手机无源时差定位技术及应用研究

申志涵

（吉林大学通信工程学院，江西 南昌 310000）

1 手机无源时差定位技术概述

1.1 常用定位技术介绍

（1）Wi-Fi定位技术。常用的Wi-Fi定位技术主要有两种方法，第一种是以移动的设备还有三个无线网络接入点为媒介，作出的无线信号，这种方法在增强信号之后通过差分的算法，对需要进行定位的对象进行准确定位[1]。第二种是提前对位置地点的信号强度进行大量的记录，再通过新的设备信号去对已有大量数据库的数据进行对比分析，从而可以确定位置信息。

（2）UWB定位技术。UWB定位技术也叫作超宽带技术，这种技术是近几年来新兴的技术，它与传统的无线技术差异是比较大的。UWB定位技术不必使用传统无线技术中的载波，可以直接发送狭窄脉冲或者接收狭窄脉冲来进行数据的传送。

（3）无源定位技术。无源定位技术是指通过对辐射源所发射的信号或者一些红外光参数等进行测量，从而准确定位测量对象在空间中位置的技术，这种技术不必向测量对象发射任何电磁信号。无源定位技术能够使用的信号源主要有两大种：首先第一种是源自于测量对象自身的信号，比如像雷达这样的可以就其自身作为一个辐射的源头；另一种就是外部的辐射源头，像电视台发出的信号，这样的辐射信号可以看作一个照射的源头来对信号作出反射。

因为如今的无源定位技术是可以不用向外部射出定位信号的，因此它的隐蔽性也是不错的，在军事领域和民用领域的发展都比较好。目前这种无源定位技术按照进行工作的流程和各自侦察台的工作方法可以分成三种去定位的方法：一点定位的方法、动态定位的方法、交叉定位的方法。最后一种如果按照定位轨道的不一样，还能分为角交叉和到达时差。目前到达时差定位技术的发展是比较成熟的，因此被应用的范围也比较广泛。

1.2 时差定位技术的优势

时差定位技术作为现在使用比较广泛的定位技术，其优点是比较多的。首先时差定位技术的定位准确度比较高，经过实验表明，在精确度要求极高的情况下，定位的相对误差大概在1.6%，这对其他系统的要求是比较高的；时差定位技术具有定位和测向的双重特性，系统在基线的长度之内就是高指度的定位系统，如果斜距和基线二者的比值相对较大，那么系统对定位的准确度就会下滑。但是无论二者之间的比值是多少，误差度却始终保持在一个水平线上；时差定位技术的工作频松是比较宽泛的；时差定位技术的结构性比较简单，设备需要量也少；时差定位技术可以对多数的调制信号进行分析处理；时差定位技术能对留空时间较短的信号进行测向定位，时效性好；此技术为多站系统。

2 手机无源时差定位研究

2.1 时差定位的工作原理

其实到达时差去定位的方法也可以称为双曲线定位法，其工作的原理主要是针对多个侦察台能够侦察到的无线信号进行收集，之后针对它们到达站台的时差去分析，进而可以对辐射的源头进行比较准确的定位，如果工作环境是一个平面，想要定位准确就需要三个侦察台。信号在到达侦察台时所用的时间不同，也就确定了一个双曲线，那么三个站台也就是两个双曲线，两个双曲线相交叉也就得到了两个交点[2]，再利用粗略测向技术的信息对基线进行排除，最后便可以确定下辐射源的具体位置。三维空间中时差定位的具体原理与二维大致相同，不过三维空间里，多个时差是可以定位多个双曲线的，不同的双曲线相交便可以确定对象的位置，在三维空间中，想要确定辐射源的位置就需要四个接收站。

2.2 定位精度分析

2.2.1 基线的长度对系统定位精确度的影响

如果基线的长度有30km，那么两个时差就可以通过时间的变化得到来自目标源的一个集，如果目标源是比较密集的，那就说明某个区域内的定位精确度十分高，也就是说基线的长度的确会对系统的精确度产生影响。由此可见，如果建设的时候选择长度比较合适的基线，可以节约不少材料开支，也可以提高系统的定位精确度，比如斜距在100km的源目标，基线长度选择30～40km就比较合适。

2.2.2 测站位置对系统定位精确度的影响

经过多重实验可以表明，测站位置的不同也可能会引发时差误差的出现，从而影响到系统定位的准确度。测站位置所产生的误差越大，系统定位的精确度也就越大，但实际上，使用者在地面上测站所产生的误差是可以被缩小很多的，因此能够引起的时间差也比较小，也就是说因为测站位置出现偏差而引起的系统定位误差可以被人工控制。

2.2.3 测站布局对系统定位精确度的影响

一般来说，测站布局如果是对称的，那么也就会影响到系统探测区的对称，因此这样的方法比较适合全平面中的探测。如果测站的布局是等边直角三角形，那么能够探测的区域就是第一象限的位置。在进行布局的时候，可以对三角形布局进行一定的改变，对角的角度进行张开，这样一来便可以扩大探测的区域，还可以在对源目标位置精确提供的前提下，将整个系统设置在探测区后。但是源目标有可能存在位置模糊的问题，模糊解有规律地在三角形各对顶角区城和测站附近成对出现，因此比较容易识别和消除。

3 时差定位在手机定位上的应用

3.1 提出新系统的必要性

实际上，无线电定位的技术在较早以前就已经被广泛的研究了，但最近十几年都没有取得大的突破。目前的无线电系统都是比较固定的，但是需要检测的范围往往是比较大的，诸如一整个城市甚至是整个省，为了达到检测的目的，也就对检测的技术和设备产生了更高的要求。而传统比较固定的检测技术在灵敏性和范围以及带宽等多种方面都不能满足人们日渐增长的需求，如果一直使用的还是这样的技术，那么提高升级系统所要付出的就会越来越多，能够发展的空间也变得越来越小，在我们实际的生活中，无线电信号种类越来越丰富多彩，单一且固定的检测技术已经无法满足人们的需求，因此新系统的提出势在必行。

除此之外，无线电信号检测技术主要是依靠DF技术来实现的，这种技术在比较开阔的地方精确度比较高，但如果是在路况复杂的市区内、室内以及别的复杂环境之下，其测量的精确度就会大大下降，无法作出满意的测量结果。

针对上述问题，本文也提出了新的系统方案，与目前监测系统使用的单一且固定的监测接收机且采用DF定位不同，该系统采用了小型接收机组网技术，将小型化高性能的监测接收机进行联网，这种技术可以用网络实现接收机中结点的控制和管理。

3.2 系统方案

本次研究所提出的方案，一大部是基于小型接收机进行联网来工作的，同时也运用了新兴的定位技术，整个系统的流程框架如图1所示。

图1 系统流程框架图

这种系统可以对需要检测的地区通过一定的手段进行接收机的布置，小型接收机的数量是一定的，然后通过小型接收机对目标的信号源头进行采集，将采集的信号用无线网输送到大数据库中进行分析处理，数据库会用时差估算方法和定位的算法得到一个准确的目标定位结果。

3.3 处理流程

（1）每个小型的接收机对无线电谱进行全天的监控，一旦发现了疑似信号就可以将参数输送到数据库中。

（2）数据库要对从小型接收机中接收到的信号进行一个筛选和处理，确定SOI之后，将各个参数通过无线网发送给小型接收机，并通知各个小型接收机准备在此UTC所指时间开始采集数据。

（3）小型接收机调整自身的工作模式，将数据库中收到的信息进行接收，并将需要的参数提前调整好，一旦GPS授时接收机的PPS到达即触发采样。

（4）采集之后的数据需要经过处理，完成必经步骤，再送进无线网的发射设备中，将已经处理的数据和参数传输给数据库。

（5）数据库接收到小型接收机传来的数据和参数之后，需要根据这些数据和参数选择好可以去进行工作的小型接收机，再对接收机中的数据进行提取，之后要用计算的方法求出准确的时差，尽量要用误差缩小法去处理数据，最后便可以解出目标的位置。

4 结束语

随着时代的不断发展，手机无源时差定位技术被越来越广泛的应用到人们工作和生活当中。本文对无源时差定位技术的工作原理及优势进行了分析，并在此基础上提出了新的系统方案，旨在推动无源时差定位技术的进步。