[发明专利]一种基于TDOA通信距离估计的不确定性分析方法

权利要求书

1.一种基于TDOA通信距离估计的不确定性分析方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

步骤一、TDOA通信距离估计系统中有两个无线传感器网络节点，它们都具有nanoLoc无线射频收发模块和超声波收发器模块，一个为发射节点，另一个为接收节点，发射节点具有超声波发射功能，接收节点具有超声波接收功能，通过接收节点接收到无线电波信号和超声波信号的时间差来估计发射节点和接收节点之间的距离；

步骤二、在发射端，发射节点同时发出电磁波信号和超声波信号，由于在空气中，电磁波信号传播速度远大于超声波传播速度，所以接收节点先后接收到电磁波信号和超声波信号，分别记录接收时刻t₁和t₂(t₂>t₁)，通过接收两种信号的时间差可以估计出发射节点和接收节点间的距离，如公式(1)所示：

其中，为距离估计值，c为电磁波在空气中的传播速度，c≈3.0*10⁸m/s，v为超声波在空气中的传播速度，v≈340m/s，Δt为两种信号到达时间差，Δt＝t₂-t₁；

步骤三、公式(1)中v和c都为常量，所以影响距离估计准确性因素的只有Δt，通过公式(2)求出Δt的敏感因子S_Δt，它表示Δt对距离估计值影响程度的大小，

其中，敏感因子S_Δt为时间差Δt对距离估计值影响的敏感程度；

步骤四、当发射节点与接收节点间的距离在通信范围内的任意值d时，发射节点同时发出电磁波信号和超声波信号，接收节点分别记下接收到两种信号的时刻t₁和t₂，得到时间差Δt₁，重复以上过程N-1次，其中N为正整数，且10≤N≤100，本专利中N取值为60，由此得到可以得到时间差序列ΔT＝{Δt₁,Δt₂,Δt₃,...,Δt_n,...,Δt_N}，对ΔT进行统计计算，得到其统计均值Δt_u和统计标准差Δt_σ，将Δt_u作为时间差Δt的最终测量值，Δt_σ作为Δt的不确定度；

步骤五、发射节点和接收节点间距离估计值及其不确定性分别由公式(5)和公式(6)计算得到，

其中不确定性表示距离估计结果D的不确定程度的大小，也与距离估计结果的置信概率相对应，为定位计算等后续处理方法提供先验和决策信息；

步骤六、无线发送节点判断距离估计任务是否完成，若是，则结束距离估计和不确定性分析，否则，继续执行步骤四到步骤六。

2.根据权利要求1所述的一种基于TDOA通信距离估计的不确定性分析方法的步骤五作进一步说明，其特征在于通信距离d估计结果在区间的概率为68.26％，通信距离d估计结果在区间的概率为95.44％，通信距离d估计结果在区间的概率为99.73％。

3.根据权利要求1所述的一种基于TDOA通信距离估计的不确定性分析方法作进一步说明，其特征在于从本质上分析出了导致误差产生的主要因素和机理，给出的不确定度能够表明距离估计结果的可信赖程度，给无线定位计算等后续处理方法提供重要的先验知识，提高了其实际应用价值。

4.根据权利要求1所述的一种基于TDOA通信距离估计的不确定性分析方法作进一步说明，其特征在于采用偏微分法，通过分析基于TDOA的通信距离估计模型，得到影响距离估计结果的敏感因子及其影响程度的大小。

5.根据权利要求1所述的一种基于TDOA通信距离估计的不确定性分析方法作进一步说明，其特征在于为提高距离估计结果的精度和价值提供指导，为故障诊断、预测等其他领域的不确定性分析方法提供参考，具有重要的理论与现实意义。