一种基于特征值抽取的无线电信号实时位置感知方法

技术领域

本发明涉及无线电信号位置感知领域，特别是涉及一种基于特征值抽取的无线电信号实时位置感知方法。

背景技术

现有技术中，对无线电信号进行位置感知的技术主要为TDOA位置感知技术，是利用同一个信号到达各个监测站的传播时间差对信号进行位置感知的技术。

为了获取各监测站的时间差，需要将同一时间内的原始IQ数据统一汇总到一个计算平台进行处理，因采样率较高、数据量很大，需要传输的数据量占用很大的传输带宽，并且计算结果信号的当前位置有一个很长的延时。无法进行实时位置感知。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种有效的特征值抽取的无线电信号实时位置感知方法，以解决有限技术中数据量大、占用带宽多、无法实时位置感知的问题。

为实现上述目的，本发明所述的基于特征值抽取的无线电信号实时位置感知方法,包括如下步骤：

步骤S1：对参与位置感知的所有接收机进行高精度时间同步，

步骤S2：使用多台无线电接收机(数量大于等于3)，按设定的时间及采样间隔对信号进行采样；

步骤S3：各接收机按时间为单位对采样数据进行特征值抽取，得到多帧特征值数据；

步骤S4：各接收机通过通讯链路将特征值数据传输到计算系统；

步骤S5：计算同一时间的各接收机特征值中的信号场强，根据场强选取3台接收机特征值进行位置感知；

步骤S6：对选取的特征值数据进行滤波，得到计算元数据；

步骤S7：对3台接收机计中的任意两台进行元数据互相关计算，得到信号在两台设备的时间差；

步骤S8：对时间差进行相关性误差判定；

步骤S9：根据3台接收机的位置信号和时间差，使用CHAN算法计算各帧数据信号的位置信息，将各帧的结果融合为一个结果。

所述步骤S1：对参与位置感知的所有接收机进行高精度时间同步。采用信号源发送脉冲调制信号，信号输出经功分器同时连接到所有的无线电接收机，向设备下发位置感知命令，所有设备在同一时间点触发，抓取一段时间的原始IQ数据。计算同一个脉冲跳变沿时间上的差值，并将其作为时延补偿值写入设备，

所述步骤S2：采用多台接收机同时对目标信号进行数据采样，接收机支持较大中频带宽，可以对大带宽信号进行位置感知；在计算系统向各接收机下发位置感知命令及参数后，各接收机在预定的时间开始采样操作，每过一定的间隔时间自动保存一段时间内的原始IQ数据。最小的采样间隔时间为1秒。

所述步骤S3：各接收机对保存的原始IQ数据按照抽取参数，每隔一段时间保存一份原始IQ数据的快照，并将各快照数据打包成一个数据报文。

所述步骤S4：各接收机通过4G/5G通讯链路将数据报文上报至计算系统，每个报文中带有数据的时间戳及设备ID。

所述步骤S5；计算系统选取位置感知的设备，包括以下各子步骤：

步骤S501：

对各设备的特征值数据帧进行FFT计算并计算幅值，得到幅值序列

为接收机数量，

步骤S502：对各幅值序列进行平滑处理得到

步骤S503：对各接收机的信噪比

所述步骤S6:特征值数据滤波， 采用多级滤波的方式仅保留信号带宽范围内的特征数据，滤波后的元数据记为记为

所述的步骤S7：计算各设备间的时间差，对设备组合中的任意两个设备的元数据帧进行互相关计算，搜索互相关的最大值位置，根据采样率得到目标信号达到两台设备的时间差，记为

所述的步骤S8：相关误差判定，包含以下子步骤：

步骤S801：根据容忍的误差距离计算容忍的误差时间范围，

步骤S802：根据不等式判定各时间差的有效性，

所述的步骤S9:信号位置计算，包含以下子步骤：

步骤S901：根据3台接收机的经纬度，以第一台接收机为0点创建平面坐标系,

步骤S902：根据位置感知算法计算各帧元数据的位置结果，记为

步骤S903：结果数据融合，去掉最大最小值，统计剩余结果的最大差值，如果大于

步骤S904：根据参考点的经纬度，将位置感知的结果

有益效果：

1、本发明对接收机进行时延校准，让设备间的时间偏差更小，提升了位置结果的准确性；

2、本发明提供的一种基于特征值抽取的无线电信号位置感知方法，通过抽取信号采样数据的特征值，减小了需要传输的数据量，减小了传输占用的带宽，提升了位置感知的实时性；

3、本发明对每次采样抽取多帧特征值，分别计算结果，然后融合为一个结果，提升了位置结果的准确性，减小了位置结果的波动范围；

4、本发明对移动中的信号源，可以实时跟踪其当前位置；

5、本发明在无线电信号位置感知功能上的优越性，使用相关性误差判定的方式，要求的信噪比较低，可以位置感知较远距离的信号源；

6、本发明在本发明在无线电信号位置感知性能上的优越性，计算量较小，对硬件性能要求不高，便于产品装备实现落地，可提升产品的经济效益。

附图说明

图1为基于特征值抽取的无线电实时位置感知流程图；

图2为特征值的频谱图；

图3为特征值滤波后的频谱图；

图4为位置感知结果图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的技术方案作详细说明。

实施例1：一种基于特征值抽取的无线电信号实时位置感知方法，方案的流程图如图1所示。接收机采样中频频点为5.79GHZ，采样率

步骤S1：使用一个标准信号源，5.79Ghz发送一个脉冲调制信号，脉冲的周期为1KHZ，信号源经过一个4口的功分器，接入4台接收机，使用计算系统下发5.79G信号的位置感知请求，获取到同一个时间点的原始IQ数据，仿真时域，以设备1为基准，计算脉冲跳变沿在各设备上的时间差，将时间差值写入设备2、3、4，写入时校差值的设备其触发时间相比北斗时钟算延后相应的时间。时延校准为位置感知操作的准备工作，只需执行一次。位置感知操作执行步骤S2，

步骤S2：计算系统向4台接收机下发位置感知请求，10秒后启动采样，采样间隔时间为3秒，每次采样保存2秒钟的原始IQ数据，接收机采样中心频点为5.79GHz，采样率为250MHZ，接收机设置触发的时间戳，精确到ns。待到达触发时候后接收机保存1秒钟的数据到内存中，执行步骤S3，

步骤S3：接收机对内存中的原始IQ数据按照计算系统下发的抽取参数，每隔200ms对抽取8192个点做为特征值，共抽取10*8192个点依次打包到报文中。每次完成采样操作后都要执行本步骤。每得到一包特征值数据后执行步骤S4，

步骤S4：接收机通过本机配置的4G/5G通讯链路将特征值数据报文附带上时间戳和设备序列号上报至计算系统。每完成一次采样后都会上报一包数据至计算系统，计算系统收到报文后执行步骤S5，

步骤S5：计算系统判断4台设备均上报特征值后开始选取设备进行3点位置感知操作，首先对4台设备的所有特征值进行FFT变化，求取每帧数据5.79G位置信号的信号比，然后在对5帧数据的信噪比取平均值得到4台设备的信噪比均值。取信噪比最大的3台设备作为位置感知设备。如图2所示，信噪比最大的三台设备为设备1、设备2和设备4，执行步骤S6，

步骤S6：计算系统对特征值数据进行滤波滤波，采用多级滤波的方式仅保留5.79GHZ频点10MHZ带宽范围内的特征，作为计算的元数据，滤波后的频谱如图3所示，执行步骤S7，

步骤S7：计算位置感知设备间的时间差，对3台设备中的任意两个设备的元数据帧进行互相关计算，搜索互相关的最大值位置，根据采样率求得目标信号达到两台设备的时间差。记为

步骤S8：设定容忍的距离误差为10米，根据公式求得容忍的时间误差为70ns。依次将3台设备的时间差带入不等式，满足不等式则执行步骤S9，否则直接跳过相应的帧，

步骤S9：根据3台设备的经纬度，以设备1为坐标0点建立平面坐标系，将每帧的时间差数据带入CHAN算法，求得各帧在平面坐标系上的坐标，对各帧的坐标去除X轴和Y轴的最大、最小值，然后对剩余的结果求平均值，得到平面坐标系上的坐标，如图4所示，结算的总共结果与信号源的实际位置误差在15m以内；最后根据设备1的经纬度，将坐标转换为经纬度，得到目标信号的经纬度结果。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。