对TDOA无线定位技术的研究与展望

对TDOA无线定位技术的研究与展望

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来源：《上海信息化》 2013年第5期

近年来，随着蜂窝移动通信技术的迅速发展，蜂窝无线定位技术越来越受到人们的重视。

而TDOA技术因其便捷性与可操作性：无需对现有网络设备加以大规模改造就可实现对移动台的高精度定位，极大地降低了时间同步要求，因而成为了蜂窝网络无线定位技术的研究重点。同时，TDOA技术可以很好地同传感器网络、物联网和网格化监测等概念融合，成为覆盖重点区域

和实现大面积传感器布局的有效技术手段。

文／徐弘良

TDOA(Time Difference Of Arrival)是一种基于时间到达差来定位的技术，起始于“罗兰”导航系统，主要利用船上设备测量多个已经方位信号源的信号到达时间差来确定自身位置；对

无线电监测来讲，TDOA就是利用一个信号源到达多个监测站的时间差来确定信号源的位置。

TDOA技术概述

时差测向法(TDOA)是利用电磁波波前到达某一测向站不同天线单元的时差，采用距离单位

的TDOA避免了传统相位测量的相位模糊问题，从而可以通过距离较远的天线接收单元（或不同位置的监测站）实现定位。

该技术的基本原理为假设信号源处于多个监测站的覆盖范围内，当需要定位该信号源时，

由于固定站离信号源的距离远近不同，因此，信号到达不同监测站的时间就不相同。在任一时刻，任何两个监测站收到信号的时间之差我们看成瞬时定值，根据双曲线的定义：到两定点的

距离之差是一定值的动点的轨迹集合是一双曲线。所以，此时由时差所确定的双曲线是以两个

监测站为定点的瞬时双曲线。而不同监测站间任一两两监测站可以确定多组双曲线，而它们的

交点就是信号源的实际位置。

如图一所示，根据信号到达A站和B站的时间差，可计算出信号源T位于曲线MN上：根据信号到达A站和c站的时间差，可以计算出信号源T位于曲线RS上，因此两者一结合即可得到信号源T的位置。

当信号源位置固定时，即可得到信号源位于两站之间的双曲线方程，根据相同步骤，继续计算两站之间的双曲线方程，这两个之间的交点即为信号源位置的数学求解。

通过上述双曲线方程，可以确定如何得到信号到达两个监测站的时间差，是求解的关键。而在实际环境中，基本无法通过直接比较两个监测站收到信号的时间来得到差值，，因此往往通过对两个监测站收到的信号进行互相关运算来求解。

假定到达两个监测站的信号分别为X1(t)和X2(t)，且两者之间的时间差为，，则有如下表达式：

x1(t)=s(t)+n1(t)

X1(t) =As(t-t)+n2(t)

其中A为两个信号之间的幅度比，ni(t)和n2(t)为到达两个监测站时经过不同无线信道传输所叠加的噪声。对X1(t)和X2(t)进行互相关计算，求解RXIX2得到如下表达式：

国际研究现状和产业应用

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，并在国际上一些产应领域获得了实际应用。

军事和民用领域的应用。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TDOA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VEGA85 V6-A三坐标无源定位系统；美国的AN/TRQ 109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YLC-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。

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。TDOA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。全球范围内，预计到2014年，移动手机定位服务将产生超过127亿美元的收入。

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、土壤成分、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。

目前国际学术界每年对TDOA技术和无线传感网结合感兴趣的专刊有《IEEE Journal on Selected Area inCommunication》、《Proceeding ofIEEE》、《IEEEWireless Communication》等，相关的国际会议有“WirelessCommunication and Networking Conference”、“ISCIT”、“ICASSP”等。无线传感网络的相关国际标准见图二：

ITU对TDOA技术的研究。ITU（国际电信联盟）对TDOA技术一直处于关注和研究之中，并

对这一技术在无线环境中的应用取得了一定的研究成果。

2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WSIS)上，国际电信联盟(ITU)发

布了《ITU互联网报告2005:物联网》。报告中指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换。射频识别技

术(RFID)、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术、无线定位技术将得到广泛应用。

对TDOA在无线电监测和频谱管理上的应用，ITU这些年来也投入了持续的研究。在2007

年开始的ITU-RSG1研究组第234/1号课题中，研究了TDOA或者FDOA技术如何替代现有的无线电定位技术，并对TDOA技术面向多种辐射类型的不同情况与现有DF技术进行性能比较。