一种基于频域互相关的分布式时差测量方法与流程
本发明涉及无源多站定位领域，特别是涉及一种基于频域互相关的分布式时差测量方法。
背景技术：
随着定位技术的不断发展，人们可以通过信号发射源所发出的信号，对该信号发射源进行定位，从而确定信号发射源的位置，比如，可以对失事飞机或船只的黑匣子进行定位，从而确定失事飞机或船只的位置，再比如，可以对非法用频设备进行定位，从而避免非法用频设备对合法用频设备的正常工作造成影响等等。目前采用较多的是基于时差的定位方法，该方法可以利用多站检测到信号的时差形成多个双曲线或多个双曲面，该多个双曲线或多个双曲面的交点即可定位为信号发射源的位置。因此，时差测量的准确度将直接影响定位的准确度。
在先技术中，时差测量可以通过包括主站和多个从站的多站定位系统进行，且多站定位系统通常是基于信号前沿的测量实现时差测量，也即是当主站检测到信号的前沿时，记录检测到信号前沿的时间，当各个从站检测到同一信号的前沿时，同样记录检测到信号前沿的各个时间，然后各个从站将检测到信号前沿的各个时间发送至主站，从而主站可以确定从站发送的各个时间与自身检测到信号前沿的时间之间的时差。
发明人在应用上述在先技术的过程中发现，当信号发射源发出的信号前沿被噪声信号叠加时，可能会使信号前沿被噪声信号平滑掉，从而使主站或从站无法检测到信号前沿；或者，当信号发射源发出的信号本身为连续波时，该信号本身几乎不存在前沿，进而主站或从站也无法检测到信号前沿。主站或从站无法准确检测到信号前沿，也即是无法准确确定检测到信号的起始时间，从而无法准确确定主站和从站分别检测到该信号的时差，进一步的，也无法准确对信号发射源进行定位，从而降低了定位信号发射源的准确度。
技术实现要素：
鉴于上述问题，提出了本发明实施例以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于频域互相关的分布式时差测量方法及一种基于频域互相关的分布式时差测量的多站定位系统。
根据本发明的第一方面，提供了一种基于频域互相关的分布式时差测量方法，应用于包括一个主站和至少一个从站的多站定位系统，该方法包括：
主站检测到信号时，确定主站信号到达时间；
主站从主站信号到达时间开始，对检测到的信号进行采样，得到主站信号采样数据；
主站将主站信号到达时间和主站信号采样数据发送至至少一个从站；
每个从站接收主站发送的主站信号到达时间和主站信号采样数据；
每个从站根据所述主站信号到达时间，确定对存储的参考采样数据进行抽取的起始时间，以从确定的起始时间开始对所述参考采样数据进行抽取，得到从站信号采样数据；
每个从站根据主站信号采样数据和从站信号采样数据，确定主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的频域互谱，以确定主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的频域相关性；
每个从站将主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的频域互谱转换为主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的互相关函数，以确定主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的时域相关性；
每个从站确定主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的互相关函数的最大值；
每个从站根据互相关函数的最大值，确定主站的信号检测时间与从站的信号检测时间之间的时差。
根据本发明的第二方面，提供了一种基于频域互相关的分布式时差测量的多站定位系统，该多站定位系统包括一个主站和至少一个从站，该多站定位系统包括：
第一确定模块，用于检测到信号时，确定主站信号到达时间；
第一采样模块，用于从主站信号到达时间开始，对检测到的信号进行采样，得到主站信号采样数据；
发送模块，用于将主站信号到达时间和主站信号采样数据发送至至少一个从站；
接收模块，用于接收主站发送的主站信号到达时间和主站信号采样数据；
第二采样模块，用于根据所述主站信号到达时间，确定对存储的参考采样数据进行抽取的起始时间，以从确定的起始时间开始对所述参考采样数据进行抽取，得到从站信号采样数据；
第二确定模块，用于根据主站信号采样数据和从站信号采样数据，确定主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的频域互谱，以确定主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的频域相关性；
转换模块，用于将主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的频域互谱转换为主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的互相关函数，以确定主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的时域相关性；
第三确定模块，用于确定主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的互相关函数的最大值；
第四确定模块，用于根据互相关函数的最大值，确定主站的信号检测时间与从站的信号检测时间之间的时差。
本发明实施例包括以下优点：主站可以在检测到信号时确定主站信号到达时间，以及对该信号进行采样，得到主站信号采样数据，之后主站可以将主站信号到达时间和主站信号采样数据发送至各个从站，每个从站接收到之后可以对存储的参考采样信号进行抽取，得到从站信号采样数据，然后根据主站信号采样数据和从站信号采样数据，确定主从站检测到的信号之间的频域互谱，也即是确定主从站检测到的信号之间频域上的相关性，进而从站可以将频域互谱转换为互相关函数，从而确定主从站检测到的信号之间时域上的相关性，然后，从站根据互相关函数的最大值，可以确定主从站检测到的信号之间的时差。因此，在本发明实施例中，从站可以基于主从站检测到的信号在频域上的相关性确定主从站分别检测到信号的时差，而从站无需对信号前沿进行检测，避免了无法准确检测到信号前沿的问题，从而能够大大提高确定时差的准确度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于频域互相关的分布式时差测量方法的流程图；
图2a是本发明实施例提供的另一种基于频域互相关的分布式时差测量方法的流程图；
图2b是本发明实施例提供的一种主站信号采样数据图；
图2c是本发明实施例提供的一种主站、从站和信号发射源的相对位置的示意图；
图2d是本发明实施例提供的另一种主站、从站和信号发射源的相对位置的示意图；
图2e是本发明实施例提供的一种从站信号采样数据图；
图2f是本发明实施例提供的一种补充全零数据后的主站信号采样数据图；
图2g是本发明实施例提供的一种快速傅里叶变换后的主站信号采样数据图；
图2h是本发明实施例提供的一种快速傅里叶变换后的从站信号采样数据图；
图2i是本发明实施例提供的一种主站检测到的信号和从站检测到的信号的频域互谱；
图2j是本发明实施例提供的一种主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的互相关函数；
图3a是本发明实施例提供的一种多站定位系统的框图；
图3b是本发明实施例提供的一种第二确定模块的框图；
图3c是本发明实施例提供的一种第二采样模块的框图；
图3d是本发明实施例提供的一种第四确定模块的框图；
图3e是本发明实施例提供的另一种多站定位系统的框图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
在对本发明实施例进行详细的解释说明之前，先对本发明实施例的应用场景予以介绍。随着定位技术的不断进步，在很多场景下都需要对信号发射源进行精确定位，从而可以获取信号发射源的位置，或者利用信号发射源的位置可以间接得到其他信息。比如，失事飞机或船只的黑匣子可以对外发射固定频率的信号，通过对失事飞机或船只的黑匣子进行精准定位，从而可以确定失事飞机或船只的位置，从而便于进行搜救和打捞；又比如，对于未经正规渠道授权的干扰源、伪基站等用频设备，这些用频设备可能会对经过正规渠道授权的用频设备的正常工作造成干扰或危害，此时也需要对未经正规渠道授权的用频设备进行定位，从而避免对正规用频设备的正常工作造成影响；再比如，手机、智能手环等智能设备可以发射信号，通过对走失人员携带的智能设备进行定位，可以及时救助走失的老人、儿童等人员。在诸如此类的场景下，均可以通过本发明实施例提供的基于频域互相关的分布式时差测量方法，对信号发射源进行精准定位。
实施例一
参照图1，示出了一种基于频域互相关的分布式时差测量方法的流程图，该方法具体可以包括如下步骤：
步骤101：主站检测到信号时，确定主站信号到达时间。
步骤102：主站从主站信号到达时间开始，对检测到的信号进行采样，得到主站信号采样数据。
步骤103：主站将主站信号到达时间和主站信号采样数据发送至至少一个从站。
步骤104：每个从站接收主站发送的主站信号到达时间和主站信号采样数据。
步骤105：每个从站根据主站信号到达时间，确定对存储的参考采样数据进行抽取的起始时间，以从确定的起始时间开始对参考采样数据进行抽取，得到从站信号采样数据。
步骤106：每个从站根据主站信号采样数据和从站信号采样数据，确定主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的频域互谱，以确定主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的频域相关性。
步骤107：每个从站将主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的频域互谱转换为主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的互相关函数，以确定主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的时域相关性。
步骤108：每个从站确定主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的互相关函数的最大值。
步骤109：每个从站根据互相关函数的最大值，确定主站的信号检测时间与从站的信号检测时间之间的时差。
可选地，每个从站根据主站信号采样数据和从站信号采样数据，确定主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的频域互谱，以确定主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的频域相关性，包括：
每个从站将预设个数的全零数据补充至主站信号采样数据中，以使补充后的主站信号采样数据与从站信号采样数据的数据量相同；
分别对补充后的主站信号采样数据和从站信号采样数据进行快速傅里叶变换，以将补充后的主站信号采样数据和从站信号采样数据变换至频域；
根据快速傅里叶变换后的主站信号采样数据和快速傅里叶变换后的从站信号采样数据，计算主站检测到的信号和从站检测到的信号的频域互谱。
可选地，每个从站根据主站信号到达时间，确定对存储的参考采样数据进行抽取的起始时间，以从确定的起始时间开始对参考采样数据进行抽取，得到从站信号采样数据，包括：
每个从站将与主站信号到达时间之间间隔设定时长，且位于主站信号到达时间之前的时间点确定为对存储的参考采样数据进行抽取的起始时间；设定时长为从站和主站之间的时延最大值；
从确定的起始时间开始，对所述参考采样数据进行抽取；
当对所述参考采样数据进行抽取的采样点数达到设定采样点数时，停止抽取，得到从站信号采样数据。
可选地，每个从站根据互相关函数的最大值，确定主站的信号检测时间与从站的信号检测时间之间的时差，包括：
每个从站根据互相关函数的最大值，通过下述公式(1)或公式(2)确定主站的信号检测时间与从站的信号检测时间之间的时差；
其中，τi为主站的信号检测时间与从站的信号检测时间之间的时差，fs为设定的信号采样频率，l为互相关函数的最大值对应的采样序号，pi，l为互相关函数的最大值，pi，l-1和pi，l+1分别为互相关函数的最大值pi，l左右相邻的互相关函数值，k为从站和主站之间的时延最大值对应的采样点数。
可选地，该方法还包括：
每个从站根据从站与主站之间的间距，以及信号传输速度，通过下述公式(3)确定从站与主站之间的时延最大值；
其中，τmax为从站与主站之间的时延最大值，d为从站与主站之间的间距，c为信号传输速度；
每个从站根据时延最大值和设定的信号采样频率，通过下述公式(4)确定从站和主站之间的时延最大值对应的采样点数；
其中，k为从站和主站之间的时延最大值对应的采样点数，fs为设定的信号采样频率，
本发明实施例包括以下优点：主站可以在检测到信号时确定主站信号到达时间，以及对该信号进行采样，得到主站信号采样数据，之后主站可以将主站信号到达时间和主站信号采样数据发送至各个从站，每个从站接收到之后可以对存储的参考采样信号进行抽取，得到从站信号采样数据，然后根据主站信号采样数据和从站信号采样数据，确定主从站检测到的信号之间的频域互谱，也即是确定主从站检测到的信号之间频域上的相关性，进而从站可以将频域互谱转换为互相关函数，从而确定主从站检测到的信号之间时域上的相关性，然后，从站根据互相关函数的最大值，可以确定主从站检测到的信号之间的时差。因此，在本发明实施例中，从站可以基于主从站检测到的信号在频域上的相关性确定主从站分别检测到信号的时差，而从站无需对信号前沿进行检测，避免了无法准确检测到信号前沿的问题，从而能够大大提高确定时差的准确度。
实施例二
参照图2a，示出了另一种基于频域互相关的分布式时差测量方法的流程图，该方法具体可以包括如下步骤：
步骤201：主站检测到信号时，确定主站信号到达时间。
其中，主站可以通过数字信道化检测技术，完成信号检测，也即是主站可以根据信号的频率，将其划分到该信号频率对应的子信道进行信号参数的检测，然后可以确定主站信号到达时间，也即主站检测到信号的时间。
需要说明的是，主站可以为多站定位系统中集中处理其他站点发送的信息的站点，主站一般处理能力较高，从而可以满足处理大量数据的需求。多站定位系统中可以包括主站和至少一个从站，且主站和至少一个从站可以按照一定的几何构型进行位置的排布。
步骤202：主站从主站信号到达时间开始，对检测到的信号进行采样，得到主站信号采样数据。
其中，主站从主站信号到达时间m_ti开始，也即是从主站检测到信号i的起始时间开始，根据设定的信号采样频率fs和设定的采样点数n，对检测到的信号i进行采样，得到主站信号采样数据m_xi＝{mxi+j，j＝0，…，n-1}，其中，mxi+j为主站在
需要说明的是，信号采样频率fs可以事先设置于主站和至少一个从站，从而主站和至少一个从站在检测到信号时，都能够以相同的采样频率对信号进行采样，以保证多个站点之间的采样数据在后续处理时能够以同样的采样点间隔对齐数据。
例如，信号采样频率fs可以设定为1ghz(吉赫)，采样点数n可以设定为6000，对于主站检测到的一个经过二相编码进行调制后，信号脉宽为5us(微秒)，信号频率为750mhz(兆赫)的信号，主站可以从主站信号到达时间开始，对该信号进行采样，可以得到在6000个时刻对应的6000个采样点的数据，如图2b所示。
步骤203：主站将主站信号到达时间和主站信号采样数据发送至至少一个从站。
其中，主站在对检测到的信号进行采样之后，可以通过主从站之间的通信链路，将确定的主站信号到达时间m_ti和采样得到的主站信号采样数据m_xi＝{mxi+j，j＝0，…，n-1}以广播的方式发送至多站定位系统中的各个从站，从而每个从站可以基于主站发送的数据对每个从站自身检测到的信号做进一步处理。
需要说明的是，主站与各个从站之间均可以设置通信链路，从而主站与各个从站之间可以通过通信链路实时传送命令和数据，该通信链路可以为无线通信链路，当然，在实际应用中也可以为有线通信链路，本发明实施例对通信链路的存在形式不作具体限定。
步骤204：每个从站接收主站发送的主站信号到达时间和主站信号采样数据。
其中，每个从站均可以通过与主站之间的通信链路接收主站发送的主站信号到达时间m_ti和主站信号采样数据m_xi＝{mxi+j，j＝0，…，n-1}，并基于接收的数据对自身检测到的信号做进一步处理。
步骤205：每个从站根据从站与主站之间的间距，以及信号传输速度，确定从站与主站之间的时延最大值。
本步骤的实现方式可以包括：每个从站根据从站与主站之间的间距，以及信号传输速度，通过下述公式(3)确定从站与主站之间的时延最大值；
其中，τmax为从站与主站之间的时延最大值，d为从站与主站之间的间距，c为信号传输速度。
需要说明的是，由于在建立多站定位系统的各个站点时，各个站点的位置已经固定，因此，各个从站分别与主站之间的间距也是确定的，多站定位系统的管理人员可以事先将每个从站与主站之间的间距存储在每个从站中，从而每个从站可以根据存储的自身与主站之间的间距，以及信号传输速度，确定从站自身与主站之间的时延最大值。
另外，由于信号通常为电磁波，因此信号传输速度也即是光速，光速为常量，因此，信号传输速度c约为3×108m/s(米每秒)。
还需要说明的是，步骤205可以是在测量时差的过程中执行的，也即是在步骤204之后执行，而在实际应用中，由于从站与主站之间的间距是固定的，信号传输速度也为常量，因此，步骤205还可以是在测量时差的过程之前事先执行，并将确定的每个从站与主站之间的时延最大值存储在每个从站中，也即是各个从站在执行步骤204之后，可以直接基于存储的时延最大值直接执行后续的步骤206，而无需在每次测量时差时执行步骤205，从而可以缩短多站定位系统测量时差的响应时间，相应地，还可以节约各个从站的运行资源。
例如，任一从站与主站之间的间距d可以为4km(千米)，该从站根据该从站与主站之间的间距4km，以及信号传输速度3×108m/s，通过上述公式(3)可以确定该从站与主站之间的时延最大值τmax为13.333us。
步骤206：每个从站根据时延最大值和设定的信号采样频率，确定从站和主站之间的时延最大值对应的采样点数。
本步骤的实现方式可以包括：每个从站根据时延最大值和设定的信号采样频率，通过下述公式(4)确定从站和主站之间的时延最大值对应的采样点数；
其中，k为从站和主站之间的时延最大值对应的采样点数，fs为设定的信号采样频率，
需要说明的是，步骤206可以是在测量时差的过程中执行的，也即是在步骤204或205之后执行，而在实际应用中，由于各个从站与主站之间的时延最大值是固定的，信号采样频率也设定为常量，因此，步骤206还可以是在测量时差的过程之前事先执行，并将确定的每个从站与主站之间的时延最大值对应的采样点数存储在每个从站中，也即是各个从站可以直接基于存储的时延最大值对应的采样点数直接执行后续的步骤207，而无需在每次测量时差时执行步骤206，从而可以缩短多站定位系统测量时差的响应时间，相应地，还可以节约各个从站的运行资源。
还需要说明的是，基于步骤205和步骤206的描述，每个从站可以在步骤204之后，依次执行步骤205和步骤206，也即是在测量时差的过程中确定从站与主站之间的时延最大值和从站与主站之间的时延最大值对应的采样点数；当然，每个从站也可以事先执行步骤205和步骤206，然后在测量时差的过程中，执行步骤204之后，根据事先执行的步骤205和步骤206之后存储的数据，继续执行步骤207；当然，每个从站还可以只事先执行步骤205，然后在测量时差的过程中，执行步骤204之后，根据事先执行的步骤205之后存储的数据，依次执行步骤206和步骤207，本发明实施例对每个从站是否事先执行步骤205和/或步骤206不作具体限定。
例如，任一从站与主站之间的时延最大值τmax为13.333us，信号采样频率fs可以设定为1ghz，该从站可以通过上述公式(4)确定该从站和主站之间的时延最大值对应的采样点数k为13333。
步骤207：每个从站根据主站信号到达时间，确定对存储的参考采样数据进行抽取的起始时间，以从确定的起始时间开始对参考采样数据进行抽取，得到从站信号采样数据。
本步骤的实现方式可以包括：每个从站将与主站信号到达时间之间间隔设定时长，且位于主站信号到达时间之前的时间点确定为对存储的参考采样数据进行抽取的起始时间；设定时长为从站和主站之间的时延最大值；从确定的起始时间开始，对参考采样数据进行抽取；当对参考采样数据进行抽取的采样点数达到设定采样点数时，停止抽取，得到从站信号采样数据。
需要说明的是，每个从站在检测到信号时可以实时对信号进行采样，从而得到参考采样数据，并将参考采样数据存储在从站本地。
其中，每个从站可以将主站信号到达时间m_ti之前的
另外，由于主站和每个从站之间存在一定的间距，因此，同一信号发射源发出的信号传输至主站和每个从站的时间会存在一定的时间差，对于任一从站，主站、从站和信号发射源的相对位置可以分为两种，一种是如图2c所示的主站100、从站200与信号发射源300三者的相对位置呈三角形分布，另一种是如图2d所示的主站100、从站200与信号发射源300三者相对位置呈直线分布。对于图2c所示的三角形分布，根据三角形两边之差小于第三边的原理，同一信号发射源发出的信号传输至主站和从站的时间之差会小于从站和主站之间的时延最大值，而对于图2d所示的直线分布，同一信号发射源发出的信号传输至主站和从站的时间之差恰好等于从站和主站之间的时延最大值，因此，从站至少需要从主站信号到达时间m_ti之前的(m_ti+τmax)时刻开始，对检测到的信号进行采样，才能够保证从站的采样数据中包括同一信号发射源的信号起始部分，从而便于后续对主站信号采样数据和从站信号采样数据进行相关性分析。
还需要说明的是，本发明实施例仅以图2c和图2d所示的主站、从站和信号发射源的相对位置为例进行说明，图2c和图2d所示的主站、从站和信号发射源的相对位置并不对本发明构成限定。
再者，由于无法确定是主站先于从站检测到信号i，还是从站先于主站检测到信号i，因此，为了保证从站信号采样数据中能够完整包括主站信号采样数据的信号成分，从站可以在(m_ti+τmax)时刻开始对检测的信号i进行采样，也即是在主站信号到达时间m_ti之前多采样k个数据，对应于从站先于主站检测到信号i情况，同时在采样(k+n)个数据之后再多采集k个数据，对应于主站先于从站检测到信号i情况。每个从站比主站多采样两倍的从站和主站之间的时延最大值对应的采样点数，从而可以保证采样得到的从站信号采样数据中能够完整包括主站信号采样数据的信号成分，而无需事先确定是主站先于从站检测到信号，还是从站先于主站检测到信号的情况，从而能够大大提高了多站定位系统测量时差的响应速度。
例如，从站和主站之间的时延最大值τmax可以为13.333us，设定采样点数(2k+n)可以为32666，该从站可以将位于主站信号到达时间之前13.333us的时间点确定为对检测到的信号进行采样的起始时间，然后该从站从确定的起始时间开始，对检测到的信号进行采样，当对检测到的信号进行采样的采样点数达到32666时，停止采样，可以得到在32666个时刻对应的32666个采样点的数据，如图2e所示。
步骤208：每个从站根据主站信号采样数据和从站信号采样数据，确定主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的频域互谱，以确定主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的频域相关性。
本步骤的实现方式可以包括下述1)至3)三个子步骤：
1)每个从站将预设个数的全零数据补充至主站信号采样数据中，以使补充后的主站信号采样数据与从站信号采样数据的数据量相同。
其中，为了使补充后的主站信号采样数据与从站信号采样数据的数据量相同，预设个数可以为2k，每个从站可以将2k个全零数据补充至主站信号采样数据中，得到补充后的主站信号采样数据。其中，每个从站可以将2k个全零数据补充至主站信号采样数据之前，得到补充后的主站信号采样数据m_e_xi＝{zeros(1，2k)，mxi+j，j＝0，…，n-1}，当然，在实际应用中，也可以将2k个全零数据补充至主站信号采样数据之后，得到补充后的主站信号采样数据m_e_xi＝{mxi+j，j＝0，…，n-1，zeros(1，2k)}。
需要说明的是，由于设备和技术条件的限制，在实际应用中，每个从站所补充的全零数据的幅度值不可能完全精确的等于零，因此，每个从站所补充的全零数据的幅度值会在零附近上下浮动，但该浮动仍处于合理的幅度波动范围，并不会对后续步骤的执行造成影响。
例如，原始的主站信号采样数据的采样点数n可以为6000，预设个数2k可以为26666，从站可以将26666个全零数据补充至主站信号采样数据之前，得到补充后的主站信号采样数据m_e_xi＝{zeros(1，2k)，mxi+j，j＝0，…，n-1}，补充后的主站信号采样数据的采样点数(2k+n)为32666，如图2f所示，从而与从站信号采样数据的采样点数相同。
2)分别对补充后的主站信号采样数据和从站信号采样数据进行快速傅里叶变换，以将补充后的主站信号采样数据和从站信号采样数据变换至频域。
其中，每个从站可以通过下述公式(5)对补充后的(2k+n)个采样点的主站信号采样数据m_e_xi，以及通过下述公式(6)对(2k+n)个采样点的从站信号采样数据s_xi进行快速傅里叶变换，得到快速傅里叶变换后的主站信号采样数据fft_m_e_xi，以及快速傅里叶变换后的从站信号采样数据fft_s-xi；
fft_m_e_xi＝fft(m_e_xi)(5)
fft_s_xi＝fft(s_xi)(6)
其中，fft(·)为快速傅里叶变换运算符。
通过快速傅里叶变换，可以将补充后的主站信号采样数据m_e_xi和从站信号采样数据s_xi由时域变换至频域，以便于根据快速傅里叶变换后的主站信号采样数据fft_m_e_xi和从站信号采样数据fft_s_xi，对主站检测到的信号和从站检测到的信号进行频域分析。
例如，从站可以对图2f所示的补充后的主站信号采样数据进行快速傅里叶变换，得到如图2g所示的快速傅里叶变换后的主站信号采样数据，以及从站可以对图2e所示的从站信号采样数据进行快速傅里叶变换，得到如图2h所示的快速傅里叶变换后的从站信号采样数据。
3)根据快速傅里叶变换后的主站信号采样数据和快速傅里叶变换后的从站信号采样数据，计算主站检测到的信号和从站检测到的信号的频域互谱。
其中，每个从站可以根据快速傅里叶变换后的主站信号采样数据fft_m_e_xi和快速傅里叶变换后的从站信号采样数据fft_s_xi，通过下述公式(7)计算主站检测到的信号和从站检测到的信号的频域互谱.fft_m_s_xi；
fft_m_s_xi＝fft_m_e_xi*conj(fft_s_xi)(7)
其中，*为卷积运算符，conj(·)为复共轭运算符。
通过上述1)至3)三个子步骤，每个从站可以确定主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的频域互谱，该频域互谱可以表示从站检测到的信号与主站检测到的信号在频域上的相关性，当两者在频域上的相关性最大时，相应在时域上的相关性也最大。
例如，从站可以根据如图2g所示的快速傅里叶变换后的主站信号采样数据，以及如图2h所示的快速傅里叶变换后的从站信号采样数据，计算得到如图2i所示的主站检测到的信号和从站检测到的信号的频域互谱。
步骤209：每个从站将主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的频域互谱转换为主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的互相关函数，以确定主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的时域相关性。
其中，每个从站可以将主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的频域互谱fft_m_s_xi，通过下述公式(8)转换为主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的互相关函数corr_xi；
corr_xi＝ifft(fft_m_s_xi)(8)
其中，ifft(·)为快速逆傅里叶变换运算符，快速傅里叶变换与快速逆傅里叶变换互为逆变换。每个从站将主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的频域互谱转换为主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的互相关函数，也即是每个从站可以将从站检测到的信号与主站检测到的信号在频域上的相关性转换为时域上的相关性，从而通过两者在时域上的相关性进一步确定主站的信号检测时间与从站的信号检测时间之间的时差。
例如，从站可以将如图2i所示的主站检测到的信号和从站检测到的信号的频域互谱，转换为如图2j所示的主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的互相关函数。
步骤210：每个从站确定主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的互相关函数的最大值。
其中，每个从站可以通过下述公式(9)确定主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的互相关函数的最大值；
pi，l＝max(abs(corr_xi))(9)
其中，abs(·)为取幅度运算符，max(·)为找最大值运算符，l为互相关函数的最大值对应的采样序号。
当主站检测到的信号与从站检测到的信号在时域上严格对齐时，主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的互相关函数可以取到最大值，但是在应用中，主站检测到信号的时间与从站检测到信号的时间之间是存在时差的，因此，每个从站可以通过对主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的互相关函数的最大值进行进一步分析，从而确定主站的信号检测时间与从站的信号检测时间之间的时差，也即继续执行步骤211。
例如，从站可以通过上述公式(9)确定如图2j所示的主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的互相关函数的最大值pi，14134＝23.9359，互相关函数的最大值对应的采样序号l可以为14134。
步骤211：每个从站根据互相关函数的最大值，确定主站的信号检测时间与从站的信号检测时间之间的时差。
每个从站根据互相关函数的最大值，通过下述公式(1)或公式(2)确定主站的信号检测时间与从站的信号检测时间之间的时差；
其中，τi为主站的信号检测时间与从站的信号检测时间之间的时差，fs为设定的信号采样频率，l为互相关函数的最大值对应的采样序号，pi，l为互相关函数的最大值，pi，l-1和pi，l+1分别为互相关函数的最大值pi，l左右相邻的互相关函数值，k为从站和主站之间的时延最大值对应的采样点数。
需要特别说明的是，根据步骤208中的子步骤1)的描述，每个从站可以将2k个全零数据补充至主站信号采样数据之前，也可以将2k个全零数据补充至主站信号采样数据之后。对于从站将2k个全零数据补充至主站信号采样数据之前的情况，从站可以通过上述公式(1)确定主站的信号检测时间与从站的信号检测时间之间的时差，对于从站将2k个全零数据补充至主站信号采样数据之后的情况，从站可以通过上述公式(2)确定主站的信号检测时间与从站的信号检测时间之间的时差。
例如，对于图2f所示的补充后的主站信号采样数据，也即是对应于从站将2k个全零数据补充至主站信号采样数据之前的情况，互相关函数的最大值可以为pi，14134＝23.9359，互相关函数的最大值pi，14134左右相邻的互相关函数值可以为pi，14133＝16.3704和pi，14135＝19.7163，从站通过上述公式(1)可以确定主站的信号检测时间与从站的信号检测时间之间的时差τi为800.142ns(纳秒)，与主站的信号检测时间与从站的信号检测时间之间的时差真值800ns之间仅偏差0.142ns，经过多次时差测量实验，本发明实施例的时差测量精度可达0.5～1ns。
本发明实施例包括以下优点：主站可以在检测到信号时确定主站信号到达时间，以及对该信号进行采样，得到主站信号采样数据，之后主站可以将主站信号到达时间和主站信号采样数据发送至各个从站，每个从站接收到之后可以对存储的参考采样信号进行抽取，得到从站信号采样数据，然后根据主站信号采样数据和从站信号采样数据，确定主从站检测到的信号之间的频域互谱，也即是确定主从站检测到的信号之间频域上的相关性，进而从站可以将频域互谱转换为互相关函数，从而确定主从站检测到的信号之间时域上的相关性，然后，从站根据互相关函数的最大值，可以确定主从站检测到的信号之间的时差。因此，在本发明实施例中，从站可以基于主从站检测到的信号在频域上的相关性确定主从站分别检测到信号的时差，而从站无需对信号前沿进行检测，避免了无法准确检测到信号前沿的问题，从而能够大大提高确定时差的准确度。
实施例三
参照图3a，示出了一种基于频域互相关的分布式时差测量的多站定位系统300的框图，该多站定位系统300具体可以包括：
第一确定模块301，用于检测到信号时，确定主站信号到达时间；
第一采样模块302，用于从主站信号到达时间开始，对检测到的信号进行采样，得到主站信号采样数据；
发送模块303，用于将主站信号到达时间和主站信号采样数据发送至至少一个从站；
接收模块304，用于接收主站发送的主站信号到达时间和主站信号采样数据；
第二采样模块305，用于根据主站信号到达时间，确定对存储的参考采样数据进行抽取的起始时间，以从确定的起始时间开始对参考采样数据进行抽取，得到从站信号采样数据；
第二确定模块306，用于根据主站信号采样数据和从站信号采样数据，确定主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的频域互谱，以确定主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的频域相关性；
转换模块307，用于将主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的频域互谱转换为主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的互相关函数，以确定主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的时域相关性；
第三确定模块308，用于确定主站检测到的信号与从站检测到的信号之间的互相关函数的最大值；
第四确定模块309，用于根据互相关函数的最大值，确定主站的信号检测时间与从站的信号检测时间之间的时差。
可选地，参照图3b，第二确定模块306包括：
补充子模块3061，用于将预设个数的全零数据补充至主站信号采样数据中，以使补充后的主站信号采样数据与从站信号采样数据的数据量相同；
变换子模块3062，用于分别对补充后的主站信号采样数据和从站信号采样数据进行快速傅里叶变换，以将补充后的主站信号采样数据和从站信号采样数据变换至频域；
运算子模块3063，用于根据快速傅里叶变换后的主站信号采样数据和快速傅里叶变换后的从站信号采样数据，计算主站检测到的信号和从站检测到的信号的频域互谱。
可选地，参照图3c，第二采样模块305包括：
第一确定子模块3051，用于将与主站信号到达时间之间间隔设定时长，且位于主站信号到达时间之前的时间点确定为对存储的参考采样数据进行抽取的起始时间；设定时长为从站和主站之间的时延最大值；
采样子模块3052，用于从确定的起始时间开始，对所述参考采样数据进行抽取；
停止子模块3053，用于当对所述参考采样数据进行抽取的采样点数达到设定采样点数时，停止抽取，得到从站信号采样数据。
可选地，参照图3d，第四确定模块309包括：
第二确定子模块3091，用于根据互相关函数的最大值，通过下述公式(1)或公式(2)确定主站的信号检测时间与从站的信号检测时间之间的时差；
其中，τi为主站的信号检测时间与从站的信号检测时间之间的时差，fs为设定的信号采样频率，l为互相关函数的最大值对应的采样序号，pi，l为互相关函数的最大值，pi，l-1和pi，l+1分别为互相关函数的最大值pi，l左右相邻的互相关函数值，k为从站和主站之间的时延最大值对应的采样点数。
可选地，参照图3e，该多站定位系统300还包括：
第五确定模块310，用于根据从站与主站之间的间距，以及信号传输速度，通过下述公式(3)确定从站与主站之间的时延最大值；
其中，τmax为从站与主站之间的时延最大值，d为从站与主站之间的间距，c为信号传输速度；
第六确定模块311，用于根据时延最大值和设定的信号采样频率，通过下述公式(4)确定从站和主站之间的时延最大值对应的采样点数；
其中，k为从站和主站之间的时延最大值对应的采样点数，fs为设定的信号采样频率，
本发明实施例包括以下优点：主站可以在检测到信号时确定主站信号到达时间，以及对该信号进行采样，得到主站信号采样数据，之后主站可以将主站信号到达时间和主站信号采样数据发送至各个从站，每个从站接收到之后可以对存储的参考采样信号进行抽取，得到从站信号采样数据，然后根据主站信号采样数据和从站信号采样数据，确定主从站检测到的信号之间的频域互谱，也即是确定主从站检测到的信号之间频域上的相关性，进而从站可以将频域互谱转换为互相关函数，从而确定主从站检测到的信号之间时域上的相关性，然后，从站根据互相关函数的最大值，可以确定主从站检测到的信号之间的时差。因此，在本发明实施例中，从站可以基于主从站检测到的信号在频域上的相关性确定主从站分别检测到信号的时差，而从站无需对信号前沿进行检测，避免了无法准确检测到信号前沿的问题，从而能够大大提高确定时差的准确度。
对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
本领域内的技术人员应明白，本发明实施例的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
在一个典型的配置中，计算机设备包括一个或多个处理器(cpu)、输入/输出接口、网络接口和内存。内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(ram)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(rom)或闪存(flashram)。内存是计算机可读介质的示例。计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括非持续性的电脑可读媒体(transitorymedia)，如调制的数据信号和载波。
本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种基于频域互相关的分布式时差测量方法和一种基于频域互相关的分布式时差测量的多站定位系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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