《射频地理定位技术指南》
美国CRFS公司发布了《射频地理定位技术指南》，介绍了该公司三种射频地理定位方法的工作原理，说明了每种方法的优缺点，并确定了哪种方法最适合不同类型的信号。它还描述了传感器网络产生精确地理定位的最佳几何形状。最后，它探讨了新方法，包括合成方位，以及如何了解广阔区域内目标的海拔高度。现笔者翻译如下，仅供参考。
一、射频环境
射频地理定位是指确定特定射频信号或发射器的物理位置或来源的过程。从军事和国防行动到监管频谱管理和干扰搜寻，这一过程在各个领域都至关重要。
地理定位技术用于精确定位信号的来源，并根据所采用的方法和技术以不同的精度进行定位。
CRFS使用三种主要方法来定位射频信号：到达时间差(TDoA)、到达功率(PoA)和到达角(AoA)。
信息社会推动了我们对带宽的依赖和渴求，而EMS变得拥挤，这带来了挑战。拥挤的频谱会引起电磁干扰，造成严重后果—从超级碗比赛中错失达阵到灾难性的军事损失。
我们的使用量不断增加，导致地方、国家和国际层面的EMS供应不足。尽管EMS理论上是无限的，但可用的频谱却受到限制，原因是a)物理因素限制了操作范围，以及b)我们可用于利用频谱的技术能力。
如果我们希望继续扩大频谱使用，就必须更有效地使用它，并为了全体公民的利益对其进行管理。对于短距离应用，管理可以简单地由本地频谱管理人员进行，或者通过遵守通用共享协议（如Wi-Fi设备的标准化协议）来进行。然而，长距离应用可能更具挑战性，因为国家机构必须协调才能实现平稳、高效的频谱共享。在国际边界附近，情况变得更加复杂，不同国家的当局必须就频谱使用达成一致并进行协调。
二、射频地理定位的应用
军事和防御：定位敌方雷达、通信设备和其他电子发射器，以用于情报目的和EMCO。
ISR：精确定位目标，收集可操作的情报，并提供实时态势感知。
监管频谱管理：识别干扰源或未经授权的信号发射，以确保高效、合规的频谱使用。
执法：追踪非法或恶意传输，例如用于犯罪活动的设备和非法广播电台。
关键基础设施：通过持续监控非法监视设备来确保安全。
情报机构：通过定位威胁和开展反恐和间谍行动来收集增强情报。
工业4.0：解决依赖于连接到无线网络的智能设备的工业4.0所带来的安全挑战。
太空发射：通过对任何干扰源进行地理定位，确保太空港的顺利运行。
三、到达时间差(TDoA)vs到达功率(PoA)vs到达角(AoA)
四、到达时间差(TDoA)
TDoA是在第二次世界大战期间开发的。该技术比较多个接收器在某一时刻接收到的射频信号（特别是信号的I/Q数据）的时间差。由于接收器位于不同位置，它们在不同时间接收到相同的信号。使用频谱监控和地理定位软件精确计算此时间差可以对信号进行地理定位。
计算TDoA：为了准确工作，TDoA需要全向天线和至少三个射频接收器组成的网络，这些接收器会持续记录射频信号。这些信号的数据会实时发送到主控制计算机，然后可以评估所有信号。
然后，频谱监测软件会叠加时间测量值，以确定每个信号必须移动多远（以微秒或毫秒为单位）才能全部对齐或关联。该软件还会评估信号叠加的质量，并利用此信息来缓解多径和虚假相关性。时间测量值之间的差异代表一个关联点，软件会将其显示为地图上的一条曲线（或等时线）。
仅使用两个射频接收器，相关时间关系便可在地图上形成一条曲线。尽管信号将位于该曲线的某个位置，但无法确定其准确位置。但是，添加第三个传感器可让软件形成第二条曲线。根据接收器的放置方式和发射器的位置，第二条曲线将与第一条曲线重叠，软件将计算出数学纬度-经度解。
通过此设置，可以比较两个传感器对之间的时间差，从而实现发射器的2D地理定位。如果几何形状合适，添加第四个传感器可让软件使用3D TDoA计算高度。
网络中可以添加无限数量的接收器——无论是陆地、空中还是固定或便携式部署。每个传感器将根据其相对于发射器位置的位置在不同时间接收信号。一旦通过关联建立了时间关系，算法就会使用接收器的已知纬度、经度和海拔（用于3D目的）来计算发射器的地理位置。
射频接收器网络：接收器网络理想情况下应围绕发射器。如果发射器在网络内部移动，传感器可以跟踪传输并准确定位。但是，如果发射器移动到网络外部，则地理定位会变得更具挑战性，因为曲线以非常小的角度相交。虽然曲线会相交，但小角度使得难以准确确定发射器的精确位置，发射器可能位于曲线相交的多个位置。
图1：良好射频接收器定位的示例。两对接收器创建两条曲线并提供精确的地理定位。
图2：当发射器位于网络外部时，两条曲线以非常小的角度相交的示例。
射频接收器的最佳位置取决于网络包含多少个接收器。在三传感器网络中，以三角形排列传感器是最佳做法。对于四个接收器，最佳效果是从Y形排列、三角形加上一个大致位于中间的接收器获得。
理想的配置是将多个接收器以非对称方形排列，盒子内至少有一个传感器。这将确保2D TDoA和3D TDoA的最佳地理定位，因为不会出现对称相交曲线，而对称盒子形状会产生这种曲线。
图3：2D TDoA和3D TDoA的最佳结果是由一个箱型网络和一个内部接收器产生的。
接收器定位差会对地理定位精度产生负面影响。例如,放置在直线上的三个传感器可能产生模糊的结果：两对传感器之间曲线上的多个可能的信号地理定位。
图4：不良射频接收器定位几何导致模糊的地理位置。
当发射器位于射频接收器网络内时，可获得最精确的地理定位；不过，也有可能在基线（网络中最远的一对接收器之间的距离）两倍的距离内对信号进行精确的地理定位。就海拔高度而言，当发射器的海拔高度在接收器网络的基线距离内时，软件通常能最好地计算3D地理定位（包括海拔高度）。
五、影响TDoA准确性和性能的因素
TDoA地理定位的精度受调制带宽的影响,调制带宽是信号用来传输信息的频率范围。调制带宽为10MHz的发射器可以精确到100米。然而,当带宽减少到1MHz或100kHz时，不确定性显著增加，精度分别达到1500米和5000米。
图5：调制带宽对相关质量的影响。
为了获得精确的TDoA，信号必须具有良好的相关性,才能测量到达多个独立接收器的信号的精确时间差。TDoA最好的信号类型是具有高调制带宽的信号。
相反,随着调制带宽的减少，相关的时间数据越来越少，而时间的不准确性也越来越大。因此，软件更难以精确地确定相关图的峰值。
虽然宽带数字调制产生了最精确的地理定位，但必须实现系统来补偿信号没有以这种方式被调制的情况。
六、基于样本的TDoA vs 基于探测器的TDoA
基于样本的TDoA包括定期、实时地将(信号的)同相和正交(I/Q)数据流传输回控制计算机,从而不断完成接收器对之间的时间相关性。
这种方法不寻找任何特定类型的信号，而是盲目地将数据流送回控制计算机，而不管信号内容如何。因此，这种技术对回程传输的要求很高，并可能导致计算机浪费时间去关联噪声。
为了解决这个问题，CRFS开发了基于探测器的TDoA，它在接收器上安装了匹配滤波器，以查找特定的信号参数。例如，可以对探测器进行编程，以评估在指定频率范围内具有特定带宽的信号（即跳频信号）、具有预定义脉宽（PW）的脉冲信号、指定的脉冲重复间隔（PRI）等。
如果说信号是指纹，那么信号探测器就是指纹扫描仪——它们能实时描述成千上万个信号的频率、功率和时间特征。射频接收器在扫描时，信号探测器会分析每个信号，并将其与过滤标准列表进行比较，寻找匹配的信号。只有在信号符合滤波器标准后，接收器才会将I/Q数据发回控制计算机。实际上，探测器就是大规模的信号鉴别器。当探测器正确识别信号时，就会启动地理定位工作流程。
利用基于探测器的TDoA，接收器会在特定时间内保留I/Q数据，以便从探测传感器和所有其他传感器检索I/Q数据。然后进行关联引擎，产生地理定位。基于探测器的TDoA可以对跳频信号进行地理定位，而基于样本的TDoA只能与固定频率范围相关。基于探测器的TDoA甚至可以搜索远远超出射频接收器瞬时带宽(IBW)的宽频率范围。这允许在宽频带内进行相关性和地理定位，有助于对无人机等跳频设备进行地理定位。
七、利用合成方位干扰、诱骗和干扰定位覆盖区外的信号
在覆盖区边缘，曲线相交的角度较浅，因此很难确定信号的位置。因此，对远在网络覆盖区域之外的发射器进行地理定位是一项挑战。
然而，一项名为“合成方位”的新功能可以让系统根据曲线的指向形成一条方位线。该方位表明信号是沿着这条线传输的。软件可以计算出大致的范围，不过随着信号离接收器网络越来越远，范围的精确度也会下降。
图6：利用合成方位定位覆盖区域外的信号。
八、到达功率（PoA）
PoA是一种地理定位技术,用来比较多个接收器接收到的(信号)幅功率。它在短距离内(通常在室内环境中)是有效的。该系统分析并比较了接收功率水平,以建立发射器的地理定位。
网络中的射频接收器是利用一个由CRFS设计的系统同步的,该系统使用以太网或光纤电缆在接收器之间建立了精确的时序关系,从而产生了非常精确的时序精度(以纳秒计)。
PoA可用于室内和室外地理定位。在建筑物内,传感器通常安装在天花板瓦上,可以用来定位发射器所在的特定房间。然而,应该在建筑物外设置一个参考传感器,以区分室内和室外的传输,这对安全设施至关重要。
计算PoA
利用全向天线,接收器离发射器越远,接收到的信号就越弱。
当信号接收器和发射器关闭时,软件产生一个倾斜的曲线,并根据信号的射频传播特性计算出与发射器的距离。通过使用多个接收器,这些距离可以在地图上被覆盖来形成地理定位。
然而,随着发射器移动到更远的地方,功率的变化变得不那么明显,倾斜变得更浅。当斜度变浅时,PoA就变得不那么有效了。对于位于一公里以外的发射器,功率的变化变得微不足道,系统再也无法有效计算距离。
图7:曲线的陡峭斜度可实现精确的地理定位。
九、到达角（AoA）
AoA提供了从测向（DF）阵列到发射器的单一方位线。该方位线可以叠加在地图或极坐标图上，以指示信号来自何处。方位线也可以相对于真北或相对于移动车辆。
AoA可查看六个天线（在DF阵列内）面上的信号接收振幅，以比较接收振幅水平。利用探测到的信号强度和已知的天线方向，软件可以通过多天线方法确定信号的来源方向。这种技术可用于各种固定和移动部署方案。
图8：AoA部署示例
AoA工作原理
AoA使用测向阵列对宽带和窄带发射器进行地理定位；AoA是窄带信号的首选方法。
每个测向阵列包含六根定向天线，可侦听一个预先设定的方向。天线的方位角每60度一个，这意味着三根天线总能计算出任何一个信号的来源。在每个天线上进行功率测量，然后系统将测量到的功率电平进行比较，以确定信号最强的位置，从而揭示发射 器的方向。
这些阵列的工作频率通常高达18KHz；不过，CRFS也有工作频率高达40KHz的毫米波应用设备。CRFS DF阵列还可覆盖低频段（30MHz - 300MHz）DF应用。
AoA是一种有用的移动信号搜索技术。频谱管理者可以驾车靠近信号源（在装有阵列的面包车内），并在靠近时进行地理定位。
为了更有效地进行地理定位，使用多个DF阵列可以提供多条方位线，这些方位线相互交叉，显示发射器的精确地理位置。
两个高带宽DF阵列
阵列中的每根天线都指向不同的方向，通过多根天线接收感兴趣目标的信号。系统通过分析信号强度来确定其方向。
如果每个信号都是一个指向特定方向的箭头，那么通过综合这些箭头的角度，系统就能更清楚地了解信号的来源。这一过程有助于追踪信号源，因为天线可以接收信号，阵列可以计算出地理定位所需的方位测量线。
低带宽DF阵列
低带宽DF阵列有五根天线：四根在外侧，一根在中央。它通过比较每个外围天线接收到的信号强度来确定信号的来源。中央全向天线通过检查外围天线之间的信号差异，进一步完善这一功能。然后使用软件将所有这些因素综合起来，形成一条方位线，并确定信号的方向。
每次测量都会产生一个方位
DF阵列可以跟踪各种类型的信号，包括跳频信号。CRFS软件可将这些信号方向可视化，用颜色代表频率或信号质量。高质量信号更容易跟踪，尤其是当阵列两侧的天线之间存在明显的信号强度差异时。如果两侧的信号强度几乎相等，则表明可能存在干扰或多径效应，从而难以确定原始信号的确切方向。
图9:显示多个信号并在特定频率域上执行AoA的软件。
图的左侧显示的是一个双通道跳频器，由于它们有各自的频段，因此会产生各自的方位线。图的中间是一个五通道跳频器，中间是一个强干扰信号。一般来说，在设置任务分析信号时，强干扰信号会主导测量结果；但是，软件可以将信号分开并单独分析，因为每个信号都会产生自己的频段。
因此，可以看到五通道跳频的方位线和强干扰信号。此外，还可以使用“排除区”等工具来屏蔽频域内的区域，以过滤掉不需要的信号。
DF阵列的最佳效果
单个DF阵列可以产生一条指向发射器的方位线，表明信号是从这条线上的某处发射的。不过，要确定距离，应从不同位置使用第二个DF阵列，以产生两条相交的方位线，从而确定地理位置。增加第三个DF阵列可提高精确度，改善地理定位结果，减少模糊性和不确定性。
就射频接收器的定位而言，将多个传感器放置在一条直线上得到的结果最不精确。当阵列环绕目标收发器时，系统将更加精确。此外，传感器需要与发射源保持视线一致，才能获得最佳地理定位结果。
图10：三个DF阵列形成的方位线。
虽然AoA定位对宽带和窄带信号都很有效，但它是窄带信号的首选方法。由于AoA系统灵敏度高，因此可以同时生成多条方位线。
十、结论
TDoA、PoA和AoA使对大多数类型的射频发射器进行地理定位成为可能。同时使用其中几种技术并对结果进行比较，可以提高地理定位的准确性。不过，TDoA和PoA是相互排斥的，因为TDoA技术需要较长的基线，而PoA需要较短的基线。
当然，影响地理定位性能的因素很多，包括发射频率、发射功率、调制类型和带宽以及天线高度。不过，只有当接收器能够“看到”发射器时，地理定位才有可能实现。任何阻碍视线的障碍物都会妨碍地理定位和信号测量，如果没有视线，地理定位将无法实现。此外，物理环境中的一些因素，如多径产生的镜像，也会对地理定位产生负面影响；不过，CRFS软件采用了一些技术来减少基于多径的错误地理定位。
无论采用哪种技术，地理定位都只能识别发射器辐射元件，而这不一定是操作员所在的位置。在这个网络电话（VoIP）时代，操作员的定位可能远离发射元件。
