TDOA 定位技術(shù)和實際應(yīng)用簡介

摘 要：介紹了TDOA（Time difference of Arrival）的基本原理，列舉了TDOA 定位的優(yōu)勢，并且通過實例分析其在實際應(yīng)用中的有效性，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)分析了影響TDOA 的因素。本文提出TDOA 是一種簡單高效的定位方式，可以被廣泛應(yīng)用在無線電監(jiān)測工作中。

1、TDOA 介紹

對干擾源的定位是無線電頻譜管理的重要內(nèi)容之一，主要的定位方法包括兩大類：復(fù)合角度定位法和時間差定位法。復(fù)合角度定位法基于無線電測向工作，通過多個無線電監(jiān)測站點對同一個信號進行測向，利用測向射線（角度）的交會進行定位。時間差定位法則基于信號到達監(jiān)測站的時間，通過時間距離換算進行交會定位。

TDOA 是一種利用時間差進行定位的方法，通過測量信號到達監(jiān)測站的時間，可以確定信號源的距離。利用信號源到多個無線電監(jiān)測站的距離（以無線電監(jiān)測站為中心，距離為半徑作圓），就能確定信號的位置。通過比較信號到達多個監(jiān)測站的時間差，就能作出以監(jiān)測站為焦點、距離差為長軸的雙曲線，雙曲線的交點就是信號的位置（見圖1、圖2）。

圖1 TDOA 定位示意圖 圖2 雙曲線交會定位示意圖

TDOA 是基于多站點的定位系統(tǒng)，因此要對信號進行定位必須有至少3 個以上的監(jiān)測站進行同時測量。而每個監(jiān)測站的組成則相對比較簡單，主要包括接收機，天線和時間同步模塊。理論上現(xiàn)有的監(jiān)測站只要具有時間同步模塊就能升級成為TDOA 監(jiān)測站，而不需要復(fù)雜的技術(shù)改造。

2、TDOA 的優(yōu)勢

相比復(fù)合角度的定位方法，TDOA 有以下的優(yōu)點：

（1）TDOA 不存在相位模糊的問題，因此測向基線可以不受限制。傳統(tǒng)的測向方法需要通過相位來計算方位角，而相位測量存在2π 周期的不確定性，所以往往利用天線基線小于信號波長的方法來避免2π 周期的回繞。但是高頻信號的波長較短，使得測試天線的距離較近，容易產(chǎn)生信號耦合，使得測量產(chǎn)生誤差。而每個TDOA 監(jiān)測站只需一個天線，從根本上解決了信號耦合的問題。

（2）TDOA 系統(tǒng)復(fù)雜度低。對于TDOA 監(jiān)測站，只需配置監(jiān)測天線和接收機即可，而且對于天線的要求不高，即便不同的監(jiān)測點用不同的天線也沒有關(guān)系。而測向天線本身就是一組天線組成的天線陣列，并且陣列中各個天線的性能盡可能保持一致，否則會對測向的準(zhǔn)確度帶來影響，從而使系統(tǒng)成本較高，不利于廣泛開展監(jiān)測。

（3）TDOA 系統(tǒng)定位的精度較高。對于TDOA 檢測站而言其定位精度取決于時間測量的準(zhǔn)確程度。通過優(yōu)化后的算法，時間差的計算誤差在100ns 量級，從定位的準(zhǔn)確度來說大約是30m。而A 級測向站的誤差一般是1 度，對于5km外的信號誤差在87m，10km 外的信號誤差達到了174m。

3、TDOA 的實際案例

本文選擇基于NI PXI 平臺的接收機產(chǎn)品作為TDOA 實驗的主要設(shè)備，包括寬帶接收機模塊、GPS 時鐘模塊和高速數(shù)據(jù)處理模塊。NI PXI 寬帶數(shù)字接收機最大帶寬達到了50MHz，可以滿足高速數(shù)字信號的接收需求，同時本底噪聲僅為9dB，對弱小信號有很強的監(jiān)測能力，也使得監(jiān)測的覆蓋半徑更大。高靈敏的GPS 模塊可以同時跟蹤12 顆GPS衛(wèi)星，為時間差的測量精度提供保證。信號處理和計算模塊則選用了NI（美國國家儀器公司）最新推出的嵌入式控制器，其采用的i7 處理器，對多站信號的相關(guān)計算提供強大的處理能力。與此同時，開放的PXIe 系統(tǒng)總線除了提供高速數(shù)字傳輸外，很短的觸發(fā)延時也保證了時間測量的準(zhǔn)確性。

此外，在TDOA 的天線選擇上面則更體現(xiàn)了系統(tǒng)的靈活性。實驗所選擇的監(jiān)測站包括了一個新建的固定站（站點A）、一個10 年前建成的監(jiān)測站（站點B）和一個搬移式監(jiān)測站（站點C）。在站點A 使用的天線是一套高靈敏度的監(jiān)測天線，其靈敏度達到了0.1μV/m。而站點B 則復(fù)用的原有的監(jiān)測天線，通過開關(guān)切換實現(xiàn)不同設(shè)備的分時復(fù)用。站點C 采用的是搬移式天線，天線尺寸小。

由于站點A 和站點B 是固定站，站點架設(shè)過程已經(jīng)先期完成。而在架設(shè)C 站時，只需將信號天線、GPS 天線接入接收機，展開天線即可，整個過程只需一個技術(shù)人員完成。

本文選取A 站點作為中心站，匯總B 站、C 站的信息進行計算。監(jiān)測站之間的數(shù)據(jù)交換采用原始IQ 信號，匯總到A 站之后還能進一步記錄存盤，方便以后對算法的驗證和研究。整個數(shù)據(jù)傳輸使用3G 網(wǎng)絡(luò)和壓縮算法。實驗中，該系統(tǒng)響應(yīng)及時、可靠。

在時間差的計算方面，目前采用的是信號相關(guān)算法。在本次實驗過程中，相關(guān)算法精度較高，并且對待測信號沒有特殊要求，是比較通用的信號算法。而存盤記錄的數(shù)據(jù)，可以用作干擾排查的證據(jù)記錄，通過回放數(shù)據(jù)顯示干擾源的發(fā)射狀態(tài)。同時，這些數(shù)據(jù)也能用于今后的算法研究、干擾排查的典型案例。

在實驗過程中，為了測試TDOA 的性能，本文選擇了4 個不同位置的信號源進行測量。表1 是信號源和監(jiān)測站之間的相對位置情況。表2 所示為實際測試信號的到達時間差。

表1 信號源和監(jiān)測站之間的相對位置（單位：米）

表2 實際測試信號的到達時間差（單位：μs）

通過換算，得到信號源到不同監(jiān)測站的距離差，并且將這個差值用雙曲線標(biāo)記在地圖上，可以得到測試結(jié)果（見圖3）。

圖3 實驗測試的結(jié)果

表3 所示為測試結(jié)果與實際臺站距離的誤差情況。

表3 測試結(jié)果與實際臺站距離的誤差（單位：米）

測試結(jié)果表明，最小定位誤差在18 米，最大的定位誤差在220 米，匹配并且超過A 級測向站的定位水平，說明TDOA 是一種非常有效的定位方法。

4、TDOA 測試結(jié)果討論

進一步分析不同位置的信號源的測試結(jié)果，可以看到當(dāng)信號源落在監(jiān)測站所組成的三角形內(nèi)部時，定位的準(zhǔn)確度最高，越靠三角形邊沿的位置，誤差越大。這一點可以從雙曲線曲率變化來解釋。圖4 中，藍色點是監(jiān)測站的位置，雙曲線以等間隔組成坐標(biāo)網(wǎng)格。黃色區(qū)域由相鄰一格雙曲線組成，對于三角形邊沿區(qū)域，相同的網(wǎng)格圍成的區(qū)域越大，測量的誤差也越大。修正這一問題的辦法是增加更多的監(jiān)測站，通過初步定位選擇最合適的3 個站進行定位。這樣可以提高信號定位的準(zhǔn)確度。

此外，針對TDOA 定位方式的特點，時間測量的精度十分重要，而影響測量的主要因素包括GPS 授時準(zhǔn)確度和信號采樣誤差。本案例中采用了高性能的GPS，其標(biāo)稱誤差僅為15ns，但是考慮到多個站點的GPS 信號誤差，在實際測量中兩個監(jiān)測站GPS 的抖動小于20ns，不影響系統(tǒng)的整體指標(biāo)。

圖4 TDOA 雙曲線示意圖

而采樣率則提供了信號分析的最小時間單位，如果采樣率太低，則時間分辨率不夠高，從而影響系統(tǒng)測量精度。在本實驗中采用的高速數(shù)字化儀，最高采樣率達到150Mb/s，時間分辨率在6.7ns，能夠充分滿足系統(tǒng)要求。

5、TDOA 定位小結(jié)

綜上所述，TDOA 定位是一個穩(wěn)定可靠的基于網(wǎng)絡(luò)化的定位方式。美國國家儀器公司提出的基于模塊化儀器系統(tǒng)所搭建的頻譜監(jiān)測接收機，可以提供具有高帶寬、低本底噪聲的高性能接收機模塊以及高精確性的時鐘模塊，是實現(xiàn)TDOA 定位系統(tǒng)的理想平臺。模塊化的結(jié)構(gòu)可以最大限度地利用現(xiàn)有的檢測設(shè)備資源，適合新型無線電信號的定位與檢測。