一種解決時(shí)間同步和檢測(cè)時(shí)間抖動(dòng)方法

摘 要：在無(wú)源時(shí)差定位系統(tǒng)中，定位精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣的兩個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。在對(duì)影響二者的因素進(jìn)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(shí)間同步檢測(cè)信號(hào)的方法，通過(guò)確保測(cè)量站站間時(shí)間同步來(lái)提高定位精度，同時(shí)通過(guò)該信號(hào)檢測(cè)測(cè)量站測(cè)時(shí)抖動(dòng)，理論推導(dǎo)和初步的實(shí)驗(yàn)仿真都驗(yàn)證了該方法是有效的，能夠提高測(cè)時(shí)差的精度和增強(qiáng)多站時(shí)差定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最后，詳細(xì)介紹了整個(gè)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(hào)配對(duì)； TDOA； 時(shí)間同步； 時(shí)間抖動(dòng)檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TN971-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60672139，60972160)

0 引 言

多站時(shí)差定位技術(shù)是一種較為精確的定位方法，它通過(guò)處理三個(gè)或者三個(gè)以上測(cè)量站采集的信號(hào)到達(dá)時(shí)間來(lái)對(duì)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(qiáng)，對(duì)設(shè)備性能要求低，使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[2]。影響多站時(shí)差定位技術(shù)精度和穩(wěn)定性的有以下幾個(gè)關(guān)鍵因素：

(1) 信號(hào)配對(duì)。所謂信號(hào)配對(duì)是指主站和輔站接收的信號(hào)是否為輻射源輻射的同一個(gè)信號(hào)，如果這點(diǎn)不能保證，根本得不到時(shí)差[3]。本文所介紹的多站時(shí)差定位系統(tǒng)中發(fā)射分系統(tǒng)在每次發(fā)射信號(hào)時(shí)都會(huì)為信號(hào)賦予獨(dú)一無(wú)二的標(biāo)識(shí)，接收分系統(tǒng)接收到信號(hào)后根據(jù)標(biāo)識(shí)來(lái)識(shí)別信號(hào)，保證了信號(hào)配對(duì)。

(2) 測(cè)時(shí)精度。在時(shí)差定位系統(tǒng)中，由于各基站間的基線長(zhǎng)度、布站形式以及目標(biāo)位置等因素的不同，同樣的測(cè)時(shí)誤差對(duì)目標(biāo)定位精度的影響也不盡相同。總體來(lái)說(shuō)，對(duì)時(shí)間測(cè)量的誤差一般要達(dá)到納秒或者亞納秒量級(jí)，才能滿足高精度定位系統(tǒng)的要求。

(3) 時(shí)間同步。多站時(shí)差定位要求對(duì)各個(gè)觀測(cè)站的時(shí)間系統(tǒng)進(jìn)行高精度的統(tǒng)一對(duì)時(shí)，然后各觀測(cè)站才能在精確同步的參考時(shí)鐘控制下，對(duì)接收到的目標(biāo)信號(hào)到達(dá)時(shí)間進(jìn)行精確測(cè)量，最終得到精確的到達(dá)時(shí)差。

(4) 定位算法。在多站時(shí)差定位系統(tǒng)中，一旦獲得了TDOA的測(cè)量值，就可以得到輻射源到各個(gè)測(cè)量站的距離差，多個(gè)TDOA測(cè)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(biāo)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(jì)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(duì)誤差分布的影響是實(shí)現(xiàn)多站定位技術(shù)到工程運(yùn)用不可缺少的重要一步。

多站時(shí)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(cè)兩個(gè)精確的TOA值生成TDOA，另一種是直接對(duì)接收到兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理，計(jì)算信號(hào)之間的時(shí)間差[5]。第一種要求輻射源和測(cè)量站間時(shí)間嚴(yán)格同步，第二種只需要測(cè)量站間時(shí)間同步即可[6]。不管是哪種方法得到TDOA值，系統(tǒng)對(duì)其精度的要求都很高，如果采用時(shí)鐘比對(duì)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，那么時(shí)鐘的頻率要達(dá)到1 GHz以上，已經(jīng)達(dá)到或者超過(guò)許多現(xiàn)有物理器件的工作頻率。可以考慮采用FPGA芯片配合外圍脈沖前沿形成電路來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于多相時(shí)鐘相位比對(duì)的脈沖到達(dá)時(shí)間高精度測(cè)量系統(tǒng)[7]。對(duì)于定位算法和空間布站是得到高精度時(shí)差后要研究的關(guān)鍵技術(shù)。為了解決時(shí)間同步問(wèn)題，本文提出了一種多站時(shí)差定位輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)為增加一個(gè)發(fā)射特殊信號(hào)的發(fā)射站，該站發(fā)射含有本身坐標(biāo)的數(shù)據(jù)信息，接收站接收后根據(jù)自己的坐標(biāo)位置可以得到發(fā)射站到各個(gè)接收站的準(zhǔn)確時(shí)間，由此可以得到準(zhǔn)確的TDOA值，與多站時(shí)差定位系統(tǒng)本身得到的時(shí)差對(duì)比，可以得到一個(gè)修正值。同時(shí)，該輔助系統(tǒng)還具有監(jiān)測(cè)各個(gè)接收站測(cè)時(shí)是否產(chǎn)生跳變的問(wèn)題，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題可以提供告警。

1 站間時(shí)間同步的原理

時(shí)間同步按照系統(tǒng)需求的不同可分為排序、相對(duì)同步和絕對(duì)同步。相對(duì)同步是指測(cè)量站維持其本地時(shí)鐘的獨(dú)立運(yùn)行，動(dòng)態(tài)獲取并存儲(chǔ)其與其他測(cè)量站之間的時(shí)鐘偏移和時(shí)鐘漂移，根據(jù)這些信息實(shí)現(xiàn)不同測(cè)量站本地時(shí)間之間的相互轉(zhuǎn)換，達(dá)到時(shí)間同步的目的。絕對(duì)同步是指測(cè)量站的本地時(shí)間和參考基準(zhǔn)時(shí)間保持時(shí)刻一致[8]。相對(duì)同步不會(huì)修改各個(gè)測(cè)量站的本地時(shí)間，而絕對(duì)同步會(huì)修改。文獻(xiàn)［9］給出了一種通過(guò)濾波處理星間雙向測(cè)距數(shù)據(jù)，不斷地更新衛(wèi)星時(shí)鐘參數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)星座衛(wèi)星自主高精度時(shí)間同步。對(duì)于多站時(shí)差定位系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，時(shí)差是最關(guān)心的一個(gè)測(cè)量值，只需時(shí)間的相對(duì)同步就可以滿足工程需要。

具體同步過(guò)程如下：

設(shè)輔助系統(tǒng)的發(fā)射站坐標(biāo)位置為O(xo，yo，zo)，三維多站時(shí)差定位至少需要四個(gè)測(cè)量站，其中一個(gè)主站和三個(gè)輔站，主站坐標(biāo)為A(xa，ya，za)，輔站坐標(biāo)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(hào)，其速度約等于光速，到達(dá)各個(gè)測(cè)量站的本地時(shí)刻分別為tA，tB，tC，tD，根據(jù)路程與時(shí)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(hào)到達(dá)A，B，C，D四個(gè)測(cè)量站需要的時(shí)間，由此可以得到發(fā)射站O發(fā)射的信號(hào)到達(dá)主站和三個(gè)輔站的真實(shí)時(shí)差ΔtRAB，ΔtRAC，ΔtRAD為：

ΔtRAB=tOA－tOB

ΔtRAC=tOA－tOC

ΔtRAD=tOA－tOD

同時(shí)，由各個(gè)測(cè)量站測(cè)得的四個(gè)時(shí)刻得到時(shí)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(gè)測(cè)量站間的不同修正時(shí)差ΔtAB，ΔtAC，ΔtAD為：

ΔtAB=ΔtRAB－ΔtMAB

ΔtAC=ΔtRAC－ΔtMAC

ΔtAD=ΔtRAD－ΔtMAD

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

2 檢測(cè)測(cè)量站時(shí)間跳變的原理

由于測(cè)量站所在環(huán)境突變、設(shè)備本身的質(zhì)量問(wèn)題或偶然事件的發(fā)生均能導(dǎo)致測(cè)量站測(cè)時(shí)跳變，時(shí)間跳變會(huì)嚴(yán)重影響多站時(shí)差定位系統(tǒng)的定位精度和穩(wěn)定度，使其可靠性降低。當(dāng)問(wèn)題出現(xiàn)時(shí)，如何判斷哪個(gè)測(cè)量站出現(xiàn)問(wèn)題是多站時(shí)差定位自檢系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵。文獻(xiàn)［10]提出一種采用平滑濾波估計(jì)目標(biāo)真實(shí)位置，再以該估計(jì)值為基站進(jìn)行測(cè)量位置與時(shí)差的偏差統(tǒng)計(jì)判決方法來(lái)確定發(fā)生故障的站點(diǎn)。由于每一步都要對(duì)目標(biāo)值進(jìn)行平滑濾波估計(jì)，難免會(huì)增加主站的數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)。本文選擇利用增加一個(gè)輔助系統(tǒng)來(lái)解決時(shí)間同步問(wèn)題的同時(shí)解決了該問(wèn)題，需要增加額外的設(shè)備，各有利弊。具體過(guò)程為：

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

ΔtABk=tAk－tBk

ΔtACk=tAk－tBk

ΔtADk=tAk－tBk

因?yàn)榘l(fā)射站和測(cè)量站均為固定站，所以在沒(méi)有測(cè)量站測(cè)時(shí)跳變的情況下三組時(shí)差ΔtABk，ΔtACk，ΔtADk(其中k表示發(fā)射站發(fā)射的第k個(gè)信號(hào))不會(huì)跳變，即ΔtABk≈ΔtAB(k－1)，ΔtACk≈ΔtAC(k－1)，ΔtACk≈ΔtAC(k－1)。

如果只有ΔtABk相對(duì)與ΔtAB(k－1)有跳變，則可以推斷出測(cè)量站A或者測(cè)量站B出現(xiàn)跳變，如果其他兩個(gè)時(shí)差沒(méi)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(shí)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(cè)量站產(chǎn)生測(cè)時(shí)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(gè)時(shí)間同步脈沖時(shí)被監(jiān)測(cè)到時(shí)間有跳變現(xiàn)象，正常時(shí)，系統(tǒng)測(cè)時(shí)誤差為20 ns左右，從發(fā)射站發(fā)射第80個(gè)脈沖起，B站測(cè)時(shí)誤差是正常工作時(shí)的100倍，產(chǎn)生明顯跳變。這就為報(bào)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(shí)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(gè)測(cè)量站和一個(gè)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(shí)戳傳遞給主站，主站對(duì)輔站傳來(lái)的數(shù)據(jù)以及本身接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)配對(duì)、時(shí)差估計(jì)、目標(biāo)位置解算等工作。在多站時(shí)差定位系統(tǒng)工作前，首先接收輔站的數(shù)據(jù)得到時(shí)差修正量ΔtAB，ΔtAC和ΔtAD，以便在主站解算時(shí)差時(shí)進(jìn)行時(shí)差補(bǔ)償。當(dāng)多站時(shí)差定位系統(tǒng)開(kāi)始工作后，每隔一個(gè)周期T的時(shí)間，輔助系統(tǒng)發(fā)射源發(fā)射幾批次的同步監(jiān)測(cè)信號(hào)，供多站時(shí)差定位系統(tǒng)更新時(shí)差修正量并監(jiān)測(cè)各個(gè)站的工作情況，對(duì)有測(cè)時(shí)跳變的站進(jìn)行告警。

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

圖3 多站時(shí)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(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)配對(duì)和識(shí)別。

再次，判斷信號(hào)是否為輔助系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)。如果是輔助系統(tǒng)發(fā)射源發(fā)射的同步檢測(cè)信號(hào)，則根據(jù)配對(duì)后的數(shù)據(jù)組，得到第k批次同步監(jiān)測(cè)信號(hào)的一組時(shí)差ΔtABk，ΔtACk，ΔtADk，由其是否具有平穩(wěn)性可監(jiān)測(cè)測(cè)量站測(cè)時(shí)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(shí)差修正量，為時(shí)差估計(jì)后的時(shí)差修正提供補(bǔ)償。如果判斷信號(hào)的結(jié)果為否，則主站A進(jìn)行時(shí)差估計(jì)和時(shí)差修正。

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

4 結(jié) 論

本文在深入研究多站時(shí)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(lái)提高時(shí)差估計(jì)精度和監(jiān)測(cè)測(cè)量站測(cè)時(shí)跳變差的問(wèn)題。闡述了其工作原理，并給出了一個(gè)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(shí)際運(yùn)用提供參考和依據(jù)。對(duì)多站時(shí)差定位系統(tǒng)的高精度測(cè)時(shí)、求解算法和布站形式?jīng)]有討論。在工程實(shí)際中，還要進(jìn)一步考慮站間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫蛩亍＊?/p>

參 考 文 獻(xiàn)

［1］苗強(qiáng)，吳德偉，毛玉泉.多基地?zé)o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(dá)，2007，29(8):12-14.



［2］李婧，龔曉峰，張燁，等.時(shí)間差無(wú)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(guó)毅，侯慧群.無(wú)源定位技術(shù)研究［J］.艦船電子對(duì)抗，2006，29(6):20-26.



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



［5］徐志揚(yáng).無(wú)線定位中TDOA估計(jì)及應(yīng)用研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2002.



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



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



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



［9］帥平，曲廣吉.導(dǎo)航星座自主導(dǎo)航的時(shí)間同步技術(shù)［J］.宇航學(xué)報(bào)，2005，26(6):768-772.



［10］吳宏剛，劉昌忠，黃忠濤.機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面多點(diǎn)定位系統(tǒng)遠(yuǎn)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(jiǎn)介：

唐小明 男，1974年出生，博士，副教授。主要從事雷達(dá)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?yàn)樾盘?hào)檢測(cè)、估計(jì)與目標(biāo)識(shí)別。

張 濤 男，1986年出生，在讀碩士研究生。主要研究方向?yàn)樾盘?hào)檢測(cè)、估計(jì)與目標(biāo)識(shí)別。