TDOA定位系统的无线电监测网工程应用探讨

朱亚磊（云南省无线电监测中心，云南昆明，650228）



TDOA定位系统的无线电监测网工程应用探讨

朱亚磊
（云南省无线电监测中心，云南昆明，650228）

摘要：随着无线电监测事业的发展，在如何扩大无线电监测网的覆盖范围，提升监测能力等方面越来越得到无线电监测人员的重视，文中主要探讨了TDOA无源定位方法在无线电监测网中的应用问题。本文首先从TDOA定位原理入手，介绍了到达时间差估计的相关函数获取法，比较了双曲线方程组的两种求解算法，由此分析TDOA定位的关键技术与定位优点。文中还以云南省无线电监测网为例，从定位流程出发，进行系统设计，探讨TDOA定位系统的工程应用，进而提出能全面提升监测网监测能力的TDOA定位方案。

关键词：无线电监测；到达时间差；无线电定位；算法；工程应用

1　TDOA定位原理

到达时间差（Time Difference Of Arrival，简称TDOA）定位又称为双曲线定位，属无源定位方法，其基本原理是通过测量无线电信号到达不同监测系统的天线单元的时间差，来对发射无线电信号的发射源进行定位。

如图2-1所示，发射机发射的无线电信号到达监测站A所需的时间为，到达监测站B所需的时间为，则A、B两监测站接收到该无线电信号的时间差为：，距离差

。

图2　-1　时间差示意图

图2　-2　路程差-TDOA定位示意图

上式为典型的双曲线方程，焦点为监测站A、B的位置坐标，并且确定了达到时间差为的信号源位置轨迹。如果同时存在3个监测站A、B、C（图2-2），发射机在同一时刻发射的信号到达这三个监测站的时间分别为、、，这样就可以获得两个时间差：，于是就可以确定类似（2-1）式的两组双曲线方程，联立求解，两组双曲线的焦点就为发射机位置。如图2—3所示，在某种情况下，两组双曲线相交有两个交点，只有一个交点代表信号源的真实位置，故需要一些先验知识来分辨出真实解，以消除位置模糊。

由上可知，TDOA定位过程可以分成两个最基本的步骤：首先利用时间差估计技术，在不同的监测站之间对到达时间差进行精确估计，估计出的参数可以通过距离与时间的关系构造一组双曲线方程；然后，利用合理、高效的算法对该取曲线方程组求解，就可以计算出精确的信号源位置参数，实现发射机TDOA定位。

图2　-3　3个监测站TDOA定位示意图

2　时间差估计

相关函数法来获取到达时间差的基本原理是：通过计算两个监测站同时接收到的信号的相关函数，来得到信号到达两个天线时间差。

3双曲线的定位算法介绍

3.1TDOA双曲线模型

由此可见，如果要实现对信号发射机的二维坐标的定位，至少需要三个监测站参与TDOA到达时间差的测量，从而构成两个非线性方程组：

为了求解该线性方程组，可以对其进行线性化处理，因为

则

因为

，代入以上方程可得

3.2Fang算法

Fang算法利用3个监测站对发射机进行二维位置定位，为简化计算，首先将三个监测站置于以下坐标系统:监测站1（0，0），监测站2（，0），监测站3（，），则以下公式可以简化为:，，

式

可以简化为：

其中

3.3Chan算法

Chan算法是一种具有解析表达式的非递归双曲线方程组解法。该算法的特点是计算量小，在TDOA误差噪声服从高斯分布的环境下，定位精度高。

当有效监测站数为3时，定位系统可以得到两个TDOA到达时间差，先假定为已知，则信号源位置可由式（4-3）按以下形式解出

4　结束语

本文对无线电监测领域中的一项重要关键技术——TDOA定位方法进行了研究，从TDOA定位原理入手，详细介绍了其中两种典型的基于TDOA的定位算法（Fang算法，Chan算法），由此总结出TDOA定位方法中的几个关键技术以及在现有监测网基础上的定位流程，并以云南省无线电监测网为例，设计出监测网中的TDOA定位系统方案，探讨了TDOA定位系统的工程应用。

参考文献

John G.Proakis，Dimitris G.Manolakis.数字信号处理.北京：电子工业出版社，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

作者简介

朱亚磊， 女，（1979年1月），汉族，云南昆明，2001年毕业于重庆邮电学院通信工程专业，工程师（电子工程系列），现就职于云南省无线电监测中心。