刍议无线定位技术的物理基础

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摘 要：无线定位作为无线技术的一项重要应用，近年来发展迅猛，被广泛应用于导航、虚拟实现和军事目标定位等方面。由于无线定位技术受到越来越多的关注，也就推动了对无线定位技术的研究及测距技术的发展。本文主要本对几种常用的无线定位技术进行了深入分析和讨论，研究无线定位技术的物理原理，讨论了几种常用的无线定位方案。

关键词：无线定位、到达时间(TOA)、 到达时间差(TDOA)

中图分类号：G876文献标识码：A 文章编号：

一、前言

无线定位技术是利用WiFi技术的射频识别和传感器等设备，通过测量接收到的无线电波的时间、幅度、相位等参数，根据相关算法判断被测物体的位置，实现定位、监测和追踪特定目标位置。无线定位三种典型的基本定位技术分别是：场强法、基于电波传播时间( TOA 或 TDOA ) 的定位法、基于电波入射角( AOA ) 的定位法。无线定位技术是第三代移动通信的重要技术之一，已得到了欧洲电信标准化组织( ETSI )、美国电信电子行业协会(TIA / EA)和世界各大通信公司的广泛重视。

二、典型的基本无线定位方法

无线定位系统中对移动台的定位是通过分析移动台及固定接收机之间传播信号的参数来估计移动台的确切位置。现有的定位系统按移动通信结构分为基于移动通信网络的无线定位、基于移动台的无线定位、混合定位等。

1. 基于移动台的定位系统

这类系统也称为移动台自定位系统，在蜂窝网络中也叫做前向链路定位系统。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某种与移动台位置有关的特征信息来确定其与各发射机之间的几何位置关系， 再根据有关算法对其自身位置进行定位估计，由移动台用户掌握其自身的位置信息。单从技术角度讲，这种技术更容易提供比较精确的用户定位信息，它可以利用现有的一些定位系统。但这类技术需要在移动站上增加新的硬件，这将对移动站的尺寸和成本带来不利的影响。

2. 基于网络的定位系统

这类系统在蜂窝网络中也叫做反向链路定位系统。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，将从各接收信号携带的某种与移动台位置有关的特征信息送到一个信息处理中心进行处理， 计算出移动台的估计位。这种解决方案需要对现存的基站、交换中心做出某种程度的改进，但它可以兼容现有的终端设备。其可选用的具体实现技术主要包括：测量信号方向的定位技术、测量信号功率的定位技术、测量信号传播时间特性的定位技术。由于第二类的解决方案能更好的利用现有的网络及其终端设备，因而具有更广泛的应用前景。

3. 混合定位

该法是在系统中同时利用不同类型的信号特征测量值，如TOA / AOA、 TDOA /AOA，甚至是GPS作为辅助，进行定位估计。由于该解决方案能更好的利用现有的网络及其终端设备，因而具有更广泛的应用前景。

从上述各定位系统的基本特征可以看出，在蜂窝网络中采用基于移动台的前向链路定位方案必须对现有移动台进行适当修改， 如集成完整 GPS 的接收机或能同时接收多个基站信号进行自定位的处理部件，虽然定位精度高，用户对定位信息有绝对的控制权，但是成本昂贵。基于网络的反向链路定位方案只需对蜂窝网络设备作适当扩充、修改，不需要对现有移动台作任何修改，能充分利用现有各种蜂窝系统的大量资源，是一种较为可取的方案。

三、典型的基本无线定位方法

1.场强定位法

这种方法是通过测出接收信号的功率和已知的信道衰落模型及发射信号的场强值估算出收发信机间的距离， 根据多个距离值即能估计出目标移动台的位置。一次场强测量把移动台(即定位目标)约束在围绕基站的轨迹圆上，圆的半径由场强值确定。由于通常两个圆交点为两个，因此一般必须通过三个基站来确定目标位置。在实际应用的系统中，为了克服远近效应，必须要采用功率控制，所以在理想情况下，网络接收到的移动台功率是相同的，这时移动台必须以足够高的精度告知基站其发射信号的功率，基站再由接收到的信号功率计算出信号传输过程中的损耗，进而推算出移动站到基站的距离估值，实现对无线用户的定位。

2.基于电波传播时间( TOA 或 TDOA ) 的定位法

基本物理原理是通过测出电波从发射机传播到多个接收机的传播时间或时间差来确定目标移动站的位置。原理是电波从发射机传播到接收机的距离与电波传播时间成正比。根据几何原理，以三个基站为圆心，移动台为圆上一点，可以确定三个圆，圆半径等于测量到的往返时间的一半乘以光速，三圆相交即可估计目标位置。这就是 TOA 定位，可以看出，接收机需要知道信号传输的开始时刻才能测量往返时间，因而要求参与定位的所有设备有非常严格的时钟同步。对于 TDOA ，若移动台MS到基站BS1、BS2、BS3的距离为d1、d2、d3 ，则只要知道基站BS1、BS2与移动台之间的距离差r1= d1-d2， 就可以确定一条以两个基站为焦点，与两个焦点的距离差恒为 r1 的双曲线。r1 可以通过测量到达时间差来得到，根据多个 TDOA 数据对应的多条双曲线的交点就能估计目标位置。 这样只需要参与定位的基站有严格的时钟同步而不要求移动台也严格同步，降低了同步要求。以上基于时间的定位法若直接利用 TOA 或 TDOA 估计值求解上述非线性的定位圆或定位双曲线方程组来确定移动台的位置通常比较困难，在有一定时间测量误差时由于各定位圆或定位双曲线可能没有交点而不能进行正常定位， 实际应用中通常采用 LS(最小二乘)误差算法， 通过使非线性误差函数的平方和取得最小这一非线性最优化来估计移动台位置。TOA测量要求MS的发射与所有基站的接收精确同步，并且在其发射信号中要包含发射时间标记以便接收基站信号到达时间确定信号所传播的距离。TDOA测量的是MS发射的信号到达不同BS的传播时间差而不是确切的传播时间，因此不需要MS与BS间的精确同步，也不需要在其发射信号中加上发射时间标记，即不需增加上行链路的数据量。

3.基于电波入射角（ AOA ）的定位法

AOA技术在两个以上的位置点放置4至12组天线阵列，以确定移动台发送信号相对于基站的角度，以此构成基站到移动台的直接连线，两线的交汇处即为待定位移动台的位置。AOA系统结构简单，只需2个基站即可实现定位；但要求天线阵具有高度灵敏度和高空间分辨率。在障碍物较少的开阔地区可以获得较高的定位精度，但在建筑物物密集的环境中，受多径传输效应的影响，定位精度下降。同时随着终端和基站距离的增加，定位精度也会受影响而逐渐降低。为了减小多径干扰的影响，AOA技术必需使用智能方向天线。基于实现复杂和设备成本的原因，AOA技术尚未在城市蜂窝定位系统中广泛应用。

四、结束语

不管是室外定位还是室内定位都有其优势也有其局限性，其造成定位误差的主要原因有多径传播、非视距传播、多址干扰及远近效应等。如TOA和TDOA的到达时间、AOA的到达角会受到由多径和其它环境因素所引起的无线信号波阵面扭曲的影响。如何采取适当措施降低这些因素的影响，是提高定位精度的关键。未来定位技术的发展一定是广域定位和短距离定位相结合，既能提高响应速度，又可以覆盖较广的范围，实现无缝的、高精确定位。

参考文献

1.谢展鹏、熊思民、徐志强.无线定位技术及其发展. 现代通信. 2004年第3期

2.阎啸天、于蓉蓉、武威.无线网络定位技术.中国移动官网. 2011-03-14

3.吴雨航、吴才聪、陈秀万. 介绍几种室内定位技术.中国测绘报. 2008-01-29