（电子科学与技术专业论文）一维无线定位系统的研究与实现.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i r e l e s sp o s i t i o n i n g i sc a p a b l eo f p r o v i d i n g t h e r e a l t i m e l o c a t i o n i n f o r m a t i o n o f t h e m o b i l e s t a t i o n w i t h t h ed e v e l o p m e n to f w i r e l e s s t e c h n o l o g y , ar a p i da d v a n c e m e n t o f t h e w i r e l e s s l o c a t i o np o s i t i o n i n gt e c h n o l o g yh a sb e e na c h i e v e d ，a n dt h ea p p l i c a t i o n sa n ds e r v i c e so fw i r e l e s s p o s i t i o n i n gh a v eb e e nu s e dw i d e l y t h ep o s i t i o no fo b j e c t si ns o m es p e c i f i ci n s t a n c e sc a l lb ea s c e r t a i n e db yd i s t a n c e m e a s l l r e m e m t h i sp a p e ri n t r o d u c e sar e m o 【ep h a s es y n c h r o n i z a t i o nm e t h o da n dan i g h - a c c u r a t e d i s t a n c em e a s u r e m e n tm e t h o db a s e do nt h er e m o t ep h a s es y n c h r o n i z a t i o nm e t h o d b ys i m u l a t i n g t h e s em e t h o & s ，t h es t a b i l i t yc o n d i t i o no fr e m o t ep h a s es y n c h r o n i z a t i o nm e t h o da n dt h ea c c u r a c y a n de r r o rs o u r c eo fd i s t a n c em e a s u r e m e n tm e 山o dc a nb e0 b t a i n e d t h i sp a p e ra l s oi n v e s t i g a t e st h ea l g o r i t h mo ft d o a ( t i m ed i f f e r e n c e o f - a r r i v a l ) p a r a l e t e r s e s t i m a t i o na n dl o c a t i o nc a l c u l a t i o nb e c a u s eo fv e n i c l er u n n i n go nv e h i c l e sr u n n i n go nr o a d sa n d r a i l w a y sw h i c hh a v ek n e wt r a c k s ，t h i sp a p e ri m p r o v e st h ea l g o r i t h mo f t d o a p o s i t i o nm e t h o d l o c a t i o nc a l c u l a t i o na n dg i v e st h ec o n d i t i o na b o u tb a s es t a t i o n sl o c a t i o n 1 h i sa l g o r i t h m e f f e c t i v e l yr e d u c e st h ec o m p l e x i t yo f t d o a p o s i t i o ns y s t e m b a s e do nt h i sa l g o r i t h m , t h i sp a p e rd e s i g n saw i r e l e s sp o s i t i o n i n gs y s t e mt h a tc a l lb eu s e d w i l l ya tm o v i n go b j e c t st h a tr u no nr o a d so rs a i li nr i v e r s t h i sp a p e ra l s or e a l i z e ss o m ek e y t e c i m o l o g i e so f t h i sw i r e l e s sp o s i t i o n i n gm e t h o d ，s u c ha sp i c k i n gu p t d o a p a r a m e t e r se s t i m a t i o n b yl o wp e r f o r m a n c ef p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) d e v i c e ，a n df a b r i c a t e sap r o t o t y p e w i r e l e s sl o c a t i o np o s i t i o n i n gs y s t e ma tl a s t l o t so f t e s t i n gr e s u l t sp r o v et h a tt h ep r o t o t y p ew i r e l e s sp o s i t i o n i n gs y s t e mc a nw o r kc o r r e c t l y a n de f f i c i e n t l y i na d d i t i o n , i tr e d u c e st h ea m o u n to f t h eb a s es t a t i o n s ，s i m p l i f i e st h es y s t e m s t r u c t u r ea n dh a sav e r yr a p i dr e s p o n s et i m e k e y w o r d ：t d o a , w i r e l e s sp o s i t i o n i n g ，f l o g a l o c a t i o nc a l c u l a t i o n , c r o s s c o r r e l a t i o n 浙江大学硕士学位论文 1 1 无线定位概况 第一章绪论 无线通信起源于1 8 9 7 年马可尼( g u g 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。到上个世纪七十年代，由于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，无线定位在最近几年成为无线通信的热点之一。无线定位就是存有效的无 线电覆盖范围内的给移动用户提供自身位置的实时信息 1 。无线定位技术最初是为了满足 远程航海的导航等要求而产生的。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。1 9 9 6 年6 月，美国f c c 采 纳了一份报告并通过了一项法令来强制推行9 1 1 无线服务( e 9 1 1 ) 。该法令要求蜂窝、宽带 p c s 和区域性中小无线运营商将主叫电话号码转发到p s a p ，自动将9 1 1 呼叫路由到合适的 p s a p ，并提供始发移动台( m s ) 的位置。对于基于手机的解决方案，f c c 要求无线运营商 可以将6 7 的紧急呼叫定位在5 0 米范围之内，9 5 的紧急呼叫定位在1 5 0 米范围之内。该法 规推动了美国全球定位服务的应用，同时也加快是各种无线定位技术的研究。 无线移动定位使系列激动人心的无线应用成为可能，其影响十分广泛，将深入到日常 生活的每个部分，例如娱乐、基于位置的广告、导航、资产管理和地理信息访问等。充分利 用定位信息还可以直接影响人们在途中及时作出决定，例如如何避免交通堵塞、意外事件或 坏天气，以及选择中途目的地或使用当地资源，包括加油站、食品店、旅馆和出租车等。可 能的定位应用包括以下类型： 位置敏感型计费：对于在家或办公室的主叫用户，无线运营商可以通过移动电话 提供有价格竞争力的服务，从而与固话运营商竞争，给移动运营商带来巨额利润。 _基于位置的信息服务：提供包括驾驶指南和有关天气、交通、餐厅、停车场、旅馆、 商场和加油站等本地信息。 _紧急响应：紧急请求被自动路由到正确的p s a p ，并附带着精确和及时的位置信息 这样就能尽量短的时间内获得紧急援助。这种业务对汽车野外援助十分有用。 -网络规划和管理：无线网络运营的统计数据可以用于规划网络扩展、运行和部署 或者用于动态调节网络参数。 一 欺诈管理：定位信息可用来检测和消除不法分子的欺诈行为。 一 车辆和资源管理：资源跟踪优化了资源分配并降低了反馈时间。 _ 个人定位服务：雇主、父母、朋友和亲人可以使用定位服务快速找到目标。 1 2 无线定位系统 普遍认为，无线定位可分为基于卫星的定位系统、基于专用无线局域网络的定位系统、 基于特定网络的专用定位系统和基于公共无线通信系统的四种定位系统【2 】。 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 浙江大学硕士学位沦文 卫星定位系统还有俄罗斯的6 l o n a s s 欧洲的eu | e l 】r a c s 定位系统。c p s 定位技术在定位原理 l 就是利用检测三个卫星和定位终端之问无线信号的精确传输时问米计算m 卫星和定位终 端的三个不同距离，可以组成三个方程式，解出定位终端的位置。由于卫星本身的运动速度 很快，这样会给信号时问检测带来各种各样的检测误差，由此带来定位终端的位置、速度和 时问检测误差。所以在实际使用时利用第四颗卫星提供一个四维的计算公式，其中时问误差 作为第四维。日前有很多方法来提高定位精度，普遍采用差分g p s ( d g p s ) 技术，建立基准 站( 差分台) 进行g p s 观测，利用己知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一组 修正数，并对外发布。 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 3 ，如医院的某些特 殊病人的跟踪，或者是在展览馆内便携式语音装置为参观者提供合适的解说词。我们按照无 线局域网类型的不同有多种定位技术可以使用，有使用检测信号的传输功率损耗，也有通过 划分小区覆盖的方法来定位的系统。无线局域网的定位主要用于小范围特定区域的移动定位 需要。 基于特定网络的专用定位系统在车辆的定位导航系统中虽先应用，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。现在很多高速公路用各种无线定位技术来代替检测 器，有效的提高定位的精度和速度 4 。 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，主要是阏为公共无线 通信系统的广泛应用，在其基础上实现无线定位可以提供最大范围的网络覆盖。c d m a 、g s m 为代表的第二二代( 2 g ) 系统是目前国内外覆盖面积最广、规模容量最大的数字移动通信系统。 无论是g s m 系统还是c d i d a 系统，以及正在发展中的3 g 系统，均由一个网状基站群及一个网络 系统构成。网状基站群的存在，使得2 g 、3 g 系统可以提供一些基于基站定位的商用无线定位 增值服务。由于2 g 系统已经发展得相当成熟，基于现有网络提供的定位服务具有覆盖范围广、 使用价格低、终端设备成熟、系统支持丰富等突出的优点 5 。然而，其缺点也是明显的： 其所能提供的定位服务精度较低、定位时间很长、容量亦有限。无法满足一些特定的定位需 求，如需要快速响应的公路行驶车辆的实时定位等。 1 3 常用无线定位技术的对比 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置。不管各种系统具体如何实现，定位技术都可以认为是对传输信号 的信号特征估计。根据信号特征估计不同，可以信号强度( s o s ，s t r e n g t ho fs i g n a l ) ，信号到 达角度( a o a ，a n g l eo fa r r i v e ) ，信号传输时间( t o a , t i m eo fa r r i v a l ) 和信号传输时问差 ( 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 ) 四种。 1 3 1 信号强度( s o s ，s t r e n g t ho fs i g n a l ) 这种方法是通过测出接收信号的场强值和己知的信道衰落模型及发射信号的场强值估 算出收发信机之间的距离，根据多个距离值即能估计出目标移动台的位置 6 。s o s 方法假 定已知无线信号传输的信道模型如常用旬k u r a 模型、h a t s 模型，也可以实际测定信道 参数。当基站的发射信号功率固定时，移动台检测信号功率就能计算信号传输距离，每个接 收功率确定了目标位于一条距离等高线上，根据最少三个基站检测的数据就可以通过计算曲 2 浙江人学硕：l 学位论文 线交点估计目标位置。 由于无线信道复杂，各种信道模型只能是实际情况的统计近似，信道特性受到环境影响 显著，等功率图要求预先测绘，而且需要不断更新数据。同时受到基站的覆盖特性、天线倾 斜角度问题、无线系统的不断调整以及地形、车辆、甚至气候情况等因素都会对信号功率产 生定的影响，故这种方法的精度较低。虽然有些算法可以平滑信号小尺度衰减的影响，但 是基于s o s 的定位技术系统定位性能差，在实际使用中应用范围有限。 1 3 2 信号到达角度( a o a ，a n g l eo f a r r i v a l ) 该方法是在接收机通过天线阵列测出电波的入射角，从而构成一根从接收机到发射机的 径向连线，即测位线，待定位移动台的二维位置坐标可由两根测位线的交点获得。这种方法 不会产生二义性，因为两条直线只能相交于一点。它需要在基站上放置4 - 1 2 组的天线阵， 这些天线阵一起工作，从而确定移动台发送信号相对于基站的角度。当有多个基站都发现了 该信号源时，那么它们分别从基站引出射线，这些射线的交点就是移动台的位置。如图1 】 所示，基站a ( x 1 ，y 1 ) ，b ( x 2 ，y 2 ) ，c “1 ，如) 通过检测移动站p ( 砩，蝴发射的信号的入射角度，阻 及基站之间的相互位置，可以确定出移动站p 到基站a ，b ，c 之间的夹角由l ，由2 。 由于a o a 特征检测需要方向天线或天线阵列，对于目前的无线定位系统，使用a o a 实现代价高较高。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。a o a 的致命缺点是到达角的估计会 受到由多径和其它环境因素所引起的无线信号波阵面扭曲的影响，移动台距离基站较远时， 定位基站的测量角度的微小偏差会导致定位距离的较大误差。 图1 1a o a 定位方法 1 3 3 信号传输时间( t o a ，t i m eo f a r r i v a l ) 图1 2t o a 定位原理 t o a 方法是通过检测电波从发射机传播到多个接收机的传播时间来确定目标移动台的位 置。对于t o a 方法，一次测量把移动台约束在围绕基站的轨迹圆上，圆的半径由可通过测出 的电波传播时间确定。由于通常两个圆交点为两个，因此一般必须通过三个基站来确定目标 位置。如图1 2 所示，移动站m s ( x ，y ) 离三个基站b s n ，b s n ，b s c 的距离是d 。d o “，d 在已知基站b s n ，b s 。，b s c 的位置信息下，可以列出三个方程，唯一确定移动站m s ( x ，y ) 的位置。t o a 要求接收信号的基站、移动台知道信号的开始传输时刻，并要求基站有非常精 3 浙旺大学项士学位 色文 线交点估计目标位置。 由于无线信道复杂，各种信道模型只能是实际情况的统亡【近似，信道特性受到环境影啊 显蔷，等功率图要求预先测绘，而且需要不断更新数据。同时受到笨站的覆盖特性、尺线倾 斜角度问题、无线系统的不断调整以及地形、车辆、甚至气候特况等因素都会对信号功率产 牛一定的影响，故这种方法的精度较低。虽然有些算法可毗平滑信号小尺度衰减的影响，但 是基十s o s 的定位技术系统定位性能差，在实际使用中出用范围有限。 1 3 ，2 信号到达角度( a o a ，a n g l eo f a r r i v a l ) 该方法是存接收机通过天线阵列测出电波的入射角，从而构成一根从接收机到发射机的 径向连线，即测位线，待定位移动台的二维位置坐标可由两根测位线的交点获得。这种方法 不会产生二义性，因为两条直线只能相交于一点。它需要在基站上放置4 - 1 2 组的天线昨， 这些天线阵一起工作，从而确定移动台发送信号相对于罐站的角度。当有多个幕站都发现了 该信号源时，那么它们分别从基站引出射线，这些射线的交点就是移动台的位置。如髑1 】 所小，基站a 机，yl ) ，b 靶，y 2 ) ，c o ，y j ) 通过检测移动站p ( 砩，) p ) 发劓的信号的入射角度，以 厦基站之间仟勺丰r 互位置可以确定出移动站p 到基站a b ，c 2 问的兜角中1 ，小2 。 由于a o a 特征检测需要方向火线或天线阵列，对于目前的无线定位系统，使用a o a 实现代价高较高。而且，高精度的a o a 柃测需要犬线组有很高的检测精度，失线需要周期 性地校正，然向，对十基站天线的周期性校对成本高。a o a 的致命缺点是到达角的估计会 受到由多径和其它环境因素所引起的无线信号波阵面扭曲的影响，移动台距离毖站较远时， 定位基站的测量角度的微小偏差会导致定位距离的较大误差。 图1 1a o 腚位方法 1 3 3 信号传输时问( t o a ，t i m eo f a r r i v a l ) 罔1 2t o a 定位原理 t o a 方法是通过检测电波从发射机传播到多个接收机的传播时问来确定只标移动台的位 置。对于t o a 方法，一次测量把移动台约束在围绕基站的轨迹圆上，圆的半径出可通过测出 的电波传播时间确定。由于通常两个圆交点为两个。因此一般必须通过三个基站来确定目标 位置。如图l _ 2 所示，移动站m s ( x ，y ) 离三个基站b s 一，b s d ，b s c 的距离是d 。，d m ，d 在已知基站b s ，b s e ，b s c 的位置信息下，可以列出三个方程，唯一确定移动站 d s ( x ，y ) 的位置。i 呲耍求接收信号的基站、移动台知道信号的开始传输时刻，并要求基站有非常精 的位置。t o a 要求接收信号的基站、移动台知道信号的开始传输时刻，并要求基站有非常精 浙江人学硕：l 学位论文 线交点估计目标位置。 由于无线信道复杂，各种信道模型只能是实际情况的统计近似，信道特性受到环境影响 显著，等功率图要求预先测绘，而且需要不断更新数据。同时受到基站的覆盖特性、天线倾 斜角度问题、无线系统的不断调整以及地形、车辆、甚至气候情况等因素都会对信号功率产 生定的影响，故这种方法的精度较低。虽然有些算法可以平滑信号小尺度衰减的影响，但 是基于s o s 的定位技术系统定位性能差，在实际使用中应用范围有限。 1 3 2 信号到达角度( a o a ，a n g l eo f a r r i v a l ) 该方法是在接收机通过天线阵列测出电波的入射角，从而构成一根从接收机到发射机的 径向连线，即测位线，待定位移动台的二维位置坐标可由两根测位线的交点获得。这种方法 不会产生二义性，因为两条直线只能相交于一点。它需要在基站上放置4 - 1 2 组的天线阵， 这些天线阵一起工作，从而确定移动台发送信号相对于基站的角度。当有多个基站都发现了 该信号源时，那么它们分别从基站引出射线，这些射线的交点就是移动台的位置。如图1 】 所示，基站a ( x 1 ，y 1 ) ，b ( x 2 ，y 2 ) ，c “1 ，如) 通过检测移动站p ( 砩，蝴发射的信号的入射角度，阻 及基站之间的相互位置，可以确定出移动站p 到基站a ，b ，c 之间的夹角由l ，由2 。 由于a o a 特征检测需要方向天线或天线阵列，对于目前的无线定位系统，使用a o a 实现代价高较高。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。a o a 的致命缺点是到达角的估计会 受到由多径和其它环境因素所引起的无线信号波阵面扭曲的影响，移动台距离基站较远时， 定位基站的测量角度的微小偏差会导致定位距离的较大误差。 图1 1a o a 定位方法 1 3 3 信号传输时间( t o a ，t i m eo f a r r i v a l ) 图1 2t o a 定位原理 t o a 方法是通过检测电波从发射机传播到多个接收机的传播时间来确定目标移动台的位 置。对于t o a 方法，一次测量把移动台约束在围绕基站的轨迹圆上，圆的半径由可通过测出 的电波传播时间确定。由于通常两个圆交点为两个，因此一般必须通过三个基站来确定目标 位置。如图1 2 所示，移动站m s ( x ，y ) 离三个基站b s n ，b s n ，b s c 的距离是d 。d o “，d 在已知基站b s n ，b s 。，b s c 的位置信息下，可以列出三个方程，唯一确定移动站m s ( x ，y ) 的位置。t o a 要求接收信号的基站、移动台知道信号的开始传输时刻，并要求基站有非常精 3 浙江大学硕士学位论文 确的时钟或系统各个基站之问严格的同步。 t o a 定位技术有着j 、泛的应用，g p s 卫星定位系统就是主要使t h j 这种定位技术，在 c d m a 蜂窝网络定位系统中也有使用这种定位技术的应用【7 。但是t o a 定位技术也存在 一些的不足之处。t o a 方法利用的是信号传输的精确时问，1us 时间检测偏差将带来移动 站定位位置偏移3 0 0 米，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，唰时也使定位基站和移动站的刁i 但技术复杂而且价格昂贵。 1 3 4 信号传输时间差( 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 ) t d o a 是目前定位技术中应用最广泛的一种，也是无线定位领域研究的热点之一。其基 本原理是通过计算不同的定位基站接收到的同一移动终端所发射的无线信号的t d o a 来实现 移动终端的定位。具体地，移动终端发射的电磁波经过不同的路径到达定位基站，由于电磁 波到达两个定位基站时，其传播时问差为某一固定值时所对应的移动终端的运动轨迹为双曲 线，那么由三个( 或更多) 定位基站即可以获得两条不同的双曲线，通过计算上述双曲线的 交点即可确定移动终端的位置。如图1 3 ，将定移动站m s 到基站b s l ，b s 2 ，b s 3 的距离分 别是r 1 ，r 2 ，r 3 ，则移动站m s 信号到达基站b s l 和基站b s 2 的时间差为固定值的运动轨 迹为双曲线r 1 r 2 ，信号到达基站b s l 和基站b s 3 的时间差为固定值的运动轨迹为双曲线 r i r 3 ，那么理论r 即可以通过计算两条双曲线的交点来确定移动台m s 的位置。 图1 3t d o a 双曲线定位方法 在多基站t d o a 定位中，如假定移动台m s 在x y 二维平面中的位置为吒y ) ，基站b s i 的位置为“，y i ) ，则m s 到b s i 的距离n 满足方程 j = ( t - x ) 2 + ( 咒- y ) 2 = 墨一2 而石一2 y j y + x 2 + y 2 , i = 1 , 2 ， ( 1 1 ) 对式( 1 1 ) 所示的双曲线族进行求解，已有很多研究，也有很多的优化算法以及抗多径效 应以及非视距传播( n l o s ) 算法也是研究的热点问题。在以后章节将介绍具体算法内容。 t d o a 之所以成为无线定位技术中广泛应用是由于它不要求移动台和基站之间的同步， 不需要信号接收器和发射器都有精确时钟使的t d o a 定位技术成本低廉。在性能方面，即 使在误差环境下性能相对优越，在各种系统的定位中都倍受关注。 4 浙江大学硕士学位论文 1 4 本文主要工作及章节安排 本文主要工作是介绍了一种在一维情况下用t d o a 方法实现快速准确的定位系统。文 章的主要内容是首先论述信号时间到达差t d o a 无线定位的原理和常用算法以及利用远程 相位同步进行距离测量和定位的系统，在此基础上结合一些特定场合的应用详细推导出了存 罐情况下的t d o a 算法的优化并以详细介绍了利用这种算法的一种基于f p g a 的无线定 位系统实现。 本沦文共分六章，各章节安排如下： 第一章，介绍了无线定位系统的概况和分类，研究了各种无线定位技术的优缺点，同时 明确了本文的研究重点。 第二章，讨论了远程相位同步系统的结构，并进一步讨论在此基础上的无线测距系统的 结构。 第三章，详细介绍了目前t d o a 定位方法中各种不同的信号时间差提取方法和各种定位 算法的研究成果以及它们的研究热点。 第四章，着重研究在固定路线下t d o a 对定位算法的改进，并乩整体上规划了维t d o a 无线定位系统的框架和系统的结构。 第五章，详细的介绍了一维t d o a 无线定位系统原型的硬件和软件的实现。 第六章，在对一维t d o a 无线定位系统原型进行了详细的测试基础上给出了测试的结果 以致对于测试结果的分析。 5 浙江大学硕士学位论文 第二章远程相位同步及测距系统的研究 无线测距有多种实现方法。在雷达系统中经常使用脉冲信号定位，微波测距仪则常使用 调制的频率连续波来实现。但是，如果想得到高精度的测距方法，我们必须使用载波的相位 检测而不是用调制信号的相位检测。 在大型可调整反射望远镜的需要精确的距离测量，脉冲信号和频率连续波调制方法都没 有办法实现。文献 8 】提出了一种基于闭环相位同步方法( r o u n d 一廿i pp h a s es y n c h r o n i z a t i o n m e t h o d ) 之上测距系统。它使用2 2 g h z 的发射信号时候，精确度可以达到7 0 1 1 ，最远的距离 可以达到1 k m 以上。 实际上，对于远程的载波相位同步除了测距之外还有许多应用。比如，小卫星编队b 行 中给个卫星之间的信号同步，如果使用这种系统可以有效的减少重量。在双站孔径雷达中 提高- 个站之间的载波同步可以提高精度。 但是，这个测距和相位同步系统需要使用到多个频段虽然每个频段使用频带都很窄， 也会干扰到别的系统。同时，系统需要多组天线，给系统增加了不少的复杂性和提高了系统 实现的难度。系统的稳定性不高，易受到到大气的影响。 2 1 远程相位同步原理 远程相位同步系统是整个系统的基础，它由主站和从站组成，它是一个完全闭合的系统。 信号从主站发出，从站接收下来后，经过混频，再把信号发送给主站，主站再根据从站发送 的信号和原来的信号进行混频处理，形成一个闭环，最后可以使从站的信号输出相位和主站 的实现相位e 的同步。 图2 1 远程相位同步系统框图 q 我们标记e = 璁，五表示信号的频率，热表示信号的相位。厶是五下距离j 的相 位距离，定义如下： 6 浙江大学硕士学位论文 t ：型 “，一一 i z 1 ， v p 上式中，表示波的传播速度。 图2 1 是远程相位同步系统的框图。假设输入信号矗的相位为0 ，而和工订进入一个下边 带的混频器。信号可的相位町以变化，假设其为a 。下边带混频器的输出信号频率为五= 五 一南- ，相位一a 。主站把下边带混频器的输出信号和参考频率信号_ j ：同时发送给从站，假 设主站和从站之间距离为l ，则从站接收到信号五么( - - a 一乙) 和岛么( 一厶盯) 。根据式( 2 1 ) 。 可得： t ：型：型生型：厶一k v pv p 。 在从站上，对接收到得五和工才进行上边带混频又可以得到频率为而的信号，可得 一a = 一a 一( k l ，盯) 一玎= 一a k f 2 2 1 ( 2 3 1 从站再把上边带混频后得信号发送回主站，构成闭合回路。主站把接收到得而频率信号 和发送的矗信号进行混频，又可以得到频率点在参考频率的信号厶，么( - - 2l o ) 。然后把信 号工盯z ( - - 2k ) 分额得到工啦么( 一l o ) 的信号。由于和而么o 进行下边带混频的信号工订 z a 是通过f 唧么( 一l o ) 和本地的另外一个信号混频得到，另外一个信号必然为f m z q 。 实际上，在前面提到了是a 随意将定的且任何值都是可以接受的，我们可以认为是系 统主站上的其中一个输入信号 辨l q 决定了a 的值。所以，我们可以得出结论，从站的输 出f o z - - q 由主站的其中一个输入信号决定，与主站和从站的距离f 无关。 整个系统中的同步信号是闭环的，如果没有一定的低通滤波器或者是锁相环路，那必须 有合适的初值系统才能正常工作，而且系统会随着噪声不断的累积，输出信号的性能会受极 大的影响。 为了解决这个问题，整个系统中的分频器用分频锁相环来实现。通过改变分频锁相环的 特性就能改变系统的锁定时间和稳定性等问题。分频锁相器的结构如下图所示。它和通常的 锁相环不同的地方就是它的反馈信号是经过一个倍频器在进入鉴相器。 图2 2 分频锁相器 我们用m a t l a b s i m u l i n k 对系统的进行了功能上的验证和仿真。首先我们简化了仿真的 模型。远程相位同步系统是根据其相位进行工作，和信号的频率点没有直接的关系，我们在 仿真的系统中，就认为频率信息都是已知的，只做相位上的系统仿真。图2 3 是系统的在 7 浙江大学硕士学位论文 m a t l a b s i m u l i r ，k 上的模型图。 图2 3 相位同步系统仿真模型图 在系统中的上下行的信道模型也是经过一定简化。由于系统仿真只有相位没有频率和幅 度，我们在信道模型中加入了时间的延时。相位的变化以及带限的白噪声，其模型圈如图 2 4 所示。 图2 4 信道的模型图 我们仿真了直接分频和用锁相环分频二种情况。首先介绍下分频锁相器的参数的选择 和锁相器的模型图。对于锁相环中的低通滤波器的传输参数： p ( s ) ：瓦羔笔坐而2 1 0 、7 7 。s + 8 3 3 x 1 0 1 锁相环的压控振荡器( v c o ) 的传输参数： 8 浙江大学硕士学位论文 y ( s ) = 半竽 ( 2 5 ) e a 图2 5 分频锁相环的模块图 m a t l a b s i m u l i n k 的仿真结果如下图表示，结果说明锁相环的作用在整个系统的稳定性上 是关键的因素。同时，锁相环的锁相时间长度也直接和相位同步系统的最长工作距离相关。 如果信号相位同步的主站和从站之间传播的时间超过锁相环锁定的时间，这个锁相环对于整 个系统的稳定性是毫无贡献，整个远程锁相系统的工作就不能正常运行。所以，我们需要根 据实际的测量范围选择合适的锁相器环路低通滤波器和压控振荡器。 图2 6 直接分频下的仿真结果 图2 7 使用分频锁相器后系统仿真结果 9 浙江大学硕士学位论文 2 2 测距系统和c r t 算法 2 2 1 c r t 算法 中国余数定理( c r lc h i n e s er e m a i n d e r t h e o r e m ) 有着广泛的应用，如计算机密码学。在 无线测距中，中国余数定理也有广泛的应用 9 。 中国余数定理( c r t ) a r 是一个数论上的基本定理，它最早由公元1 0 0 年左右的孙子算 经提出。中国余数定理在数论上的定义本文就不表述，这里只给出它的通俗的描述。设 m l ，m 2 m k ，是两两互素的正整数，则同余方程组x 5 抚( r o o d m j 扭1 ，2 ，模m j ， m 2 r n i 有唯一解，m = ”j “2 m t 。 对于任意给定的长度l ，它被n 个互质数列7 1 ， ”2 r t l 3 ，m 。相除得到的余数分别是 a 1 a 2 , a 3 ，a n 。m 定义为m = 啊m 2 打b m n ，可以得到一组数 ( m m 。) 包= l ( m o d m 。) 则： e = ( m l m , ) b i 那么根据中国余数定理，可以得到： l = ( 弘) 删m ， f 2 6 1 f 2 7 1 ( 28 1 在无线测距中，一般我们把系统能够分辨的最小的相位看作成计量单位。由于不同的频 率经过同样长度的距离，相位的延迟不同，所以接收的信号的相位就不一样，测距系统根据 这个相位除以最小的分辨相位，折算成一个整数作长度除以频率的余数来使用。需要注意的 是频率值也需要经过最小分辨相位相除才能使用。那么就可以利用式( 2 8 ) 确定距离，虽然式 ( 2 8 ) 给出的不是唯一确定解，但是我们可以根据实际情况和选取合适频率来确定可能的值。 应当说明的是，求出来的解其单位也是系统相位最小分辨率作为计量单位，虽后需要折算成 标准计量单位。 从上面的分析，可以得出使用c r t 算法定位，至少需要三个不同互质，但是有多于三 个互质的数组并不能给出确定的值。 2 2 2 测距系统 在2 2 1 节分析可以得出，测距需要三个不同的频率，对于远程相位同步系统还不能满 足要求，我们需要另外的频率对相位同步系统原有的信号进行调制。 本测距系统的测距频率为三个下行频率，分别是记做日、b 、乃，则： 墨= 工么萌= c r = 工一f o l ( a - 2 ( l 。一k ) 一魏。) ( 2 9 ) 1 0 浙江大学硕士学位论文 = 厶么瘦= c 一2 f o = 正- 2 f o z ( 2 a 一2 ( l 一2 厶) 一2 ) e = ，j 么他= + 昂= + 厶z ( 一a 一2 ( l p + l o ) + a 口 l 。) 上三式中，a 曲是额外的相位误差。对于参考频率： f 崎= t g 串畸= 。一2 l q ( 2 1 0 ) r 2 1 1 1 f 2 1 2 ) 图2 。8 测距系统框图 对于测距信号的相位中不能有和距离有关的相位，所以需要根据接收到的原始信号进行 频率的合成去掉那些和距离无关的相位。对于临时项疵。在频率合成时候可以忽略不计n 观察式( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 ，1 1 ) ，可以得到： 办= 晚+ 2 缟+ 唬= - 2 厶 ( 2 1 3 ) b = 。+ 如 ，c = 2 正一，2 则r 、如、r ，的相位为： 办= 建+ 2 缟+ 纯= - 2 厶 九= 钨+ 缟= - 2 岛 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) r 2 1 6 ) r 2 1 7 ) 丸= 2 旃一2 妒2 = 一2 k ( 2 1 8 ) 对于测距算法模块基本过程如下： 1 测量信号n 、r 、毋，以及啊的相位西j 、奶、九以及庐可； 2 计算相位记做r 、几、r ，阻及相位九、毋n 毋c ； 3 根据系统腑精度，把r 、品、r 。以及相位九、毋c 的值转化为系统精度 浙江大学硕士学位论文 为单位长：度下的值； 4 根据c r t 算法，计算出的l 的值； 5 在把l 有系统精度为单位转化成长度的计量单位，并根据实际情况选取合适的值 2 3 系统的误差 在文献 8 中提到，大型可调整反射望远镜( l a r ) 的测距精度需要6 2i j m ，对于3 9 g h z 信号其相位的为2 9 。才能达到。那么我们认为系统的精度r 为6 2 u m ，选择m a ，m b ，m c 分 别为4 1 ，6 1 和1 1 7 ，其测距系统的各个频率如表2 1 所示。 表2 1 测距系统各个频率值 对于测距系统的系统框图如下图所示，他的上下行的信道以及锁相环的低通滤波器参数 和结构和2 1 节介绍的完全一样。 图2 9 测距系统的模型图 输出信号 s n r 7 0 d b6 0 d b 5 3 d b 5 0 d b4 0 d b 测距准确度 9 7 + 1 9 0 7 7 9 2 7 0 6 2 8 2 ( 7 0 u m 范围内) l o 相位稳定度 0 10 _ 3 0 7 1 o3 2 ( 度) 表2 2 测距系统的仿真值 1 2 浙江大学硕十学位论文 通过对测距系统的分析和仿真，测距系统的误差主要来源于下三个方威： 1 ) 信道的噪声 信道的噪声对于定位精度的影响在表2 - 2 中已经展现出来，当信道的s n r 低于4 0 d b 的时候几乎不能正常工作。测距系统所用到的频率都是在4 0 g h z 左右，天气的变化会 极人的干扰系统的正常。 2 ) 频率的偏移 测距系统要达到7 0 k tm 的测量精度，对于系统提供的频率准确度必须在1 0 e 7 。但 是对于当前的技术，这个要求并不困难。如果考虑到系统的成本，月5 将会有是一个潜在 的问题。 3 ) 相位测量误差 在测量信号乃、f 2 、f 3 ，以及f 膏的相位错误引起的误差也是系统误差的主要来源 之一。但是，这类误差是不会随着测量距离的变化而变化，通常可以通过低通滤波器的 方法把这类误差减小。 本章小节 本章主要详细介绍了首先一种基于闭环远程相位同步方法，并对其性能和稳定性作了一 定的仿真工作。然后介绍了基于远程相位同步的高精度测距方法。研究了实现测距的c r t 算法，并且对测距系统的误差做了一定的分析和讨论。由于远程相位同步系统对于噪声和信 道的要求比较好，并不台适作为广泛应用的定位方法。 1 3 浙江大学硕士学位论文 第三章t d o a 算法研究及应用 3 1t d o a 定位技术的概况 t d o a 定位系统的主要有移动站，接收基站和信号处理部分构成。移动站主要功能是发 射用于定位信号，相当是个辐射源。接收基站是接收定位信号，接收基站可以根据定位系 统的覆盖范同和定位精度来合理的配置。信号处理部分是在某些基站中对接收到的信号进行 处理得出移动站的位置信息。 图3 1 三站t d o a 定位系统及t d o a 定位步骤 t d o a 定位可以分成三个步，首先是信号测量，然后对测量到的信号进行时差估计，最 后是利用估计的参数进行位置估计。信号测量是指把两个接收机在不同的位置同步接收同一 辐射源辐射的信号。时差估计一般也叫做参数估计，是估计两个接收信号的到达时间差，也 就是t d o a 。位置计算则是利用二个或者多个位置获得的t d o a 估计，构成双曲面( 线) 方程组， 计算辐射源的位置。 有很多资料和文献研究和报告t d o a 应用于公共通信网络系统如c d i a 、g s m 以及正开始部 署中的3 g 网络中 1 0 ，1 1 。t d o a 研究另一个重点在参数估计和位置估计中的算法改进。参数 估计从开始的互相关函数最大似然估计至q 自适应函估计以及到周期谱相关不断发展。虽近几 年，又出现了用高阶累计量进行参数估计。在位置估计算法方面，目前研究的重点是对抗多 径效应和非视距传播( n l o s ，n o n l i n eo f s i g h t ) 所引起的定位误差。根据资料检索和调研， 把目前的t d o a 定位技术的研究成果和研究热点分类整体，它们之问的分类关系可以用图3 2 表示。 1 4 浙江人学硕士学位论文 图3 2t d o a 定位方法分类示意图 3 2t d o a 信号到达时差提取方法 t d o a 定位有两种常用时差估计方式，一种是直接检测两个精确的t o a 值生成t d o a ，再 利用双曲线方法定位，这样做主要可以减少t o a 检测时的系统误差。这种方法实质上还是 t o a 的思想，只是利用时间差作为辅助手段，减小误差。第二种t d o a 检测直接对接收到两 个信号进行信号处理，计算信号之间的时间差。过去常用的t d o a 检测算法是直接或间接利 用信号互相关函数检测方法，现在主要有两类主要的算法：传统的互相关、互功率谱算法和 基于高阶累积量算法。 互相关运算是最常用提取时差信息的方法，但是这种算法对于噪声十分敏感，其抗干扰 能力差，目前也有研究通过平稳信号的周期谱相关来试图解决这个问题。高阶累积量算法分 析也是最近几年国内外研究的前沿课题，高阶统计量能够提供比功率谱的有用信息更多，能 够有效检测信号幅度之外的其他信息。高阶累计量也有一些缺点，如运算量很大，同时目前 研究成果的性能稳定性也有不足在实现工程应用有一定的难度。 在下面的各个小节中具体介绍t i ) o a 定位目前主要的到达时差提取的算法。 3 2 。1 最大似然估计法 虽大似然估计算法又可进一步分为渐近最大似然估计( a s y m p t o t i