摘 要：在無源時差定位系統(tǒng)中，定位精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性是評價系統(tǒng)優(yōu)劣的兩個重要標準。在對影響二者的因素進行深入研究的基礎(chǔ)上，提出一種利用輔助發(fā)射站發(fā)射時間同步檢測信號的方法，通過確保測量站站間時間同步來提高定位精度，同時通過該信號檢測測量站測時抖動，理論推導和初步的實驗仿真都驗證了該方法是有效的，能夠提高測時差的精度和增強多站時差定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最后，詳細介紹了整個系統(tǒng)的工作原理以及主站處理數(shù)據(jù)的主要流程。

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關(guān)鍵詞：信號配對； TDOA； 時間同步； 時間抖動檢測

中圖分類號：TN971-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)01-0085-03

A solution to time synchronization and time jitter detection

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TANG Xiao-ming， WANG Zhen-jie， ZHANG Tao

(Research Inst. of Information Fusion， Naval Aeronautical and Astronautical University， Yantai 264001， China)

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Abstract：

In the passive TDOA system， positioning accuracy and stability of the system are two important standards for evaluating merits of the system. A method of using auxiliary stations to transmit time synchronization detection signal to ensure time synchronization between stations and to improve positioning accuracy is proposed based on analyzing the two key affecting factors. At the same time， detecting the time jitter of the receiving station by using the signal is reached. Theoretical analysis and preliminary simulation experiment verifies that the method is effective to improve the accuracy of measuring the time difference and enhance the stability of TDOA system. At last， principle of the whole system and main data processing of the main station are given.

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Keywords： signal matching; TDOA; time synchronization; time jitter detection

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收稿日期：2011-07-22

基金項目：國家自然科學基金資助項目(60672139，60972160)

0 引 言

多站時差定位技術(shù)是一種較為精確的定位方法，它通過處理三個或者三個以上測量站采集的信號到達時間來對輻射源定位[1]。與傳統(tǒng)定位技術(shù)相比，其具有精度高，穩(wěn)定性強，對設(shè)備性能要求低，使用范圍廣等優(yōu)點[2]。影響多站時差定位技術(shù)精度和穩(wěn)定性的有以下幾個關(guān)鍵因素：

(1) 信號配對。所謂信號配對是指主站和輔站接收的信號是否為輻射源輻射的同一個信號，如果這點不能保證，根本得不到時差[3]。本文所介紹的多站時差定位系統(tǒng)中發(fā)射分系統(tǒng)在每次發(fā)射信號時都會為信號賦予獨一無二的標識，接收分系統(tǒng)接收到信號后根據(jù)標識來識別信號，保證了信號配對。

(2) 測時精度。在時差定位系統(tǒng)中，由于各基站間的基線長度、布站形式以及目標位置等因素的不同，同樣的測時誤差對目標定位精度的影響也不盡相同?？傮w來說，對時間測量的誤差一般要達到納秒或者亞納秒量級，才能滿足高精度定位系統(tǒng)的要求。

(3) 時間同步。多站時差定位要求對各個觀測站的時間系統(tǒng)進行高精度的統(tǒng)一對時，然后各觀測站才能在精確同步的參考時鐘控制下，對接收到的目標信號到達時間進行精確測量，最終得到精確的到達時差。

(4) 定位算法。在多站時差定位系統(tǒng)中，一旦獲得了TDOA的測量值，就可以得到輻射源到各個測量站的距離差，多個TDOA測量值就可以構(gòu)成一組關(guān)于輻射源位置的雙曲線(雙曲面)方程組。求解該非線性方程組就可以得到目標位置。目前，常用的解算方法有迭代法、偽逆法和總體最小二乘算法等，不同算法具有不同精度和計算復(fù)雜度。

(5) 空間布站。不同的布站形式也影響著定位精度和定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性，常用的布站形式有三角形布站、星形布站和菱形布站[4]。研究布站形式對誤差分布的影響是實現(xiàn)多站定位技術(shù)到工程運用不可缺少的重要一步。

多站時差定位系統(tǒng)中，TDOA的獲得通常有兩種方式，一種是直接檢測兩個精確的TOA值生成TDOA，另一種是直接對接收到兩個信號進行信號處理，計算信號之間的時間差[5]。第一種要求輻射源和測量站間時間嚴格同步，第二種只需要測量站間時間同步即可[6]。不管是哪種方法得到TDOA值，系統(tǒng)對其精度的要求都很高，如果采用時鐘比對的方法來實現(xiàn)，那么時鐘的頻率要達到1 GHz以上，已經(jīng)達到或者超過許多現(xiàn)有物理器件的工作頻率?？梢钥紤]采用FPGA芯片配合外圍脈沖前沿形成電路來設(shè)計實現(xiàn)基于多相時鐘相位比對的脈沖到達時間高精度測量系統(tǒng)[7]。對于定位算法和空間布站是得到高精度時差后要研究的關(guān)鍵技術(shù)。為了解決時間同步問題，本文提出了一種多站時差定位輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)為增加一個發(fā)射特殊信號的發(fā)射站，該站發(fā)射含有本身坐標的數(shù)據(jù)信息，接收站接收后根據(jù)自己的坐標位置可以得到發(fā)射站到各個接收站的準確時間，由此可以得到準確的TDOA值，與多站時差定位系統(tǒng)本身得到的時差對比，可以得到一個修正值。同時，該輔助系統(tǒng)還具有監(jiān)測各個接收站測時是否產(chǎn)生跳變的問題，一旦發(fā)現(xiàn)問題可以提供告警。

1 站間時間同步的原理

時間同步按照系統(tǒng)需求的不同可分為排序、相對同步和絕對同步。相對同步是指測量站維持其本地時鐘的獨立運行，動態(tài)獲取并存儲其與其他測量站之間的時鐘偏移和時鐘漂移，根據(jù)這些信息實現(xiàn)不同測量站本地時間之間的相互轉(zhuǎn)換，達到時間同步的目的。絕對同步是指測量站的本地時間和參考基準時間保持時刻一致[8]。相對同步不會修改各個測量站的本地時間，而絕對同步會修改。文獻［9］給出了一種通過濾波處理星間雙向測距數(shù)據(jù)，不斷地更新衛(wèi)星時鐘參數(shù)，來實現(xiàn)星座衛(wèi)星自主高精度時間同步。對于多站時差定位系統(tǒng)來說，時差是最關(guān)心的一個測量值，只需時間的相對同步就可以滿足工程需要。

具體同步過程如下：

設(shè)輔助系統(tǒng)的發(fā)射站坐標位置為O(xo，yo，zo)，三維多站時差定位至少需要四個測量站，其中一個主站和三個輔站，主站坐標為A(xa，ya，za)，輔站坐標分別為B(xb，yb，zb)，C(xc，yc，zc)，D(xd，yd，zd)，發(fā)射站O發(fā)射電磁信號，其速度約等于光速，到達各個測量站的本地時刻分別為tA，tB，tC，tD，根據(jù)路程與時間的關(guān)系有以下關(guān)系式：

tOA=(xo－xa)2+(yo－ya)2+(zo－za)2c

tOB=(xo－xb)2+(yo－yb)2+(zo－zb)2c

tOC=(xo－xc)2+(yo－yc)2+(zo－zc)2c

tOD=(xo－xd)2+(yo－yd)2+(zo－zd)2c

式中:tOA，tOB，tOC和tOD為發(fā)射站O發(fā)射的信號到達A，B，C，D四個測量站需要的時間，由此可以得到發(fā)射站O發(fā)射的信號到達主站和三個輔站的真實時差ΔtRAB，ΔtRAC，ΔtRAD為：

ΔtRAB=tOA－tOB

ΔtRAC=tOA－tOC

ΔtRAD=tOA－tOD

同時，由各個測量站測得的四個時刻得到時差ΔtMAB，ΔtMAC，ΔtMAD為：

ΔtMAB=tA－tB

ΔtMAC=tA－tC

ΔtMAD=tA－tD

所以，可以得到主站和各個測量站間的不同修正時差ΔtAB，ΔtAC，ΔtAD為：

ΔtAB=ΔtRAB－ΔtMAB

ΔtAC=ΔtRAC－ΔtMAC

ΔtAD=ΔtRAD－ΔtMAD

這樣就得到一組時差修正量，把此修正量傳送給數(shù)據(jù)處理中心，在求解時差時給予補償可以提高時差的精度。每隔一段時間對該值更新可以保證多站時差定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進而提高定位精度。

2 檢測測量站時間跳變的原理

由于測量站所在環(huán)境突變、設(shè)備本身的質(zhì)量問題或偶然事件的發(fā)生均能導致測量站測時跳變，時間跳變會嚴重影響多站時差定位系統(tǒng)的定位精度和穩(wěn)定度，使其可靠性降低。當問題出現(xiàn)時，如何判斷哪個測量站出現(xiàn)問題是多站時差定位自檢系統(tǒng)的一個關(guān)鍵。文獻［10]提出一種采用平滑濾波估計目標真實位置，再以該估計值為基站進行測量位置與時差的偏差統(tǒng)計判決方法來確定發(fā)生故障的站點。由于每一步都要對目標值進行平滑濾波估計，難免會增加主站的數(shù)據(jù)處理負擔。本文選擇利用增加一個輔助系統(tǒng)來解決時間同步問題的同時解決了該問題，需要增加額外的設(shè)備，各有利弊。具體過程為：

關(guān)于發(fā)射站和測量站的參數(shù)同第1節(jié)所述，假設(shè)某時刻四個接收站接收到發(fā)射站的某個信號的時刻分別為tAk，tBk，tCk，tDk，有如下關(guān)系：

ΔtABk=tAk－tBk

ΔtACk=tAk－tBk

ΔtADk=tAk－tBk

因為發(fā)射站和測量站均為固定站，所以在沒有測量站測時跳變的情況下三組時差ΔtABk，ΔtACk，ΔtADk(其中k表示發(fā)射站發(fā)射的第k個信號)不會跳變，即ΔtABk≈ΔtAB(k－1)，ΔtACk≈ΔtAC(k－1)，ΔtACk≈ΔtAC(k－1)。

如果只有ΔtABk相對與ΔtAB(k－1)有跳變，則可以推斷出測量站A或者測量站B出現(xiàn)跳變，如果其他兩個時差沒有跳變，則可以排除A。同理可以得到在其他站出現(xiàn)跳變時的推斷方法。產(chǎn)生跳變后的效果以B站跳變?yōu)槔鐖D1所示。

圖1 測量站產(chǎn)生測時跳變前后圖示

圖中，線條B表示ΔtABk，線條C表示ΔtACk，線條D表示ΔtADk。由圖可知，B站在發(fā)射站發(fā)射第80個時間同步脈沖時被監(jiān)測到時間有跳變現(xiàn)象，正常時，系統(tǒng)測時誤差為20 ns左右，從發(fā)射站發(fā)射第80個脈沖起，B站測時誤差是正常工作時的100倍，產(chǎn)生明顯跳變。這就為報警和修復(fù)提供了依據(jù)。

3 整體系統(tǒng)工作原理及其主站工作流程圖

增加的輔助系統(tǒng)的多站時差定位系統(tǒng)的總體工作原理如圖2所示。

圖2 輔助系統(tǒng)的總體工作原理圖

此系統(tǒng)由A，B，C，D四個測量站和一個輔助站發(fā)射源組成，其中A為主站，B，C，D為輔站，輔站接收數(shù)據(jù)后打上時戳傳遞給主站，主站對輔站傳來的數(shù)據(jù)以及本身接收的數(shù)據(jù)進行信號配對、時差估計、目標位置解算等工作。在多站時差定位系統(tǒng)工作前，首先接收輔站的數(shù)據(jù)得到時差修正量ΔtAB，ΔtAC和ΔtAD，以便在主站解算時差時進行時差補償。當多站時差定位系統(tǒng)開始工作后，每隔一個周期T的時間，輔助系統(tǒng)發(fā)射源發(fā)射幾批次的同步監(jiān)測信號，供多站時差定位系統(tǒng)更新時差修正量并監(jiān)測各個站的工作情況，對有測時跳變的站進行告警。

增加了輔助系統(tǒng)的多站時差定位系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3 多站時差定位系統(tǒng)總的工作流程圖

首先，由主站A綜合輔站B，C，D數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)信號進行信號配對和識別。

再次，判斷信號是否為輔助系統(tǒng)發(fā)射信號。如果是輔助系統(tǒng)發(fā)射源發(fā)射的同步檢測信號，則根據(jù)配對后的數(shù)據(jù)組，得到第k批次同步監(jiān)測信號的一組時差ΔtABk，ΔtACk，ΔtADk，由其是否具有平穩(wěn)性可監(jiān)測測量站測時是否存在跳變。如果是則告警，如果否則利用第1節(jié)所述的公式更新時差修正量，為時差估計后的時差修正提供補償。如果判斷信號的結(jié)果為否，則主站A進行時差估計和時差修正。

最后，利用得到的同一批次的時差結(jié)合一定的有效算法對目標位置進行解算和估計，最終得到目標位置信息。

4 結(jié) 論

本文在深入研究多站時差定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出引入輔助系統(tǒng)來提高時差估計精度和監(jiān)測測量站測時跳變差的問題。闡述了其工作原理，并給出了一個總體系統(tǒng)的工作原理和主要環(huán)節(jié)的工作流程圖，為工程的實際運用提供參考和依據(jù)。對多站時差定位系統(tǒng)的高精度測時、求解算法和布站形式?jīng)]有討論。在工程實際中，還要進一步考慮站間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫蛩亍＊?/p>

參 考 文 獻

［1］苗強，吳德偉，毛玉泉.多基地無源定位技術(shù)在區(qū)域定位網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代雷達，2007，29(8):12-14.

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［2］李婧，龔曉峰，張燁，等.時間差無源定位的工程應(yīng)用［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32(11):45-48.

［3］王本才，張國毅，侯慧群.無源定位技術(shù)研究［J］.艦船電子對抗，2006，29(6):20-26.

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［4］黃金鳳，韓焱，王黎明.無源時差定位布站形式對定位精度的影響［J］.火力與指揮控制，2009，34(10):33-35.

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［5］徐志揚.無線定位中TDOA估計及應(yīng)用研究［D］.上海:上海交通大學，2002.

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［6］江翔.無源時差定位技術(shù)及應(yīng)用研究［D］.成都：電子科技大學，2008.

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［7］王斌.時差定位系統(tǒng)高精度時間測量技術(shù)研究［D］.南京:南京信息工程大學，2009.

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［8］李曉維，徐勇軍，任豐原.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［M］.北京:北京理工大學出版社，2007.

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［9］帥平，曲廣吉.導航星座自主導航的時間同步技術(shù)［J］.宇航學報，2005，26(6):768-772.

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［10］吳宏剛，劉昌忠，黃忠濤.機場場面多點定位系統(tǒng)遠端站優(yōu)選方法［J］.電訊技術(shù)，2009，49(12):5-8.

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作者簡介：

唐小明 男，1974年出生，博士，副教授。主要從事雷達系統(tǒng)、信息融合方面的研究工作。

王貞杰 男，1986年出生，在讀碩士研究生。主要研究方向為信號檢測、估計與目標識別。

張 濤 男，1986年出生，在讀碩士研究生。主要研究方向為信號檢測、估計與目標識別。