Ankunftszeitdifferenz

Time Difference of Arrival (TDOA) ist ein Verfahren zur Ortsbestimmung einer Signalquelle durch Messung der geringen Verzögerungen, mit denen dasselbe Signal verschiedene Empfänger erreicht. Wenn ein Funksender, Radarreflektor oder eine akustische Quelle Energie ausstrahlt, kommt diese Energie zuerst beim Empfänger an, der der Quelle am nächsten liegt, und etwas später bei weiter entfernten Empfängern. Durch Erfassung dieser Ankunftszeitverzögerungen über drei oder mehr Empfänger kann das System den Quellenort berechnen, ohne dass die Quelle kooperieren oder ihre Position durchgeben muss.

Die Mathematik von TDOA basiert auf hyperbolischer Positionsbestimmung. Jedes Empfängerpaar definiert eine Hyperbel, auf der sich die Quelle befinden muss, da alle Punkte auf dieser Hyperbel die gleiche Laufzeitdifferenz für Signale von diesem Paar aufweisen. Zwei Empfängerpaare ergeben zwei Hyperbeln; ihr Schnittpunkt definiert eine Linie. Ein drittes Empfängerpaar erzeugt eine dritte Hyperbel, die diese Linie am Quellenort schneidet. Die Genauigkeit hängt entscheidend von der Synchronisation zwischen den Empfängern und von der Präzision der Ankunftszzeitmessung ab. Fehler von einer Mikrosekunde in der Zeitmessung führen über mittlere Entfernungen zu Positionierungsfehlern im Kilometerbereich.

TDOA wird in Notfalldiensten weit verbreitet durch Enhanced 911 Systeme eingesetzt, bei denen Mobilfunknetze Mobiltelefone durch Messung von Signalverzögerungen an mehreren Funkmasten orten. Militär- und Luftfahrtanwendungen nutzen TDOA für passive Sender-Ortsbestimmung: Radarwarnempfänger in einem Luftfahrzeug können die Position eines feindlichen Radarsenders bestimmen, ohne dass der Sender bemerkt, dass er erkannt wurde. Sonarsysteme verwenden unterwasser TDOA-Antennengruppen zur Ortsbestimmung von akustischen Quellen. Das Verfahren funktioniert mit jedem Signaltyp: Funk, Radar, akustisch oder elektromagnetisch.

Herausforderungen bei der Umsetzung

Das Haupthindernis bei TDOA-Systemen ist das Erreichen ausreichender Zeitmessauflösung. Moderne Systeme verwenden Korrelationstechniken oder Phasenvergleich um Nanosekunden-Genauigkeit zu erreichen; ältere Systeme mit analoger Kreuzkorrelation hatten Genauigkeitsprobleme. Mehrwegeausbreitung erzeugt falsche Signalankunftszeiten, die die Zeitmessungen verfälschen, besonders in städtischen Umgebungen, wo sich Funksignale an Gebäuden brechen. Das System muss die direkte Wegankunft von verzögerten Reflexionen unterscheiden, manchmal mit Signalvorverarbeitung oder Antennenarrays, die reflektierte Energie unterdrücken.

Die räumliche Anordnung der Empfänger wirkt sich erheblich auf die Lösungsqualität aus. Empfänger, die nahezu kollinear angeordnet sind, liefern schlechte Positionsfeststellungen, weil die Hyperbeln in flachen Winkeln schneiden. Der Begriff Geometric Dilution of Precision (GDOP) beziffert diese Verschlechterung. Darüber hinaus setzt das Verfahren bekannte Empfängerpositionen und synchronisierte Zeitbasen voraus; Fehler bei einer dieser Annahmen wirken sich auf den Positionsfehler aus. Diese Faktoren erklären, warum kritische Anwendungen wie Präzisions-Geolokation TDOA häufig mit anderen Techniken wie Ankunftswinkel oder empfangener Signalstärke kombinieren.