一种基于TDOA原理的舰船编队精确定位系统及方法与流程

本发明属于无线电定位领域，尤其涉及一种基于tdoa(到达时差)原理的舰船编队精确定位系统及方法。

背景技术：

实时掌握舰船编队中各舰船的位置信息及相互之间的精确定位关系非常重要，这一方面可以让指挥决策者了解海上运输或海战场态势，另一方面这种精确的几何关系是战场环境下对多类目标信息进行融合处理的前提条件。目前对船只进行定位主要利用gnss系统，包括美国的gps、俄罗斯的glonass、欧洲的galileo等，我国的北斗导航系统也已完全覆盖亚太地区，具备亚米级的定位精度。

然而，在复杂的现代化信息环境中，越是重要、致命的装备越容易受到攻击或制约，不能够只依靠某一种技术或装备，在舰船编队中还需要不依赖于gnss的后备系统来获取区域性的舰船编队各舰船之间的实时精确位置关系。

在海上舰船编队条件下，可选的tdoa数据采集站的4个信号接收天线的安装位置只能为单一的测量中心站舰船的船面平台。由于舰船甲板几何尺寸和空间很有限，这就导致tdoa采集站的信号接收点之间的基线很短(10～100米)，使用常规的时差定位(tdoa定位)技术不能满足定位精度要求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于tdoa原理的舰船编队精确定位系统及方法，该系统是基于协同方式下tdoa原理的新的定位系统，大幅提升了定位精度，弥补了由于基线太短造成的精度不足，成功地解决了各舰船之间高精度互定位的技术难题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种基于tdoa原理的舰船编队精确定位系统，包括被定位舰船上安装的第一时间频率源、单通道接收机及与单通道接收机连接的接收天线、第一无线网络通信机及与第一无线网络通信机连接的第一收发天线；所述第一时间频率源和第一无线网络通信机均连接单通道接收机；

中心站舰船上安装的第二时间频率源、至少包括三个接收通道的多通道接收机及与每个接收通道连接的接收天线、第二无线网络通信机及与第二无线网络通信机连接的第二收发天线、中心控制系统；所述第二时间频率源、第二无线网络通信机及中心控制系统均连接多通道接收机；所述中心控制系统和第二无线网络通信机连接；

所述第一收发天线分别与多通道接收机的每个接收通道的接收天线、单通道接收机的接收天线以及第二收发天线耦合。

第二方面，本发明提供了一种基于tdoa原理的舰船编队精确定位方法，该方法基于上述所述的舰船编队精确定位系统，包括步骤：

被定位舰船上的第一无线网络通信机通过第一收发天线发射无线信标信号；

被定位舰船上的单通道接收机接收并处理所述无线信标信号，生成带时间戳和天线编码戳的iq数据，并通过第一收发天线发射到中心站舰船上的第二收发天线，并通过第二无线网络通信机传输给中心控制系统；

中心站舰船上的多通道接收机的各通道接收并处理所述无线信标信号，各自生成带时间戳和天线编码戳的iq数据，并传输给中心控制系统；

中心控制系统将单通道接收机生成的iq数据和多通道接收机的各通道生成的iq数据分别各自形成一组iq数据；根据tdoa原理，由信号到达时差的互相关函数从各组iq数据中计算出各组信号时差，并根据各组信号时差分别计算被定位舰船上的第一收发天线到中心站舰船上多通道接收机的各接收天线的直线距离；

根据多通道接收机的任意三付接收天线的坐标及其之间的距离，以及所述三付天线分别到被定位舰船上的第一收发天线之间的直线距离，确定被定位舰船相对于中心站舰船的坐标和舷角。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在被定位舰船上安装的第一无线网络通信机通过第一收发天线发射无线信标信号，被定位舰船上的单通道接收机和中心站舰船上的多通道接收机均接收并处理该无线信标信号，生成至少3组附加时间戳和天线编码戳的iq数据，并传输给中心控制系统；其中，单通道接收机生成的iq数据分别和多通道接收机的每个通道生成的iq数据分别各自形成一组iq数据；中心控制系统根据tdoa原理，分别从多组iq数据计算出被定位舰船上的第一收发天线到中心站舰船上多通道接收机的各接收天线的直线距离，利用这多个距离数据可唯一地确定被定位舰船相对于定位舰船的坐标及被定位舰船相对于定位舰船的舷角，其定位的精度取决于这多个距离值的测量精度，由于所述第一时间频率源与所述第二时间频率源为同步时间频率源，实现了单通道接收机和多通道接收机在时间、ad采样率和频率源上的精准一致性，从而保证通过互相关计算获得较高的时差和距离测量精度；同时由于定位舰船上各接收设备采用多通道接收机，各接收通道共用第二时间频率源，因此在时间和频率上没有误差，保证了被定位舰船上发射点到定位舰船上各接收点的距离测量误差具有同向性和数据一致性，而不导致测向线的角度偏离导致较大的定位偏差，从而实现了高精度的定位计算。

本系统采用舰船编队自身使用的数据链通信即第一无线网络通信机和第一收发天线来产生tdoa测量所需的信标信号，不需专门的设备来发射无线信标信号，大大地节省了费用和设备资源。

与现有技术的比相测角、相控阵雷达测角等测角系统进行测角和定位相比，本系统采用tdoa原理，对舰船的定位精度与中心站舰船到被定位舰船的距离没有关系，其测角精度达到0.04度，远达40km处的定位精度达到m级，现有比相、相控阵雷达测角技术难以达到。

附图说明

图1为本发明实施例一系统原理图；

图2为本发明实施例二各天线间的几何关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例一

本发明针对海上舰船编队对精确定位的应用需求，设计了一种基于tdoa原理的具有自主、协同工作方式的高精度无线定位系统。所谓“自主”是指被定位舰船主动发射参数规约的无线信标信号，即用于tdoa计算的无线电信号的类型和参数是本系统根据定位精度要求自主规定、产生和发射的；所谓“协同”是指被定位舰船上的无线发射与中心站舰船的无线接收是协同工作的，后续数据传输、互相关计算等工作也是按流程控制和协同实施的。

如图1所示，本发明针对目前的自主精确定位主要采用gnss系统，提出了一种基于tdoa原理的舰船编队精确定位系统，该系统是运用tdoa原理设计的对舰船位置实时、高精度测量的系统，该系统包括被定位舰船上安装的第一时间频率源、单通道接收机及与单通道接收机连接的接收天线、第一无线网络通信机及与第一无线网络通信机连接的第一收发天线；所述第一时间频率源和第一无线网络通信机均连接单通道接收机；

中心站舰船上安装的第二时间频率源、至少包括三个接收通道的多通道接收机及与每个接收通道连接的接收天线、第二无线网络通信机及与第二无线网络通信机连接的第二收发天线、中心控制系统；所述第二时间频率源、第二无线网络通信机及中心控制系统均连接多通道接收机；所述中心控制系统和第二无线网络通信机连接。

所述与多通道接收机的每个接收通道连接的接收天线分别布设在中心站舰船的四角部位；所述第一收发天线分别与多通道接收机的每个接收通道的接收天线、单通道接收机的接收天线与第二收发天线耦合。

在本实施例中，所述单通道接收机和多通道接收机的每个接收通道均包括依次连接的射频预处理器、第一混频器、第二混频器、中频信号处理器和数字信号处理器。由接收天线接收的射频信号进入接收机后，由射频预处理器对其进行低噪声放大和带通滤波，经第一混频器和第二混频器的两级下变频，信号被变频到接收机的固定中频段范围，然后由中频信号处理器进行中频放大和滤波，得到信噪比很好的模拟中频信号，再由数字信号处理器对模拟中频信号进行a/d采样、数字下变频和数字滤波，即可获得i/q路基带数字信号，即接收信号的iq数据。

在本实施例中，所述与单通道接收机连接的接收天线和与多通道接收机的每个接收通道连接的接收天线均采用高增益全向天线，本实施例中，所述多通道接收机可以为四通道接收机，与所述四通道接收机的每个接收通道连接的接收天线分别布设在中心站舰船的四角部位。在中心站舰船上的四付天线之间的距离尽可能远离，以提升tdoa的基线长度，由于甲板上舰桥等设施遮挡，只要能保证多通道接收机中有三付接收天线能有效收到信号，就能唯一地确定和解算出被定位舰船的位置坐标。同时，由于中心站舰船上各接收设备采用多通道接收机，各接收通道共用第二时间频率源，因此在时间和频率上没有误差，保证了被定位舰船上发射点到定位舰船上各接收点的距离测量误差具有同向性和数据一致性，而不导致测向线的角度偏离导致较大的定位偏差，从而实现了高精度的定位计算。

所述第一时间频率源与所述第二时间频率源为舰船上既有的通信系统同步时间频率源。所述被定位舰船上的第一时间频率源为单通道接收机提供时间频率源，中心站舰船上的第二时间频率源为多通道接收机提供时间频率源，两者的时间同步精度为10ns，实现单通道接收机和多通道接收机在时间、ad采样率和频率源上的精确一致性，从而保证通过互相关计算获得较高的时差和距离测量精度。

被定位舰船的第一无线网络通信机及与第一无线网络通信机连接的第一收发天线发射约定的无线信标信号，所述无线信标信号为定频、大带宽、高信噪比、定时隙的数字调制信号，且信标内带舰船标识；位于被定位舰船上的单通道接收机和位于中心站舰船上的多通道接收机的各个通道接收并处理这一信号，生成带时间戳和天线编码戳的iq数据，然后利用无线网络系统传输到位于中心站舰船上的中心控制系统上。中心控制系统利用接收到的这多组iq数据，就可分别计算出单通道接收机的发射天线到多通道接收机各接收天线的直线距离，利用这多个距离数据可唯一地确定被定位舰船相对于定位舰船的坐标及被定位舰船相对于定位舰船的舷角。

基于同一发明构思，本申请提供了实施例一对应的方法，详见实施例二。

实施例二

相应于实施例一，本实施例提供了一种基于tdoa原理的舰船编队精确定位方法，该方法基于上述所述的舰船编队精确定位系统，包括步骤：

被定位舰船上的第一无线网络通信机通过第一收发天线发射无线信标信号；

被定位舰船上的单通道接收机接收并处理所述无线信标信号，生成带时间戳和天线编码戳的iq数据，并通过第一收发天线发射到中心站舰船上的第二收发天线，并通过第二无线网络通信机传输给中心控制系统；

中心站舰船上的多通道接收机的各通道接收并处理所述无线信标信号，各自生成带时间戳和天线编码戳的iq数据，并传输给中心控制系统；

中心控制系统将单通道接收机生成的iq数据和多通道接收机的各通道生成的iq数据分别各自形成一组iq数据；根据tdoa原理，由互相关函数从各组iq数据中计算各组信号时差，分别计算被定位舰船上的第一收发天线到中心站舰船上多通道接收机的各接收天线的直线距离；

根据多通道接收机的任意三付接收天线的坐标及其之间的距离，以及所述三付天线分别到被定位舰船上的第一收发天线之间的直线距离，确定被定位舰船相对于中心站舰船的坐标和舷角。

本实施例中，两台接收机对同一信标信号到达时差(tdoa)是通过计算该两接收机接收该信号后分别输出的两信号的互相关函数的极值来获取的。

设x(t)、y(t)为信号接收机1、2接收信标信号时输出的信号，两信号的互相关函数rxy(t)为：

rxy(τ)＝e[x(t)y(t+τ)]＝arss(τ-d)

式中，τ为衡量互相关度的变量，d为接收机1、2接收同一信标信号的到达时差的真值；根据自相关函数的性质rss(t)≤rss(0)，当互相关函数rxy(t)取得最大值时，τ＝d。

本实施例中选取了中心站舰船上的天线b1、b2、b4的坐标，以及被定位舰船上的天线d的坐标，各天线间的几何关系示意图如图2所示，图中，lb1-b2、lb2-b4、lb1-b4距离值可采用双频激光干涉仪等测量工具实测获得，相对精度可达1/1000000，距离测量误差为0.1mm～0.01mm(分别对应天线100m～10m的基线长度)，这一误差对被定位舰船的坐标d(xd,yd)计算的误差影响很小，可忽略不计，在建立坐标系后坐标b1(xb1,yb1)、b2(xb2,yb2)、b4(xb4,yb4)即可确定。

对被定位舰船的坐标d(xd,yd)的测量精度主要取决于lb1-d、lb2-d、lb4-d距离值的测量精度。lb1-d、lb2-d、lb4-d距离值由从天线d采集的信号iq数据分别与从天线b1、b2、b4采集的从第一无线网络通信机连接的第一收发天线发出的同一信号的iq数据进行互相关计算获得。

lb1-d、lb2-d、lb4-d距离值的测量误差包括由用于互相关计算的两个数据采集设备之间的时间同步误差导致的测量误差和由信号到达时差互相关计算产生的测量误差两部分：

(1)由于被测量舰船和中心站舰船之间无物理连接，采用舰船上既有的通信系统同步时间频率源，两者当前实际的最大时间同步误差为10ns，可造成最大3m的距离测量误差。这一误差对于lb1-d、lb2-d、lb4-d距离的测量是无法消除的，但由于信号接收天线b1、b2、b4的各接收通道共用第二时间频率源，所以天线b1、b2、b4接收同一信号的时间误差及由此产生的lb1-d、lb2-d、lb4-d距离测量误差是完全同向、同值的，因此对被定位舰船的坐标d(xd,yd)的测量不会产生方向性偏离而导致大位置误差，只能在x或y向产生最大不超过3米的位置误差。

(2)由于本实施例是基于tdoa原理来计算lb1-d、lb2-d、lb4-d距离的，因为lb1-d、lb2-d、lb4-d距离之间无相关性，不可消除，很小的误差即可导致测量方向的偏移，对d(xd,yd)的定位精度的影响甚大(特别是对远距离舰船定位)。

信号到达时差(tdoa)的互相关函数计算精度极限公式为：

式中，b为信号的等效带宽，s为信号对噪声的功率比，t为用于互相关计算的信号采样时长。可见，信号带宽越宽、信号时间越长、信噪比越高，可以获得的时差计算精度就越高。

为此，本实施例中发射的无线信标信号采用大带宽(30mhz)、高信噪比(50db以上)的宽带数字信号，接收机的频率准确度非常高(达1×10^-11)，接收机中数字信号处理设备的a/d采样率高达5ghz，使时差计算精度达到了10ps级，lb1-d、lb2-d、lb4-d距离值测量精度达到mm级，对距离达40km的舰船坐标d(xd,yd)在x或y向坐标位置测量误差小于10mm。因此与现有比相测角、相控阵雷达测角等测角系统相比，本系统采用tdoa原理，对舰船的定位精度与中心站舰船到被定位舰船的距离没有关系，对距离达40km远的舰船定位精度达到m级，通过换算获得的测角精度达到0.04度，大幅提升了定位精度，弥补了由于tdoa基线太短造成的精度不足，成功地解决了舰船编队中各舰船之间高精度互定位的技术难题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。