摘 要：介紹了TDOA（Time difference of Arrival）的基本原理，列舉了TDOA 定位的優勢，并且通過實例分析其在實際應用中的有效性，結合實驗數據分析了影響TDOA 的因素。本文提出TDOA 是一種簡單高效的定位方式，可以被廣泛應用在無線電監測工作中。

1、TDOA 介紹

對干擾源的定位是無線電頻譜管理的重要內容之一，主要的定位方法包括兩大類：復合角度定位法和時間差定位法。復合角度定位法基于無線電測向工作，通過多個無線電監測站點對同一個信號進行測向，利用測向射線（角度）的交會進行定位。時間差定位法則基于信號到達監測站的時間，通過時間距離換算進行交會定位。

TDOA 是一種利用時間差進行定位的方法，通過測量信號到達監測站的時間，可以確定信號源的距離。利用信號源到多個無線電監測站的距離（以無線電監測站為中心，距離為半徑作圓），就能確定信號的位置。通過比較信號到達多個監測站的時間差，就能作出以監測站為焦點、距離差為長軸的雙曲線，雙曲線的交點就是信號的位置（見圖1、圖2）。

圖1 TDOA 定位示意圖 圖2 雙曲線交會定位示意圖

TDOA 是基于多站點的定位系統，因此要對信號進行定位必須有至少3 個以上的監測站進行同時測量。而每個監測站的組成則相對比較簡單，主要包括接收機，天線和時間同步模塊。理論上現有的監測站只要具有時間同步模塊就能升級成為TDOA 監測站，而不需要復雜的技術改造。

2、TDOA 的優勢

相比復合角度的定位方法，TDOA 有以下的優點：

（1）TDOA 不存在相位模糊的問題，因此測向基線可以不受限制。傳統的測向方法需要通過相位來計算方位角，而相位測量存在2π 周期的不確定性，所以往往利用天線基線小于信號波長的方法來避免2π 周期的回繞。但是高頻信號的波長較短，使得測試天線的距離較近，容易產生信號耦合，使得測量產生誤差。而每個TDOA 監測站只需一個天線，從根本上解決了信號耦合的問題。

（2）TDOA 系統復雜度低。對于TDOA 監測站，只需配置監測天線和接收機即可，而且對于天線的要求不高，即便不同的監測點用不同的天線也沒有關系。而測向天線本身就是一組天線組成的天線陣列，并且陣列中各個天線的性能盡可能保持一致，否則會對測向的準確度帶來影響，從而使系統成本較高，不利于廣泛開展監測。

（3）TDOA 系統定位的精度較高。對于TDOA 檢測站而言其定位精度取決于時間測量的準確程度。通過優化后的算法，時間差的計算誤差在100ns 量級，從定位的準確度來說大約是30m。而A 級測向站的誤差一般是1 度，對于5km外的信號誤差在87m，10km 外的信號誤差達到了174m。

3、TDOA 的實際案例

本文選擇基于NI PXI 平臺的接收機產品作為TDOA 實驗的主要設備，包括寬帶接收機模塊、GPS 時鐘模塊和高速數據處理模塊。NI PXI 寬帶數字接收機最大帶寬達到了50MHz，可以滿足高速數字信號的接收需求，同時本底噪聲僅為9dB，對弱小信號有很強的監測能力，也使得監測的覆蓋半徑更大。高靈敏的GPS 模塊可以同時跟蹤12 顆GPS衛星，為時間差的測量精度提供保證。信號處理和計算模塊則選用了NI（美國國家儀器公司）最新推出的嵌入式控制器，其采用的i7 處理器，對多站信號的相關計算提供強大的處理能力。與此同時，開放的PXIe 系統總線除了提供高速數字傳輸外，很短的觸發延時也保證了時間測量的準確性。

此外，在TDOA 的天線選擇上面則更體現了系統的靈活性。實驗所選擇的監測站包括了一個新建的固定站（站點A）、一個10 年前建成的監測站（站點B）和一個搬移式監測站（站點C）。在站點A 使用的天線是一套高靈敏度的監測天線，其靈敏度達到了0.1μV/m。而站點B 則復用的原有的監測天線，通過開關切換實現不同設備的分時復用。站點C 采用的是搬移式天線，天線尺寸小。

由于站點A 和站點B 是固定站，站點架設過程已經先期完成。而在架設C 站時，只需將信號天線、GPS 天線接入接收機，展開天線即可，整個過程只需一個技術人員完成。

本文選取A 站點作為中心站，匯總B 站、C 站的信息進行計算。監測站之間的數據交換采用原始IQ 信號，匯總到A 站之后還能進一步記錄存盤，方便以后對算法的驗證和研究。整個數據傳輸使用3G 網絡和壓縮算法。實驗中，該系統響應及時、可靠。

在時間差的計算方面，目前采用的是信號相關算法。在本次實驗過程中，相關算法精度較高，并且對待測信號沒有特殊要求，是比較通用的信號算法。而存盤記錄的數據，可以用作干擾排查的證據記錄，通過回放數據顯示干擾源的發射狀態。同時，這些數據也能用于今后的算法研究、干擾排查的典型案例。

在實驗過程中，為了測試TDOA 的性能，本文選擇了4 個不同位置的信號源進行測量。表1 是信號源和監測站之間的相對位置情況。表2 所示為實際測試信號的到達時間差。

表1 信號源和監測站之間的相對位置（單位：米）

表2 實際測試信號的到達時間差（單位：μs）

通過換算，得到信號源到不同監測站的距離差，并且將這個差值用雙曲線標記在地圖上，可以得到測試結果（見圖3）。

圖3 實驗測試的結果

表3 所示為測試結果與實際臺站距離的誤差情況。

表3 測試結果與實際臺站距離的誤差（單位：米）

測試結果表明，最小定位誤差在18 米，最大的定位誤差在220 米，匹配并且超過A 級測向站的定位水平，說明TDOA 是一種非常有效的定位方法。

4、TDOA 測試結果討論

進一步分析不同位置的信號源的測試結果，可以看到當信號源落在監測站所組成的三角形內部時，定位的準確度最高，越靠三角形邊沿的位置，誤差越大。這一點可以從雙曲線曲率變化來解釋。圖4 中，藍色點是監測站的位置，雙曲線以等間隔組成坐標網格。黃色區域由相鄰一格雙曲線組成，對于三角形邊沿區域，相同的網格圍成的區域越大，測量的誤差也越大。修正這一問題的辦法是增加更多的監測站，通過初步定位選擇最合適的3 個站進行定位。這樣可以提高信號定位的準確度。

此外，針對TDOA 定位方式的特點，時間測量的精度十分重要，而影響測量的主要因素包括GPS 授時準確度和信號采樣誤差。本案例中采用了高性能的GPS，其標稱誤差僅為15ns，但是考慮到多個站點的GPS 信號誤差，在實際測量中兩個監測站GPS 的抖動小于20ns，不影響系統的整體指標。

圖4 TDOA 雙曲線示意圖

而采樣率則提供了信號分析的最小時間單位，如果采樣率太低，則時間分辨率不夠高，從而影響系統測量精度。在本實驗中采用的高速數字化儀，最高采樣率達到150Mb/s，時間分辨率在6.7ns，能夠充分滿足系統要求。

5、TDOA 定位小結

綜上所述，TDOA 定位是一個穩定可靠的基于網絡化的定位方式。美國國家儀器公司提出的基于模塊化儀器系統所搭建的頻譜監測接收機，可以提供具有高帶寬、低本底噪聲的高性能接收機模塊以及高精確性的時鐘模塊，是實現TDOA 定位系統的理想平臺。模塊化的結構可以最大限度地利用現有的檢測設備資源，適合新型無線電信號的定位與檢測。