一种基站位置零误差的TDOA短基线定位方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基站位置零误差的TDOA短基线定位方法及系统，包括以下步骤：S1.利用高精度长度测量仪器测量各基站间的直线距离，基站数量为N，N>3；S2.选择任一基站为坐标原点，构建基站的局部坐标系，获取各基站在局部坐标系的坐标；S3.获取辐射源信号到各基站的时间，并根据各基站坐标计算辐射源在局部坐标系的估计位置坐标；S4.获取任意两个基站在绝对地理坐标系的经纬度坐标，将辐射源在局部坐标系的估计位置坐标转换为辐射源在绝对地理坐标系的地理坐标；该系统包括感知基站、高精度长度测量仪器、局部坐标处理模型和地理坐标处理模型；本发明专利技术实现基站位置零误差，完全消除基站位置误差对定位精度的影响，并使TDOA短基线定位在工程上得以实现。基线定位在工程上得以实现。基线定位在工程上得以实现。

【技术实现步骤摘要】
一种基站位置零误差的TDOA短基线定位方法及系统


[0001]本专利技术涉及无线通信
，更具体的说是涉及一种基站位置零误差的TDOA短基线定位方法及系统。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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、应用场景简单等优势。
[0004]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。TDOA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。因为TDOA算法在计算基站之间的接收信号达到时间差后，再结合基站位置解算辐射源位置，因此TDOA算法的定位精度和基站的位置精度相关。
[0005]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，普遍采用GPS/北斗接收机确定基站所处位置。
[0006]然而，上述方法存在以下问题：普通GPS/北斗接收机定位误差通常为m级甚至10m级；利用RTK设备定位精度可达m级以上，但成本高昂。尤其在短基线条件下，基线长度最小可至100m，此时TDOA算法必须保证不同基站之间的接收信号到达距离差处于m级时才能精确计算，因此，GPS/北斗接收机的基站定位偏差和不同基站的接收信号到达距离差等于甚至大于同一量级，使得TDOA计算结果偏差极大甚至无法解算。
[0007]因此，如何提供一种基站位置零误差的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。

技术实现思路

[0008]有鉴于此，本专利技术提供了一种基站位置零误差的TDOA短基线定位方法及系统，实现基站位置零误差，完全消除基站位置误差对定位精度的影响，并使TDOA短基线定位在工程上得以实现，GPS/北斗接收机仅提供基站的地理位置锚点，用于计算辐射源的实际经纬度坐标，同时，也可用于其他对基站位置误差敏感的定位方法，提高定位精度。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0010]一种基站位置零误差的TDOA短基线定位方法，包括以下步骤：
[0011]S1.利用高精度长度测量仪器测量各基站间的直线距离，基站数量为N，N>3；
[0012]S2.选择任一基站为坐标原点，构建基站的局部坐标系，获取各基站在局部坐标系的坐标；
[0013]S3.获取辐射源信号到各基站的时间，并根据各基站坐标计算辐射源在局部坐标系的估计位置坐标；
[0014]S4.获取任意两个基站在绝对地理坐标系的经纬度坐标，将辐射源在局部坐标系的估计位置坐标转换为辐射源在绝对地理坐标系的地理坐标。
[0015]优选的，S2的具体内容包括：
[0016]S21.从N个基站中任选四个基站，并选择任一基站1为坐标原点，按逆时针顺序分别为基站2、基站3和基站4，以基站1沿基站2直线方向为x轴正方向，以基站3和基站4所处方位为y轴正方向方位，构建基站的局部坐标系；
[0017]S22.获取基站1、基站2、基站3和基站4在局部坐标系的坐标为：
[0018]基站1的坐标为：
[0019](x1,y1)＝(0,0)
[0020]基站2的坐标为：
[0021](x1,y2)＝(l
12,
0)
[0022]基站3的坐标为：
[0023]x3＝l
12
‑
l
23
×
cos(α
123
)
[0024]y3＝l
23
×
sin(α
123
)
[0025][0026]基站4的坐标为：
[0027]x4＝l
12
‑
l
24
×
cos(α
124
)
[0028]y4＝l
24
×
sin(α
124
)
[0029][0030]其中，l
12
、l
13
、l
23
和l
24
分别为各基站间的直线距离，α
123
和α
124
为基站间构成的夹角。
[0031]优选的，S3的具体内容包括：
[0032][0033]其中，辐射源RF的坐标为(x,y)，基站i的坐标为(X
i
,Y
i
)，R
i
为第i个基站到辐射源的距离，其中：i＝1,2...,N，N为基站个数；
[0034]E
ij
＝E
i
‑
E
j
[0035]R
ij
＝cE
ij
[0036]E
i
和E
j
分别为辐射源信号到达基站i和j的时间，E
ij
为基站i和j之间的时延差理论值，R
ij
为基站i和j距离差的理论，c为电波传播速度；
[0037]f
i
(x,y)为第i个基站和基站1到辐射源距离的差值：
[0038][0039]第i个基站到基站1的距离差第i个基站到基站1的距离差为实际测量的估计距离差，ε
i1
为估计误差；
[0040]将f
i
(x,y)在(x0,y0)处泰勒级数展开并只保留前两项可得：
[0041][0042][0043]其中，(x0,y0)为预设一个初始值，则x＝x0+δ
x
，y＝y0+δ
y
，f
i，0
为f
i
(x,y)在(x0,y0)处的函数值，上式写为矩阵形式为：
[0044]Aδ＝R+e
[0045][0046][0047][0048][0049]利用加权最小二乘法解上式，得解为：
[0050]δ＝[A
T
Q
‑1A]‑1A
T
Q
‑1R
[0051]其中Q为TDOA协方差矩本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基站位置零误差的TDOA短基线定位方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.利用高精度长度测量仪器测量各基站间的直线距离，基站数量为N，N>3；S2.选择任一基站为坐标原点，构建基站的局部坐标系，获取各基站在局部坐标系的坐标；S3.获取辐射源信号到各基站的时间，并根据各基站坐标计算辐射源在局部坐标系的估计位置坐标；S4.获取任意两个基站在绝对地理坐标系的经纬度坐标，将辐射源在局部坐标系的估计位置坐标转换为辐射源在绝对地理坐标系的地理坐标。2.根据权利要求1所述的一种基站位置零误差的TDOA短基线定位方法，其特征在于，S2的具体内容包括：S21.从N个基站中任选四个基站，并选择任一基站1为坐标原点，按逆时针顺序分别为基站2、基站3和基站4，以基站1沿基站2直线方向为x轴正方向，以基站3和基站4所处方位为y轴正方向方位，构建基站的局部坐标系；S22.获取基站1、基站2、基站3和基站4在局部坐标系的坐标为：基站1的坐标为：(x1,y1)＝(0,0)基站2的坐标为：(x1,y2)＝(l
12
,0)基站3的坐标为：x3＝l
12
‑
l
23
×
cos(α
123
)y3＝l
23
×
sin(α
123
)基站4的坐标为：x4＝l
12
‑
l
24
×
cos(α
124
)y4＝l
24
×
sin(α
124
)其中，l
12
、l
13
、l
23
和l
24
分别为各基站间的直线距离，α
123
和α
124
为基站间构成的夹角。3.根据权利要求1所述的一种基站位置零误差的TDOA短基线定位方法，其特征在于，S3的具体内容包括：其中，辐射源RF的坐标为(x,y)，基站i的坐标为(X
i
,Y
i
)，Ri为第i个基站到辐射源的距离，其中：i＝1,2...,N，N为基站个数；E
ij
＝E
i
‑
E
j
R
ij
＝cE
ij
E
i
和E
j
分别为辐射源信号到达基站i和j的时间，E
ij
为基站i和j之间的时延差理论值，R
ij
为基站i和j距离差的理论，c为电波传播速度；
f
i
(x,y)为第i个基站和基站1到辐射源距离的差值：第i个基站到基站1的距离差第i个基站到基站1的距离差为实际测量的估计距离差，ε
i1
为估计误差；将f
i
(x,y)在(x0,y0)处泰勒级数展开并只保留前两项可得：)处泰勒级数展开并只保留前两项可得：其中，(x0,y0)为预设一个初始值，则x＝x0+δ
x
，y＝y0+δ
y
，f
i，0
为f
i
(x,y)在(x0,y0)处的函数值，上式写为矩阵形式为：Aδ＝R+eAδ＝R+eAδ＝R+eAδ＝R+e利用加权最小二乘法解上式，得解为：δ＝[A
T
Q
‑1A]
‑1A
T
Q
‑1R其中Q为TDOA协方差矩阵；令x1＝x0+δ
x
,y1＝y0+δ
y
，重复上述过程，直到δ
x
和δ
y
足够小并满足预先设定的阈值门限
ε，使得经过k次迭代得到的辐射源RF的位置(x
k
,y
k
)即为估计位置。4.根据权利要求1所述的一种基站位置零误差的TDOA短基线定位方法，其特征在于，S4中利用GPS或北斗接收机获取基站中任意两个基站的经纬度坐标。5.根据权利要求1所述的一种基站位置零误差的TDOA短基线定位方法，其特征在于，S4的具体内容包括：S41.根据任意两个...

【专利技术属性】
技术研发人员：张凯，魏志虎，陈洋溢，施伟，张建照，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：