CN108267713A - 一种改进的tdoa发射源定位算法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种改进的TDOA发射源定位算法，包括：步骤1，选择3个以上的监测站根据发射源的频率采集IQ数据，监测站经过GPS时间同步和TDOA定位后；步骤2，对IQ数据进行滤波处理，排除噪声；步骤3，对具有相关性的两两检测站的IQ数据获取两两检测站的TDOA值；步骤4，对TDOA值进行修正；步骤5，根据修正后的TDOA值，将每一个监测站作为参考站,采用Chan算法求解发射源坐标(x,y)所列双曲线方程组，对于所有监测站所获得的解排除其中离散的点，对剩余的点进行反距离插值得到发射源的位置区域。

Description

一种改进的TDOA发射源定位算法
技术领域
本发明涉及一种通信信号处理技术，特别是一种改进的TDOA发射源定位算法。
背景技术
在通信领域中，对发射源的追踪定位都是非常重要的。常见的定位问题分为有源定位、无源定位和自定位三种。其中，无源定位是在参与定位的监测站对目标不发射信号的情况下，通过检测发射源与监测站的特征参数如场强、传播时间或者时间差、信号到达角等信息，来确定发射源的位置信息。其定位方式决定了该定位方式具有隐蔽性强、不易被察觉等优点，从而成为现代防空系统、远程预警系统、排除干扰站等方面的重要组成部分。
根据定位参数的不同，无源定位主要分为到达时间(TOA)、到达时间差(TDOA)、到达角(AOA)、到达功率(POA)以及它们的联合定位等。其中，因TDOA定位算法不需要发射源与监测站之间时间同步、各个监测站只需要监测天线和接收机，对天线要求不高，不需要昂贵的测向天线，系统成本低、定位精度取决于时间测量的精度，定位精度高等优点，TDOA定位被越来越多的研究和采用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的TDOA发射源定位算法，该算法可对知道频率但位置未知的发射源进行定位。
一种改进的TDOA发射源定位算法，包括以下步骤：
步骤1，选择3个以上的监测站根据发射源的频率采集IQ数据，监测站经过GPS时间同步和TDOA定位后；
步骤2，对IQ数据进行滤波处理，排除噪声；
步骤3，对具有相关性的两两检测站的IQ数据获取两两检测站的TDOA值；
步骤4，对TDOA值进行修正；
步骤5，根据修正后的TDOA值，将每一个监测站作为参考站,采用Chan算法求解发射源坐标(x,y)所列双曲线方程组，对于所有监测站所获得的解排除其中离散的点，对剩余的点进行反距离插值得到发射源的位置区域。
采用上述方法，步骤3的具体过程在于：
步骤3.1，对两两监测站的IQ数据做广义互相关分析并计算相关系数，具有相关性，则转步骤3.2；否则，舍弃该组数据；
步骤3.2，取相关系数的峰值作为时延的样本数n；
步骤3.3，计算两两台站的TDOA值
其中，t1、t2为两个IQ信号的时间戳,T为采样周期。
采用上述算法，步骤4的具体过程在于：
步骤4.1，根据TDOA值的正负，找出离发射源最近的台站作为参考站；
步骤4.2，采用Chan算法对发射源坐标(x,y)所列双曲线方程组进行求解，解作为发射源的粗略估计；
步骤4.3，根据监测站坐在位置的信道环境、发射源的粗略估计，根据NLOS附加时延指数分布模型对TDOA值进行修正
d1、d2根据如下公式计算：d＝facter*dis
dis是发射源粗略估计位置与参考站的平面距离，facter是信道因子。
本发明所涉及的算法可定位的发射源工作频率范围为30MHz～3GHz；当参与定位的监测站相距3KM左右，监测设备的时间精度50ns，信道良好，信噪比小于20dB时，定位精度可以达到50m。
下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。
附图说明
图1位本发明的方法流程图。
具体实施方式
结合图1，一种改进的TDOA发射源定位算法，包括以下步骤：
步骤1，选择3个以上的监测站进行TDOA定位后，监测站进行GPS时间同步后根据发射源的频率采集IQ数据；
步骤2，对IQ数据进行滤波处理，排除噪声；
步骤3，对两两监测站的IQ数据做广义互相关分析，计算相关系数，相关系数大于0.3则认为有相关性，若没有相关性，则舍弃该组数据，若有相关性，则取相关系数的峰值作为时延的样本数，然后根据两个IQ信号的时间戳t1,t2时延的样本数n、采样周期T计算两两台站的TDOA值，根据如下公式计算：
步骤4，根据TDOA值的正负，找出离发射源最近的台站作为参考站，发射源坐标(x,y)作为未知数，据此列出双曲线方程组，对方程组采用Chan算法求解，方程组的解即为发射源的粗略估计，然后根据监测站所在位置的信道环境，发射源的粗略估计，根据NLOS附加时延指数分布模型对TDOA值进行修正，减弱NLOS的影响：
其中d1,d2根据如下公式计算：
d＝facter*dis
dis是发射源粗略估计位置与监测站的平面距离
facter是信道因子，对应不同的信道环境：
信道环境 Facter
远郊 0.1
郊区 0.3
一般市区 0.4
闹市区 1
步骤5，根据修正后的TDOA值，将每一个监测站作为参考站,发射源坐标(x,y)作为未知数,列双曲线方程组，采用Chan算法计算发射源的位置，综合多次计算结果，大部分的结果应该都集中在某个区域内，排除比较离散的点，根据剩下的点进行反距离插值得到发射源可能的位置区域。
本发明可以定位位置未知的发射源，适用频率范围在30MHz～3GHz。
本发明具有良好的抗噪声性能和抗NLOS影响，可在信噪比大于20dB、时间精度小50ns、监测站相距3KM的条件下保持定位误差在100m左右。
在满足上述条件下，接收实时信号进行分析，也支持离线数据分析。

Claims (6)

1.一种改进的TDOA发射源定位算法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，选择3个以上的监测站根据发射源的频率采集IQ数据，监测站经过GPS时间同步和TDOA定位后；
步骤2，对IQ数据进行滤波处理，排除噪声；
步骤3，对具有相关性的两两检测站的IQ数据获取两两检测站的TDOA值；
步骤4，对TDOA值进行修正；
步骤5，根据修正后的TDOA值，将每一个监测站作为参考站,采用Chan算法求解发射源坐标(x,y)所列双曲线方程组，对于所有监测站所获得的解排除其中离散的点，对剩余的点进行反距离插值得到发射源的位置区域。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3的具体过程在于：
步骤3.1，对两两监测站的IQ数据做广义互相关分析并计算相关系数，具有相关性，则转步骤3.2；否则，舍弃该组数据；
步骤3.2，取相关系数的峰值作为时延的样本数n；
步骤3.3，计算两两台站的TDOA值
其中，t1、t2为两个IQ信号的时间戳,T为采样周期。
3.根据权利要求2所述的算法，其特征在于，步骤3.1中，若相关系数大于0.3则认为两两监测站的IQ数据具有相关性。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤4的具体过程在于：
步骤4.1，根据TDOA值的正负，找出离发射源最近的台站作为参考站；
步骤4.2，采用Chan算法对发射源坐标(x,y)所列双曲线方程组进行求解，解作为发射源的粗略估计；
步骤4.3，根据监测站坐在位置的信道环境、发射源的粗略估计，根据NLOS附加时延指数分布模型对TDOA值进行修正
d1、d2根据如下公式计算：d＝facter*dis
dis是发射源粗略估计位置与参考站的平面距离，facter是信道因子。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，对于不同的信道环境，信道因子如下表所示
信道环境 facter 远郊 0.1 郊区 0.3 一般市区 0.4 闹市区 1
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法适用频率范围在30MHz-3GHz。
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