CN113203978A - 一种高精度tdoa定位方法、系统及应用 - Google Patents

一种高精度tdoa定位方法、系统及应用 Download PDF

Info

Publication number
CN113203978A
CN113203978A CN202110299109.XA CN202110299109A CN113203978A CN 113203978 A CN113203978 A CN 113203978A CN 202110299109 A CN202110299109 A CN 202110299109A CN 113203978 A CN113203978 A CN 113203978A
Authority
CN
China
Prior art keywords
time
precision
positioning
radiation source
time difference
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110299109.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN113203978B (zh
Inventor
尚磊
李�杰
高晗
高豫姣
李雅歌
陈磊
杨成斌
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xidian University
Xian Institute of Space Radio Technology
Original Assignee
Xidian University
Xian Institute of Space Radio Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xidian University, Xian Institute of Space Radio Technology filed Critical Xidian University
Priority to CN202110299109.XA priority Critical patent/CN113203978B/zh
Publication of CN113203978A publication Critical patent/CN113203978A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113203978B publication Critical patent/CN113203978B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/02—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using radio waves
    • G01S3/14—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
    • G01S3/46—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using antennas spaced apart and measuring phase or time difference between signals therefrom, i.e. path-difference systems

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)

Abstract

本发明属于无线电测向技术领域，公开了一种高精度TDOA定位方法、系统及应用，所述高精度TDOA定位方法包括：基于外辐射源时间同步和高稳晶振的高精度时差定位；基于外辐射源时间同步和高稳晶振的高精度时差信息提取；基于外辐射源时标同步的高精度综合定位。本发明以外时基信标为时基参考，提取相对于各定位平台拓扑时延补偿后时标与目标信号到达时间的时差信号，构建基于外同步伪时基的时差定位方程和新型多平台高精度综合定位算法，通过迭代法完成求解，保证了系统定位精度的同时大大降低了实现成本。本发明支持多通道多路信号同时定位，无需平台间微波同步链路；与传统的TDOA系统相比，具有较强抗干扰能力。

Description

一种高精度TDOA定位方法、系统及应用
技术领域
本发明属于无线电测向技术领域，尤其涉及一种高精度TDOA定位方法、系统及应用。
背景技术
目前，无线电测向与定位技术广泛使用于现代社会的众多方面，应用价值巨大。在以下等方面得到广泛应用，如无线通信系统干扰的搜索与定位、搜救系统的无线电搜救信标、生物科学研究特殊环境下野生动物的跟踪等。
特别的，无线电测向技术可用于重要军事用途，是用来对敌军发射机和干扰机等威胁移动方向进行辨识和定位的重要手段。
(1)时差定位技术分析
近年来，在系统基础设施提供可具备精确时间同步能力、计算能力、宽带组网的环境下，基于TDOA的定位技术得到了广泛使用，满足相应环境下对目标信号定位的要求。
下面以三基站时差定位为例对TDOA定位技术进行介绍。
采用WGS-84平均地球面模型，地面目标T赤经L，赤纬为B，dH为目标高程，N为卯酉圈曲率半径，R为地球长轴，e为第一偏心率，则T的大地坐标T(x,y,z)：
Figure BDA0002985473830000011
如图6所示，空间三基站分别接收地面目标发射的信号，对于同一个脉冲的到达时间(TOA)进行测量，得到两组独立时差(Δt)。设三基站大地坐标分别为(x0,y0,z0)、(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)，则目标T(x,y,z)到各基站距离ri：
Figure BDA0002985473830000021
其中i＝0、1、2。距离差Δr：
Δr10＝r1-r0
Δr20＝r2-r0 (3)
时差测量为：
TDOAi0＝Δti0＝TOAi-TOA0 (4)
满足：
Δri0＝CΔti0 (5)
其中C为光速。联立以上各式，目标坐标T(x，y，z)可通过以下公式获得：
Figure BDA0002985473830000022
其中mi、ni和qi通过地理坐标和时差信息计算得到。一般地，多站定位系统精度取决DTOAi的测量精度和各基站间基线距离长度。时差测量精度越高，定位经度越好。
TDOA无线电定位准确度和可信度依赖于插入到数字基带I/Q数据中的基站接收机高精度内部时钟的时间信息。同步系统误差：发送时间误差(时标产生误差)、接入误差(发送端MAC)、传播误差(从发送端网络到接收机)、接收误差(接收解码信息、报告给上层应用)、时钟偏差和漂移。
(2)传统时差定位技术局限性
针对测向与定位系统需求，不同的测向定位体制都有对应的优缺点。时差定位系统应用受到多方面限制：一方面参与测向定位的各个平台均需要构建高精度时间统一系统，作为时差信号提取的精确时间同步绝对基准，因此一般需要配置GPS接收机，GPS接收机在面向特殊应用时经常会受到干扰，从而影响TDOA系统使用；另一方面，为了保证测向定位系统的实时性和时效性，需要在参与定位的各平台间建立昂贵的稳定微波链路；特别地，基于模拟转发方式的多站定位，存在系统无线链路降低信噪比、带宽限制影响同时可定位信号数目等问题。
在基于TDOA技术的定位系统应用中，实际应用会受到多方面影响。首先，传统TDOA系统定位的精度依赖于各定位平台接收机的时间和时差测量精度，例如，10ns的测量误差意味着3米的距离误差；同时，参与定位的各平台接收机之间的需要进行高精度的时间同步，如果不能正常同步，系统无法提供正常的定位结果。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)参与测向定位的各个平台均需要构建高精度时间统一系统，作为时差信号提取的精确时间同步绝对基准，因此一般需要配置GPS接收机，GPS接收机在面向特殊应用时经常会受到干扰，从而影响TDOA系统使用。
(2)为了保证测向定位系统的实时性和时效性，需要在参与定位的各平台间建立昂贵的稳定微波链路；特别地，基于模拟转发方式的多站定位，存在系统无线链路降低信噪比、带宽限制影响同时可定位信号数目等问题。
(3)传统TDOA系统定位的精度依赖于各定位平台接收机的时间和时差测量精度；同时，参与定位的各平台接收机之间的需要进行高精度的时间同步，如果不能正常同步，系统无法提供正常的定位结果。
解决以上问题及缺陷的难度为：
满足高精度时基信标的选取，如何保证时差测量精度，如何保证在恶劣的信道环境中实现高精度定位。
解决以上问题及缺陷的意义为：
使得系统的定位结果不依赖于各接收机的测量精度，并减少了昂贵的微波链路的使用，在保证定位精度的同时节约了成本。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高精度TDOA定位方法、系统及应用，尤其涉及一种基于外辐射源同步的高精度TDOA定位技术。
本发明是这样实现的，一种高精度TDOA定位方法，所述高精度TDOA定位方法包括以下步骤：
步骤一，基于外辐射源时间同步和高稳晶振的高精度时差定位，以外辐射源作为时标，为各平台提供高精度的同步时间作为参考。
步骤二，基于外辐射源时间同步和高稳晶振的高精度时差信息提取，提取各平台拓扑时延补偿后时标与目标信号到达时间的时差信号。
步骤三，基于外辐射源时标同步的高精度综合定位，构建基于外同步伪时基的时差定位方程和新型多平台高精度综合定位算法。进一步，所述高精度TDOA定位方法，还包括：
将外辐射源信号作为时标信号方便定位系统使用，各平台以时标信号为同步时间参考；计算各平台检测到的目标信号相对于时标参考的相对到达时间，传回定位控制站上位机定位算法解算获得目标位置。
进一步，所述高精度TDOA定位方法，还包括：
基于外同步时标的时差测量需要对信号进行互相关来检测提取时标信息，从信号信道化采样样本中提取的时标信息精度直接决定时差的基准，因此，首先需要根据系统定位高精度要求选取易于检测和定标的辐射源形式。
假设f(t)和g(t)是两个具有相同长度的序列，其相关系数为：
Figure BDA0002985473830000041
根据信号分析理论，|r|≤1，相关系数越大两个信号相似程度越高，当两个信号随时间变化的规律相同时，r＝1。
根据信号相关运算理论，相关法时差测量精度取决于相关函数峰值点的测量精度，与峰值幅度无关，但是信噪比较低时可能会产生伪峰，所以外同步辐射源设计采用强自相关信号。伪随机序列是易于产生和自相关性优良特点，常用的伪随机序列有m序列和Gold序列。
周期为N的两个m序列(a0，a1，a2，...，aN-1)、(b0，b1，b2，...，bN-1)，其互相关函数定义为：
Figure BDA0002985473830000051
归一化的互相关系数可表示为：
Figure BDA0002985473830000052
周期为N的m序列自相关系数理论值为：
Figure BDA0002985473830000053
在相同信噪比下，m序列周期越长测试效果越好。
进一步，所述高精度TDOA定位方法，还包括：
在信号处理过程中，所述相对时间间隔反映为目标信号检测点和时标信号检测点之间的采样样本个数，因此，相对时间间隔精度主要受采样时钟性能影响，即时钟的准确度和稳定度。
通信或雷达设备的每个通道都有一个标称的射频中心工作频率，用f0表示，其稳定度取决于通道本振源的频率稳定度。设实际工作频率与标称工作频率的最大偏差值为Δf，则频率稳定度可表示为：
Figure BDA0002985473830000054
频率稳定度单位为ppm，短期频率稳定度表征时钟的抖动水平，中长期稳定度则代表信号随时间的漂移程度。
造成频率起伏的根本原因是噪声对信号相位或频率调制，这种调制在时域表现为频率随时间的起伏，在频域表现为频谱纯度。时域频率稳定度用阿伦方差表征，频域稳定度用相对相位
Figure BDA0002985473830000055
起伏的功率谱密
Figure BDA0002985473830000056
或者用相对频率y(f)起伏的功率谱密度sy(f)表示。标称为f0的标准频率源的瞬时输出电压表示为：
Figure BDA0002985473830000057
ε(t)和
Figure BDA0002985473830000061
分别代表随机幅度和相位噪声。定义信号输出的相位偏差x(t)：
Figure BDA0002985473830000062
间隔时间为τ的用于估计短期信号频率稳定度的阿伦方差表示为：
Figure BDA0002985473830000063
根据信道化采样原理和分析，信号信道化采样频率准确度取决于晶振时域频率稳定度，无线电单次定位任务时间较短，定位精度依赖于时间精度，而时间精度取决于短期频率稳定度。工程实现上，高稳晶振的短期时间稳定度在10-12量级，因此完全满足高精度定位系统要求。
进一步，所述基于TDOA的高精度定位技术需要满足两方面条件：高分辨率时间信息基准和高精度时间同步信息基准，至此，基于外辐射源时间同步的TDOA系统完全满足上述要求。
进一步，步骤二中，所述基于外辐射源时间同步的TDOA系统时差信息提取过程如下：
根据辐射源布局和多站台布局结构设计，计算辐射源到各站台的时差：
Δti＝(ri-r0)/c；
以toa0为时基准提取测量方程时差信号：
DTOAi＝TOAi-toai＝TOAi-toai-Δti；
因为，Δti在平台固定或者系统位置校准情况下其影响可以忽略。TOAi和toai均以本地时钟和外同步信号为基准，经过上述分析，完全满足高精度定位要求。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的高精度TDOA定位方法的高精度TDOA定位系统，所述高精度TDOA定位系统包括：
高精度时差定位模块，用于实现基于外辐射源时间同步和高稳晶振的高精度时差定位；
时差信息提取模块，用于实现基于外辐射源时间同步和高稳晶振的高精度时差信息提取；
综合定位模块，用于实现基于外辐射源时标同步的高精度综合定位。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
基于外辐射源时间同步和高稳晶振的高精度时差定位；
基于外辐射源时间同步和高稳晶振的高精度时差信息提取；
基于外辐射源时标同步的高精度综合定位。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
基于外辐射源时间同步和高稳晶振的高精度时差定位；
基于外辐射源时间同步和高稳晶振的高精度时差信息提取；
基于外辐射源时标同步的高精度综合定位。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的高精度TDOA定位系统。
本发明的另一目的在于提供一种无线电测向终端，所述无线电测向终端用于实现所述的高精度TDOA定位方法。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的高精度TDOA定位方法，针对时差定位(TDOA,time difference ofarrival)系统要求每个参与定位的各平台接收机均需建立复杂时间统一系统带来的设备复杂、TDOA系统易受干扰难题：提出一种基于外辐射源时标同步的高精度综合定位技术；提出基于外辐射源时间同步和高稳晶振的高精度时差信息提取技术，以扩频辐射源为例验证技术有效性；基于外辐射源时间同步和高稳晶振的高精度时差定位系统。本发明提供的TDOA定位系统平台不需要高精度时间统一系统，不需要平台间微波同步链路，支持多通道多路信号同时定位，与传统的TDOA系统相比具有较强抗干扰能力；本系统定位过程并不需要GPS系统参与，避免了特殊环境下GPS受干扰后对定位系统正常工作的影响。
本发明提供的基于外同步的多平台高精度综合定位系统技术不需要配置高精度时间同步系统，而且避免了要建立同步关系需要配置的不同定位平台间的微波数据链路，易于实施；同时，该技术方案提出以外时基信标为时基参考，提取相对于各定位平台拓扑时延补偿后时标与目标信号到达时间的时差信号，构建基于外同步伪时基的时差定位方程和新型多平台高精度综合定位算法，通过迭代法完成求解，保证了系统定位精度的同时大大降低了实现成本。同时，本发明提供的基于外辐射源时间同步和高稳晶振的高精度时差定位系统定位算法，具有以下优势：
(1)根据目标信号搜索或构建外同步时基信号；
(2)进行目标信号检测，以平台i的接收通道i本地计数器获得目标信号的相对TOAi；
(3)获取各平台TOAi时间信标源的TOA值；
(4)时标源补偿与同步；
(5)根据平台位置、信标源位置和同步信息计算不同平台间的TDOAij；
(6)通过递归法计算进行目标源定位。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的高精度TDOA定位方法流程图。
图2(a)-图2(b)是本发明实施例提供的基于外同步辐射源的TDOA定位系统组成示意图。
图3(a)是本发明实施例提供的8级31位外同步信号互相关性示意图。
图3(b)是本发明实施例提供的10级1023位外同步信号互相关性示意图。
图4是本发明实施例提供的时差提取过程示意图。
图5是本发明实施例提供的定位过程算法示意图。
图6(a)-图6(b)是本发明实施例提供的传统TDOA定位系统组成示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高精度TDOA定位方法、系统及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的高精度TDOA定位方法包括以下步骤：
S101，基于外辐射源时间同步和高稳晶振的高精度时差定位；
S102，基于外辐射源时间同步和高稳晶振的高精度时差信息提取；
S103，基于外辐射源时标同步的高精度综合定位。
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
1、本发明针对时差定位(TDOA,time difference ofarrival)系统要求每个参与定位的各平台接收机均需建立复杂时间统一系统带来的设备复杂、TDOA系统易受干扰难题：
(1)提出一种基于外辐射源时标同步的高精度综合定位技术；
(2)提出基于外辐射源时间同步和高稳晶振的高精度时差信息提取技术，以扩频辐射源为例验证技术有效性；
(3)基于外辐射源时间同步和高稳晶振的高精度时差定位系统。
该TDOA定位系统平台不需要高精度时间统一系统，不需要平台间微波同步链路，支持多通道多路信号同时定位，与传统的TDOA系统相比具有较强抗干扰能力。
2、基于外同步的多平台高精度时差定位系统
如图2所示，本发明提出一种基于高精度时差定位系统，提出基于外辐射源时间同步和高稳晶振的高精度时差信息提取技术，提出一种基于外辐射源时标同步的高精度综合定位技术，以扩频辐射源为例验证技术有效性。
以3基站时差定位为例，根据平台公共覆盖需求，针对3基站接收天线可视区域配置一个小型同步时标信号源发射装置，发射源在满足频谱兼容规则下向各平台同时广播发射外同步时标信号。由于地面时标源和各平台之间几何相对位置和几何拓扑不变，因此，外辐射源信号可作为时标信号方便定位系统使用。各平台以时标信号为同步时间参考，然后计算各平台检测到的目标信号相对于时标参考的相对到达时间，传回定位控制站上位机定位算法解算获得目标位置。本系统定位过程并不需要GPS系统参与，避免了特殊环境下GPS受干扰后对定位系统正常工作的影响。
基于外同步时标的时差测量需要对信号进行互相关来检测提取时标信息，从信号信道化采样样本中提取的时标信息精度直接决定了时差的基准，因此，首先需要根据系统定位高精度要求选取易于检测和定标的辐射源形式。
假设f(t)和g(t)是两个具有相同长度的序列，其相关系数为：
Figure BDA0002985473830000101
根据信号分析理论，|r|≤1，相关系数越大两个信号相似程度越高，当两个信号随时间变化的规律相同时，r＝1。
根据信号相关运算理论，相关法时差测量精度取决于相关函数峰值点的测量精度，与峰值幅度无关，但是信噪比较低时可能会产生伪峰，所以外同步辐射源设计采用强自相关信号。伪随机序列是易于产生和自相关性优良特点，常用的伪随机序列有m序列和Gold序列。
周期为N的两个m序列(a0，a1，a2，...，aN-1)、(b0，b1，b2，...，bN-1)，其互相关函数定义为：
Figure BDA0002985473830000111
归一化的互相关系数可表示为：
Figure BDA0002985473830000112
周期为N的m序列自相关系数理论值为：
Figure BDA0002985473830000113
在信噪比为0dB情况下，31位和1023位的m序列都可以准确测得1个码元宽度的时差，但后者的相关峰值更明显，表明在相同信噪比下，m序列周期越长测试效果越好。在信噪比为-8dB时，很难利用长度1023位的m序列进行检测信号，因此该接收机不能参与时差测量和系统定位，否则将带来较大误差。
外同步时间信标解决了目标到达时间计算的时间基准问题，而目标信号相对时标基准的时间相对间隔提取精度最终决定了时差信息质量进而决定了定位精度。在信号处理过程中，该相对时间间隔反映为目标信号检测点和时标信号检测点之间的采样样本个数，因此，相对时间间隔精度主要受采样时钟性能影响，即时钟的准确度和稳定度。
通信或雷达设备的每个通道都有一个标称的射频中心工作频率，用f0表示，其稳定度取决于通道本振源的频率稳定度。设实际工作频率与标称工作频率的最大偏差值为Δf，则频率稳定度可表示为：
Figure BDA0002985473830000114
频率稳定度单位为ppm(partpermillion百万分比)。短期频率稳定度表征了时钟的抖动水平，中长期稳定度则代表了信号随时间的漂移程度。
造成频率起伏的根本原因是噪声对信号相位或频率调制，这种调制在时域表现为频率随时间的起伏，在频域表现为频谱纯度。时域频率稳定度用阿伦方差表征，频域稳定度用相对相位
Figure BDA0002985473830000115
起伏的功率谱密
Figure BDA0002985473830000116
或者用相对频率y(f)起伏的功率谱密度sy(f)表示。标称为f0的标准频率源的瞬时输出电压表示为：
Figure BDA0002985473830000121
ε(t)和
Figure BDA0002985473830000122
分别代表随机幅度和相位噪声。定义信号输出的相位偏差x(t)：
Figure BDA0002985473830000123
间隔时间为τ的用于估计短期信号频率稳定度的阿伦方差表示为：
Figure BDA0002985473830000124
根据信道化采样原理和以上分析，信号信道化采样频率准确度取决于晶振时域频率稳定度，无线电单次定位任务时间较短，定位精度依赖于时间精度，而时间精度取决于短期频率稳定度。工程实现上，高稳晶振的短期时间稳定度在10-12量级，因此完全满足高精度定位系统要求。
基于TDOA的高精度定位技术需要满足两方面条件：高分辨率时间信息基准和高精度时间同步信息基准，至此，基于外辐射源时间同步的TDOA系统完全满足上述要求。
基于外辐射源时间同步的TDOA系统时差信息提取过程如下：
根据辐射源布局和多站台布局结构设计，计算辐射源到各站台的时差：
Δti＝(ri-r0)/c (14)
以toa0为时基准提取测量方程时差信号：
DTOAi＝TOAi-toai＝TOAi-toai-Δti (15)
因为，Δti在平台固定或者系统位置校准情况下其影响可以忽略。TOAi和toai均以本地时钟和外同步信号为基准，经过上述分析，完全满足高精度定位要求。
基于外同步的多平台高精度综合定位系统技术不需要配置高精度时间同步系统，而且避免了要建立同步关系需要配置的不同定位平台间的微波数据链路，易于实施；同时，该技术方案提出以外时基信标为时基参考，提取相对于各定位平台拓扑时延补偿后时标与目标信号到达时间的时差信号，构建基于外同步伪时基的时差定位方程和新型多平台高精度综合定位算法，通过迭代法完成求解，保证了系统定位精度的同时大大降低了实现成本。
基于外辐射源时间同步和高稳晶振的高精度时差定位系统定位算法：
(1)根据目标信号搜索或构建外同步时基信号；
(2)进行目标信号检测，以平台i的接收通道i本地计数器获得目标信号的相对TOAi；
(3)获取各平台TOAi时间信标源的TOA值；
(4)时标源补偿与同步；
(5)根据平台位置、信标源位置和同步信息计算不同平台间的TDOAij；
(6)通过递归法计算进行目标源定位。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高精度TDOA定位方法，其特征在于，所述高精度TDOA定位方法包括：
基于外辐射源时间同步和高稳晶振的高精度时差定位；
基于外辐射源时间同步和高稳晶振的高精度时差信息提取；
基于外辐射源时标同步的高精度综合定位。
2.如权利要求1所述的高精度TDOA定位方法，其特征在于，所述高精度TDOA定位方法，还包括：将外辐射源信号作为时标信号方便定位系统使用，各平台以时标信号为同步时间参考；计算各平台检测到的目标信号相对于时标参考的相对到达时间，传回定位控制站上位机定位算法解算获得目标位置。
3.如权利要求1所述的高精度TDOA定位方法，其特征在于，所述高精度TDOA定位方法，还包括：基于外同步时标的时差测量需要对信号进行互相关来检测提取时标信息，从信号信道化采样样本中提取的时标信息精度直接决定时差的基准，首先需要根据系统定位高精度要求选取易于检测和定标的辐射源形式；
f(t)和g(t)是两个具有相同长度的序列，其相关系数为：
Figure FDA0002985473820000011
根据信号分析理论，|r|≤1，相关系数越大两个信号相似程度越高，当两个信号随时间变化的规律相同时，r＝1；
根据信号相关运算理论，相关法时差测量精度取决于相关函数峰值点的测量精度，与峰值幅度无关，但是信噪比较低时可能会产生伪峰，所以外同步辐射源设计采用强自相关信号；伪随机序列是易于产生和自相关性优良特点，常用的伪随机序列有m序列和Gold序列；
周期为N的两个m序列(a0，a1，a2，...，aN-1)、(b0，b1，b2，...，bN-1)，其互相关函数定义为：
Figure FDA0002985473820000012
归一化的互相关系数可表示为：
Figure FDA0002985473820000021
周期为N的m序列自相关系数理论值为：
Figure FDA0002985473820000022
在相同信噪比下，m序列周期越长测试效果越好。
4.如权利要求1所述的高精度TDOA定位方法，其特征在于，所述高精度TDOA定位方法，还包括：在信号处理过程中，所述相对时间间隔反映为目标信号检测点和时标信号检测点之间的采样样本个数，相对时间间隔精度主要受采样时钟性能影响，即时钟的准确度和稳定度；
通信或雷达设备的每个通道都有一个标称的射频中心工作频率，用f0表示，其稳定度取决于通道本振源的频率稳定度；设实际工作频率与标称工作频率的最大偏差值为Δf，则频率稳定度可表示为：
Figure FDA0002985473820000023
频率稳定度单位为ppm，短期频率稳定度表征时钟的抖动水平，中长期稳定度则代表信号随时间的漂移程度；
造成频率起伏的根本原因是噪声对信号相位或频率调制，这种调制在时域表现为频率随时间的起伏，在频域表现为频谱纯度；时域频率稳定度用阿伦方差表征，频域稳定度用相对相位
Figure FDA0002985473820000024
起伏的功率谱密
Figure FDA0002985473820000025
或者用相对频率y(f)起伏的功率谱密度sy(f)表示；标称为f0的标准频率源的瞬时输出电压表示为：
Figure FDA0002985473820000026
其中，ε(t)和
Figure FDA0002985473820000027
分别代表随机幅度和相位噪声；
定义信号输出的相位偏差x(t)：
Figure FDA0002985473820000028
间隔时间为τ的用于估计短期信号频率稳定度的阿伦方差表示为：
Figure FDA0002985473820000031
5.如权利要求1所述的高精度TDOA定位方法，其特征在于，所述基于外辐射源时间同步的TDOA系统时差信息提取过程如下：
根据辐射源布局和多站台布局结构设计，计算辐射源到各站台的时差：
Δti＝(ri-r0)/c；
以toa0为时基准提取测量方程时差信号：
DTOAi＝TOAi-toai＝TOAi-toai-Δti；
因为，Δti在平台固定或者系统位置校准情况下其影响可以忽略；TOAi和toai均以本地时钟和外同步信号为基准，经过上述分析，完全满足高精度定位要求。
6.一种实施权利要求1～5任意一项所述的高精度TDOA定位方法的高精度TDOA定位系统，其特征在于，所述高精度TDOA定位系统包括：
高精度时差定位模块，用于实现基于外辐射源时间同步和高稳晶振的高精度时差定位；
时差信息提取模块，用于实现基于外辐射源时间同步和高稳晶振的高精度时差信息提取；
综合定位模块，用于实现基于外辐射源时标同步的高精度综合定位。
7.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
基于外辐射源时间同步和高稳晶振的高精度时差定位；
基于外辐射源时间同步和高稳晶振的高精度时差信息提取；
基于外辐射源时标同步的高精度综合定位。
8.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
基于外辐射源时间同步和高稳晶振的高精度时差定位；
基于外辐射源时间同步和高稳晶振的高精度时差信息提取；
基于外辐射源时标同步的高精度综合定位。
9.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现权利要求1～5任意一项所述的高精度TDOA定位方法。
10.一种无线电测向终端，其特征在于，所述无线电测向终端用于实现权利要求1～5任意一项所述的高精度TDOA定位方法。
CN202110299109.XA 2021-03-20 2021-03-20 一种高精度tdoa定位方法、系统及应用 Active CN113203978B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110299109.XA CN113203978B (zh) 2021-03-20 2021-03-20 一种高精度tdoa定位方法、系统及应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110299109.XA CN113203978B (zh) 2021-03-20 2021-03-20 一种高精度tdoa定位方法、系统及应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113203978A true CN113203978A (zh) 2021-08-03
CN113203978B CN113203978B (zh) 2024-04-05

Family

ID=77025510

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110299109.XA Active CN113203978B (zh) 2021-03-20 2021-03-20 一种高精度tdoa定位方法、系统及应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113203978B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114325131A (zh) * 2021-12-30 2022-04-12 西安交通大学 一种结合时差法及时间反演技术的方向性辐射源定位方法
CN114442033A (zh) * 2021-11-15 2022-05-06 西安电子科技大学 一种基于伪多普勒aoa+tdoa频谱智能监管方法及系统

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101541078A (zh) * 2008-03-17 2009-09-23 华为技术有限公司 一种tdoa的估计方法、系统和装置
CN102023290A (zh) * 2010-11-04 2011-04-20 中国民用航空总局第二研究所 高精度分布式脉冲信号到达时间差检测系统
CN102215558A (zh) * 2010-04-07 2011-10-12 中国科学院国家天文台 由通信广播卫星信号辅助的地面移动通信网定位方法
US20120122470A1 (en) * 2008-12-23 2012-05-17 Thales Method for locating multiple rays of a source with or without aoa by multi-channel estimation of the tdoa and fdoa
US20140378161A1 (en) * 2012-02-07 2014-12-25 Sigfox Method for synchronizing time measurements carried out in a radio communication network for geolocation purposes
CN109901107A (zh) * 2019-03-07 2019-06-18 西安电子科技大学 一种时差定位方法、装置、计算机设备及可读存储介质
CN111273274A (zh) * 2020-03-12 2020-06-12 四川九洲电器集团有限责任公司 多基协同定位方法、存储介质、雷达及雷达定位系统

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101541078A (zh) * 2008-03-17 2009-09-23 华为技术有限公司 一种tdoa的估计方法、系统和装置
US20120122470A1 (en) * 2008-12-23 2012-05-17 Thales Method for locating multiple rays of a source with or without aoa by multi-channel estimation of the tdoa and fdoa
CN102215558A (zh) * 2010-04-07 2011-10-12 中国科学院国家天文台 由通信广播卫星信号辅助的地面移动通信网定位方法
CN102023290A (zh) * 2010-11-04 2011-04-20 中国民用航空总局第二研究所 高精度分布式脉冲信号到达时间差检测系统
US20140378161A1 (en) * 2012-02-07 2014-12-25 Sigfox Method for synchronizing time measurements carried out in a radio communication network for geolocation purposes
CN109901107A (zh) * 2019-03-07 2019-06-18 西安电子科技大学 一种时差定位方法、装置、计算机设备及可读存储介质
CN111273274A (zh) * 2020-03-12 2020-06-12 四川九洲电器集团有限责任公司 多基协同定位方法、存储介质、雷达及雷达定位系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
高向颖: ""考虑站址误差的稳健TDOA 定位算法"", 《信号处理》, vol. 36, no. 2 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114442033A (zh) * 2021-11-15 2022-05-06 西安电子科技大学 一种基于伪多普勒aoa+tdoa频谱智能监管方法及系统
CN114325131A (zh) * 2021-12-30 2022-04-12 西安交通大学 一种结合时差法及时间反演技术的方向性辐射源定位方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN113203978B (zh) 2024-04-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7994981B1 (en) System framework for mobile device location
KR100657445B1 (ko) 위치-결정 방법 및 장치
Mao et al. Wireless sensor network localization techniques
US7339522B2 (en) Method and system for time difference of arrival (TDOA) location services
US9035827B2 (en) Positioning using a local wave-propagation model
EP2356480A1 (en) System and method for multiple range estimation location
CN113203978B (zh) 一种高精度tdoa定位方法、系统及应用
AU2012245010B2 (en) Process and system to determine temporal changes in retransmission and propagation of signals used to measure distances, syncronize actuators and georeference applications
Ahmed et al. Estimation of time difference of arrival (TDoA) for the source radiates BPSK signal
CN104101863A (zh) 基于智能移动设备的定位系统和定位方法
KR20160044534A (ko) 비행 시간 핑거프린트 및 지리 위치를 찾는 방법 및 장치
Xue et al. A model on indoor localization system based on the time difference without synchronization
BR112017020558B1 (pt) Método, aparelho e dispositivo para obter tempo de chegada quando um terminal móvel é localizado
Müller et al. Outdoor ranging and positioning based on LoRa modulation
Ghany et al. A parametric TDoA technique in the IoT localization context
CN1977183B (zh) 基于卫星的辅助定位
Gui et al. Performance analysis of indoor localization based on channel state information ranging model
Seuté et al. Why synchronization is a key issue in modern electronic support measures
Nawaz et al. Round Trip Time (RTT) and Doppler Measurements for IoRT Localization by a Single-Satellite
KR20100034329A (ko) 다른 단말기의 위치정보 및 그 위치정보의 신뢰도에 따라 자신의 위치를 측정하는 단말기 및 시스템 그리고 그 위치 측정 방법
RU2827095C1 (ru) Способ, реализующий точную помехоустойчивую синхронизацию опорных станций локальной навигационной системы
Dasala et al. Synchronized Uplink Time of Arrival Localization: A Measurement-driven Evaluation
Wei et al. Experimental verification of bias reduction in TDOA based localization
CN114786247B (zh) 一种时钟同步方法、系统、介质、设备及终端
Li et al. Accuracy analysis on GDOP of pseudolite positioning system based on TDOA technology

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB03 Change of inventor or designer information
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Shang Lei

Inventor after: Li Jie

Inventor after: Gao Han

Inventor after: Gao Yujiao

Inventor after: Li Yage

Inventor after: Chen Lei

Inventor after: Yang Chengbin

Inventor after: Lu Xiaojun

Inventor before: Shang Lei

Inventor before: Li Jie

Inventor before: Gao Han

Inventor before: Gao Yujiao

Inventor before: Li Yage

Inventor before: Chen Lei

Inventor before: Yang Chengbin

GR01 Patent grant
GR01 Patent grant