（信号与信息处理专业论文）基于kalman滤波的无线定位研究.pdf

燕庆邮电火学硕士论文摘要 摘要 近年来，随蔫移动通倍技术的发展，特别是第三代移动通信技术的发展，无 线定位业务越来越受至4 人们豹毒骧，并显对定位精度的要求也越来越藉。 在蜂窝网络中由于非理想的信道环境，使得移动台和基站之间多径传播、非 视距( n l o s ：n o n - l i n e - o f - s i g h t ) 传播普遍存在：在码分多址( c d 姒：c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 网络中，还普遍存在多址干扰，这些因素都会使检 测到的各种信号特征测量值出现误菠，从而影响定位精度。在蜂窝网络中，为了 提高辩移动台的定位精度，是寻找符合实际信道环境豹视距非援鼹健播模垄， 研究对信号特征测量值误蓑具有良好鲁棒性的高精度定位算法，二是研究造成测 量误差的主要覆鞠，寻找其对策。 本文在介绍无线定位、信息融合和k a l m a n 滤波基本原理的基础上，对k a l m a n 滤波技术在无线定位中的应用课题进彳亍了研究。一方面，提出了用k a l m a n 滤波 技术处理到达时间( t o a ：t i m eo f a r r i v a l ) 和到达角度( a o a ：a n g l eo f a r r i v a l ) 测量值，减小了测量误差；另一方面，提出了在( 到达时间差：t i m ed i f f e r e n c e o f a r r i v a l ) t d o a a o 矗和c 溯a g p s ( 全球定位系统：g l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m ) 数据融合混合定位算法中，采用基于k a l m a n 滤波的定位算法，大大提高了定位 糙度。 关键谣：k a l m a n 滤波，数据融合，无线定馕 壤嶷郯电天学旗j ：论文稳饕 a b s t r a c t i n r e c e n t y e a r s ，w i t h t h e d e v e l o p m e n t o fm o b i l e c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s ，e s p e c i a l l yt h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ， w i r e l e s sl o c a t i o ns e r v i c e sb e c o m eaf a v o r i t ew i t hp e o p l e , a n dt h er e q u i r c r n e n t sf o r p o s i t i o n i n ga c c u r a c ya r eb e c o m i n gh i 馥e ra n dh i g h e r d u et on o n - i d e a lc h a n n e le n v i r o n m e n t ，t h e r ea r ep l e n t yo f m u l t i p a t h p r o p a g a t i o na n dn l o s ( n o n - l i n e - o f - s i g h t ) p r o p a g a t i o n sb e t w e e n m o b i l es t a t i o n s a n db a s es t a t i o n si nt h ec e l l u l a rn e t w o r k s ，i nt h ec 溅an e t w o r k s 。t h e ma r ea l s o m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e s a l lt h e s ef a e t o mw i l lm a k et h ed e t e c t i o ne r r o ri n m e a s u r e m e n t so fs i g n a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h u sa f f e c t i n gt h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c y i n o r d e rt oi m p r o v et h el o c a t i o na c c u r a c yo f m o b i l es t a t i o ni nt h ec e l l u l a rn e t w o r k , t w o k i n d so fm e t h o d sa 掉u s e d o n ei ss e a r c h i n gf o rr e a l i s t i cc h a n n e le n v i r o n m e n t a l m o d e l sf o rt h el i n e - o f - s i g h ta n dt h en o n - l i n e - o f - s i g h tp r o p a g a t i o n st os t u d yt h e c h a r a c t e r i s t i c so fs i g n a lm e a s u r e m e n t se r r o rw i t hg o o c tr o b u s t n e s so fh i g h - p r e c i s i o n p o s i t i o n i n ga l g o r i t h m s t h eo t h e ri sa n a l y z i n gt h em a i nc a t t s eo f t h ed i f f e r e n tk i n d so f t h em e a s u r e m e n te r r o r st of i n dt h e i rs o l u t i o n s 协d e c r e a s et h ee r r o r s o nt h eb a s i so fi n t r o d u c i n gt h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h er a d i op o s i t i o n i n g ， i n f o m a a t i o nf u s i o na n dk a t m a nf i l t e r i n g ，t h es u b j e c tt h a tk a l m a nf i l t e r i n g t e c h n o l o g yi sa p p l i e d i nw i r e l e s s l o c a t i o ni sr e s e a r c h e d ，o nt h eo n eh a n d ，t h e m e a s u r e m e n t so f t o a a n da o a a r ed i s p o s e dw i t ht h ek a l m a nf i l t e r i n gt e c h n o l o g y , w h i c hc a nr e d u c et h em e a s u r e m e n te i t o r o nt h eo t h e rh a n d ，t h ek a l m a nf i l t e r i n g t e c h n o l o g yi sa p p l i e di nt d o a a o aa n dc d m a g p sd a t af u s i o nh y b d dl o c a t i o n a l g o r i t h m ，w h i c hc a ng r e a t l yi m p r o v e t h el o c a t i o na c c u r a c y 、 k e yw o r d s ：k a l m a nf i l t e r i n g ，d a t af u s i o n ，w i r e l e s sl o c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学假论文是本人谯导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了义中特别加以栎注秘致谢的地方外，论文中不包含其 穗入已经发表袋撰写过静磷梵成粟，氇不龟含为获褥燕瘩整查鑫黧或其谴教 育机构的学位戏证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 爨靛均已在论文串终了明确敬说疆并表零谢意。 警霞论文终嚣熬名：兖秒亍萄签字鞘籁：2 夕# 咯磊7 翔 学位论文版权使用授权书 本学位论文律者宠全7 簿重塞整毫塞雯蠢关缣蘩、使躅鬻霞论文懿瓣 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被套 潮和借阅。本人授权重痰监鱼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 餐关数据库滋行检索，可虢采用影露、络印或 霉攒等袋镪手段保存、汇编学位论 文 ( 保密的学位论文在瓣密螽适用本授教书) 学位论文作嚣签名：未移于翻 学薅签名； 膨捌 ：蝴期洲等6 7 早期；“年月7 日 鬣庚邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 研究背聚 第一章绪论 国际上对凭线定位技术的研究与应用始于2 0 世纪6 0 年代的自动车辆定位 ( a v l ：a u t o m a t i cv e h i c l el o c a t i o n ) 系统，随后该项技术在公；建交通管理、 赞携运输、邀掇军营理、犯嚣鼹踪窝紧急暇疗驻务等鸯蔽戆范嚣内缮列7 痤溺。 8 0 年代以来，随着人们对鬻能交通系统的需要及蜂窝移动通信系统的出现，对 无线定位技术肖了新的要求近年来，随辫移动通信技术的发展，特别是第三代 移动通信技术的发展，无线定位业务越来越受到人们的鬻昧，并且对定位耪度豹 蘩求也越来越巍。 1 。1 。1 各国政府对无线定位技术的要求 美国联邦邋信委员会( f c c ：f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o n l n i s s i o n ) 于1 9 9 6 笨公布了e _ 9 1 1 ( e m e r g e n c yc a l l 9 1 1 ) 定位需求，要求在2 0 0 1 年l o 月l 嗣魏，各种无线蜂窝网络必须轭对发出b 呻l l 紧急呼剃的移动台提供精度在1 2 5 m 内蠹馨定位服务，嚣置满趸既定位精度静辩弱概率应不低乎6 7 ；在2 0 0 1 年鞋蜃， 系统必须提供鼹高的定位精度及三维位鬣信息1 9 9 9 罐1 2 月，f c c9 9 - 2 4 5 对 黔9 l l 需求进一步细化，对网络设备和手机生产厂商、阐络运营商等对定位技术 农翔终设备j 留警爨孛熬实藏移支持提出7 弱镶要求纛秘疆安捧。在宠使糙度要求 方面规定：基于蜂窝网络的定位方案( 不改动终端) ，凝求在6 7 的概率下定位 精度不低于1 5 0 m ，9 5 9 6 的概率下定位精度不低于3 0 0 m ；麓于移动台的宛位方案( 可 以教动移动台) ，要求在6 7 的概率下定佼精度不低予5 0 m ，9 5 的概率下定位耪 殿不低予1 5 0 罐。美国f g c 瓣这一巍定臻确了提供鼬l l 定位服务将楚今嚣各耱 蜂窝网络，特别是3 g 网络必备的基本功能此外，欧洲公布了与e 一9 1 1 类似的 定位服务法规( e _ 1 1 2 ) ，日本也散了相威的规定阍 1 1 2 无线定位服务市场的驱动 无线定嵌枣场潜力巨大。撂国外凡家著名的分析奄咨询公司对定位服务发展 趋势静颈溺( 麓2 0 0 6 年) 汹； ； 定位服务在全球的市场规模将达2 0 0 亿美元( 英国b w c s 电信咨询公司， 燕庚邮电大学硕| = l ：论文 第一章绪论 美国通信市场咨询公司o v u m ) ，瓶美国商业傣息( a b i ) 联盟的预铡则 雯莛蘸这4 0 0 亿荚必 世界上7 0 的用户将会利用定位服务 全球的定位服务用户总数将超过1 5 亿。 位置骚务焱中匡莎为薹选3 g 鞭务之2 0 0 2 年投藏麓场调查显暴。位萋黢务 在激受欢透3 g 妲务中排行第：( 对于c d m a 用户) 及第墨( g 翱用户) ，用户愿意为 傲置服务支付2 0 元月左右服务费据权威统计和预测，中国定位服务收入2 0 0 3 馨达到1 6 0 0 万美元，在未来三年内会有极黼速度的增长，到2 0 0 6 年定位服务豹收 入将这囊1 2 。弱亿美元瑚。 1 1 。8 影响光线定位精度的原因 移动通信信邋的主要特征是无线电波的多径传播釉由于移动螽或周隧散射 体的运动所引入的非线性时燮特性，而这炊特性正是造成蜂窝网络光线定位误差 的主要原因般蔼言，当移动台和基站之间的直线路径被一些障褥物遮挡后， 纛线龟波袋裁淡反荔帮稼射虢方式妥这接毅拣。魏黠壤波弱这蠢重窝秘建度藏无法 反映基站和移幼台之间的真实距离和方位角，这一现象就是非视距路径传播 ( n l o s ) 在蜂窝网络中采用到达时间( t o a ) 或到达时间差( t d o a ) 技术对进行 窥毽绩谤酵，凌t - n l o s 毫浚传撵熬存在，会使褥t o a 裁墨潞& 嚣量毯爨瑗较大 袁 麓。因而，如何搬据t o a 或秘o a 测量值中提供的信息及蜂窝网络有关t o a 或t d o a 测是值的先验信息判断在备个测量值中悬省存在n l o s 造成的误差及其大小，并 袋取相应措施避行撺铡或抵消，褥到准确的信号特征测慧值，是提赢定位精度的 荚键辩。 1 1 4 研究课题的提出提高定位精度的对策 在蜂窝两络中为了撬磁对移动台的定位精度，一蹩寻找符合实际信道环境 的视距非视躐传播模型，研究对信号特征测量值误差具有良好鲁棒性的高精度 寇位算法，：是研究造成测豢误差的主鼗原因，寻找冀对策 i ( a l m a n 滤浚技零是一耱楚理定位数藏嚣有效手毅，尤其是动态定位数据， 它不仅利用当前的观测量，而且充分利用以前的观测数据，根据线能最小方差原 墩，求出最优估计 委是由予k a l m a n 滤波技术兹特纛粒移动逶镶傣道熬特征，本交提出恕 k a l m a n 滤波技术应用至4 无线定位中的研究课题，本课题得到以下科研项目的瓷 助，教育部项目：基于多传感器信息融念的无线定位研究( z 2 0 0 4 - 1 - 5 5 0 1 5 ) ；重 艇庆邮屯大学硕士论文 第一章绪论 庆邮电大学科研项目：蕊子多传感器信息融合的无线定位算法的研究 ( a 2 0 0 3 5 2 ) 零深题戳骧t 顼嚣兔鹜豢，一方霞，爨爨7 用k a l m a n 滤波技术鲶 理t o a 和a o a 测量值，减小了测量误差，为提高定位精度奠定了鼹好的基础；另 方面，提出了在t d o a a o a 和c d m a g p s 数据融合混合定位算法中，采用基予 k a l r 建n 滤波豹定霞雾法，火大提裹了定霞糖度。 1 2 论文结构 本文共努六章，各孝内容安撵翔下； 第一章绪论部分，主鼹介绍了论文研究课题的研究背景和论文结构。 第二章熬要介绍了无线定位的基本原理包括蜂窝阕无线定位系统和g p s 全 球定爱系统是傻嚣基本原壤势嚣臻了蜂窝弱羁g 菸定爱蓉憩及冬蠡定撞豹弱羧 健 第三章烹簧介绍了k a l m a n 滤波技术的基本原瑕和k a l m a n 滤波基本递推方 糗。 第霆章熏簧奔绍了僖惫麓含技零豹蒸奉漾理，它怒滋合式定锭簿法戆理论蕊 础。 第五章熙论文的核心部分，主要介绍了k a l m a n 滤波技术在处耀t o a 和a o a 测蟹篷孛豹痰楚l 秘k a l m a n 滤波援寒在t d o a a o a 、c d m a g p s 数摆酸金混金定位葵 法中的应用。 第六章缡论部分，主骠总结了本文所做工作，并探讨了进一步的研究方向， 述介绍了k m m a n 滤波技术农实际应用过程中发敖阉麓鲍基本原嚣及其对策。 重庆邮电大学硕七论文 第二濑无线定位 第二章无线定位 2 1 无线定位的概念积分类 无线定位分为地面无线定位和卫星无线定位。地面觅线定位通过测量从发射 机到接收机的传播时间、时间差、信号场黻、相位、或入射角等参数来实现目标 移动终端戆二绦定谴；量星惩线定整裂溪g p s 、g l o n a s s 、琵主 双羹等翌星系统 的多个卫星实现移动目标的黧维定位嘲。 2 。2 蜂窝网无线定位系统 2 2 1 蜂窝网无线定位系统概述 嚣蠡，酶窝鬻络孛霹移凌台豹定整器求主要是提供移动台懿霞爨蹩檬售怠及 定位精度估计、时戳等辅助储息，对速度、运动方向等信息还没有明确要求定 位功能的实施臌充分利用蜂窝网络和g p s 等已有的系统资源，并尽可能少地影响 掰终懿琢有功熬，选霉逶豢静定经系统炎燮、据应豹定位技术及实撩方案。 无线定霞系统中对移动台的定位是通过检测移动螽和多个固定位置收发傣 机之间传播信号的特征参数( 如电波场强，传播时间溅传播时阃麓，入射角等) 来估计出目标移动台的几何能置。在蜂窝网络中，根掇避行定位估计的位置、定 像主薅及采两豹设备懿不弱霹将瓣移凌螽弱定位方案分隽三类：基爹移动台懿定 能方案，基予网络的定位方粲及g p s 辅助定位方案，岛乏对应有以下几类定位系 统 i 基予移动金( 麓曲i l eb a s e d ) 豹惫链系统 这类系统也称为移动螽蠢定位系统绒前囱链路定使系统，采用静燕基于移动 裔的定位方案其定位过程熄由移动台根据接收到的多个已知位置发射机发射信 号携带的某静与移动台位髯霄关豹特种信息( 如场强、传播时闻、传播时闻差等) 确定其与各发射税之阅鹃死簿位耄关系，褥由集成衣移动台中瓣像簧诗算麓黢 ( p c f ：p o s i t i o nc o m p u t i n gf u n c t i o n ) ，根据有关定位算法计算出移动台的估 计位置。 2 基于弱络( n e t w o r kb a s ) 戆跫爱系统 。 这类系统也称为远距离自定位系统绒反向链路定位系统，采用的是基予网络 的定位方案其定位过程题由多个固定能置接收机同时检测移动台发出的信号， 重庆邮电大学硕士论文第：鬻无线定位 将嚣接收信号携带的某种与移动台位置裔荚的特种信息送到网络中的移动定位 串惑( 瓣l c ：m o b i l el o c a t i o nc e n t e r ) 避符处理，自鬃成在m l c 牵戆p c f 诗雾 出移动台的估计位置 3 网络辅助( n e t w o r ka s s i s t e d ) 定位系统 这类系统瞧漏子移动台爨定位系统，袋羽的是基予移动豹定位方案。其定位 遗箨是由多令瀚定位置接收飘同时检测移动台发出懿像弩，耨各接收穗号携带酶 麓种与移动台能置有关的特种信息由空中接口传送回移动台，由集成在移动台中 的p c f 计算出移动台的估计德置 4 。移动套辘秘( m o b i l ea s s i s t e d ) 是位系统 这类系统浆用的也是基予两络的定位方案，其定霞过程是由移动裔检测网络 巾多个固定位鬣同时发射的信号，将各接收信号携带的菜种与移动台位置有关的 特秘信息由空巾接口传送翻潮络，由集成农鼹络m l c 中鹣p c f 计算出移动台的估 诗位置。 5 g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 辅助定位系统 这类系统采用的是g p s 定位方案，由煞成在移动台上的g p s 接收机和网络中 靛g p s 辘爨设器零l 爱g p s 系统实瑗怼移动套茨塞定位。然嚣，在移动螽蠹鬈集成 g p s 接收机存在体积偏大、能耗过大，g p s 接收机首次定位时间过长，成本较高 铸问题 显然，对基子移动台的定位方案和g p s 辘助定位方察来说，移动台知道其壹 盛位置餐网络秀嚣莠不知避；对基于网终鹣定位方案来诞，瓣络方瑟知道移动螽 的估计位置佩移动台自身并不知道要使这两种定位系统中没有进彳予定位估计计 璐的一方掌握移动台的位置，还必须利用密中接口在移动台和网络之间建立一条 数蠢链臻，迸簿存关靛数器传递。 对于基平移动台的定位方法，目前主饕有；应用予时分多址系统的下行链路 增强观测时间麓定位方法( e - o t d ：e n h a n c e do b s e r v e dt i m ed i f f e r e n c e ) ，应 援- yc d m a 系统的下行链鼹空闲周期观测弼达对阿嫠宠谴方法( o t d o a - i p d l ： o b s e r v e dt i m ed i f f e r e n c eo fa r r i v a l i d l ep e r i o dd o w n l i n k ) 、基于g p s 懿 混合定位技术g p s o n e 等。熬中，下行链路增强观测时间差定位方法( e _ a t d ) 与 上行链路t d o a 定位精度相同，但不需要伪切换，对系统容量影响小，通过提高 t d m a 系统墓辩定位突发躲转发射臻率霹瓢提毫定显覆豢率。痤躅予c d m a 系统熬 c r r d o a - i p d 乙定位法精度与t d 姒系统的鼢a r d 定位法相同由于o t d o a - i p d l 方 法需要不定期短暂完全关闭服务基站发遴信号，故会损失一点系统容量 对予基予弱络戆定往方法，嚣藏主要骞：基于c e l i - i d 定位和蒸予露阋提麓 蠹锨：t i m i n g a d v a n c e ) 定僚的方法、上静链路信号弼达时闻固茂) 愆使方法、上 杼链路信号到达时间差( t d o a ) 定位方法以及上行链路信号到达角度( a o a ) 定位方 法等，其中，戆予c e l l i d 定位方法易予实现，覆盖率离( 整个网络无线覆盖范 溺) ，在各魏髭繇凌孛缘骞髭舜懿善嚣缝，嚣盈霹整令逶僖瓣终无经嚣影穗，毽 怒其定位精度岛服务区大小成正比，在l o o m 以内( 微蜂窝) 或3 6 k m 以内( 郊 区宏蜂窝) 对时间提前量( t a ) 的方法，阻于使用了g s m 系统的特有参数t a ，在 农蜂窝对，其豢g s m 系统巾懿定整耪度弼控制在5 5 瓤以内，魄c e l l - i d 定位方 法有较大改避，但受多径、o s 、冗何精度医子( g d o p ：g e o m e t r i cd i l u t i o no f p r e c i s i o n ) 镣影响大，鲁棒性较差此外，与t o a 和a o a 定位技术相比，t d o a 更容易实现。 获上述各定位系统懿蒸零特征霉绞豢蹬，在现有戆窝系统中鲡浆采焉基予移 动台的定位方案或g p s 辅助定位方案为移动用户提供定位服务( l c s ；l o c a t i o n s e r v i c e s ) 功能，则必须对现有移动台进行适当修改，增加必要的软硬件设备， 逐必矮逶过空孛接日将定敷穆悫终送嚣蜂窝网络。嚣魏，这两耱方寨不适瘸子在 现有蜂窝网络( 如g s m 网络) 中增加l c s 功能；但由予这两种方案的定位精度较 商，在w c d m a _ 和c d m a 2 0 0 0 网络中将得到广泛应用。基于网络的定做方案只需对 蜂窝网络设备撂适当扩充、修改，不器嚣对现有移动螽进行任何修改，能充分剩 掰现有各耱蜂窝系统静庞大资源，保护翅产已有投资，实瑷穗对容嚣，荠置g 送 别一定精度，豳而这种方案适用于现有蜂窝网络，如g s m 网络中增加l c s 功能嗍 2 。2 。2 蜂鬻网无线定位( 圆圈双凿线方位焦定位) 基本原理 在各种无线定位系统中，采用的基本定位方法和技术都是相同成相似的，都 是通过检测浆种信号的特缀测量值实现对移动台的定位估计从几何角度讲，确 定嚣标在二缭乎瑟豹霞鬣鼙孩童嚣令或多今整线在二缭平夏雨程交德翻。 在蜂窝网络中为移动裔提供的地面= 维定位服务，通常可供j 黩择的基本定位 方法有以下几种 1 强周定位法，测爨到达对阕( t o a ) 若已知移动台到基站i 的直线距离氛，则掇撂a 僻原理，移动台一定位予 以基站f 所在傲置为圆心，焉为半径的圆周上，即移动台位置( ，弘) 与基站位景 瓴，只) 之润满足如下关系： ( 毛一稚罗+ 锄一) 2 ；冀2 2 1 ) f 如果已知移动台与三个基站之间的躐离，以三个熬站所在位鬣为圆心，移动 螽与三个基始的半径画躅，如图2 1 所承，刘三个圆驰交点即为毯榕移动台所在 像置。 在实际獭线电定位方法中，通过测激从目标移动裔发出的信号以直线到达基 鑫 重庆邮电大学硕士论文第= 章无线定位 站j 的时间( t o a ) ，可以得到目标移动台岛基站的距离毽= c x t _ f ，其中，c 为 毫戳渡在空孛佼撰速度，甏e = 3 x 1 0 8 m s 。对手| = l ，2 ，3 ，联立上述三令方程 组，即可得到移动台坐标位鬣由于t o a 岛距离置的关系，三圆相交定位法又称 为t o a 定位法 图2 1 嬲周定位法 t o a 方式逶避诗算痿警麸移饕设备爨楚少三令蒌蜷熬俦簸露溺麓寒获褥链 鬣信息，见图2 2 ，该定位方式可在现有的任何移动通信终端上实现，终端无需 作任何改动“” 通 范围 逐猿基菇 豳2 。2t o a 定霞方式 t o a 定位方式需要附加硬件定位测景单元( l m u ；l o c a t i o nm e a s u r e m e n t 重庆邮电大学硕士论文 第= 鬻无线定位 u n i t ) ，以达到精确计算突发信号到达时阆的目的l 删既可集成粳转换基站 ( b t s ：b a s et r a n s c e i v e rs t a t i o n ) 蠹，魄冒痒蔻擎猿疆备。渊露秀擎疆设 铸时，既可有单独的天线，也w 与b t s 共事哭线，通过空中接口实现网络闻通信 t o a 在市区提供的定位精度比小区定位好一些，但怒它却需要更长的响应时 翅，大约l o s 发蠢。采翔分集技术( 麴天线分集窥跳频) ，霹簿低多经效应豹影 响，提高灞董精度。t o a 的一大缺陷是网络孵闽同步所椽的代价磁遥避小区定位 提高网络性能耍高得多 事实上，早期采用的场强定位法也是采用圆周定位。这神方法是邋过检测接 牧臻号豹场强毯，耱焉已翔豹傣遥衰落模黧及发射落号豹场强蓬绩算滋竣发售辊 之间的距离，通过求解上述同样的距离方稷组，即能确筑目标移动台位置在蜂 窝网络中只要在移动台对前向链路多个基站发射信号谶行场强测量戏在多个基 戆辩反蠹链路移动台发射臻考避行场强测豢，再摄据有必定位算法求鳐测距方程 缌，就能计算如移动台的债诗位置。 然而，对予c d m a 通信系统，由于特脊的“远近效威”问题，系统通常必须 采髑功率控制此对，基站接收到的信号功率并不能反映基站和移动螽之间的实 繇距离，因秀瓣鏊薅蔼言，农遮弱理怒臻攀控裁露，获务移凌台发磐瑟蔓| 这基楚 的信号强度应涡是相同的 2 双曲线定位法，测黛到达时间羞( t d o a ) 当已翔基站z 缓和基站露叉与移动螽乏闯熬距离麓避；= 琏一最封，移动 螽必定位子l 三l 两筮站为焦点、与两个焦煮的距离差恒为墨。的实线被麴线对上， 见图2 3 ，当同时知道基站上峨和基站z 溉与移动台之间的距离差风i = r r 嚣重，可以得到另一组以两基站点嗡和聪为焦点，与该两个焦点的距离差恒为 角；戆虚线双蘸线霹上，觅瀚2 3 ，予是，嚣维双曲线熬交赢代表霹移动台霞耋 的估计 3 重痰邮电大学硕士论文第= 章无线定位 蚕2 。3 黢莛线定缎法 与t o a 定位方法类似，基站硒和基站上礴与移动台之闻的溉离差可以通 过测量得出，即通过测量从两个基站同时出发的信号到达目标移动终端的时间麓 塞确定，或测豢扶移动台爨发到达两个熬站豹孵闽差f 2 l 。显然足，= c 岛，其 中，c 为电磁波在空中传播速度双曲线定位中移动螽坐标( 而，确) 和基站垒标 “，弘) ( i = 1 , 2 ，3 ) 有如下关系 ( 瓴一恐) 2 + 钒- y z ) 2 一瓴- x 0 24 - 瓴一以) 2 ) 2 = 赡 ( o 一岛) 2 + ( j 一乃) 2 一( - - x 1 ) 2 + ( y o - y 3 2 ) 2 = ( 2 2 ) 因为方程两边同时求平方的缘故，解上述方程组麝可以得到两个解，分别对 疲手蚕2 - 5 审嚣怼双夔线熬两令交煮。癞予秀令释( 交点) 孛只骞一令霞表移凄 台的真实位鬣，故需要一黧先验知识( 如小区半径等) 来分辨出冀蜜解，以消除 位景模糊( 解模糊) 双曲线定位法又称为基于电波劐达时间差( t d o a ) 的定位 法，印t d o a 定位法，它是爨裁在各耪蜂窝网络孛圭螫磷究、采用的定位方法。 3 方霞溺蠡定位法，灏蠢至4 遮角度( 矗滋 方位测量定位法也称为信号到达角魔( a o a ) 定位法该方法鼹通过基站撩 收机天线或天线阵列测出移动台发射电波的入射角，从而构成一根从接收机到移 凌套豹径囱逡线，帮方位线剥蔫秀令藏嚣今疆主接收壤提供熬矗激测量蓬，按 a o a 定位算法确定多条方位线的交点，辩为待定位移动台的估计佼黉，见图2 4 9 羹庆邮电丈学硕士论文第= 摩无线定位 x 图2 。4 方位测量定位法 穰设綦站麟箨b s 2 势裂潦褥移动念发出售号豹戮达角度努别为酸窝龟， 煦下式成立， t 钺l ( 岛) = ( x o 一墨) o 勺一乃) ，f ；1 ，2 ( 2 3 ) 逶过袭瓣上述菲线性方程，可以缛剿移动台位置) 瓴，y o ) 。 o a 最初怒由军方和政府祝构开发鹩，它不需要辩移动终端进行修改。该方 浅最普通的版本被称为“小缝隙方向寻找”，它需要农每个蜂窝小医站点上放鬣 4 1 2 组天线髀列，这些天线阵列一起工作，可以确定终端发送信芍相对于蜂窝 藻结翡角褒。囊骞若予令蜂窝基站豢发瑷了该售号深豹霜废薅，那么宅弱分裂麸 慕站沿着得出的角度引出射线，这些射线的交点就是终端的位置。豫图2 5 小缝隙 o a 系统往往会受到由多裰和其它环境湖索所引起的冤线信号波阵 鞭翅整魏影嫡。警遥踪语蠹赧务等连续懿发送信号融，由于有较妖豹分板聍阔， 因此该技术的性能是可以接受静；当移动糟户在，j 、区阕切换时，系统必需要舔踪 谮音信道的切换，如果a o a 夭线阵列的位置使得它无法解读语音信道的信号，该 技术的性能就会受到很大影响“町 重庆邮电大学硕七论文第二章无线定位 图2 5a o a 定位方式 o a 系统的缺点：一是随着通信法规的不断严格，向蜂窝基站增加天线阵列 套蠢许多塞颊，恻鲡不美蕊秘不方便管璎；= 是当移动终端距离基站铰远时，基 站定位角度的微小偏差会导致定位线距离豹较大误蓑。另舞，矗嘏虽然在模获无 线通信中得到成功应用，但是在数字通信系统中，由予数字通信的储号短、信道 拭享的特点，_ 暾用受到很大限制 毒。瀑会定袋法 这种方法怒利用上述两种或多种不葡类型的信号特征测量值，弼t 滥矗。矗、 t d o a a o a 、t d o a t o a 进行定位估计。 通常称这耱混合定位为狭义混合定缀，即在蜂窝网络系统内两种载多静不丽 炎堑靛信号特链溺量篷，逶进信惠融合羧零，进行是像。 例如，如聚一个基站能够同时钡l 得移动台发出信号以直射路径熬f 达基站的时 间f | 和角度鼠，则移动台相对于基站的躐离r = c 和方位角鼠融知，于是由 节式霉班瓣爨移动台建萋瓯，y o ) ，霹 t a r l 鸱) = ( - x , ) ( y o 一乃) 瓴一五) 2 + 执一只) 2 = 瓴) 2 ( 2 4 ) 通过对上述定位方法特点的分析磁较，可以发瑗a o a 定位法最霄一定精度， 但要求接收机具有高精度的智能天线阵列，系统设备复杂，且只能从反向链路定 位；t d o a 和t o a 定位法谯蜂窝网络中凌现相对容易，也能达到较麓精度，因此 这嚣秘方法，特溪霆t d o a 定位法，受翔了菱多豹羹褫；滢舍定霞滚鬟| l 戆暖毂不 同定位法的优点，但需要撼供不同的信号特征测量值。综上所述，目前在蜂窝网 重庆邮电大学硕士论文第= 鬻无线定位 络中受到广泛关注和深入研究的是t d o a 、t o a 定位法及混合定位法嘲 2 2 3 影响蜂窝网无线定位的原因与对策 在蜂窝网络巾为了提高对移动台豹定擞精度，除了研究对信号特筑测量值误 差茭有蹇好番棒髓豹离精魔定位算法箨，逐簿研究造成测囊误差熬奎簧藤霾，罨 找其对策。在蜂窝网络中由予非理想的信邋环境，使得移动台和基站乏问多径传 播、n l o s 传播蒋遍存在；在c d m a 网络中，还酱遍存在多址干扰，这燧因素都会 霞捡测鬟豹各秘售号褥薤溺纛篷出瑗误差，莰嚣影嚷定缎耱度。翔秘袋取逶当掺 施降低这些因索的影响，得刹准确的信号特征测量值。建提高定位精度的关键， 也是移动台定位技术需研究的重要课题。 1 多径传播阏题 多径传撵燕警| 起激上备耱信号特鬣瓣繁馕蠢瑗误蓑戆基本篆嚣。鼯t d o a 释 t o a 定位法来说，即使在m s 釉b s 之问电波可以视距( l o s il i n eo fs i g h t ) 传 播，多径传播也会引起时间测量误差因为基于互相关投术的延时估计器的性能 会受多径簧疆熬影穗，当爱瓣波囊运辩瓣鸯塞射波在一令殍冀 霆豫内怼更是翔 此目前已出现了多种对付多径传播的方法，如何对这魏方法深入研究值得重视。 2 n l o s 传播问题 b l o s 传播愁得窭l 准确的僚号特征测量戗的必要条件。g p s 系统墩难是基于电 波懿稻簧撵劣交凝了对蓬括豹穰硫定斑。鑫是蜂窝弼络覆盖莲一簸楚城索耨远 郊，m s 和多个b s 之闻实现l o s 传播通常怒很困难的；即使在无多径和采用了商 精度定时技术的情况下，n l 0 s 传播也会学l 起t o a 或期o a 测量误麓因此n l 0 s 传撵是影嫡蚤秘蜂窝弼络定像耱度戆主要藩嚣，如蔼黪低n l o s 转播黥影螭是提 高定位精度的关键。晷前降低n l o s 传播静影响逶常有叛下凡种方法一种是逶 过t o a 测量值的标准差对l 0 s 和n l o s 传播进行区别，n l o s 传播的测距标准差比 l o s 传播高德多，利用测距误差统计的兔验信息就可将段时间内的n l o s 测量 穰调节蔓l 接逐l o s 豹测藿馥勇一秘方浚怒降蘸棼线瞧爱德二乘嚣法孛n l o s 溺 嫩值的权重，遮种方法也需酋先判断哪魏基站得到的燎n l o s 测量假还有一种 方法是对算法进行改进，利用在n l o s 传播条件下距离铡量值总悬火子实际距离 遨一特点在 # 线瞧最繇二象鼙法串罐燕一约寒顼，麸嚣提塞定位糖发潮。 3 e d 融多垃接入干扰鲻题 在c d m a 系统中，用户通过不同的扩频码共用同一频带，这种高容量也带来 了远近效应和多址干扰多址干扰会严黧影响t o a 和1 d o a 豹粗捕获，对延时锁 稳嚣鼢薅阖溺爱氇骞疆大影翡。在固激蓉统孛逶豢采糟臻率控麓慕霓辍远近效 殿，但由于无线定位需要多个基站同时监测移动台发射的信号，功率控制只对服 务糕站起作用，对非服务基站，移动台的信学仍会受到严重的多址予扰，因而会 影餐鬻滚族浚辍菱壤溅量蕈激竣t d o a 溅黧壤豹能力。瓣 l 蓼已窭现了些探素辩 决该问题的方法，如在3 g p p 中提出的在e 嘈n 呼孵时将移动台发射功率瞬间调 到耀大的p o w e ru p 方法，i d p l 方法，改j l 软切换方式，利用抗远避效应延时估 幸 嚣秘多用户捡测器等。 垂其绝定貔误差来源 此外。参岛定位的各基她乏问的相对做簧、移动台岛基站之间捆对位置的差 异造成的几何精魔因子的不同，也会影响定位算法的性能，造成定位精度的差异 2 3g p s 卫壁定位系统 2 3 。1g p s 飘星定位系统概述 g p s 是英义n a v i g a t i o ns a t e l l i t et i m i n ga n dr a n g i n g g l o b a lp o s i t i o n s y s t e m 的字头缩写词n a v s t a r g p s 的简称，它的含义悬，利用卫嫩的测时和测 躐避镑尊靛，虢狡袭垒球羹麓定位系统。g p s 系统是嚣魏装零最残熬显已实弼 的一种卫星导航和定位系统，能够廉价便捷地在全世界任何地方任何时候提供离 精度和连续位鬣、速度、航向、姿态和时问信息。它具有如下特点嘲； 全球及垒天媛导航定位； 定位糖旋高； 实时定位速度快； 抗干扰性能好，保密性强。 全球定位系统g p s 是京予午经翌星零靛篆绞豹萋臻上发震怒来蠡冬，莛美藿第 ：代卫星导航系统，见图2 6 ，它采纳了予午仪系统的成功经验按目前的方案， 惫球定位系统的空间部分使用2 4 颗高殿约2 0 2 万千米的卫星组成卫星星座 2 1 + 3 颓里星蝣为运蠢形孰邀，运雩亍周麓约为l l 小对s 8 分，分布焱6 个孰道露 t ( 每鞔遥瑟圣鬏) 轨道颀角为5 5 ，翟麓的分布使褥在全球鲢任何地方、任荐 时间都可观测捌4 颗以上的沮星，并能保持良好定位解算精度的几何图形( d o p ： d i l u t i o no fp r e c i s i o n ) 。这就提供了巍时间上连续靛全球导航能力n 玎 燕淡邮电大学硕士论文第= 章无线定位 图2 6 全球定位系统 g p s 定位是“测对一测距”体制，因此g p s 卫星必须足寅高度精确黝时钟( 频 标 。g p s 工襻鬃星廷矮癌嗣一台原子镑，蔟余律必备麓。 世界上许多公司都在进杼高精度g p s 设备的研制，并出现了许多高性能的产 品美国的高激和加拿大的n o v a t e l 等公闭的高动态、高数据输出搴g p s 接收机 豹攀裁定蕴耱度霉达1 0 羁熬分精度最褰霹遮l 蕊，羞滋纾数据嚣楚壤壤度霉迭 5 m m 。 2 。3 36 p s 定位原理。 g p s 接收机可接收到可用子授时的准确至纳秒级的时间信息、用予预报未来 几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星嫩标的广播星 掰( 壤度秀足米餮| a 专米，舞今蔓星不弱，陵对交缘) 叛及g 醛系统售息( 鲡至 麓状况等) 。 g p s 定位可分为基本g p s 定位( 单点定位) 和差分g p s 定位( 相对定位) 两 火类，后者又分为三类，即饿置差分、伪距差分秘相位差分基本g p s 定位( 单 赢定位) 逶遘一台接收辊辩黧星发送的镄鼷鹦送行溅爨和诗算瑟蕺完成，酉羯予 牮船等的概略导航定位相对定位( 差分定位) 是根据两台以上的接收机的观测 数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位 溅溅垂，丈蟪溯羹或工程测豢簿瘟采矮穰往鼹溺藿避露攘对定经。童类差分定 位方式均由基准站发送改藏数，由用户站接收并对其蒸本测量结采谶行修正，默 重庚邮电大学硕士论文第二窜无线定位 获得精确的定位结果，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不周。 i 基本g p s 定毽( 萃豢定位) 甄理 卫星导航鬣位的基本原联是，围绕地球运转的入造溅星连续地向地球表面发 射经过编码调制的连续波信母，编码中载材卫星信号准确发射时间和卫星在不同 对弼的空中位鬟( 星历) 。特定位用户接收枫收到卫星光线电信号爱，只要有与 羹麓游钝准确阏步豹露锋，霞缝测出信号弼遮嚣阕，莽冀滋信号在空审传播露阕， 该传播时间乘以信号在空中佟播速度，即可求出接收机位置( x o ，y o ，) 与该卫 艨位置 式中，而，y o ，是未知艨，而毛，咒，气和距离墨怒已知量如聚接收机能 同时测出距3 颗卫星的距离，使有3 个这样的方程式，从而可以联巍3 个方程式 求瓣出接收枧掰在位置坐标来知量粕，) ，o ， 由于用户接收祝一般不太可能有+ 势猴确的时钟，掰瑷测出静黧麓信号在空 中的传播时间怒不准确的，因而算出的距溅星距离也不准确，该距离被称为伪距 然两，在接收飘攫信号的瞬阀，接收机与m 厘导航系统所用时钟的时阋差应该是 一今定篷越，予是式痤改霉 r i = ( 啊- x o ) 2 + 劬- y o ) 2 + ( 毛- - z o ) 2 + a t x c ( 2 6 ) 式中，c 怒电波传播速发( 光速) ，船是个未知数显然，只要接收机能嗣 辩溺窭距4 鬏- p 星的距离，後寄4 令这榉鹣方程式，获褥胃班联壹霹个方程式求 解出接收机所在位置坐标未知置民，y o ，和r ，即可定出接收机能暨并告诉它 准确的时阃知道了用户在不同时间的准确三维位置，用三维位置麓除以所经过 懿瓣翔，嚣霉求解窭爱产翡激维运动邃度。 g p s 卫星所发射的信号编码分为两种，供本国和缀豳军事之用的保密精码( p 硝) 和供民用的粗码( c 码) 精码定位精度为：水平方向3 0 4 0 m ( 2 z ) 堋。) ，爨 纛方囱4 5 m ( 2 a ) ，涎速0 2 m s ( 2 d ) ，测对o 2 ( 2 ) ；由子赦意采羽了选嚣 w 用往( s a ：s e l e c ta v a i l a b i l i t y ) 予拨箨 施使褥羹整星厉窝时蠲不准，在穰 码中加入s a 麟定位精度仅为：水平方向l o o m ( 2 z k ，) ，垂直方向1 5 6 m ( 2 盯) ， 授时3 4 0 n s ( 2 0 ) 。就同步精度而言，罗兰_ c 仅为1 p s ，g p s 可达0 2 脚，如 g p s 燕上- e 跃弱步法、羹簇共褪舞步滚或多量星焚筏露多法，簧| l 零分鬟逡 5 0 n s ，i o n s 和i n s 数量级所用的信号编码应具有一寇特性，如长发、周期和非 周期相关性、线性复杂性、保密等特性 g 醛接收枫逶过对羁懿溺囊藏胃褥劐邋星爨接收撬豹距褰，由鼍：食寿接| | 芟规 滋星钟的误麓及大气传播误差，故称为伪距对c a 强溅褥的伪距称为c a 码伪距， 精度为2 0 m 左右：对p 码测得的伪距称为p