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方案

本发明专利技术公开了一种时钟与触发信号精确同步的TDOA短基线定位方法及系统，包括N个基站，N个线捆、中心站和计算机终端，N≥3；包括：计算机终端获取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；中心站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；计算机终端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，并打包为数据包上传；计算机终端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；基于工程硬件和算法使TDOA各基站的同步信号误差小于1纳秒，实现短基线TDOA精确定位，基站布设方便、定位精度高。度高。度高。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术涉及无线定位
，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。

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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本专利技术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。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]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：
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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；
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]优选的，S4中时延估计的具体内容包括：
[0017]x
i
(n)＝s(n)+v
i
(n)
[0018]x
j
(n)＝αs(n
‑
E
t
)+v
j
(n)
[0019]其中，x
i
(n)和x
j
(n)分别为基站i和基站j的时延估计数据，n为记录的时间戳，s(n)为接收的辐射源信号，E
t
为基站之间的理论时延差，α为衰减因子，v
i
(n)和v
j
(n)为基站i和基站j接收的噪声；
[0020]基站i和基站j接收信号满足互相关函数R
12
(τ)：
[0021][0022]其中，τ为估计时延差，ψ(f)为广义互相关函数，为两信号的互功率谱密度函数；
[0023]ψ(f)＝H(f)H
*
(f)
[0024]H(f)为加权函数；
[0025]当τ＝E
t
时有最大值R
12
(τ)，τ为时延差的估计值，即
[0026][0027]优选的，S4中所述时钟校准的具体内容包括：
[0028]根据校准源的坐标位置计算校准源的时延差的理论值E
ct
，计算校准源的时延差估计值对比校准源的时延差的估计值和理论值E
ct
获取时延估计的系统误差则目标辐射源的时延差的精确估计值其中为计算的目标辐射源的时延差的估计值。
[0029]优选的，S4中所述定位解算的具体内容包括：
[0030][0031]其中，辐射源坐标为(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；
[0032]E
ij
＝E
i
‑
E
j
[0033]R
ij
＝cE
ij
[0034]E
i
和E
j
分别为信号到达基站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；
[0035]f
i
(x,y)为第i个基站和基站1到辐射源距离的差值：
[0036][0037]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；
[0038]将f
i
(x,y)在(x0,y0)处泰勒级数展开并只保留前两项可得：
[0039][0040][0041]其中，(x0,y0)为一个初始值，则x＝x0+δ
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种时钟与触发信号精确同步的TDOA短基线定位方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的一种时钟与触发信号精确同步的TDOA短基线定位方法，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的一种时钟与触发信号精确同步的TDOA短基线定位方法，其特征在于，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。4.根据要求1所述的一种时钟与触发信号精确同步的TDOA短基线定位方法，其特征在于，S4中所述时延估计的具体内容包括：x
i
(n)＝s(n)+v
i
(n)x
j
(n)＝αs(n
‑
E
t
)+v
j
(n)其中，x
i
(n)和x
j
(n)分别为基站i和基站j的时延估计数据，n为记录的时间戳，s(n)为接收的辐射源信号，E
t
为基站之间的理论时延差，α为衰减因子，v
i
(n)和为v
j
(n)基站i和基站j接收的噪声；基站i和基站j接收信号满足互相关函数R
ij
(τ)：其中，τ为估计时延差，ψ(f)为广义互相关函数，为两信号的互功率谱密度函数；ψ(f)＝H(f)H
*
(f)H(f)为加权函数；当τ＝E
t
时有最大值R
ij
(τ)，τ为时延差的估计值，即5.根据权利要求4所述的一种时钟与触发信号精确同步的TDOA短基线定位方法，其特征在于，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
ct
，计算校准源的时延差估计值对比校准源的时延差的估计值和理论值E
ct
获取时延估计的系统误差则目标辐射源的时延差的精确估计值其中为计算的目标辐射源的时延差的估计值。6.根据权利要求1所述的一种时钟与触发信号精确同步的TDOA短基线定位方法，其特征在于，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
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；E
ij
＝E
i
‑
E
j
R
ij
＝cE
ij
E

【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：