（电力系统及其自动化专业论文）消除非视距传播误差的移动定位算法研究.pdf

凹川大学硕士学位论文 接近l o s 传播路径时的情况，而后选取适当的l o s 定位估计算法对移动台进 行位置估计；( 2 ) 增加定位算法对含有n l o s 误差测量值的鲁棒性，降低受n l o s 传播影响的基站在定位估计算法中的权重，来达到提高定位精度的目的；( 3 ) 识 别出测量值中无n l o s 误差的测量值，并利用其采用适当的算法进行定位估计。 本文主要对第一种类型的n l o s 误差消除和抑制算法进行研究，对其中的 w y l i e 算法和文献【1 5 1 算法进行深入分析，并提出一种改进的n l o s 误差消除算 法。仿真结果表明，该算法在传播环境信息先验的情况下有良好的定位性能。 但是，当传播环境未知时，该算法及文献i e l 5 算法的性能都将显著下降，因此 应用范围也受到一定的限制。最后研究卡尔曼滤波在无线定位领域的应用，使 用卡尔曼滤波对t o a 测量值进行滤波处理，通过计算样本测量值的标准方差 判断出l o s n l o s 环境后，利用本文提出的滑动窗方法动态计算n l o s 误差均 值，利用有偏卡尔曼滤波重构出l o s 环境测量值，然后利用处理过的测餐值构 造t d o a ，再采用t a y l o r 序列展开法估计移动台的位置。通过对该算法在各种 不同条件下的性能进行仿真比较，结果表明，该算法不需要传播环境等先验信 息，可以自适应的对测量值进行滤波处理，在各种仿真条件下都具有优秀的性 能表现。 关键词：移动定位到达时间到达时间差非视距传播卡尔曼滤波 l l 四川大学顾 学位论文 t h es t u d yo fm o b i1 0l o c a t j o na i g o ri t h m w i t h n l o se r r o rm i t i g a t i o n c o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n g p o s t g r a d u t e ：w a n gh u is u p e r v i s o r ：w a n gz h o n g r e c e n t l y ，t h es u b j e c to fm o b i l ep o s i t i o n i n gi nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s h a sd r a w nc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o n w i t ha c c u r a t el o c a t i o ne s t i m a t i o n , av a r i e t yo f n e wa p p l i c a t i o n sa n ds e r v i c e ss u c ha se n h a n c e d - 9 l1 1 0 c a t i o ns e n s i t i v eb i l l i n g 。 i m p m v e df r a u dd e t e c t i o n , i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m ( i t s ) a n di m p r o v e dt r a f f i c m a n a g e m e n tw i l lb e c o m ef e a s i b l e m o b i l ep o s i t i o n i n gu s i n g r a d i ol o c a t i o n t e c h n i q u e su s u a l l yi n v o i r e st i m eo fa r r i v a l ( t o a ) 。t i m ed i f f e r e n c eo fa r r i v a l ( t d o a ) ，a n g l eo fa r r i v a l ( a o a ) ，s i g n a ls t r e n g t h ( s s ) m e a s u r e m e n t so rs o m e c o m b i n a t i o no f t h e s em e t h o d s b yc o n t r a s tw i t ho t h e r s t d o ah a sb e e ns e l e c t e da s t h ep r o c e s s i n gt e c h n i q u eo ft h ep a p e r f a n ga n dt a y l o rs e r i e sm e t h o d ，t h es o l u t i o n m e t h o d so ft h et d o ah y p e r b o l i cm o d e l h a v eb e e nr e s e a r c h e da n ds i m u l a t e d a n d am e t h o dt oc o n t r o lt h en o n - c o n v e r g e n e eo ft a y l o rs e r i e sh a sb e e np r o p o s e d t h e s i m u l a t e dr e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h em e t h o dc a r le f f e c t i v e l yc o n t r o lt h e n o n - c o n v e r g e n c es i t u a t i o n sa n dd e c r e a s et h er u n n i n gt i m ea n di t e r a t i v et i m e s m u l t i - p a t h , n o n - l i n e - o f - s i g h t ( n l o s ) p r o p a g a t i o n a n d m u l t i p l e a c c e s s i n t e r f e r e n c ea l eo f t e nt h em a i ns o r r c e so fe 盯。稻i nl o c a t i o n a n dm a k em o b i l e p o s i t i o n i n gc h a l l e n g i n g a m o n gt h e s ee r r o rs o u r c e s ，n l o si sp r o b a b l yt h em o s t e r u c i a lo n e n l o se r r o r s 。d e r i v e df r o mt h eb l o c k i n go fd i r e c tp a t h s ，h a v eb e e n c o n s i d e r e da sak i l l e ri s s l l ei nt h el o c a t i o ne s t i m a t i o n s e v e r a ll o c a t i o nt e c h n i q u e s h a v eb e e np r o p o s e di nt h el i t e r a t u r ew h i c hc a nr e d u c et h ee f r e c to fn l o se r r o rt o s o m ee x t e n t ，t h e r ea r e 。b r o a d l y ，t h r e ew a y st oc o p ew i t ht h en l o sc o n d i t i o n t h e f i r s tw a yi st oe l i m i n a t eo rm i t i g a t et h en l o se r r o r sf r o mt h er a n g em e a s u r e m e n t ， a n dt h e nu s i n gt h ep r o c e s s e dr a n g em e a s u r e m e n t st oc a l c u l a t et h el o c a t i o n e s t i m a t i o n 1 f l 圮s e c o n dw a yl o c a l i z e sw i t ha l ln l o sa n dl o sm e a s u r e m e n t s b u t p m v i d e sw e i g h t i n go rs e a l i n gt om i n i m i z et h ee f f e c t so ft h en l o sc o n t r i b u t i o n s 1 1 坨w e i g h t i n gc o m e sf r o me i t h e rt h el o c a l i z a t i o ng e o m e t r ya n db sl a y o u t o rf r o m t h er e s i d u a l s ( f i t t i n ge r r o r s ) o fi n d i v i d u a lb s n l ca d v a n t a g eh e r ei st h a tt h e r ei s i 四川大学硕士学位论文 a l w a y sa l le s t i m a t e ，e v e nw h e na l lb sa r en l o s t h ep r o b l e mi st h a tt h ea n s w e rc a r l b eu n r e l i a b l e b e c a u s en l o se n 粥，t h o u g hr e d u c e d a r ea l w a y sp r e s e n t t h et h i r d w a ya t t e m p t st oi d e m i f ya n dl o c a l i z ew i t ht h el o sb s i d e m i f i c a t i o n i s b ya t i m e h i s t o r yb a s e dh y p o t h e s i st e s t ；ap r o b a b i l i s t i cm o d e l ；r e s i d u a li n f o r m a t i o no r m a x i m u ml i k e l i h o o dd e t e c t i o n i ft h ei d e n t i f i c a t i o ni sc o r r e c t t h ea c c u r a c yi sw h a t t h el o c a l i z a t i o na l g o r i t h mc a l lp r o v i d e ，b u tt h e r ei sa l w a y st h ep o s s i b i l i t yo fw r o n g i d e n t i f i c a t i o mi na d d i t i o n ，u n l i k et h em s tt w om e t h o d s i tr e q u i r e sa tl e a s tt h r e e l o s - b st ol o c a l i z e i nt i l i sp a p e r t h ef i r s tw a yo fc o p i n gw i t ht h en l o sc o n d i t i o ni sr e s e a r c h e d t w oo fi t ss o l u t i o n sa r er e s e a r c h e da n dan e - w l ，i m p r o v e dm e t h o di sp r o p o s e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e dm e t h o dh a ss i m i l a rp e r f o r m a n c ew i t ht h e f o r m e rt w oi f w i t ht h ep r i o ri n f o r m a t i o n h o w e v e r w i t h o u tt h ep r i o ri n f o r m a t i o n i t s p e r f o r m a n c ew i l ld e c l i n ed r a m a t i c a l l y i no r d e rt oa c h i e v es m a l l e te r r o r s ，k a l m a n f i l t e rh a sb e e nu s e di nl o c a t i o ns e r v i c et oe l i m i n a t ea n dm i t i g a t et h en l o se r r o r s i n t h i sp a p e r , t h er e a lv a r i a n c ei sc a l e u l a t e dp e r i o d i c a l l yt oi d e n t i t h el o s n l o s s c e n a r i o sa n df o rt h en l o ss c e n a r i o s ；t h em e a nv a l h ei sc a l c u l a t e dt ob i a st h er a n g e m e a s u r e m e n t st ot h e i rt r u ev a l u e sf o rl o c a t i o ne s t i m a t i o na l g o r i t h mo p e r a t i o n 、i t l l b i a s e dk a l m a nf i l t e r n l es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t i na l lk i n d so fs c e n a r i o s i n c l u d i n gd i f f e r e n tl o s n l o ss i t u a t i o n s d i f f e r e n ts p e e d so rd i f f e r e n ts a m p l e n u m b e r s ，t h ep r o p o s e da l g o r i t h mh a se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：m o b i l el o c a t i o n ；t o a ；t d o a ；n l o s ；k a l m a nf i l t e r 四川大学硕士学位论丈 第一章绪论 1 1 定位业务需求及其发展现状 无线定位业务又称为位置业务( l o c a t i o n - b a s e ds e r v i c e s ，l b s ) ，是通过一组 定位技术获得移动台的位置信息( 如经纬度坐标数据) ，提供给移动用户本人或 他人以及通信系统，实现各种与位置相关的业务 1 1 。 近年来，无线定位业务已经受到越来越多的关注，其主要的驱动力来自1 9 9 6 年美国联邦通信委员会( f c c ) 公布的e - 9 1 1 ( e m e r g e n c yc a l l 9 1 1 ) 定位需求1 2 j ，其 要求在2 0 0 1 年l o 月t 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，且满足此定位精度的概率应不低于6 7 ； 并要求在2 0 0 1 年以后，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 c 对e - 9 1 l 需求进一步细化，对网络设备和手机生产厂商、网络运营商的定位技术 在网络设备和手机中的实施和支持提出了明确要求和日程安排。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 【羽。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移动通信网络，特别是3 g 网络必备的基本功能。 自e 9 1 1 需求颁布以来，由于政府的强制性要求和巨大的市场利益驱动，国内外 逐渐开始对基于移动通信网络的无线定位技术进行深入的研究卜”。 在蜂窝移动通信网络环境中，由于移动台和基站之间电波传播的视距 ( l o s ) 路径被阻挡，电波只能以反射、折射等非视距传播( n l o s ) 方式进行传 播。在采用t o a 、t d o a 等技术对移动台进行定位估计时，由于电波的非视距 传播，t o a 测量值中会产生一个正的附加超量时延，t d o a 测量值也会对应产 生一个误差分量 2 9 1 ，将这种带有较大误差的测量值直接应用于移动台的定位估 计，必然会造成定位精度的显著下降1 5 1 。n o k i a 的现场测量结果表明，在g s m 网络环境中的平均n l o s 误差达到5 0 0 7 0 0 米1 3 0 l ，k o r e at e l e c o m 在i s 9 5 网络 中的测量结果表明平均n l o s 误差达到5 8 0 米【3 i l ，并且，n l o s 误差有随着移 动台与基站之间距离的增大而线性增大的趋势 3 2 1 。通过提高系统接收机 t o 枷o a 的测量精度是无法消除n l o s 误差的，它仅与无线电波的传播环境 塑型查竺堡堂竺堡苎 有关。在都市环境中，n l o s 传播普遍存在，n l o s 误差己成为影响蜂窝网络 移动台定位精度的决定性因素【1 2 1 目前国内外已提出一些鉴别、抑制或消除 n l o s 误差的方法，但对于消除t d o a 测量值中的n l o s 误差还没找到一种切 实可行的方法。因此，本文在对t d o a 算法进行分析研究后，对其在非视距传 播环境下的特性进行详细深入的研究。 目前，定位业务( l o c a t i o n s e r v i c e ) 具有非常广泛的应用i j i 景，主要包括以 下几类【1 1 = ( 1 ) 公共安全业务：主要包括紧急呼叫业务和紧急警告业务，如1 1 9 、l1 0 、 1 2 0 等。 ( 2 ) 基于位露的计费：用户所处的位置特征( 商业区，高速公路、家中等) 不同，对于网络来说，为一次通话提供的服务量是不样的。因此，不同的位 置特征收费应该是不同的。 ( 3 ) 跟踪业务：主要分为车辆财产管理业务和交通量跟踪。 ( 4 ) 基于位置的信息服务：包括导航、城市旅游、与位冒有关的广播、移动 黄页以及位置敏感的i n t e m e t 业务。 ( 5 ) 增强网络性能：网络得到移动台m s 的位置后，可以辅助网络规划、提 高网络q o s ，并改善无线资源管理。蜂窝系统的设计和管理，用户位霄信息的 准确确定以及这一信息的准确程度，受到无线信号所通过的通信信通的影响； 反过来，分析影响移动用户位置准确度的原因又可以对蜂窝系统的设 和管理 起到指导性的作用 ( 6 ) 智能交通系统o t sh m 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 s ) 。在i t s 中，定位 信息对于提供有效的服务是非常重要的。利用移动台定位技术提供的位冒信息 可以实现合理的车辆调度，避免交通堵塞和降低交通事故等。 蜂窝移动定位业务是一种蕴含无限商机的新兴业务，具有非常广泛的应用 前景，研究蜂窝移动定位技术具有重要的意义。 1 2 基本定位方案 无线定位系统中对移动台的定位是通过检测移动台和多个固定位胃收发信 机( 基站) 之间传播信号的特征参数( 如电波场强，传播时问或时问差，入射角 等) 来估计移动台的几何位置1 1 0 , l t j 2 。在蜂窝通信系统中，根据进行定位估计 婴坐盔兰堡兰垡丝苎 的位置、定位主体及采用的设备的不同可将定位系统分为以下几类i s 1 2 1 ： ( 1 ) 基于移动台( m o b i l eb a s e d ) 的定位系统 此系统也称为移动台自定位系统或前向链路定位系统。其定位过程是由移 动台根据接收到的多个已知位置发射机发射信号携带的与移动台位冒有关的特 征信息确定其与发射机之间的几何位置关系，再由集成在移动台中的位置计算 功能( p c f ：p o s i t i o nc o m p u t i n gf u n c t i o n ) 单元，根据有关定位算法计算出移 动台的估计位置。 ( 2 ) 基于网络( n e t w o r kb a s e d ) 的定位系统 此系统也称为远距离定位系统或反向链路定位系统。其定位过程是由多个 固定位置接收机同时检测移动台发射的信号，将各接收信号携带的与移动台位 置有关的特征信息送到网络中的移动定位中心( m l c ：m o b i l el o c a t i o nc e n t r e ) 处理，由集成在m l c 上的p c f 计算出移动台估计位置。 ( 3 ) 网络辅助( n e t w o r ka s s i s t e d ) 定位系统 此系统也属于移动台自定位系统，定位过程足由网络中多个固定接收机同 时检测移动台发射的信号，将与移动台位置有关的特征信息由空中接口传送回 移动台，由移动台中的p c f 计算出移动台的估计位置。 ( 4 ) 移动台辅助( m o b i l ea s s i s t e d ) 定位系统 此系统采用的也是基于网络的定位方案，其定位过程是出移动台检测网络 中多个固定位置发射机发射的信号，将各接收信号携带的与移动台位冒有关的 特征信息由空中接口传送回网络，由集成在网络m l c 中的p c f 计算出移动台估 计位置。 ( 5 ) g p s 辅助定位系统 此系统采用的是g p s 定位方案，由集成在移动台上的g p s 接收机和网络中 的g p s 辅助设备利用g p s 系统实现对移动台的自定位。 显然，对于基于移动台的定位方案和g p s 辅助定位方案束说，移动台知道 其自身位置但网络方面并不知道；对于网络的定位方案来说，网络方面知道移 动台的估计位置但移动台自身并不知道。要使这两种定位系统中没有进行定位 估计计算的一方掌握移动台的位置，还必须利用空中接口在移动台和网络之间 建立一条数据链路，进行有关的数据传递。 从上述各定位系统的基本特征可以看出，在现有蜂窝通信系统中如果采用 基于移动台的定位方案或g p s 辅助定位方案为移动用户提供定位服务( l c s ) 功 婴型查兰堡：兰竺堡苎 能，则必须对现有移动台进行适当修改，并增加必要的软硬件设备，所以这种 方案不适用于现有蜂窝网络。基于网络的定位方案只须对蜂窝网络没备作适与 修改、扩充，不需要对现有移动台进行任何修改，能充分利用现有各种蜂窝系 统的庞大资源，保护用户已有投资，并能达到一定精度，因此这种方案适用f 现有蜂窝网络，只需在如g s m 网络中增加l c s 功能【8 】。 1 3 国内外研究现状 自e 9 1 1 定位需求颁布以来，移动定位技术在国外受到高度重视和深入研 究，近年来在i e e e 的期刊和会议上发表了大量研究论文，也出现了不少定位 技术的发明专利以及一些专门从事定位技术的研究与丌发的公司如m o t o r o l a 、 n o l ( i a 、爱立信、三星、美国高通等，其也积极开展对基于g s m ，i s 一9 5 和第三 代移动通信系统中的w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 等网络采用的定位技术的研究， 并制定了相应的定位实施案l l “。 美国高通公司推出一种名为g p s o n e 的定位方案，这种方案将蜂窝无线网 络信息和基于卫星的g p s 信息结合到一起，以弥补独立的g p s 和基j 二嘲络的 定位系统的不足，提供包括室内、户外、市区和郊区的全地形覆盖解决方案。 具有精度高( c 3 5 0 1 v 0 、可用性好( 能在高度遮挡环境中定位) 、响应时日j 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。 在日本已有成熟的定位服务及设备投入使用。小巧的移动定位设备集成在 一个项圈上，用于宠物定位。 瑞典m o b i l ep o s i t i o n 公司开展了s e a k e y ( 海上电子业务) 、f r i e n dp o s i t i o n ( 朋 友定位) 、s a t s a f e ( 汽车定位报警) 、w e a t h e rp o s i t i o n ( 天气定位) 和就近黄页服务等 业务。诺基亚为g s m 运营商添加了e - o t d 定位方式，以便从定位容量和可靠 性两方面提高性能。 国内对蜂窝网络移动定位技术的研究起步较晚，但是目前出现了不少从事 这项技术研究的院校机构，主要有西南交通大学、哈尔滨工业大学、电子科技 大学、北京邮电大学、复旦大学等，也出现了不少研究与实现定位技术方面的 公司，如华为、中兴、c e l l o e a t e 、t r u e p o s i t i o n 、重庆c e l l l o e 无线定位有限公 司等。中国联通采用高通公司的g p s o n e 技术可以提供相当精确定位服务，如 安全监护、个人导航、消费指南等。中国移动也已经在广东、福建等地进行了 四j q 大学硕士学位论文 移动定位服务的试点工作。 2 0 1 5 1 0 5 0 1 月2 月3 月4 月5 月6 月7 月 8 月9 月 图1 12 0 0 5 年1 - 9 月) ( ) ( 运营商定位业务订购用户规模 0 4 03 d2 01 o 一01 0 2 0 3 根据某咨询公司长期跟踪数据显示( 图1 1 ) ，2 0 0 4 年中国移动位冒用户规 模为1 0 4 0 万户，2 0 0 5 年1 - 9 月用户规模达到1 8 0 0 万。随着联通新业务一基于 手机的汽车导航服务的推出，用户将进一步扩大，该公司预测，我国2 0 0 5 年中 国移动位置用户将比2 0 0 4 年增长1 0 2 ，用户将达到2 1 0 0 万。2 0 0 6 年持续增 长，用户有望达到4 6 0 0 万。2 0 0 7 年，移动位置市场进入成熟阶段，到2 0 1 0 ： 中国移动服务用户规模将达到2 4 亿户【l 引。 1 4 影响蜂窝定位精度的主要因素 在蜂窝网络中对移动台位置的定位存在较大的误差，其重要原因就是信号 特征测量值含有较大误差。为了提高定位精度，就要明确造成测量误差的主要 原因。研究1 1 , 1 2 1 表明，影响蜂窝网络定位精度的主要因素包括以下几个方面： ( 1 ) 多径传播 多径传播是由于信道中反射及反射物的存在，导致信号幅度、相位及时日j 的变化，使发射波到达接收机时形成时间、空间上相互区别的多个无线电波i l “。 多径传播是引起信号特征测量值出现误差的基本原因。对t o a 和t d o a 定位 法来说，即使移动台与基站之间无线电波有视距路径，多径传播也会引起时日j 测量误差 1 4 l 。 ( 2 ) 非视距传播 即使在无多径效应和采用高精度定时技术的情况下，由于移动台和基站问 的直射路径被阻挡而导致的非视距传播也会引起t o a 或t d o a 测量误差。因 四川大学硕士学位论文 此，减小n l o s 传播的影响是提高定位精度的关键。 ( 3 ) 多址干扰 在c d m a 系统中，用户通过不同的扩频码共用同一频带。这种高容蕈也带 来了远近效应和多址干扰。多址干扰在基于时间的定位系统中会严重影响时f 日j 粗捕获和延时锁相环的测量。通常采用功率控制来克服远近效应和降低多址干 扰，但由于无线定位需要多个基站同时监测移动台发射的信号，功率拧制仪对 服务基站起作用，对其它基站移动台的信号仍会受到严重的多址干扰，影响 t o a t d o a 测量值的准确度。 ( 4 ) 其他定位误差来源 此外，参与定位的各基站之间的相对位置、移动台与基站之间相对位霄的 差异造成的几何精度因子( g d o p ) 的不同，也会影响定位算法的性能，造成定位 精度的差异，在进行网络设计和规划时应充分考虑这一问题。 1 5 论文安排 本文第一章主要介绍了无线蜂窝网络定位的意义、研究现状、基本定位方 案以及影响定位精度的主要因素； 第二章详细介绍目前已有的各种蜂窝网络定位技术及其优缺点，重点突出 t d o a 技术的优点，从而选定t d o a 技术为本文的研究重点； 第三章介绍移动台定位中误差精度测量参数，信道模型以及网络结构等； 第四章介绍t d o a 双曲线定位模型，对该模型的两种解决方法f a n g 算法和 t a y l o r 序列展开法做重点介绍，针对t a y l o r 序列展开法的不收敛问题提出- 种 简单的控制方法，并对这两种算法在高斯环境中的性能进行仿真比较； 第五章详细分析蜂窝网络定位中非视距传播误差的机理和特性，介绍两种 鉴别和消除n l o s 误差的算法，在此基础上提出一种改进的重构l o s 传播测量 值的方法，并对该算法和原算法在不同条件下的性能做对比。 第六章研究卡尔曼滤波在蜂窝网络定位中的应用，对其在高斯信道、实际 信道环境下，以及不同移动台速度，不同基站数目，不同移动台运行轨迹等条 件下的性能进行了充分的分析和比较。仿真结果表明，卡尔曼滤波在蜂窝网络 定位中的应用具有优良的性能和广阔的前景。 第七章对全文作总结，并对蜂窝网络定位的研究前景作出展望。 四川大学硕士学位论文 第二章定位技术及定位体系结构 2 1 各种定位技术的比较 移动定位需要解决的根本问题就是获得移动台当前的地理位冒。由于移动台 和蜂窝移动通信系统的固定设施之间采用无线通信，所以解决这一问题普遍采 用的方法为无线定位，即对收到的无线电波的一些参数( 传输时| 日j 、幅度、相 位和到达角度等) 进行测量，然后根据特定的算法来判断出移动台当前的位置。 根据定位手段的不同，蜂窝移动通信系统中的定位技术可分为c 0 0 定位法， t o a 定位法、t d o a 定位法、a o a 定位法、t o a a o a 定位法、g p s 定位法、 辅助g p s 定位法和场强定位法掣”。 由于t d o a 技术所具有的优良性能，在各种定位系统的开发中，都将t d o a 定位技术作为其备选方案，如g s m 系统中选用的增强观测时间差( e o t d ) 定位 法，w c d m a 系统中选用的o t d o a i p d l 法。 下面就按定位手段的分类来分析每种定位技术的基本原理，通过对各种定位 技术性能的分析比较，说明目前t d o a 技术应用比较广泛的原因。在分析这砦 定位技术的时候，假设基站和移动台处于同一水平面内，即当地地理水平面内， 基站和移动台的高度可以忽略不计，这种假设在大多数情况下是符合实际的。 2 1 1c 0 0 定位法 c 0 0 即c e l lo fo r i g i n , c o o 定位法是各种定位方法中最简单的一种定位方 法，它的基本原理是根据移动台所处的小区i d 号来确定移动台的位置，因此 又称c e l l - i d 定位法【”。移动台所处的小区i d 号是网络中己有的信息，当移 动台在某个小区注册后，在系统的数据库中就会将移动台与该小区i d 号对应 起来，只需要再知道该小区基站所处的中心位置和小区的覆盖半径，就能够知 道移动台所处的大致范围。c o o 定位法的定位精度就是小区的覆盖半径。 c 0 0 定位法是一种基于网络的定位技术，其优点是实现简单，只需要建覆 关于小区中心位置和覆盖半径的数据库；定位时间短，仅为查询数掘库所需的 时间；而且c 0 0 技术不用对现有的手机和网络进行改造就可以直接向用户提 四川大学硕士学位论文 供移动定位服务。其缺点为定位精度低，特别不适合在基站密度低、覆盖半径 大的地区使用。 2 1 2 场强定位法( s i g n a ls t r e n g t h ) 根据电磁场传播理论，若移动台在自由空间中以额定功率辐射电磁波，则空 间任一点的接收功率或场强( 功率正比与场强的平方) 仅与距离有关ij 5 1 。自由空 间传播模型【i6 l 为： 只= 器 ( 2 1 ) 其中，p t 表示移动台发射的功率，p r 表示基站接收到的功率，入表示无线 电波的波长，d 表示移动台和基站之间的距离， ，g r 分别为移动台和基站天 线的接收增益，l 是与传播无关的系统损耗因子。由于在实际系统中发射功率 p t ，天线增益吼、g r ，和无线电波的波长x 都是己知的，而接收上力卒p r 可以 测定，因此根据上式可以得到移动台距离基站的距离d 。 图2 1 利用场强信息的定位技术 定位原理如图2 1 所示，根据上述模型，若测得基站b s l 、b s 2 、b s 3 接收到 的功率分别是p l 、1 2 、p 3 ，就可计算出移动台m s 距基站的距离d i ，d 2 ，d 3 。 利用解析几何知识可以知道，移动台m s 位于分别以基站b s l 、b s 2 、b s 3 为圆 心，以d l 、d 2 、d ，为半径的圆( 仅考虑二维空间) 的交点处。 场强定位技术的优点是人们对电磁传播和场强预测方面的研究比较成熟，并 堕型查兰竺主兰堡堡苎 且在定位要求不商的情况下。不需要在硬件上对基站和移动台作改动。当然在 基站适当增加高精度接收机会取得更精确的测量结果。缺点是定位结果易受环 境和气候等因素影响，误差较大，不能达到高精度的定位要求。f h 可以利用它 的定位结果作为对高精度定位的初步估计和参考。 2 1 3 信号到达时问t o a ( t i m eo fa r r i v a l ) 图2 2t o a 定位 所谓信号到达e , t l a i ，指的是信号在移动台和 基站间的传播时i b - j ( p r o p a g a t i o n t i m e ) 。它和电波 速度的乘积就是移动台和基站删的距离i 5 - 翻。 如图2 2 所示，通过测量移动台和多个基站闯的 距离，就可以实现定位。定位方程为： ( 薯一而) 2 + ( 只一儿) 2 ； ( 2 2 ) 其中，( ) 【0 ，y 0 ) 和( x i ，y ) 分别表示移动台和基站 i 的坐标，d l 表示二者之问的几何距离。式( 2 2 ) 构成的是一个非线性方程组，但 可化简成线性方程组求解，因而，具有一定的实用性。如g s m 系统中的基于 t a ( 时间提前量，t i m ea d v a n c e ) 定位，就是t o a 定位技术的个例r 。 基于时间的定位法要求基站从接收到的射频信号中提取准确的t o a 。在蜂 窝系统中可用于获得t o a 估计值的方法有相位测距法、脉冲测距法和扩频测 距法。扩频技术可以准确地测出信号到达时间，在c d m a 蜂窝系统中通常采用 扩频测距法。 t o a 定位法的优点是对现有的移动台无需做任何改造，定位精度较高并且 可以单独优化。该方法的缺点是移动台和摹站、基站和基站之间要有精确的时 钟同步；发射信号必须用时间标识加以区分，使接收方能辨别出该信号足何时 发出的，这会增加反向链路的数据量，当业务量大时，网络的负担会加重；如 果移动台无法和三个以上的基站取得联系，定位将会失败；定位时汩l 较长；由 于要向多个基站发射信号，将会增加移动台的功耗。 t o a 定位的主要缺点是要求基站和移动台之间的时间准确同步。出f 移动 台的位置是不确定的，它和基站之间的电波传播时间本来就是被测对象，基站 控制的移动台同步显然存在很大的误差。事实上，l 纳秒的同步误苹将会给定 位带来约o 3 米的不确定性。纳秒级的同步精度显然远远超出了目前许多移动 婴型查兰堡兰壁堡塞 通信系统的能力。以目前应用最广的l s 9 5 和g s m 两个系统为例。在i s 一9 5 规 范中，只要求基站间同步误差小于3 微秒就可满足通信的要求，而g s m 系统 基站间不需要准确同步，基站和移动台间所能实现的同步精度约为1 8 4 7 纳秒 这约等价于5 5 4 米的定位误差。在移动台中添加高精度的时钟，势必增加移动 台的体积和成本，尤其是要达到纳秒级的精度，在目前的技术条件和允许成本 下是无法实现的。 2 1 4 信号到达角度a o a ( a n g l eo fa r r i v a i ) 即测向定位方法 i , 5 , 1 0 , 1 2 , 1 7 1 。其定位原理如图 2 3 所示，是通过基站接收机天线或天线阵列测 出移动台发射电波的入射角，从而构成一根从接 收机到移动台的径向连线，即方位线。利用两个 一 或两个以上的接收机提供的a o a 测量值，确定 多条方位线的交点，即为移动台的何胃。 图2 3a o a 定位 t a n ( 0 , ) = 立生，扛彳，占 ( 2 3 ) y o y i 为了满足定位要求，每个天线阵在一个波长范围内要有4 1 2 个天线。这样， 现有基站天线就必须更换，这种费用不仅是惊人的，而且破坏现有系统的结构 和工作模式，使通信系统无法正常工作，不但如此，测向定位还受以f 几个【天】 素的影响： a ) 易受多径和其他环境因素干扰的影响。在障碍物较少的地区可以得到较 高的准确度，但是在障碍物较多的环境中，由多径效应产生的误差将增大； b ) 天线波束形成需要足够长的时间，如果不在移动台中增加特殊的定位信号 产生装置，定位就只能在话音信道上完成，如果用户长时间不通信，其位置数 据就不能及时更新； c ) 定位精度随移动台和基站之间距离增加而下降。假设天线波束宽度为l 度 ( 这在技术上是极其困难的) 在5 公里外定位误差范围就达到约1 5 0 m ； d ) a o a 丢弃了其他的有用信息，比如幅度，而致使定位精度下降。 a o a 方法原理简单，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；所需基站较少，只要2 个基站即可实现定位：在 婴型查兰堡主兰壁堡苎 基站稀疏地区定位有效性优于时差定位系统，在郊区或农村，一般基站安装位 置很高以提供较广的覆盖。移动台受到的多径干扰较小，得到的a o a 测量不 会有很大的误差，可达到1 0 0 2 0 0 m 的定位精度。 但是它存在一定的缺陷，需要在基站建立阵列天线，提高了系统成本；对f 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；a o a 定位受多径传播的影响最大，因此不适合用于高楼林立的城市等电波传播环境 复杂的地区；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。目 前的一些a o a 算法复杂度都较高，用于测量、储存、处理等会占用过多的软 硬件资源。 随着通信技术的发展，智能天线已成为必然的趋势，所以，这种方法可望在 未来和其它定位技术结合而走向实用。 2 1 5 信号到达时延差t d o a ( t i m ed i f f e r e n c eo fa r r i v a i ) 和t o a 方法不同的是，t d o a 方法是通过测 量移动台和多个基站间的传输时延差( 距离差) 来实现定位的 1 , 5 , 1 0 , 1 2 1 它只要求基站间的同步而 不要求移动台和基站间的同步。由于基站的位置 是固定的，基站间的同步相对于移动台和基站间 的同步要容易实现得多。这使得t d o a 方法比 t o a 方法更容易实现，因而应用也非常的广泛。 t d o a 被3 g p p 采纳为标准定位方法之一 图2 4t d o a 定位 ( 0 t d o a - i p d l ( o b s e r v e d t i m ed i f f e r e n c e o f a r r i v a l i d l ep e r i o do f d o w n l i n k ) ) 。不仅如此t d o a 也是许多传统定位系统，如 g p s ，雷达和声纳的基本定位技术。如图2 4 所示，t d o a 的定位方程是一组 双曲面( 线) 方程： 。 ( 而一t ) 2 + ( 儿一只) 2 - ( x o - x 0 2 + ( 朋一m ) 2 = z ” f = 2 ，3 ( 2 4 ) 其中，基站l 为服务基站，d i 1 = d 讪，表示移动台到基站i 与移动台到服务 基站1 之间的距离差。式( 2 4 ) 构成的方程组求解非常困难。尤其在存在测最误 差的情况下更是如此。因而，它是t d o a 定位的研究课题之一。 t d o a 需要能够捕获至少3 个基站的信号，这些信号添加时间标签后传送 婴型盔兰壁主兰堡堡皇 给中心处理单元进行相关处理并利用双曲线模型等进行位置估计。 t d o a 最大的缺点就是需要较大的带宽向网络定位中心传送捕获的定位信 息，这样不仅花销大，而且限制了系统提供更大容量定位应用。为了克服这种 缺点，有的系统使用了t o a ，因为已知信号的t o a 信息能够直接在每个基站 估计获得；另一个考虑t o a t d o a 的原因是，在农村环境，蜂窝小区半径很 大，常常