一种非视距密集多径场景下的扩频toa测距方法
【专利摘要】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。
【专利说明】-种非视距密集多径场景下的扩频TOA测距方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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, NL0S)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, L0S)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, Τ0Α)， 得到目标距离。然而室内NL0S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，Τ0Α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Τ0Α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Τ0Α。最终，采用Τ0Α 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。
[0003] 基于Τ0Α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Τ0Α的扩频测距方法目前主要应用于导航定位、卫星测控系统中。在测距系统中，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。扩频测距系统的具体 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Τ0Α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Τ0Α，从而计算 出待测目标和发送端之间的距离，完成测距任务。
[0004] Τ0Α技术由于其算法相对简单且精度较高得到广范应用。GPS (Global Position System)等Τ0Α测距系统主要应用于L0S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，测距系统具有较1?精 度。而在室内NL0S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Τ0Α。其缺陷是，在室内NL0S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NL0S测距领域，迄今为止，尚没有能够有效抵抗密集多径影响的Τ0Α测距方法。
【发明内容】
[0005] 为了克服现有技术中的缺陷，本发明提出了一种非视距NL0S密集多径场景下的 扩频Τ0Α测距方法，该方法能够有效抵抗密集多径对Τ0Α估计的影响。
[0006] 本发明通过以下技术方案实现：
[0007] -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：
[0008] a.扩频测距系统发射扩频码信号，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η个滑动相关函数；这里的η个滑动相关函数是 由η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；
[0009] b.在信道测量时，同时测量收发天线间的直线距离di，1彡i彡η，进而得到精确 时延
【权利要求】
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屯，I<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aDl; e. 首径搜索：由判决门限P得到搜索区域D= (pam，am)，即所述滑动相关函数中由上下 两个边界am、pam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ap，ap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ap的时延为Ti;。 f. 首径搜索误差
i，对应于不同的判决门限P，平均误差为
； g. 判断&是否为最小值，若石不是最小值，则回到步骤c，重新选取判决门限p;若石是 最小值，则此时对应的P为最优判决门限，T,为首径时延； h. 根据h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：扩频测距系统发射扩 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-l)，右移一个单位后该时刻对应的滑动相关函数值为f(k+l)，若 有
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。
【文档编号】H04B1/69GK104243064SQ201410437925
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年8月29日 优先权日:2014年8月29日
【发明者】汪洋, 张继良, 陈大伟, 丁丽琴 申请人:哈尔滨工业大学深圳研究生院