一种射频无源tdoa定位系统数据块选择传输方法
阅读说明：本技术 一种射频无源tdoa定位系统数据块选择传输方法 (Data block selection transmission method of radio frequency passive TDOA (time difference of arrival) positioning system ) 是由 杜鸿 文成玉 李文藻 于 2020-10-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种射频无源TDOA定位系统数据块选择传输方法：测站从射频接收机输出的IQ数据流中提取定时数据块并缓存到队列中；测站使用基于载噪比和过0点数质量指标评估定时数据块质量,向中心站报告每个定时数据块的时间戳和质量指标；中心站接收测站报告并缓存到队列中,根据时间戳和质量参数从报告队列中选择候选数据块,通知测站上传指定时间数据块；测站收到中心站命令,从缓存定时数据块队列中搜索指定时间的数据块并上传到中心站；中心站接收测站上传的定时数据块并缓存到定时数据块队列,作为TDOA估计算法的输入数据。用于解决突发和带宽时变信号数据块优选问题,同时解决网络带宽与采样率之间的矛盾问题。(The invention discloses a data block selection transmission method of a radio frequency passive TDOA (time difference of arrival) positioning system, which comprises the following steps: the station under test extracts the timing data block from the IQ data stream output by the radio frequency receiver and buffers the timing data block into a queue; the measuring station evaluates the quality of the timing data blocks by using the quality indexes based on the carrier-to-noise ratio and the over 0 point number, and reports the timestamp and the quality index of each timing data block to the central station; the central station receives the report of the measuring station and buffers the report into a queue, selects a candidate data block from the report queue according to the timestamp and the quality parameter, and informs the measuring station to upload the data block at the appointed time; the measuring station receives the command of the central station, searches data blocks in specified time from the caching timing data block queue and uploads the data blocks to the central station; and the central station receives the timing data blocks uploaded by the observation stations and buffers the timing data blocks into a timing data block queue as input data of the TDOA estimation algorithm. The method is used for solving the problem of burst and bandwidth time-varying signal data block optimization and simultaneously solving the problem of contradiction between network bandwidth and sampling rate.)
技术领域
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。
背景技术
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。
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。
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。
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。
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。
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。
发明内容
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。
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BW，接收机采样率Fs， IQ数据块采集时标Tmark≤1000ms，IQ数据块采样点数Lblock，IQ数据块子段数Nseg≥1，测站报告周期Treport≥Tmark，定位任务需要的最少测站数Smin≥3，信号分类需要的站数Sclass≥1，载噪比阈值Sthd1和Sthd2>Sthd1，单载波数据块判定系数Scarrier≥1.0等参数；
S2、在整秒开始周期为Tmark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Lblock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Nseg个子段，计算每个子段质量参数Qseg；
S4、根据子段质量参数Qseg计算数据块质量参数Qblock；
S5、在测站，将数据块的起始采样时间戳、采样数和质量参数Qblock封装为一个报告节点缓存到测站报告队列，测站以Treport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Salign，将时间戳对齐报告数Salign≥Smin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Smax为Salign的最大值，搜索完毕后，删除候选数据块队列中报告数少于Smax的节点，此时候选数据块队列中所有节点都包含Smax个测站报告，每个测站报告由时间戳、采样数和Qblock等参数构成；
S7、在中心站，根据候选数据块队列节点中的Smax个测站数据块质量参数Qblock，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。
进一步地，S3所述计算每个子段质量参数Qseg具体步骤如下：
S31、Qseg是由子段载噪比qcnr、子段时域I和Q分量过0点数之和qczn组成的二元组，即，Qseg=(qcnr，qczn)，当qcnr>Vthd1时qczn反比于子段内信号段的瞬时带宽，当qcnr≤Vthd1时qczn表达子段内信号段瞬时带宽的可靠性降低。
进一步地，S4所述根据子段质量参数Qseg计算数据块质量参数Qblock具体步骤如下：
S41、数据块质量参数Qblock=(qcnr_max, qczn_max, qcnr_avg, qczn_avg, qcnr_min)是一个5元组，qcnr_max为数据块中子段载噪比qcnr的最大值，qczn_max为数据块中最大载噪比子段的过0点数qczn，qcnr_avg为数据块中子段载噪比qcnr的均值，qczn_avg为数据块中子段过0点数qczn的均值，qcnr_min为数据块中子段载噪比qcnr的最小值，qcnr_max和qczn_max用于表达短时突发信号段的质量，qcnr_avg和qczn_avg用于表达连续信号的质量，qcnr_min用于突发和连续信号类型的判定。
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Sclass个测站的Qblock成员参数qczn_max >Scarrier×qczn_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Sclass个测站的Qblock成员参数qcnr_min < Vthd1且qcnr_max - qcnr_min > Vthd2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Sclass个测站的Qblock成员参数qcnr_avg > Vthd1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Qblock成员参数qczn_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Qblock成员参数qcnr_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Sclass个测站的Qblock成员参数qcnr_max > Sthd1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Qblock成员参数qczn_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qcnr_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。
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Qcnr和过0点数Qczn是信号处理领域常用的两个参数，在本方法中使用载噪比Qcnr和过0点数Qczn组合后的二元组Qseg=(Qcnr, Qczn)表达IQ数据段的信号质量，有益之处在于，当载噪比Qcnr>Sthd1时过0点数指标Qczn能够可靠地表达信号瞬时带宽，Qczn反比于瞬时带宽，当载噪比Qcnr<Sthd1时过0点数指标Qczn表达信号瞬时带宽的可靠性降低，阈值Sthd1正比于射频接收机噪声系数，使用子段质量参数Qseg计算出的数据块质量参数Qblock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Qblock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Qseg=(Qcnr, Qczn)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Qblock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。
附图说明
图1 本方法流程图。
具体实施方式
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。
步骤1、参数设置：
设置信号带宽BW=100kHz，接收机采样率Fs=4MSPS，
IQ数据块采集时标Tmark=2ms，IQ数据块采样数Lblock=8192，每个数据块的子段数Nseg =4，
测站报告周期Treport=100ms，
定位任务需要的最少测站数Smin=3，信号分类需要的站数Sclass=3，
载噪比阈值Sthd1=6dB、Sthd2=9dB，单载波段判定系数Scarrier=1.5，
计算子段质量参数Qseg时的降采样率抽取因子Mdec=8使得降采样率FS/Mdec≥2×BW，
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Tkeep=4000ms；
步骤2、在整秒开始周期为Tmark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Lblock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Tkeep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Nseg个子段，计算每个子段质量参数Qseg；
步骤4、在测站，根据子段质量参数Qseg计算数据块质量参数Qblock；
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Qblock封装为一个报告节点缓存到测站报告队列，测站以Treport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Salign，将时间戳对齐报告数Salign≥Smin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Smax为Salign的最大值，搜索完毕后，删除候选数据块队列中报告数少于Smax的节点，此时候选数据块队列中所有节点都包含Smax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Qblock，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Smax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。
进一步地，步骤3所述计算每个子段质量参数Qseg具体步骤如下：
步骤31、Qseg是由子段载噪比qcnr、子段时域I和Q分量过0点数之和qczn组成的二元组，即，Qseg=(qcnr，qczn)，当qcnr>Vthd1时qczn反比于子段内信号段的瞬时带宽，当qcnr≤Vthd1时qczn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Mdec进行降采样率抽取，得到采样数为Lblock/(Nseg×Mdec)=256的采样集Sdec，降采样率FS/ Mdec =500KSPS，载噪比qcnr通过采样集Sdec的快速傅里叶变换幅度谱得到，为了消除带宽外强信号对qczn结果的影响，在计算qczn前，使用截止带宽为Bw的低通滤波器对采样集Sdec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qczn。
进一步地，步骤4所述根据子段质量参数Qseg计算数据块质量参数Qblock具体步骤如下：
步骤41、数据块质量参数Qblock=(qcnr_max, qczn_max, qcnr_avg, qczn_avg, qcnr_min)是一个5元组，qcnr_max为数据块中子段载噪比qcnr的最大值，qczn_max为数据块中最大载噪比子段的过0点数qczn，qcnr_avg为数据块中子段载噪比qcnr的均值，qczn_avg为数据块中子段过0点数qczn的均值，qcnr_min为数据块中子段载噪比qcnr的最小值，qcnr_max和qczn_max用于表达短时突发信号段的质量，qcnr_avg和qczn_avg用于表达连续信号的质量，qcnr_min用于突发和连续信号类型的判定。
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Sclass个测站的Qblock成员参数qczn_max >Scarrier×qczn_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Sclass个测站的Qblock成员参数qcnr_min < Vthd1且qcnr_max - qcnr_min > Vthd2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Sclass个测站的Qblock成员参数qcnr_avg > Vthd1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Qblock成员参数qczn_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Qblock成员参数qcnr_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Sclass个测站的Qblock成员参数qcnr_max > Sthd1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Qblock成员参数qczn_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qcnr_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。
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。
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