手機無源時差定位技術及應用研究

申志涵

（吉林大學通信工程學院，江西 南昌 310000）

1 手機無源時差定位技術概述

1.1 常用定位技術介紹

（1）Wi-Fi定位技術。常用的Wi-Fi定位技術主要有兩種方法，第一種是以移動的設備還有三個無線網絡接入點為媒介，作出的無線信號，這種方法在增強信號之后通過差分的算法，對需要進行定位的對象進行準確定位[1]。第二種是提前對位置地點的信號強度進行大量的記錄，再通過新的設備信號去對已有大量數據庫的數據進行對比分析，從而可以確定位置信息。

（2）UWB定位技術。UWB定位技術也叫作超寬帶技術，這種技術是近幾年來新興的技術，它與傳統的無線技術差異是比較大的。UWB定位技術不必使用傳統無線技術中的載波，可以直接發送狹窄脈沖或者接收狹窄脈沖來進行數據的傳送。

（3）無源定位技術。無源定位技術是指通過對輻射源所發射的信號或者一些紅外光參數等進行測量，從而準確定位測量對象在空間中位置的技術，這種技術不必向測量對象發射任何電磁信號。無源定位技術能夠使用的信號源主要有兩大種：首先第一種是源自于測量對象自身的信號，比如像雷達這樣的可以就其自身作為一個輻射的源頭；另一種就是外部的輻射源頭，像電視臺發出的信號，這樣的輻射信號可以看作一個照射的源頭來對信號作出反射。

因為如今的無源定位技術是可以不用向外部射出定位信號的，因此它的隱蔽性也是不錯的，在軍事領域和民用領域的發展都比較好。目前這種無源定位技術按照進行工作的流程和各自偵察臺的工作方法可以分成三種去定位的方法：一點定位的方法、動態定位的方法、交叉定位的方法。最后一種如果按照定位軌道的不一樣，還能分為角交叉和到達時差。目前到達時差定位技術的發展是比較成熟的，因此被應用的范圍也比較廣泛。

1.2 時差定位技術的優勢

時差定位技術作為現在使用比較廣泛的定位技術，其優點是比較多的。首先時差定位技術的定位準確度比較高，經過實驗表明，在精確度要求極高的情況下，定位的相對誤差大概在1.6%，這對其他系統的要求是比較高的；時差定位技術具有定位和測向的雙重特性，系統在基線的長度之內就是高指度的定位系統，如果斜距和基線二者的比值相對較大，那么系統對定位的準確度就會下滑。但是無論二者之間的比值是多少，誤差度卻始終保持在一個水平線上；時差定位技術的工作頻松是比較寬泛的；時差定位技術的結構性比較簡單，設備需要量也少；時差定位技術可以對多數的調制信號進行分析處理；時差定位技術能對留空時間較短的信號進行測向定位，時效性好；此技術為多站系統。

2 手機無源時差定位研究

2.1 時差定位的工作原理

其實到達時差去定位的方法也可以稱為雙曲線定位法，其工作的原理主要是針對多個偵察臺能夠偵察到的無線信號進行收集，之后針對它們到達站臺的時差去分析，進而可以對輻射的源頭進行比較準確的定位，如果工作環境是一個平面，想要定位準確就需要三個偵察臺。信號在到達偵察臺時所用的時間不同，也就確定了一個雙曲線，那么三個站臺也就是兩個雙曲線，兩個雙曲線相交叉也就得到了兩個交點[2]，再利用粗略測向技術的信息對基線進行排除，最后便可以確定下輻射源的具體位置。三維空間中時差定位的具體原理與二維大致相同，不過三維空間里，多個時差是可以定位多個雙曲線的，不同的雙曲線相交便可以確定對象的位置，在三維空間中，想要確定輻射源的位置就需要四個接收站。

2.2 定位精度分析

2.2.1 基線的長度對系統定位精確度的影響

如果基線的長度有30km，那么兩個時差就可以通過時間的變化得到來自目標源的一個集，如果目標源是比較密集的，那就說明某個區域內的定位精確度十分高，也就是說基線的長度的確會對系統的精確度產生影響。由此可見，如果建設的時候選擇長度比較合適的基線，可以節約不少材料開支，也可以提高系統的定位精確度，比如斜距在100km的源目標，基線長度選擇30～40km就比較合適。

2.2.2 測站位置對系統定位精確度的影響

經過多重實驗可以表明，測站位置的不同也可能會引發時差誤差的出現，從而影響到系統定位的準確度。測站位置所產生的誤差越大，系統定位的精確度也就越大，但實際上，使用者在地面上測站所產生的誤差是可以被縮小很多的，因此能夠引起的時間差也比較小，也就是說因為測站位置出現偏差而引起的系統定位誤差可以被人工控制。

2.2.3 測站布局對系統定位精確度的影響

一般來說，測站布局如果是對稱的，那么也就會影響到系統探測區的對稱，因此這樣的方法比較適合全平面中的探測。如果測站的布局是等邊直角三角形，那么能夠探測的區域就是第一象限的位置。在進行布局的時候，可以對三角形布局進行一定的改變，對角的角度進行張開，這樣一來便可以擴大探測的區域，還可以在對源目標位置精確提供的前提下，將整個系統設置在探測區后。但是源目標有可能存在位置模糊的問題，模糊解有規律地在三角形各對頂角區城和測站附近成對出現，因此比較容易識別和消除。

3 時差定位在手機定位上的應用

3.1 提出新系統的必要性

實際上，無線電定位的技術在較早以前就已經被廣泛的研究了，但最近十幾年都沒有取得大的突破。目前的無線電系統都是比較固定的，但是需要檢測的范圍往往是比較大的，諸如一整個城市甚至是整個省，為了達到檢測的目的，也就對檢測的技術和設備產生了更高的要求。而傳統比較固定的檢測技術在靈敏性和范圍以及帶寬等多種方面都不能滿足人們日漸增長的需求，如果一直使用的還是這樣的技術，那么提高升級系統所要付出的就會越來越多，能夠發展的空間也變得越來越小，在我們實際的生活中，無線電信號種類越來越豐富多彩，單一且固定的檢測技術已經無法滿足人們的需求，因此新系統的提出勢在必行。

除此之外，無線電信號檢測技術主要是依靠DF技術來實現的，這種技術在比較開闊的地方精確度比較高，但如果是在路況復雜的市區內、室內以及別的復雜環境之下，其測量的精確度就會大大下降，無法作出滿意的測量結果。

針對上述問題，本文也提出了新的系統方案，與目前監測系統使用的單一且固定的監測接收機且采用DF定位不同，該系統采用了小型接收機組網技術，將小型化高性能的監測接收機進行聯網，這種技術可以用網絡實現接收機中結點的控制和管理。

3.2 系統方案

本次研究所提出的方案，一大部是基于小型接收機進行聯網來工作的，同時也運用了新興的定位技術，整個系統的流程框架如圖1所示。

圖1 系統流程框架圖

這種系統可以對需要檢測的地區通過一定的手段進行接收機的布置，小型接收機的數量是一定的，然后通過小型接收機對目標的信號源頭進行采集，將采集的信號用無線網輸送到大數據庫中進行分析處理，數據庫會用時差估算方法和定位的算法得到一個準確的目標定位結果。

3.3 處理流程

（1）每個小型的接收機對無線電譜進行全天的監控，一旦發現了疑似信號就可以將參數輸送到數據庫中。

（2）數據庫要對從小型接收機中接收到的信號進行一個篩選和處理，確定SOI之后，將各個參數通過無線網發送給小型接收機，并通知各個小型接收機準備在此UTC所指時間開始采集數據。

（3）小型接收機調整自身的工作模式，將數據庫中收到的信息進行接收，并將需要的參數提前調整好，一旦GPS授時接收機的PPS到達即觸發采樣。

（4）采集之后的數據需要經過處理，完成必經步驟，再送進無線網的發射設備中，將已經處理的數據和參數傳輸給數據庫。

（5）數據庫接收到小型接收機傳來的數據和參數之后，需要根據這些數據和參數選擇好可以去進行工作的小型接收機，再對接收機中的數據進行提取，之后要用計算的方法求出準確的時差，盡量要用誤差縮小法去處理數據，最后便可以解出目標的位置。

4 結束語

隨著時代的不斷發展，手機無源時差定位技術被越來越廣泛的應用到人們工作和生活當中。本文對無源時差定位技術的工作原理及優勢進行了分析，并在此基礎上提出了新的系統方案，旨在推動無源時差定位技術的進步。