全球定位系统及无线定位技术

1、全球定位系统与无线定位技术报告人：冯兴乐 日期：2001.5.18主要内容nGPS概述nGPS定位原理nGPS接收机工作原理n无线定位概述n定位误差源及解决办法GPS概述(1)n系统组成n星座部分。24颗卫星分布在六个平面，采用码分多址区分卫星。n控制部分。n主控站（1个）从各监测站收集数据，计算卫星轨道参数和钟参数，并进行卫星控制。n监测站（5个）配置精密铯原子钟，能连续测量卫星伪距，和已知的位置信息进行对比，得到电离层参数和对流层参数，平滑后发给主控站。n注入站（3个）将主控站送来卫星轨道参数和钟参数以S波段上行注入到各卫星。1.用户接收机部分GPS概述(2)n伪码扩频n美国的GPS 限制

2、政策nSA(Select Availability)nA-S(Anti-Spoofing)含义码速率码长度(bit)重复周期C/A码Coarse acquisition1.023MHz10231msP码Precise/protected10.23MHz1.53107266天GPS概述(3)n特点n全天候，全球覆盖n高精度 定位精度（95%概率）水平(m) 垂直(m)速度(m/s)时间(us)未加SA30450.20.2加SA1001560.30.34GPS定位原理(1)n伪距：用户测得距离等于接收到信号的时刻与从电文中恢复的卫星钟所记录的发射时刻之差乘以光速，因为卫星钟和用户钟不同步，故所测距

3、离不准确，称为伪距。tCRPRtCzzyyxxPRiiii222)()()(PR :伪距R：实际距离C:光速t:卫星钟和用户钟的时差 xi,yi,zi : 第i颗卫星的坐标x,y,z: 用户的坐标i：（0,1,2,3）GPS定位原理(2)n伪距测量方法n伪码测距。用户恢复的卫星钟和用户钟之钟差所对应的码片时间乘以光速。n载波相位测距。利用调制载波相位，载波频率是码速率的1500倍，故精度更高。n积分多卜勒测距。对比有无多卜勒频移情况下的伪距差。GPS接收机工作原理(1)n基带信号n伪随机码n扩频码n调制后)(tD)(tAC)()(tACtD)cos()()(ttACtDcn 每个接收机有多个相

4、关通道，每个通道有三种工作状态（搜索，牵引和跟踪），每个通道有两个锁定环路（载波环和码环）GPS接收机工作原理(2)累加计数器累加计数器累加计数器累加计数器cpu bus码初相计数器码数控振荡器C/A码发生器载波数控振荡器Q(n)抖动Q(n)对准I(n)对准I(n)抖动抖动C/A码对准C/A码1.4MHz数据流)cos(tc)sin( tc相关通道方框图钟频QIQ对准I对准I抖动Q抖动GPS接收机工作原理(3)n跟踪工作状态n假设条件n本地码相位和卫星码相位保持同相n本地载波频率和卫星信号频率保持相等，相位差为n载波环e)()(cos)()(tACtDtACtDIeeetACtDtACtDQ)

5、()(sin)()()(tDI对准etDQ)(对准 eetDtDQI)()(对准对准反映载波同步的相位误差，以此控制载波数控振荡器，保持载波锁定。eGPS接收机工作原理(4)etACtACtDIcos)()()(20超前n码环etACtACtDQsin)()()(20超前etACtACtDQsin)()()(20滞后etACtACtDIcos)()()(20滞后)()()(2200tACtACRc)()()(2200tACtACRc)(0cR表示C/A码的自相关函数令GPS接收机工作原理(5) )(22220cRQI超前超前 )(22220cRQI滞后滞后 2222滞后滞后超前超前QIQI上式

6、反映本地码和卫星码相关的程度，差值大小表示偏离的程度，差值符号表示偏离的方向，利用这一差值控制伪码数控振荡器，使本地码和卫星码保持相位同步。)(20cR)(20cR0020020)(cR)()(222200ccRRGPS接收机工作原理(6)n搜索工作状态nGPS卫星大约12小时绕地球一周，由于卫星和接收机存在径向运动，就会产生多卜勒频移fd，对于中低动态用户， fd6KHz，因而接收到的卫星信号频率为1575MHz fd，经过混频抽样后，数据流速率为14 05 6KHz, 搜索过程是载波频率搜索和码片搜索同时进行，称为二维搜索。n先确定载波频率（在12KHz范围内，每500Hz为一搜索间隔）

7、再确定C/A码（对应24颗卫星）计算 ，若大于门限，则跳出循环，否则码片移位（1023个码片）22)()(nQnIGPS接收机工作原理(7)n牵引工作状态n和跟踪状态类似，启动载波环和码环，这时的移动间隔较小，直到 达到最大。n数据解调计算n当通道处于跟踪状态时，每1ms(C/A序列周期）读取累加计数器输出I(n)对准数据，若连续20次均为正，则判断数据1，最后利用这些电文序列进行定位计算。22)()(nQnI无线定位概述(1)n自主定位系统 基于网络 定位系统来波方向定位（DOA/AOA)来波时间定位信号到达时间定位(TOA)信号到达时间差定位(TDOA)来波强度定位无线定位概述(2)n利用

8、信号强度定位n精度较差，需知发射功率和接收功率。n利用信号方向定位n精度较差，需两个基站就可定位，采用阵元天线。da1BS1BS2MSa2a/cos2ad相位差阵元1阵元2无线定位概述(3)n利用信号时间定位nTOA(time of arrival) 需要MS和BS时间同步，三圆确定一点nTDOA(time difference of arrival) 需要各BS时间同步，三条双曲线确定一点。由于易于实现，成为无线定位的首选方案。n求时间差TBATBAdttStSC01,)()()()(tSA)(tSB基站A接收信号基站B接收信号寻找使上式最大的 值就是延迟时间，由于测量误差，三圆（双曲线）不

9、可能交于一点，只是一个区域。一般采用Least squares法进行定位计算。无线定位概述(4)20200)()()()(yyxxCXfiiii0y0 xixiy移动台坐标第i个基站坐标0i移动台发射信号时刻NiiiXfaXF122)()(XTyx),(000ia第i个基站接收信号的权重第i个基站接收信号时刻F(X)的最小值对应的移动台坐标就是最终的定位坐标nLeast squares法定位误差源及解决办法(1)n多径传播chip反馈量1-1无多径传播有多径传播定位误差源及解决办法(2)nNLOS(Non Line of Sight)n由于非视距传播距离长,延时长,测出的延时方差大,可通过减小

10、该基站在计算中所占权重,利用上一时刻测量值进行调整.n多址干扰n各种定位方法都需要至少三个基站同时收到,由于功率控制,本小区的移动台不能被相邻小区的基站接收,可采用Power UP Function ,定期增大移动台的发射功率,以便其它基站可以接收.参考文献n干国强.导航与定位 .2000; 北京：国防工业出版社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;