謝瑩麗1，施繼紅1，蔡光卉1，朱亞磊2，孫浩天1

(1.云南大學(xué)信息學(xué)院，云南 昆明 650091；

2.云南省無線電監(jiān)測(cè)中心，云南 昆明 650228)

?

基于TDOA機(jī)場(chǎng)無線電監(jiān)管能力的仿真與優(yōu)化

謝瑩麗1，施繼紅1，蔡光卉1，朱亞磊2，孫浩天1

(1.云南大學(xué)信息學(xué)院，云南 昆明 650091；

2.云南省無線電監(jiān)測(cè)中心，云南 昆明 650228)

摘要在民航空管部門查找的無線電干擾中，大功率無繩電話和廣播干擾是主要干擾來源，短時(shí)間內(nèi)快速準(zhǔn)確定位干擾源是有效實(shí)施航空管制的關(guān)鍵。到達(dá)時(shí)間差(Time Difference of Arrival,TDOA)定位具有定位精度高、定位時(shí)間短和抗干擾抗多徑的優(yōu)點(diǎn)。在對(duì)TDOA研究的基礎(chǔ)上，仿真對(duì)比了Fang、Chan和Taylor級(jí)數(shù)展開法的算法性能，對(duì)比得出Taylor級(jí)數(shù)展開法具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性和更小的定位誤差。針對(duì)云南迪慶機(jī)場(chǎng)無線電監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀，用Taylor級(jí)數(shù)展開法進(jìn)行監(jiān)測(cè)能力的評(píng)估，提出監(jiān)測(cè)站可應(yīng)用蜂窩布站方式來提高對(duì)干擾源的定位精度。仿真實(shí)驗(yàn)表明，TDOA定位能彌補(bǔ)無線電監(jiān)測(cè)站定位的缺點(diǎn)，有效解決干擾源精確定位的問題。

關(guān)鍵詞TDOA；Taylor級(jí)數(shù)展開法；民航干擾；蜂窩監(jiān)測(cè)；干擾源定位

SimulationandOptimizationofTDOA-based

AirportsRadioMonitoringCapability

XIEYing-li1，SHI Ji-hong1，CAI Guang-hui1，ZHU Ya-lei2，SUN Hao-tian1

(1.School of Information Science and Engineering，Yunnan University，Kunming Yunnan 650091，China;

2.Radio Monitoring Center，Kunming Yunnan 650228，China)

AbstractTheradiointerferencesdetectedbycivilaviationmanagementdepartment，showthathigh-powercordlessphonesandradiointerferencearethetwomaininterferencesources.HowtoaccuratelylocatethesourceinashorttimeisthekeytoAirTrafficControl.Thetimedifferenceofarrival(TDOA)locationmethodusesinterferencesourcestoachievetrackingandlocation，andithassuchadvantagesashighpositioningaccuracy，locationinashorttime，anti-multipathandanti-interference.BasedonstudyingTDOAlocationmethod，theperformancesimulationandcomparisonareperformedforFang，ChanandTaylorseriesexpansionalgorithms.TheresultsshowthatTaylorseriesexpansionmethodhasbetterstabilityandlowerpositioningerror.ToassesstheradiomonitoringcapabilityofDiqingairportinYunnanprovince，itissimulatedbyusingtheTaylorlocationalgorithm，andthecellularstationdistributionisproposedtoimprovethepositioningaccuracy.ThesimulationresultsshowthatTDOApositioningsystemcanmakeupfortheshortcomingsofcommonradiostationsdistribution，andeffectivelyimplementinterferencesourcelocation.

KeywordsTDOA;Taylorseriesexpansionmethod;civilaviationinterference;cellularmonitoring;interferencesourcelocation

0引言

TDOA定位技術(shù)是根據(jù)同一信號(hào)到達(dá)不同基站的時(shí)間差來進(jìn)行目標(biāo)位置估計(jì)[1]，該算法具有不要求干擾源與基站保持時(shí)間同步、對(duì)基站間的同步設(shè)備要求較低和定位精度高的特點(diǎn)[2，3]。它屬于無源定位[4]技術(shù)，相比有源定位如雷達(dá)、激光和紅外線定位而言，無源定位技術(shù)不需向目標(biāo)發(fā)射信號(hào)就能實(shí)現(xiàn)高精度定位，因此被廣泛應(yīng)用于電子對(duì)抗中目標(biāo)軌跡的探測(cè)[5]、移動(dòng)通信中移動(dòng)目標(biāo)的定位[6]和無線電監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中對(duì)干擾源的定位[7]等場(chǎng)所。

民航無線電干擾源主要有大功率無繩電話干擾和廣播電視干擾2大類，通常因干擾源分布廣、信號(hào)的非視距傳輸(NLOS)和多徑效應(yīng)及民航通信中保障距離遠(yuǎn)，覆蓋范圍大[8]，涉及頻譜范圍大，通信環(huán)境惡劣等特點(diǎn)導(dǎo)致干擾源難以查處。目前，查找干擾源通常采用監(jiān)測(cè)站交叉定位技術(shù)[9]，即通過測(cè)向天線所截獲信號(hào)的相位差，經(jīng)過相應(yīng)算法確定干擾源的方向，再通過2個(gè)測(cè)向設(shè)備的交叉點(diǎn)確定干擾源位置。這種定位方法精確度相對(duì)較低，存在相位模糊、設(shè)備成本較高等缺點(diǎn)。

為了解決這一問題，許多學(xué)者針對(duì)無線電監(jiān)測(cè)干擾源定位進(jìn)行了研究。吳勇提出主動(dòng)激發(fā)干擾源來實(shí)現(xiàn)干擾定位與排除[10]，需捕捉到信號(hào)再激發(fā)信號(hào)后配合測(cè)向手段來定位，主要靠現(xiàn)有監(jiān)測(cè)手段實(shí)現(xiàn)定位；NevenWHL等人提出了多點(diǎn)定位(MLAT)算法[11]，該算法類似于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)采用TDOA原理進(jìn)行定位；在文獻(xiàn)[12]中盧宇等人提出機(jī)場(chǎng)分布式多點(diǎn)定位算法，該算法可實(shí)現(xiàn)場(chǎng)面目標(biāo)和空中目標(biāo)的信息源定位。

對(duì)此，在TDOA定位技術(shù)基礎(chǔ)上提出利用蜂窩布站方式提高監(jiān)測(cè)能力，可應(yīng)用于國(guó)內(nèi)民航機(jī)場(chǎng)的無線電監(jiān)測(cè)干擾源查找定位，在現(xiàn)有無線電監(jiān)測(cè)站系統(tǒng)中增加控制和計(jì)算模塊實(shí)現(xiàn)。其特點(diǎn)是定位精度高、定位時(shí)間短、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單和節(jié)省投資，具有一定的抗多徑能力。

1雙曲線定位系統(tǒng)及算法

1.1雙曲線定位系統(tǒng)

TDOA定位技術(shù)的基本原理為雙曲線模型，在雙曲線定位系統(tǒng)中各監(jiān)測(cè)站按照一定幾何關(guān)系分布，各站分別測(cè)量目標(biāo)干擾源發(fā)射的同一個(gè)來波的到達(dá)時(shí)間。3基站定位系統(tǒng)中各站與目標(biāo)的示意圖如圖1所示，系統(tǒng)由1個(gè)主站和2個(gè)輔站組成，某時(shí)刻干擾源發(fā)射的信號(hào)在3個(gè)監(jiān)測(cè)站處的到達(dá)時(shí)間為t0、t1和t2，在雙曲線系統(tǒng)中，不直接估計(jì)ti而是根據(jù)信號(hào)的互相關(guān)運(yùn)算和基站間的時(shí)間同步測(cè)量信號(hào)到達(dá)主站和各輔站之間的時(shí)間差τi0。各監(jiān)測(cè)站的位置坐標(biāo)為(xi,yi),i=0,1,2。其中i=0表示主站，i=1,2表示輔站，目標(biāo)干擾源的位置坐標(biāo)為(x,y)。

圖1　TDOA雙曲線模型

干擾源和各個(gè)測(cè)量站之間的距離為：

(1)

(2)

式中，c為電波傳播速度；τi0為TDO測(cè)量值。

(3)

式(3)可以展開表示為：

(4)

在i=0時(shí)，式(2)為：

(5)

將式(4)減去式(5)可得：

(6)

式中，xi0=xi-x0；yi0=yi-y0。式(6)中基站位置xi,yi,x0,y0,ri0已知，干擾源(x,y),r0未知，而由式(1)可知r0與基站及干擾源位置相關(guān)，則需2個(gè)TDOA值便可確定雙曲線方程，求解式(6)就可以得到干擾源的位置坐標(biāo)。需要注意的是，由3個(gè)基站組成的雙曲線模型中2條雙曲線相交可能有2個(gè)交點(diǎn)，其中一個(gè)為模糊解(虛假定位點(diǎn))，需要增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)或其他測(cè)量方法來消除模糊解。

1.2算法比較

在TDOA定位算法中，根據(jù)雙曲線模型基本原理發(fā)展而來的最具有代表性的是的Fang、Chan和Taylor級(jí)數(shù)展開法，3種算法分別具有以下特點(diǎn)：

① 在Fang算法中，通過假設(shè)主站坐標(biāo)位于(0,0)和其中一輔站為(x1,0)的坐標(biāo)來簡(jiǎn)化計(jì)算，使得計(jì)算過程易于推導(dǎo)簡(jiǎn)單高效，但也導(dǎo)致了該算法的局限性，就是只能利用2個(gè)TDOA值來進(jìn)行定位計(jì)算，無法利用再多的時(shí)間差值進(jìn)行估計(jì)位置的改進(jìn)。

②Chan算法適用于3個(gè)及3個(gè)以上的基站協(xié)同定位，其特點(diǎn)是通過2次加權(quán)最小二乘算法(WLS)改進(jìn)了定位估計(jì)從而提高了定位精度，但其Chan算法是假設(shè)TDOA誤差服從理想的零均值高斯分布條件，從而導(dǎo)致了在非視距傳輸過程中定位誤差大的結(jié)果。

③Taylor級(jí)數(shù)展開法是一種需要初始估計(jì)位置的遞歸算法，在每一次遞歸中通過求解TDOA測(cè)量誤差的局部線性最小二乘(LS)解來改進(jìn)估計(jì)位置，該算法的特點(diǎn)是計(jì)算量大，能夠適用于各種信道環(huán)境，在初始估計(jì)位置與實(shí)際位置接近的情況下能得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，但是在初始位置選擇不好的情況下，算法將很難保證收斂，因此，這也限制了Taylor級(jí)數(shù)展開法的定位精度的提高。

2仿真

2.1算法選擇

對(duì)Fang算法、Chan算法和Taylor級(jí)數(shù)展開法在相同的基站布局環(huán)境下進(jìn)行仿真，比較各算法的定位誤差情況。設(shè)主站坐標(biāo)為(0,0)，3個(gè)輔站坐標(biāo)分別為(100,300)、(300,400)、(0,280)，干擾源坐標(biāo)設(shè)為(250,250)，如圖2所示。在不同噪聲(σ2=10，20，30，50)情況下，仿真循環(huán)500次來計(jì)算各算法的均方根誤差值(RMSE)。仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖2　干擾源基站分布

圖3　σ2<30的各算法均方根誤差

圖4　各算法的均方根誤差

由圖3和圖4可以看出，不同噪聲條件下各算法的定位精度不同。由圖2可以看出：當(dāng)噪聲σ2<25.5時(shí)，Chan算法的RMSE比Taylor級(jí)數(shù)展開法和Fang算法的值都小。但從圖3中可知，隨著噪聲的增大(σ2>30時(shí))，Chan算法的定位精度逐漸步下降，因?yàn)樵贑han算法中噪聲是服從零均值的高斯分布，只有在低噪聲對(duì)算法影響很小的情況下才能精確定位；Taylor級(jí)數(shù)展開法在高噪聲的條件下仍能實(shí)現(xiàn)誤差最小的定位，說明了Taylor算法具有較強(qiáng)的抗干擾能力，更適合于實(shí)際應(yīng)用，而Taylor算法存在初始位置對(duì)算法不收斂的影響，可通過配合現(xiàn)有測(cè)向技術(shù)解決；Fang算法因其推算過程的簡(jiǎn)化，不管在任何環(huán)境中，定位誤差都最大，穩(wěn)定性也最差，全面性能都落后于其他2個(gè)算法。

2.2機(jī)場(chǎng)無線電監(jiān)管能力的仿真研究

基于2.1節(jié)的仿真，采用Taylor級(jí)數(shù)展開法進(jìn)行民航機(jī)場(chǎng)的無線電監(jiān)管能力的研究。

迪慶州有4個(gè)無線電固定監(jiān)測(cè)站可用于機(jī)場(chǎng)的電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)站分布圖如圖5所示。

圖5　迪慶機(jī)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站分布

在如圖5所示坐標(biāo)系下，以機(jī)場(chǎng)為中心到最遠(yuǎn)監(jiān)測(cè)站的距離為監(jiān)測(cè)半徑(約為7km)，比例尺為1∶1 167。則機(jī)場(chǎng)坐標(biāo)為(0,0)，現(xiàn)有監(jiān)測(cè)站1(1.83,-1.647)，監(jiān)測(cè)站2(1.83,3.33)，監(jiān)測(cè)站3(4.21,4.39)，監(jiān)測(cè)站4(-2.38,6.59)，設(shè)干擾源位置為(2.5,2.5)，取σ2=10，結(jié)合機(jī)場(chǎng)周邊現(xiàn)有監(jiān)測(cè)站進(jìn)行仿真。

由7個(gè)監(jiān)測(cè)小區(qū)所組成的蜂窩布站結(jié)構(gòu)所圍區(qū)域廣，即監(jiān)測(cè)覆蓋范圍廣，在蜂窩布局監(jiān)測(cè)中，如圖6中實(shí)線所圍區(qū)域即為監(jiān)測(cè)區(qū)域，在站點(diǎn)所圍區(qū)域內(nèi)(虛線所圍區(qū)域)定位精確度非常高[13]。當(dāng)只有3個(gè)測(cè)量站可用時(shí)，若輻射源位置在接收機(jī)所圍成的三角形區(qū)域，能快速定位干擾源。

在仿真過程中，采用同樣監(jiān)測(cè)半徑為7km的理想蜂窩布站方式與之進(jìn)行對(duì)比。蜂窩布站采用如圖6所示的4基站：主站0(0,0)，輔站1(12.124 4,0)，輔站2(6.062 2,10.5)，輔站3(-6.062 2,10.5)，干擾源位置為(2.5,2.5)，σ2=10，仿真循環(huán)500次來比較現(xiàn)有布站方式和蜂窩布站的定位情況。蜂窩布站示意圖如圖6所示。蜂窩布站與實(shí)際布站性能對(duì)比如表1所示。

圖6　蜂窩布站示意

條件布局方式均方誤差/mσ2=10,干擾源位置為(2.5,2.5)蜂窩布站6.619原監(jiān)測(cè)站布站483.722

由表1可知，在原監(jiān)測(cè)站布局下對(duì)干擾源位于(2.5,2.5)的定位誤差約為484 m，誤差過大不易于短時(shí)間內(nèi)定位干擾源。理想蜂窩布站能定位干擾源在誤差為6.6 m，在該誤差范圍內(nèi)能快速有效查找到干擾源。

在實(shí)際情況中監(jiān)測(cè)站的建設(shè)并非只為機(jī)場(chǎng)無線電磁安全考慮，因此無法實(shí)現(xiàn)單為機(jī)場(chǎng)考慮而將監(jiān)測(cè)站建設(shè)成理想蜂窩狀布站。為提高迪慶機(jī)場(chǎng)干擾源的監(jiān)測(cè)，可在原布站下改進(jìn)。

本文的改進(jìn)方案主要是通過在機(jī)場(chǎng)內(nèi)部(0,0)處增設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)站來輔助監(jiān)測(cè)。在相同的仿真條件下，分別計(jì)算位于不同像限的干擾源計(jì)算的定位誤差，結(jié)果如表2所示。

表2　機(jī)場(chǎng)內(nèi)部增設(shè)監(jiān)測(cè)站的性能對(duì)比

由表2可知，當(dāng)在機(jī)場(chǎng)內(nèi)增加監(jiān)測(cè)站點(diǎn)時(shí)，無論干擾源位于以機(jī)場(chǎng)為原點(diǎn)的任何一個(gè)像限，都可以在原監(jiān)測(cè)站布局上很大程度地減小定位誤差，若干擾源位于第2、第3和第4象限時(shí)，依靠原有監(jiān)測(cè)站根本無法定位，因此在機(jī)場(chǎng)內(nèi)部增設(shè)監(jiān)測(cè)站能有效改善無法定位的情況，在現(xiàn)實(shí)中可通過配合移動(dòng)監(jiān)測(cè)車輛來實(shí)現(xiàn)。由于表中的NRN表示超出標(biāo)準(zhǔn)誤差，故在結(jié)果中不予顯示。

當(dāng)干擾源位于基站所圍區(qū)域內(nèi)時(shí)，定位精度好于輻射源位于基站所圍區(qū)域外；當(dāng)干擾源與任意一基站位置過近時(shí)，反而不利于定位。通過考察地形可知，迪慶機(jī)場(chǎng)附近高山分布，特別當(dāng)干擾源位于第4像限內(nèi)，監(jiān)測(cè)誤差太大，毫無實(shí)際意義。針對(duì)存在的監(jiān)測(cè)盲點(diǎn)，可在山頂建設(shè)監(jiān)測(cè)站輔助監(jiān)測(cè)。如設(shè)在第4像限增設(shè)一監(jiān)測(cè)站(1.7,-1.7)，仿真得出距離誤差為384.989 m，與之前690.418 m的誤差有了較大改進(jìn)。

因此，在綜合考慮成本、監(jiān)測(cè)誤差等因素后，系統(tǒng)應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)飛機(jī)起飛、降落區(qū)域的無線電磁環(huán)境，進(jìn)而根據(jù)成本、監(jiān)測(cè)誤差等在重點(diǎn)區(qū)域內(nèi)增設(shè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，以提高系統(tǒng)性能。

3結(jié)束語(yǔ)

通過比較TDOA三種算法(Fang、Chan和Taylor級(jí)數(shù)展開法)的性能后，選取了定位精度高、穩(wěn)定性好的Taylor級(jí)數(shù)展開法對(duì)迪慶機(jī)場(chǎng)原有監(jiān)測(cè)站布局的監(jiān)測(cè)能力進(jìn)行了評(píng)估。同時(shí)，針對(duì)原有監(jiān)測(cè)站機(jī)場(chǎng)對(duì)附近干擾源定位誤差大的問題，提出了蜂窩布站方式，理想情況下的蜂窩布站能準(zhǔn)確快速定位，定位誤差在7 m以內(nèi)。實(shí)際監(jiān)測(cè)可結(jié)合現(xiàn)有站點(diǎn)增設(shè)新的監(jiān)測(cè)站組成蜂窩監(jiān)測(cè)網(wǎng)，能最大限度地提高監(jiān)測(cè)性能，以此解決無線電監(jiān)測(cè)工作中快速查找和定位機(jī)場(chǎng)干擾源難的問題。

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謝瑩麗女，(1990—)，在讀研究生。主要研究方向：無線電監(jiān)測(cè)與定位。

施繼紅女，(1963—)，教授。主要研究方向：DSP技術(shù)，計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)，智能信息處理。

作者簡(jiǎn)介

基金項(xiàng)目：云南省重點(diǎn)區(qū)域(航路、邊境)無線電監(jiān)測(cè)技術(shù)能力研究項(xiàng)目資助。

收稿日期：2015-09-15

中圖分類號(hào)TN98

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1003-3106(2015)12-0069-05

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.12.18

引用格式：謝瑩麗，施繼紅，蔡光卉，等.基于TDOA機(jī)場(chǎng)無線電監(jiān)管能力的仿真與優(yōu)化[J].無線電工程,2015,45(12):69-73.