区域增强导航定位系统的无线定位方法
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图 1 A AN PS系统组成框图
图 1中 BSi为编号为 i 的陆基导航台 , pBSj为编 号为 j 的空基导航台 , M S为用户终端。 AAN P S系 统通过直序扩频、跳频和跳时等混合扩频技术提高 抗干扰和抗截获能力 ,同时导航平台采用冗余配置 结构和无节点拓扑网络结构提高抗摧毁能力 ,因此 系统战场生存能力强。
台定位方程为: ( x - xi ) 2+ ( y - yi ) 2+ ( z - zi ) 2= di2 , i= 1,… , n
( 1) 式中 ( x , y , z ) , ( xi , yi , zi ) , di 分别为移动台坐标 位置 ,已知导航台 i 的坐标位置和 SOA测量法求出 的移动台和导航台 i 的距离。
引 言
导航与定位功能在地质考察、舰船航行、异地旅 行和作战指挥等活动中发挥着重要作用。 导航定位 系统发展至今 ,出现了塔康、罗兰和奥米加等陆基无 线 电导 航 定 位系 统 , 而 美 国的 GPS 和 俄 罗斯 的 GLON ASS卫星定位系统是导航定位系统发展史上 的里程碑 ,具有覆盖范围广、定位精度高、全天候工 作的良好特性。 现役卫星导航定位系统和陆基无线 电 导航 定 位系 统 都 存在 着 抗 干 扰、 抗摧 毁 能 力弱 的 不足。 当地区发生冲突现役导航定位系统受到干扰 或者被摧毁时 ,其提供服务功能将失效 ,这种状况为 军队赢得战争提出了严峻挑战 ,因此在军事热点地
而且每个用户都有唯一的身份识别码。 但移动台结 构较为简单 ,除了作为终端使用外 ,还可以作为伪导 航台使用。
表 1 M S主导型和 N S主导型比较
定位类型
M S主导型
N S主导型
隐蔽性
强
弱
用户数
不受限制
受限制
定位实时性
较好
较差
通信链路
不需要
需要
移动台结构
相对复杂
相对简单
典型系统
G PS系统
北斗一代
VOoclt.o3b2e,rN, 2o0. 0170
Fi re
火力 Co nt ro l
与指挥控制 and Com mand
Con trol
文章编号: 1002-0640( 2007) 10-0030-04
第
32卷 第 10期 2007年 10月
区域增强导航定位系统的无线定位方法
胡泽明 ,王志刚 ,岳春生
2 无线定位类型
无线定位指利用无线电信号的若干个特征参数 的测量值和多个导航台的坐标计算出移动台的地理 位置。 目前无线定位类型分为两大类:
第一类: 由移动台 ( M S)主导的定位类型。 移动 台测量导航台的信号特征参数 ,在本地完成定位计 算 ,如 GPS系统。 这种定位类型移动台可以不辐射 电磁波 ,隐蔽性强 ,属于广播式系统 ,用户容量不受 限制 ,移动台本地计算定位实时性强 ,而且不需要专 门的通信链路。但移动台结构稍微复杂 ,需要有较强 的数据处理能力。
第二类: 由导航台 ( N S)主导的定位类型。 导航 台测量移动台的信号特征参数 ,在导航台完成移动 台定位计算 ,并通过通信链路将定位信息转发给移 动台 ,如我国的北斗一代系统。这种定位类型要求移 动台辐射电磁波 ,并在导航台集中完成位置计算 ,隐 蔽性差 ,用户容量有限 ,定位实时性差 ,抗毁能力弱 ,
(解放军信息工程大学 ,河南 郑州 450002)
摘 要: 导航与定位被誉为现代战争 的北斗星 ,在军事热点地区构建 区域增强导航定位 系统可以作为现役 导航定位系统 的备份和补充 ,可形成战场生命力更 强的综合导航定位系 统。 分别研究了无线定 位的基本类型和基 本定位方法 ,并综合比较 了它们的优缺点 ,提出移动台主导的定位类型和 T O A /T DO A 无线定位方法更适合区域增强导航定位系统。
理想情况下两直
线相交于一点 ,即移 动台位置 , 见图 4,不 产生位置模糊。 由于 测角 误差的影 响 ,移 动台并非精确位于交
点处 ,而是一个位置区域内 (如图 5中阴影区域 ,将 移动台测角误差等效到导航台绘制 ) ,可以采用最小 二乘法、最小距离误差估计法和增加新的测角值等 方法对移动台的位置进行精确估值。
非相交于一点 ,而是一个区域 ,移动台位于这个区域
内 (如图 3中阴影区域 ) ,可以采用最小二乘法或最
小距离误差估计法对移动台的位置进行精确估值。
信号场强测量法原理简单 ,信号可以采用非视
距传播 ,但定位误差较大 ,多径效应和通过障碍时产
生的阴影效应是产生定位误差的主要原因。 在传输
方向上 ,多径效应有时会使在相距仅 0. 5个波长的 两点上信号强度相差 30dB～ 40dB左右 ;克服阴影效 应的主要方法是预先测量每个移动台周围的信号功
( P L A I nf ormation Engineer University , Zhengzhou 450002, China )
Abstract: Navig atio n and Positi on is T rio nes i n modern wa r. Constructing an Area Aug mentati on Navig atio n Posi tio n System ( AAN PS) in mi li ta ry ho t a reas can be serv ed as standby and co mplem ent ari ty of present navig atio n and posi tion systems, which f orms a co mpositiv e navi gati on and po sitio n systemHale Waihona Puke Baidu w ith st ronger lif e-fo rce. This paper fi rst ly st udi es basic radio-lo cai t on t ypes and radi o-locai to n methods, secondly co mpa res thei r adva nt ages a nd disadv antag es, t hen draws t he co ncl usio n that mobile stati on dominant loca tion type and TO A / T DO A lo cati on metho d a re much fi t f or AAN PS.
· 3 2· (总第 32- 1178)
火力与指挥控制
2007年 第 10期
图 2 理想圆周定位法
图 3 非理想圆周定位法
圆周定位法计算移动台二维坐标需要三个导航
台 (其中一个导航台消除定位模糊 ) ,四个导航台可
以测量三维位置。理想情况下三圆相交于于一点 ,即
移动台位置 ,见图 2。由于测距误差的影响 ,定位圆并
AAN PS系 统在 美英等 发达国 家已有 成熟 系 统 ,如美国的联合战术信息分发系统 JT IDS、陆军位 置报告系统 P L RS等。 这些系统已与 GPS相互融合 形成了综合导航定位系统为美军服务 ,并在近几场 高技术局部战争中发挥着显著作用。 无线电定位是 AAN PS系统的基本功能 ,无线电定位类型和定位 方 法的选择对 AAN PS系统的结构配置、性能指标 和系统设计等有重大影响。 因此在给出 AAN PS系 统的基本组成后 ,本文重点研究了无线电定位类型 和定位方法 ,并综合比较了它们的优缺点 ,提出移动 台主导的定位类型和 T OA / T DOA无线定位方法更 适合 AAN P S系统。
关键词: 区域增强导航定位系统 ,无线定位 ,到达角度 ,到达时间 ,到达时间差。 中图分类号: TN 919 文献标识 码: A
The Radio-Location Method in Area Augmentation Navigation Position System
HU Ze-mi ng , W AN G Zhi-ga ng , YUE Chun-sheng
胡泽明 ,等: 区域增强导航定位系统的无线定位方法
( 总第 32- 1177) · 31·
1 AAN PS系统组成
AAN P S系统是无线电导 航定位系统 ,由导航 平台、空基导航平台和用户终端三部分组成。陆基导 航平台分布在陆地 (固定或者移动 ) ,是基准导航的 参考源 ,定时发布导航电文 ,为空基导航台和用户终 端服务。空基导航台分布在中低空 ,扩展陆基导航台 的服务范围 ,并可转发导航信号。 海上舰船、陆地车 辆、地面部队和空中飞机等用户终端接收陆基导航 平台和空基导航平台的导航数据 ,并测量导航电文 到达时间 TO A进行距离计算 ,然后基于优选策略选 择最佳导航平台组合作为有效导航源计算用户终端 的位置。 AAN P S系统组成如图 1所示:
测角定位方法原理简单 ,不要求导航台和移动 台间的精确时间同步 ,但在实际应用中有一些缺点。 首先 , AOA定位要求移动台与参与测量的所有导航 台 之 间 信 号 是 视 线 传 输 ( LO S)的 , 非 视 线 传 输 ( N LOS)和多径效应将会给 AO A定位带来不可预 测 的误 差。 其次 , 天线 设备角 分辨率 的限制 使得 AO A的测量精度随着导航台与移动台之间的距离
AAN PS系统中导航台信号采用直序扩频等频 谱扩展技术 ,使得信号抗干扰和抗截获能力强 ;导航 台网络采用冗余配置和自组网方案 ,战场生存能力 强 ;移动台分布在海上、陆地和空中 ,用户数很大 ,并 要求隐蔽性好 ,定位实时性强 ,因此移动台主导的定 位类型更可取。
3 无线定位方法
目前无线定位常用的信号特征参数有信号强度 SOA、信号到达角度 AO A、信号到达时间 TO A、信 号到达时间差 T DO A和 AO A+ T O A等复合参数。 在确认移动台主导的定位类型后 ,下文针对上述特 征参数进行的无线定位原理阐述 ,并选择出适合 AAN PS系统的无线定位方法。 3. 1 信号强度 SOA测量定位技术
率损耗等值线 ,移动台的机动性是很难实现的。 3. 2 信号方向 AOA测量定位技术
测量信号的到达角 度也是一种常用的定位技
术。 这种方法需要在移动台采用专门的天线阵列和 复杂的信号处理模块来测量导航台信号的来源方 向。 对于一个移动台来讲 , AO A测量可以得出导航 台所在方向 ; 当移动台同时测量两个导航台所发出 的 信号时 ,根据 AO A值可以得到两条方向直线 ,它 们的交点就是移动台所在的位置。
信号强度是信号的常用特征参数 ,测量接收到 的无线信号强度是实现无线定位的一种 常用的方
法。受气象条件等因素的影响 ,信号通过大气传播时 要衰减。 确定无线信道传输模型后信号衰减与距离 远近可以用数学函数定量描述 ,据此可以画出信号 的等距离强度曲线。 这样根据多个距离值可以估算 移动台的位置。设移动台 M S通过测量导航台 N Si 的 信号功率 ,并参考它们之间无线信道传输模型 ,计算 出移动台到导航台的距离为 di。 这样 M S必处于以 N Si 为圆心 , di 为半径的圆周上。当移动台采用 N ( N ≥ 3)个导航台同时进行测距时 ,通过三圆几何关系 即可求出移动台的位置。 在平面直角坐标系中移动
收稿日期: 2006-01-10 修回日期: 2006-10-07 作者 简介: 胡 泽 明 ( 1977- ) ,男 ,河南 新 县人 ,博士 研 究
生 ,研究 方向为战术 通信网、组合导航、嵌入 式 GI S和数据融合等。
区构建区域增强导航定位系统 ( AANP S)是必要的 , 可以作为现役导航定位系统的补充和备份 ,并形成 可靠性更高、抗干扰抗摧毁能力更强的综合导航定 位系统 ,在战时能提供可靠的导航定位服务功能。
Key words: area augmenta tion nav iga ti on posi ti on system , radi o-locatio n, a ngl e of arriv al, time of a rriva l, tim e dif ference of a rriv al
图 1中 BSi为编号为 i 的陆基导航台 , pBSj为编 号为 j 的空基导航台 , M S为用户终端。 AAN P S系 统通过直序扩频、跳频和跳时等混合扩频技术提高 抗干扰和抗截获能力 ,同时导航平台采用冗余配置 结构和无节点拓扑网络结构提高抗摧毁能力 ,因此 系统战场生存能力强。
台定位方程为: ( x - xi ) 2+ ( y - yi ) 2+ ( z - zi ) 2= di2 , i= 1,… , n
( 1) 式中 ( x , y , z ) , ( xi , yi , zi ) , di 分别为移动台坐标 位置 ,已知导航台 i 的坐标位置和 SOA测量法求出 的移动台和导航台 i 的距离。
引 言
导航与定位功能在地质考察、舰船航行、异地旅 行和作战指挥等活动中发挥着重要作用。 导航定位 系统发展至今 ,出现了塔康、罗兰和奥米加等陆基无 线 电导 航 定 位系 统 , 而 美 国的 GPS 和 俄 罗斯 的 GLON ASS卫星定位系统是导航定位系统发展史上 的里程碑 ,具有覆盖范围广、定位精度高、全天候工 作的良好特性。 现役卫星导航定位系统和陆基无线 电 导航 定 位系 统 都 存在 着 抗 干 扰、 抗摧 毁 能 力弱 的 不足。 当地区发生冲突现役导航定位系统受到干扰 或者被摧毁时 ,其提供服务功能将失效 ,这种状况为 军队赢得战争提出了严峻挑战 ,因此在军事热点地
而且每个用户都有唯一的身份识别码。 但移动台结 构较为简单 ,除了作为终端使用外 ,还可以作为伪导 航台使用。
表 1 M S主导型和 N S主导型比较
定位类型
M S主导型
N S主导型
隐蔽性
强
弱
用户数
不受限制
受限制
定位实时性
较好
较差
通信链路
不需要
需要
移动台结构
相对复杂
相对简单
典型系统
G PS系统
北斗一代
VOoclt.o3b2e,rN, 2o0. 0170
Fi re
火力 Co nt ro l
与指挥控制 and Com mand
Con trol
文章编号: 1002-0640( 2007) 10-0030-04
第
32卷 第 10期 2007年 10月
区域增强导航定位系统的无线定位方法
胡泽明 ,王志刚 ,岳春生
2 无线定位类型
无线定位指利用无线电信号的若干个特征参数 的测量值和多个导航台的坐标计算出移动台的地理 位置。 目前无线定位类型分为两大类:
第一类: 由移动台 ( M S)主导的定位类型。 移动 台测量导航台的信号特征参数 ,在本地完成定位计 算 ,如 GPS系统。 这种定位类型移动台可以不辐射 电磁波 ,隐蔽性强 ,属于广播式系统 ,用户容量不受 限制 ,移动台本地计算定位实时性强 ,而且不需要专 门的通信链路。但移动台结构稍微复杂 ,需要有较强 的数据处理能力。
第二类: 由导航台 ( N S)主导的定位类型。 导航 台测量移动台的信号特征参数 ,在导航台完成移动 台定位计算 ,并通过通信链路将定位信息转发给移 动台 ,如我国的北斗一代系统。这种定位类型要求移 动台辐射电磁波 ,并在导航台集中完成位置计算 ,隐 蔽性差 ,用户容量有限 ,定位实时性差 ,抗毁能力弱 ,
(解放军信息工程大学 ,河南 郑州 450002)
摘 要: 导航与定位被誉为现代战争 的北斗星 ,在军事热点地区构建 区域增强导航定位 系统可以作为现役 导航定位系统 的备份和补充 ,可形成战场生命力更 强的综合导航定位系 统。 分别研究了无线定 位的基本类型和基 本定位方法 ,并综合比较 了它们的优缺点 ,提出移动台主导的定位类型和 T O A /T DO A 无线定位方法更适合区域增强导航定位系统。
理想情况下两直
线相交于一点 ,即移 动台位置 , 见图 4,不 产生位置模糊。 由于 测角 误差的影 响 ,移 动台并非精确位于交
点处 ,而是一个位置区域内 (如图 5中阴影区域 ,将 移动台测角误差等效到导航台绘制 ) ,可以采用最小 二乘法、最小距离误差估计法和增加新的测角值等 方法对移动台的位置进行精确估值。
非相交于一点 ,而是一个区域 ,移动台位于这个区域
内 (如图 3中阴影区域 ) ,可以采用最小二乘法或最
小距离误差估计法对移动台的位置进行精确估值。
信号场强测量法原理简单 ,信号可以采用非视
距传播 ,但定位误差较大 ,多径效应和通过障碍时产
生的阴影效应是产生定位误差的主要原因。 在传输
方向上 ,多径效应有时会使在相距仅 0. 5个波长的 两点上信号强度相差 30dB～ 40dB左右 ;克服阴影效 应的主要方法是预先测量每个移动台周围的信号功
( P L A I nf ormation Engineer University , Zhengzhou 450002, China )
Abstract: Navig atio n and Positi on is T rio nes i n modern wa r. Constructing an Area Aug mentati on Navig atio n Posi tio n System ( AAN PS) in mi li ta ry ho t a reas can be serv ed as standby and co mplem ent ari ty of present navig atio n and posi tion systems, which f orms a co mpositiv e navi gati on and po sitio n systemHale Waihona Puke Baidu w ith st ronger lif e-fo rce. This paper fi rst ly st udi es basic radio-lo cai t on t ypes and radi o-locai to n methods, secondly co mpa res thei r adva nt ages a nd disadv antag es, t hen draws t he co ncl usio n that mobile stati on dominant loca tion type and TO A / T DO A lo cati on metho d a re much fi t f or AAN PS.
· 3 2· (总第 32- 1178)
火力与指挥控制
2007年 第 10期
图 2 理想圆周定位法
图 3 非理想圆周定位法
圆周定位法计算移动台二维坐标需要三个导航
台 (其中一个导航台消除定位模糊 ) ,四个导航台可
以测量三维位置。理想情况下三圆相交于于一点 ,即
移动台位置 ,见图 2。由于测距误差的影响 ,定位圆并
AAN PS系 统在 美英等 发达国 家已有 成熟 系 统 ,如美国的联合战术信息分发系统 JT IDS、陆军位 置报告系统 P L RS等。 这些系统已与 GPS相互融合 形成了综合导航定位系统为美军服务 ,并在近几场 高技术局部战争中发挥着显著作用。 无线电定位是 AAN PS系统的基本功能 ,无线电定位类型和定位 方 法的选择对 AAN PS系统的结构配置、性能指标 和系统设计等有重大影响。 因此在给出 AAN PS系 统的基本组成后 ,本文重点研究了无线电定位类型 和定位方法 ,并综合比较了它们的优缺点 ,提出移动 台主导的定位类型和 T OA / T DOA无线定位方法更 适合 AAN P S系统。
关键词: 区域增强导航定位系统 ,无线定位 ,到达角度 ,到达时间 ,到达时间差。 中图分类号: TN 919 文献标识 码: A
The Radio-Location Method in Area Augmentation Navigation Position System
HU Ze-mi ng , W AN G Zhi-ga ng , YUE Chun-sheng
胡泽明 ,等: 区域增强导航定位系统的无线定位方法
( 总第 32- 1177) · 31·
1 AAN PS系统组成
AAN P S系统是无线电导 航定位系统 ,由导航 平台、空基导航平台和用户终端三部分组成。陆基导 航平台分布在陆地 (固定或者移动 ) ,是基准导航的 参考源 ,定时发布导航电文 ,为空基导航台和用户终 端服务。空基导航台分布在中低空 ,扩展陆基导航台 的服务范围 ,并可转发导航信号。 海上舰船、陆地车 辆、地面部队和空中飞机等用户终端接收陆基导航 平台和空基导航平台的导航数据 ,并测量导航电文 到达时间 TO A进行距离计算 ,然后基于优选策略选 择最佳导航平台组合作为有效导航源计算用户终端 的位置。 AAN P S系统组成如图 1所示:
测角定位方法原理简单 ,不要求导航台和移动 台间的精确时间同步 ,但在实际应用中有一些缺点。 首先 , AOA定位要求移动台与参与测量的所有导航 台 之 间 信 号 是 视 线 传 输 ( LO S)的 , 非 视 线 传 输 ( N LOS)和多径效应将会给 AO A定位带来不可预 测 的误 差。 其次 , 天线 设备角 分辨率 的限制 使得 AO A的测量精度随着导航台与移动台之间的距离
AAN PS系统中导航台信号采用直序扩频等频 谱扩展技术 ,使得信号抗干扰和抗截获能力强 ;导航 台网络采用冗余配置和自组网方案 ,战场生存能力 强 ;移动台分布在海上、陆地和空中 ,用户数很大 ,并 要求隐蔽性好 ,定位实时性强 ,因此移动台主导的定 位类型更可取。
3 无线定位方法
目前无线定位常用的信号特征参数有信号强度 SOA、信号到达角度 AO A、信号到达时间 TO A、信 号到达时间差 T DO A和 AO A+ T O A等复合参数。 在确认移动台主导的定位类型后 ,下文针对上述特 征参数进行的无线定位原理阐述 ,并选择出适合 AAN PS系统的无线定位方法。 3. 1 信号强度 SOA测量定位技术
率损耗等值线 ,移动台的机动性是很难实现的。 3. 2 信号方向 AOA测量定位技术
测量信号的到达角 度也是一种常用的定位技
术。 这种方法需要在移动台采用专门的天线阵列和 复杂的信号处理模块来测量导航台信号的来源方 向。 对于一个移动台来讲 , AO A测量可以得出导航 台所在方向 ; 当移动台同时测量两个导航台所发出 的 信号时 ,根据 AO A值可以得到两条方向直线 ,它 们的交点就是移动台所在的位置。
信号强度是信号的常用特征参数 ,测量接收到 的无线信号强度是实现无线定位的一种 常用的方
法。受气象条件等因素的影响 ,信号通过大气传播时 要衰减。 确定无线信道传输模型后信号衰减与距离 远近可以用数学函数定量描述 ,据此可以画出信号 的等距离强度曲线。 这样根据多个距离值可以估算 移动台的位置。设移动台 M S通过测量导航台 N Si 的 信号功率 ,并参考它们之间无线信道传输模型 ,计算 出移动台到导航台的距离为 di。 这样 M S必处于以 N Si 为圆心 , di 为半径的圆周上。当移动台采用 N ( N ≥ 3)个导航台同时进行测距时 ,通过三圆几何关系 即可求出移动台的位置。 在平面直角坐标系中移动
收稿日期: 2006-01-10 修回日期: 2006-10-07 作者 简介: 胡 泽 明 ( 1977- ) ,男 ,河南 新 县人 ,博士 研 究
生 ,研究 方向为战术 通信网、组合导航、嵌入 式 GI S和数据融合等。
区构建区域增强导航定位系统 ( AANP S)是必要的 , 可以作为现役导航定位系统的补充和备份 ,并形成 可靠性更高、抗干扰抗摧毁能力更强的综合导航定 位系统 ,在战时能提供可靠的导航定位服务功能。
Key words: area augmenta tion nav iga ti on posi ti on system , radi o-locatio n, a ngl e of arriv al, time of a rriva l, tim e dif ference of a rriv al