无源定位系统中的时差测量研究

无源定位系统中的时差测量研究摘要：无源时差定位又称为双曲线定位，是一种重要的无源定位方法，它通过处理三个或更多个接收站采集到的信号到达时间数据，从而对辐射源进行定位。时差定位系统具有精度高、定位快等优点，在工程中得到了广泛的应用。但是时差定位系统的精度主要取决于时延估计的精度，因此，研究快速、准确的时延估计方法成为时差定位系统中一个十分重要的课题。本文阐述了采用时差估计法进行无源定位的原理，对无源定位系统中窄带信号的时差测量算法进行了研究，介绍了时延估计研究的发展和趋势。对两种经典的时延估计方法——相关法和相位谱法进行了仿真分析，讨论了它们的演化过程和各自特点。然后对利用信号触发沿测量时差的方法进行简要分析，阐述了为提高测量精度而采用的插值算法的原理。本文算法程序均是用matlab仿真软件进行分析。关键词：无源定位时差测量时延估计相关法相位谱法matlabAbstract:Timedifferenceofarrival(TDOA)locationsystem，namelythehyperbolalocation，isanimportantpassivelocationmethod．Usingthetimedifferenceofsignalsarrivedtothreeormoredifferentstations，wecandeterminethepositionofthetargetwantedtobelocated．Becauseofitshighprecisionandfastlocationadvantages，itiswidelyusedinpractice．Butitsprecisiondependsontimedelayestimation，soresearchingfastandexacttimedelayestimationmethodbecomeahottopicinTDOAlocationsystem．Inthispaper,theprincipleofpassivelocationusingTDOAisdescribed,andtheresearchonalgorithmsfornarrow-bandsignalsinpassivelocationsystemisgiven,meanwhile,thedevelopmenthistoryoftheresearchesontimedelaymethodanditsdevelopmenttendencyareintroduced.Twotypicalmethodsoftimedelayestimation,namedcorrelationapproachandphasespectrumapproachrespectively,ofwhichthemathematicalderivationandcharacteristicsarepresented,aresimulatedandanalyzed.Afterthat,anothermethodwhichestimatesthetimedifferenceofarrivaldependingonthetriggeringedgeofarrivingsignalsissimulated,andthetheoryofinterpolationalgorithmapplyingtothetimedelayestimationtopromotetheprecisionisdescribed.AllprogramsofmentionedalgorithmsinthispaperarerunontheMatlabsoftware.Keywords:passivelocationtimedifferenceofarrival(TDOA)timedelayestimationcorrelationapproachphasespectrumapproachmatlab1绪论1.1引言无源定位技术可以在犯罪侦查、位置敏感付费以及车辆管理、导航和智能交通系统（ITS）等多方面有着广泛应用[1]。另外在军事上。雷达电子战发展到一个新的阶段，电子干扰、反辐射导弹、低空突防和隐身武器已成为当今雷达面临的四大威胁。传统的有源雷达不仅很难完成预定的任务，而且自身的生存也成了紧迫问题。由于被动探测系统本身不发射电磁波，完全是被动工作方式，较有源定位方法具有作用距离远、隐蔽接收、不易被对方发觉的优点，这对于提高系统在电子战环境下的生存能力具有重要的作用，所以近年来，多站无源探测工作方式日益受到广泛重视[2]。目前，无线电无源测向定位有多种方法，但可用于精密测向的方法主要有两种，一种是数字相位干涉仪的方法，另一种是时差测量的方法，因为对间的测量精度比相位要高，因此具有更高的定位精度。相位干涉仪的致命弱点是存在相位模糊问题，为了解决这个问题，必须将天线放得较近，而天线较近又会引起较大的测向误差。为了保持较高的测向精度和消除相位模糊，常采用多基线方法。由于多基线方法采用了多个天线和接收机，所以它的体积和设备的复杂性都较高，成本也就相应提高了，并且还不能解决多信号同时测向的问题。随着数字技术和通信技术的发展，利用多个接收机进行高精度测量时并用时间差来进行定位成为可能。为了彻底解决数字相位干涉仪的弱点，近几年国际上发展了时差测向定位技术[3]。1.2时差测量1.2.1时差测量基本概念时差测量是无源定位中的关键技术之一，时差测量的精度和误差直接影响无源定位的指标。它主要指利用信号处理的理论和方法对不同接收器所接收信号的时间差进行估计，来确定其他相关参量，如信号源的距离、方位、速度和移动方向等[4]。1.2.2时差定位基本原理时差定位是一种重要的无源定位方法，它利用平面或空间中的多个(接收机)测量站，分别测出同一个辐射源信号到达各测量站的到达时间差，由此确定辐射源在平面或空间中的位置。在二维平面中，辐射源信号到达两测量站的时间差规定了一对以两站为焦点的双曲线，利用三站就可形成两条单边双曲线来产生交点，以确定辐射源的位置。在空间情况下，则至少需要四个测量站以确定辐射源的位置。根据测量站间基线的长短，无源时差定位系统又可分为长基线时差定位系统和短基线时差定位系统。在地基情况下，采用长基线时差定位，具有精度高、对设备要求低的优点。由于时间差的测量是绝对的，没有模糊性，因此，这项技术在保持高精度侧向定位的同时不会产生相位模糊，时差测向定位适应的工作频带宽，定位精度高，所需信道数量少，对天线方向图要求不苛刻，定位精度与频率无关，特别适用于天线难于做成一致和信号频率未知、快变的情况。但这些优点是以技术难度作为代价的，时差法定位对接收机系统提出了很高的要求，这些要求集中反映在各路接收机的幄度(增益)一致性、相位一致性和响应带宽一致性[3]。TDOA定位原理示意图[5]如图所示，分别在不同的区域布设A、B和C三个监测站，同步接收由位于T的干扰源发出的无线电信号，通过相关算法计算出接收到的两个信号的时间差ABt和BCt，由时间差乘以电波的传播速度，就可以得到距离差，由距离差可以画出两条双曲线MN和RS,2条双曲线相交的交点T即为干扰源的位置。图1.TDOA无源定位原理如上所述，实现TDOA定位的关键是计算无线电信号到达2个接收天线的时间差，由于接收天线位于不同的地点。因此，必须实现所有监测站数据的同步采集，此是实现TDOA定位的关键技术之一，此项技术目前已经成熟，采用GPS、有线或无线电信号触发数据采集方式均可。关键技术之二是计算接收到的信号的时间差，目前人们已经研究了多种方法，如相关函数法、广义相关法、相位谱法和高阶累计量法等。但是时差定位系统的精度主要取决于时延估计的精度，因此，研究快速、准确的时延估计方法成为时差定位系统中一个十分重要的课题。1.3时延估计1.3.1时延估计的基本问题[6]准确并迅速的估计出接收机或接收机阵列接收到的同源信号之间的时间差是时间延迟估计要解决的基本问题。但是在实际情况中，由于各种噪声带来的干扰，使得接收到的信号往往被淹没其中。因此对信号进行时间延迟估计之前首先要进行预处理，尽可能的排除噪声的干扰，提高信号的信噪比从而提高时间延迟估计的精度。在被测目标非静止的情况下，此时目标与接收机之间的相对运动将使时间延迟变成时变参量，即时间延迟信息随时间变化，这时将需要时间延迟估计系统具有一定的目标跟踪能力，随着目标的运动自适应的调整系统本身的参数，并不断更新时间延迟的估计值。在实际应用中，信源发出的信号并不会只经由一条路径直接到达接收机，而是会经过多条路径到达接收机，这就是时间延迟估计中的多径问题；另外，还会经常有多个信源目标同时出现在一个观测范围内的情况，这就是时间延迟估计中的多源问题。在多径多源的条件下，时间延迟估计问题将变得非常复杂，除了要考虑噪声的干扰之外，多个时间延迟的分辨问题将成为需要着力解决的关键问题。1.3.2时延估计的基本模型在被动时间延迟估计问题中，我们一般假设信号在信道中是以无色散球面波进行传播的。此外我们还经常假设信号源与接收机在同一个平面内，这样就可以将三维空间简化为二维空间。对于二维空间，球面波便退化为柱面波。如果信源与接收机或接收机阵列的距离很远，则可以认为信源辐射出的信号是以平面波的形式进行传播的[6]。时间延迟估计的基本模型为双基元模型，如图所示。图中A与B是相距为三的两个接收机，S表示目标信源。设A与B接收到的信号分别为)(tx和)(ty,则时间延迟估计的连续双基元模型如式(1)所示：)()()()()()(2tvDtstytvtstxi(1)其中)(ts表示源信号，D表示时间延迟真值，表示幅度衰减因子。)(1tv和)(2tv分别为接收机A与B的噪声。为了便于分析，通常我们都假定源信号)(ts和两噪声信号)(1tv、)(2tv均服从均值为0的高斯分布，且三者之间互不相关。图2.时延估计模型对于离散时间系统，其离散双基元时间延迟模型可以从式（1）推出，即：)()()()()()(2nvDnsnynvnsnxi(2)在目标定位问题中，时间延迟值是一个非常关键的参数，其测量精度直接决定了对目标的定位精度，两者之间成正比关系。1.3.3时间延迟估计方法的发展现状[6]时间延迟估计技术最早起源于水声目标定位的研究。随着信号处理理论的不断革新，时间延迟估计技术也在不断的发展壮大，目前已经研究出了很多经典的时间延迟估计方法，如相关类时延估计法，这其中又包括基本相关法、广义相关法、循环相关法及谱相关法等。各种方法的出现均是由于以往的方法在一定程度上存在着缺陷，对其进行改进就得到了推广的方法。基本相关法的优点是简单易于实现，但受噪声影响较大，在信噪比较低时，其测量精度较低且不稳定，同时该方法还要求信号与噪声之间彼此相互独立，限制了实际中的应用范围。广义相关法是对基本相关算法的一种改进，相当于在对带噪信号进行时延估计之前先进行白化处理，提高信号的信噪比，可在低信噪比下得到较好的时延估计值。为了克服广义相关时延估计算法需要信号和噪声先验知识的不足。B．Widrow提出了自适应时延估计算法。这种算法不需要获得信号和噪声的统计先验知识。可以通过调整自身参数，跟踪时变的时延。但当滤波器阶数高时，存在计算量大，收敛速度慢等缺点。它是通过牺牲估计速度来放松对信号和噪声统计先验知识要求的。目前有关自适应时延估计法的改进算法有两种：(1)ETDE及可变步长法。该方法是在ETDE的基础上增加一个功率因子。将时延和信噪比解耦，用功率因子对变化的SNR进行跟踪。提高了收敛速度，达到无偏估计。ETDE及可变步长法适用于时变环境下信号的时延估计。但存在低信噪比情况下时延估计精度不高的问题。(2)基于拉格朗日插值的时延估计方法。ETDE及其相关的时延估计方法对平稳带通信号进行时延估计时能取得很好的估计精度。被证明是无偏的，但是在对欠抽样窄带信号进行时间延迟估计时是有偏的。它依赖于信号的频率和滤波器阶数。并由此