（通信与信息系统专业论文）基于uwb技术的卫星定位系统研究.pdf

摘要 目前，卫星定位已经成为全球精确定位的主流技术，超宽带( u l t r a - w i d e b a n d ， u w b ) 定位技术在短距离无线定位中具有无可比拟的优势。本文结合u w b 技术和 目前各卫星定位系统的特点，提出了一种基于u w b 技术的卫星定位系统方案，并 针对这一方案从系统建设和定位算法两个主要方面进行了研究。本文的主要研究 如下： l 、研究了u w b 技术与u w b 信号的特点，讨论了将u w b 技术应用于卫星 通信的可行性，并进行了链路预算和吞吐量计算，得到了u w b 技术可以应用于卫 星通信的结论。 2 、结合g p s 、g a l i l e o 两种主要的卫星定位系统特点，对基于u w b 技术卫星 定位系统的系统结构、星座设计与导航电文结构进行了初步设计，并分析了基于 u w b 技术卫星定位系统的定位精度，比较了u w b 卫星定位系统与传统卫星定位 系统的优缺点。 3 、研究了常用的t o a 、t d o a 定位算法，对t d o a 算法用于远距离定位时， 精度问题进行了理论分析，结合仿真结果分析了t d o a 算法在远距离定位时误差 大的原因。 4 、提出了一种基于求t d o a 解析解的改进算法，提高了进行远距离定位时的 定位精度。仿真结果验证了这种算法用于卫星定位的可行性，且相比传统卫星定 位算法，该算法所具有一定的优势。 关键词：超宽带卫星定位系统定位算法t d o a a b s t r a c t a tp r e s e n t ，s a t e l l i t ep o s i t i o n i n gh a sb e c o m eam a i nt e c h n o l o g yo f g l o b a lp o s i t i o n , a n du l t r a - w i d e b a n d ( u w b ) t e c h n o l o g yh a s t h em o s ta d v a n t a g ei ns h o r td i s t a n c e w i r e l e s sp o s i t i o n i n g i nt h i st h e s i s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fu w bt e c h n o l o g y a n dc u r r e n t l ys a t e l l i t ep o s i t i o n i n gs y s t e m s ，as a t e l l i t ep o s i t i o n i n gs y s t e mb a s e do nu w b t e c h n o l o g yi sp r o p o s e d ，i n c l u d i n gt h es y s t e mc o n s t r u c t i o na n dp o s i t i o n i n ga l g o r i t h m s t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h eu w b t e c h n o l o g ya n di t ss i g n a lc h a r a c t e r i s t i c s t h ef e a s i b i l i t yo f a l p p l y i n gt h eu w bt e c h n o l o g yt os a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ni s d i s c u s s e d t h e nl i n k b u d g e ta n dt h r o u g h p u tc o m p u t i n ga leb r o u g h tu p ac o n c l u s i o ni sd r a u nt h a tu w b t e c h n i q u ec a nb eu s e di ns a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n 2 c o m b i n e d 、i t hg p s g a l i l e os y s t e mc h a r a c t e r s b a s e do nu w bt e c h n o l o g y , t h ep r e l i m i n a r yd e s i g no fs y s t e ms t r u c t u r e ，s a t - c o n s t e l l a t i o nd e s i g na n dn a v i g a t i o n m e s s a g es t r u c t u r ei sc a r r i e do n , t h e na n a l y s e dp o s i t i o n i n gp r e c i s i o no ft h es y s t e m ，t h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sb e t w e e nt h eu w bs a t e l l i t ep o s i t i o n i n gs y s t e ma n d t r a d i t i o n a ls a t e l l i t ep o s i t i o n i n gs y s t e mi sc o m p a r e d 3 t h ec o m m o n l yu s e dt o aa n dt d o ap o s i t i o n i n ga l g o r i t h ma l es t u d i e d t h e p r o b l e mo fp r e c i s i o nw h e nt d o aa l g o r i t h mi su s e dt or e m o t ep o s i t i o n i n gi sa n a l y z e d t h e o r e t i c a l l y c o m b i n e dw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h ee r r o ri nr e m o t ep o s i t i o n i n g c a u s e db yt d o a a l g o r i t h mi sd i s c u s s e d 4 a ni m p r o v e da l g o r i t h mb a s e do nt d o aa n a l y t i c a ls o l u t i o ni sd i s c u s s e dt o i m p r o v et h er e m o t ep o s i t i o n i n gp r e c i s i o n c o m b i n e dw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t t h e f e a s i b i l i t yi sa n a l y s e da n dt h i sa l g o r i t h mi su s e df o rs a t e l l i t ep o s i t i o n i n g t h ei m p r o v e d a l g o r i t h mh a sa d v a n t a g e so v e rt h et r a d i t i o n a ls a t e l l i t ep o s i t i o n i n ga l g o r i t h m s k e yw o r d s ：u w b s a t e l l i t ep o s i t i o n i n gs y s t e m p o s i t i o n i n ga l g o r i t h m t d o a 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的背景和意义 超宽带( u l t r a w i d eb a n d ，u w b ) 技术具有隐蔽性好、抗噪声和干扰能力强、多 径分辨率高、穿透能力强、低功耗、通信容量大等众多优点，在通信、雷达和定 位三个方面有着广阔的应用前景和研究发展空间。 无线通信的目的是在保证一定通信质量的前提下，满足尽可能多的用户同时 进行通信。因为无线通信中最宝贵的就是频谱资源，传统的无线通信系统都是占 用给定的频谱，相互不能重叠；u w b 信号频谱能够与现有无线系统频谱重叠，从 而大大提高了频谱利用率，同时也给无线通信提供了一个有用的新思路【1 1 1 列。在雷 达方面，u w b 不仅具有极高分辨力，还能穿透各种遮挡，在军用和民用领域都有 着很强的应用价值。高精度定位是u w b 技术应用的一个重要方面，基于u w b 技术“ 的测距和定位具有传统定位方式不可比拟的优势。由于脉冲宽度仅为纳秒或次纳 秒级，因此具有极大的系统带宽和良好的时间分辨率。在理论上u w b 信号可以达 到厘米级甚至更高的定位精度，所以在i e e e 8 0 2 1 5 4 a 1 3 】的物理层标准中将其作为测 距定位应用的首选技术。在目前短距离定位和室内定位的应用中，u w b 信号已经 能够在复杂的信道环境下，对被遮挡的物体实现厘米级的定位。 g p s 是目前应用最为广泛的全球定位技术，它是2 0 纪7 0 年代初美国出于军事目 的开发的卫星导航定位系统，主要是通过接收卫星的测量数据计算移动用户位置， 即经度、纬度和高度，一般用于车辆导航和手持设备。此外，还有俄罗斯的 g l o n a s s ，以及处于建设中的g a l i l e o 和北斗卫星定位系统。这些卫星定位系统大 多把主要业务都放在l 波段，使得l 波段的频率资源变得非常紧张。正在建设中的 卫星定位系统已经开始把目光转向c 波段和更高频段。 对于卫星通信而言，轨道和频率是重要而稀缺的资源，因此提高频谱利用率 变得日趋重要。将u w b 技术应用于卫星通信中是一种很有创新性的思想。u w b 信 号形式不论是i r - u w b 还是m b o f d m ，都能够很好地与窄带信号实现频谱重叠 1 4 1 。另外，u w b 信号具有l p i d ( l o wp r o b a b i l i t yo f i n t e r c e p ta n dd e t e c t i o n ) 的优点， 使其在军事卫星通信中的保密性和安全性得到有效保证。但是，由于u w b 信号的 固有特点，在卫星通信中应用存在一些问题，需要进行认真的设计分析。目前u w b 技术的应用大都集中在高速通信上，而由于定位应用时所需的信息速率比较低， 可以通过降低信息速率来满足远距离通信的要求，因此在对信息速率要求不高卫 星定位中首先应用u w b 技术成为一种可能的尝试。 2基于u w b 技术的卫星定位系统研究 1 2 国内外发展现状和趋势 超宽带并不是一项崭新的技术，源于二十世纪六七十年代对时域电磁学的研 究，最初主要应用于雷达及遥感定位等军用设备，并被称为冲激无线电，其工作 是信号通过传输很窄的脉冲来实现的，而不是传输连续的波形，因此也无需用到 射频调制而更早的应用脉冲信号进行类u w b 通信的历史可以追溯到更远， 1 8 9 4 1 8 9 6 年，马可尼就利用火花隙发射机向2 英里外传输莫尔斯电码了，在1 9 0 0 年，f e s s e n d e n 就利用了火花隙发射机将声音传到了l 英里以外。直到1 9 8 9 年，美 国国防部才正式确定“u w b 一词，将u w b 用于军方秘密通信。而真正导致u w b 得到全球学术界、产业界的关注并开始大规模商用的里程碑事件则发生在2 0 0 2 年 4 月，美国f c c ( 联邦通信委员会) 通过了超宽带技术在限制功率辐射条件下的商用 许可1 5 】【6 j ，拉开了u w b 数据通信的序幕。 与常规无线电相比，超宽带具有频带宽、平均功率低、抗截获性能好、穿透 能力强、成本低及优良的抗多径效应能力等突出优点，被认为是无线通信领域具 有革命性的突破，列为2 l 世纪最有发展前景的十大通信技术之一u w b 技术低 速数据的传输标准早已达成共识，但高速数据传输标准一直以来都存在两种标准 相互竞争1 7 1 。u w b 技术的两大主导力量w i m e d i a ( m b o f d m ) 和d s u w b l 8 】【9 l 经历了多年的较量和努力一直无法彼此妥协，2 0 0 6 年i e e e8 0 2 1 5 3 a 工作组被迫 解散标致着u w b 标准制定工作在经历了大约4 年的争论后无果而终。此前， 晰m e d i a 联盟为推进m b o f d m 方案成为统一的国际行业标准于2 0 0 5 年开始与 e c m m i s o 展开合作，于2 0 0 6 年6 月推出e c m a 3 6 8 标准定义分散式系统的p h y 和m a c 层，同时又提出规定m a c p h y 接口的e c m a 3 6 9 标准供i s o 讨论。随 后w i m e d i a 标准被w u s b 有关组织、w 1 3 9 4 有关组织和蓝牙特别兴趣组等采纳， 具备了广泛应用和融入市场的有利条件。在2 0 0 6 年全球w i m e d i a ( 超宽带) 高峰 会议上，w i m e d i a 成员公司也带来了他们取得的最新成果，展示了一些基于 w i m e d i a 超宽带通用无线电平台的产品，并现场演示了各种超宽带设备之间的互 联互通性能，包括u s bh u b 监控器、高清晰电视( h d t v ) 、流媒体、文档打印、 t v 传送、磁盘备份、数码文件下载、m p 3 传输等。2 0 0 7 年英特尔信息技术峰会 ( i d f ) 期间，u s b 实施者论坛( u s b i f ) 在北京宣布，英特尔、n e c 和a l e r e o n 三家公司的四款芯片通过了u s b i f 针对w u s b ( c e r t i f i e dw i r e l e s su s b ，认证无 线u s b ) 技术的规范和认证测试，正式成为能够用于开发w u s b 终端产品的构建 模块。随着首批芯片通过了u s b i f 认证测试，无线u s b 终于从标准和认证测试 阶段，跨入了产品上市阶段。 第一章绪论 在m b o f d m 和d s u w b 两种体制之外，由p u l s e - - - l i n k 主持的u w bf o r u m 也推出了自己基于c w a v e 体制产品。c w a v e 技术采用窄带载波的b p s k 调制解调， 而发射采用的u w b ，原始数据传输速率可达1 3 5g b i t s ，其演示系统具有比 m b o f d m 和d s u w b 更好的传输性能。p u l s e - - l i n k 宣称c w a v e 技术独立于传 输介质，可用同轴电缆、电力线和无线传输超宽带信号，并可用作室内传输多媒 体内容的一个公用平台。 目前，w i m e d i a 、d s u w b 和c w a v e 三种体制产品以w i m e d i a 实力最强，但 各有所长，在市场上的激烈竞争势在必行。据权威机构预测，u w b 芯片市场年增 长率将超过4 0 0 ，u w b 相关产业即将进入腾飞阶段，各国都在加紧进行u w b 产品的测试评估，争取用最短的时间确定u w b 频谱规范。 我国对超宽带技术的充分关注，为超宽带技术在我国的发展和应用注入了新 的动力。国内众多高校和科研机构正在致力于超宽带技术的研究，他们从国外研 究成果中汲取经验，促进我国在技术方面的全面发展，同时对我国在该研究领域 拥有自主知识产权和相关产品，建立新的经济增长点，具有重大意义。我国在2 0 0 1 年9 月初发布的“十五”国家8 6 3 计划通信技术主题研究项目中，首次将“超宽带 无线通信关键技术及其共存与兼容技术”作为无线通信共性技术与创新技术的研究 内容，鼓励国内学者加强这方面的研究工作。国家无线电监测中心也联合有关高知 校对u w b 技术进行了跟踪和研究，主要集中于与现有通信系统频谱共享、干扰分 析和测试工作。最近几年来也有一些成果：清华大学、北京邮电大学、北京理工 大学、东南大学等研究超宽带系统的信号产生、r a k e 接收等技术，并获专利；电 子科技大学应用所在大功率窄脉冲产生器、超宽带天线等方面取得了进展；2 0 0 4 年9 月2 8 首届超宽带中国论坛在北京召开；2 0 0 8 年1 2 月，国家工业和信息产业 部发布的国家科技重大专项项目“新一代宽带无线移动通信网 2 0 0 9 年课题指南 中包括了两个u w b 示范系统的子课题。这些都必将有效的借助学校和研究机构的 科研力量加快u w b 技术从科研走向应用的实际进程。我国的u w b 研发相对比较 落后，尚未提出和制定我国的u w b 标准，频谱规划尚未出台，目前刚刚成立了专 门的标准研制工作组，开始着手准备。 近年来，卫星通信已经成为u w b 应用研究的一个新方向，国内外提出了多个 m b o f d m 和i r - u w b 用卫星通信的方案与设想。结合u w b 技术的诸多优点， 可以预见，u w b 技术将成为卫星通信发展的一个新领域。 1 3 论文主要内容及结构安排 本论文的目的是针对将u w b 技术应用于卫星全球定位进行讨论与研究，主要 内容包含：u w b 技术用于卫星通信及卫星定位系统的可行性，设计一种适合u w b 4基于u w b 技术的卫星定位系统研究 卫星定位系统特点的帧结构，以及定位系统的大致架构，研究设计一种适合于 u w b 卫星定位系统的定位算法。 本论文全文共分为五章，各章内容简介如下： 第一章绪论简要介绍了本课题的研究背景和研究意义，以及国内外的相关研 究的发展现状，最后介绍本论文的结构安排和论文的主要贡献。 第二章分析了超宽带技术及无线定位原理，包括u w b 的定义、信号形式、 u w b 技术的特点及应用；t o a 、t d o a 和a o a 的算法原理及优缺点。 第三章分析了u w b 技术用于卫星通信的技术基础及链路预算，并据此设计一 套基于u w b 技术的卫星定位系统方案，主要包括卫星星座的设计，频率规划，帧 结构设计，定位精度分析，总结基于u w b 技术的卫星定位系统与传统卫星定位系 统的优缺点。 第四章简要分析了目前卫星定位所用的t o a 算法，研究了目前常用的t d o a 算法用于卫星定位的可行性，提出了一种改进的远距离t d o a 定位算法，并通过 仿真对这一算法用于卫星定位的定位精度、优缺点进行了分析讨论。 第五章总结全文，并对下一步的研究方向进行了展望。 第二章超宽带技术及无线定位原理 5 第二章超宽带技术及无线定位原理 超宽带信号良好的时空分辩力是其特有的性质，这个性质使得雷达和无线定 位成为了超宽带技术两个非常重要的应用，并且在高精度定位导航、穿墙( 地) 成像 雷达、车载雷达等应用中有逐渐成为主流的趋势。 2 1 1 超宽带的定义 2 1 超宽带技术 超宽带技术是一种全新的、与传统通信技术有很大差异的通信新技术，在无 线电通信、跟踪、雷达、成像、精确定位等众多方面具有广阔的应用前景。在2 0 世纪7 0 年代末和2 0 世纪8 0 年代，面向通信和定位的现代低功耗脉冲无线电技术 的使用性得到了证明，典型的例子是富勒顿的时间编码时间调制方法f u l l e t r o n 1 o 】 和后来f l e m i n g l l l l 提出的u w b 扩频冲激技术。美国军方于1 9 9 0 年首次提出了较 为明确的关于超宽带概念，其定义的特征是信号的相对带宽( f r a c t i o n a lb a n d w i d t h ) 大于2 5 的任何波形。即有： 相对僻等茄= 华孔2 5 p 。 其中，厶表示信号的上限频率，兀表示信号的下限频率，正表示信号的中心 频率，( 厶一无) 表示信号的带宽。 随着民用超宽带技术的不断推广，美国军方的这种定义不再适应超宽带技术 的发展。美国的f c c 提出了改进的超宽带定义，定义方式有两种。第一种定义是 对军方定义做了两点修改：一是将信号的下限频率五和上限频率厶定义在功率 谱密度衰减为1 0 d b 的辐射点上；二是信号的相对带宽大于或等于o 2 。第二种定 义是只要信号的l o d b 带宽大于或等于5 0 0 m h z ，而不管其信号的相对带宽是多 少，都统称之为超宽带信号。在2 0 0 2 年2 月1 4 日，f c c 正式采用了改变后的规 定，并以官方名义允许超宽带技术的商业应用，规定将3 1 g 1 0 6 g h z 这一频段 内的7 5 0 0 m h z 无需执照的带宽分配给u w b 系统使用。 6基于u w b 技术的卫星定位系统研究 2 1 2 超宽带的信号形式 从超宽带的定义可以知道，超宽带只是从信号宽带的角度定义的，并没有明 确指出用什么调制方式产生超宽带信号，因此u w b 信号形式多种多样。调制技术 是u w b 系统的核心技术之一，对于脉冲型u w b ( i r u w b ) 信号常用一组脉冲序列 表示一位二进制信息，调制分为组内调制和组间调制。组内调制称为扩谱，组间 调制称为信息调制。组内一般选择p p m 和b p m ，分别叫做跳时扩谱( d h s s ) 和直接 序列扩谱( d s s s ) 。组间可以选择p p m 、b p m 、p a m ，这样就有d h s sp p m 、 d s s sp p m 、d h s sp a m 、d s s sp a m 、d h s sb p m 、d s s sb p m 等几种调制 方式1 1 2 】。目前较成熟并常用的调制方式主要有跳时脉冲位置调制( t h p p m ) 、跳时 脉冲幅度调制( t h p a m ) 和直接序列扩频( d s u w b ) 调制。 多址技术研究的目的是如何合理分配和利用给定的频谱资源来获得最大系统 容量、提高频谱利用率，如何选择信号结构来实现多用户传输而使多址干扰最小、 结构最简单。在u w b 系统中多址接入方式与调制方式有密切联系，若系统采用p p m 调制，多采用跳时多址( t h m a ) 实现多用户接入。t h m a 利用伪随机码和时间来标 识用户，信道资源分配由时间和码结合产生，因此t h p p m 既属于时分多址又属于 码分多址；同样，在d s u w b 系统中每个用户被分配一个不同的码字，发送的信 息比特经过伪随机码扩频后再由b p s k 调制，用户信道资源仅靠码字来区分，因此 d s u w b 的多址接入方式为码分多址( c d m a ) ，或写作d s c d m a 。u w b 经过不断 的发展，有的学者把混沌理论应用到u w b 多址接入领域，从而形成了许多新的多 址接入方式。目前常见的多址形式主要有：跳时脉冲位置调$ 1 j ( t h - p p m ) 、直接序 列扩频( d s u w b ) 调制、伪混沌跳时( p c t h ) 调制、混沌序列扩频( c s s s ) 调制、 d s b p s k f i h 混合多址、d s b p s k f i x e dt h 混合多址、正交波形波分多址等【1 2 】【1 3 1 。 u w b 信号有很多种形式：高斯单脉冲、基于正弦波的窄脉冲、三角包络窄脉 冲、高斯包络脉冲等等，常用的脉冲波形为高斯脉冲。这里以实际中最常用的高 斯二阶脉冲为例，简要介绍跳时脉冲位置调制( t h p p m ) 、直接序列扩频 ( d s u w l 3 ) 调制脉冲的产生方式1 1 4 1 。 为了有效辐射，产生的脉冲应具备一个基本条件：无直流分量。在满足该条 件的前提下，有多种脉冲波形可供考虑。脉冲产生器最易产生的脉冲波形是一个 钟形，类似于高斯函数波形。一个高斯脉冲p ( t ) 可以用下列表达式描述： p ( ，) ：l _ p 舭口) ：塑p - 1 2 “2 口2 )( 2 2 ) 一 、2 z c c r 2 口 这里口= 4 n ：o 是脉冲形成因子，仃为方差。也有将这个表达式写作： 第二章超宽带技术及无线定位原理 7 p ( f ) = a e 锄2 口2 实际中，最普遍采用的是高斯函数的二阶导函数： 掣d = 卜导卢 2 【 “。a 2j 。 脉冲波形如图2 1 ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 图2 1 高斯二阶脉冲波形 直接序列扩频( p a m d s u w b ) 信号可以通过下面的过程产生：首先，用伪随 机码或者二进制p n 码序列对要发射的二进制序列进行编码；其次，对一串窄脉冲 进行幅度调制。这一过程可以看作是目前使用d s 系统的一种极端方式，此时产生 脉冲在时域上具有典型时间t s 的奈奎斯特型脉冲或波形。让脉冲宽度远远小于c h i p 间隔，很容易得到p a m d s u w b 的解析表达式( 2 5 ) 。 剖喇码器削篙黼削嗍删器吲型毕 图2 2p a m - d s - u w b 信号调制流程 信号的具体产生过程为假定待发射的二进制序歹r u b = ( b o b l b k b k + i ) ，其速率为 i 舻1 t b ( b s ) ，第一个模块将每个比特重复n 。次，得到序列a ，其速率为 酬。厂r b _ l 几。第二个模块将序列a 转换成+ l 、1 序列。第三个模块是将序列a 与p n 序列c 组合成序列d ，这里p n 序列c 与序列a 长度相同或是其整数倍。第四个模块是 p a m 调制器，产生一个速率为r o = n s t b = i t s ( 脉冲秒) 的单位脉冲序列。最后是对 p a m 单位脉冲序列进行窄脉冲成型，输出信号表达式为( 2 5 ) ，信号波形为图2 3 。 一4 z o d + 1 s ( f ) = p ( ，一j f c 一一) ( 2 - 5 ) 3基于u w b 技术的卫星定位系统研究 图2 3p a m d s - u w b 信号 跳时超宽带调$ i j ( p p m t h u w b ) 信号的具体产生过程为假定待发射的二进 制序歹o b = - ( b o b i h h + 1 ) ，其速率为r 6 = 1 i b ( b s ) ，第一个模块将每个比特重复n 。 次，得到序列a ，其速率为n 。几= 1 几。第二个模块为传输编码器，就是用p n 序 列c 与二进制序列a 产生一个新序列d ，序列d 的一般表达式为d ，= c ，瓦+ 口，。实数 值序列d 输入到第三个模块，i i p p p m 调制模块，产生了一个单位脉冲序列，这些脉 冲在时间轴上的位置为，z + d ，表示粕个脉冲在j t 。的基础上偏移t d j 。脉冲成型 后输出信号的表达式为( 2 6 ) ，信号波形为图2 5 。 到盍嬲器削璇p n j 躺枷, j c 器削p p m 目制器吲型p 图2 4p p m t h u w b 信号调制流程 s ( ，) = p ( t - j t , 一巳瓦_ q ) 。o 图2 5p p m t h u w b 信号 ( 2 6 ) 第二章超宽带技术及无线定位原理 9 另外，随着超宽带技术的发展，出现了一些新的超宽带技术，其中最具代表 性的是多频段( m u f t i b a n d ) 技术，即m b u w b 。多频段技术是一种不同于冲激无线 电的超宽带实现方式。根据美国f c c 对u w b 技术的定义，信号带宽超过5 0 0 m h z 的 信号，都认为是超宽带信号。所以采用冲激脉冲并不是实现超宽带通信的唯一途 径。多带传输系统是将可用的u w b 频谱划分为若干个子带，每个子带的宽度不小 于5 0 0 m h z 。通信时，可以根据信息速率、系统功耗的要求以及与其他系统共存的 要求等，动态地使用部分或全部的子带，通过同时发送多个不同频带的u w b 信号 来提高频谱的利用率。 2 2 无线定位技术 虽然u w b 技术除i r u w b 方案外，还有m b o f d m u w b 方案，但由于i r 方案纳秒级窄脉冲良好的时间空间分辨力，现有的超宽带定位技术大都是采用i r 方案来实现的。 u w b 定位具有与普通无线电定位技术类似的原理，即通过测距和测向来完成 l ”】。一般包括三大类方法：基于到达角度估计( a o a ：a n g l eo fa r r i v a l ) 、基于接收 信号强度检测( r s s i ：r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t i o n ) 和基于到达时间到达时间 差估计( t o a t d o a ：t i m e t i m ed i f f e r e n c eo fa r r i v a l ) 。a o a 属于测向技术，r s s i 和t o a t d o a 属于测距技术，其中t o a t d o a 又是基于时间测量的测距技术l l 们。 2 2 1t o a 定位法 基于到达时间t o a 的估计属于距离测量定位技术，本质是时间测量，测量已 知点与待测点之间信号的传输时间。因为u w b 具有很高的时间分辨率，所以基于 时间测量的定位方法应用最为广泛。但t o a 算法要求待测点与各参考点时钟完全 同步，否则会带来很大的定位误差。 设三个参考点的坐标分别为( 而，朋) 、 由测得的三个参考点到目标点的距离、 标点的坐标。 ( 屯，y 2 ) 年n ( j c 3 ，儿) ，待测目标点为( x ，j ，) ， r 2 和吩，解( 2 - 7 ) 式的方程组，可以得到目 ( 2 - 7 ) = = = 吒 吒 吩 ，_l-li_-cl-i_lil 1 0基于u w b 技术的卫星定位系统研究 图2 6t o a 定位算法 当已知点和待测点之间的时钟完全同步时，用t o a 方法通过测出两个或多个 已知点与待测点之间的信号传播时间，从而得到各已知点与待测点之间的距离， 以各已知点为圆心。以测得的距离为半径画圆，得到的多个圆的交点即为待测点。 2 2 2t d o a 定位法 基于到达时间差的t d o a 算法是通过测量出两个不同已知点和待测点之间的 到达时间差，得出待测点与参考点之间的距离差。只要求各参考点完全同步，不 需要待测点与参考点同步，且理论上精度也比t o a 算法高。 一个t d o a 的测量值对应于以两个参考点为焦点的一对双曲线，多个t d o a i 9 1 9 量值对应的多条双曲线的交点即为待测点的位置。 图2 7t d o a 定位算法 设三个参考点的坐标分别为( 五，m ) 、( 毛，儿) 和( 黾，y o ，待测目标点为( x ，j ，) ， 由测得的三个参考点到目标点的距离差吒2 = ，i 一乞和吒，3 = ，i 一吩，解( 2 - 8 ) 式的方程 第二章超宽带技术及无线定位原理 ，i 。5 兰二三! ：二! 兰二：! ：一唾兰二三! ：! 兰二二! ( 2 8 ) h = ( 毛一x ) 2 + ( 乃一y ) 2 一( 而一x ) 2 + ( 乃一y ) 2 2 2 3a o a 定位法 基于信号到达角度a o a 的定位技术以属于测向技术，通过已知点接收机的天 线阵列感知未知点发射电波的到达方向，计算出接收节点和发射节点之间的相对 方位或角度，多个方位线的交点就确定了未知点的估计位置。但这种方法受各种 因素影响大，定位精度较差。 设两个参考站的坐标分别为( j c l ，乃) 和( 而，儿) ，待测目标点为( x ，y ) ，由测得的 角度0 1 和良解( 2 9 ) 式的方程组，可以得到目标点的坐标。 “，咒) 也，腔) 图2 8a o a 定位算法 r s s i 算法实际应用中受到如反射、多径、非视距、天线增益等问题影响很大， 且有时变性，所以定位精度不高，操作性不强，这里不专门介绍。 2 3 本章小结 本章从u w b 的定义和脉冲型u w b 信号的实现方式两方面简要介绍了u w b 技术，并对t o a 、t d o a 和a o a 等无线定位算法的基本原理和优缺点做了简要 说明。 一一一一一 q 吒 迥 魄 l t 叫 矾 第三章u w b 卫星定位系统方案 第三章u w b 卫星定位系统方案设计 近年来，全球定位系统( g p s ) 获得了广泛的应用，在室外环境，尤其是在视野 开阔的天空，g p s 系统可以轻而易举的实现全球定位，但在许多应用场合仍有较 大的局限性。如，要提高定位精度和可靠性还需要增加复杂的算法或辅助设备； 在有遮蔽的环境或室内，定位会受到限制等。 3 1 现有卫星定位系统及局限性 目前，世界上已有的和在建的卫星定位系统主要有美国的g p s 系统，欧洲的 g a l i l e o 系统，俄罗斯的g l o n a s s 系统和我国的北斗系统。g p s 系统是开发最 早、应用最早、技术最成熟的卫星定位系统。俄罗斯的g l o n a s s 系统由于资金 问题发展缓慢。g a l i l e o 和北斗系统目前都还处在建设中，已经能够提供有限的 服务。北斗系统不同于其它系统的是，除了若干中轨道卫星外还设计有五颗静止 轨道卫星，是一个分阶段演进的卫星定位系统，在建设过程中逐渐从中国及周边 地区定位扩大到全球定位。这些卫星定位系统的技术各有特色，但基本原理有着 相似性，这里以g p s 卫星定位系统为例介绍卫星定位的基本原理【1 7 】。 3 1 1 系统构成 如同其它所有卫星定位系统，g p s 系统是由三个部分组成，也称为三段：空 间段、控制段和用户段。 空间段即卫星星座，用户根据该星座进行定位测量。星座的基本配置是由2 4 颗卫星构成，分别位于6 个轨道平面内。目前在轨运行卫星有2 7 颗，优化的星座 每个轨道面有高达7 个卫星位置在轨道面上不均匀分布。g p s 系统对于用户来说 是无源系统，系统只发射信号，而用户只接收信号。 控制段即地面控制监测网络，责任是维护卫星和维持其正常功能，包括将卫 星保持在正确的轨道位置，监测卫星子系统的健康状况，更新每颗卫星的时钟、 星历和历书等。控制段由3 个不同的物理部分组成：主控站、监测站和地面天线。 用户段即用户接收设备，通常称为g p s 接收机，包括天线、接收机、处理器、 输入输出装置以及电源，用于处理从卫星发射的信号进而确定用户的位置、速度 和时间。 1 4基于u w b 技术的卫星定位系统研究 3 1 2 卫星定位原理 为了建立卫星定位的数学公式，必须选定合适的参考坐标系，以便描述卫星 和接收机的状态。现有的卫星定位系统都是基于地心地固坐标系( e c e f ) 的。在 e c e f 坐标系中，1 7 轴指向0 。经度方向，y 轴指向东经9 0 。方向，z 轴与秒平面即 赤道平面垂直的北极方向。因此，工、y 和z 轴随着地球一起旋转，更方便计算出 接收机的经度、纬度和高度。 用户通过接收卫星发送的导航电文得到可用卫星的精确位置，再由p r n 序列 测得的到达时间得到用户到卫星的距离，就可以根据t o a 定位法，计算出用户的 精确位置。可见，计算用户位置的精确度主要由两个方面决定，一是卫星位置的 精度，一是用户到卫星的测距精度。另外，定位星座的几何分布结构优劣，也直 接影响着定位的精度。选择最佳星座时要引入几何精度因子d o p ( d i l u t i o no f p r e c i s i o n ) 的概念，将在4 3 1 节做简要介绍。用于描述卫星位置的导航电文中星 历数据的主要参数定义如表3 1 ： 表3 1卫星星历数据参数 第三章u w b 卫星定位系统方案 1 5 q q 巳 对轨道半径余弦的校正值 对轨道半径正弦的校正值 对倾角余弦的校正值 e 对倾角正弦的校正值 根据以上参数可以容易算出卫星的位置，这些参数由控制段的地面控制监控 网络定期更新向卫星发送，以保证用户测得的卫星位黄始终保持较高的精度。 接收机时钟一般与系统时钟之间有一个偏移误差。卫星的频率产生和定时是 基于高精度的自由振荡的铯或铷原子钟，典型情况与系统时也有偏移。这样一来， 将由相关过程所确定的距离记作伪距p ，这是因为它包含：( 1 ) 从卫星到用户的几 何距离；( 2 ) 由系统时与用户时钟之间的差异造成的偏移；( 3 ) 系统时和卫星时钟之 间的偏移。 卫星时钟与系统时的偏移由偏差和漂移两部分组成。g p s 地面监视网络确定对 这些偏移分量的校正量，并将这些校正量发射至卫星，再由卫星在导航电文中广 播至用户。在用户接收机中用这些校正量使每次测距信号的发射与系统时间相同 步。所以我们假定这种偏移已经被补偿掉了。表3 2 列出了导航电文中校正用于卫 星时钟的偏移的参数。 表3 2 卫星时钟偏移校正参数 t o 。 星期基准时间校正数据 a l o a l l s v 时钟偏移校正系数 s v 时钟漂移校正系数 a 1 2 s v 时钟漂移率校正系数 g p s 接收机内设有高精度的石英钟，其日频率稳定度约为l o - 1 1 ，如果接收机内 时钟与星钟的同步差为l j u r a ，由此引起的等效距离误差约为3 0 0 m 。解决这种接收 机时钟误差的方法主要有两种。一种是在单点定位时，将时钟误差作为一个未知 参数，在方程中与位置参数一起求解，这种方法广泛地应用于实时动态绝对定位 中。另一种是载波相位相对定位，采用对观测值求差的方法，即星间单差和星站 间双差，可以有效的消除接收机钟差。这里对第一种方式进行简要介绍。 1 6基于u w b 技术的卫星定位系统研究 ：_ 一，_ | - ： r 酊卜乙叫 - i i 7 二瓦 鱼墅塑堕囹箜垫墼 i 图3 i 伪距的时间等效不葸图 如图3 1 所示，瓦是信号到达接收机时的系统时；瓦是信号离开卫星时的系统 时：乞是接收机时钟与系统时之间的偏移：5 t 是卫星时钟与系统时之间的偏移， 超前为正，滞后为负。由图假设接收机时钟相对于系统时是超前的，卫星时钟相 对于系统时也是超前的，c 是光速，是卫星到接收机的真实距离，可以得到等式 ( 3 一1 ) 和( 3 2 ) 。 ，= c ( 7 ：一瓦) = c a t ( 3 - 1 ) p = c t ( 瓦+ ) 一( 瓦+ 5 0 】= c 【( 瓦一z ) + 纯一艿，) 】= 厂+ f 也一5 t )( 3 2 ) 这里我们假设卫星时钟与系统时钟的偏移是可以精确校正的，贝j j ( 3 2 ) 式可变 为：p = ，+ c l = ( t 一毛) + ( 只一咒) + ( 乙一气) + c t ( 3 3 ) 这里( t ，儿，乙) 是卫星的e c e f 坐标，( 吒，儿，乙) 是接收机的e c e f 坐标。当可观测到 的卫星为四颗时，得到方程组： lp l = ( 而一k ) + ( 乃一儿) + ( z l 一乙) + 吼 p2=x一(x2-x=)+(y2-y,)+(z2-z,)+ct, ( 3 - 4 ) l 岛= ( 屯一毛) + ( 乃一咒) + ( 毛一气) + 吒 i 矶= ( 一毛) + ( 儿一儿) + ( 乙一乙) + 吒 把接收机时钟与系统时之间的偏移l 和( 吒，咒，乙) 都作为未知数，求解方程组，就 可以得到用户的坐标。显然，把乙作为一个未知数求解，不但要求增加可观测到卫 星的数量，而且还会增加算法的复杂度。接收机坐标是有误差的，乙的解也就不准 确，乙的误差反过来又会影响接收机坐标的误差，因此这种方法可以降低误差，但 不能消除误差。 第三章u w b 卫星定位系统方案 1 7 3 1 3 局限性及定位精度增强技术 一个双频s p sg p s 用户通常可以获得优于1 0 m 的定位精度和2 0 n s 的授时精 度。然而，在很多诸如遮蔽环境、多径环境、干扰环境以及用户卫星几何分布不 理想等情况下，对精度、完好性、可用性和连续性的要求都超过了g p sp p s 接收 机所能提供的指标。为了克服这些局限性，可以采用一些增强技术。增强技术一 般分为两类：差分g p s ( d g p s ) 和外部传感系统。 d g p s 是提高g p s 定位精度或授时性能的一种方法。它利用一个或多个位置 已知的基准站，每个站至少装备了一个g p s 接收机，基准站通过一条数据链为用 户终端提供信息。由于基准站已知自身的位置，所以用户终端可以通过接收基准 站的信息了解到g p s 定位误差，用差分的方法解算得到更加精确的定位。即使基 准站的位置并不明确，用户也能得到相对于基准站的更加精确的相对位置。按照 定位坐标不同，d g p s 可分为绝对差分和相对差分；按照定位范围不同可分为局域、 区域和广域；按照技术不同可以分为码基和基于载波的差分。 利用外部传感系统的增强技术，就是将g p s 与各种附加传感器组合，主要目 的是复杂环境中提高定位的可用性和连续性。最常见的是g p s 惯性导航组合。这 种方法主要是为了提高定位导航的可用性和连续性i l 引。 以上g p s 增强技术虽然是g p s 定位的有效补充，但大大增加了成本和复杂度， 设备的体积和重量也成倍增加，并不适合个人用户应用。 3 2u w b 用于卫星定位的可行性分析 3 2 1u w b 技术用于卫星通信的研究背景 固定卫星服务( f s s ) 主要占据c 波段(