TDOA的高级应用
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Monitoring Forum
TDOA
的高级应用
文丨成都瀚德科技有眼公司李伟王鹏孙露于波
摘要：本文从TDOA
甚本原理入手，介绍了使用基于TDOA
技术的多站协同进行宽带小信号发现、站间协同触
发定位以及同频信号分离定位的堪本原邱和方法，并通过典堺应用案例分析，给出了信号探测发现、短时和突发信号
的捕获、同频信号分离定位的测试结果。希望为无线电频谱监测管理工作提供一些新的可行方案。
关键词：TDOA
信号检测协同触发同频倍号分离
概述
TDOA是一种应用范围广、定位精度高的成熟无源
定位方法，广泛应用于无线电信号定位、通信设备蜂窝定
位、全球卫星定位系统等。当今无线电信号带宽较宽，功
率谱密度较低，旦大量应用跳频扩谱、直接扩谱和猝发等
技术，信号发现较为困难。同时，同频干扰和复杂频率发
射也为信号捕获和定位制造了困难。
随着
TDOA技术的不断发展，创新性使用
TDOA系
统可以对宽带小信号进行探测发现，对瞬发信号进行捕获
定位，对同频信号进行分离定位。
TDOA技术的站间协
同功能为无线电监管工作提供了新的思路和技术手段。
2传统的TDOA
TDOA是一种利用时间差进行定位的技术，具有定
位精度高、速度快、隐蔽性好、实用性强等特点，信号带宽越宽则定位精度越高，尤其适用于宽带低功率信号和脉
冲信号。此外，
TDOA还具有升级扩展方便、设备成本低、
环境兼容性强的特点，适用于高密度布站。
2.1 TDOA
基本原理
TDOA无源定位是通过测量无线电信号到达不同监
测站的时间差，对信号源进行定位的技术。
主持人简介：
周晓松，硕士，高级工程师：毕业于东南大学无线电工程系
微波与电磁场专业。
1991年至丨997年，在中国工程物理研究院电子工程研究所
担任研发组长；1997年至2014年，任成都泰格微波技术有限公
司副总经理；2014年至今，任成都翰德科技有限公司总经理。在
从事无线电与微波制造行业的20年间，周晓松先后在绵阳九院、
泰格微波参与过北斗等国家重点项目，主持了公司多项重大项目
的研究开发工作，在无线电通信、无线电监测技术与管理领域积
累了丰富的经验。
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.:-9.3 -6.3
图4不同带宽信号检测概率8.7 11.；
3.2短时信号触发捕获
TDOA站点为长基线站点，由于空间传播损耗、遮挡、
反射等因素的影响，多个站点接收到同一个信号的强度往图3淹没于底噪的信号及其相关峰值
3.1.2不同信
P喿比下的检测概率
使用站间协同互相关的信号检测方法，能够大大提高
信号检测的灵敏度，这种检测方法可以检测到淹没于底噪
(负信噪比）之中的信号。在不同信噪比下对不同带宽的
信号进行信号检测分析，可得图4结果。由图4可知，
协同互相关方法能够有效地检测宽带小信号，在信噪比达
到-6.3
dB时信号检测概率可达85%以上。图2广义互相关原理
2.2.2时差定位
获得了
TDOA的测量值之后，就可以换算得到信号
源与不同监测站之间的距离差，进而根据多组距离差建
立关于信号源位置的定位方程，求解该方程就可以得到
信号源的估算位置。时差定位主要有
Taylor级数算法和
Chan算法。
Taylor级数算法对目标估计精度更高，但
运算时间更长；
Chan算法容易出现模糊与无解的情况，
但计算速度快。工程实践中通常采用
Chan算法计算目
标初始位置，作为
Taylor级数算法的初值输入，可减少
Taylor级数算法迭代次数，从而快速得到高精度时差定
位结果。
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TDOA的高级应用
传统网格化系统站点独立运行监测任务，缺少站间协
同功能。
TDOA站点具有高精度时间同步能力，可利用
多个站点的站间协同能力实现单个站点不能完成的功能，
如宽带小信号发现、短时信号捕获定位和同频信号分离定
位等。
3.1宽带小信号发现
现代通信中常用的扩频通信技术极大地提高了无线通
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如图
i所示，两个定点的距离之差为定值点的轨迹，
是双曲线。在工程应用中，测量信号源到达两个监测站的
距离差，就可以确定一条双曲线。三个（或以上）监测站
监测到该信号源所发射的信号时，可确定多条双曲线，多
条双曲线的交点即为被测信号源的实际位置。
2.2关键技术
2.2.1时差估计
可通过对同一信号经过不同传播路径后产生的信号进
行互相关，然后搜索互相关函数峰值得到信号传播的时间
差。在噪声与信号、噪声与噪声都不相关的情况下，可以
使用广义互相关的方法进行时延估计，对接收信号进行预
滤波处理，对信号进行白化，从而提高信噪比。选取不同
的窗函数会得到不同的时延估计结果，从而得到不同的广
义互相关函数算法。其基本原理如图2所示。信的抗干扰能力和安全性。与此同时，频带展宽使信号具
有很低的功率谱密度，甚至被淹没在噪声里，扩谱信号的
探测发现难度大大提高。
3. ].1负信噪比信号检测
传统的无线电监测采用门限检测的方案对信号进行检
测，但淹没于底噪的信号无法被检测到。通过守候在关注
频点的定时可触发
TDOA站点，使用相关算法可以方便
地检测到淹没于底噪之中的信号。
如图3所示，-0.5
dB
fx
V的信号从100
kHz扩频到
20
MHz带宽（信噪比降低约23
dB )之后，便淹没于底
噪之下，不能使用电平门限检测到该信号，但是依然可以
使用站间协同相关的方法检测出该信号。
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往存在较大差异。如果要求多个站点都达到一定的门限，
在工程实现上条件比较苛刻，难以触发。
多站协同定位时，某站点发现信号。通过网络将该信
号传递到控制中心发起多站
TD〇
A任务时，短时猝发信
号往往会丟失。
因此工作人员设计了一种支持单一站点触发，自动调
节未触发站点进行
TDO
A定位的工作模式，这种工作模
式叫作协同触发。协同触发有常规模式和高速模式两种工
作模式。
3.2.1常规模式协同触发
常规模式主要实现大范围的信号探测发现和
TD〇
A
定位，能够捕获亚秒级的信号。
各个监测设备可独立运行基于全景扫描的实时侦测任
务。这种模式下，设备独自根据电平门限对信号进行检测，
设备具有极高的扫描速度，具有快速发现大频段范围异常
信号的能力。当某个站点发现异常信号之后，立刻上报控
制中心，系统立即调动多个站点对信号进行
TDOA定位，
实现亚秒级的协同
TD〇
A触发。这种工作模式响应时间
较长，无法对短时信号进行捕获。
3.2.2高速模式协_发
高速模式能够实现在容许时间范围内不丟失信号的
TDOA触发定位，从而对毫秒级甚至更短的短时信号进
行触发捕获。
系统进入高速协同触发模式之后，各个监测设备工作
在
IQ循环存储模式下，并对信号进行实时检测，一旦检
测到信号将触发时间戳的生成，如图5所示。任何一个设备触发之后，立即回传时间戳到控制中心，
只要系统网络延时小于2
s (基于80
MHz带宽信号），
即可回溯调取该时间所有站点的1〇数据和高精度时间戳，
进而实现短时信号（毫秒级）的协同
TDOA触发功能。
3.3同频信号分离
同频信号分离的主要思想是，通过双曲线交点的合理
性实现同频信号分离功能。三个站点绘制3条双曲线时，
会产生由两条曲线和3条双曲线相交形成的交点。一般认
为，真实存在的信号存在于3条双曲线的交点处，两条双
曲线交点不存在真实信号。如果站点覆盖范围内有多个信
号，只有真实存在的信号的双曲线才会汇聚到一起，然后
再根据这个规则来对多个信号进行分离定位。
3.3.]多相关峰时差的提取
通过试验，构造了两个具有不同时延的同频非相
干信号的多相关峰提取情景，两个信号分别为
FM调
制和
Chirp调制，时延差为1333
ns (等效距离差为
400
m )，带宽均为5
MHz,其中
FM信号比
Chkp信号
低6
dB,其相关峰谱如图6所示。
图6两个不同时延信号的相关峰谱图
由图6可以看出，系统能够明显地分辨出两个不同的
相关峰，实际测量的时延为1338
ns。
3.3.2交点阶次概念
交点阶次是由
N条双曲线相交形成的交点，定义为
N阶交点。如：两条双曲线相交形成的交点称为二阶交点，
3条双曲线都相交于一点形成的交点称为三阶交点。
满阶次定义：
M个站点最多可以绘制条双曲线，
由
C&条双曲线相交形成的交点定义为满阶次交点。对于
三、四、五个站点，满阶次交点分别为三、六、十阶交点，
真实信号存在于满阶次交点处。
多组双曲线会产生不同阶次的交点，图7为四站点
TDOA系统双曲线交会情况，四个站点形成六组基线，
不同时差的数据会产生大量交点，其中达到满阶交点（六
阶交点）的只有真实信源处，其他位置交点阶次均未达到
满阶。
工程实践中，利用
TDOA站点对未知信号进行定位
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