdoa传感器201和第二tdoa传感器202；信号源1和第三tdoa传感器203之间的los路径被一个建筑物阻挡，即信号无法从信号源1到达第三tdoa传感器203。
计算信道冲激响应的工作同样由第一计算机实现。图3所示为本实施例中待测源和三个tdoa传感器之间的信道冲激响应的幅度。从图3可以看出，信号源1和第三tdoa传感器203之间的信道冲激响应的幅度比信号源与其他两个tdoa传感器之间的信道冲激响应的幅度低很多。
本实施例中，上述载波频率设置为2ghz。在设置好载波频率后，在第一计算机上实施三台usrp同步发射射频信号。图4所示为三台usrp进行同步发射时实测得到的冲激响应，通过观察这三个冲激响应的相对时延，对三台usrp射频同步的精度进行验证。图4中，两个采样点之间的时间间隔为10纳秒，同步误差所对应的距离为3米。从图4可观察到，这三个信号最大幅度对应的相对时延，均为4088.23微秒，幅度略有差异，说明三台usrp同步发射的时间误差所对应的距离最多为3米。
图5和图6分别是采用该tdoa定位性能测试系统在图2所示的环境中对两种tdoa定位系统进行检测的结果，即在一段时间内估计的待测源的经度和纬度。通过比较图5和图6可知，第一种tdoa定位系统预估的待测源的位置在预设的位置附近，而第二种tdoa定位系统预估的待测源的位置离预设的位置较远，第一种tdoa定位系统的定位散布范围比第二种tdoa定位系统小，前者的定位误差比后者小。因此，可以认为第一种定位系统在图2所示的环境下，定位性能更好。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。