一种时钟与触发信号精确同步的TDOA短基线定位方法及系统

技术领域

本发明涉及无线定位技术领域，更具体的说是涉及一种时钟与触发信号精确同步的TDOA短基线定位方法及系统。

背景技术

无线信号辐射源的精确定位是无线信号处理的重要研究方向，随着无线通讯设备和信息技术的发展，辐射源精确定位技术的应用范围日益广泛，尤其在救援、交通、物流、黑广播查找等领域，高精度辐射源定位的需求和作用与日俱增。

非合作辐射源的被动定位技术无需向外辐射电磁波信号，且无需辐射源信号的先验信息，仅根据接收到的辐射源信号提取相关特征参数计算辐射源位置，具备隐蔽性好、设备小型化且成本低、定位精度高、应用场景你简单等优势。常用的被动定位方法包括到达时间差(Time Difference of Arrival，TDOA)、到达角(Angle of Arrival，AOA)、接收信号强度(Received Signal Strength,RSS)、到达频差(Frequency Difference of Arrival，FDOA)等,具有各自的优缺点。其中，TDOA是根据同一信号达到不同基站接收天线的时间差计算辐射源位置，定位精度最高，三基站实现二维定位，四基站实现三维定位，对基站设备要求相对较高，且基站布局、基站位置精度、同步时钟精度、同步触发信号精度等都会对定位精度产生影响，而TDOA核心问题在于估计信号达到不同基站之间的时延差参数，普遍采用时域相关法(如互相关法、广义互相关法、匹配滤波器等)，其中，时钟信号影响各基站的采样频率同步性，触发信号影响采样起止时间的同步性，两者综合直接影响时延差估计精度，从而定位精度。

目前，现有TDOA定位方法的基线长度(基站之间的距离)通常为km级，即长基线，用于较大范围的辐射源定位，且各站的时钟和触发同步信号普遍采用GPS/北斗接收机输出的1PPS触发信号和10M时钟信号，基站之间通常无线或有线方式传输数据后再完成时延估计和TDOA定位解算。

但是，上述方法存在以下问题：①不同GPS/北斗接收机与卫星时钟存在同步差，其输出的触发信号和时钟信号存在最大1ms误差，等效距离为300m，因此TDOA基站只能采用长基线方案以减少时钟误差对定位结果造成的影响；②长基线方式基站间隔大，布设成本大，主要应用于较大范围的远距离辐射源定位，无法适用于近距离中小范围内(<1km距离)辐射源定位；③长基线方式通过算法降低时延误差，但定位误差最高仅达到百米级，无法实现近距离辐射源精确定位。

因此，如何提供一种时钟与触发信号精确同步的TDOA短基线定位方法及系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种时钟与触发信号精确同步的TDOA短基线定位方法及系统，实现2km以内中小范围内辐射源的精确定位，基站布设方便、定位精度高。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种时钟与触发信号精确同步的TDOA短基线定位方法，包括以下步骤：

S1.获取N个基站的坐标位置，获取校准源的坐标位置和中心频率，并发送时钟和触发信号的同步指令，N≥3；

S2.接收所述同步指令并产生N路触发信号和N路时钟信号，并分别传输至N个基站；

S3.设置参数并发送定位指令至各个基站，各个基站同步采集辐射源的IQ数据和记录时间戳，并将所述IQ数据和所述时间戳打包为数据包并上传；

S4.接收所述数据包并进行数据解包、IQ数据处理、时延估计、时钟校准和定位解算，输出定位结果。

优选的，所述参数包括目标辐射源的中心频率、采样频率、采样时长和平均次数。

优选的，S4中IQ数据处理的具体内容包括通过数据标准化、插值和滤波获取时延估计数据。

优选的，S4中时延估计的具体内容包括：

x

x

其中，x

基站i和基站j接收信号满足互相关函数R

其中，τ为估计时延差，ψ(f)为广义互相关函数，

ψ(f)＝H(f)H

H(f)为加权函数；

当τ＝E

优选的，S4中所述时钟校准的具体内容包括：

根据校准源的坐标位置计算校准源的时延差的理论值E

优选的，S4中所述定位解算的具体内容包括：

其中，辐射源坐标为(x,y)，基站i的坐标为(X

E

R

E

f

第i个基站到基站1的距离差

将f

其中，(x

Aδ＝R+e

利用加权最小二乘法解上式，得解为

δ＝[A

其中Q为TDOA协方差矩阵；

令x

一种时钟与触发信号精确同步的TDOA短基线定位系统，包括N个基站，N个线捆、中心站和计算机终端，N≥3；

每个所述基站均包括天线和感知模块，每个所述线捆均包括触发信号电缆、时钟电缆和数据传输线，所述中心站包括时钟和触发信号源、信号缓冲分路器和数据路由器；

所述计算机终端，用于获取N个所述基站的坐标位置，获取校准源的坐标位置和中心频率，并发送时钟和触发信号的同步指令，N≥3，还用于设置参数并通过所述数据路由器发送定位指令至中心站，还用于接收所述数据包并进行数据解包、IQ数据处理、时延估计、时钟校准和定位解算，输出定位结果；

所述感知模块，用于通过天线同步感知采集辐射源IQ数据和记录时间戳并打包数据包；

时钟和触发信号源，用于通过所述数据路由器接收所述同步指令并产生触发信号和时钟信号；

所述信号缓冲分路器，用于将所述触发信号分为N路所述触发信号，将所述时钟信号分为N路所述时钟信号；

所述触发信号电缆，用于将N路所述触发信号分别传输至N个所述基站；

所述时钟电缆，用于N路所述时钟信号分别同步传输至N个所述基站；

所述数据传输线，用于将所述定位指令发送至各个所述基站，还用于将所述数据包传输至所述数据路由器，所述数据包通过所述数据路由器传输至所述计算机终端。

优选的，所述参数包括目标辐射源的中心频率、采样频率、采样时长和平均次数。

优选的，所述IQ数据处理的具体内容包括通过数据标准化、插值和滤波获取时延估计数据。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种时钟与触发信号精确同步的TDOA短基线定位方法及系统，设计分路器将一路时钟和触发信号源各分为多路，通过有线电缆的方式传输时钟和触发同步信号，利用信号缓冲分路器保证各基站之间的时钟信号和触发信号完全同步，基于工程硬件和算法双重保证TDOA各基站的同步信号误差小于1纳秒，在机理和实际应用上实现百米级的中近距离短基线TDOA精确定位，基站布设方便、定位精度高，可适用于机场、厂房、重要设施等小面积固定区域或者车载、舰载等需机动快速布设场景下的辐射源精确定位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种时钟与触发信号精确同步的TDOA短基线定位方法，包括以下步骤：

S1.获取N个基站的坐标位置，获取校准源的坐标位置和中心频率，并发送时钟和触发信号的同步指令，N≥3；

S2.接收同步指令并产生N路触发信号和N路时钟信号，并分别传输至N个基站；

S3.设置参数并发送定位指令至各个基站，各个基站同步采集辐射源IQ数据和记录时间戳，并将IQ数据和时间戳打包为数据包并上传；

S4.接收数据包并进行数据解包、IQ数据处理、时延估计、时钟校准和定位解算，输出定位结果。

在本实施中，S3中的辐射源包括校准源和目标辐射源。

在实际应用中，校准源为已知位置、频率的辐射源，可以是己方利用信号源发射信号作为辐射源，也可以是公开的电台、通信基站等。

在本实施例中，触发信号为1PPS和时钟信号为10M。

为了进一步实施上述技术方案，参数包括目标辐射源的中心频率、采样频率、采样时长和平均次数。

为了进一步实施上述技术方案，S4中IQ数据处理的具体内容包括通过数据标准化、插值和滤波获取时延估计数据。

在本实施例中，数据标准化保证使数据完备齐整，数据均值为零，并将IQ两路数据转化为一组数据；插值增加数据的样本量，提高数据的连续性和精度；滤波消除数据中的随机噪声误差；最终得到用于时延估计的一组数据。

为了进一步实施上述技术方案，S4中时延估计的具体内容包括：

x

x

其中，x

基站i和基站j接收信号满足互相关函数R

其中，τ为估计时延差，ψ(f)为广义互相关函数，

ψ(f)＝H(f)H

H(f)为加权函数；

当τ＝E

为了进一步实施上述技术方案，S4中时钟校准的具体内容包括：

根据校准源的坐标位置计算校准源的时延差的理论值E

在本实施例中，不同基站的触发信号电缆长度和规格相同，不同基站的时钟电缆长度和规格相同；若不同，则根据实验分别测定不同触发信号电缆的传输信号时延差及不同时钟电缆的传输信号的时延差，时延差为E

为了进一步实施上述技术方案，S4中定位解算的具体内容包括：

其中，辐射源坐标为(x,y)，R

E

R

E

f

其中：i＝1,2...,N，N为基站个数，(X

第i个基站到基站1的距离差

将f

其中，(x

Aδ＝R+e

利用加权最小二乘法解上式，得解为

δ＝[A

其中Q为TDOA协方差矩阵；

令x

实际应用中，从N个基站选择三个基站，短基线TDOA的辐射源可实现二维定位，将N个基站设为四个基站，短基线TDOA的辐射源可实现三维定位。

一种时钟与触发信号精确同步的TDOA短基线定位系统，包括N个基站，N个线捆、中心站和计算机终端，N≥3；

每个基站均包括天线和感知模块，每个线捆均包括触发信号电缆、时钟电缆和数据传输线，中心站包括时钟和触发信号源、信号缓冲分路器和数据路由器；

计算机终端，用于获取N个基站的坐标位置，获取校准源的坐标位置和中心频率，并发送时钟和触发信号的同步指令，N≥3，还用于设置参数并通过数据路由器发送定位指令至中心站，还用于接收数据包并进行数据解包、IQ数据处理、时延估计、时钟校准和定位解算，输出定位结果；

感知模块，用于通过天线同步感知采集辐射源IQ数据和记录时间戳并打包数据包；

时钟和触发信号源，用于通过数据路由器接收同步指令并产生触发信号和时钟信号；

信号缓冲分路器，用于将触发信号分为N路触发信号，将时钟信号分为N路时钟信号；

触发信号电缆，用于将N路触发信号分别传输至N个基站；

时钟电缆，用于N路时钟信号分别同步传输至N个基站；

数据传输线，用于将定位指令发送至各个基站，还用于将数据包传输至数据路由器，数据包通过数据路由器传输至计算机终端。

在实际应用中，时钟和触发信号源采用GPS/北斗接收机、晶振等。

在本实施例中，中心站还包括电源，用于同时为时钟和触发信号源、信号缓冲分路器和数据路由器供电。

为了进一步实施上述技术方案，参数包括目标辐射源的中心频率、采样频率、采样时长和平均次数。

为了进一步实施上述技术方案，IQ数据处理的具体内容包括通过数据标准化、插值和滤波获取时延估计数据。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。