（模式识别与智能系统专业论文）无线定位中TDOA估计及应用研究.pdf

土堡茎堡查兰壁主兰生丝苎 。 无线定位中t d o a 估计及应用研究 摘要 从马可尼( g u g l i e l m om a r c o n i ) 首次展示无线电长距离通信试验以来，无 线通信取得了迅猛发展。现代无线通信系统已不再局限于语音通信，各种信息 服务相继推出，特别是基于蜂窝系统的无线定位技术成为无线通信技术研究中 的热点之一。无线定位就是在有效的无线覆盖范围内给移动终端提供自身位置 的实时信息，它在公共安全、无线网络管理、雷达、声纳定位、智能交通系统 以及地震探测等领域都将有广泛应用。 无线定位技术本质上是利用无线信号的特征来计算信号的传输距离、传输 时间或信号源的方位，通过一定的几何原理计算目标位置。常用的信号特征有 信号到达角度( a o a ，a “g l eo f a r r i v a l ) ，传输时间( t o a ，t i m eo f a r r i v a l ) ，传 输时间差分( t d o a ，t i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l ) 以及信号强度( s o s ，s t r e n g t ho f s i g n a l ) 。由于存在小尺度衰落等原因，s o s 估计变化大，定位精度低；a o a 估 计需要方向天线，而且移动终端和基站距离越远，a o a 定位误差越大，实旋和 维护的成本高；t o a 估计需要移动终端和基站都有精确时钟。综合定位精度、 实施成本等因素，本文采用基于t d o a 检测和双曲线定位的无线定位技术。 论文主要内容分为两大部分，一是t d o a 估计原理和算法研究，包括平稳 信号和循环平稳信号的t d o a 估计以及抗多径传输干扰的t d o a 估计。在改进 现有算法的基础上，提出了新的算法，并做了详细的对比仿真分析；二是基于 g s m 实现满足智能交通系统需要的无线定位仿真系统。主要研究了g s m 标准 中可用于定位的技术特性，给出基于g s m 无线定位系统的结构和试验仿真系 统，对系统性能进行了仿真分析。论文的主要工作和创新点如下： 1 ) 对广义互相关( g c c ) 和基于高阶累积量两种常用的平稳信号t d o a 估计 的算法性能作了详细仿真，对算法的适用范围、计算复杂度和抗加性噪声 干扰等方面进行了分析。构造了基于互信息函数和信息熵的t d o a 估计函 上海交通大学博士学位论文 数。出于互信息函数在表达信号序列相关性上的优势，算法克服了常用 t d o a 估计算法的不足，计算复杂度低，较好地解决了平稳信号t d o a 检 测问题。 2 ) 对具有循联5 f 稳性的非平稳信号，研究了基予循环平稳的t d o a 估计算法， 在分析s p e c c o a 算法的原理后，提出了算法的改进思路，给出了改进算 法的t d o a 函数构成，仿真结果表明改进后的算法性能有很大提高。同时 还仿真分析了信号序列长度对基于循环统计量的t d o a 估计算法性能的影 口向。 3 ) 存在多径传输时，提出了基于高阶累积量和基于循环平稳统计量的t d o a 估计算法，对比分析了算法抑制其它通信信号和平稳信号干扰的能力。分 析了多种双曲线定位求解算法，提出综合使用f a n g 算法和t a y l o r 级数算法 瓣双鳇线定位求解方法。 4 ) 给出了基于g s m 网络端定位的定位仿真系统。解决了列用g s m 标准功能 提取可用于无线定位的g s m 系统信急的方法。根据不弼的智能交通子系统 对定位精度的不同需求，提出了粗定位和高精度定位二级定位方法。 5 ) 构架了智能交通系统中信息平台的体系结构和满足智能交通多种子系统需 要的无线定位服务体系。 关键词：无线定使、到达时间差、到达角度、到达时闻、互信息函数、信息 熵、循环乎稳、高阶统计景、智能交通系统 上海交通大学博士学位论文 s t u d yo nt d o ae s t i m a t i o na n di t s a p p l i c a l l i o n si nw i l e r e s sl o c a t i o n a b s t r a c t t h ew i r e l e s se r ab e g a nw h e ng u g l i e l m om a r c o n id e m o n s t r a t e dt h eu s eo fr a d i ow a v e st o c o m m u n i c a t eo v e r l a r g ed i s t a n c e ar a p i da d v a n c e m e n to f t h ew i r e l e s st e c h n o l o g y h a sb e e na c h i e v e d f r o mt h e1 9 6 0 s t h em o d e mw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m sa r en o tr e s t r i c t e dt ov o i c es e r v i c e a n ds e v e r a lm o b i l ei n f o r m a t i o ns e r v i c e sh a v eb e e nb r o u g h ti n t ou s eo n ea f t e ra n o t h e r f u r t h e r m o r e t h em a r k e td e m a n do fl o c a t i o n - b a s e ds e r v i c eh a s d r a m a t i c a l l yg r o w i n g ，a n dw i r e l e s s l o c a t i o n t e c h n i q u e sh a v eb e c o m eah o t s p o ti nt h ef i e l do fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n w i r e l e s sp o s i t i o n i n gi s c a p a b l eo fp r o v i d i n gr e a l t i m e l o c a t i o ni n f o r m a t i o no ft h em o b i l es t a t i o n ( m s ) i na 1 1a v a i l a b l e c o v e r a g eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h eb a s i cf u n c t i o no f al o c a t i o ns y s t e mi st og a t h e r i n f o r m a t i o na b o u tt h ep o s i t i o no f am s o p e r a t i n g i na g e o g r a p h i c a la r e aa n dp r o c e s st h a ti n f o r m a t i o n t of o r mal o c a t i o ne s t i m a t e t h e ma r es e v e r a l p o t e n t i a la p p l i c a t i o n so f w i r e l e s sl o c a t i o ns y s t e m ，s u c h a sp u b l i cs a f e t y , l o c a t i o n s e n s i t i v eb i l l i n g ，c e l l u l a rs y s t e md e s i g na n dr e s o u r c em a n a g e m e n ta n d i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m sf i r s ) i na d d i t i o n , i ta l s oh a sa p p l i c a t i o n s i nr a d a r , s o n a ra n d s e i s m i cd e t e c t i o n ，e t c m o s tw i r e l e s sl o c a t i o nt e c h n i q u e sn s es o t n ec h a r a c t e r i s t i c so f m s s i g n a l ，s u c ha ss t r e n g t h - o f - s i g n a l ( s o s ) ，a n g l e - o f - a r r i v a l ，t i m e o f - a r r i v a l ( t o a ) a n dt i m e d i f f e r e n c e - o f - a r r i v a l ( t d o a ) a c c o r d i n g t ot h e s ec h a r a c t e r i s t i c s ，m s sp o s i t i o nc a nb ed e t e r m i n e d b y s o m e g e o m e t r i ct h e o r e m s t h e d i s a d v a n t a g eo fu s i n gs o s i st h el a r g e ，r a n d o md e v i a t i o n sf r o mt h em e a nr e c e i v e ds i g n a l s t r g t uc a u s e db ys m a l ls c a l ec h a n n e le f f e c t sa n ds h a d o w i n g d e t e r m i n i n gt h ea o a o fas i g n a l u s u a l l yr e q u i r e sa na n t e n n aa r r a y h o w e v e r , t d o a l o c a t i o nc e l lb ei m p l e m e n t e du s i n ge x i s t i n gb s a n t e n n a s t h i sr e d u c e si m p l e m e n t a t i o nc o m p l e x i t y f u r t h e r m o r e ，a o ab a s e ds y s t e mp e r f o r m s l i g h t l yw o r s et h a nt d o a b a s e do n e si nam u l t i p a t he n v f f o n m e n ta n dt h ea c c u r a c yo fa o a s y s t e m t e n d st od e g r a d ea st h ed i s t a n c et ot h em o b i l ei n c r e a s e s t h et d o am e t h o di s f a i r l yr o b u s ti n m u l t i p a t hc h a n n e l s m u l t i p a t hr e f l e c t i o n sa r r i v ea f t e rt h ef i r s tl i n eo fs i g h t ( l o s ) c o m p o n e n t o ft h e s i g r t a i t h i sn l e a n st h a ta sl o n ga st h er i s i n ge d g eo f t h es i g n a li su s e d , t h em u l t i p a t hc h a n n e lw o n t 1 a b s t r a c t c a u s ea sm u c he f r o r i td o e sf o ro t h e r st e c h n i q u e s e s t i m a t i n gat o a u s u a l l yr e q u i r e sa c c u r a c y c l o c k sb o t hi nm sa n db s s o t h ec h a r a c t e r i s t i cu s e df o rt h i sd i s s e r t a t i o ni st d o ad u ct oi t s a d v a n t a g e so v e rt o a ，a o a a n ds o s t h ec o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o nd i v i d ei n t ot w op a r t s o n ei st h et h e o r i e sa n da l g o r i t h m so f t d o ae s t i m a t i o n i ti n c l u d e st d o ae s t i m a t i o n a l g o r i t h m s f o r s t a t i o n a r ys i g n a l s a n df o r c y c l o s t a t i o n a r ys i g n a l s ，a n da l s oi n v o l v e st d o a e s t i m a t i o na l g o r i t h m si nm u l f i p a t he n v i r o n m e n t s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，s e v e r a ln o v e la l g o r i t h m sa n di m p r o v e dm g o r i t h m sh a v eb e e np r o p o s e do nb a s i c o ft h ee x i s t i n go n e s a l lo f a l g o r i t h m sa r es i m u l a t e di d e t a i l t h eo t h e ri st h ei m p l e m e n t a t i o no f g s m - b a s e dw i r e l e s s l o c a t i o ns y s t e mf o ri t s i nt h i sp a r t ，t h eu s e f u lc h a r a c t e r i s t i c sf o rg s m p o s i t i o n i n gw e r er e v i e wp e r t i n e n t l y t h ea r c h i t e c t u r ea n ds o l u t i o no fg s mp o s i t i o n i n gs y s t e mh a v e b e e ng i v e n ，a n da na p p l i c a b l ee x p e r i m e n t a ls y s t e mh a sb e e nd e s c r i b e d a l s o ，t h ep e r f o r m a n c eo f t h e p o s i t i o n i n gs y s t e mh a sb e e ns i m u l a t e da n da n a l y z e d i nt h i st h e s i s s e v e r a li m p o r t a n tp r o b l e m sa r c a n a l y z e da n d c r e a t i v es o l u t i o n sa r ep u tf o r w a r d ： i t h e p e r f o r m a n c eo f t w o f a m o u st d o ae s t i m a t i o na l g o r i t h m sf o rs t a t i o n a r ys i g n a l s ，g e n e r a l i z e d c r o s sc o r r e l a t i o n ( o c c ) a l g o r i t h ma n d1 1 i g ho r d e rc r o s s - c u m u l a n tb a s e da l g o r i t h m , h a v eb e e n d e s c r i b e da n ds i m u l a t e di nd e t a i l t h ea p p l i c a b i l i t y ，c o m p u t a t i o nc o m p l e x i t ya n di n t e r f e r e n c e r e j e c t i o no f t h e s ea l g o r i t h m sh a v eb e e na n a l y z e d an o v e lt d o a e s t i m a t i o na l g o r i t h mb a s e do n m u t u a li n f o r m a t i o nf i m c t i o n 似聊a n di n f o r m a t i o ne n t r o p yh a sb e e np r o p o s e d d u et om i f s a d v a n t a g e so v rc r o s sc o r r e l a t i o nf u n c t i o no nd e s c r i b i n ge o r r e l a t i v i t yo fs i g r l a ls e r i e s ，t h en e w a l g o r i t h mc a no v e r c o m et h es h o r t a g eo f t r a d i t i o n a la l g o r i t h m s ，a n dh a sal o wc o m p l e x i t yo f c o m p u t a t i o n t h ep e r f o r m a n c eo f t h i sa l g o r i t h mi sm u c h b e t t e rt h a no t h e r sf o rs t a t i o n a r ys i g n a l s i nt h es i m u l a t i o n s 2 f o rt h ec y c l o s t a t i o n a r ys i p ，t h ec y c l o s t a t i o n a r i t y - b a s e dt d o ae s t i m a t i o na l g o r i t h m sh a v e b e e ni n v e s t i g a t e d a f t e ra n a l y z i n gt h es p e c c o a a l g o r i t h m ，a l li m p r o v e ds p e c c o aa l g o r i t h m h a sb e e np u tf o r w a r d ，a n dt h et d o af u n c t i o no ft h ei m p r o v e da l g o r i t h mh a sa l s ob e e n d e s c r i b e d t h es i m u l a t i o n ss h o wt h ei m p r o v e da l g o r i t h mo u t p e r f o r m ss p e c c o ai nt e r m so f t h e a c c u r a c ya n ds t a n d a r dd e v i a t i o no f t h et d o ae s t i m a t i o n t h ei n f l u e n c eo nt h ep e r f o r m a n c eo f e y c l o s t a t i o n a r i t y b a s e d t d o aes t i m a f i o na l g o r i t h m s f o r d i f f e r e n t l e n g t h s o f s i g n a ls c r i e s h a s b e e n c o m p a r e d i nt h es i m u l a t i o n s 2 圭塑銮望奎兰苎圭兰垡鎏苎 3 4 5 i nt h e m u l t i p 拙e n v i r o n m e n t s ，t h ea n t i - m u l 卸a t hc y e l o s t a t i o n a r i t y - b a s e dt d o a e s t i m a t i o n a l g o r i t h mh a sb e e nd e r i v e d b ye x p l o i t i n gt h ec y c l o s t a t i o n a r yp r o p e r t yo f t h es i g n a lo fi n t e r e s t ， t h ee f f e c t so fa d d i t i v en o i s ea n di n t e r f e r i n gs i g n a l sa l ei d e a l l ys u p p r e s s e da n dt h et d o ai n m u l t i p a t he n v i r o n m e n t sc a n b e es t i m a t e dc o r r e c f l y t h es o l u t i o n so f h y p e r b o l a l o c a t i o n h a v e a l s ob e e nd i s c u s s e d ，a n dt h em e t h o di n t e g r a t e dw i t hf a n ga n dt a y l o r - s e r i e sa l g o r i t h m sh a v e b e e nu s e di n1 0 c a t i o ns i m u l a t i o ni nt h i sd i s s e r t a t i o n a n e t w o r k - b a s e d g s m p o s i t i o n i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e m f o r i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s h a sb e e np r o p o s e d t h em e t h o d e x t r a c t i n gg s ms i g n a l i n gf o rw i r e l e s sl o c a t i o nh a s b e e ng i v e n f u r t h e r m o r e ，t h et w os t a g el o c a t i o nt e c t m i q u e s ，i e r o u g ha n da c c u r a t el o c a t i o n ，h a v eb e e n p r o p o s e d t h ea r c h i t e c t u r eo fi t si n f o r m a t i o np l a t f o r mh a sb e e ni l l u s t r a t e d ，a n dt h ea r c h i t e c t u r eo f w i r e l e s sl o c a t i o ni n f o r m a t i o ns e r v i c e sw h i c hc o n f o r m st oav a n e t yo fi t ss u b s y s t e m sh a sa l s o b e e n p u tf o r w a r d k e yw o r d s ：w i r e l e s sp o s i t i o n i n g ，t d o a ，a o a ，t o a ，m u t u a li n f o r m a t i o n f u n c t i o n ，i n f o r m a t i o ne n t r o p y , c y c l o s t a t i o n a r i t y , h i 曲e r - o r d e r s t a t i s t i c s ，i t s ， 3 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 指导教师签名 日期：年月日 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 一虢彳妒 日期：勿年扩月l 秽日 圭塑奎望查兰苎主兰堡堡苎 1 1 引言 第一章绪论 无线通信可以追溯到1 8 9 7 年马可尼( g u g f i e l m om a r c o n i ) 第一次展示的无线电跨英格兰 海峡的通信试验，六十年代贝尔实验室提出了蜂窝( c e i l ) 的概念，蜂窝使大范围的地理区域 被分成小的蜂窝小区，每个蜂窝小区复用频带的一部分提高了频带的利用率。随着七十年代 晶体射频电路的迅猛发展，无线通信取得了迅猛的发展。无线通信的时代终于到来。现在的 无线通信系统也不再局限于语音通信，数据信息服务迅速发展，其中，无线定位近几年成为 无线通信的热点之一。无线定位技术在雷达、声纳定位，军事侦察、紧急救援、车辆自动定 位导航、地震探测和生物医学等领域也有广泛的应用。在移动通信系统中，无线定位技术最 初是作为系统管理的手段，例如估计确定区域用户数的多少来调整该地区系统容量，所以对 移动用户的精确定位可以有效分配系统资源。近来，蜂窝系统中无线定位逐渐成为了信息服 务的热点。由于公共陆地无线通信系统( p l m t s ，p u b l i c l a n d m o b i l e t e l e c o m m u n i c a f i o ns y s t e m s ) 在全 球范围内已经广泛使用，成为人们生活工作的一部分，移动终端在紧急救护中呼叫数已经超 过固定电话呼叫。目前全球使用的无线通信系统主要有：g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e ) ， 北美数字蜂窝系统( i s - 5 4 、i s - 1 3 6 、i s 9 5 ) 、欧洲数字无绳电话( d e c t ，d i g i t a l e u r o p e a n c o r d l e s s t e l e p h o n e ) ，美国的a m p s ( a d v a n c e d m o b i l e p h o n e s y s t e m ) 。 无线定位就是在有效的无线覆盖范围内的给移动用户提供自身位置的实时信息该定位 能力将直接决定了紧急救护系统的响应能力。所以，1 9 9 6 年美国联邦通信委员会( f c c ) 对 移动电话、宽带个人通信( p c s ) 以及区域专用移动无线电( s m r ) 提出后来称之为e 一9 1 1 ( e n h a n c e d 9 1 1 ) 的法案。法案最初要求2 0 0 1 年l o 月1 日起移动通信网络必须能向公共安全 应答点( p s a p , p u b l i cs a f e t ya n s w e r i n gp o i n t ) 提供紧急呼叫的移动终端的号码和精度在1 2 5 m 内、准确率达到67 的位置信息，这在欧洲也有类似的要求。虽然由于技术等原因，该 方案的实施期限被延迟t ”0 0 1 但是提供移动终端位置信息服务的市场需求越来越大基于蜂 窝系统的无线定位技术也成为研究热点。除此公共安全作用外，无线定位还可以提供如下功 能： 1 ) 无线资源和移动性管理，增强网络性能，微观上，在现代移动通信系统中两个蜂窝小区 之间呼叫的无缝切换功能在可蚍精确估计终端位置时准确实现，使网络更好决定进行小 第一章绪论 区切换的最佳时刻有效提高系统服务质壹。宏观上说监控移动终端位置可以为蜂窝系 统的窑量，差站分布等规划提供准确数据。 2 ) 基于位置的收费系统。蜜现移动终端的媾确定位移动网络运营商裁可以不透过公共电话 交换网络( p s t n ) 提供一个基于位置的收费系统。 3 ) 智能交通系统( i t s ，i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o n s y s t e m s ) ，智能交通系统燕结合了计算机网 络、数据透信以及自动控制技术的智能亿的交通系统，可以有效增强交通安全、提慈效 率、改善环境质量和提高能源利用率。其中，移动终端( 安装无线终端的车辆、使用手 持设备的行人) 的定位能力可以为交通对象提供各种信息服务，如交通状况、道路信息、 收费信息、车辆导航信息等”。本文在深入研究无线定位技术之后在第六、七章给 出在基于公共通信系统的智能交通系统中定位系统的躺狭方案。 本文先研究无线定位技术的基本方法，再集中在公共无线通信系统的基础上，磺究基于 公共无线通信系统定位实现。 1 2 无线定位技术及原理 无线定位技术本质上都是利用无线信号的特征变化，计算信号传输距离或传输对闯。通 过其一定的凡何原理计算器标位置。下面扶定位的几何原理、特妊检测技术和实现系统方面 简要介绍。 1 2 1 信号特征及其定位的几何原理 无线定位技术通过检测基站、卫星或者专用的无线信号发送设备与移动终端之间传输信 号的特征来确定终端位鬣。不论具体系统如何实现，定位技术最终都要归结为对传输信号的 信号特征估计。用于定位的信号特征有信号的到达角度( a o a ，a n g l eo f a r r i v a l ) 。信号传输 时t 霹( t o a ，t i m eo f a r r i v a l ) ，信号传输时间差分( t d o a ，t i m e d 溃h 髓c co f a r r i v a l ) 以及信 号强度( s o s 。s t r e n g t h o f s i g n a l ) 等四种，对于运动物体由于d o p p l c r 效应还要考虑频率变化。 信号a o a 又称为信号传输方向( d o a 、d i r e c to fa r r i v a l ) 。该方法通过检测无线信号的 到达方向角确定信号的发射源位于该方向角确定的直线上，如f 蟾1 1 所示。假设b s a 、b s b 和b s c 基姑的坐标分别为( _ ，n ) ，( ，) ，( k ，比) t 实际通信系统中一般基站豹位置固定， 坐标已知。若b s 发出豹信号传输判移动终端( m s ) 方向角为谚，姻m s 就处于最确定的直 线上；同理，m s 也在岛确定的直线与上，那么两条商线的交点理论上在两维平面内将是 2 上海交通大学博士学位论文 m s 的位置。公式如下： f 厶( z ，y ，b ) = 0 厶( y ，砬) = o 望一( ，；) ( 1 1 ) 【厶( z ，y ，岛) = 0 其中引入第三条曲线主要是为了降低定位误差，可以使用最小平方差( l m s ) 的优化算法计 算移动终端位置( k ，心，) ，理论上a o a 技术摄少需要两个基站参与定位。由于a o a 特征检 测需要方向天线或天线阵列，在目前的公共无线通信系统基础上，a o a 实现代价高，当m s 离开b s 越远，a o a 定位精度理论上会越低。而且，高精度的a o a 检测需要天线组有很高的 检测精度，天线需要周期性地校正然而，对于基站天线的周期性校对成本高“0 9 ”。 信号到达时间( t o a ) 方法依赖与对信号传输时间的精确计算，因为无线信号在空间传 输速度一定( 3 x 1 0 8 m s ) ，故信号发送端到接收端之间的信号传输距离可以计算出，如f i 9 1 _ 2 所示。假设检测出m s 到基站b 只，b & ，占品之间距离分别为d 。，d ，则2 维平面内三 个距离确定了以基站位置为圆心的三个圆由于三个基站的位置固定己知，所以计算三个圆 的交点既是m s 的位置，如( i 2 ) 式，g p s 定位的基本原理就是利用t o a 技术。 f ( 一x a ) 2 + ( 靠；一y a ) 2 = d ，z ( r 哪一) 2 + ( ) k j o ) 2 = d ：- ! 1 1 _ ( j k ，y 鹏)( 1 2 ) i ( t 。一) 2 + ( 只。一y c ) 2 = d 。2 t o a 方法利用的是信号传输的精确时间，l i s 时间检测偏差将带来m s 位置偏移3 0 0 m 。 所以信号接收器和发送器需要精确的时钟或者严格同步以便得到精确的时间。 为了克服t o a 方法需要接收采和发送器精确时钟的不足，提出了另一基于时间的定位技 术，即时间差分法( t d o a ) 。该方法利用信号传输时间的差来确定移动终端的位置。例如f i g i - 4 中，检测出m s 与基站，是，之间信号的传输时间差毛，l 。根据几何原理得到。m s 位 于以s a 、s 3 为焦点和以s 2 、s 3 为焦点的双曲线的交点上，则m s 与基站只，最，疋之间的距离 差以6 ，如可以就算出。 f i 瓜j 砑瓦i 万一厄j 了z 而+ j 万2i = 乙c l 厄j 孑可= 了了一厄j 了石j 瓦习= o c ( 1 ，) 堡斗( ，虼。) 第一章绪论 t d o a 方法不需要信号按收器和发射器都有精确时钟，所以在实际中被广泛使用。在以 爱章节将舟绍其体算法内容。 f i g 卜12 a 她l eo f 舡r i y t l ( 柏砷 h e t h o d 田卜12 一d 信母判迭角定位法 f i 葚l 一22 - dc i r c l em e t h o d 圈卜22 _ d 瑚环定位法 f i g 卜3 i s o c l i n e so fs o so fb a s es t a t i o nf i g 1 4 2 - dh y p e r b o l am e t h o d 圈卜3 基站发射信号能量等值线圈 田1 - 42 _ d 双曲蟪定位法 需要说嚷的是，一般称f i g 1 - 2 所示的圆环定位法为t o a 定位法，f i g 1 4 的双曲线定位 法为t d o a 定位。其实不论是圆环定位、双曲线定位还是直线交点定位，都只是定位的几 何原理是根据m s 和基站之间的几何关系( 方向角或距离) ，通过计算曲线的交点来估计 m s 的位置。理论上这些几何原理与具体使用什么样的信号特征没有壹接关系。倒如，m s 和 b s 之间的距离或距离差也可戳通过检测信号强度( s o s ) 来确定。 s o s 方法假定已知无线信号传输的信道模型如常用o k u m u r a 模型、r a t a 楱型，也可以实 际测定信道参数。无线信号传输距离和信号功率有一定的对应关系，检测信号强度就可以形 成躐离等值线圈。西此，发射信号功率固定时，检测信母功率就可计算信号传输距离，每个 接收功率确定了目标位予一条距离等离线上“”1 ，根据最少三个基蛄检测的数据就可以通 过计算曲线交点估计目标位置。由予无线信道复杂，各种信道模型只是实际情况的统计近似， 信道特性受到环境影响显著，等高线圈需事先测定，而且需要不断更新，虽然有些算法可以 4 上海交通大学博士学位论文 平滑信号小尺度衰减的影响，例如k a l m a n 滤波“1 1 9 ”3 h e l l 9 9 7 3 但是基于s o s 的定位技术系 统定位性能差，在实际使用中一般作为辅助定位方式。 本文研究的是基于公共无线通信系统的无线定位技术，根据以上分析，使用基于时 间的检测( t d o a t o a ) 检测结合双曲线定位的几何原理是合理和具有实际应用价值的 定位方案。 1 2 2 无线定位系统 目前主要四种定位系统：基于卫星的定位系统、基于专用无线局域网络的定位系统、基 于传感器的专用定位系统和基于公共无线通信系统的定位系统”“”。 美国的全球定位系统( g p s ，g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是基于卫星定位的典型系统， 卫星定位系统还有俄罗斯的g l o n a s s 、欧洲的e u t e l t r a c s ( 计划2 0 0 6 后投入使用) 定位系统。 g p s 定位技术在定位原理上就是利用检测三个卫星和定位终端之间无线信号的精确传输时间 t o a ，计算球面( 三维空间) 的交点来实现定位。t o a 通过卫星发出的伪随机码来计算，因为 定位卫星是中轨卫星( m e o ，m e d i u me a r t ho r b i t ) ，其本身的运动速度很快，这样会给信号 时间检测带来很多相当大的检测误差，由此带来定位终端的位置、速度和时间检测误差。所 以在实际使用时利用第四颓卫星提供一个四维的计算公式，其中时间误差作为第四维。目前 有很多方法来提高定位精度，有名的有最小平方差( l m s ，l e a s tm e a ns q u a r e s ) 和卡尔曼滤 波( k a l m a nf i t e r ) 法被广泛使用”1 。g p s 定位需要在移动终端有g p s 接收器或 者集成g p s 芯片检测定位卫星发出的信号。 虽然无线局域网不是为定位而设计的，但是其被成功应用于室内定位”“1 ，例如医 院内的设各或特殊病人的跟踪，在博物馆内便携式语音设备的跟踪以便为参观者提供合适的 解说词。根据无线局域网类型的不同，多种定位技术可以使用，可以检测信号的传输功率损 耗，也可以通过划分小区覆盖的方法来定位。无线局域网的定位适用于小范围特定区域的移 动定位需要。 基于传感器的专用定位系统在车辆的定位导航系统中最先应用，系统沿交通道路按照一 定间隔设置检测器，检测交通对象，通过专用通信系统把移动目标的标识、位置等信息传送 到交通信息处理中心实现移动定位。该方法主要系统的覆盖范围有限，而且系统的造价较高。 车辆和道路上都要安装专用的无线通信设各。 基于公共无线通信系统的定位系统是目前是无线定位系统的热点，主要是因为公共无线 通信系统的广泛应用，已经改变并且将继续改变人类的生活方式，在其基础上实现无线定位 5 第一章绪论 可以提供最大范围的网络覆盖。公共无线通信系统日益普及，无线定位具有实现相对代价低、 使用简便和潜在的高精度定位的优点。现有的无线终端在基于网络的无线定位系统中还可以 正常使用，而且可以克服市区由于建筑物遮挡可见定位卫星数目少，g p s 定位失效“”的不 足，具有极大的研究价值和应用前景。基于公共无线通信定位系统，如g s m 、i s 一9 5 ( c d m a ) 系统，通过检测移动目标的无线终端与基站之间信号传输的特征( 强度、方向、时间、频率) 估算目标位置。在第六章论文研究基于公共无线通信系统定位的具体实现问题，下面先对其 作简单分析。 1 2 3 基于公共无线通信系统韵定位 虽然基于公共无线通信系统的定位技术有几种分类方法，本文以对现有移动终端是否可 以直接提供定位服务为标准划分定位技术为两大类：修改移动终端的定位方法和不修改移动 终端的定位方法。 a ) 修改移动终端 从技术方面考虑，修改移动终端是相对容易而且可以实现较高精度的技术方案。例如， 可以在移动终端中集成o p s 接收芯片，通过g p s 定位原理实现定位，或者提高现有移动终端 信号检测能力，增强计算性能，使之可以完成本身位置的计算。移动终端可以检测多个已知 位置