基于商用5G基站的TOA测距定位方法及装置

本发明涉及无线定位与导航，特别是涉及一种基于商用5g基站的toa测距定位方法及装置。

背景技术：

1、无人机在低空环境中执行任务时，需要持续获取自身位置信息以实现自主导航、路径规划和任务执行。在复杂的城市低空环境中，无人机的gnss定位面临严峻挑战。城市峡谷中密集的高层建筑会遮挡卫星信号，使得可见卫星数量不足，无法满足定位所需的几何精度因子（dilution of precision，dop）要求；建筑物表面对卫星信号的反射和折射会产生多径效应，引入测距误差；此外，gnss信号从卫星到地面接收机的传播距离远，信号到达地面时功率极低，容易受到各类有意或无意的电磁干扰。在上述因素的共同作用下，gnss定位精度会急剧下降甚至完全失效，严重威胁无人机的飞行安全和任务可靠性。因此，发展不依赖gnss的替代定位技术成为当前无人机导航领域的迫切需求。

2、第五代移动通信新空口（5th generation new radio，5g nr）是国际电信联盟（itu）制定的新一代移动通信标准，具有覆盖广、带宽大、同步精度高等特点，利用商用5g信号进行定位是当前的研究热点。

3、基于5g nr信号的定位方法主要可以分为以下几类：基于接收信号强度（receivedsignal strength，rss）的定位方法、基于到达时间（time of arrival，toa）的测距定位方法、基于到达时间差（time difference of arrival，tdoa）的定位方法、基于到达角度（angle of arrival，aoa）的定位方法以及基于指纹匹配的定位方法。

4、toa测距定位的基本原理是：接收机测量信号从基站到无人机之间的传播时间，乘以光速即可得到基站与无人机之间的距离（即伪距），在获得至少三个基站的伪距测量值后，即可通过三角定位原理解算出无人机的位置。

5、但是，在低空多径和强噪声环境下，现有的toa估计方法存在以下突出问题：

6、（1）时域分辨率不足问题：传统基于快速傅里叶变换（fft）峰值检测的toa估计方法，通过对信道频率响应（cfr）进行逆傅里叶变换得到信道冲激响应（cir），然后在时域上寻找峰值位置作为首达路径的到达时间。当两条多径的时延差小于系统的时域分辨率时，两条路径在cir上叠加为单个峰值，导致首达路径的识别和时延估计产生较大误差。在城市峡谷等低空场景中，多径信号密集分布，各路径之间的时延差往往小于纳秒量级，传统fft方法难以有效区分。

7、（2）信道频率响应估计精度不足问题：超分辨率算法，如旋转不变子空间算法和多信号分类算法，突破了传统fft方法的瑞利限，能够以远高于1/b的精度分辨多径分量，理论上可以达到极高的时延估计精度。然而，这类算法的性能高度依赖于cfr的质量，包括cfr的完整性和信噪比。在实际5g nr系统中，ss/pbch（同步信号/物理广播信道块，synchronization signal/physical broadcast channel）块内的解调参考信号（dm-rs）仅在部分子载波上传输。采用最小二乘法（ls）估计cfr时，仅能得到稀疏的cfr采样值，在非导频子载波位置上不存在cfr估计值，导致cfr在频域上呈现不连续状态。直接使用这种低质量的cfr作为超分辨率算法的输入，会导致时延估计结果出现较大偏差甚至完全失效。

8、（3）开环快拍估计无法利用时间相关性问题：现有的大多数toa估计方法属于开环单次快拍估计，即每次独立地基于当前时刻接收到的单个ss/pbch块进行cfr估计和toa计算，各次估计之间互不关联。这种开环估计方式存在两个主要缺陷：第一，每次估计都独立受噪声和多径的影响，估计结果在时间轴上呈现较大的随机波动，精度不稳定；第二，没有利用信号在时间维度上的相关性，无法通过连续跟踪来平滑噪声和修正误差。

9、在无人机动态飞行场景中，信道环境随时间快速变化，无人机的运动也会导致接收信号的多普勒频移和信道特性的动态变化。开环估计方法缺乏对toa变化的连续跟踪能力，在动态场景下误差波动更加剧烈。尤其是在建筑物遮挡和多径快速变化的区域，开环估计容易出现估计值跳变或失锁的情况，无法满足连续高精度定位的需求。

10、（4）单信号支路跟踪在信号衰落条件下稳定性不足问题：部分已有方法尝试引入跟踪环路来提高toa估计的连续性，如采用延迟锁定环（delay-locked loop，dll）对toa进行闭环跟踪。但这些方法通常仅利用pss（主同步信号，primary synchronization signal）或sss（辅同步信号，secondary synchronization signal）中的单一同步信号进行跟踪，在5g nr实际部署场景中，pss和sss信号可能经历不同的信道衰落特性，当某一信号支路受到频率选择性衰落或突发干扰时，单支路跟踪环路会出现跟踪误差增大甚至环路失锁的问题，导致toa跟踪中断。

11、综上所述，现有toa估计方法在cfr质量提升、动态连续跟踪以及抗信号衰落等方面仍然存在明显不足。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于商用5g基站的toa测距定位方法及装置，通过信道频率响应重构与双延迟锁定环协同处理，显著提升静态和动态场景下的测距精度与鲁棒性，实现gnss拒止环境下无人机的持续高精度定位。

2、为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

3、一种基于商用5g基站的toa测距定位方法，包括以下步骤：

4、步骤s1，接收5g nr信号，进行小区搜索与两级载波频率偏移补偿，获取ss/pbch块；

5、步骤s2，基于所述ss/pbch块中的dm-rs，采用最小二乘法提取初始信道频率响应，经三次样条插值获得完整cfr，并通过ifft变换至时域，利用升余弦窗进行噪声抑制，再经fft变换回频域，得到重构的cfr；

6、步骤s3，对所述重构的cfr应用esprit超分辨率算法，估计多径时延，得到初始到达时间估计值；

7、步骤s4，基于所述初始到达时间估计值，启动双延迟锁定环跟踪，并行处理pss和sss两条支路，分别生成超前和滞后相关值，通过归一化早晚功率差鉴别器计算两路时延误差信号；

8、步骤s5，根据pss和sss两条支路的信号质量自适应计算加权融合系数，对两路鉴别器误差进行加权融合，经二阶环路滤波器滤除高频噪声后更新toa估计值，完成一次闭环跟踪迭代。

9、作为上述技术方案的进一步改进为：

10、优选地，所述步骤s1中两级载波频率偏移补偿包括：通过pss序列滑动相关检测实现符号同步和粗频偏估计；通过ofdm循环前缀的自相关特性实现细频偏估计，利用循环前缀中采样点与ofdm符号尾部对应位置采样点之间的相位差估计残留频偏；将粗频偏估计值和细频偏估计值相加得到总频偏估计值，在时域对每个采样点施加与总频偏相反的相位旋转，进行全局相位补偿。

11、优选地，所述步骤s2中对相邻导频子载波之间的信道频率响应进行分段三次多项式插值；插值过程中，根据dm-rs在频域的分布，将已知cfr采样点作为节点，构建三对角矩阵方程并采用托马斯算法求解各区间多项式系数，获得所有子载波上的cfr估计值。

12、优选地，所述步骤s2中三次样条插值采用自然样条边界条件，所述自然样条边界条件为在插值区间的两个端点处二阶导数为零。

13、优选地，所述步骤s3中采用最小描述长度准则估计信道路径数量，并利用奇异值分解构建信号子空间，求解旋转不变矩阵的特征值，由特征值相位计算到达时间。

14、优选地，所述最小描述长度准则函数定义为：

15、

16、其中，为最小描述长度准则函数值；为多径索引，为hankel矩阵的列数，为hankel矩阵的行数，为第个特征值的次幂，为奇异值平方，为行数变量，。

17、优选地，所述步骤s3中选取能量最强路径所对应的到达时间作为所述初始到达时间估计值，第条路径到达时间为：

18、

19、其中，为第条多径的到达时间，；为子载波间隔，为dm-rs导频子载波间隔，为取复数的相位角，为旋转不变矩阵的第个特征值，为多径索引。

20、优选地，所述步骤s4中到达时间估计值分解为整数部分和小数部分，所述整数部分用于控制fft窗口起始位置，所述小数部分通过频域相位旋转补偿；

21、所述小数部分通过频域相位旋转补偿为：将接收时域信号经fft变换至频域得到频域接收信号，对每个子载波的接收信号施加相反的相位旋转，公式为：

22、

23、其中，为小数补偿后的频域接收信号在子载波处的值，表示对应于pss或sss序列的频域接收信号，为到达时间估计值的小数部分，为虚数单位，为cfr的总子载波数，为子载波时域索引。

24、优选地，所述步骤s5中加权融合系数和，加权融合得到综合误差信号的公式为：

25、

26、其中，为融合后的综合误差信号，为pss支路的加权融合系数，为sss支路的加权融合系数，为pss支路鉴别器的归一化增益，为sss支路鉴别器的归一化增益，为pss支路的鉴别器误差信号，为sss支路的鉴别器误差信号。

27、一种基于商用5g基站的toa测距定位装置，用于实现上述的toa测距定位方法，包括：

28、前端处理单元，用于接收5g nr信号，进行小区搜索、载波频率偏移补偿和ofdm解调，输出基带信号；

29、初始估计单元，连接前端处理单元，用于对cfr进行插值重构与噪声抑制，并应用esprit算法估计多径时延，输出初始到达时间估计值；

30、伪距计算模块，用于根据连续toa估计值计算伪距，并结合基站位置解算无人机位置。

31、双延迟锁定环跟踪单元，连接初始估计单元，用于并行处理pss和sss两条支路的时延误差信号，对两路误差进行自适应加权融合并滤波，输出连续到达时间估计值。

32、本发明提供的基于商用5g基站的toa测距定位方法及装置，与现有技术相比，有以下优点：

33、（1）本发明的基于商用5g基站的toa测距定位方法及装置，通过三次样条插值和升余弦窗重构cfr，显著改善了信道频率响应的连续性和信噪比，为esprit超分辨率算法提供了高质量的输入数据；同时将超分辨初始估计与双延迟锁定环闭环跟踪相结合，克服了传统开环方法无法利用时间相关性的缺点。

34、（2）本发明的基于商用5g基站的toa测距定位方法及装置，设计了pss/sss双支路并行延迟锁定环架构，根据两路信号质量自适应加权融合，有效抑制了单信号衰落或多径干扰对跟踪的影响。

35、（3）本发明的基于商用5g基站的toa测距定位方法及装置，采用esprit超分辨率算法突破时域分辨率的瑞利限，能够在有限的系统带宽下精确分辨时延差小于纳秒量级的密集多径分量，准确识别首达路径；同时双延迟锁定环架构在pss或sss任一信号支路受到频率选择性衰落或突发干扰时，另一支路仍能提供有效的误差信息，维持环路的连续锁定，显著提高了系统在复杂低空多径环境下的鲁棒性。