TDOA 定位技术和实际应用简介

上海聚星仪器有限公司 俞一鸣
美国国家仪器 姚 远
北京邮电大学 程学虎

摘 要：介绍了TDOA（Time difference of Arrival）的基本原理，列举了TDOA 定位的优势，并且通过实例分析其在实际应用中的有效性，结合实验数据分析了影响TDOA 的因素。本文提出TDOA 是一种简单高效的定位方式，可以被广泛应用在无线电监测工作中。

1、TDOA 介绍
对干扰源的定位是无线电频谱管理的重要内容之一，主要的定位方法包括两大类：复合角度定位法和时间差定位法。复合角度定位法基于无线电测向工作，通过多个无线电监测站点对同一个信号进行测向，利用测向射线（角度）的交会进行定位。时间差定位法则基于信号到达监测站的时间，通过时间距离换算进行交会定位。

TDOA 是一种利用时间差进行定位的方法，通过测量信号到达监测站的时间，可以确定信号源的距离。利用信号源到多个无线电监测站的距离（以无线电监测站为中心，距离为半径作圆），就能确定信号的位置。通过比较信号到达多个监测站的时间差，就能作出以监测站为焦点、距离差为长轴的双曲线，双曲线的交点就是信号的位置（见图1、图2）。

图1 TDOA 定位示意图 图2 双曲线交会定位示意图

TDOA 是基于多站点的定位系统，因此要对信号进行定位必须有至少3 个以上的监测站进行同时测量。而每个监测站的组成则相对比较简单，主要包括接收机，天线和时间同步模块。理论上现有的监测站只要具有时间同步模块就能升级成为TDOA 监测站，而不需要复杂的技术改造。

2、TDOA 的优势
相比复合角度的定位方法，TDOA 有以下的优点：

（1）TDOA 不存在相位模糊的问题，因此测向基线可以不受限制。传统的测向方法需要通过相位来计算方位角，而相位测量存在2π 周期的不确定性，所以往往利用天线基线小于信号波长的方法来避免2π 周期的回绕。但是高频信号的波长较短，使得测试天线的距离较近，容易产生信号耦合，使得测量产生误差。而每个TDOA 监测站只需一个天线，从根本上解决了信号耦合的问题。

（2）TDOA 系统复杂度低。对于TDOA 监测站，只需配置监测天线和接收机即可，而且对于天线的要求不高，即便不同的监测点用不同的天线也没有关系。而测向天线本身就是一组天线组成的天线阵列，并且阵列中各个天线的性能尽可能保持一致，否则会对测向的准确度带来影响，从而使系统成本较高，不利于广泛开展监测。

（3）TDOA 系统定位的精度较高。对于TDOA 检测站而言其定位精度取决于时间测量的准确程度。通过优化后的算法，时间差的计算误差在100ns 量级，从定位的准确度来说大约是30m。而A 级测向站的误差一般是1 度，对于5km外的信号误差在87m，10km 外的信号误差达到了174m。

3、TDOA 的实际案例
本文选择基于NI PXI 平台的接收机产品作为TDOA 实验的主要设备，包括宽带接收机模块、GPS 时钟模块和高速数据处理模块。NI PXI 宽带数字接收机最大带宽达到了50MHz，可以满足高速数字信号的接收需求，同时本底噪声仅为9dB，对弱小信号有很强的监测能力，也使得监测的覆盖半径更大。高灵敏的GPS 模块可以同时跟踪12 颗GPS卫星，为时间差的测量精度提供保证。信号处理和计算模块则选用了NI（美国国家仪器公司）最新推出的嵌入式控制器，其采用的i7 处理器，对多站信号的相关计算提供强大的处理能力。与此同时，开放的PXIe 系统总线除了提供高速数字传输外，很短的触发延时也保证了时间测量的准确性。

此外，在TDOA 的天线选择上面则更体现了系统的灵活性。实验所选择的监测站包括了一个新建的固定站（站点A）、一个10 年前建成的监测站（站点B）和一个搬移式监测站（站点C）。在站点A 使用的天线是一套高灵敏度的监测天线，其灵敏度达到了0.1µV/m。而站点B 则复用的原有的监测天线，通过开关切换实现不同设备的分时复用。站点C 采用的是搬移式天线，天线尺寸小。

由于站点A 和站点B 是固定站，站点架设过程已经先期完成。而在架设C 站时，只需将信号天线、GPS 天线接入接收机，展开天线即可，整个过程只需一个技术人员完成。

本文选取A 站点作为中心站，汇总B 站、C 站的信息进行计算。监测站之间的数据交换采用原始IQ 信号，汇总到A 站之后还能进一步记录存盘，方便以后对算法的验证和研究。整个数据传输使用3G 网络和压缩算法。实验中，该系统响应及时、可靠。

在时间差的计算方面，目前采用的是信号相关算法。在本次实验过程中，相关算法精度较高，并且对待测信号没有特殊要求，是比较通用的信号算法。而存盘记录的数据，可以用作干扰排查的证据记录，通过回