[发明专利]一种基于北斗授时的声信号距离估计方法

说明书

本发明公开了一种基于北斗授时的声信号距离估计方法，本发明利用北斗卫星导航系统实现信标节点与标签节点间的高精度时钟同步，标签节点接收到信标节点发射调制声信号后，经过滤波、互相关和多径消除对声信号传播时延进行估计，进而得到信标节点与标签节点间的距离估计值。本发明的声信号距离估计方法无需额外的同步节点和声信号多次交互，通过北斗卫星导航系统提供的授时功能以较低的成本提供亚米级测距精度，本发明既适用于北斗信号较强的室外环境，又适用于北斗信号较弱的室内环境。

技术领域

本发明属于定位领域，具体涉及一种基于北斗授时的声信号距离估计方法。

背景技术

二十世纪90年代，GPS等全球定位系统在人们的生活中开始扮演越来越重要的角色，位置信息变得越来越重要。但GPS、北斗等卫星定位系统定位精度不高，民用级产品在室外最高也只能达到5米的精度。而在室内，由于信号被建筑物严重遮挡，卫星定位系统由于能连接到的卫星数量过少，甚至无法得到定位信息。而基于位置服务(Location-BaseService)在室内的应用场景却同样广泛，包括体育科学、公共安全、智能工厂、室内导航等。

随时时间的流逝，电子技术和通信技术得到了迅速的发展。集成电路的小型化与低价化，智能手机开始出现并迅速普及，室内定位技术的土壤已经成熟。于是，学术界和工业界开始关注室内定位技术，并出现了一系列的相关研究。

目前常见的定位介质包括Wi-Fi、蓝牙、超宽带、超声波、地磁、图像等，其中兼容智能手机的主要有Wi-Fi、蓝牙和地磁。在已有的研究与应用中，这三种定位方法的精度都不高，普遍在1～10米。并且，Wi-Fi和地磁受环境的影响比较大，一段时间之后环境发生变化就需要再次校准；蓝牙是目前使用最广泛的手机定位技术，但需要布设大量的蓝牙基站，每个蓝牙基站的覆盖范围不超过10米。超宽带的方法可以得到较高的精度，但是由于其采用电磁波作为测距介质，需要极高的同步精度，并且不兼容手机，因而应用受限。

目前常见的定位方法包括基于角度的定位方法(Direction of Arrival,DOA)，基于距离量测的定位方法(Time of Arrival,TOA)，基于距离差量测的定位方法(TimeDifference of Arrival,TDOA)和基于指纹库的定位方法等。基于距离量测的定位方法因其精度高，应用方便而得到了较为广泛的应用。但该方法的一个前提是需要对不同节点的时间进行同步，才能准确的测量出介质的传输时间，进而估计出距离信息。超宽带由于其采用电磁波作为测距介质，需要极高的定位精度，因此常常采用有线连接来进行同步，布设基站较为繁琐。而采用声信号作为测距介质，由于声信号传播速度远低于电磁波，因而可以方便的通过无线网络进行同步。目前常用的同步方式包括RBS(Reference BroadcastSynchronization)、TPSN(Timing-sync Protocol for Sensor Networks)等，RBS同步方法需要一个额外的中心节点，增加了硬件成本的同时也导致了不稳定性；而TPSN同步方法只能在两个节点间进行，对于多节点的情况耗时较长且同步精度较低。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于北斗授时的声信号距离估计方法，该方法无需额外的同步节点，通过北斗卫星导航系统提供的授时功能，以较低的成本提供远超北斗卫星导航系统的测距及定位精度，适用于北斗信号弱的室内环境或需要高精度测距或定位精度的室外环境，为定位系统提供了很好的基础。

本方法所采用的技术方案如下：一种基于北斗授时的声信号距离估计方法，该方法包括以下步骤：

(1)将所有节点的北斗授时模块设置为相同的PPS脉冲周期；

(2)信标节点接收到北斗授时PPS脉冲后，触发处理器的外部中断，信标节点立刻发出经过调制的高频线性调频信号；

(3)标签节点接收到北斗授时PPS脉冲后，触发处理器的外部中断，标签节点记录下此刻本地时钟的时刻t₀；