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浅谈TDOA

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-28 原文发表时间:2007-06-29 人气:1

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前言

　　随着卫星通信事业的迅猛发展，通信卫星越来越多地受到地面发射源的干扰，这些干扰给正常的卫星广播和通信业务的正常开展带来了巨大的威胁，甚至可能产生无法估量的社会影响。为了应对这些射频干扰，通过受扰卫星迅速而有效地确定地面干扰源位置是非常必要的，而利用传统的查找方法在精度和速度等方面很难满足要求。针对这种情况，1982年，英国国防评估研究局（DERA）开始利用时间差和频率差在相关频段进行干扰源定位的研究。1993年开始，他们对各种关键技术进行了详细的研究，并在此基础上研制出了干扰源定位系统satID。与此同时，美国的相关研究部门也对这一技术进行了研究，其关键技术在美国申请了专利。1999年美国Interferometrics公司研制成功商业化的干扰源定位系统TLS Model 2000。这两种定位系统基本解决了查找卫星地面干扰源的问题，受到了全球各大卫星公司、政府和军事部门的关注。到目前，TLS Model 2000系统已经售出19套，用户多为卫星运营商和政府部门，satID系统也拥有相当多的用户。该方法已成为解决卫星干扰源定位问题的首选方案。在我国，国家无线电监测中心北京监测站自从2002年以来，利用该技术成功地对二十余起干扰案例进行了定位，保护了国家的财产和卫星操作者的权益，同时在这方面也积累了不少实际查找的经验。

定位原理

　　当被干扰卫星受到干扰时，我们可在与其轨道位置邻近的卫星中选择一颗类型相同的卫星，选择的邻星不是唯一的，选择时需注意的几个关键因素将在后面介绍。由于干扰源必定有一定的旁瓣泄漏，所以干扰信号的一部分能量会被发射到这颗相邻的卫星上去。我们可以用监测站的两副天线分别接收这两个来自两颗卫星转发的信号，并将接收到的信号传送到定位系统中去。

　　显然，同一信号经历两颗卫星转发到达接收站的路径是不同的，因此，到达接收站的时间会存在一个时间差值，称之为TDOA （Time Difference of Arrival）。

　　同时，如图1所示，由于两颗卫星在空间中的运动状态并不相同，尽管发射的是同一个信号，但由于多普勒频移的影响，在到达接收站时存在一个频率差值，称之为到达频率差（FDOA）。

图1 干扰定位原理

　　TDOA和FDOA在空间中构成两个曲面，又由于干扰源必然位于地球表面，因此这三个曲面的交点中必然包含干扰源所在的位置。不同位置发射的信号，其对应的TDOA和FDOA不同，也就是说，TDOA和FDOA与上行站位置存在一一对应的关系（如图2所示）。

图2 三个曲面的交点

　　干扰源定位系统首先将两颗卫星的信号进行下变频，并利用时钟保持其相对的时间关系，其后的步骤是进行相关处理。相关处理利用了正交模糊函数[1]:

（1）。

　　其中:t是时间，T是相关的时间长度，υ是频率差，τ是时间差。

图3 正交模糊函数

　　每一个函数值是两路信号正交相关的结果，对应着两路信号的时间差和频率差。我们可对正交模糊函数进行三维可视化处理（如图3所示），实际上就是计算正交模糊函数值最大时的时间差和频率差。正交模糊函数首先利用较小的采样长度来粗略估计TDOA，然后利用较大的采样长度来估算较精确的时间差和频率差。最后对结果作内插处理，从而完成对时间差和频率差的测量。其相关信噪比与在定位系统的ADC处的三个因素有关:一是被测信号在被干扰卫星上的信噪比;二是被测信号在相邻卫星上的信噪比（通常为负值（dB）);三是定位系统的处理增益。相关计算公式见式（2）:

（2）。

　　其中:SNR为相关信噪比，snr1为被测信号在被干扰卫星上的信噪比，snr2为被测信号在相邻卫星上的信噪比，PG为定位系统的处理增益。

　　当相关信噪比SNR大于20时，一般可认为相关成功。此时的TDOA和FDOA可以用来进行后续的定位计算工作。

相位校准和位置校准

　　上文提到的时间差和频率差都是我们对接收的双星信号的实测数据，其中时间差的成分比较单纯，就是我们前面定义过的TDOA。而频率差中除了由于多普勒频移引起的FDOA以外，还包含另外的成分。由于静止轨道卫星位于距地心42164 km外的外太空，其各方面环境极为恶劣。星上的转发器的振荡器频率会随时发生变化，这就造成了同一频率的上行信号，其下行信号，扣除转发器本身的频率差外，还存在转发器本振的漂移值。这一数值通常在正负几十赫兹到几万赫兹之间，而通常的FDOA仅为不到10赫兹，因而这一转发器本振的漂移值是十分有害的。

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