TDOA定位系統的無線電監測網工程應用探討

朱亞磊（云南省無線電監測中心，云南昆明，650228）

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TDOA定位系統的無線電監測網工程應用探討

朱亞磊
（云南省無線電監測中心，云南昆明，650228）

摘要：隨著無線電監測事業的發展，在如何擴大無線電監測網的覆蓋范圍，提升監測能力等方面越來越得到無線電監測人員的重視，文中主要探討了TDOA無源定位方法在無線電監測網中的應用問題。本文首先從TDOA定位原理入手，介紹了到達時間差估計的相關函數獲取法，比較了雙曲線方程組的兩種求解算法，由此分析TDOA定位的關鍵技術與定位優點。文中還以云南省無線電監測網為例，從定位流程出發，進行系統設計，探討TDOA定位系統的工程應用，進而提出能全面提升監測網監測能力的TDOA定位方案。

關鍵詞：無線電監測；到達時間差；無線電定位；算法；工程應用

1　TDOA定位原理

到達時間差（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不同監測系統的天線單元的時間差，來對發射無線電信號的發射源進行定位。

如圖2-1所示，發射機發射的無線電信號到達監測站A所需的時間為，到達監測站B所需的時間為，則A、B兩監測站接收到該無線電信號的時間差為：，距離差

。

圖2　-1　時間差示意圖

圖2　-2　路程差-TDOA定位示意圖

上式為典型的雙曲線方程，焦點為監測站A、B的位置坐標，并且確定了達到時間差為的信號源位置軌跡。如果同時存在3個監測站A、B、C（圖2-2），發射機在同一時刻發射的信號到達這三個監測站的時間分別為、、，這樣就可以獲得兩個時間差：，于是就可以確定類似（2-1）式的兩組雙曲線方程，聯立求解，兩組雙曲線的焦點就為發射機位置。如圖2—3所示，在某種情況下，兩組雙曲線相交有兩個交點，只有一個交點代表信號源的真實位置，故需要一些先驗知識來分辨出真實解，以消除位置模糊。

由上可知，TDOA定位過程可以分成兩個最基本的步驟：首先利用時間差估計技術，在不同的監測站之間對到達時間差進行精確估計，估計出的參數可以通過距離與時間的關系構造一組雙曲線方程；然后，利用合理、高效的算法對該取曲線方程組求解，就可以計算出精確的信號源位置參數，實現發射機TDOA定位。

圖2　-3　3個監測站TDOA定位示意圖

2　時間差估計

相關函數法來獲取到達時間差的基本原理是：通過計算兩個監測站同時接收到的信號的相關函數，來得到信號到達兩個天線時間差。

3雙曲線的定位算法介紹

3.1TDOA雙曲線模型

由此可見，如果要實現對信號發射機的二維坐標的定位，至少需要三個監測站參與TDOA到達時間差的測量，從而構成兩個非線性方程組：

為了求解該線性方程組，可以對其進行線性化處理，因為

則

因為

，代入以上方程可得

3.2Fang算法

Fang算法利用3個監測站對發射機進行二維位置定位，為簡化計算，首先將三個監測站置于以下坐標系統:監測站1（0，0），監測站2（，0），監測站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式的非遞歸雙曲線方程組解法。該算法的特點是計算量小，在TDOA誤差噪聲服從高斯分布的環境下，定位精度高。

當有效監測站數為3時，定位系統可以得到兩個TDOA到達時間差，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　結束語

本文對無線電監測領域中的一項重要關鍵技術——TDOA定位方法進行了研究，從TDOA定位原理入手，詳細介紹了其中兩種典型的基于TDOA的定位算法（Fang算法，Chan算法），由此總結出TDOA定位方法中的幾個關鍵技術以及在現有監測網基礎上的定位流程，并以云南省無線電監測網為例，設計出監測網中的TDOA定位系統方案，探討了TDOA定位系統的工程應用。

參考文獻

John G.Proakis，Dimitris G.Manolakis.數字信號處理.北京：電子工業出版社，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年畢業于重慶郵電學院通信工程專業，工程師（電子工程系列），現就職于云南省無線電監測中心。