摘要
以基于轻型无人机平台的空基定位系统实施干扰查找为应用背景,对多平台到达时差定位(Time difference of arrival, TDOA)实现机理进行了深入分析。针对TDOA定位前无人机群快速抵达最佳定位区域,进而实现有效定位的问题,提出了一种基于接收信号强度(Received signal strength, RSS)定位辅助信息的TDOA定位方法,详细描述了定位流程和关键场景。通过方法可行性论证和定位性能分析得出:该方法可在定位流程自动化实施顺利的前提下,使系统最长定位耗时控制在无人机的一个续航周期内。
在无线电监测系统应用中,相比于基于到达角度定位(Angle of arrival, AOA)等传统无源定位技术,到达时差定位(Time difference of arrival, TDOA)具有精度高、稳定性强、系统实现复杂度低、易组网和对环境要求低等优点,非常适用于无人机载平台,而利用多架低成本无人机构成多站无源定位系统,可有效改善地面干扰测向系统在市区和其他复杂环境中多径、非视距传播条件下测向精度急剧恶化等问题。目前,国内外对基于TDOA的无源定位技术及其应用有深入而广泛的研究,但相关技术创新多集中于定位解算算法的优化和定位精度影响因素分析及提升研
本文针对TDOA定位前无人机群快速抵达最佳定位区域,进而实现有效定位的问题,提出了一种基于接收信号强度(Received signal strength, RSS)定位辅助信息的TDOA定位方法,利用RSS定位来引导无人机群完成TDOA有效布阵区域抵达,无需进行其它额外硬件部署,只需添加RSS定位解算和相应的无人机群目标位置生成代码,即可实现无人机群从起飞点至目标布站区域的快速抵达。
TDOA无源定位通过测量无线电信号到达不同监测节点的时间差,来对无线电信号发射源进行定位。其定位原理示意如

图1 TDOA定位原理示意图
Fig.1 Schematic diagram of TDOA positioning principle
(1) |
式中,为电波传播速度,为目标信号到达节点()与到达主节点()的时间差测量值,则该关系式确定的非线性方程组的最终解在几何空间中即代表目标位置。 对应的定位精度分析表明多平台TDOA定位的最终定位精度与节点位置误差(无人机自机定位误差)、时差测量精度和目标辐射源与各监测节点的几何位置有
当目标与传感器间的距离相对于传感器间的基线长度很大时,在目标所在区域中双曲位置线将趋于平行,噪声或者很小的测量误差都会产生相当大的定位误差。

图2 不同布站形式下的定位误差分布图
Fig.2 Location error distribution under different station placements
目前被广泛应用于室内定位的RSS定位技
假设两个参考节点收到目标发出的信号强度分别为和,信号强度衰减在自由空间环境中的经验模型为
(2) |
则有
(3) |
令,则。若目标点位置为,两个参考节点的位置分别为和,则有
(4) |
当时,的轨迹是以两参考节点为端点的线段的中垂线。当时,的轨迹是一个圆,如

图3 差圆法示意图
Fig.3 Schematic diagram of difference circle method
(5) |
半径为
(6) |
实际应用时,通常设定阈值(为一固定常数),当时,用两参考节点的中垂线方程代替圆方程。即
(7) |
依据
基于RSS的多平台TDOA时差定位的核心思想为:在TDOA定位前,先进行RSS辅助定位和阵型移动,使无人机定位阵型的最佳定位区域尽快覆盖干扰源较大概率分布区域。根据前述TDOA定位原理分析可知,TDOA参考基站阵型的不同,其定位性能存在差异,且每种阵型对应的最佳定位区域也不同,

图4 不同阵型下5节点TDOA最佳定位区域示意
Fig.4 The best positioning region of five nodes TDOA under different positioning formations
RSS定位解算原理与TDOA类似,且RSS定位结果仅作为快速引导无人机群到达TDOA有效定位区域的依据,其结果对最终定位精度无影响,系统最终定位精度取决于TDOA的定位精度。基于RSS定位的TDOA时差定位流程如

图5 基于RSS定位的TDOA时差定位流程
Fig.5 Positioning flow of TDOA based on RSS
以5节点无人机群的RSS+TDOA定位为例,对其基于爪型阵分布的定位场景的具体分析过程如下:
(1)定位任务开始时,真实目标位置在定位阵型之外;此时启动RSS定位,获取目标位置概率位置。首次RSS定位后,因为法线方向发散的原因,定位区域误差较大,目标可能概率区域较大(

图6 RSS初步定位效果示意
Fig.6 Schematic description of RSS initial positioning effect
(2)无人机群按照

图7 移动过程示意
Fig.7 Schematic description of movement process
(3)无人机群第1次整体移动完毕后,再次启动RSS定位,可能结果如

图8 再次RSS定位结果效果示意
Fig.8 Schematic result of the second RSS
(4)经过两次RSS定位后,可获取较高精度,若未达到支撑干扰排查需要的定位精度,则需要再次微调阵型,使其达到

图9 RSS最终定位结果示意
Fig.9 The final location result of RSS
(5)RSS定位达到目标区域后,启动TDOA定位。若单次TDOA定位结果未进入当前阵型的最佳定位区域,可仿照步骤(2)—(4),对阵型位置进行平移微调,使阵型对应的最佳定位区域的中心与TDOA初次定位估计点重合。通常,最多经过1次移动,即可保证TDOA定位结果进入理论上的最佳定位区域,从而保证最终定位精度。
作为TDOA定位前置步骤,RSS定位的解算是基于到达强度的精确测量进行的,但在实际应用环境中,信号强度的测量误差往往较大。电平估计误差与信噪比的关系计算方法为(以下公式中的电平与信噪比均已换算至分贝单位下而非十进制)
(8) |
对于检测门限(信噪比5 dB)附近的信号,误差可达1.6 dB,对应的相对误差范围约为-31% ~ +45%。根据自由空间传播模型(
为验证利用RSS定位结果辅助无人机群逼近完成TDOA有效定位方法的可行性,本文对特定阵型下的RSS定位和TDOA定位进行仿真,主要针对两个问题:
(1)通过优选阵型下的TDOA仿真,验证TDOA有效定位区域是否覆盖RSS定位最大误差范围,以确认在RSS最大定位误差情况下,RSS定位仍可引导无人机群平移至TDOA有效定位区实施最终定位。
(2)通过RSS仿真分析,要使后续TDOA的解算精度达到系统定位要求,所需RSS定位的最大次数。
本文首先在干扰源发射功率、自机定位误差、时间同步误差等TDOA定位精度影响因素均取典型值(10 W,5 m,20 ns)的情况下,进行无人机群阵型和节点个数优选仿真,并在选定最佳阵型5点爪型阵(

图10 TDOA调整定位示意
Fig.10 TDOA adjustment positioning schematic

图11 TDOA仿真最佳阵型(5点爪形阵)
Fig.11 TDOA simulation under the best formation(5‑point claw array)
根据TDOA定位各独立误差源的影响仿真分析可得:在定位精度要求30 m(最终可步行查找干扰源)的应用背景下,定位基线为1 000 m时,定位达标区域分布最合理,且区域内最大定位误差最小。干扰在可被正常检测的功率取值范围内,其发射功率对定位误差影响可忽略。自机定位误差和时间同步误差均与定位精度呈类正比例线性关系,与达标区域面积则近似反比例关系。基线长度为1 000 m,干扰强度为10 W,自机定位误差5 m和时间同步误差20 ns采用市场常规指标下TDOA定位精度分布图如

图12 TDOA定位精度分布图
Fig.12 TDOA positioning accuracy distribution diagram
由
针对验证的第2个问题,采用在定位精度最恶劣(发射功率最低Pt=1 W)的情况进行定位次数分析。

图13 干扰源发射功率为1 W时RSS定位精度分布图
Fig.13 Positioning accuracy distribution of RSS with the transmitting power 1 W
上述仿真时信号的测量误差来源方面仅考虑了20 MHz的热噪声,而实际应用中干扰信号强度的测量可能面临更多的误差因素,从上述仿真结果分析,以距离干扰源10 km范围开始进行RSS定位,3次RSS之后可达数十米量级,即便考虑实际误差因素引起的强度测量误差,RSS定位后误差也可控制在数百米量级,符合TDOA定位最佳区域抵达要求。若系统作用半径按5 km估算,TDOA定位启动前,3次RSS定位足够满足后续要求,因此,RSS定位最大次数为3。
然而实际情况下,即使通过RSS辅助定位和阵型移动,使无人机定位阵型的最佳定位区域覆盖了RSS的定位结果,对应的初次TDOA定位结果仍有一定概率不能进入阵型最佳定位区域,此时则需要对阵型进行微调后实施二次定位(如
利用RSS定位信息进行TDOA定位辅助是TDOA定位时无人机群从起飞点快速飞至目标布站区的针对性解决方案,该方法对系统指标的贡献主要体现在缩短定位时间上,因此,对于RSS+TDOA定位方法的效能评估主要是对定位时间进行考察和评估。
典型的无先验信息的空基干扰源定位(如
主无人机升空查找时,每个高度停留需要旋转360°,对东、西、南、北、东南、西北等8个方向进行检测查找。若升空高度以100 m为步进,则最多需要停留4次(h=200/300/400/500 m),高度调整时间需要40~100 s,而无人机姿态调整时间不超过2 s,则每个高度下旋转和停留检测时间不超过16 s。因此,主无人机升空查找步骤最短耗时为40+16=56 s,最长耗时为100+16×4=164 s,典型时间取两者平均为110 s。
主无人机移动逼近过程无需悬停,是一个连续逼近过程。由于无人机飞行路线不是理想的直线飞行路线,主机利用比幅测向引导飞行时,移动逼近的路线最差情况下可近似为一个直径为系统覆盖半径R的半圆弧(如

图14 主无人机移动逼近路线示意
Fig.14 Schematic moving route of the main UAV
若阵型各节点距离中心最远约500 m,则辅机移动并组成阵型的最短耗时为200/5+500/20=65 s,最长耗时为500/5+5 000/20=350 s,典型时间取两者平均207 s。
RSS定位本身采集信号所需时间并不多(采集+解算可控制在5 s内),该过程主要时间消耗在两次RSS之间的阵型平移上。考虑到RSS定位次数最多为3次,移动距离总共最大为5 km。因此,无人机群RSS定位的最短耗时为5 s,最长耗时为5×3+5 000/20=265 s,典型时间取两者平均为135 s。
目前,无线电测向交叉定位是电子侦察领域实际应用最为广泛的一种方法,本文以该方法为参照进行效能对比。以干扰源位于发现地点5 km范围内为前提,从4.1.2节的TDOA仿真结果来看,本文方法在目标到达TDOA阵型有效定位区内启动TDOA定位,可确保20 min内市场常规参数下的TDOA定位误差控制在50 m以内(见
本文针对利用多站TDOA无源定位进行干扰查找时,如何使多个移动站快速逼近目标并有效进行TDOA定位等问题,采用RSS定位结果辅助引导目标最佳定位区快速抵达的方法,解决了干扰查找实际应用中因目标距离受扰点位置不明,干扰查找系统如何迅速逼近、实施有效定位,进而缩短整体定位时间的问题。文中描述了基于RSS的多平台TDOA时差定位流程和关键定位场景,并以基于轻型无人机平台的空基定位系统实施干扰查找为应用背景,对该方法的定位可行性及其对系统定位时间的贡献进行了详细分析论证。结果表明在定位流程自动化实施顺利的前提下,系统整个定位流程的最长耗时可控制在无人机一个续航周期(20 min)内。该方法和对应实现流程可为目前无线电监测和定位系统实现及其干扰查找应用提供一种有效思路和实践试探。
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