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，通过回放数据显示干扰源的发射状态。同时，这些数据也能用于今后的算法研究、干扰排查的典型案例。

在实验过程中，为了测试TDOA 的性能，本文选择了4 个不同位置的信号源进行测量。表1 是信号源和监测站之间的相对位置情况。表2 所示为实际测试信号的到达时间差。

表1 信号源和监测站之间的相对位置（单位：米）

表2 实际测试信号的到达时间差（单位：µs）

通过换算，得到信号源到不同监测站的距离差，并且将这个差值用双曲线标记在地图上，可以得到测试结果（见图3）。

图3 实验测试的结果

表3 所示为测试结果与实际台站距离的误差情况。

表3 测试结果与实际台站距离的误差（单位：米）

测试结果表明，最小定位误差在18 米，最大的定位误差在220 米，匹配并且超过A 级测向站的定位水平，说明TDOA 是一种非常有效的定位方法。

4、TDOA 测试结果讨论
进一步分析不同位置的信号源的测试结果，可以看到当信号源落在监测站所组成的三角形内部时，定位的准确度最高，越靠三角形边沿的位置，误差越大。这一点可以从双曲线曲率变化来解释。图4 中，蓝色点是监测站的位置，双曲线以等间隔组成坐标网格。黄色区域由相邻一格双曲线组成，对于三角形边沿区域，相同的网格围成的区域越大，测量的误差也越大。修正这一问题的办法是增加更多的监测站，通过初步定位选择最合适的3 个站进行定位。这样可以提高信号定位的准确度。

此外，针对TDOA 定位方式的特点，时间测量的精度十分重要，而影响测量的主要因素包括GPS 授时准确度和信号采样误差。本案例中采用了高性能的GPS，其标称误差仅为15ns，但是考虑到多个站点的GPS 信号误差，在实际测量中两个监测站GPS 的抖动小于20ns，不影响系统的整体指标。

图4 TDOA 双曲线示意图

而采样率则提供了信号分析的最小时间单位，如果采样率太低，则时间分辨率不够高，从而影响系统测量精度。在本实验中采用的高速数字化仪，最高采样率达到150Mb/s，时间分辨率在6.7ns，能够充分满足系统要求。

5、TDOA 定位小结
综上所述，TDOA 定位是一个稳定可靠的基于网络化的定位方式。美国国家仪器公司提出的基于模块化仪器系统所搭建的频谱监测接收机，可以提供具有高带宽、低本底噪声的高性能接收机模块以及高精确性的时钟模块，是实现TDOA 定位系统的理想平台。模块化的结构可以最大限度地利用现有的检测设备资源，适合新型无线电信号的定位与检测。

参考文献：
[1] 朱庆厚. 到达时间差(TDOA) 测向定位研究. 电视技术，第47 卷第1 期，2007 年2 月
[2] Spectrum Monitoring Handbook, Edition 2011