全球定位系统与无线定位技术

1、全球定位系统与无线定位技术全球定位系统与无线定位技术 全球定位系统与无线定位技术 报告人：冯兴乐 日期：2001.5.18 主要内容 nGPS概述 nGPS定位原理 nGPS接收机工作原理 n无线定位概述 n定位误差源及解决办法 GPS概述(1) n系统组成 1.星座部分。24颗卫星分布在六个平面，采用码分 多址区分卫星。 2.控制部分。 1.主控站（1个）从各监测站收集数据，计算卫星轨道参数 和钟参数，并进行卫星控制。 2.监测站（5个）配置精密铯原子钟，能连续测量卫星伪距， 和已知的位置信息进行对比，得到电离层参数和对流层参 数，平滑后发给主控站。 3.注入站（3个）将主控站送来卫星轨道参

2、数和钟参数以S波 段上行注入到各卫星。 3.用户接收机部分 GPS概述(2) n伪码扩频 n美国的GPS 限制政策 nSA(Select Availability) nA-S(Anti-Spoofing) 含义码速率码长度(bit)重复周期 C/A码Coarse acquisition 1.023MHz10231ms P码Precise/pro tected 10.23MHz1.53107266天 GPS概述(3) n特点 n全天候，全球覆盖 n高精度 定位精度 （95%概率） 水平(m) 垂直(m)速度(m/s)时间(us) 未加SA30450.20.2 加SA1001560.30.34 G

3、PS定位原理(1) n伪距：用户测得距离等于接收到信号的时刻与从电文中恢复的 卫星钟所记录的发射时刻之差乘以光速，因为卫星钟和用户钟不 同步，故所测距离不准确，称为伪距。 tCRPR tCzzyyxxPR iiii 222 )()()( PR :伪距 R：实际距离 C:光速 t:卫星钟和用户钟的时差 xi,yi,zi : 第i颗卫星的坐标 x,y,z: 用户的坐标 i：（0,1,2,3） GPS定位原理(2) n伪距测量方法 n伪码测距。用户恢复的卫星钟和用户钟之钟差所对 应的码片时间乘以光速。 n载波相位测距。利用调制载波相位，载波频率是码 速率的1500倍，故精度更高。 n积分多卜勒测距。

4、对比有无多卜勒频移情况下的伪 距差。 GPS接收机工作原理(1) n基带信号 n伪随机码 n扩频码 n调制后 )(tD )(tAC )()(tACtD )cos()()(ttACtD c n 每个接收机有多个相关通道，每个通道有三种工作状态（搜 索，牵引和跟踪），每个通道有两个锁定环路（载波环和码环） GPS接收机工作原理(2) 累加计数器 累加计数器 累加计数器 累加计数器 cpu bus 码初相 计数器 码数控 振荡器 C/A码 发生器 载波数控 振荡器 Q(n)抖动 Q(n)对准 I(n)对准 I(n)抖动 抖动C/A码 对准C/A码 1.4MHz 数据流 )cos(t c )sin(

5、t c 相关通道方框图 钟频 Q I Q对准 I对准 I抖动 Q抖动 GPS接收机工作原理(3) n跟踪工作状态 n假设条件 n本地码相位和卫星码相位保持同相 n本地载波频率和卫星信号频率保持相等，相位差为 n载波环 e )()(cos)()(tACtDtACtDI e ee tACtDtACtDQ)()(sin)()( )(tDI 对准 e tDQ)( 对准 ee tDtDQI)()( 对准对准 反映载波同步的相位误差，以此控制载波数控振荡器，保 持载波锁定。 e GPS接收机工作原理(4) e tACtACtDI cos)()()( 2 0 超前 n码环 e tACtACtDQ sin)(

6、)()( 2 0 超前 e tACtACtDQ sin)()()( 2 0 滞后 e tACtACtDI cos)()()( 2 0 滞后 )()()( 22 00 tACtACR c )()()( 22 00 tACtACR c )( 0 c R 表示C/A码的自相关函数 令 GPS接收机工作原理(5) )( 2 2 22 0 c RQI 超前超前 )( 2 2 22 0 c RQI 滞后滞后 2222 滞后滞后超前超前 QIQI 上式反映本地码和卫星码相关的程度，差值大小表示偏离的程度， 差值符号表示偏离的方向，利用这一差值控制伪码数控振荡器，使 本地码和卫星码保持相位同步。 )( 2 0

7、 c R)( 2 0 c R 0 0 2 0 02 0 )( c R )()( 2 2 2 2 00 cc RR GPS接收机工作原理(6) n搜索工作状态 nGPS卫星大约12小时绕地球一周，由于卫星和接收机存在径向运动， 就会产生多卜勒频移fd，对于中低动态用户， fd6KHz，因而接收到 的卫星信号频率为1575MHz fd，经过混频抽样后，数据流速率为14 05 6KHz, 搜索过程是载波频率搜索和码片搜索同时进行，称为二 维搜索。 n先确定载波频率（在12KHz范围内，每500Hz为一搜索间隔） 再确定C/A码（对应24颗卫星） 计算 ，若大于门限，则跳出循环， 否则码片移位（102

8、3个码片） 22 )()(nQnI GPS接收机工作原理(7) n牵引工作状态 n和跟踪状态类似，启动载波环和码环，这时的移动 间隔较小，直到 达到最大。 n数据解调计算 n当通道处于跟踪状态时，每1ms(C/A序列周期）读 取累加计数器输出I(n)对准数据，若连续20次均为正， 则判断数据1，最后利用这些电文序列进行定位计 算。 22 )()(nQnI 无线定位概述(1) n自主定位系统 基于网络 定位系统 来波方向定位 （DOA/AOA) 来波时间定位 信号到达时间定位 (TOA) 信号到达时间差定位 (TDOA) 来波强度定位 无线定位概述(2) n利用信号强度定位 n精度较差，需知发射

9、功率和接收功率。 n利用信号方向定位 n精度较差，需两个基站就可定位，采用阵元天线。 d a1 BS1 BS2 MS a2 a /cos2ad相位差 阵元1阵元2 无线定位概述(3) n利用信号时间定位 nTOA(time of arrival) 需要MS和BS时间同步，三圆确定一点 nTDOA(time difference of arrival) 需要各BS时间同步，三条双 曲线确定一点。由于易于实现，成为无线定位的首选方案。 n求时间差 T BATBA dttStSC 0 1 , )()()( )(tSA )(tSB 基站A接收信号 基站B接收信号 寻找使上式最大的 值就是延迟时间，由于

10、测量误差，三圆 （双曲线）不可能交于一点，只是一个区域。一般采用Least squares法进行定位计算。 无线定位概述(4) 2 0 2 00 )()()()(yyxxCXf iiii 0 y 0 x i x i y 移动台坐标 第i个基站坐标 0 i 移动台发射信号时刻 N i ii XfaXF 1 22 )()( X T yx),( 000 i a 第i个基站接收信号的权重 第i个基站接收信号时刻 F(X)的最小值对应的移动台坐标就是最终的定位坐标 nLeast squares法 定位误差源及解决办法(1) n多径传播 chip 反馈量 1 -1 无多径传播 有多径传播 定位误差源及解决

11、办法(2) nNLOS(Non Line of Sight) n由于非视距传播距离长,延时长,测出的延时方差大, 可通过减小该基站在计算中所占权重,利用上一时刻 测量值进行调整. n多址干扰 n各种定位方法都需要至少三个基站同时收到,由于功 率控制,本小区的移动台不能被相邻小区的基站接收, 可采用Power UP Function ,定期增大移动台的发射 功率,以便其它基站可以接收. 参考文献 n干国强.导航与定位 .2000; 北京：国防工业出版社 nJame J.Caffery and Gordon L.Stuber . Overview of radiolocation in CDMA cellular systems. IEEE Communications Magazine . April 1998. nSilventoinen-M; Rantalainen-T. Mobile station locating in GSM. In Proceedings of the 1995 IEEE Wireless Communication System Symposium. IEEE, New York, NY, U