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2024 , Vol. 46 >Issue 6: 87 - 91

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-3819.2024.06.014

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Research on target location technology based on long baseline (TDOA)

  • FENG Xudong 1 ,
  • YIN Feixing 2 ,
  • LI Qi 3 ,
  • GAO Tongtong 4 ,
  • XIAO Yuan 3 ,
  • LIU Yijun 3
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  • 1 Unit 91550 of PLA, Dalian 116023, China
  • 2 Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
  • 3 Beijing CSSC Systems Engineering Research Institute, Beijing 100094, China
  • 4 Beijing Fourth Representative Office of the Naval Armament Department Beijing Regional Military Representative Bureau, Beijing 100071, China

Received date: 2023-09-12

  Revised date: 2023-10-09

  Online published: 2024-11-26

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Abstract

In the sea test range, the accurate measurement of the landing point of weapons and equipment is the key issue to assess the strike accuracy. In order to improve the accuracy measurement of the landing point of weapons, this paper studies the long baseline (TDOA) landing point target positioning technology, and analyzes the positioning accuracy and simulates the location of the landing point target based on the landing point measurement scenario. The design index of the actual test verification system in the deep sea area of the South China Sea is analyzed, and the test results prove that the system can display the position of the falling target in real time and has relatively high precision positioning results, which provides technical support for the accuracy measurement of the falling point of weapons and equipment.

Key words： long baseline; TDOA; landing target

Cite this article

FENG Xudong , YIN Feixing , LI Qi , GAO Tongtong , XIAO Yuan , LIU Yijun . Research on target location technology based on long baseline (TDOA)[J]. Command Control and Simulation, 2024 , 46(6) : 87 -91 . DOI: 10.3969/j.issn.1673-3819.2024.06.014

在海上试验靶场,武器装备落点的精确测量是考核打击精度的关键问题,快速准确的落点定位测量是靶场测量中的一个重要环节[1⇓-3]。目前,针对海上目标的落点定位手段主要包括可见光、雷达、激光探测等。光电探测定位需要有稳定的基准点,但由于海浪和海风等海况的影响,稳定的基准要求实现难度较大。采用声探测定位方法,可以部署至海底或漂浮海面,采用时延差联合定位,对基准的要求较低,这是在海上试验中选择声探测的优势。
声探测技术是一种被动探测技术。虽然它存在介质不均匀,传播衰减大,探测距离较近的缺点,但也具有诸多优点:1)监控范围大;2)受海洋表面气象影响小,潜标定位基本不受恶劣海况影响;3)具有一定的隐蔽性,可以长期潜伏。

1 TDOA技术简介

TDOA(Time Difference of Arrival)定位是一种先进的定位技术,它利用多站接收的目标声信号的时间差来确定一个物体的位置[4⇓-6],是一种基于时间差变化量的定位技术。如果一个物体与多个接收潜标的距离不同,那么不同潜标接收到的信号时间差就会不同,这样就能确定目标声源位置[7-8]。
TDOA定位的特点是定位精度高,体积小,低功耗,重复定位准确等。它可以应用于多种定位领域,潜标定位系统布站方式如图1所示。
图1 潜标布站方式示意图

Fig.1 Schematic diagram of the deployment method of subsurface buoy

图1中,假设目标位置为P(x,y,z),各潜标位置坐标为Si(xi,yi,zi),则可得方程组(1) 如下:
(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2=γ12(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)2=γ22…(xn-x)2+(yn-y)2+(zn-z)2=γn2
假设目标落点的时刻为t,各潜标收到信号的时刻为ti。r1=c*(t1-t),r2=c*(t2-t),…,rn=c*(tn-t) 。式中,c为声在水中的传播速度。试验前各个潜标位置可以通过标定准确测量其位置Si(xi,yi,zi),目标落点位置一般认为海表面,深度z为0 。则式(1)可以化简为
(x1-x)2+(y1-y)2+z12=c2*(t1-t)2(x2-x)2+(y2-y)2+z22=c2*(t2-t)2…(xn-x)2+(yn-y)2+zn2=c2*(tn-t)2
根据方程组(2),在已知3个潜标位置的情况下可以解算出目标位置和落点时刻。在潜标自身标定精度和系统测时精度确定的情况下,目标定位精度只与声速测量精度相关。

2 不同情况下定位分析

根据目标分布和潜标布站情况分析,存在三种不同情况下的定位,分别为目标在阵内、目标在边界和目标在阵外的情况,下面开展针对性分析。

2.1 目标在阵内

本文针对3阵元定位讨论不同情况下目标定位情况。长基线的定位原理是给定一组时延值,理想情况下三个圆交汇到一点,如图2所示,交汇到A点。
图2 理想阵内情况

Fig.2 Ideal situation within the array

在阵元位置固定、测试误差固定的情况下,目标定位精度主要受声速误差影响。如果声速值较理想值偏大,测距值r就会偏大,则目标点位在ABC范围内,如图3所示。通过算法可以使目标收敛到一点。
图3 声速偏大阵内情况

Fig.3 The situation inside the array with high sound speed

如果声速值较理想值偏小,测距值r就会偏小,则目标点位在ABC范围内,如图4所示。通过算法可以使目标收敛到一点。所以,在阵内的情况一般定位精度都能保证。
图4 声速偏小阵内情况

Fig.4 Situation inside the array with low sound speed

2.2 目标在边界

目标在边界情况的定位精度理想情况下两圆外切,三个圆交一个点,如图5所示。
图5 目标在边界情况

Fig.5 Target at the boundary situation

如果声速值较理想值偏大,测距值r就会偏大。本该相切的两圆相交了,如图6所示。这时很难判断真值是在ACD范围还是在BCD范围,很可能导致定位偏差较大情况。
图6 声速偏大目标在边界情况

Fig.6 Target at the boundary with high sound speed

另一种情况就是声速值较理想值偏小。两个小圆没有相交也不相切,如图7所示。若无相交或相切的情况,则无收敛范围,导致出现定位偏差,精度偏低。
图7 声速偏大目标在边界情况

Fig.7 Target at the boundary with low sound speed

2.3 目标在阵外

下面讨论目标落在阵外的情况。目标落在阵外有两种情况。极端情况下,目标落在两阵元的延长线上。理想情况下,两圆内切,如图8所示。
图8 阵外两阵延长线情况

Fig.8 Target outside the array with two extended lines

如果声速值较理想值偏大,出现两圆相切变为相交的情况,如图9所示。很难判断真值在ACD范围还是在BCD范围,定位偏差较大。
图9 声速偏大目标在阵外两阵延长线情况

Fig.9 The situation of targets with high sound speed in the extended lines of two arrays outside the array

另一种情况就是声速值较理想值偏小,两圆相切变为两圆既不相交也不相切,如图10所示。目标无收敛的区域范围,更容易出现定位偏差,导致定位精度偏低。
图10 声速偏小目标在阵外两阵延长线情况

Fig.10 The situation of targets with low sound speed in the extended lines of two arrays outside the array

如果目标没有落在两阵元的延长线上,原则上定位都会收敛,定位结果较为稳定,但是由于基线比较长,引入的误差比较大,同样比阵内目标定位精度差。

3 定位精度仿真

本文针对一个24 km×16 km范围8阵元的潜标测试阵进行仿真,阵型如图11所示。
图11 八阵元测试阵

Fig.11 8 element positioning array

3.1 目标在阵内定位精度

假设潜标8阵元均正常工作,均能收到数据,且都参与定位解算,潜标定位精度为20 m,实时处理,测时误差为10 ms,平均声速相对误差为10‰,则定位精度可以达到350 m(RMS),边缘定位精度略差。核心区域10 km×10 km的定位精度可达150 m(RMS)的定位精度, 如图12所示。
图12 八阵元实时定位精度仿真

Fig.12 Simulation of real-time positioning accuracy of eight array elements

事后处理,测时误差可以达到1 ms,声速修正后误差可达1‰,定位误差可达50 m范围,核心区域10 km×10 km的定位精度可达30 m(RMS)的定位精度, 如图13所示。
图13 八阵元事后处理定位精度仿真

Fig.13 Simulation of positioning accuracy for eight array elements post-processing

3.2 目标在阵外定位精度

在潜标定位精度为20 m的条件下,远距离信噪比降低,信道和环境的影响较小,测时误差可能达到30 ms。平均声速相对误差为2%时目标定位精度仿真分析结果如图14。靠近阵型的精度略高,远离阵型的精度会变差,一些边角的精度可能达到1 300 m。事后处理,测时误差可以达到10 ms,声速修正后误差可达10‰,定位误差如图15所示,其中,阵型边角的精度略差。
图14 实时处理阵外精度仿真

Fig.14 Real time processing of off array accuracy simulation

图15 事后处理阵外精度仿真

Fig.15 Simulation of external precision of postprocessing array

4 试验结果

系统在深海(4 100 m)进行了实际定位测试。测试采用4阵元定位,覆盖在14 km×16 km的范围,分别进行了阵内和阵外定位精度测试。记录模拟目标(采用100 g TNT当量的爆炸声源,定深为40 m)投放位置的北斗定位结果(作为真值),将定位结果和目标真值进行比对。模拟目标的声源级超过200 dB,到达信号的信噪比较强,深海多径效应对时延估计影响较小。

4.1 目标在阵内定位结果

目标在阵内进行了6次定位,目标落点位置和真值位置如图16所示。
图16 阵内定位结果

Fig.16 In-array positioning results

经6次统计,目标的实时定位误差范围均在100 m范围内,事后目标定位误差均在20 m范围内。

4.2 目标在阵外定位结果

目标在阵外进行了6次定位,落点位置和真值位置如图17所示。目标在阵外爆炸时,未能实时解算出目标位置,事后通过对记录数据进行人工挑点解析,对阵外目标进行定位统计可知,事后定位的均方根误差为326.1 m。
图17 阵外定位结果

Fig.17 Out-of-array positioning results

5 结束语

本文研究了基于长基线(TDOA)落点目标定位技术,结合深海潜标测量技术对落点目标定位进行精度分析和仿真计算,实际测试验证其满足分析结果。同时,配合北斗定位技术,可实时显示落水目标位置,为武器装备落点精度测量提供了技术支撑。

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