摘要：無(wú)線電監(jiān)測(cè)定位技術(shù)在無(wú)線電管理、頻譜監(jiān)測(cè)和通信安全等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，提高定位精度是當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的重要方向。本文首先簡(jiǎn)述了無(wú)線電監(jiān)測(cè)定位技術(shù)的基本原理，分析了影響定位精度的主要因素，包括信號(hào)傳輸路徑的多徑效應(yīng)、大氣條件、地形以及監(jiān)測(cè)站布設(shè)等。然后，針對(duì)信號(hào)到達(dá)時(shí)間差（TDoA）、信號(hào)到達(dá)角（AoA）、頻率差（FDoA）等定位技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化探討，并提出了多技術(shù)融合定位思路，以提升定位精度。

關(guān)鍵詞：無(wú)線電監(jiān)測(cè)；定位技術(shù)；多技術(shù)融合

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.03.014

中圖分類號(hào)：TN 98 " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B " " " " " "文章編碼：1672-7274（2025）03-00-03

How to Improve the Technical Means of Positioning Accuracy

in Wireless Monitoring

FU Yao

（Weifang Radio Monitoring Station， Weifang 261041， China）

Abstract： Radio monitoring and positioning technology is widely used in fields such as radio management， spectrum monitoring， and communication security. Improving positioning accuracy is an important direction for current technological development. The article first briefly describes the basic principles of wireless monitoring and positioning technology， and analyzes the main factors that affect positioning accuracy， including multipath effects in signal transmission paths， atmospheric conditions， terrain， and monitoring station deployment. Then， optimization discussions were conducted on positioning technologies such as Time Difference of Arrival （TDoA）， Angle of Arrival （AoA）， and Frequency Difference of Arrival （FDoA）， and a multi technology fusion positioning approach was proposed to improve positioning accuracy.

Keywords： radio monitoring; positioning technology; multi technology integration

隨著無(wú)線電技術(shù)的廣泛應(yīng)用，無(wú)線電信號(hào)的監(jiān)測(cè)與定位技術(shù)在無(wú)線電管理、通信安全、非法信號(hào)干擾檢測(cè)等方面發(fā)揮著重要的作用。為了在復(fù)雜的電磁環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高精度的無(wú)線電定位，研究并優(yōu)化各種定位技術(shù)具有重要意義。無(wú)線電定位的基本原理包括基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間差（TDoA）、信號(hào)到達(dá)角（AoA）以及頻率差（FDoA）等的方法。然而受信號(hào)多徑效應(yīng)、大氣條件、地形等多種因素影響，定位精度受到限制。因此，探索提升定位精度的技術(shù)手段是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

1 " 無(wú)線電監(jiān)測(cè)定位技術(shù)的基本原理

位置測(cè)定基于無(wú)線電信號(hào)接收與分析技術(shù)，涉及對(duì)信號(hào)源的空間定位。多個(gè)接收站接收到的信號(hào)之間的時(shí)間差異可用于定位信號(hào)位置，此方法稱為信號(hào)到達(dá)時(shí)間差定位方法。在多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)同時(shí)采集到同一點(diǎn)的信號(hào)后，通過(guò)分析信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差異，可以建立一組雙曲線方程式，進(jìn)而確定信號(hào)發(fā)出點(diǎn)的三維坐標(biāo)。上述方法不依賴信號(hào)強(qiáng)度，在應(yīng)對(duì)環(huán)境噪聲及多徑傳播影響方面顯示出顯著的魯棒性。通過(guò)角度測(cè)量方法可確定信號(hào)傳播源的空間位置，此方法稱為信號(hào)到達(dá)角方法，涉及多個(gè)監(jiān)測(cè)站，采用定向天線或相控陣天線陣列捕捉信號(hào)的到達(dá)角度，進(jìn)而聯(lián)合分析這些數(shù)據(jù)以準(zhǔn)確標(biāo)定信號(hào)源的方向。AoA方法的設(shè)備實(shí)施較為簡(jiǎn)易，其適用性主要體現(xiàn)在信號(hào)強(qiáng)度顯著且傳輸路徑較為直接的環(huán)境中，然而，在多徑效應(yīng)及地形復(fù)雜的場(chǎng)景中，該方法的精確度有所下降。

多普勒效應(yīng)可用于頻率差的測(cè)定，推斷信號(hào)源的移動(dòng)速度及其位置。結(jié)合FDoA和TDoA的方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)信號(hào)源的位置鎖定，此技術(shù)適用于對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的追蹤與確定。為了提升定位的精確度，通常會(huì)融合多種技術(shù)，如采用時(shí)間差（TDoA）定位、到達(dá)角（AoA）定位以及頻率差（FDoA）定位等方法實(shí)現(xiàn)無(wú)線電監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)。定位的精確性受制于監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)的合理安排、傳輸途徑的多樣性及算法改進(jìn)程度。在無(wú)線電監(jiān)測(cè)定位領(lǐng)域多技術(shù)手段被綜合運(yùn)用，從而提供頻譜管理、通信安全以及應(yīng)急響應(yīng)等多方面應(yīng)用。

2 " 影響定位精度的因素分析

2.1 信號(hào)傳輸路徑的多徑效應(yīng)

在傳播過(guò)程中，無(wú)線電信號(hào)因反射、折射及散射而導(dǎo)致多徑效應(yīng)，這種效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)到達(dá)接收器的路徑多樣化，造成時(shí)間上的延遲、相位差異以及強(qiáng)度上的波動(dòng)，從而對(duì)定位的精確度產(chǎn)生影響。在多變的環(huán)境里，如高樓、山脈、植被等障礙物會(huì)反射無(wú)線電波，進(jìn)而使接收端信號(hào)受到來(lái)自各個(gè)不同路徑的影響，以至于采用信號(hào)到達(dá)時(shí)間差（TDoA）與信號(hào)到達(dá)角度（AoA）定位方法產(chǎn)生誤差。在信號(hào)傳播過(guò)程中，多徑效應(yīng)不僅會(huì)推遲到達(dá)時(shí)間，而且會(huì)改變到達(dá)角度、引起頻率偏移，這進(jìn)而降低FDoA測(cè)量精度[1]。

在城市和山地等特定環(huán)境中，時(shí)間與角度的計(jì)算偏差會(huì)影響定位準(zhǔn)確性，這是由多徑效應(yīng)所引起的。在所描述的場(chǎng)景中，接收站難以精確識(shí)別出直線路徑的信號(hào)，原因是信號(hào)的真實(shí)傳播路徑受到眾多反射路徑的干擾。信號(hào)在傳播過(guò)程中由于多徑效應(yīng)的影響，其相位與幅度會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而使信號(hào)處理的難度上升。濾波技術(shù)、定向天線、多站定位中等多種技術(shù)手段可以減少信號(hào)傳輸過(guò)程中因多徑效應(yīng)產(chǎn)生的誤差，這需要利用先進(jìn)的信號(hào)處理算法對(duì)多徑信號(hào)進(jìn)行處理，以及通過(guò)融合算法降低由反射路徑引起的影響。

2.2 大氣條件和地形的影響

無(wú)線電定位的精確度受大氣參數(shù)和地表形態(tài)的影響，溫度、濕度、氣壓等大氣參數(shù)會(huì)使無(wú)線電波在傳播過(guò)程中產(chǎn)生偏折與衰減，尤其在長(zhǎng)距離傳輸中這種效應(yīng)尤為顯著。電離層與對(duì)流層的擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致高頻及超高頻信號(hào)傳播路徑及到達(dá)時(shí)間的改變，進(jìn)而降低TDoA與AoA技術(shù)的測(cè)量精確度。如霧霾和降雨等大氣現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰減，進(jìn)而減弱接收的信號(hào)強(qiáng)度，最終對(duì)定位系統(tǒng)的覆蓋范圍及其信號(hào)識(shí)別精度產(chǎn)生影響[2]。

信號(hào)的傳播受地形因素的制約，尤其在山脈、峽谷以及城市高樓林立的區(qū)域更為明顯。在特定的地理空間內(nèi)電磁波信號(hào)經(jīng)歷反射、衍射與散射而產(chǎn)生多徑效應(yīng)，此類現(xiàn)象在某些特定區(qū)域影響信號(hào)接收，在此區(qū)域內(nèi)，信號(hào)無(wú)法有效抵達(dá)接收端，從而使定位的準(zhǔn)確性降低。山體與建筑物遮擋會(huì)降低信號(hào)的強(qiáng)度，并導(dǎo)致傳播路徑的改變，進(jìn)而影響信號(hào)到達(dá)的角度及頻率的偏移。定位系統(tǒng)通過(guò)采用更高頻率的信號(hào)、選取適宜的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、應(yīng)用信號(hào)重建技術(shù)，以及融入大氣模型和地形修正算法，以糾正信號(hào)路徑的偏差，從而降低大氣和地形因素的影響。

2.3 監(jiān)測(cè)站的布設(shè)

無(wú)線電定位的精確性受監(jiān)測(cè)站設(shè)置的直接影響，合理的站點(diǎn)分布會(huì)提高定位精準(zhǔn)度。幾何關(guān)系是監(jiān)測(cè)站之間定位精度的決定因素，具體體現(xiàn)為幾何精度因子（GDoP）。GDoP值較低，意味著定位的精確度更高。如果用于定位的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布過(guò)于集中或不規(guī)則排列，其GDoP（幾何稀釋精度）指標(biāo)將會(huì)上升，進(jìn)而加大定位誤差。為了保證系統(tǒng)在各個(gè)方向、各種距離條件下均能獲取優(yōu)化的幾何配置，監(jiān)測(cè)站的布局應(yīng)達(dá)到均等分散狀態(tài)。

監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的密度是決定定位準(zhǔn)確性的關(guān)鍵要素。單點(diǎn)監(jiān)測(cè)難以達(dá)到精確位移追蹤，至少需要兩個(gè)監(jiān)測(cè)站的協(xié)同作業(yè)，才能通過(guò)測(cè)量信號(hào)的時(shí)差或角差來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。在復(fù)雜環(huán)境中增加監(jiān)測(cè)站能夠顯著提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，特別是存在多徑效應(yīng)或信號(hào)顯著衰減的場(chǎng)景中，眾多監(jiān)測(cè)站所提供的冗余數(shù)據(jù)能極大提高定位的精確度。在確定監(jiān)測(cè)站位置時(shí)必須將地理環(huán)境因素納入考量，避開山谷、低地或高樓林立的區(qū)域，以減少信號(hào)遮擋與多徑效應(yīng)的影響，從而提升測(cè)量的準(zhǔn)確性[3]。

3 " 提升定位精度的技術(shù)手段

3.1 信號(hào)到達(dá)時(shí)間差（TDoA）技術(shù)的優(yōu)化

TDoA（Time Difference of Arrival）技術(shù)的定位精度依賴于信號(hào)到達(dá)不同監(jiān)測(cè)站的時(shí)間差。計(jì)算TDoA的核心公式如下：

（1）

式中，dij是信號(hào)源與監(jiān)測(cè)站i和j之間的距離差；c是光速（約3×108 m/s）；Δtij是兩個(gè)監(jiān)測(cè)站接收到信號(hào)的時(shí)間差。

TDoA技術(shù)的優(yōu)化首先要解決時(shí)間同步的問(wèn)題，使用GPS或原子鐘等高精度時(shí)間同步設(shè)備可以將時(shí)間同步誤差降低至納秒級(jí)。例如，如果時(shí)間同步誤差從10 μs減少到100 ns，時(shí)間差誤差可減少100倍，定位精度也會(huì)從千米級(jí)提升至米級(jí)。時(shí)間同步的優(yōu)化可以顯著提升系統(tǒng)的定位精度。除了同步，信號(hào)處理算法的優(yōu)化也很關(guān)鍵。例如，使用廣義相關(guān)函數(shù)（GCC）方法計(jì)算時(shí)間差，可以有效減少噪聲對(duì)測(cè)量的影響。廣義相關(guān)函數(shù)的公式為

（2）

通過(guò)計(jì)算兩個(gè)接收站接收到的信號(hào)x1（t）和x2（t）的互相關(guān)函數(shù)，可以精確估計(jì)信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差τ。結(jié)合先進(jìn)的濾波技術(shù)，如卡爾曼濾波或小波變換，可以進(jìn)一步降低多徑效應(yīng)帶來(lái)的誤差。TDoA技術(shù)在不同時(shí)間同步精度和信號(hào)處理算法條件下的定位精度表現(xiàn)如表1所示。

3.2 信號(hào)到達(dá)角（AoA）技術(shù)的優(yōu)化

AoA技術(shù)，其優(yōu)化重點(diǎn)包括天線陣列的架構(gòu)設(shè)計(jì)、信號(hào)處理算法的改進(jìn)以及提高抗干擾性能。通過(guò)采用到達(dá)角度的測(cè)量方法，綜合多個(gè)監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算信號(hào)的源頭位置。利用大規(guī)模多輸入多輸出天線陣列，可以有效提升角度分辨能力，進(jìn)而提高基于角度的技術(shù)（AoA）定位的精確度。通過(guò)改變天線單元的相位，相控陣列技術(shù)能在各方向精確測(cè)定信號(hào)的到達(dá)角度[4]。

在信號(hào)處理領(lǐng)域，算法的優(yōu)化對(duì)提升到達(dá)角（AoA）測(cè)量的準(zhǔn)確度起到了關(guān)鍵作用。在噪聲水平較低的場(chǎng)景中，傳統(tǒng)的AoA技術(shù)，如最大似然估計(jì)法和MUSIC算法，在噪聲水平較低的環(huán)境中能夠?qū)崿F(xiàn)較高的測(cè)量精度。在高噪聲環(huán)境或者多徑效應(yīng)環(huán)境下，該算法的表現(xiàn)會(huì)顯著降低。例如，波束形成技術(shù)以及深度學(xué)習(xí)模型等算法在處理復(fù)雜環(huán)境中的角度估計(jì)問(wèn)題上，顯示出了較高的精確度。采用波束成形技術(shù)，通過(guò)多個(gè)天線接收信號(hào)的加權(quán)組合，可增強(qiáng)對(duì)特定方向信號(hào)的響應(yīng)度，同時(shí)降低干擾對(duì)角度測(cè)量的副影響。AoA技術(shù)在不同天線陣列和算法條件下的定位精度表現(xiàn)如表2。

3.3 頻率差（FDoA）技術(shù)的優(yōu)化

FDoA（Frequency Difference of Arrival）技術(shù)基于多普勒效應(yīng)，通過(guò)測(cè)量信號(hào)在不同接收站的頻率偏移來(lái)確定信號(hào)源的位置，其適用于移動(dòng)目標(biāo)的跟蹤。計(jì)算FDoA的核心公式為

（3）

式中，Δf是頻率偏移；v是信號(hào)源的相對(duì)速度；λ是信號(hào)的波長(zhǎng)；θ是信號(hào)傳播方向與接收站之間的夾角。

FDoA技術(shù)的優(yōu)化主要體現(xiàn)在提高頻率偏移的測(cè)量精度和增大信號(hào)帶寬方面，信號(hào)帶寬越寬，頻率偏移的測(cè)量分辨率越高。假設(shè)信號(hào)源的速度為100 m/s，信號(hào)帶寬從1 MHz增加到10 MHz，頻率偏移測(cè)量精度提高了10倍，定位精度也相應(yīng)提升。頻率偏移的計(jì)算可采用改進(jìn)的自適應(yīng)濾波和最大似然估計(jì)算法，進(jìn)一步提高高噪聲環(huán)境中的測(cè)量精度。在優(yōu)化FDoA技術(shù)的同時(shí)聯(lián)合使用TDoA技術(shù)，利用時(shí)間差和頻率差的聯(lián)合計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)更高的定位精度，其適用于航空和移動(dòng)目標(biāo)的跟蹤定位。

3.4 多技術(shù)融合定位

采用融合多種定位技術(shù)的策略，如TDoA、AoA、FDoA等，可在復(fù)雜環(huán)境中提高定位的精確度。在城市僅依賴AoA技術(shù)易受多徑效應(yīng)的干擾，而采用TDoA技術(shù)通過(guò)計(jì)算時(shí)間差，有效克服此局限。將時(shí)間差分（TDoA）技術(shù)與到達(dá)角（AoA）技術(shù)結(jié)合，能顯著提高復(fù)雜環(huán)境條件下信號(hào)源定位的精確度[5]。

在多技術(shù)融合的過(guò)程中，卡爾曼濾波器和貝葉斯推理被廣泛應(yīng)用，其有效整合了各種技術(shù)的測(cè)量數(shù)據(jù)，以此降低噪聲干擾和糾正異常值。在定位系統(tǒng)中應(yīng)用TDoA算法可獲取精確的時(shí)間差數(shù)據(jù)，應(yīng)用AoA技術(shù)則能提供信號(hào)的方位信息，綜合兩者的數(shù)據(jù)，能夠顯著降低定位的誤差。FDoA技術(shù)在移動(dòng)目標(biāo)跟蹤中扮演著關(guān)鍵角色，與TDoA和AoA技術(shù)的結(jié)合可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)信號(hào)源的實(shí)時(shí)高精度定位。在復(fù)雜環(huán)境中單一技術(shù)的誤差較大，而多種技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用能顯著提高定位精度。

4 " 結(jié)束語(yǔ)

提高無(wú)線電監(jiān)測(cè)的定位精度是一個(gè)多層次、多領(lǐng)域的技術(shù)挑戰(zhàn)。通過(guò)優(yōu)化TDoA、AoA和FDoA等技術(shù)并融合多技術(shù)，能在復(fù)雜電磁環(huán)境中有效提升定位精度。同時(shí)，合理布設(shè)監(jiān)測(cè)站并充分考慮地形和大氣條件的影響也可提升定位精度。未來(lái)，隨著更多先進(jìn)算法與技術(shù)的應(yīng)用，無(wú)線電監(jiān)測(cè)定位技術(shù)的精度必將得到進(jìn)一步提高。

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