[發明專利]一種基于TDOA通信距離估計的不確定性分析方法

在審

• 申請號: 201710368739.1
• 申請日: 2017-05-23
• 公開（公告）號: CN107124700A
• 公開（公告）日: 2017-09-01
• 發明（設計）人: 羅清華;周鵬太;焉曉貞;韓志豪;王垚;張輝;沈豪;李平;彭喜元
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學（威海）
• 主分類號: H04W4/02
• 分類號: H04W4/02;H04W64/00;G01S5/30;G01S5/14;G01S5/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于TDOA通信距離估計的不確定性分析方法，其特征在于所述方法包括以下步驟：

步驟一、TDOA通信距離估計系統中有兩個無線傳感器網絡節點，它們都具有nanoLoc無線射頻收發模塊和超聲波收發器模塊，一個為發射節點，另一個為接收節點，發射節點具有超聲波發射功能，接收節點具有超聲波接收功能，通過接收節點接收到無線電波信號和超聲波信號的時間差來估計發射節點和接收節點之間的距離；

步驟二、在發射端，發射節點同時發出電磁波信號和超聲波信號，由于在空氣中，電磁波信號傳播速度遠大于超聲波傳播速度，所以接收節點先后接收到電磁波信號和超聲波信號，分別記錄接收時刻t₁和t₂(t₂>t₁)，通過接收兩種信號的時間差可以估計出發射節點和接收節點間的距離，如公式(1)所示：

其中，為距離估計值，c為電磁波在空氣中的傳播速度，c≈3.0*10⁸m/s，v為超聲波在空氣中的傳播速度，v≈340m/s，Δt為兩種信號到達時間差，Δt＝t₂-t₁；

步驟三、公式(1)中v和c都為常量，所以影響距離估計準確性因素的只有Δt，通過公式(2)求出Δt的敏感因子S_Δt，它表示Δt對距離估計值影響程度的大小，

其中，敏感因子S_Δt為時間差Δt對距離估計值影響的敏感程度；

步驟四、當發射節點與接收節點間的距離在通信范圍內的任意值d時，發射節點同時發出電磁波信號和超聲波信號，接收節點分別記下接收到兩種信號的時刻t₁和t₂，得到時間差Δt₁，重復以上過程N-1次，其中N為正整數，且10≤N≤100，本專利中N取值為60，由此得到可以得到時間差序列ΔT＝{Δt₁,Δt₂,Δt₃,...,Δt_n,...,Δt_N}，對ΔT進行統計計算，得到其統計均值Δt_u和統計標準差Δt_σ，將Δt_u作為時間差Δt的最終測量值，Δt_σ作為Δt的不確定度；

步驟五、發射節點和接收節點間距離估計值及其不確定性分別由公式(5)和公式(6)計算得到，

其中不確定性表示距離估計結果D的不確定程度的大小，也與距離估計結果的置信概率相對應，為定位計算等后續處理方法提供先驗和決策信息；

步驟六、無線發送節點判斷距離估計任務是否完成，若是，則結束距離估計和不確定性分析，否則，繼續執行步驟四到步驟六。

2.根據權利要求1所述的一種基于TDOA通信距離估計的不確定性分析方法的步驟五作進一步說明，其特征在于通信距離d估計結果在區間的概率為68.26％，通信距離d估計結果在區間的概率為95.44％，通信距離d估計結果在區間的概率為99.73％。

3.根據權利要求1所述的一種基于TDOA通信距離估計的不確定性分析方法作進一步說明，其特征在于從本質上分析出了導致誤差產生的主要因素和機理，給出的不確定度能夠表明距離估計結果的可信賴程度，給無線定位計算等后續處理方法提供重要的先驗知識，提高了其實際應用價值。

4.根據權利要求1所述的一種基于TDOA通信距離估計的不確定性分析方法作進一步說明，其特征在于采用偏微分法，通過分析基于TDOA的通信距離估計模型，得到影響距離估計結果的敏感因子及其影響程度的大小。

5.根據權利要求1所述的一種基于TDOA通信距離估計的不確定性分析方法作進一步說明，其特征在于為提高距離估計結果的精度和價值提供指導，為故障診斷、預測等其他領域的不確定性分析方法提供參考，具有重要的理論與現實意義。