CN107884746B - 一种无线电网格化中多站无源时差定位技术自动选站方法 - Google Patents

一种无线电网格化中多站无源时差定位技术自动选站方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及通信技术领域，特别是一种无线电网格化中多站无源时差定位技术自动选站方法。本发明适用于在多站无源时差定位技术中，根据不同监测站客观收到的信号数据，以各站无线电信号SNR的强弱进行降序排序并按序编号，由计算机自动选择最优的三个监测站节点进行TDOA定位，避免了人为选站的效率低、准确度不高，对选站布局专业程度要求高等弊端，大幅提升TDOA定位效率及准确度，为国家、省无线电管理委员会进行无线电监测及网格化布站方案，提供一种有效的信号定位自动选站优化算法，将极大的助力无线电网格化建设及频谱的精细化管理工作中对信号监测、预警、定位一体化平台的建设。

Description

一种无线电网格化中多站无源时差定位技术自动选站方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别是一种无线电网格化中多站无源时差定位技术自动选站方法。
背景技术
无线电网格化建设包含信号监测、预警、定位三大模块，其中信号定位多以TDOA、TDOA+AOA等方法实现，有学者研究表明(《西安电子科技大学学报(自然科学版)2016、第43卷、第4期、第139页)，监测站的站点位置分布在符合一定条件下，能够大大提高信号定位精度。在多站组成的监测网节点中选择最佳监测站点参与信号定位工作，目前仍是根据目标信号幅值、地理位置、多径传播、定位经验等因素进行人为选站，存在站点选择过程效率低、反应慢、准确性不高等缺陷，且对选站人员专业度要求较高。在监测站节点选择过程中，尚无一套适合网格化建设中信号定位的自动选站方法，以达到站点选择智能化、速度快、合理、准确性高等目标，这给无线电网格化真正实现一体化建设带来较大的发展障碍。
发明内容
本发明解决其技术问题提供一种无线电网格化中多站无源时差定位技术自动选站方法。根据已搭建多个监测站点获取的目标信号特征信息，给出符合TDOA最佳定位结果的自动选站方案算法过程。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：
一种无线电网格化中多站无源时差定位技术自动选站方法，包括如下步骤：
A、选取并采用常规方法计算各点接收的无线电信号SNR；
B、接收点接收的无线电信号SNR的强弱进行降序排序并按序编号；
C、选出接收点接收的无线电信号SNR最强两点，并将接收的无线电信号SNR第三强点代入，计算测定三点是否组成非钝角三角形；
D、如果为非钝角三角形，得到最佳三站分布点；如果为钝角三角形，选取接收的无线电信号SNR次低者替换第三点，重新计算测定新的三点是否组成非钝角三角形。
所述步骤C中非钝角三角形测定方法为：
C1、以接收的无线电信号SNR最强点为坐标原点，测量其余各点距离坐标原点的经纬度，设各点经、纬度为Ei、Ni，变换为直角坐标为xi、yi；
坐标原点坐标为x1＝0、y1＝0，则各点坐标为：
xi＝x1+(Ei-E1)×cos(N1×π/180)×C/360
yi＝y1+(Ni-N1)×C/360，其中i＝1,2,…,N，C为地球赤道周长，N为监测站点个数；
C2、计算编号1～3站点所构成三角形的三边长；
Figure BDA0001456859520000021
Figure BDA0001456859520000022
Figure BDA0001456859520000023
C3、根据余弦定理，计算编号1～3站点所构成三角形三个夹角；
Figure BDA0001456859520000024
Figure BDA0001456859520000025
Figure BDA0001456859520000026
C4、根据夹角余弦值即可进行夹角判断，夹角小于90°。
本发明的有益效果为：
本发明适用于在多站无源时差定位技术中，根据不同监测站客观收到的信号数据，以各站无线电信号SNR的强弱进行降序排序并按序编号，由计算机自动选择最优的三个监测站节点进行TDOA定位，避免了人为选站的效率低、准确度不高，对选站布局专业程度要求高等弊端，大幅提升TDOA定位效率及准确度，信号最优点布设在最佳位置，大幅提升信号效率。避免了人为选站的效率低、准确度不高，对选站布局专业程度要求高等弊端，为国家、省无线电管理委员会进行无线电监测及网格化布站方案，提供一种有效的信号定位自动选站优化算法，将极大的助力无线电网格化建设及频谱的精细化管理工作中对信号监测、预警、定位一体化平台的建设。
附图说明
图1为本发明的各点布站示意图；
图2为本发明的方法流程图；
图3为本发明实施例验证监测站布站图；
图4为案例1中SNR前4名的4站构成三角形形状进行判断结果；
图5为案例2中SNR前4名的4站构成三角形形状进行判断结果。
具体实施方式
一种无线电网格化中多站无源时差定位技术自动选站方法，包括如下步骤：
A、选取并采用常规方法计算各点接收的无线电信号SNR；SNR是无线电信号信噪比。
B、接收点接收的无线电信号SNR的强弱进行降序排序并按序编号；
C、选出接收点接收的无线电信号SNR最强两点，并将接收的无线电信号SNR第三强点代入，计算测定三点是否组成非钝角三角形；
D、如果为非钝角三角形，得到最佳三站分布点；如果为钝角三角形，选取接收的无线电信号SNR次低者替换第三点，重新计算测定新的三点是否组成非钝角三角形。
所述步骤C中非钝角三角形测定方法为：
C1、以接收的无线电信号SNR最强点为坐标原点，测量其余各点距离坐标原点的经纬度，设各点经、纬度为Ei、Ni，变换为直角坐标为坐标为xi、yi；
坐标原点坐标为x1＝0、y1＝0，则各点坐标为：
xi＝x1+(Ei-E1)×cos(N1×π/180)×C/360
yi＝y1+(Ni-N1)×C/360，其中i＝1,2,…,N，C为地球赤道周长，N为监测站点个数；
C2、计算编号1～3站点所构成三角形的三边长，
Figure BDA0001456859520000031
Figure BDA0001456859520000032
Figure BDA0001456859520000033
C3、根据余弦定理，计算编号1～3站点所构成三角形三个夹角，
Figure BDA0001456859520000034
Figure BDA0001456859520000035
Figure BDA0001456859520000036
C4、根据夹角余弦值即可进行夹角判断，夹角小于90°。
使用时，当辐射源位于蜂窝内某点时，如图1中B点，一般情况下，距离较近的4个站所接收的无线电信号SNR较高，如1、2、3、7号站，理想的3站将在这些站点中产生。由于实际测试环境信号传播受地形、多径等因素影响，只根据SNR选出的三站不一定总是距目标源最近且能够成为锐角三角形的三站，结合站点构成的三角形形状进行判断是非常必要的。三点为一组，进行遍历式扫描判断各组站点构成三角形的形状，当满足判断原则时，停止遍历，得出最佳三站节点。具体过程为：判断编号为1～3站点所构成三角形形状，如果是，1～3站即为参加定位站点；如果是钝角三角形，将3号站更换为4号站点，1、2、4重新构成三角形，判断此三角形形状，若为非钝角三角形，124站即为选择此次定位站点，若是钝角三角形，继续按上述规律将SNR次低者进行更换，直到计算出三站的SNR相对较高且构成的三角形为非钝角三角形为止。
实施例验证
选用兰州中川机场网格化建设一期项目于2016年12月采集的TDOA数据进行验证，机场已搭建的10个监测站分布如图3所示，数据处理中心可实时获取10个监测站的原始TDOA数据。传统操作方式是，当对某信号进行监测定位时，在数据处理中心由专人选取认为合适的3站进行定位。
对已获得的10个监测站TDOA数据中，按接收数据的SNR大小进行降序编号，针对SNR为前4名的监测站信息，带入算法进行反向验证。
案例1：选定2016年12月19日采集的TDOA数据，目标发射源位于IP193胜利村西偏北约1100米处，将各监测站接收的TDOA数据带入算法，按所接收信号的SNR大小顺序排列的前4个监测站依次为IP193站、IP208站、IP176站、IP216站，对该4站进行编号S1、S2、S3、S4，进一步验证该4站所组成的三角形形状是否满足TDOA定位要求。
根据C1过程，将4站的经纬度转为平面坐标(下文仅罗列一个站点的转换算法，其他类似)。
x2＝x1+(B2-B1)*r0*cos(L1*3.1415926/180)；......
y2＝y1+(L2-L1)*r0；......
计算4站坐标见表1。
表1案例1中TDOA前4站计算坐标
Figure BDA0001456859520000041
根据C2过程，将上述4站坐标带入验证算法，对4个监测站遍历式验证，进行
Figure BDA0001456859520000042
次验证即可(下文仅罗列一次验证算法，其他类似)。
d12＝sqrt((y2-y1)^2+(x2-x1)^2)；......
cosTheta312＝(d12*d12+d13*d13-d23*d23)/(2*d12*d13)；......
TheTa312＝acos(cosTheta11)*180/pi；......
if(TheTa312<90&&TheTa321<90&&TheTa123<90)
RuiTra1＝123；
end
计算每3个站点组成三角形的边长及夹角见表2、表3。
表2案例1中每3站组成三角形的边长
Figure BDA0001456859520000051
表3案例1中每3站组成三角形夹角
Figure BDA0001456859520000052
经4次验证，得出图4所示结论。
图4中横/纵坐标已经由GPS经纬度转为平面坐标(单位/米)，S1～S4为4个监测站的坐标位置，星号为目标源位置。从图3实际布站及图4算法验证结果分析，S1-S2-S3站构成锐角三角形，站点构成的三角形形状判断与实际情况完全一致，此时选用该三站作为TDOA监测主站，也符合人为选站结果。
案例2：选取另一组同日采集的数据进行验证。目标信号源位于IP216振兴村东约500米，将各监测站接收的TDOA数据带入算法，按所接收信号的SNR大小顺序排列的前4个监测站依次为IP216站、IP208站、IP176站、IP218站，对该4站编号为S1、S2、S3、S4，进一步验证该4站所组成的三角形形状是否满足TDOA定位要求。同样带入上述算法，得到4站坐标、每3站组成三角形的边长及夹角如表4、表5、表6及图5所示结果。
表4案例2中TDOA前4站计算坐标
Figure BDA0001456859520000061
表5案例2中每3站组成三角形的边长
Figure BDA0001456859520000062
表6案例2中每3站组成三角形夹角
Figure BDA0001456859520000063
从图5可见，该4个监测站所组成的三角形中，有2组三角形S1-S3-S4、S2-S3-S4均为锐角三角形，因此，根据上文叙述选站原则，增加考虑SNR大小情况，将选取S1-S3-S4作为本次监测主站。

Claims (1)

1.一种无线电网格化中多站无源时差定位技术自动选站方法，其特征在于包括如下步骤：
A、选取并采用常规方法计算各点接收的无线电信号SNR；
B、接收点接收的无线电信号SNR的强弱进行降序排序并按序编号；
C、选出接收点接收的无线电信号SNR最强两点，并将接收的无线电信号SNR第三强点代入，计算测定三点是否组成非钝角三角形；
D、如果为非钝角三角形，得到最佳三站分布点；如果为钝角三角形，选取接收的无线电信号SNR次低者替换第三点，重新计算测定新的三点是否组成非钝角三角形，具体采用三点为一组，进行遍历式扫描判断各组站点构成三角形的形状，直到计算出三站点的SNR相对较高且构成的三角形为非钝角三角形为止；
所述步骤C中非钝角三角形测定方法为：
C1、以接收的无线电信号SNR最强点为坐标原点，测量其余各点距离坐标原点的经纬度，设各点经、纬度为Ei、Ni，变换为直角坐标为xi、yi；
原点坐标为x1＝0、y1＝0，则各点坐标为：
xi＝x1+(Ei-E1)×cos(N1×π/180)×C/360
yi＝y1+(Ni-N1)×C/360，其中i＝1，2，…，N，C为地球赤道周长，N为监测站点个数；
C2、计算编号1～3站点所构成三角形的三边长，
Figure FSB0000188267130000011
Figure FSB0000188267130000012
Figure FSB0000188267130000013
C3、根据余弦定理，计算编号1～3站点所构成三角形三个夹角，
Figure FSB0000188267130000014
Figure FSB0000188267130000021
Figure FSB0000188267130000022
C4、根据夹角余弦值即可进行夹角判断，夹角小于90°。
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