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无线电定位的基本知识 2012年3月30日 2020 1 7 1 定位是指确定目标在某一参考坐标系中的位置 目前 常采用的定位方法有3种 即推算定位 DeadReckoning DR 接近式定位 Proximity 和无线电定位 RadioLocation 推算定位是基于一个相对参考点或起始点 借助地图匹配等技术确定确定移动目标位置 适用于对运动目标的连续定位 接近式定位又称信标定位 它是通过最近的固定参考检测点来确定运动目标位置 无线电定位是利用接收机的无线电信号的电参量获取定位参量 并采用适当的定位算法计算出目标的位置 2020 1 7 2 无线电定位可分为 陆基无线电定位 星基无线电定位 1 星基无线电定位是利用GPS GLONASS等卫星系统的多个卫星发射的信号实现目标的三维定位 2 陆基无线电定位则是利用安装在地面的无线电信标或接受设备 通过测量无线电信号的传播时间 时间差 信号场强 相位 或入射角等参数来实现目标的定位 2020 1 7 3 根据用途不同 陆基无线电定位可分为 陆基无线电导航定位 蜂窝网无线电定位 无线电导航定位是通过无线电信号参量所测得到的几何 物理参量来确定用户的方位 距离 位置 姿态等 其中方位 距离 姿态等导航参量可以较直接地由无线电参量测量得到 而用户的位置参量则需要较复杂的导航解算 主要有两种方法 通过测量的几何参量和几何位置之间的数学关心进行定位 通常称为位置线法 通过测量的物理参量 如速度 加速度等 与几何位置之间的运动学关系确定位置 称为推航定位法 2020 1 7 4 在蜂窝网络中对移动台的定位有两类 基于移动台的定位和基于网络的定位前者是由移动台根据接收到多个发射台的信号特征信息确定其与各发射台之间的几何位置关系 在对其自身位置进行定位估计 GPS系统 罗兰系统属于这一类 后者则由多个基站接收机同时检测移动台发射的信号 根据信号的特征信息由蜂窝网络对移动台进行定位估计 2020 1 7 5 一无线电定位通常需要两步 第一步根据不同的定位类型 估计相应的定位参数 第二步根据估计出的定位参数 采用相应定位算法估计目标的位置 二根据采用的定位参量 或位置线 不同 又可分为 1 测距定位 圆位置线定位 2 测距差定位 双曲线位置线定位 3 测距和定位 椭圆位置线定位 4 测角定位 直线位置线定位 5 混合定位 混合位置线定位 2020 1 7 6 无线电定位 无线电定位的过程就是通过无线电波的发射与接收 测量目标的方向 距离 距离差 高度等定位参量 实现位置坐标求解的过程 常用无线电定位系统的结构图如下 2020 1 7 7 发射台辐射无线电信号 接收机接收处理 位置1 位置2 位置n 目标位置 电波传播 电参量 A W T 电位参量 R R H 位置已知发射台 位置已知发射台 位置已知发射台 2020 1 7 8 首先 由一个或多个地理位置精确的已知的发射台发射无线电信号 这个无线电信号的电参量 如振幅A 频率w 相位 时间t 中的一个或多个携带着定位参数信息 经过电波传播到达接收机 其次 接收机接收和处理该无线电信号 并根据电波传播特性 有电参量得到定位参量 如来波方向 距离R 距离差 R 高度H 2020 1 7 9 再次 根据得到的定位参量及位置已知的发射台 获得多条相对于个发射台的位置线 或位置面 最后 有多条位置线 或位置面 采用相应的定位算法 得到对目标位置的估计 2020 1 7 10 采用无线电信号定位的依据无线电波具有以下传播特性 1 无线电波在理想均匀媒质中 按直线 或最短路径 传播 2 无线电波经电离层反射后 入射波和反射波在同一铅垂面 3 无线电波在传播路径中 若遇不连续煤质时产生反射 4 在理想均匀媒质中 无线电波传播速度为常数 2020 1 7 11 根据 1 2 两个特性 可以测定无线电波的传播方向 从而确定目标相对发射台的方向 根据 1 4 两个特性 可以测定无线电波在发射台和目标之间的传播时间 从而确定目标到发射台的斜距 如测定电波由两个发射台到目标的时间差 则可确定目标到这两个发射台的距离差 特性 3 是雷达定位的基础 正是这个特性才能通过无线电波发现并确定目标相对于雷达站的位置 2020 1 7 12 2020 1 7 13 基于超声波定位超声波定位系统可用于一定范围的无接触定位 定位精度可达1cm 由于超声波的传播受环境影响较大 故不推荐在室外使用 在实际应用中根据环境和具体要求其应用电路可作适当改进 超声波定位的原理与无线电定位系统相仿 只是由于超声波在空气中的衰减较大 只适用于较小的范围 超声波在空气中的传播距离一般只有几十米 短距离的超声波测距系统已经在实际中应用 测距精度为厘米级 超声波定位系统可用于无人车间等场所中的移动物体定位 2020 1 7 14 超声波定位系统在具体实现上与无线电定位有所不同 不同发射点的无线电信号可以用不同的频率来区分 而超声波系统难以做到 因此必须有一种能够把各个发射点的超声波信号区分开来的方法 我们采用带地址编码的无线电触发电路分别触发各个发射点 特点 超声波速度慢 定位精度高 水下传播是它的最大优势 2020 1 7 15 GPS一定义 全球定位系统GPS GlobalPositioningSystem 是一种可以授时和测距的空间交会定点的导航系统 可向全球用户提供连续 实时 高精度的三维位置 三维速度和时间信息 二GPS定位系统由GPS卫星空间部分 地面控制部分和用户GPS接收机三部分组成 2020 1 7 16 1 空间部分 由21颗工作卫星和3颗备用卫星 截止2004年3月为止 在轨卫星共29颗 星号为1 11 13 18 20 31 目前 GPS星座已真正实现全球覆盖 不再有盲区 全天24小时任何时间都能精密定位 2 地面控制部分 1个主控站 Coloradosprings 科罗拉多 斯平士 3个注入站 Ascencion 阿森松群岛 DiegoGarcia 迭哥伽西亚 kwajalein 卡瓦加兰 5个监控站 以上主控站 注入站及Hawaii 夏威夷 2020 1 7 17 3 用户接收机部分 GPS接收机的基本类型分导航型和大地型 大地型接收机又分单频型和双频型 三GPS定位方法分类 若按用户接收机天线在测量中所处的状态来分 可分为静态定位和动态定位 若按定位的结果来分 可分为绝对定位和相对定位 2020 1 7 18 1 绝对 单点定位 pointpositioning 确定观测点在WGS 84系中的坐标 即绝对位置 2 相对定位 relativepositioning 确定确定同步跟踪相同的GPS卫星信号的若干台接收机之间的相对位置 坐标差 的定位方法 静态定位 即在定位过程中 接收机天线 观测站 的位置相对于周围地面点而言 处于静止状态 动态定位则正好相反 即在定位过程中 接收机天线处于运动状态 定位结果是连续变化的 2020 1 7 19 四 GPS定位原理1 绝对定位原理利用GPS进行绝对定位的基本原理为 以GPS卫星与用户接收机天线之间的几何距离观测量为基础 并根据卫星的瞬时坐标 XS YS ZS 以确定用户接收机天线所对应的点位 即观测站的位置 设接收机天线的相位中心坐标为 X Y Z 则有 卫星的瞬时坐标 XS YS ZS 可根据导航电文获得 所以式中只有X Y Z三个未知量 只要同时接收3颗GPS卫星 就能解出测站点坐标 X Y Z 可以看出 GPS单点定位的实质就是空间距离的后方交会 GPS绝对定位图 2020 1 7 20 2 相对定位原理GPS相对定位 亦称差分GPS定位 是目前GPS定位中精度最高的一种定位方法 其基本定位原理为 如图所示 用两台GPS用户接收机分别安置在基线的两端 并同步观测相同的GPS卫星 以确定基线端点 测站点 在WGS 84坐标系中的相对位置或向量 GPS相对定位图 2020 1 7 21 目前在工程中 广泛应用的是相对定位模式 其后处理定位方法有 静态定位和动态定位 1 静态相对定位 将几台GPS接收机安置在基线端点上 保持固定不动 同步观测4颗以上卫星 可观测数个时段 每时段观测十几分钟至1小时左右 最后将观测数据输入计算机 经软件解算得各点坐标 用途 是精度最高的作业模式 主要用于大地测量 控制测量 变形测量 工程测量 精度 可达到 5mm 1ppm 2020 1 7 22 2 动态相对定位先