提升無線電監測中定位精度的技術手段

摘要：無線電監測定位技術在無線電管理、頻譜監測和通信安全等領域應用廣泛，提高定位精度是當前技術發展的重要方向。本文首先簡述了無線電監測定位技術的基本原理，分析了影響定位精度的主要因素，包括信號傳輸路徑的多徑效應、大氣條件、地形以及監測站布設等。然后，針對信號到達時間差（TDoA）、信號到達角（AoA）、頻率差（FDoA）等定位技術進行了優化探討，并提出了多技術融合定位思路，以提升定位精度。

關鍵詞：無線電監測；定位技術；多技術融合

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.03.014

中圖分類號：TN 98 " " " " "文獻標志碼：B " " " " " "文章編碼：1672-7274（2025）03-00-03

How to Improve the Technical Means of Positioning Accuracy

in Wireless Monitoring

FU Yao

（Weifang Radio Monitoring Station， Weifang 261041， China）

Abstract： Radio monitoring and positioning technology is widely used in fields such as radio management， spectrum monitoring， and communication security. Improving positioning accuracy is an important direction for current technological development. The article first briefly describes the basic principles of wireless monitoring and positioning technology， and analyzes the main factors that affect positioning accuracy， including multipath effects in signal transmission paths， atmospheric conditions， terrain， and monitoring station deployment. Then， optimization discussions were conducted on positioning technologies such as Time Difference of Arrival （TDoA）， Angle of Arrival （AoA）， and Frequency Difference of Arrival （FDoA）， and a multi technology fusion positioning approach was proposed to improve positioning accuracy.

Keywords： radio monitoring; positioning technology; multi technology integration

隨著無線電技術的廣泛應用，無線電信號的監測與定位技術在無線電管理、通信安全、非法信號干擾檢測等方面發揮著重要的作用。為了在復雜的電磁環境中實現高精度的無線電定位，研究并優化各種定位技術具有重要意義。無線電定位的基本原理包括基于信號到達時間差（TDoA）、信號到達角（AoA）以及頻率差（FDoA）等的方法。然而受信號多徑效應、大氣條件、地形等多種因素影響，定位精度受到限制。因此，探索提升定位精度的技術手段是當前研究的重點。

1 " 無線電監測定位技術的基本原理

位置測定基于無線電信號接收與分析技術，涉及對信號源的空間定位。多個接收站接收到的信號之間的時間差異可用于定位信號位置，此方法稱為信號到達時間差定位方法。在多個觀測點同時采集到同一點的信號后，通過分析信號到達的時間差異，可以建立一組雙曲線方程式，進而確定信號發出點的三維坐標。上述方法不依賴信號強度，在應對環境噪聲及多徑傳播影響方面顯示出顯著的魯棒性。通過角度測量方法可確定信號傳播源的空間位置，此方法稱為信號到達角方法，涉及多個監測站，采用定向天線或相控陣天線陣列捕捉信號的到達角度，進而聯合分析這些數據以準確標定信號源的方向。AoA方法的設備實施較為簡易，其適用性主要體現在信號強度顯著且傳輸路徑較為直接的環境中，然而，在多徑效應及地形復雜的場景中，該方法的精確度有所下降。

多普勒效應可用于頻率差的測定，推斷信號源的移動速度及其位置。結合FDoA和TDoA的方法，可以實現對運動信號源的位置鎖定，此技術適用于對移動目標的追蹤與確定。為了提升定位的精確度，通常會融合多種技術，如采用時間差（TDoA）定位、到達角（AoA）定位以及頻率差（FDoA）定位等方法實現無線電監測定位系統。定位的精確性受制于監測網點的合理安排、傳輸途徑的多樣性及算法改進程度。在無線電監測定位領域多技術手段被綜合運用，從而提供頻譜管理、通信安全以及應急響應等多方面應用。

2 " 影響定位精度的因素分析

2.1 信號傳輸路徑的多徑效應

在傳播過程中，無線電信號因反射、折射及散射而導致多徑效應，這種效應會導致信號到達接收器的路徑多樣化，造成時間上的延遲、相位差異以及強度上的波動，從而對定位的精確度產生影響。在多變的環境里，如高樓、山脈、植被等障礙物會反射無線電波，進而使接收端信號受到來自各個不同路徑的影響，以至于采用信號到達時間差（TDoA）與信號到達角度（AoA）定位方法產生誤差。在信號傳播過程中，多徑效應不僅會推遲到達時間，而且會改變到達角度、引起頻率偏移，這進而降低FDoA測量精度[1]。

在城市和山地等特定環境中，時間與角度的計算偏差會影響定位準確性，這是由多徑效應所引起的。在所描述的場景中，接收站難以精確識別出直線路徑的信號，原因是信號的真實傳播路徑受到眾多反射路徑的干擾。信號在傳播過程中由于多徑效應的影響，其相位與幅度會發生改變，進而使信號處理的難度上升。濾波技術、定向天線、多站定位中等多種技術手段可以減少信號傳輸過程中因多徑效應產生的誤差，這需要利用先進的信號處理算法對多徑信號進行處理，以及通過融合算法降低由反射路徑引起的影響。

2.2 大氣條件和地形的影響

無線電定位的精確度受大氣參數和地表形態的影響，溫度、濕度、氣壓等大氣參數會使無線電波在傳播過程中產生偏折與衰減，尤其在長距離傳輸中這種效應尤為顯著。電離層與對流層的擾動會導致高頻及超高頻信號傳播路徑及到達時間的改變，進而降低TDoA與AoA技術的測量精確度。如霧霾和降雨等大氣現象會導致信號衰減，進而減弱接收的信號強度，最終對定位系統的覆蓋范圍及其信號識別精度產生影響[2]。

信號的傳播受地形因素的制約，尤其在山脈、峽谷以及城市高樓林立的區域更為明顯。在特定的地理空間內電磁波信號經歷反射、衍射與散射而產生多徑效應，此類現象在某些特定區域影響信號接收，在此區域內，信號無法有效抵達接收端，從而使定位的準確性降低。山體與建筑物遮擋會降低信號的強度，并導致傳播路徑的改變，進而影響信號到達的角度及頻率的偏移。定位系統通過采用更高頻率的信號、選取適宜的監測站點、應用信號重建技術，以及融入大氣模型和地形修正算法，以糾正信號路徑的偏差，從而降低大氣和地形因素的影響。

2.3 監測站的布設

無線電定位的精確性受監測站設置的直接影響，合理的站點分布會提高定位精準度。幾何關系是監測站之間定位精度的決定因素，具體體現為幾何精度因子（GDoP）。GDoP值較低，意味著定位的精確度更高。如果用于定位的監測站點分布過于集中或不規則排列，其GDoP（幾何稀釋精度）指標將會上升，進而加大定位誤差。為了保證系統在各個方向、各種距離條件下均能獲取優化的幾何配置，監測站的布局應達到均等分散狀態。

監測站點的密度是決定定位準確性的關鍵要素。單點監測難以達到精確位移追蹤，至少需要兩個監測站的協同作業，才能通過測量信號的時差或角差來實現定位。在復雜環境中增加監測站能夠顯著提升系統的穩定性和抗干擾能力，特別是存在多徑效應或信號顯著衰減的場景中，眾多監測站所提供的冗余數據能極大提高定位的精確度。在確定監測站位置時必須將地理環境因素納入考量，避開山谷、低地或高樓林立的區域，以減少信號遮擋與多徑效應的影響，從而提升測量的準確性[3]。

3 " 提升定位精度的技術手段

3.1 信號到達時間差（TDoA）技術的優化

TDoA（Time Difference of Arrival）技術的定位精度依賴于信號到達不同監測站的時間差。計算TDoA的核心公式如下：

（1）

式中，dij是信號源與監測站i和j之間的距離差；c是光速（約3×108 m/s）；Δtij是兩個監測站接收到信號的時間差。

TDoA技術的優化首先要解決時間同步的問題，使用GPS或原子鐘等高精度時間同步設備可以將時間同步誤差降低至納秒級。例如，如果時間同步誤差從10 μs減少到100 ns，時間差誤差可減少100倍，定位精度也會從千米級提升至米級。時間同步的優化可以顯著提升系統的定位精度。除了同步，信號處理算法的優化也很關鍵。例如，使用廣義相關函數（GCC）方法計算時間差，可以有效減少噪聲對測量的影響。廣義相關函數的公式為

（2）

通過計算兩個接收站接收到的信號x1（t）和x2（t）的互相關函數，可以精確估計信號到達的時間差τ。結合先進的濾波技術，如卡爾曼濾波或小波變換，可以進一步降低多徑效應帶來的誤差。TDoA技術在不同時間同步精度和信號處理算法條件下的定位精度表現如表1所示。

3.2 信號到達角（AoA）技術的優化

AoA技術，其優化重點包括天線陣列的架構設計、信號處理算法的改進以及提高抗干擾性能。通過采用到達角度的測量方法，綜合多個監測站的數據來計算信號的源頭位置。利用大規模多輸入多輸出天線陣列，可以有效提升角度分辨能力，進而提高基于角度的技術（AoA）定位的精確度。通過改變天線單元的相位，相控陣列技術能在各方向精確測定信號的到達角度[4]。

在信號處理領域，算法的優化對提升到達角（AoA）測量的準確度起到了關鍵作用。在噪聲水平較低的場景中，傳統的AoA技術，如最大似然估計法和MUSIC算法，在噪聲水平較低的環境中能夠實現較高的測量精度。在高噪聲環境或者多徑效應環境下，該算法的表現會顯著降低。例如，波束形成技術以及深度學習模型等算法在處理復雜環境中的角度估計問題上，顯示出了較高的精確度。采用波束成形技術，通過多個天線接收信號的加權組合，可增強對特定方向信號的響應度，同時降低干擾對角度測量的副影響。AoA技術在不同天線陣列和算法條件下的定位精度表現如表2。

3.3 頻率差（FDoA）技術的優化

FDoA（Frequency Difference of Arrival）技術基于多普勒效應，通過測量信號在不同接收站的頻率偏移來確定信號源的位置，其適用于移動目標的跟蹤。計算FDoA的核心公式為

（3）

式中，Δf是頻率偏移；v是信號源的相對速度；λ是信號的波長；θ是信號傳播方向與接收站之間的夾角。

FDoA技術的優化主要體現在提高頻率偏移的測量精度和增大信號帶寬方面，信號帶寬越寬，頻率偏移的測量分辨率越高。假設信號源的速度為100 m/s，信號帶寬從1 MHz增加到10 MHz，頻率偏移測量精度提高了10倍，定位精度也相應提升。頻率偏移的計算可采用改進的自適應濾波和最大似然估計算法，進一步提高高噪聲環境中的測量精度。在優化FDoA技術的同時聯合使用TDoA技術，利用時間差和頻率差的聯合計算，可以實現更高的定位精度，其適用于航空和移動目標的跟蹤定位。

3.4 多技術融合定位

采用融合多種定位技術的策略，如TDoA、AoA、FDoA等，可在復雜環境中提高定位的精確度。在城市僅依賴AoA技術易受多徑效應的干擾，而采用TDoA技術通過計算時間差，有效克服此局限。將時間差分（TDoA）技術與到達角（AoA）技術結合，能顯著提高復雜環境條件下信號源定位的精確度[5]。

在多技術融合的過程中，卡爾曼濾波器和貝葉斯推理被廣泛應用，其有效整合了各種技術的測量數據，以此降低噪聲干擾和糾正異常值。在定位系統中應用TDoA算法可獲取精確的時間差數據，應用AoA技術則能提供信號的方位信息，綜合兩者的數據，能夠顯著降低定位的誤差。FDoA技術在移動目標跟蹤中扮演著關鍵角色，與TDoA和AoA技術的結合可實現移動信號源的實時高精度定位。在復雜環境中單一技術的誤差較大，而多種技術的結合應用能顯著提高定位精度。

4 " 結束語

提高無線電監測的定位精度是一個多層次、多領域的技術挑戰。通過優化TDoA、AoA和FDoA等技術并融合多技術，能在復雜電磁環境中有效提升定位精度。同時，合理布設監測站并充分考慮地形和大氣條件的影響也可提升定位精度。未來，隨著更多先進算法與技術的應用，無線電監測定位技術的精度必將得到進一步提高。

參考文獻

[1] 俞越，廖建承，劉偉駿.深度學習模型在無線電監測中的應用設想[J].中國無線電，2024（5）：66-69.

[2] 劉文濤.無線電監測測向與定位技術研究[J].科技視界，2024，14（9）：32-35.

[3] 郝才勇.星載無線電監測發展現狀與趨勢[J].中國無線電，2022（12）：21-24.

[4] 楊駿騰，趙越，陳嘉慶.基于TDOA的無線電定位系統的定位精度測試方法研究[J].中國無線電，2022（11）：40-42.

[5] 周超，王耀，熊仁和，等.基于無人機的無線電監測定位效率提升研究[J].計算機仿真，2022，39（3）：62-66.