（蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，蘭州 730070）

0 引言

干擾源的查找與定位是電磁頻譜管理的重要內(nèi)容之一，在民用和軍用方面都有廣泛的應(yīng)用。隨著無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈和小型化空中平臺技術(shù)的飛速發(fā)展[1]，多機(jī)協(xié)同機(jī)載無源定位成為可能。空中無線電監(jiān)測具有定位精度高，查處速度快，不受地面環(huán)境影響等優(yōu)點。同時，空中監(jiān)測平臺能夠解決非視距（Not Line of Sight）傳輸環(huán)境復(fù)雜問題。文獻(xiàn)[2]采用直升機(jī)搭載監(jiān)測設(shè)備，驗證空中無線電監(jiān)測的優(yōu)越性，但存在系統(tǒng)龐大的問題，文獻(xiàn)[3]采用飛艇搭載監(jiān)測設(shè)備，監(jiān)測結(jié)果表明空中監(jiān)測可以獲得更高的測向精度和更大的監(jiān)測半徑。文獻(xiàn)[4]采用無人直升機(jī)搭載無線電監(jiān)測設(shè)備，存在硬件成本高，操作人員技術(shù)要求高的問題。

依據(jù)不同干擾信號的特征參數(shù)不同，目前研究的測距定位方法有到達(dá)角度（Angle of Arrival）定位，接收信號強(qiáng)度（Received Signal Strength）定位[5]，到達(dá)時間（Time of Arrival）定位[6]和到達(dá)時間差（Time Difference of Arrival）定位[7]。查找干擾源大多采用基于AOA算法的交叉定位技術(shù)，這種定位方法存在精確度低、相位模糊、硬件成本高等問題[8,9]?；诙嗥脚_無源定位的TDOA技術(shù)，其定位算法中求解目標(biāo)函數(shù)方程數(shù)量限制計算效率，算法復(fù)雜性影響了定位的精準(zhǔn)度[10]。在實際環(huán)境下監(jiān)測節(jié)點的數(shù)量有限，這使得上述算法又沒辦法滿足精度定位的要求。為解決在復(fù)雜環(huán)境下定位精度低的問題，文獻(xiàn)[11]討論了TOA-AOA聯(lián)合定位算法在密集多徑環(huán)境與稀疏多徑環(huán)境下的定位性能，文獻(xiàn)[12]闡述AOA-RSS算法將非線性優(yōu)化方程轉(zhuǎn)化為線性方程，采用兩步計算方法精確計算未知節(jié)點坐標(biāo)，文獻(xiàn)[13]提出AOA-RSS算法存在易受到衰落效應(yīng)的影響。

本文研究TDOA-AOA聯(lián)合定位方式簡化定位算法降低算法復(fù)雜度，同時減少空中監(jiān)測平臺的數(shù)量。小型化多機(jī)協(xié)同機(jī)載無源定位技術(shù)兼容了監(jiān)測設(shè)備和飛行載體的優(yōu)勢，設(shè)計基于LMS7002M的小型多機(jī)載無源定位系統(tǒng)。干擾源信號被多個空中監(jiān)測平臺接收，后端卡爾曼濾波混合定位算法解算，準(zhǔn)確且高效的確定干擾源位置，對各種信號源都有較強(qiáng)的定位能力。

1 定位系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 聯(lián)合定位系統(tǒng)原理

已知在二維空間下的信號接收機(jī)位置分布，假設(shè)空間中擁有N+1個接收機(jī)作為參考點以及1個未知位置的干擾源。如果已知第i個接收機(jī)參考點的二維空間坐標(biāo)記為X=[xi,yi]T，未知位置的干擾源坐標(biāo)設(shè)為X=[x,y]T。若TDOA和AOA的測量噪聲分別服從互不相關(guān)的高斯分布[14]，則：

角度測量值可以表示為：

假設(shè)第1個接收節(jié)點為信號到達(dá)時間差計算中的參考點，那么與其他N個節(jié)點的距離差就能計算：

式中：i=0,1,…,N。nli表示測量噪聲。而測量所得的時間差可以表示為:

式中：信號空中傳播速度用c表示。不考慮測量誤差，推導(dǎo)并化簡(3)，ri表示為：

1.2 系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)基于多平臺的空中無線電接收技術(shù)定位干擾源，系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 聯(lián)合定位系統(tǒng)總體框架圖

地面控制中心設(shè)置相應(yīng)帶寬和頻率參數(shù)，空中監(jiān)測接收機(jī)接收到干擾源信號，完成信號前端接收，在接收到的信號中加入GPS時間戳和測向天線的方向角信息，向控制中心返回特定時間段內(nèi)的IQ信號。

地面控制中心將采集到的信息發(fā)送給聯(lián)合定位模塊進(jìn)行計算處理，結(jié)合空中接收機(jī)位置信息計算，得到干擾源的地理位置坐標(biāo)，最終在地圖中定位顯示出來。

2 硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體硬件設(shè)計

一般無人機(jī)自身包含GPS和電子羅盤等狀態(tài)信息，但是對無人機(jī)的二次開發(fā)受限，所以在系統(tǒng)硬件設(shè)計過程中，接收機(jī)上加入電子羅盤和GPS模塊，來獲取接收機(jī)位置和天線方向角信息，最終將信息和干擾源信號的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合[15]。完成IQ數(shù)據(jù)整合后傳到地面控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)后端處理分析。

如圖2所示，定向天線接收來自干擾源發(fā)出的無線電信號并將信息送入空中接收機(jī)前端處理，空中平臺將處理后的干擾源信號、天線方位和平臺坐標(biāo)通過無線網(wǎng)橋以無線方式發(fā)送到地面控制中心?？刂浦行膶y向數(shù)據(jù)和無人機(jī)航向及方位信息融合后完成干擾源地理位置定位，引導(dǎo)無人機(jī)進(jìn)行近距離飛行，直到最終定位到非法信號源位置結(jié)束。系統(tǒng)電源給空中設(shè)備供電，能夠保證兩個小時的正常監(jiān)測飛行。無線網(wǎng)橋通過點對點的無線通信方式能夠?qū)崿F(xiàn)10km以內(nèi)的無線控制與信號接收。

圖2 系統(tǒng)整體硬件框圖

2.2 無線電接收平臺硬件設(shè)計

軟件無線電平臺采用數(shù)字中頻化的處理方式。不同于常規(guī)電臺的窄帶中頻，其為寬帶中頻結(jié)構(gòu)。軟件無線電平臺架構(gòu)如圖3所示。接收機(jī)平臺中主要有射頻前端、FPGA基帶處理和USB控制器三部分構(gòu)成。

射頻前端核心是LMS7002M其中包含了放大器、濾波器、模擬混頻器、ADC等功能模塊。射頻前端中的EEPROM用于存儲控制LMS7002M性能的參數(shù)值。射頻匹配網(wǎng)絡(luò)、微型射頻連接器也是射頻前端的組成部分。FPGA基帶處理部分使用的是Altera公司的FPGA（EPCE30F23）芯片，實現(xiàn)時鐘生成、時鐘同步、I2C和SPI通信接口、FPGA信號處理和電源控制等功能。FPGA Config Flash主要完成對于FPGA初始化控制參數(shù)設(shè)定值的存儲。VCTCXO時鐘控制器，用于對時鐘進(jìn)行校準(zhǔn)控制。USB控制器的功能是數(shù)據(jù)傳輸、SPI通信和FPGA參數(shù)配置。

圖3 軟件無線電平臺架構(gòu)設(shè)計

2.3 LMS7002M模塊設(shè)計

如圖4所示，軟件無線電前端處理模塊設(shè)計中采用LMS7002M射頻模塊，該模塊是基帶處理部分和空中接口模塊過渡的核心。主要實現(xiàn)模擬信號下變頻、自動增益控制、數(shù)字中頻采樣、AD/DA處理。

圖4 射頻前端設(shè)計圖

平臺的射頻模塊采用lime公司LMS7002M射頻芯片進(jìn)行設(shè)計，LMS7002M射頻芯片具有可以靈活控制的接口，將傳統(tǒng)的多個芯片模塊級聯(lián)形式整合成一個芯片來實現(xiàn)整個射頻前端處理過程。它的優(yōu)勢是頻率可以從100kHz到3.8GHz之間調(diào)諧，另外，整個硬件架構(gòu)也相比傳統(tǒng)方式減小。

3 上位機(jī)軟件設(shè)計

3.1 上位機(jī)軟件流程

地面服務(wù)器端的軟件控制平臺能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)控制和定位算法處理，同時利用軟件設(shè)計為該平臺提供人機(jī)交互界面。如下圖5所示為軟件設(shè)計流程圖。

系統(tǒng)初始化完畢，設(shè)置帶寬、頻率范圍、調(diào)制方式等參數(shù)。上位機(jī)接收數(shù)據(jù)獲取空中平臺信息，首先判斷數(shù)據(jù)來源位置。判斷成功后，將后續(xù)數(shù)據(jù)一路對干擾信號提取并解調(diào)形成掃描數(shù)據(jù)。同時，第二路進(jìn)行GPS時間戳提取并完成緩存。最后一路完成測向角數(shù)據(jù)提取并完成緩存。將緩存的GPS數(shù)據(jù)和測向角數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合定位算法處理。無解報錯并再次進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，有解顯示結(jié)果，將掃描的頻譜數(shù)據(jù)和點位結(jié)果進(jìn)行融合在終端顯示。

圖5 上位機(jī)軟件設(shè)計流程

3.2 基于卡爾曼濾波的序貫融合的混合定位算法

無源定位系統(tǒng)算法流程如圖6所示，ZAOA（K）表示為AOA定位系統(tǒng)中目標(biāo)的位置到側(cè)向天線的角度信息。ZTDOA（K）表示為TDOA定位系統(tǒng)中通過時差定位技術(shù)得到時差信息。

圖6 TDOA-AOA混合定位序貫融合算法流程

基于卡爾曼濾波的序貫融合算法的核心思想為：根據(jù)卡爾曼濾波原理獲得AOA濾波的協(xié)方差矩陣PAOA(k/k)和相應(yīng)狀態(tài)濾波值XAOA(k/k)，再分別使用PAOA(k/k)替換TDOA濾波部分預(yù)測誤差協(xié)方差陣PAOA(k/k-1)，再用XAOA(k/k)替換TDOA濾波狀態(tài)預(yù)測值XAOA(k/k-1)[16]。最終組成全局狀態(tài)濾波X(k/k)和全局狀態(tài)濾波誤差協(xié)方差矩陣P(k/k)，然后對下一步的全局狀態(tài)預(yù)測XAOA(k+1/k)以及全局狀態(tài)預(yù)測誤差協(xié)方差矩陣P(k+1/k)。通過以上描述，可以得到具體算法流程為：

計算AOA測向交叉定位狀態(tài)濾波值：

計算AOA測向定位部分濾波誤差協(xié)方差陣：

計算TDOA時差定位部分卡爾曼增益矩陣：

計算全局狀態(tài)濾波：

計算全局狀態(tài)濾波誤差協(xié)方差矩陣：

圖7 TDOA測量誤差對定位性能的影響

對本文算法與傳統(tǒng)算法進(jìn)行對比仿真，在取不同的TDOA測量誤差的情況下采用不同定位算法的對比仿真結(jié)果如圖7所示。測試TDOA測量誤差對不同定位算法性能的影響：

上圖所示可知，隨著TDOA測量誤差的增大，由于融合算法和TDOA算法都與TDOA測量誤差有關(guān)聯(lián)性，所以TDOA/AOA融合算法和TDOA算法的定位均方根誤都逐漸增大。但是由于AOA算法與TDOA測量誤差沒有關(guān)聯(lián)性，所以其定位均方根誤差變化不大。從橫坐標(biāo)可以看出，當(dāng)TDOA的測量誤差超過90m后，數(shù)據(jù)融合算法的定位均方根誤差開始趨于平穩(wěn)。這是由于數(shù)據(jù)融合算法結(jié)合了TDOA和AOA的定位性能優(yōu)點。綜上所述，從仿真結(jié)果中可以得出，數(shù)據(jù)融合算法定位精度優(yōu)于TDOA和AOA算法。

4 系統(tǒng)定位效果及數(shù)據(jù)測試

在二維平面上，該定位系統(tǒng)測試在蘭州市安寧區(qū)范圍內(nèi)，為了驗證本系統(tǒng)接收信號頻帶范圍寬的特點，分別設(shè)置干擾源信號P1為50MHz，干擾源信號P2為420MHz，干擾源信號P3為2.8GHz?；鶐ьl率都設(shè)置為300Hz，調(diào)制頻偏為50kHz的FM信號。

圖8 實際位置與測量位置關(guān)系圖

表1 干擾源P1（50MHz）測試數(shù)據(jù)及誤差

續(xù)（表1）

表2 干擾源P2（420MHz）測試數(shù)據(jù)及誤差

表3 干擾源P3（2.8GHz）測試數(shù)據(jù)及誤差

根據(jù)各空中接收機(jī)的位置關(guān)系，分別對各干標(biāo)源進(jìn)行4次聯(lián)合定位測試，如圖8為上位機(jī)界面實際位置與測量位置關(guān)系圖。圖中綠色點位為實際干擾源設(shè)置點，黃色點位為測量的4組測量經(jīng)緯度坐標(biāo)。測試結(jié)果如表1至表3所示，連續(xù)測量數(shù)據(jù)4組。測試表明測量最大誤差為80m。TDOA-AOA聯(lián)合定位精度超過傳統(tǒng)其他定位方式，滿足無線電監(jiān)測定位應(yīng)用要求。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于LMS7002M的小型機(jī)載無源定位系統(tǒng)，在無線電信號源排查過程中該系統(tǒng)可以實現(xiàn)快速、高效、精準(zhǔn)的目標(biāo)定位。本系統(tǒng)采用多機(jī)協(xié)同機(jī)載無源聯(lián)合定位技術(shù)，高性能FPGA信號處理芯片和LMS7002S射頻芯片進(jìn)行小型化無線電接收無人機(jī)設(shè)計，卡爾曼濾波的序貫融合混合定位算法對接收信號進(jìn)行TDOA-AOA聯(lián)合定位，實現(xiàn)了信號源快速、精準(zhǔn)定位。經(jīng)現(xiàn)場實際測試表明：該系統(tǒng)測量精確度高，定位速度快，能夠完成現(xiàn)場干擾源定位查處的要求，提高當(dāng)前民用和軍用無線電定位方面的水準(zhǔn)。