定位技术

《无线传输与定位技术》

期末大作业

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一、定位技术基本概述

1、什么是定位？

无线定位是指利用无线电波信号的特征参数估计特定物体在某种参考系中的坐标位置。其最初是为了满足远程航海导航和军事领域精确制导等要求而产生的，20世纪70年代全球定位系统（GPS）的出现使得定位技术产生了质的飞跃，定位精度可达到数十米范围。

按照探测目标的方式，定位技术可分为有源定位和无源定位。有源定位系统是通过主动发射电磁波来探测目标，定位精度高但是极易受到敌方干扰和攻击。为了弥补有源定位方法的缺陷，人们在积极改进有源定位性能的同时也开始了无源定位问题的探索和研究。无源定位是指在不发射对目标照射的电磁波的条件下获取目标的位置。

2、为什么要定位？

自20世纪40年代定位技术初步应用与测绘和军事领域以来，特别是海湾战争以来，人们越来越认识到定位的重大作用。对于军用系统而言，它有助于提高武器的打击精度，为最终摧毁敌方提供有力的保障；就民用系统而言，可以为目标提供可靠的服务，起到安全保障的作用。目前，无线定位技术已经广泛应用于社会生活的众多领域，成为各国在军事、国防、科技等领域较量的一个主要场所，也成为衡量一个国家综合实力的重要指标之一。

在军事领域，以目标被动式精确跟踪与定位为主要研究方向的辐射源无源定位技术正受到越来越广泛的重视。通过对辐射源信号的截获和测量，并利用相应的算法求解，无源定位系统即可获得目标的位置和轨迹。相随与雷达等有源探测系统，无源定位系统具有隐蔽性好、抗干扰性强、作用距离远等优点，这对于提高侦查探测系统在现代化高强度电子战环境下的生存能力具有重要意义，因此被广泛应用于被动声呐、红外跟踪、空间飞行器系统的导航和定位之中。辐射无源定位技术，因其在电子对抗中的巨大作用而倍受重视，是各国重要的研究项目。

在民用领域，无线定位技术被广泛应用于海洋、陆地和空中交通运输的导航，并在地质勘探、资源调查、海洋测绘、海上石油作业、地震预测、气象预报等领域得到广泛应用。

近年来，定位技术开始应用于蜂窝网系统设计、信道分配、切换、E-911紧

急援助、交通监控与管理领域。随着数据业务和多媒体业务的快速增加，在短距离高速率无线通信的基础上，人们对位置信息感知的需求也日益增多，尤其在复杂环境中，如机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场、矿井等，常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品的位置信息，进而用于监控管理、安全报警、指挥调度、物流、遥测遥控和紧急救援等需求。

3、如何定位？

当前，基于无线传感器网络的定位系统所采用的定位方法主要有基于测距（range-based）和无需测距（range-free）两种。无需测距的系统在硬件成本和功耗上较低，但是以牺牲定位精度为代价，在很多精度需求较高的项目中难以应用。基于测距的定位方法目前主要有RSSI、TOA、TDOA、AOA等。TDOA和AOA 分别利用多个信号到达目标节点的时间差和角度来计算其位置信息。RSSI的原理是根据理论和经验模型，将传播损耗转化为距离。TOA是利用无线信号在两个节点间的传播延时来计算物理距离的一种方法。

角度定位是在20世纪40年代就得以应用于电子对抗领域。当时人们利用简单的测向设备对目标进行多次测向，然后运用人工作图的方式来确定目标位置。

时差定位（TDOA）是利用至少三个已知位置的观测站接收到的辐射源信号来确定辐射源的位置，任意两个观测站采集到的信号到达时间差确定了一个双曲面线，多个双曲面线相交即可确定目标位置。

频差定位收集接收机与目标之间因相对运动而产生的多普勒频移数据来对目标进行定位的一项新技术。对于运动目标而言，我们可以利用目标运动所引起的多普勒频率来确定目标的运动特性和位置；对于精致目标而言，我们可以人为地移动接收机使其与目标产生相对运动，利用运动产生的多普勒频率来确定目标的位置。

二、最新定位方法

实时动态差分法（RTK）是一种新的常用的GPS测量方法，以前的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。

1、定位过程

先将流动站固定，等完成模糊度初始化之后，再进入动态作业。在进行短基线处理时，一般采用双差观测值来消除卫星轨道误差、卫星钟差、接收机钟差、电离层延迟误差、以及大气折射误差等大部分的系统误差。设两台GPS 接收机可共视k+1颗卫星，则第i 个历元的载波相位双差观测方程可写为：

i i i L BN X A V -+=

式中，i V 为k 维观测值真误差向量；i A 为k*3系数矩阵；X 为基线向量改正值向量，B 为k*k 模糊度系数矩阵；N 为k 维双差模糊度向量；i L 为k 维双差观测向

量。则1n 个历元总的误差方程为： ⎝⎛=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛n

n A A A V V V 2121 ⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫n L L L N X B B B 21* 即可写成： V=AY-L

式中，V 为n 维真误差向量，A 为)3,*(*1+==k m n k n m n 维系数矩阵，Y 为m 维待估参数向量，L 为n 维双差观测向量。

法方程的系数阵为：PA A N T =

由最小二乘得到的参数估计值为：PL A N Y T 1-=

在确定权阵P 时，选用卫星高度角来构造权阵的参考因素：

==-1P Q ⎢⎢⎢⎢⎣⎡001 Q 002 Q ⎥⎥⎥⎥⎥⎦

⎤100n Q 通过最小而成估计得到模糊度和位置参数的浮点解以及相应的方差-协方差阵，在此基础上，采用LAMBDA 法得到准确的模糊度固定解，再代入求得位置参数的固定解。在整周模糊度确定之后，动态条件下只要共视卫星保证在4颗以上，就可以求得cm 级的定位结果。

2、核心思想

将一台GPS 接收机安装在已知点上对GPS 卫星进行观测，将采集的载波相位观测量调制到基准站电台的载波上，再通过基准站电台发射出去，流动站在对GPS 卫星进行观测并采集载波相位观测量的同时，也通过流动站电台接收由基准