0.   引　言

GNSS与国家的基础设施和人民的生活越来越密切，在民用、军用领域都得到广泛地应用，已经渗透到国家的工业、农业、交通、通信、军事和科学研究等大部分领域. 但因导航卫星信号自身的特点，GNSS容易受到其他辐射源的干扰. 为了保障GNSS在各应用领域的正常运行，需要及时查找并消除针对GNSS的干扰辐射源^[1-2].

随着电子对抗技术的发展，辐射源的无源定位技术得到快速发展和应用. 相较于雷达等有源定位系统通过主动发射电磁波进行辐射源定位，无源定位系统是通过接收监测信号来对辐射源进行定位，这种无源定位系统具有成本低、隐蔽性强、广泛的适应性、探测距离远、可探测隐身辐射源和低空探测能力强等特点. 无源定位根据监测设备的数量可以分为单站无源定位和多站无源定位^[3]. 相较于单站无源定位系统，多站无源定位是利用空间中分布的多个监测设备对辐射源信号进行处理，能够实时监测信号，通过单次监测就可以实现定位，对短信号和猝发信号具有更好地定位能力. 由于测量信号的方式不同，常用的辐射源多站无源定位算法有测向定位(angle of arrival，AOA)、到达时间差(time difference of arrival, TDOA)等定位方式^[4-6]. 基于TDOA的多站无源定位算法，也称为时差定位算法. TDOA是通过测量辐射源信号到达各监测站点的时间差值来进行定位，每个时间差值与其对应的两个监测站点，可以构成以两个监测站点位置为焦点的一组双曲线，这样通过多组双曲线相交就可以得到辐射源的位置信息. 本系统采用TDOA定位方式进行GNSS干扰辐射源定位，通过对系统架构进行设计，部署多个监测站点对辐射源信号同时进行监测，实现对一定范围内GNSS干扰辐射源快速定位，在空旷场地进行试验可实现50 m的定位精度.

1.   TDOA算法简介

TDOA定位是一种通过时间差值进行定位的方法. 它通过处理三个或更多个监测站所采集到的信号到达时间测量数据对辐射源进行定位. TDOA定位系统具有精确度高、定位速度快等优点；但在定位过程中也会出现多值现象，即定位模糊. 基于时间的定位方法，其核心是需要高精度的时间测量值. 在进行TDOA定位计算时，TDOA算法主要分为时差提取和定位算法两部分.

TDOA定位示意图如图1所示，在一个区域内不同的点位布设A、B、C三个监测站，其中设A为主站，三台监测设备同时接收由辐射源O发出的信号，通过时差提取算法计算得到时间差$ \Delta {T_{AB}} $和$ \Delta {T_{AC}} $，由时间差与电波的传播速度可以计算得到距离差，根据信号到达两个监测站点距离差可以画出双曲线ab和ac，两条双曲线的交点O即为辐射源的位置. 因此，通过定位算法求取双曲线方程的解即可获得辐射源定位结果.

图  1  监测数据接收处理软件模块辐射源定位模型

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2.   系统设计

辐射源定位系统主要由中心软件、网格化监测设备、网络通信设备和中心服务器等组成. 在中心软件制定监测任务，通过指令将监测任务下达到网格化监测设备，由网格化监测设备进行信号监测并将监测数据传输到中心软件，中心软件接收到监测数据后进行TDOA定位计算获得辐射源位置等信息.

2.1   系统功能设计

辐射源定位系统主要实现电磁环境辐射源信号的数据进行采集、处理、存储和分析等. 系统基于电磁频谱监测数据与模板数据可获得辐射源信号的频率信息，从而针对该频率辐射源信号发起定位任务，对监测数据进行采集处理实现辐射源定位.

系统主要功能如图2所示.

图  2  系统功能

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1) 任务管理

任务管理功能是指用户根据需要对系统进行辐射源定位任务指令的制定、下发、分解与调度等. 系统可以使用任务的形式制定频谱扫描、信号分析、辐射源定位等功能，通过任务管理功能实现对各设备任务的管理与调度.

2) 设备管理

设备管理功能可以远程控制设备进行加电开机和关机，在开机时设备发送自检指令，设备管理功能接收设备自检结果获取各个设备的健康状态信息. 在系统运行过程中，设备管理功能可实现设备探测，向各个设备发送状态查询指令，检测各个设备与中心之间的连接情况以及获取各个设备的健康状态及工作参数等信息. 在设备管理界面中可实现设备的配置管理、状态监控和故障告警等.

3) 频谱扫描

频谱扫描功能是系统的基础功能，通过频谱扫描界面给设备下发频谱扫描指令，实现频谱数据的实时采集，以频谱图、瀑布图和占用度统计的方式对整个频谱信号进行监测显示，可判断哪些频段频谱利用率高，哪些频段信号出现的概率高等，对后续的信号分析、模式识别、解调和定位等工作提供前期准备.

4) 信号分析

信号分析功能主要包含ITU参数测量、信号识别和信号解调等. 该功能通过下达中心频率、带宽等参数控制设备进行数据采集，获取IQ数据和快速傅里叶变换(fast Fourier transform，FFT)频谱数据，然后对数据进行分析、处理，获取信号的频率、带宽、频偏、调制度以及国际电信联盟(International Telecommunication Union，ITU)参数等，同时可根据信号的测量特征进行信号识别和数据解调，最后在界面中显示信号分析、识别的结果信息，并将解调的音频数据进行播放监听.

5) 辐射源定位

辐射源定位功能可分为单频点TDOA定位和频段扫描TDOA定位. 单频点TDOA定位是通过定位指令，设置相关设备的工作参数，然后接收设备回传的带有精确时间戳的IQ数据或脉冲描述字信息，进行一系列的运算，得到辐射源的定位数据然后回传到辐射源定位界面显示. 根据需要设定相应的参数，同时还可以对信号进行参数提取与模式识别. 根据定位指令中给定的参数可进行单次定位或持续定位. 定位指令参数中可指定触发模版，包括时间触发、电平触发、频率模版触发等. 频段扫描TDOA定位是通过下发频段扫描定位指令后，设置相关的设备工作在频段扫描工作模式下，并根据设置的频率模版进行比较，当发现超过模版电平的信号后，自动切换到定位工作模式下进行定位与识别.

6) 数据接收与处理

数据接收与处理功能用于接收网络中监测设备发送过来的业务数据，对数据进行初步的校验后，根据业务数据类型调用对应的业务数据处理接口进行处理. 主要业务数据有频谱数据、ITU测量数据、解调数据、识别数据和IQ数据等. 数据接收与处理功能需要跟网络中的多台监测设备建立连接，每台监测设备根据执行任务情况，可能会由多个连接，因此业务数据接收与处理功能会有非常多的数据连接，同时进行多个通道的数据接收.

7) 数据存储

系统监测过程中产生的设备状态信息、频谱数据、ITU测量结果、信号识别结果、信号解调音频数据和TDOA定位结果等数据需要进行存储，以便于数据的查验、回放和使用等. 系统对信号测量、识别、解调、定位等结果信息使用关系数据库进行存储. 由于频谱数据要求实时传输且数据量较大，系统采用分布式存储系统对其进行存储，分布式存储系统可满足高并发的数据读写需求，同时具有可扩展性.

8) 时差提取

时差提取功能是通过带时间戳的IQ数据计算辐射源信号到达各监测站点的时间差，为定位算法提供输入. 对于脉冲信号，可以直接标记脉冲上升沿为脉冲到达时间，利用这个脉冲到达时间可以直接用来进行时差提取. 而对于常用的通信连续波信号，信号没有明确的脉冲边缘，无法得到信号的到达时间，需要另外考虑如何获取各监测站间的时差. 时差提取作为定位算法的前提，时差提取的精度对定位精度有着非常重要的影响. 系统中采用广义加权相关时延估计算法^[7]进行时差提取.

9) 定位算法

TDOA定位算法是需要三个或更多个监测站点数据到达时间，提取其时间差与电波传播速度来获取距离差信息，然后由各监测站点距离差和各监测站点位置信息来求解辐射源位置. 本文采用CHAN算法进行定位求解. CHAN算法是非递归双曲线方程组解法，具有解析表达式解. 其主要的特点为在测量误差服从理想高斯分布时，它的定位精度高、计算量小，并且可以通过增加基站数量来提高算法精度. 如果在实际环境中有误差较大的测量值，则该算法的性能会显著下降. CHAN算法在考虑二维的情况下，可分为只有三个基站参与定位和三个以上基站参与定位两种情况进行求解.

2.2   体系架构设计

下面从基于系统硬件支撑到用户软件界面显示给出系统体系架构^[8]，如图3所示系统有硬件支撑层、数据基础层、测量感知层和业务功能层.

图  3  系统体系架构

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硬件支撑层由网格化监测设备、数据库服务器、和基础网络等构成，网格化监测设备进行辐射源信号数据的采集处理为系统提供实时监测数据，服务器为应用服务软件、数据库、分布式数据存储系统和地理信息系统提供运行环境，基础通信网络由光纤、网线、交换机设备等组成，其进行数据传输为系统连通运行提供保障.

数据基础层由目标特征库、融合模型库、基础信息库、运行保障库等数据库及分布式存储服务系统组成，用于实现目标特征、融合模型、基础信息、运行保障信息和电磁感知数据及其相关数据产品的存储、提取与管理，为服务层提供数据存储与数据服务支撑.

测量感知层是系统基础功能，主要包括扫描监测、参数测量、信号识别、解调监听和时差定位等，为业务功能的实现提供支撑.

业务功能层主要实现监测信息的融合、统计和分析，包括对辐射源特征进行融合分析识别、对频率占用度和区域场强进行统计分析、实现辐射源的TDOA融合定位等.

2.3   网格化监测设备设计

网格化监测设备主要用于对网格区域内频谱数据的采集和预处理，并将测量的监测数据上传到中心软件进行信号分析和数据融合等处理.

网格化监测设备主要由：监测天线、北斗/GPS天线、监测主机(含频谱监测接收模块、中频处理模块、远程遥控单元和电源单元)以及监测设备软件等几部分组成，组成框图如图4所示.

图  4  频谱监测设备组成框图

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监测天线用于30 MHz~6 000 MHz射频信号接收. 北斗/GPS天线用于北斗或GPS卫星授时信号接收. 监测主机是监测设备的核心，内部包含了射频选择开关、射频接收模块、中频处理模块(含北斗/GPS授时模块)、嵌入式计算机、远程遥控单元、网络授时模块以及电源单元等组成. 监测主机内嵌频谱监测软件，可实现射频信号到中频信号转换、中频数字化处理、信号特征分析和TDOA定位数据采集等功能. 授时单元用于实现整个监测网络内所有监测设备的数据采集时间同步. 授时单元包括北斗/GPS授时和网络授时两种授时方式. 北斗/GPS授时模块集成在中频处理单元中，通过北斗/GPS天线接收定位信息，输出秒脉冲信号进行时间同步；网络授时模块接收远程网络授时服务器的同步授时信息对设备进行授时，输出秒脉冲同步信号进行时间同步.

监测主机总体采用软件无线电技术^[9]超外差接收机构架，射频信号通过射频变频转换为中频信号后再经过宽带数字化采样、数字下变频、数字滤波等处理得到信号的各种特征参数.

信号接收的流程如图5所示.

图  5  监测主机原理框图

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监测主机开机后自动执行自检测试，并将自检状态进行记录. 如果自检中发现本机单元模块存在异常会自动进行告警提示.

主机设备自检完成后默认进入全景扫描模式，自动进行全频段的信号扫描，并通过网络接口向中心软件输出测量数据. 当嵌入式计算机接收到中心软件发送来的控制命令后，将根据中心软件命令切换设备的工作模式，并设置设备的工作参数.

设备进行信号测量时，首先由嵌入式计算机发送测量命令，中频处理单元接收测量命令并执行. 中频处理单元根据测量的频率范围选择并打开对应的射频选择开关，接收对应天线输入的射频信号. 射频信号经射频开关输入到射频接收模块，经射频接收模块进行射频信号的预选、放大、混频、滤波等处理，将宽带的射频信号转变为中心频率1 920 MHz、960 MHz、153.6 MHz的中频信号.

当模拟中频信号输入到中频处理单元后，首先通过抗混叠滤波器进行滤波，然后通过中频增益控制电路将中频信号调整到适合模拟数字转换器(analog-to-digital converter，ADC)采样的信号范围，再经过ADC电路进行信号的数字化，输出宽带的数字中频信号. 宽带数字中频信号再经过现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)进行数字信号处理，进行数字下变频(digital down conversion，DDC)、FFT、数字滤波(有限长单位冲激响应(finite impulse response，FIR)、无限冲激响应(infinite impulse response filter， IIR))等处理，得到所需测量的信号时域(IQ数据)、频域(频谱数据)、调制域(调制模式、调制度)等信息. 再根据上述信息计算出信号的各种ITU参数(频率、带宽、电平等参数)，解调解码出信号的语音或码流. 嵌入式计算机根据中心软件的命令将测量的数据进行本地存储或通过网络接口实时上传到中心软件进行进一步的信号分析、TDOA定位和数据展示等.

2.4   辐射源定位工作流程设计

本系统的核心功能是TDOA辐射源定位，通过北斗授时+高稳晶振的方式进行时间同步，实现了设备的高精度、高可靠授时，进而保障了TDOA辐射源定位.

在辐射源定位时，首先制定定位任务，按照任务的类型可分为单频点TDOA定位和频段扫描TDOA定位，将定位任务存储到业务数据库中，在中心软件中对定位任务进行调度分解. 在进行单频点TDOA定位任务时，任务指令中含有辐射源中心频率等信息，中心软件可直接执行定位任务实例，向参与定位设备下发IQ数据同步采集指令，各监测设备在收到指令后同时采集IQ数据，并在IQ数据中标注时间戳信息，各监测设备将采集的IQ数据发送到中心软件，中心软件的数据接收与处理模块在接收到IQ数据后结合定位算法进行定位与识别生成定位结果信息，并将定位结果信息入库存储和传输到定位界面显示. 在进行频段扫描TDOA定位任务时，任务指令中含有辐射源定位的起始频率与终止频率等信息，后台服务软件首先根据频段信息执行频段扫描监测实例，向各辐射源定位监测设备发送频段扫描监测指令，各监测设备根据频段扫描监测指令采集频谱监测数据，并与设置的频率模板进行比较，当发现超过频率模板的信号时，向中心软件发送超模板信号，中心软件根据超模板信号发起定位任务实例，执行定位任务获取超模板信号的定位信息，如此可自动监测频段范围内的超模版信号并获取其定位信息. 辐射源监测定位工作流程如图6所示.

图  6  辐射源定位工作流程

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在辐射源定位过程中进行定位与识别的流程如图7所示. 中心软件在接收到各监测设备发送的含有时间戳的IQ数据后，首先对IQ数据进行数字信号处理获得FFT数据，然后判断该信号是连续波信号还是脉冲信号. 如果是脉冲信号，则首先对其进行脉冲时延提取，根据脉冲上升沿作为到达时间，提取其时间差，然后在对脉冲信号进行分析提取参数信息. 如果是连续波信号，则首先进行连续波时延提取，利用广义加权相关时延估计算法提取其时间差，然后对其进行信号模式识别和信号ITU参数提取. 在连续波信号或脉冲信号提取时间差和信号参数后，可根据时间差与定位算法计算获得定位结果，并对定位结果有效性进行判断，最终返回定位结果与相关参数信息.

图  7  定位与识别流程

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3.   系统重点难点解析

在辐射源定位系统的设计过程中存在一些重点难点技术，为确保系统定位精度，本文给出了两个TDOA定位中的重点难点技术，一是高精度时钟同步技术，二是时差测量.

3.1   高精度时钟同步

由于网格化设备部署多个，各个监测站之间的距离较远，无法直接使用常规的时钟同步方案，在本系统中，采用以北斗授时为主，网络授时为辅的时钟同步手段.

目前北斗系统已规模应用，北斗授时系统已大量应用，并且北斗授时终端的时钟精度以及达到了纳秒级，常规的终端授时精度在30 ns以内，高精度的授时终端精度可达10 ns以内.

使用北斗授时模块，能够得到30 ns精度的秒脉冲，每两个秒脉冲之间的时间为1 s，在秒脉冲之间的定时需要依靠设备的本地时钟进行计时. 通过调整恒温晶振的外围电路，能够将恒温晶振的频率准确度调整到0.1×10^–6，那么在1 s后，计时误差最大能够累计到100 ns，降低了定位精度.为了避免这种误差，在本系统中我们使用了驯服校正机制^[10]. 系统中采用的恒温晶振频率为100 MHz，对两次秒脉冲内恒温晶振的振荡次数进行计数为M，将M与10⁸进行比较，M大于10⁸则表示时钟快，M小于10⁸则表示时钟慢，此时对恒温晶振的电压进行相应调整使时钟恢复稳定. 网格化设备与北斗系统同步后，对本地晶振进行驯服，保证两次秒脉冲之间的定位精度.

设备内部全部使用同一个时钟源，通过锁相的方式同步射频本振、AD采样时钟、数字系统处理时钟，保证时间统一一致性. 设备中选用的恒温晶振指标，其短期稳定度为10^–10，随温度变化的范围仅仅30×10^–12，在1 s内温度不剧烈变化，时差可以忽略不计，超过1 s时通过驯服校正可以消除该温度变化的影响，保证了TDOA测量精度要求.

在本系统中为确保时间同步的准确性和可靠性，采取了双授时同步设计，常规采取北斗授时进行时间同步，当北斗信号受到外界干扰时采用网络授时方式进行时间同步.

3.2   时差测量

时差测量^[11]的精度直接影响到辐射源定位系统的性能，对TDOA定位精度有着非常重要的影响. 本系统采用广义加权相关时延估计算法进行时差测量，该算法在监测主机前端对信号进行预处理，增强有用信号，抑制噪声，从而提高了时延估计的可靠性.

广义相关峰值检测过程如图8所示.

图  8  广义相关峰检测流程设计

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根据广义相关峰值检测过程对广义相关算法流程进行设计，广义相关算法流程图如图9所示. 系统接收到两台监测设备采集的时域IQ数据后首先进行数据时间对齐，做插值处理提升采样率，然后进行FFT获得信号频域数据，对其中一段信号数据取共轭后相乘，计算两段信号数据的互功率谱，根据环境选择合适的加权因子进行加权，将加权后的互功率谱数据进行FFT，可获得时域数据，最后利用获得的时域数据进行峰值检测获得相关峰，根据相关峰所在位置可计算出时延估计值.

图  9  广义相关算法流程设计

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在上面的算法流程中，要求输入$ {x_1}(n) $和$ {x_2}(n) $序列的起始时间相同，但实际在工程中是很难达到的. 我们采用的方法是尽量保证这两个序列的起始时间相同，同时获取到这两个序列的精确起始时间，这样就可以在得到时延后减去一个同步误差即可.

4.   系统应用

本次应用由四台网格化监测设备、系统中心软件、模拟信号源和发射天线等组成，在场地的周边选取四个点位将网格化监测以四边形的方式进行布站，四个点位的坐标分别为D3671C08130F46 (30°43'57.26"N, 103°55'8.43"E)、D3671C08132645 (30°43'53.91"N, 103°55'2.63"E)、D3688C24B1E1A (30°43'47.07"N, 103°55'8.71"E)、D3688C24B151A (30°43'49.32"N, 103°55'12.73"E)，在四台网格化监测设备中间选位置(30°43'52.262400"N,103°55'8.241600"E) 部署模拟信号源，使用模拟信号源发射辐射源信号，通过系统软件进行辐射源TDOA定位. 如图10所示对辐射源连续进行定位，将获得的多个定位结果在地图上显示，可知定位结果大部分集中在模拟信号源发射位置的周边50 m范围内，实现了辐射源定位. 该次试验表明了该系统设计的切实可行，系统可以对辐射源进行网格化监测与定位.

图  10  TDOA定位结果显示

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5.   结束语

本文基于TDOA算法对系统软件功能、系统架构以及网格化监测设备进行了研究与设计. 在中心软件中梳理设计了GNSS干扰辐射源定位的工作流程. 同时为了保障TDOA定位的精度，在系统架构设计中采用双授时(北斗/GPS授时和网络授时)+高稳晶振的方式进行时间同步，实现了设备的高精度、高可靠授时，并对时延估计的算法流程进行设计，为TDOA算法提供了可靠的时差提取值. 最后通过系统应用验证了系统对GNSS干扰辐射源的定位功能. 随着参与定位的监测设备数量增多，监测范围扩大，产生的监测数据越来越多，这对中心软件的处理能力的要求越来越高，通过增加分布式数据集成存储节点以及微服务化数据处理软件的方式可以进行改进，针对具体情况进行相应调整，这也是后面继续进行研究的一个方向.