无线定位系统原理及应用

1、基于基于GPSGPS的定位技术的定位技术GPS是英文是英文Global Positioning System（全球定位系统全球定位系统）的简称。）的简称。GPS起始起始于于1958年美国军方的一个项目，年美国军方的一个项目，1964年投入使用。年投入使用。20世纪世纪70年代，年代，美国陆海空三军联合研制了新一代美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统卫星定位系统GPS 。主要目的是为陆。主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，经过

2、事目的，经过20余年的研究实验，余年的研究实验，耗资耗资300亿美元，到亿美元，到1994年，全球覆年，全球覆盖率高达盖率高达98%的的24颗颗GPS卫星星座己卫星星座己布设完成。布设完成。 概述概述利用利用GPS定位卫星，在全球范围内实时进行定定位卫星，在全球范围内实时进行定位、导航的系统，称为全球卫星定位系统，简位、导航的系统，称为全球卫星定位系统，简称称GPS 。GPS功能必须具备功能必须具备GPS终端、传输网络和监控平台三个要终端、传输网络和监控平台三个要素；这三个要素缺一不可；通过这三个要素，可以提供素；这三个要素缺一不可；通过这三个要素，可以提供车辆定位、防盗、反劫、行驶路线监控及

3、呼叫指挥等功车辆定位、防盗、反劫、行驶路线监控及呼叫指挥等功能。能。 GPS系统的前身是美军研制的一种子午仪卫星定位系统（Transit），1958年研制，1964年正式投入使用。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。 基本工作原理基本工作原理GPS导航系统导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星

4、的位置可以根据星载时钟所记录的时置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（伪距（PR）：当）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用卫星正常工作时，会不断地用1和和0二进制码二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射元组成的伪随机码（简称伪码）发射导

5、航电文导航电文。GPS系统系统使用的使用的伪码一共有两种，分别是民用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码码和军用的和军用的P(Y）码。）码。 当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。标系中的位置速度等信息便可得知。 GPS定位原理定位原理GPS定位的基本原理是根据高速运动的

6、卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式） 主要功能主要功能1.空间位置服务空间位置服务定位导航定位导航 测量测量2、时间服务、时间服务系统同步授时系统同步授时组成部分组成部分1.空间部分空间部分GPS的空间部分是由24颗卫星组成（21颗工作卫星；3颗备用卫星），它位于距地表20200km的上空，均匀分布在6 个轨道面上（每个轨道面4 颗），轨道倾角为55。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4

7、 颗以上的卫星，并能在卫星中预存导航信息，GPS的卫星因为大气摩擦等问题；随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。 2. 地面控制系统地面控制系统地面控制系统由监测站(Monitor Station）、主控制站（Master Monitor Station）、地面天线（Ground Antenna）所组成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市（Colorado Spring）。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息，并计算卫星星历、相对距离，大气校正等数据。 3.用户设备部分用户设备部分GPS特点特点（1）全球全天候定位）全球全天候定位（2）定位精度高）定位精度高（3）观测时间短）观测时间短（4）测站间无

8、需通视）测站间无需通视（5）仪器操作简便）仪器操作简便（6）可提供全球统一的三维地心坐标）可提供全球统一的三维地心坐标（7）应用广泛）应用广泛GPS接收机的用途分类接收机的用途分类1 导航型接收机此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。这类接收机一般采用C/A码伪距测量，单点实时定位精度较低，一般为10m，有SA影响时为100m。这类接收机价格便宜，应用广泛。根据应用领域的不同，此类接收机还可以进一步分为：车载型用于车辆导航定位；航海型用于船舶导航定位；航空型用于飞机导航定位。由于飞机运行速度快，因此，在航空上用的接收机要求能适应高速运动。星载型用于卫星的导航定位。

9、由于卫星的速度高达7km/s以上，因此对接收机的要求更高。2 测地型接收机测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度高。仪器结构复杂，价格较贵。3 授时型接收机这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步。 GPS前景前景由于由于GPS技术技术所具有的全天候、高精所具有的全天候、高精度和自动度和自动测量测量的特点，作为先进的测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域

10、用领域 。基于地面网的定位技术1.Cell ID及Cell ID+TA/R2. 基于时间的定位Cell ID及Cell ID+TA/R 当移动台处于移动网络时，利用移动系统HLR或VLR中关于移动台所属小区的小区识别号（cell id），可得知移动台位于该小区的服务范围内。只要系统能够把该小区基站设置的中心位置和小区的覆盖半径发给移动台，移动台就能知道自己处在什么地方，查询数据库即可获取位置信息。 Cell ID定位是最简单的定格方法，不需要改动网络和移动台，易于实现，有很好的覆盖性和可靠性，且响应速度快，整个定位过程只需1s左右。缺点是定位精确度不够高，且依赖于基站覆盖区域的大小，在基站分布

11、较少的地区如郊区和农村很难获得理想的定位精确度。TOA（time of arrival）TDOA(time difference of arrival)基于时间的定位TOA定位法定位法（三圆相交定位法）（三圆相交定位法）TOA定位法利用移动台与3个不同基站之间的信号传播时间来定位。电波传播速度已知为c，假设某基站和移动台之间的信号传播时间为t，则移动台位于以基站位置为中心，以ct为半径的圆上。若有三个基站接受到移动台发出的同一信号，即可产生三个这样的圆，而移动台位于三个圆的交点上。双曲线定义：定义：我们把平面内与两个定点F1,F2的距离的差的绝对值等于一个常数的轨迹称为双曲线。定义定义1：平面

12、内，到两个定点的距离之差的绝对值绝对值为常数（小于这两个定点间的距离1）的点的轨迹称为双曲线双曲线。定义定义2：平面内，到给定一点及一直线的距离之比为大于1的常数的点的轨迹称为双曲线双曲线。定义定义3：一平面截一圆锥面，当截面与圆锥面的母线不平行，且与圆锥面的两个圆锥都相交时，交线称为双曲线。定义定义4：在平面直角坐标系中，二元二次方程f(x,y)=ax2+bxy+cy2+dx+ey+f=0满足以下条件时，其图像为双曲线。1.a、b、c不都是零.2. b2 - 4ac 0.3.a2+b2=c2在高中的解析几何中，学到的是双曲线的中心在原点，图像关于x，y轴对称的情形。这时双曲线的方程退化为：x

13、2/a2 - y2/b2 = 1.上述的四个定义是等价的，并且根据建好的前后位置判断图像关于x，y轴对称。OTDOA（Observed Time Difference of Arrival）CPS剑桥定位系统公司剑桥定位系统公司AFLT(Advanced Forward Link Trilateration)SnapTrackCel-locateCelloc定位系统定位系统运行公司运行公司TDOA定位法定位法（双曲线定位法）（双曲线定位法）TDOA定位法根据TOA值的差来确定移动台的位置。由移动台与两个不同基站之间的TOA差值可以建立以2个基站位置为焦点的双曲线方程，若有三个不同的基站，则可以

14、建立两个双曲线方程，求解双曲线的焦点即可得知移动台的位置。TDOA定位法与TOA定位较之的优势：TDOA不需要像TOA那样，使基站和移动台之间保持同步，降低了同步要求，还可以消除或减少在所有接收机上由于新到产生的共同误差，因此可以获得比TOA更高的定位精确度。双曲线定义TDOA的现行应用技术和系统3.基于方位的定位 方位测量定位方法（AOA）本方法是通过基站接收机天线或天线阵列测出移动台发射电波的入射角，从而构成一根从接收机到移动台的径向连线。利用两个或两个以上的接收机提供的AOA测量值，按AOA定位算法确定多条方位线的交点，即为待定位移动台的估计位置。 优点：所需基站较少，只要2个基站就可以

15、实现定位。 缺点：需要基站天线阵列的支持，实现比较复杂，投资较大。受多径传播的影响较大，不适用于高楼林立的城市地区。4.基于特征相关的定位 基于特征相关的定位也叫指纹定位也称数据相关定位，它为不同位置发出的信号特征参数建立数据库，通过将实际接收信号与数据库进行对比来实现移动台定位。指纹定位实施阶段 1.数据采集阶段，主要工作时采集所需定位区域个位置的信号参数，形成位置指纹数据库，每一个指纹信息对应一个特定的位置。 2.实施阶段及完成定位阶段，通过接收机测定接受信号参数与数据库的数据想匹配，确定实际位置。 优点：所需定位基站少，定位精度较高，且不需改动移动台。 缺点：前期工作量大，且不适于环境变

16、化较快的区域。混合定位技术 混合定位技术：将基于GPS和基于无线网络或移动台的定位技术有机的结合起来，同时利用A-GPS(网络辅助的GPS定位)信息和地面网定位信息来混合定位。AGPS（Assisted GPS：辅助全球卫星定位系统）uAGPS技术是一种结合了网络基站信息和GPS信息对移动台进行定位的技术u它可以提高 GPS 卫星定位系统的性能。A-GPS 系统可以通过运营商基站信息来进行快速定位。u技术需要在手机内增加GPS接收机模块，并改造手机天线，同时要在移动网络上加建位置服务器、差分GPS基准站等设备AGPS的优缺点l优点：AGPS技术的定位精度很高 首次捕获GPS信号时间短l缺点:室

17、内定位的问题 必须通过多次网络传输（最多可达六 次单向传输) 由于GPS系统受美国政府拥有和控制 混合定位技术的优缺点 优点：可靠、灵活、稳定的定位方案 适用于任何空中接口的网络满足运 营商的网络规划、业务产品、部署规划和预 算限制的要求 缺点：在某一定位技术失效的情况下，造成整个混合定位瘫痪无线电定位 英文 radio positioning 利用无线电技术测定点位的工作。 无线定位技术是一项古老而又年轻的技术。定位通常是指确定地球表面某种物体在某一参考坐标系中的位置。移动定位是指通过收集和分析网络相关数据，确定移动台(MS)在公共陆地移动通信网(PLMN)中的地理位置信息(经纬度坐标)。经

18、过地理信息系统平台的处理，便可能在正确的时间、正确的地点、把正确的信息发送给正确的人，并可实现对移动终端用户的位置进行实时监测和跟踪。 最早可以追朔至1957年的由苏联发射的史波尼克( Sputnik )人造卫星，它是人类历史上的第一颗人造卫星。精密的电子导航系统则在二次大战时由美国麻省理工学院无线电实验室开发成功，它是采用以陆上无线电基地台为架构的导航系统利用无线电波的波长及电波到达的时间并以三角定位法由计算器算出所在位置这种装置虽然其误差值有可能超过一公里但是在GPS尚未出现之前却是大部份的飞机船舶所较能依赖的导航装置。 后来发展起来的卫星定位系统是美国的子午仪系统（Transit），19

19、58年研制，64年正式投入使用。由于该系统卫星数目较小（5-6颗），运行高度较低（平均1000KM），从地面站观测到卫星的时间隔较长（平均1.5h），因而它无法提供连续的实时三维导航，而且精度较低。 为满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求。1973年美国国防部制定了GPS计划。1993年正式投入使用 1960-1970年之间，美国和苏联开始研究利用军事卫星来做导航用途，大部份的系统都仅为空军或海军的个别需求。到了1974年，军方终于将过去所有的努力做成整合系统，也就是我们现在所熟知的NAVSTAR系统，至于苏联所开发的系统称为GLONASS也即将开始做商业运转。GPS发展阶段

20、无线电实施计划共分三个阶段： 第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。 第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。 第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。NAVSTAR GPSNAVSTAR - 1997年 NAVSTAR 由三个部份组成，第一个部份是太空，由24个定位卫星在六个轨道上运转，它们以20,200 公里的高度以及12小时绕行地球一圈的速度绕着圆形轨道运转，这样才可以确保每一个卫星会在每天的同一时间通过地球表面的同一点，其结果是地球表面的任一角落的上空随时都有 5-8 个定位卫星通过。基于商业上的考虑，大部份的GPS卫星接收器都被尽可能设计成能的追踪最多颗数的卫星，但实际上只要能追踪四颗卫星就能达到定位的效果。 伽利略系统 其发展的四个阶段系统定义阶段（1999-2001）、研发验证阶段（2002-2005）、系统部署阶段（2006-2007），以及系统运营阶段（2008-）。系统由30颗