朱亞磊（云南省無線電監(jiān)測中心，云南昆明，650228）

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TDOA定位系統(tǒng)的無線電監(jiān)測網(wǎng)工程應(yīng)用探討

朱亞磊
（云南省無線電監(jiān)測中心，云南昆明，650228）

摘要：隨著無線電監(jiān)測事業(yè)的發(fā)展，在如何擴(kuò)大無線電監(jiān)測網(wǎng)的覆蓋范圍，提升監(jiān)測能力等方面越來越得到無線電監(jiān)測人員的重視，文中主要探討了TDOA無源定位方法在無線電監(jiān)測網(wǎng)中的應(yīng)用問題。本文首先從TDOA定位原理入手，介紹了到達(dá)時(shí)間差估計(jì)的相關(guān)函數(shù)獲取法，比較了雙曲線方程組的兩種求解算法，由此分析TDOA定位的關(guān)鍵技術(shù)與定位優(yōu)點(diǎn)。文中還以云南省無線電監(jiān)測網(wǎng)為例，從定位流程出發(fā)，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，探討TDOA定位系統(tǒng)的工程應(yīng)用，進(jìn)而提出能全面提升監(jiān)測網(wǎng)監(jiān)測能力的TDOA定位方案。

關(guān)鍵詞：無線電監(jiān)測；到達(dá)時(shí)間差；無線電定位；算法；工程應(yīng)用

1　TDOA定位原理

到達(dá)時(shí)間差（Time Difference Of Arrival，簡稱TDOA）定位又稱為雙曲線定位，屬無源定位方法，其基本原理是通過測量無線電信號到達(dá)不同監(jiān)測系統(tǒng)的天線單元的時(shí)間差，來對發(fā)射無線電信號的發(fā)射源進(jìn)行定位。

如圖2-1所示，發(fā)射機(jī)發(fā)射的無線電信號到達(dá)監(jiān)測站A所需的時(shí)間為，到達(dá)監(jiān)測站B所需的時(shí)間為，則A、B兩監(jiān)測站接收到該無線電信號的時(shí)間差為：，距離差

。

圖2　-1　時(shí)間差示意圖

圖2　-2　路程差-TDOA定位示意圖

上式為典型的雙曲線方程，焦點(diǎn)為監(jiān)測站A、B的位置坐標(biāo)，并且確定了達(dá)到時(shí)間差為的信號源位置軌跡。如果同時(shí)存在3個(gè)監(jiān)測站A、B、C（圖2-2），發(fā)射機(jī)在同一時(shí)刻發(fā)射的信號到達(dá)這三個(gè)監(jiān)測站的時(shí)間分別為、、，這樣就可以獲得兩個(gè)時(shí)間差：，于是就可以確定類似（2-1）式的兩組雙曲線方程，聯(lián)立求解，兩組雙曲線的焦點(diǎn)就為發(fā)射機(jī)位置。如圖2—3所示，在某種情況下，兩組雙曲線相交有兩個(gè)交點(diǎn)，只有一個(gè)交點(diǎn)代表信號源的真實(shí)位置，故需要一些先驗(yàn)知識來分辨出真實(shí)解，以消除位置模糊。

由上可知，TDOA定位過程可以分成兩個(gè)最基本的步驟：首先利用時(shí)間差估計(jì)技術(shù)，在不同的監(jiān)測站之間對到達(dá)時(shí)間差進(jìn)行精確估計(jì)，估計(jì)出的參數(shù)可以通過距離與時(shí)間的關(guān)系構(gòu)造一組雙曲線方程；然后，利用合理、高效的算法對該取曲線方程組求解，就可以計(jì)算出精確的信號源位置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)TDOA定位。

圖2　-3　3個(gè)監(jiān)測站TDOA定位示意圖

2　時(shí)間差估計(jì)

相關(guān)函數(shù)法來獲取到達(dá)時(shí)間差的基本原理是：通過計(jì)算兩個(gè)監(jiān)測站同時(shí)接收到的信號的相關(guān)函數(shù)，來得到信號到達(dá)兩個(gè)天線時(shí)間差。

3雙曲線的定位算法介紹

3.1TDOA雙曲線模型

由此可見，如果要實(shí)現(xiàn)對信號發(fā)射機(jī)的二維坐標(biāo)的定位，至少需要三個(gè)監(jiān)測站參與TDOA到達(dá)時(shí)間差的測量，從而構(gòu)成兩個(gè)非線性方程組：

為了求解該線性方程組，可以對其進(jìn)行線性化處理，因?yàn)?/p>

則

因?yàn)?/p>

，代入以上方程可得

3.2Fang算法

Fang算法利用3個(gè)監(jiān)測站對發(fā)射機(jī)進(jìn)行二維位置定位，為簡化計(jì)算，首先將三個(gè)監(jiān)測站置于以下坐標(biāo)系統(tǒng):監(jiān)測站1（0，0），監(jiān)測站2（，0），監(jiān)測站3（，），則以下公式可以簡化為:，，

式

可以簡化為：

其中

3.3Chan算法

Chan算法是一種具有解析表達(dá)式的非遞歸雙曲線方程組解法。該算法的特點(diǎn)是計(jì)算量小，在TDOA誤差噪聲服從高斯分布的環(huán)境下，定位精度高。

當(dāng)有效監(jiān)測站數(shù)為3時(shí)，定位系統(tǒng)可以得到兩個(gè)TDOA到達(dá)時(shí)間差，先假定為已知，則信號源位置可由式（4-3）按以下形式解出

4　結(jié)束語

本文對無線電監(jiān)測領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要關(guān)鍵技術(shù)——TDOA定位方法進(jìn)行了研究，從TDOA定位原理入手，詳細(xì)介紹了其中兩種典型的基于TDOA的定位算法（Fang算法，Chan算法），由此總結(jié)出TDOA定位方法中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)以及在現(xiàn)有監(jiān)測網(wǎng)基礎(chǔ)上的定位流程，并以云南省無線電監(jiān)測網(wǎng)為例，設(shè)計(jì)出監(jiān)測網(wǎng)中的TDOA定位系統(tǒng)方案，探討了TDOA定位系統(tǒng)的工程應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

John G.Proakis，Dimitris G.Manolakis.數(shù)字信號處理.北京：電子工業(yè)出版社，2007

Discussion on the application of TDOA positioning system in radio monitoring network

Zhu Yalei
（Radio monitoring center of Yunnan Province，Kunming Yunnan，650228）

Abstract：With the development of the cause of radio monitoring，on how to expand the coverage of radio monitoring network，enhance the ability to monitor etc.more and more attention of the radio monitoring personnel，in this paper mainly discusses the TDOA passive location method in radio monitoring network application problem.

Firstly from the principle of TDOA location of the time difference of arrival estimation of correlation function method to obtain， compared the two algorithms for hyperbolic equations.Thus the analysis of TDOA location key technology and location advantages.

In this paper also in radio monitoring network of Yunnan Province as an example，from the positioning process of system design， engineering application research of TDOA location system，and then put forward to enhance the monitoring network capability of TDOA positioning scheme.

Keywords：radio monitoring；time difference of arrival；radio location；algorithm；engineering application

作者簡介

朱亞磊， 女，（1979年1月），漢族，云南昆明，2001年畢業(yè)于重慶郵電學(xué)院通信工程專業(yè)，工程師（電子工程系列），現(xiàn)就職于云南省無線電監(jiān)測中心。