基于TDOA的无线电台被动定位算法研究文献综述

 2022-09-24 12:00:41

  1. 文献综述(或调研报告):

主动定位技术也可称作有源定位,该技术需要定位设备首先向定位目标发射特定的无线信号并接收目标的返回信号,通过分析和处理返回信号实现对目标的探测、定位和跟踪等功能。其又可分为合作式主动定位和非合作式主动定位两种方式。主动定位是指在定位过程中定位目标和定位设备之间具有某种合作关系,它们根据事先制定的协议或者某种商定参量作为定位参数,定位设备根据返回信号结合先验知识锁定目标位置的方法。这一定位技术的典型应用就是当前最遍的卫星定位系统,例如全球定位系统(GPS)、伽利略卫星导航系统、全球卫星导航系统( GLONASS)以及北斗卫星导航系统(BDS)。其他合作式主动定位的技术还包括到达时间(TOA)法和双程间(RTT)法。非合作式主动定位技术是一种在定位设备和定位目标之间不存在任何可辅助位的联系甚至处于敌对情况时的定位技术。其典型应用就是声呐系统和雷达系统。

被动定位技术也可称作无源定位。其不需要在定位过程中向外辐射电磁波信号,仅利用目标的辐射对特定已知信号的反射信号完成对目标的定位任务,是一项非合作的定位技术。被动定位技术在接收信号中提取特定的定位参数例接收到的信号强度、角度信息、相位变化率,或者通过比较多接收信号的到达时间差、频率差等信息测算出目标辐射源位置信息。

在实际应用中,被动定位技术相比于主动定位具有很多明显的优势:(1)隐蔽性强:定位过程中被动定位系统仅接收辐射源发射的无线信号,其自身无需向外辐射任何用于定位的信号,大大降低了其被发现的可能性。(2)定位精度高:被动定位技术通过信号处理技术在时域、频域、空域等多个维域深度挖掘隐藏在接收信号中的有用信息,其可获得的定位精度一般都较高。(3)定位设备小型化且成本低:由于被动定位技术不需向外发送大功率的无线信号,仅依靠一台或者数台可用于定位的传感器就能实现对目标的可靠定位,且例如 TDOA/FDOA等技术采用成本低廉的传感器网络进行定位,相比于主动定位方式大大降低了相关设备成本。(4)广泛的应用场景:被动定位技术不需要如卫星或者雷达这样的特种设备,仅需布设相应的传感器节点,因此其可在任何场景中快速部署投入使用。显然,这些优势就决定了被动定位技术将在电磁环境日益复杂的战场中获得更多的应用空间,基于被动定位技术的目标探测、定位和跟踪已经成为战场隐蔽侦査的重要信息来源。被动定位技术包括接收信号强度指示(RSSI)法,到达角度(AOA)法,到达时间差(TDOA),到达频率差(FDOA)法以及无源雷达技术等。

近年来,被动定位技术中基于到达TDOA的定位方法成为一个重要的研究方向。TDOA定位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。利用信号源到各个监测站的距离(以监测站为中心,距离为半径作圆),就能确定信号的位置。但是绝对时间一般比较难测量,通过比较信号到达各个监测站的绝对时间差,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。

TDOA技术在工程上实现存有诸多问题,如时间同步、信号采集时间、站间数据传输等。近年来随着数字信号处理、GPS、信号存储等通信技术的进步,TDOA的发展有些已经得到了很好的解决,其自身简单经济、易组网高精度、宽频带等特点正日益显示优势,并在国际上一些领域获得了实际应用:

(1)军事领域领域的应用。目前,TDOA技术在军事上广泛应用于雷达定位系统。国外军事雷达采用TD0A技术的典型装备有捷克的“培玛拉”、改进型“维拉”系统(第一个侦查到美国F117隐形战机的雷达系统);俄罗斯的VEGA85V6A三坐标无源定位系统;美国的 ANRQ109移动式无源定位系统;乌克兰的“铠甲”空情侦查系统等。2010年11月央视公布的由我国自主研发的LC-20双站无源测向和定位雷达(中国版“维拉”),就是采用TDOA技术,能识破美国的F22隐形战机。所以说TDOA技术在军事雷达技术上已经成为一种必备手段和装备。

(2)民用领域的应用。TDOA技术在民用中广泛应用于公众移动通信网络定位服务。美国联邦通信委员会规定到2001年10月1日以前各种无线蜂窝网络必须能对拨打911报警的移动电话提供精度在125米内的定位服务,并且满足此定位精度概率不低于67%;在2001年以后,提供更高的定位精度及三维位置信息。TD0A技术正是在这一发展机遇下,通过为移动通信网提供一种有效的定位服务而得到广泛应用。不仅能得到手机用户的位置信息,提供给用户本人或通信系统,还可以提供给其它请求得到该用户位置的机构或个人。目前,TDOA技术在紧急救援、汽车导航、智能交通、蜂窝系统优化设计等方面发挥着重要作用。

(3)无线传感网络中的应用。无线传感网络是指以无线方式借助于传感节点中内置的传感器测量周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号,从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土填成分、移动物体的大小、速度和方向等物质现象。欧洲和美国分别于2002年启动了无线传感网络的研究项目。2004年,中国国家自然科学基金委员会将无线传感网络列为重点研究项目,2005年开始定制无线传感网络的标准。无线传感网络被列为2008年国家设立的18个重大研究专项之一,可以说在国内无线传感网络领域内得到了蓬勃发展。

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