（计算机应用技术专业论文）基于tdoagps数据融合定位方法的研究.pdf

分类号t n 9 2 9密级公开 重庆邮电大学硕士学位论文 论文题目基于t d o a g p s 数据融合定位方法的研究 ( 题名和副题名) 英文题目al o c a t i o na l g o r i t h mr e s e a r c h b a s e do l lt d o aa n dg p sd a t af u s i o n 硕士研究生王左盐 指导教师 笪盎盘割丝撞 学科专业计算机应用技术 论文提交日期2 q q 2 玺5 目论文答辩日魍2 q q 2 生且2 目 论文评阅人，蕴，夏互与塑毋丝当鏊以监 交盘曲数竣匝审苤竖 答辩委员会主席余建桥教授西南大学 2 0 0 7 年s 月3 0日 重庆邮电大学硕士论文 摘要 近年来，随着移动通信事业的迅猛发展以及g p s ( 全球定位系统) 定 位技术的广泛应用，越来越多的用户希望移动通信系统能够提供定位服 务。1 9 9 6 年7 月，美国联邦通信委员会( f c c ) 发布e 9 1 1 条例，要求移 动通信运营商在求助者使用移动电话拨打紧急求助电话时，能够对其迅速 定位，并且规定：对基于网络的解决方案6 7 的定位精度要在1 0 0 米以内； 9 5 的定位精度要在3 0 0 米以内。为此移动台定位技术己经成为近年来的 热门技术之一。 在目前的移动通信系统中利用t d o a ( 到达时间差) 定位方法具有最 广阔的应用前景，其参与定位的基站数至少为3 个，当基站数少于3 个时， 将无法完成定位。另外，地面蜂窝网无线定位技术其精度远不及g p s 定位 精度。但是g p s 定位技术对于室内、建筑物密集的城市中心以及郊区森林 等区域定位还存在定位信号盲区的问题。因此，在某些区域，可能会出现 t d o a 及g p s 定位方法均不能单独完成定位，或者定位精度很低的情况。 针对该问题，提出了结合g p s 和地面无线蜂窝网络中精度较高的t d o a 定位技术的数据融合定位方法。 本文系统地归纳和总结了目前蜂窝网络所采用的各种定位技术，探讨 了目前影响定位的主要因素和定位系统性能评价指标。阐述了t d o a 蜂窝 网络定位的测量技术、位置解算算法以及g p s 定位原理。充分利用t d o a 测量数据和g p s 测量数据来实现移动台位置的定位。利用不同坐标系下的 坐标转换矩阵以及对求解t d o a 定位方程的c h a n 方法进行推广得到求解 t d o a g p s 混合定位方程的方法，同时提出了t d o a g p s 数据融合模型。 文c 对所有的算法都进行了仿真分析，并得出有效性结论。仿真结果 证明本文讨论的定位方法有效，并且通过对g d o p ( 几何精度因子) 的分 析使定化性能取得了进一步改善，提高了定位成功概率和定位精度。 关键词：个球定位系统，到达时间差，几何精度因子，数据融合 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns e r v i c e sa n dt h e p o p u l a r i t yo fg p si nr e c e n ty e a r s ，m o r ea n dm o r es u b s c r i b e r se x p e c tm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m sc a np r o v i d el o c a t i o ns e r v i c e s i nj u l yo f19 9 6u s f e d e r a lc o m m u n i c a t i o nc o m m i s s i o n ( f c c ) i s s u e dt h ee - 9 11m a n d a t es t a t i n g t h a ta l lc a r r i e r so fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nm u s tp r o v i d et h eg e o l o c a t i o no fa n e m e r g e n c y9 11 c a l l e rt ot h ea p p r o p r i a t ep u b l i c s a f e t ya n s w e r i n gp o i n t f o r n e t w o r k b a s e ds o l u t i o n s ：10 0m e t e r sf o r6 7 o fc a l l e r s 3 0 0m e t e r sf o r 9 5 o fc a l l e r s a f t e rt h a t ，t h em o b i l ep o s i t i o n i n gt e c h n i q u eb e c o m e so n eo f t h eh o t t e s tt e c h n i q u e s s y s t e m a t i c a l l yi n d u c i n g a n ds u m m a r i z i n ge a c h k i n do f p o s i t i o n i n g t e c h n i q u e sw h i c ht h ep r e s e n tc e l l u a rn e t w o r ku s e s ，t h i st h e s i sd i s c u s s e st h e p r i m a r yf a c t o r sw h i c ha f f e c tp r e s e n tp o s i t i o n i n g a n dp o s i t i o n i n gs y s t e m p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n i te l a b o r a t e st d o ac e l l u a rn e t w o r kl o c a l i z a t i o n s u r v e yt e c h n o l o g y , p o s i t i o nr e s o l v i n ga l g o r i t h m sa sw e l la sg p sp o s i t i o n i n g p r i n c i p l e 。i tr e a l i z e sp o s i t i o n i n go fm o b i l es t a t i o n sf u l l yu s i n gt h et d o a s u r v e yd a t aa n dt h eg p ss u r v e yd a t a 。i tu s e st h ec o o r d i n a t e st r a n s f o r m a t i o n m a t r i xu n d e rt h ed i f f e r e n tc o o r d i n a t es y s t e m sa sw e l la st h ec h a nm e t h o dt o s o l v et d o al o c a l i z a t i o ne q u a t i o n s ，t os o l v et h em i x e dl o c a l i z a t i o ne q u a t i o n s m e t h o do ft d o aa n dg p s s i m u l t a n e o u s l yi t p r o p o s e st d o a g p sd a t a f u s i o nm o d e l 。 a l l a l g o r it h m s i nt h i sa r t i c l eh a v eb e e n a n a l y z e d a n do b t a i nv a l i d c o n c l u s i o nt h o u g hs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t i th a sb e e np r o v e dt h a tt h el o c a t i o n m e t h o dp r o p o s e di nt h i sa r t i c l ei se f f e c t i v et h r o u g ht h es i m u l a t i o nr e s u l ta n d t h ep e r f o r m a n c eo fl o c a t i o n ，l o c a l i z a t i o np r o b a b i l i t yo fs u c c e s sa n dp o i n t i n g a c c u r a c yi si m p r o v e db ya n a l y z i n go fg d o e k e yw o r d s ：g p s ，t d o a ，g d o p ，d a t af u s i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本入在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废 邮曳太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意 学位论文作者签名：夕 i ；f 皇 签字日期：y 力年6 月彦日 f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆整电太堂有关保留、使用学位论 文的规定，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， 允许论文被查阅和借阅。本人授权重麽邮电盔堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采j h 影印、缩印或扫描等 复制f 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学竹论文作者签名： t 秀遗 导师签名： 勿谴 签彳：闩期： 妒 年寺月，日签字日期：力唧年6 月3 日 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 移动通信产业在短短的十年左右的时间里飞速发展，以巨大力量推动 着全球经济的发展。伴随着我国的手机用户数量不断扩大，人们对移动通 信系统的服务也提出了更高的要求，广大手机用户在获得话音、数据及多 媒体业务服务的同时，还希望移动通信能带给他们更多的便利与服务。移 动台定位技术作为一种能为广大用户带来便捷服务的业务，具有很重要的 研究价值，它不仅能造福于人民，而且还能带动我国的移动通信产业进一 步发展。本章从移动台定位技术的历史及发展概况出发，简要描述了移动 台定位技术的研究背景、意义和以及国内外研究现状，并介绍了本文的框 架结构。 无线定位技术是保障人类交通安全和从事军事活动的有效手段，在现 代的社会生活中发挥越来越重要的作用。定位通常是指地球表面某种物体 在某一参考坐标系中的位置。传统的定位技术和导航密不可分，导航是指 引交通工具或其他物体从一个位置移动到另一个位置的过程，这个过程通 常需要定位。除了传统的应用外，近年来定位技术开始用于蜂窝系统设计、 信道分配与切换、小区服务区域确定、e 9 1 1 紧急援助、交通监控与管理 等等。目前，可以采用的定位方法通常有三类：推算定位、接近式定位和 无线定位，其中无线定位又可以分为卫星无线定位和地面无线定位。推算 定位是基于一个相对参考点或起始点，借助地图匹配算法确定移动目标位 置的一。种定位技术，适合于对运动目标的连续定位；接近式定位又称为信 标定位，运动目标的位置通过与之最靠近的固定参考检测点来估计位置； 卫星定位利用g p s 、g l o n a s s 、北斗双肇等卫星系统的多个卫星来实现 移动 j 标的三维定位：地面无线电定位则通过测量无线电波从发射机到接 收机的传播时间、时间差、信号场强、相似或入射角度等参数来实施移动 目杯的：维定位。就当前的发展趋势来看近几年和将来将有越来越多的 公司和科研单位投入到基于蜂窝网络的地向无线定位领域。 蜂窝网络定位技术发展的源动力是美跚联邦通信委员会f f c c ) 1 9 9 6 年 提出的e 9 l l ( e m e r g e n c yc a l l 9 1 1 ) 紧急呼叫的定位需求。它要求在2 0 0 1 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 年1 0 月1 日前，各种无线蜂窝网络必须能对发出e 9 1 1 紧急呼叫的移动台 提供精度在1 2 5 m 内的定位服务，而且满足此定位精度的概率应不低于 6 7 ：在2 0 0 1 年以后，系统必须提供更高的定位精度及三维位置信息。1 9 9 9 年1 2 月f c c9 9 2 4 5 对e 9 1 1 需求进一步细化，在定位精度要求方面规定 ：基于蜂窝网络的定位方案，要求对6 7 的呼叫精度应不低于1 0 0 m ，9 5 的呼叫精度不低于3 0 0 m ；基于移动台的定位方案，要求对6 7 的呼叫精 度不低于5 0 m ，9 5 的呼叫精度不低于1 5 0 m 。美国f c c 的这一规定明确 了提供e 9 1 1 定位服务将是今后各种蜂窝网络，特别是3 g 网络必备的基 本功能。 1 2 无线定位技术概述 目前在无线网络中对移动台定位需求主要是提供移动台的位置坐标 信息及定位精度估计、时戳等辅助信息。现在已提出的各种移动台定位方 法都是二维定位方法。事实上，由二维定位技术推广到三维定位技术也是 较为直接和容易的。 从根本上来说，移动台定位技术的基本原理是：目标移动台或者多个 具有已知坐标位置的固定信标( 如基站、定位测量单元等) 发送定位信号， 通过对定位信号的测量，获得相应定位参数的估计后，利用适当的数据处 理手段，根据得到的定位参数估计确定目标移动台在二维平面的位置。定 位功能的实施应充分利用无线网络己有的系统资源和g p s 等可以利用的 资源，并尽可能少地影响网络的原有功能，选择适当的定位系统类型、相 应的定位技术及实施方案。 无线定位技术是基于全球移动通讯系统g s m l 2 】( g l o b es y s t e mf o r m o b i l e c o m m u n i c a t i o n ) ，码分多址p j ( c o d e d i v i s i o n m u t i p l e a c c e s s ) 等移 动通讯系统或个球定位系统g p s l 4 , 5 1 ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 、伽利略 ( g a l i l e o ) 等一l i 星定位系统上，通过检测移动终端和基站之间卮线电波传 播信 j 的特征参数( 信号场强、传播时问或时间差，信号入射角等) ，再 根据彳r 关算法束估计移动终端的几何位置。在蜂窝系统中，根据进行定位 主体的不同，丸线移动定位技术分为三类：基于终端的定位，基于网络的 定位和混合定f ? ，技术。 箍f 移动f i 的定位也称为下行链路定位，是移动台利用来r j 基站的信 号计算 b 自己们位置，移动台根据自己接收到的多个已知位置壤站发射信 号携带的与移功台位置有关的特征信息，来确定其与各基站之n “的几何位 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 置关系，再根据算法对移动台自己进行定位估计，基于移动台定位的系统 对每个基站的数据库进行维护，把诸如基站位置以及相邻频率的分配表等 信息传送给移动台，构成一个定位系统。移动台定位技术包括全球定位系 统( g p s ) ，基于到达时间的定时技术( e - o t d t o a ) 以及初始蜂窝小区( c o o ： c e l lo fo r i g i n ) 。其技术难点是如何提高定位的精度和速度，如e o t d 会受到传播环境的影响而造成测量值偏差较大而导致精度的降低，而g p s 接收机则存在在城市或峡谷中接收不到足够的g p s 信号或g p s 信号太弱 的问题【引。目前在无线网络中广泛使用的技术是初始蜂窝小区技术，该方 案己被用来满足美国e 一9 1 1 第一阶段的紧急定位服务需求，基于位置的付 账和一些需要位置信息的服务。 基于网络的定位技术指网络根据多个固定基站测量到的与移动终端 位置有关的特征信息来计算移动终端所处的几何位置，主要包括c g i t a ( c e l lg l o b a li d e n t i t y t i m ea d v a n c e ) 、上行到达时间u l t o a ( u p l i n k t i m eo f a r r i v a l ) 。信号到达时间差t d o a ( t i m e d i f f e r e n c eo f a r r i v a l ) 和信号到达角度a o a ( a n g l eo f a r r i v a l ) 等。其技术难点是如何降低非视 距n l o s 7 】( n o n l i n eo f s i l g h t ) 传播、多径效应和多址干扰对定位精度的 影响【4 1 。 混合定位技术是综合上述定位技术中的两种或多种定位技术来对移 动终端得定位。例如综合a o a 和t d o a 定位技术【8 1 就充分利用了信号到 达角度和信号到达时间差，因此具有较高的准确性。混合定位技术的难点 是在不增加网络通信量的情况下，无缝的综合两种或两种以上定位方法。 1 3 国内外研究现状及存在的问题 自e 9 1 l 定化需求颁布以来，移动台定位技术在国内外受到高度重视 和进行了深入研究，在近年来i e e e 的有关期刊和会议，特别是v t c ( v c h i c u l a rt e c h n o l o g yc o n f e r e n c e ) 上发表了大量研究论文中，也出现了 不少定位技术发1 1 月专利及一些专门从韦定位技术研究与开发的公司， 比较有代表性的仃t r u e p o s i t i o n 、s n a p t r a c k 、c e l l p o i n t 、c e l l - l o c 、c p s 、 u s w i r e l e s s c o r p o r a t i o n 等。美国高通公司开发出了两种用于a g p s 定能 技术的芯片m s m3 0 0 ( f o r l s 9 5 ) ，m s m 5 0 0 ( f o rc d m a 2 0 0 0 1 x ) ，内置g p s 解 码，2 0 0 0 年下半：i i 发布，2 0 0 1 年6 月在国内推广。这种名为g p s o n e 定位 方案，是一种无线辅助全球定位系统和高级前向链接三边测量榭混合的技 术，具有精度高1 3 - 5 0 m ) 、可用性好( 能在高度遮挡环境中定位) 、响应时川 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 短( 在所有呼叫环境中均为几秒) 、保密性好、集成度高、成本低的优点。 中国移动和中国联通也己经投入了定位的研究实验和实现了基本定位功 能的开通，但目前主要是基于g s m 系统的定位服务。 蜂窝移动通信系统无线定位问题，近年已被提到议事日程上，迫切希 望得到较完善的实用技术。但是要在移动通信网中实现移动终端的精确定 位尚有许多技术难点尚待解决，首先是多径所引起的干扰和传播时延误 差，对于测量t o a 和t d o a ，即使移动台与基站之间无线电波有视线路径 l o s ，多径传播对定时测量也会引起误差，如欲精确测量传播时延，多径 效应也有影响。现在己经研究出了一些减小蜂窝网中多径传播影响的有效 方法，如利用l m s 算法、r o o t m u s c i c ，t l s e s p r i t 和扩展卡尔曼滤波 ( e k f ) 来对多径分量进行估计，以及利用空时联合的方法来同时估计信号 的到达时间和角度等。但是，在各种无线环境下，如何进一步提高对多径 的处理精度还需要做很多工作；其次是无论采用d o a 还是t o a 定位均需 要多个基站参与，在基站稀疏的条件下很难同时接收到多个基站的信号， 即便在基站稠密的城市环境中，也可能由于建筑物的遮挡而无法接收到视 距传播( l o s ) 信号；同时移动通信系统中的多址接入方式也会导致定位精度 的下降，特别在c d m a 蜂窝网，所有移动台使用同一频带，仅扩频码不同， 而且c d m a 有远近效应( f a r n e a r e f f e c t ) 移动台离基站越近，发射功率越 小。受到多址干扰越大，在使用时延锁定环路( d l l ，d e l a yl o c k e dl o o p ) 的情况下，多址干扰影响很大，当蜂窝网内几个蜂窝区的基站测量某一移 动台的位置时，每一基站收到其覆盖区内其它移动台的干扰信号，影响基 站测量t o a t d o a 的准确度，可以采用在e 9 1 1 呼叫时将移动台发射功率 瞬间调到最大，改进软切换方式，利用抗远近效应延时估计器与多用户检 测器等方法减小多径干扰。这种多址f 扰也是当前研究c d m a 蜂窝网的一 个重要课题：最后由于施行这种服务常常暴露了个人的敏感信息，很多用户 担心自己的隐私问题，隐私权的保护受到广大用户的关注，如何使用户适 时地应用定位服务而又免于自己的位置隐私被恶意侵犯，也是一个迫切需 要解决的问题。 目前，公开发表的关于无线定位的研究成果大多集中在定位技术和算 法仿真、抗非视距传播、多径和多址 扰的研究，对于混合定位方法、g d o p 对定位精度的影响和数据融合的分析部【匕较少。本文将着重在这些方面做 进一步的探讨，提出了t d o a g p s 数掘融合定位算法，能够有效地提高定 位精度和定位成功率。 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 4 论文结构 本文共分五章，各章的内容安排如下： 第一章简述了无线通信系统移动台定位技术的历史背景和发展现状， 定位系统的类型，以及定位技术中面临的难题和国内外研究现状。 第二章介绍了移动台定位的基本技术方案及影响定位精度的因素和 衡量性能的主要指标。详细介绍了g p s 定位技术和t d o a 定位技术，分 析了解t d o a 双曲线方程组的c h a n 方法。 第三章提出并讨论了一种推广c h a n 方法的t d o a g p s 混合定位算法 用来解决当基站和卫星数都很少时的定位问题，并进行了仿真讨论。 第四章分析了基站和卫星的几何分布对t d 0 g p s 混合定位精度的 影响。 第五章主要提出并讨论t d o g p s 数据融合定位模型。 第六章总结了本文所做工作，井探讨了进一步的研究方向。 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线定位系统及定位技术介绍 第二章无线定位系统及定位技术介绍 本章将介绍g p s 4 , 5 , 9 伪距定位基本原理和一些基本的蜂窝网无线定位 技术1 0 j ，着重介绍t d o a 定位技术和c h e n 方法。 2 1 基于移动台的定位 2 1 1g p s 定位技术 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 ) 是美国2 0 世纪7 0 年代开 始研制，历时2 0 年，具有海、路、空全方位实时三维导航与定位能力的 新一代卫星导航和定位系统。g p s 具有全天候、自动化、高精度、高效益 等显著特点，广泛地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载上 具导航等等多种学科。随着其性能的不断改进，软硬件的不断完善，其应 用领域也不断的开拓，目前的应用也遍及国民经济的各个部门。 g p s 系统按其在地域上可以分为三大部分：太空的g p s 卫星星座、陆 地的地面监控系统及用户的g p s 接收机。 g p s 系统由2 1 颗工作卫星和3 颗备用卫星组成卫星星座，称之为 2 1 + 3 g p s 星座。2 4 颗卫星均匀的分布在6 个轨道平面，轨道倾角为5 5 度， 各个轨道平面之间相距6 0 度，即轨道的升交点赤经各相差6 0 度每个轨 道平面内各颗卫星之间的升交角相距9 0 度，一轨道平面上的卫星比西边 相邻的轨道平面上的相应卫星超前3 0 度。 在两力公里高空的g p s 卫星，当地球对恒星来说自转一周时，他们绕 地球运行两周即绕地球一周的时间为1 2 个恒譬时。这样对地面观测者 来说，每天将提前4 分钟见到同一颗g p s 卫星。f 扛于地平线以上的卫星颗 数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4 颗，最多可见到1 1 颗。 在用g p s 导航定位时，为了计算测站的三维坐标必须观测4 颗g p s 卫 星称之为定化卫星。这4 颗的卫星在观测过程 一的几何分布对定位精度 有一定的影响。在某地某时甚至不能测得精确的仃置坐标，这种时问段叫 做“白j 隙段”。由于“间隙段”是很短暂的，它为不影响全球绝大多数地 方的连续高精度的导航定位测量。 g p s i 星的核心部件是高精度的时钟、导航l u 文存储器、双频发射和 6 重庆邮电大学硕士论文第二章无线定位系统及定位技术介绍 接收机以及微处理器。而对于g p s 定位成功的关键在于高稳定的频率标 准。这种高稳定的频率标准由高精度的时钟提供。因为1 0 1 秒的时钟误差 将会引起3 0 c m 的站星距离误差。 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 定位两大类。 后者又可分为三类，及位置差分、伪距差分和相位差分【5 】。在此，只简要 介绍基本g p s 定位。 如图2 1 ，g p s 定位需要至少四颗定位导航卫星才能进行，如果g p s 接收终端能接收4 颗以上的卫星信号，则可选择其中信号较好的4 颗卫星 进行g p s 定位。为了避免单独某颗卫星对定位结果产生较大影响，也可以 使用最小二乘法利用4 颗以上的卫星进行定位。 夸，謦 j 图2 1 g p s 定位示意图 根据图2 1 可以知道，g p s 定位也基于到达时间的原理，在4 颗g p s 卫 星定位的情况f ，g p s 接收机位置和时钟偏差的关系为： r j = 瓜i f 万订而缸 耻x ( x - x 2 ) 2 - ( y - y 2 ) 2 - ( z - z 2 ) 2 + c ( 2 1 ) 马= | 、( x - 墨) 2 - ( y - r , ) 2 - ( z z 3 ) 2 + c r 墨= 瓜i f 石面气可， ( z ，】：，z , ) 3 b ! 晕墨的伊胃坠标，是由卫星发送的星历告诉用户的。而伪距r 可利用伪码测距等方利：得到。f 是卫星钟和用户钟的时间差，这就要求j 1 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线定位系统及定位技术介绍 星钟和时间钟精确同步，不同卫星的卫星钟之间的同步是通过采用高精度 的铯原子钟( 精度约为1 0 “2 ) 和地面系统定期对所有卫星进行校正来保证 的；而用户钟是通过g p s 周期性地广播给g p s 用户来确定的，这样就保 证了卫星钟和用户钟的精确同步。解( 2 1 ) 式，就可以得到g p s 接收机的位 置坐标( 工，y ，2 ) 和卫星钟与用户钟的时间差血。因此g p s 可完成3 种功能： 通过伪距测量即可决定卫星与接收机之间的距离：接收卫星的星历数据， 计算卫星的位置；确定接收机位置和接收机时钟偏差。 2 1 2 辅助g p s ( a s s i s t e dg p s 。a - g p s ) 定位方式 辅助g p s 定位( 图2 2 ) 的原理是：网络收到g p s 辅助信息，并将辅 助信息发送到终端：终端得到g p s 信息，计算并得出自身精确位置，然后 将位置信息返回到网络。这种解决方案是将传统g p s 接收器的大部分功能 转移到网络处理器上实现。该方式需要天线、位置测量单元( l m u ) 和数据 处理器等设备。网络向终端发送一串极短的辅助信息，包括时间、可视卫 星清单、卫星信号多普勒参数和码相位搜索窗口。这些参数有助于内置 g p s 模块减少g p s 信号获得时间。辅助数据来自终端g p s 模块处理后产 生的伪距离数据，且可持续数分钟。收到这些伪距离数据后，相应的网络 处理器或定位服务器能大致估算出终端的位置。网络增加必要的修正后， 可提高定位精度。这种定位方法的优点是可以简化终端g p s 设备；缩短 g p s 定位时间并提高定位灵敏度，在较低信噪比时也能成功定位。 渗漤 图2 2 a g p s 定位示意图 8 商勰 一 】翻翻嗣罗j氤圈从 、 重庆邮电大学硕士论文第二章无线定位系统及定位技术介绍 2 2 基于网络的定位 从几何角度看，确定空间的一个点，可以由三个或三个以上的曲面或 平面在三维空间内相交而得出1 1 4 ，但到目前为止，大多数定位服务应用几 乎只要求获得移动台的二维平面坐标，因此现在己提出的各种移动台定位 方法都是二维定位方法本文也主要讨论移动台的二维定位技术，实际上， 由二维定位技术推广到三维定位技术是比较容易的。 2 2 1 小区定位( c e l li d ) 这种方式以通信基站所在的蜂窝小区作为移动终端的定位单位，利用 小区标识进行定位，其精度取决于小区的大小。在使用微小区的城市中心， 小区半径可能只有1 5 0 m 。因此这种定位方法误差较大，一般只能精确到 一个小区的覆盖范围。采取一些改进措施，可以在小区覆盖范围的基础上 提高精度，如增加终端到基站的来回传播时间长，可以把终端定位在以基 站天线为中心的环内。这种方法提供的位置信息可以是小区标示、服务区 标示，或者是经过转化后的地理位置信息。 c e l li d 定位是最简单的定位方法【l2 l ，不需改动网络和移动台，易于 实现，有很好的覆盖性和可靠性，且响应速度快，整个定位过程只需1 秒 钟左右。缺点是定位精度不高，且依赖于基站覆盖区域的大小，在基站分 布较少的地区如郊区和农村很难获得理想的定位精度【”】。 2 2 2 到达角度( a n g l eo f a r r i v a l ，a o a l 到达角方法也称为到达方向方法( d o a ，d i r e c t i o no fa r r i v a l ) ，简称 d o a a o a 方法，是利用多天线阵元来测量移动台发出的信号的到达角， 一个d o a 测量值使目标移动台的位置必然处于以该测得的d o a 画出的一 条直线上，如果我们从两处不同位置上的陌个天线上测得至少两个d o a 值，那么目标移动台的位置就一定处于从这两个天线处发出的两条直线的 交点上，在通常情况下，利用多个测得的d o a 值来提供冗余信息以达到 提高定位精度的目的。 令移动台位置坐标为( x ，y ) ，基站b s i 位罱坐标为( x ；，y ；) ，基站通过阵列 天线测出移动台来波信号的入射角a ；，m s b s 的径向连线的直线方程l ： 9 重庆邮电大学硕士论文第二章无线定位系统及定位技术介绍 k ：翌!( 2 2 ) x i x k ；为径向连线l i 的斜率，可知： k ：t 趾a ：显2( 2 3 ) x ：一x 通过两个或两个以上的基站，就可得到一组方程组，他们的交点即为待定 移动台的位置。这种方法不会产生二义性，因为两条直线只能交于一点。 到达角定位技术的优点：不需要系统的时间同步；阵列天线的引入， 改善了天线增益模式，增强了方向性：移动台的信号只需被两个基站同时 收到就可实现二维定位；在基站稀疏地区定位有效性优于时差定位系统。 缺点：需要在基站建立阵列天线，提高了系统成本；对于类似g s m 或c d m a 的信道共享系统，实现来波方向的测量有较大难度；易受多径和 其他环境因素干扰的影响；a o a 的测向精度对距离十分敏感，距离越远， a o a 定位精度就越差。 2 2 3 到达时间( t i m eo f a r r i v a l ，t o a ) 定位 t o a 技术原理：先测量出从移动台发出的信号到达基站i 的时间，那 么就可以得到移动台与基站i 之间的距离e = c t ；，( 其中c = 3 x 1 0 s m s ，指 电磁波在空气中的传播速度) 于是，在利月i 到达时日】进行定位的方法中， 移动台位置坐标和定位基站位置坐标之间存在如下关系： r ：= 4 ( x - x ) 2 + ( y i y ) 2 = t i = n i ( i _ l ，2 ，3 ，n ) ( 2 4 ) 从上式可以看出，移动台的轨迹为一个以基站i 为圆心，以它们之间 的距离i 为半径的圆，只要我们能够得到移动台发出的信号分别到达3 个 不同定位基站的时间，就能确定3 个这样的圆，它们的交点就是移动台所 在的位置，通过联立求解方程组( 2 4 ) 0 = 1 ，2 3 ) ，就能得到移动台的位置坐 标，其原理图如图( 2 3 ) 所示，在很多文献【 t 也称到达时间定位方法为圆 周定位方法 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章无线定位系统及定位技术介绍 图2 3 t o a 定位示意图 t o a 技术要求定位基站在时间上精确同步，否则定位精度将大大降低， 时间上l 雌的误差在距离上将产生3 0 0 m 的误差，可用g p s 对基站进行精 度校对时间，但会增加系统的开销，而且移动台的发射信号中需有时间标 记，这样接收基站才能判断出信号传输时延。 2 2 4 到达时间差( t i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l ，t d o a ) 定位 到达时间差t d o a 方法是通过测量目标移动台发出的信号到达多个 接收基站的时间差来对目标移动台进行定位的方法，即各接收基站对来自 同一移动台的信号作到达时间t o a 的测量，然后将各t o a 值传送到定位 处理中心，中心根据t o a 求出各基站间的t d o a 并计算出目标的位置坐 杯，到达时白j 差t d o a 定位技术的基本原理是一纠lt d o a 测量值确定一对 双曲线，该双曲线以参与该t d o a 测量的两个接收基站为焦点，需要定位 的目标移动台就在这对双曲线的某一条分支上，此，通过求由两组t d o a 值确定的两对双曲线的交点就可以得到移动用户晌精确位置，其原理图如 图2 4 所示： 重庆邮电大学硕士论文第二章无线定位系统及定位技术介绍 t 、_ 村( ! ：炉 髂、 7 飞足 b s 2 i j 。- l x i 图2 4 到达时同差( t d o a ) 定位不意图 通常，对于用m 个基站进行定位的情况都考虑相邻m 1 个基站到达 移动台的信号分别与服务基站到达移动台的信号之间的t d o a 。相邻基站 i 的位置坐标分别为( x ；，y ；) ( i = 2 , 3 ，m ，需要进行定位的目标移动台的 位置坐标为( x ，y ) 。目标移动台到第i 个基站的距离r ；为： 焉= ( z 一墨) 2 + ( y i ) 2 ( 2 5 ) 目标移动台与基站i 的距离r ；和与服务基站的距离r 之差为 焉j = 啊= ( 工一置) 2 + ( y i ) 2 一( j 一五) 2 + ( y 一墨) 2 ( 2 6 ) 式中，c = 3 x lo b m s 为电磁波传播速度，d ；。就代表第i 个基站与服务基站 直接的t d o a 估计值。式( 2 6 ) 定义的方程组的解就是目标移动台的二维位 置坐标。 若直接求解式( 2 6 ) 这样的非线性方程组是很困难的，通常是对其先进 行线性化。种方法是通过泰t a y l o r 数展开并保留前两项，还可以将方程 ( 2 6 ) 转换成j 。种形式： 碍= ( r 。+ 焉) 2 ( 2 7 ) 式( 2 5 ) 可以1 ；为 + 2 r i 置+ 群= 砰+ x 2 2 x , x 一2 y j y + x 2 + y 2 ( 2 8 ) 再用式( 2 8 ) 碱去当i - i 时的( 2 7 ) ，得到 髯l + 2 e r = 一2 x , i j 一2 z 1 y + 蜀一蜀 i = 2 ，3 ，m ( 2 9 ) 式中，置= 一- x ，r = 耳- r , ，局= 矸+ 巧2 。这样，将j ，y ，焉都视为未知 数，方程组i2 9 ) 就成为线性方程组。 1 2 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线定位系统及定位技术介绍 c h a n 方法 求解方程组( 2 9 ) 目前有很多种算法：t a y l o r 级数展开法1 1 5 , 1 6 1 、f a n g 方 法【17 1 、c h a n 方法【1 引、f r i e d l a n d e r 算法、s x ( 球面相交算法) 和s i ( 球面插值 算法) 以及分类征服算法等。下面着重讨论c h a r t 方法。 c h a n 方法是一种具有解析表达式解的非递归的双曲线方程组解法。该 算法的特点是计算量小，在噪声服从高斯分布的环境下，定位精度高。但 在非视距( n l o s ) 环境下，c h a n 算法的定位精度显著下降。 1 ) 3 个基站时的算法 当有效测量基站数为3 时，可得到两个t d o a 测量值，先假定k 1 为已 知，则m s 位置( x ，y ) 可由式( 2 9 ) 按以下形式解出： ； = 一 妻：专| i 一 釜： r + 三 曼| ：兰：兰： c z t 。， 再把式( 2 1 0 ) 代入式( 2 6 ) ，令i = l ，得到一个关于r ，的二次方程，将其正 根带回式( 2 i o ) ，就得到m s 的估计值。在某些情况可能有两个正根，这 种模糊性可由有关先验信息进行选择。 2 ) 4 个以上基站时的算法 当有效基站数为4 个以上时，该算法能利用网络提供的所有t d o a 测 量值并取得更好的计算结果。此时t d o a 测量值数目多于未知数目，因此， 初始非线性t d o a 方程组应首先转换为线性方程组，然后采用加权最小二 乘( w l s ) 算法【1 9 , 2 0 得到一初始解，再利用第一次得到的估计位置坐标发附 加变量等已知的约束条件进行第二次w l s 估计，最后便能得到改进n 勺估 计值。令为未知乞2 【2 ；，曷】7 矢量，其中2 ，2 i x , y r ，从式( 2 1 0 ) 中求出的具 有t d o a 噪声的误差矢量为： 妒= j l q 之 ( 21 1 ) 式中， = 1 2 畦。一x ；一砭+ x ：+ k 。一霹一野+ 矸+ z 2 ； 胄j 一z ：一瑶+ 工? + x 2 g = 以。墨1 马- i 局一墨一屯 x w lk k l ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 重庆邮电大学硕士论文第二章无线定位系统及定位技术介绍 在此定义无噪声时 ) 的表达式为 ) o ，故4 ，= d o + ，；又由于，可 得噪声的误差矢量为： = c b n + o 5 c 2 n o n( 2 1 4 ) 其中， 口= 螈 霹，霹，站 ( 2 1 5 ) 式中。代表矢量或矩阵进行点乘操作。当s n r 高时，由广义互相关 ( g c c ) 检测的t d o a 测量值通常为高斯数据，服从近似的正态分布，因此 噪声矢量n 也服从近似的正态分布，误差矢量的协方差矩阵便可算出。在 实践中条件通常可以满足，因而式( 2 1 4 ) 中第二项可以忽略，误差矢量成 为具有以下协方差矩阵的高斯随机矢量： 矿= e i y 矿7l _ c 2 b q b ( 2 1 6 ) 在现实应用中，q 可能不容易获得，但如果接收端噪声功率谱密度比 较平稳，则可以由理论上的t d o a 协方差矩阵来代替，其对角元素为盯2 ， 其它元素为0 5 c r 2 ，c r 2 是t d o a 的估计方差。乞中的蜀与式( 2 2 ) 有关，表 明式( 2 1 1 ) 仍然是以x 和y 为变量的非线性方程组。 求解该非线性方程组时首先假定x ，y 和冠之间无关，然后通过w l s 算法进行第一次求解。最终结果可通过将己知关系冠与x ，y 之间的关系即 式( 2 5 ) 代入第一次定位的结果中，再进行一次w l s 计算得出。这两步是 对m s 位置的最大似然( m l ) 估计的近似。 如果假定乙的元素间相叵独立，乙的m l 估计为： 乙= a r g m i n ( 1 i l g a z a ) 7 缈- t o g a z 。) _ ( 沙。g 口) - 1 1 h ( 2 1 7 ) 该式是式( 2 1 1 ) 的w l s 解，但目前该式还不能解出因为b 中含有m s 和 各基站发射机之日j 的距离，故i c ，仍然是未知量。为此需作进一步近似。 当m s 距离很远时，群( i _ 2 ，3 ，m 与舻( 定义距离) 接近，故 b m r o i 由于小的量纲没有什么影响，式( 2 1 7 ) 可近似为： 乞* ( 6 ：q 。q ) “嘭矿1 h ( 2 1 8 ) 用式( 2 1 8 ) 得到的：。计钉对b 的近似并再由式( 2 1 7 ) 得到对乙的进一 步估计，反复使用( 2 1 7 ) 进干j 迭代，可得到z d 的准确结果。事实上y t c h a n 等人指出，仅使用一次( 2 1 7 ) 就可以得到很准确的结果。 如果m s 距离较近利上式可得到一初始解用于计算b 矩阵，第一 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线定位系统及定位技术介绍 次w l s 计算的结果可由式( 2 i s ) 得到。 为进行第二次w l s 计算，需首先计算估计位置z 。的协方差矩阵。该矩 阵可通