全球定位系統(tǒng)與無線定位技術(shù)

1、全球定位系統(tǒng)與無線定位技術(shù)報告人：馮興樂 日期：2001.5.18主要內(nèi)容nGPS概述nGPS定位原理nGPS接收機(jī)工作原理n無線定位概述n定位誤差源及解決辦法GPS概述(1)n系統(tǒng)組成1.星座部分。24顆衛(wèi)星分布在六個平面，采用碼分多址區(qū)分衛(wèi)星。2.控制部分。1.主控站（1個）從各監(jiān)測站收集數(shù)據(jù)，計算衛(wèi)星軌道參數(shù)和鐘參數(shù)，并進(jìn)行衛(wèi)星控制。2.監(jiān)測站（5個）配置精密銫原子鐘，能連續(xù)測量衛(wèi)星偽距，和已知的位置信息進(jìn)行對比，得到電離層參數(shù)和對流層參數(shù)，平滑后發(fā)給主控站。3.注入站（3個）將主控站送來衛(wèi)星軌道參數(shù)和鐘參數(shù)以S波段上行注入到各衛(wèi)星。3.用戶接收機(jī)部分GPS概述(2)n偽碼擴(kuò)頻n美國的G

2、PS 限制政策nSA(Select Availability)nA-S(Anti-Spoofing)含義碼速率碼長度(bit)重復(fù)周期C/A碼Coarse acquisition1.023MHz10231msP碼Precise/protected10.23MHz1.53107266天GPS概述(3)n特點(diǎn)n全天候，全球覆蓋n高精度 定位精度（95%概率）水平(m) 垂直(m)速度(m/s)時間(us)未加SA30450.20.2加SA1001560.30.34GPS定位原理(1)n偽距：用戶測得距離等于接收到信號的時刻與從電文中恢復(fù)的衛(wèi)星鐘所記錄的發(fā)射時刻之差乘以光速，因為衛(wèi)星鐘和用戶鐘不同步

3、，故所測距離不準(zhǔn)確，稱為偽距。tCRPRtCzzyyxxPRiiii222)()()(PR :偽距R：實際距離C:光速t:衛(wèi)星鐘和用戶鐘的時差 xi,yi,zi : 第i顆衛(wèi)星的坐標(biāo)x,y,z: 用戶的坐標(biāo)i：（0,1,2,3）GPS定位原理(2)n偽距測量方法n偽碼測距。用戶恢復(fù)的衛(wèi)星鐘和用戶鐘之鐘差所對應(yīng)的碼片時間乘以光速。n載波相位測距。利用調(diào)制載波相位，載波頻率是碼速率的1500倍，故精度更高。n積分多卜勒測距。對比有無多卜勒頻移情況下的偽距差。GPS接收機(jī)工作原理(1)n基帶信號n偽隨機(jī)碼n擴(kuò)頻碼n調(diào)制后)(tD)(tAC)()(tACtD)cos()()(ttACtDcn 每個接收

4、機(jī)有多個相關(guān)通道，每個通道有三種工作狀態(tài)（搜索，牽引和跟蹤），每個通道有兩個鎖定環(huán)路（載波環(huán)和碼環(huán)）GPS接收機(jī)工作原理(2)累加計數(shù)器累加計數(shù)器累加計數(shù)器累加計數(shù)器cpu bus碼初相計數(shù)器碼數(shù)控振蕩器C/A碼發(fā)生器載波數(shù)控振蕩器Q(n)抖動Q(n)對準(zhǔn)I(n)對準(zhǔn)I(n)抖動抖動C/A碼對準(zhǔn)C/A碼1.4MHz數(shù)據(jù)流)cos(tc)sin( tc相關(guān)通道方框圖鐘頻QIQ對準(zhǔn)I對準(zhǔn)I抖動Q抖動GPS接收機(jī)工作原理(3)n跟蹤工作狀態(tài)n假設(shè)條件n本地碼相位和衛(wèi)星碼相位保持同相n本地載波頻率和衛(wèi)星信號頻率保持相等，相位差為n載波環(huán)e)()(cos)()(tACtDtACtDIeeetACtDtA

5、CtDQ)()(sin)()()(tDI對準(zhǔn)etDQ)(對準(zhǔn) eetDtDQI)()(對準(zhǔn)對準(zhǔn)反映載波同步的相位誤差，以此控制載波數(shù)控振蕩器，保持載波鎖定。eGPS接收機(jī)工作原理(4)etACtACtDIcos)()()(20超前n碼環(huán)etACtACtDQsin)()()(20超前etACtACtDQsin)()()(20滯后etACtACtDIcos)()()(20滯后)()()(2200tACtACRc)()()(2200tACtACRc)(0cR表示C/A碼的自相關(guān)函數(shù)令GPS接收機(jī)工作原理(5) )(22220cRQI超前超前 )(22220cRQI滯后滯后 2222滯后滯后超前超前Q

6、IQI上式反映本地碼和衛(wèi)星碼相關(guān)的程度，差值大小表示偏離的程度，差值符號表示偏離的方向，利用這一差值控制偽碼數(shù)控振蕩器，使本地碼和衛(wèi)星碼保持相位同步。)(20cR)(20cR0020020)(cR)()(222200ccRRGPS接收機(jī)工作原理(6)n搜索工作狀態(tài)nGPS衛(wèi)星大約12小時繞地球一周，由于衛(wèi)星和接收機(jī)存在徑向運(yùn)動，就會產(chǎn)生多卜勒頻移fd，對于中低動態(tài)用戶， fd6KHz，因而接收到的衛(wèi)星信號頻率為1575MHz fd，經(jīng)過混頻抽樣后，數(shù)據(jù)流速率為14 05 6KHz, 搜索過程是載波頻率搜索和碼片搜索同時進(jìn)行，稱為二維搜索。n先確定載波頻率（在12KHz范圍內(nèi)，每500Hz為一搜

7、索間隔） 再確定C/A碼（對應(yīng)24顆衛(wèi)星）計算 ，若大于門限，則跳出循環(huán)，否則碼片移位（1023個碼片）22)()(nQnIGPS接收機(jī)工作原理(7)n牽引工作狀態(tài)n和跟蹤狀態(tài)類似，啟動載波環(huán)和碼環(huán)，這時的移動間隔較小，直到 達(dá)到最大。n數(shù)據(jù)解調(diào)計算n當(dāng)通道處于跟蹤狀態(tài)時，每1ms(C/A序列周期）讀取累加計數(shù)器輸出I(n)對準(zhǔn)數(shù)據(jù)，若連續(xù)20次均為正，則判斷數(shù)據(jù)1，最后利用這些電文序列進(jìn)行定位計算。22)()(nQnI無線定位概述(1)n自主定位系統(tǒng) 基于網(wǎng)絡(luò) 定位系統(tǒng)來波方向定位（DOA/AOA)來波時間定位信號到達(dá)時間定位(TOA)信號到達(dá)時間差定位(TDOA)來波強(qiáng)度定位無線定位概述(

8、2)n利用信號強(qiáng)度定位n精度較差，需知發(fā)射功率和接收功率。n利用信號方向定位n精度較差，需兩個基站就可定位，采用陣元天線。da1BS1BS2MSa2a/cos2ad相位差陣元1陣元2無線定位概述(3)n利用信號時間定位nTOA(time of arrival) 需要MS和BS時間同步，三圓確定一點(diǎn)nTDOA(time difference of arrival) 需要各BS時間同步，三條雙曲線確定一點(diǎn)。由于易于實現(xiàn)，成為無線定位的首選方案。n求時間差TBATBAdttStSC01,)()()()(tSA)(tSB基站A接收信號基站B接收信號尋找使上式最大的 值就是延遲時間，由于測量誤差，三圓（

9、雙曲線）不可能交于一點(diǎn)，只是一個區(qū)域。一般采用Least squares法進(jìn)行定位計算。無線定位概述(4)20200)()()()(yyxxCXfiiii0y0 xixiy移動臺坐標(biāo)第i個基站坐標(biāo)0i移動臺發(fā)射信號時刻N(yùn)iiiXfaXF122)()(XTyx),(000ia第i個基站接收信號的權(quán)重第i個基站接收信號時刻F(X)的最小值對應(yīng)的移動臺坐標(biāo)就是最終的定位坐標(biāo)nLeast squares法定位誤差源及解決辦法(1)n多徑傳播chip反饋量1-1無多徑傳播有多徑傳播定位誤差源及解決辦法(2)nNLOS(Non Line of Sight)n由于非視距傳播距離長,延時長,測出的延時方差大,

10、可通過減小該基站在計算中所占權(quán)重,利用上一時刻測量值進(jìn)行調(diào)整.n多址干擾n各種定位方法都需要至少三個基站同時收到,由于功率控制,本小區(qū)的移動臺不能被相鄰小區(qū)的基站接收,可采用Power UP Function ,定期增大移動臺的發(fā)射功率,以便其它基站可以接收.參考文獻(xiàn)n干國強(qiáng).導(dǎo)航與定位 .2000; 北京：國防工業(yè)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.MobilestationlocatinginGSM.InProceedingsofthe1995IEEEWirelessCommunicationSystemSymposium.IEEE,New York, NY, USA; 1995;