基于多基站协同的跟踪定位算法研究.doc

1、分类号 密 级U D C 学 号桂 林 电 子 科 技 大 学硕 士 学 位 论 文题 目 : 基 于 多 基 站 协 同 的 跟 踪 定 位 算 法 研 究（ 英 文 ） Study on Localization and Tracking AlgorithmsBased on Multiple Base Stations Collaboration研 究 生 学 号 : 092021104研 究 生 姓 名: 赵 清 华指 导 教 师 姓 名 、 职 务 : 赵 峰 研 究 员申 请 学 科 门 类 : 工 学 硕 士学 科 、 专 业 : 通 信 与 信 息 系 统提 交 论 文 日 期

2、 : 2012 年 4 月论 文 答 辩 日 期 : 2012 年 6 月年 月 日-独 创 性 （ 或 创 新 性 ） 声 明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 。 尽 我 所 知 ， 除 了 文 中 特 别 加 以 标 注 和 致 谢 中 所 罗 列 的 内 容 以 外 ， 论 文 中 不 包 含 其他 人 已 经 发 表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ； 也 不 包 含 为 获 得 桂 林 电 子 科 技 大 学 或 其 它 教 育 机构 的 学 位 或 证 书 而 使 用 过 的 材 料 。 与 我 一 同 工 作 的 同 志 对 本 研 究

3、所 做 的 任 何 贡 献 均 已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名： 日期：关 于 论 文 使 用 授 权 的 说 明本 人 完 全 了 解 桂 林 电 子 科 技 大 学 有 关 保 留 和 使 用 学 位 论 文 的 规 定 ， 即 ： 研 究 生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属桂林电子科技大学。本人保证毕业离校后 ， 发 表 论 文 或 使 用 论 文 工 作 成 果 时 署 名 单 位 仍 然 为 桂 林 电 子 科 技 大 学 。 学 校 有 权 保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全

4、部或部分内容，可 以 允 许 采 用 影 印 、 缩 印 或 其 它 复 制 手 段 保 存 论 文 。 （ 保 密 的 论 文 在 解 密 后 遵 守 此 规定）本学位论文属于保密在_年解密后适用本授权书。本人签名： 日期：导师签名： 日期：-摘 要摘 要近 年 来 ， 随 着 移 动 通 信 、 卫 星 通 信 、 无 线 传 感 器 网 络 以 及 无 线 电 管 理 等 技 术 的 飞速 发 展 ， 无 线 定 位 技 术 成 为 无 线 通 信 领 域 研 究 和 应 用 的 热 点 ， 在 军 事 、 生 产 、 生 活 各个领域都得到了广泛的应用。自 E -911（ 紧 急 救

5、援 ） 需 求 颁 布 以 来 ， 在 政 府 的 强 制 性要 求 和 巨 大 的 市 场 利 益 驱 动 下 ， 国 内 外 掀 起 了 基 于 位 置 信 息 服 务 的 热 潮 ， 特 别 是 基 于3G 网络的移动终端定位技术成为推动位置信息服务的重要技术。移 动 终 端 无 线 定 位 技 术 研 究 主 要 分 为 两 方 面 ， 一 是 对 固 定 信 号 发 射 源 的 定 位 ； 二是 对 移 动 信 号 发 射 源 的 跟 踪 。 目 前 现 有 的 无 线 定 位 技 术 研 究 大 都 集 中 在 定 位 精 度 与 算法 复 杂 度 之 间 权 衡 取 舍 ， 并

6、且 无 线 定 位 技 术 与 轨 迹 跟 踪 相 结 合 的 研 究 工 作 非 常 少 。 由于 实 际 无 线 通 信 环 境 非 常 复 杂 ， 单 一 的 定 位 算 法 已 不 能 满 足 精 确 跟 踪 定 位 的 需 求 。 多站协同、多算法融合，无线定位技术与轨迹跟踪研究相结合已经成为一种发展趋势。因 此 ， 我 们 重 点 研 究 以 移 动 通 信 系 统 为 对 象 ， 利 用 多 基 站 协 同 ， 多 算 法 融 合 获 取 移 动台 位 置 信 息 的 跟 踪 定 位 算 法 。 在 该 算 法 中 ， 多 个 基 站 通 过 接 收 来 自 移 动 台 的 信

7、号 ， 提取 信 号 中 与 移 动 台 位 置 相 关 的 信 息 ， 并 将 这 些 信 息 传 送 到 中 心 基 站 ， 中 心 基 站 利 用 基本定位算法配合多种数据融合算法实现对移动台准确的定位与跟踪。我们重点研究了基于到达时间差（Time Difference of Arrival，TDOA）定位算法实 现 固 定 信 号 发 射 源 的 定 位 和 基 于 扩 展 卡 尔 曼 滤 波 （ Extended Kalman Filter， EKF）算 法 实 现 移 动 台 的 跟 踪 两 方 面 内 容 。 在 TDOA 定 位 过 程 中 ， 由 多 基 站 进 行 协 同

8、定 位 ，提 出 了 利 用 以 接 收 信 号 强 度 （ Received Signal Strength Indication，RSSI）为加权系数的 加 权 数 据 融 合 算 法 修 正 由 TDOA 算 法 获 得 的 多 个 位 置 估 计 值 ， 从 而 获 得 更 优 位 置估计的 TDOA/RSSI 定位算法。在 获得了精度较高的初始位置估计值的基础上提出了利 用 EKF 算法获取多条跟踪 轨迹，并配合一定的距离 门限值对轨迹以及轨迹中的点迹 进 行 匹 配 管 理 ， 通 过 一 定 的 数 据 融 合 方 法 实 现 轨 迹 的 平 滑 ， 获 取 最 优 跟 踪 轨

9、迹 的EKF/G 算 法 。 仿 真 结 果 表 明 上 述 算 法 实 现 简 单 ， 跟 踪 定 位 精 度 高 ， 抗 干 扰 能 力 强 ，不需要额外的硬件支持，适用范围广，能很好地满足移动通信系统的定位要求。关 键 词 ：无线定位；跟踪；到达时间差；接收信号强度；扩展卡尔曼滤波；数据融合-I-AbstractAbstractIn recent years, the great development of mobile communications, satellitecommunications, wireless sensor networks, as well as radio

10、-management makes wirelesslocalization technology become one of the hot spots on the researchand applications of wireless communications areas and be widely used in all the areas ofmilitary, manufacturing and daily life. Since the requirement of E-911 was promulgated,with the driven of the governmen

11、ts mandatory requirements and the huge market benefit,an upsurge of the reaearch on wireless localization technology has come up at home andaborad. Especially, the mobile terminal localization technology based on 3G networksbecome an important technology to promote the development of the location in

12、formationservice.Wireless localization technology can be divided into two aspects: localization of afixed signal transmission source and tracking of mobile signal transmission source.Currently, existing localization technologies always balanced between localizing accuracyand complexity of localizati

13、on algorithms and only a very little research work on thecombination of wireless localization technology and trajectory tracking is focused byresearchers. As the practical environment of wireless communication become increasinglymore complex, single localization algorithm can not meet the needs of a

14、ccurate localizingand tracking, multiple base stations coordination and multi-algorithm fusion become amain trend of localization.In this paper, the localization of mobile communication system is mainly discussedand the localization algorithms based on multiple base stations coordination andmulti-al

15、gorithm fusion is proposed. In the algorithm, the base stations receive the signalsfrom the mobile station and extract signal characteristics which is associated with locationof mobile station, then send them into central base station. The central station use suitablelocalization algorithms and a va

16、riety of data fusion algorithms to obtain the accuratelocation and tracking trajectory of mobile station.Our research focus on the TDOA (Time Difference of Arrival, TDOA) algorithm toachieve the position of a fixed signal transmission source and EKF (Extended KalmanFilter, EKF) algorithm to track th

17、e mobile station. The TDOA/RSSI localization algorithm,using RSSI (Received Signal Strength Indication, RSSI) weighted data to correct severalestimated values which obtained by TDOA algorithm to achieve the better estimated valuesis proposed in the TDOA localizing process with multi-base co-location

18、. Based on the highprecision estimated value of the initial location, EKF/G tracking algorithm is proposed. In-II-Abstractthis part, EKF is used to obtain multiple tracking trajectories, dealing with data fusion togain a better trajectory, then a certain distance threshold is coordinated with the ma

19、tchmanagement to smoothing the better trajectory and its points and obtain a best trackingtrajectory. Simulation results illustrate that the proposed algorithms own smallercomputation, higher localization accuracy, more powerful anti-interference ability, noadditional hardware support, wide range of

20、 applications and can be well meet thelocalization requirements of the mobile communication system.Key words: Wireless Localization；T racking；T ime Difference of Arrival；ReceivedSignal Strength Indication；Extended Kalman Filter； Data Fusion-III-目 录目 录摘 要 IAbstract II第一章 绪 论 11.1 课题研究背景.11.2 无线定位概述及分

21、类.21.2.1 无线定位概述21.2.2 无线定位分类21.3 无线定位研究现状与发展趋势.51.4 本文的主要内容和章节安排.7第二章 定位与跟踪算法的分析与比较 92.1 无线定位测距算法.92.1.1 基于到达角（A OA）定位算法. 92.1.2 基于到达时间（TOA）定位算法92.1.3 基于到达时间差（TDOA）定位算法.102.1.4 基于接收信号强度（RSSI ）定位算法112.1.5 差分多普勒无源定位算法112.2 无线定位测距算法分析与比较.122.3 TDOA 原理与算法描述132.3.1 TDOA 定位双曲线模型.132.3.2 TDOA 测量值的获取.142.3.

22、3 TDOA 双曲线方程组的求解.152.4 无线跟踪定位算法的分析与比较.202.5 本章小结.22第三章 移动台定位的实现 233.1 定位总体设计.233.2 初始位置估计的获取.243.2.1 基站的优化选择24-IV-目 录3.2.2 初始位置估计值243.3 数据融合处理.253.3.1 RSSI 测 量与路径损耗分析253.3.2 数据融合处理263.4 仿真结果分析.283.5 本章小结.31第四章 移动台跟踪定位的实现 324.1 跟踪定位的实现算法.324.1.1 跟踪轨迹获取算法选择.324.1.2 EKF 算法原理 334.1.3 EKF 算法描述 334.1.4 线性

23、化过程344.1.5 跟踪轨迹的获取354.2 跟踪轨迹平滑.364.2.1 删除误差较大轨迹364.2.2 配合距离门限的轨迹平滑364.3 仿真结果分析.374.4 本章小结.40第五章 总结与展望 415.1 总结.415.2 展望.42参考文献 43致 谢 48作者在攻读硕士期间的主要研究成果 49-V-第一章 绪 论第 一 章 绪 论1.1 课 题 研 究 背 景无线定位技术最初是为了满足远程航海的导航需求而产生的 1。随着移动通信、卫 星 通 信 、 无 线 传 感 器 网 络 以 及 无 线 电 管 理 等 技 术 的 飞 速 发 展 ， 无 线 定 位 技 术 已 成 为无 线

24、 通 信 领 域 研 究 和 应 用 的 热 点 ， 在 军 事 、 生 产 、 生 活 各 个 领 域 都 得 到 了 广 泛 的 应 用 。在 军 事 领 域 ， 如 电 子 对 抗 中 ， 对 威 胁 目 标 进 行 定 位 具 有 十 分 重 要 的 作 用 ； 在 无 线 电 管理 工 作 中 ， 查 找 干 扰 源 和 查 处 非 法 无 线 设 备 都 需 要 较 为 精 确 的 定 位 技 术 ； 移 动 终 端 的位 置 信 息 是 移 动 互 联 网 中 的 关 键 信 息 ； 无 线 传 感 网 络 在 很 多 领 域 都 有 其 研 究 价 值 和 使用价值，网络中传感

25、器节点的定位可以为无线传感网络的应用提供很多基础信息。全 球 定 位 系 统 无 线 传 感 器 网 络 Ad Hoc 网 络移 动 通 信 位 置 信 息 服 务无 线 电 管 理无 线 局 域 网 络 电 子 对 抗 卫 星 通 信图 1.1 无线定位在无线通信中的基础地位近 几 年 ， 全 球 移 动 用 户 的 数 量 急 剧 增 加 ， 使 得 移 动 台 的 定 位 需 求 变 得 越 来 越 迫 切 ，也 为 位 置 服 务 提 供 了 极 其 诱 人 的 市 场 前 景 ， 获 取 移 动 定 位 信 息 的 定 位 技 术 及 其 定 位 系统 成 为 当 前 的 研 究 热

26、 点 。 自 E-911 需求颁布以来，在政府的强制性要求和巨大的市场利 益 驱 动 下 ， 国 内 外 出 现 了 研 究 无 线 定 位 技 术 的 热 潮 。 1996 年 ， 美 国 联 邦 通 信 委 员 会（F CC） 提 出 到 2001 年 10 月所有移动网络许可运营商以可定位概率 67%， 均 方 误 差 125米的定位精度为请求 E-911 紧急呼叫的移动用户提供二维的位置信息 2。1999 年 FCC对 该 需 求 进 一 步 细 化 ： 要 求 蜂 窝 网 中 以 高 于 67%的 概 率 实 现 100 米 精 度 内 的 定 位 ， 高于 95%的 概 率 实 现

27、 300 米 精 度 内 的 定 位 ； 在 基 于 移 动 台 的 定 位 中 ， 以 高 于 67%的 概 率实现 50 米 精 度 内 的 定 位 ， 高 于 95%的概率实现 150 米精度内的定位 3。 位 置 信 息 有 着 举足 轻 重 的 地 位 ， 其 重 要 性 体 现 在 ： 1、 对 行 业 用 户 而 言 ， 位 置 信 息 主 要 用 于 监 控 管 理 、定 时 定 位 、 安 全 警 报 、 指 挥 调 度 、 物 流 、 遥 控 检 测 等 ； 2、对个体用户而言，位置信息 可 用 于 个 人 紧 急 救 援 ， 定 位 报 警 ， 出 行 导 航 等 自 助

28、 定 位 服 务 。 因 此 ， 研 究 无 线 定 位技 术 具 有 非 常 重 大 的 现 实 意 义 。 无 线 定 位 技 术 目 前 的 研 究 主 要 致 力 于 移 动 定 位 信 息 的- 1 -基于多基站协同的跟踪定位算法研究获 取 和 处 理 ， 以 及 定 位 精 度 的 提 高 和 覆 盖 范 围 的 扩 大 。 最 核 心 的 两 个 方 面 是 数 据 测 量的 准 确 度 和 定 位 算 法 的 高 效 性 ， 最 终 目 标 是 做 到 更 高 效 、 更 准 确 、 更 迅 速 、 更 大 范 围地实现移动台的定位与跟踪。1.2 无 线 定 位 概 述 及 分

29、 类1.2.1 无 线 定 位 概 述简单来说，利用电磁波确定辐射源的位置，就称为无线定位技术。更进一步讲，无 线 定 位 技 术 是 指 监 测 站 通 过 对 接 收 到 的 无 线 电 信 号 的 一 些 参 数 进 行 测 量 ， 根 据 特 定的算法获取被测物体的位置信息 4。 测 量 参 数 一 般 包 括 信 号 到 达 角 ， 到 达 时 间 、 接 收强度等。而在移动通信网络中，无线定位是指根据移动台（ Mobile Station，M S） 与一 个 或 者 多 个 基 站 （ Base Station， BS） 传 播 信 号 中 有 关 移 动 台 位 置 的 特 征

30、参 数 来 估计目标 MS 的 几 何 位 置 ， 若 移 动 台 处 于 运 动 状 态 ， 则 在 对 移 动 台 进 行 定 位 的 基 础 上 进一 步 获 取 移 动 台 运 动 跟 踪 轨 迹 。 一 个 最 优 的 定 位 系 统 应 以 最 低 的 代 价 、 最 小 的 计 算 复杂 度 得 到 最 高 的 定 位 精 度 ， 并 具 有 良 好 的 可 靠 性 和 稳 健 性 ， 需 要 考 虑 的 因 素 有 ： 定 位精 度 、 定 位 时 效 性 、 移 动 台 及 网 络 的 兼 容 性 、 投 资 成 本 、 覆 盖 能 力 等 。 影 响 定 位 精 度的 主

31、要 因 素 有 ： 非 视 距 传 播 （ Non Line of Sight， NLOS） 、 噪 声 、 多 址 干 扰 、 多 径 干扰、远近效应等 5。 NLOS 是影响定位精度的重要因素，其次占主导因素的要看定位时 具 体 的 定 位 环 境 和 定 位 系 统 。 如 在 多 终 端 的 网 络 中 ， 定 位 精 度 受 多 址 干 扰 的 影 响 也较大，噪声和远近效应对定位精度的影响也不容忽视。1.2.2 无 线 定 位 分 类1、室外定位和室内定位按 照 定 位 环 境 的 不 同 将 无 线 定 位 分 为 室 内 定 位 和 室 外 定 位 。 目 前 常 用 的 室

32、内 定 位技 术 有 红 外 线 定 位 技 术 、 超 宽 带 （ Ultra Wide Band， UWB） 定 位 技 术 、 射 频 识 别 （ RFID）技 术 等 。 1）红外线定位：待测物体携带标识，标识定期发送一个确定的、唯一能够表征被测物体的 ID 识别码，置于室内的红外线接收机可接收信息、获取识别码，并将 识 别 码 发 送 到 数 据 处 理 中 心 判 别 被 测 物 体 的 位 置 。 因 红 外 线 无 法 穿 透 墙 壁 ， 可 较 准确的确定被测物体置于哪个范围内的室内，但其定位精度较低，无法实现精确定位。2）超宽带定位技术：超宽带通信系统是一种以极低的功率在短

33、距离内高速传输数据的 无 线 通 信 技 术 ， 能 够 穿 透 墙 壁 等 障 碍 物 。 它 利 用 持 续 时 间 为 纳 秒 或 亚 纳 秒 级 的 窄 脉冲 作 为 载 体 实 现 数 据 的 传 输 ， 使 得 信 号 可 以 占 有 数 GHz 的 带 宽 ， 因 此 UWB 通 信 系统 具 有 通 信 信 道 容 量 大 ， 对 信 道 衰 落 不 敏 感 、 抗 多 径 和 抗 干 扰 能 力 强 等 特 点 ， 特 别 适合 应 用 于 室 内 环 境 的 高 速 通 信 。 利 用 超 宽 带 技 术 实 现 定 位 主 要 通 过 TOA 和 TDOA 基- 2 -第

34、一章 绪 论本 定 位 算 法 实 现 ， 可 实 现 室 内 精 确 的 定 位 与 跟 踪 ； 3） 射 频 识 别 技 术 ： 利 用 射 频 识 别技 术 实 现 定 位 时 ， 射 频 识 别 系 统 在 接 收 到 被 测 物 体 发 来 的 定 位 请 求 信 号 后 ， 发 出 具 有特 定 频 率 的 射 频 识 别 信 号 到 被 测 物 体 ， 此 射 频 识 别 信 号 会 携 带 一 些 与 被 测 物 体 位 置 相关 的 信 息 返 回 定 位 系 统 ， 系 统 内 的 处 理 模 块 对 定 位 相 关 信 息 进 行 提 取 与 分 析 ， 判 别 被测 物

35、 体 的 位 置 6。室内定位以基于 RF 方式为主，其主要是靠接收信号 强度来识别被测 物 体 的 距 离 信 息 ， 确 定 被 测 物 体 的 位 置 。 室 内 定 位 环 境 复 杂 ， 定 位 目 标 不 易 被 发 现 ，精 确 定 位 的 难 度 较 大 ， 但 其 应 用 领 域 广 泛 ， 如 在 紧 急 救 援 ， 查 找 非 法 信 号 源 等 中 具 有十 分 重 大 的 意 义 。 常 用 的 室 外 定 位 ： 全 球 定 位 系 统 （Global Positioning System， GPS） 、辅 助 GPS（ Assisted GPS） 、 罗 兰 -C

36、 系 统 （ LORAN-C） 等 。 就 应 用 方 面 而 言 主 要 还是 以 GPS 为 主 ， 它 是 基 于 到 达 时 间 机 理 的 ， 在 导 航 应 用 中 发 挥 着 极 其 强 大 的 作 用 。GPS 工作卫星组网保障全球任一时刻，任一地点都可以对 4 颗以上的卫星进行观测，实 现 连 续 、 实 时 地 导 航 与 定 位 ， 其 导 航 系 统 的 基 本 原 理 是 根 据 信 号 到 达 时 间 计 算 出 待定 位 物 体 到 位 置 已 知 的 卫 星 之 间 的 距 离 ， 然 后 综 合 多 颗 卫 星 的 数 据 信 息 即 可 确 定 待 测目标的

37、具体位置 7。2、有源定位与无源定位无 线 定 位 按 照 监 测 站 是 否 发 送 信 号 到 待 测 目 标 分 为 有 源 定 位 和 无 源 定 位 。 有 源 定位 是 指 监 测 站 自 身 发 射 电 磁 波 信 号 到 目 标 物 体 ， 根 据 反 射 波 的 信 号 特 性 参 数 对 目 标 的位 置 进 行 判 定 。 雷 达 定 位 以 及 RFID 定 位 都 属 于 有 源 定 位 。 有 源 定 位 可 用 于 检 测 不 能发 射 无 线 电 信 号 的 物 体 ， 但 它 隐 蔽 性 差 ， 监 测 站 在 辐 射 信 号 时 很 容 易 被 敌 人 发

38、现 并 实施 打 击 摧 毁 。 无 源 定 位 是 指 监 测 站 自 身 不 发 射 信 号 ， 而 是 通 过 接 收 被 测 物 体 发 出 的 信号 ， 提 取 其 特 性 参 数 ， 通 过 分 析 计 算 获 取 被 测 物 体 的 位 置 信 息 。 无 源 定 位 系 统 一 般 需要 多 站 协 同 通 信 ， 经 过 复 杂 的 计 算 才 能 获 取 目 标 的 位 置 ， 但 其 监 测 站 自 身 不 辐 射 信 号即 可 准 确 的 确 定 被 测 物 体 的 位 置 ， 所 以 隐 蔽 性 强 ， 可 以 有 效 地 提 高 定 位 系 统 在 电 子 对抗 环

39、 境 中 的 生 存 能 力 ， 为 隐 蔽 探 测 和 精 确 打 击 提 供 了 十 分 重 要 的 手 段 ， 并 且 具 有 定 位精度高，抗干扰能力强等特点，是目前定位技术研究的热点。3、非测距定位和测距定位按 照 定 位 过 程 中 是 否 进 行 距 离 的 测 量 将 无 线 定 位 技 术 分 为 基 于 测 距 的 定 位（ Range based） 和 基 于 非 测 距 的 定 位 （ Range free） ， 如 图 1.2 所 示 。 基 于 非 测 距 的定 位 在 定 位 过 程 中 不 需 要 获 取 距 离 信 息 ， 而 是 通 过 节 点 间 的 连

40、通 性 以 及 节 点 邻 近 信 息定 位 ， 其 计 算 复 杂 度 不 高 ， 对 硬 件 要 求 低 ， 成 本 低 ， 常 用 于 无 线 传 感 器 网 络 中 的 节 点定 位 。 基 于 非 测 距 定 位 的 主 要 算 法 有 ： 质 心 算 法 （ Centroid） ， DV-hop 算 法 ， 近 似 三角 形 内 点 测 试 算 法 （ Approximate Point-in-Triangulation Test， APIT） ， 多 维 尺 度 法（ Multidimensional Scaling， MDS） 算 法 等 8。 在 无 线 传 感 器 网 络

41、中 ， 如 果 待 定 位 节- 3 -基于多基站协同的跟踪定位算法研究点与参考节点之间不能直接进行通信，可利用非测距定位算法确定待测节点的位置。但 根 据 节 点 连 通 性 定 位 时 ， 定 位 误 差 容 易 积 累 传 播 ， 对 定 位 精 度 影 响 较 大 ， 其 次 ， 障碍 物 可 能 会 影 响 网 络 的 连 通 性 ， 最 终 可 能 会 产 生 较 大 的 定 位 误 差 ， 影 响 定 位 性 能 。 基于 测 距 的 定 位 算 法 是 根 据 待 测 物 体 到 监 测 站 间 的 距 离 长 度 或 方 位 角 信 息 获 取 被 测 目标 的 几 何 位

42、置 。 其 算 法 主 要 有 ： 基 于 到 达 角 （ Angle of Arrival， AOA） 、 基 于 到 达 时间 （ Time of Arrival， TOA） 、 基 于 到 达 时 间 差 （ Time Difference of Arrival， TDOA） 、基 于 接 收 信 号 强 度 （ Received Signal Strength Indication，RSSI）、差分多普勒无源定位法等 9。 基 于 测 距 的 定 位 算 法 具 有 定 位 精 度 高 、 应 用 范 围 广 、 扩 展 性 好 等 优 良 特 性 。我 们 的 研 究 目 标 为 实

43、 现 较 高 精 度 的 移 动 台 的 跟 踪 定 位 ， 因 此 主 要 研 究 室 外 无 源 测 距 定位技术，各测距算法的详尽介绍将在第二章中给出。AOATOA基 于 测 距TDOARSSI无 线 定 位 技 术DV-hop基 于 非 测 距 MDSCentroid图 1.2 测距相关的无线定位分类4、移动定位技术分类按 照 完 成 定 位 的 主 体 将 移 动 定 位 技 术 分 为 基 于 移 动 台 、 基 于 网 络 、 网 络 辅 助 、 移动 台 辅 助 、 GPS 辅 助 五 类 。 （ 1） 基 于 移 动 台 的 定 位 系 统 （ Mobile based） ：

44、 移 动 台 发出 定 位 请 求 信 号 到 附 近 基 站 ， 接 收 到 请 求 信 号 的 基 站 向 移 动 台 发 送 携 带 自 身 位 置 信 息的 信 号 ， 移 动 台 获 取 此 信 号 ， 并 通 过 如 接 收 信 号 强 度 ， 到 达 时 间 ， 到 达 角 等 与 其 位 置相 关 的 特 征 信 息 确 定 自 身 与 基 站 之 间 的 几 何 位 置 关 系 ， 再 由 集 成 在 移 动 台 中 的 位 置 计算 功 能 模 块 （ PCF） 根 据 一 定 的 定 位 算 法 计 算 出 移 动 台 的 估 计 位 置 ； （ 2） 基 于 网 络的

45、定 位 系 统 （ Network based） ： 移 动 台 附 近 多 个 位 置 已 知 的 基 站 同 时 接 收 、 检 测 移 动台 发 射 的 信 号 ， 提 取 各 接 收 信 号 中 与 位 置 相 关 的 信 息 送 至 中 心 基 站 ， 中 心 基 站 计 算 出移 动 台 的 位 置 估 计 ； （ 3） 网 络 辅 助 定 位 系 统 （ Network assisted） ： 移 动 台 附 近 位 置已 知 的 基 站 接 收 移 动 台 发 出 的 信 号 ， 提 取 信 号 中 与 位 置 相 关 的 特 征 信 息 ， 并 将 信 息 发回 至 移 动

46、台 ， 移 动 台 通 过 自 身 的 位 置 计 算 模 块 进 行 位 置 估 计 ， 由 于 最 终 的 计 算 与 位 置估 计 都 在 移 动 台 中 完 成 ， 此 系 统 仍 然 属 于 基 于 移 动 台 的 定 位 系 统 ； （ 4）移动台辅助定 位 系 统 （ Mobile assisted） ： 移 动 台 检 测 、 接 收 来 自 固 定 基 站 的 信 号 ， 将 从 信 号 中- 4 -第一章 绪 论获 取 的 与 位 置 相 关 的 信 息 传 回 网 络 中 的 中 心 基 站 ， 网 络 进 行 位 置 估 计 获 取 移 动 台 的 位置 信 息 ， 最

47、 终 的 计 算 与 位 置 估 计 在 网 络 中 心 基 站 完 成 ， 所 以 仍 属 于 基 于 网 络 的 定 位 系统 ； （ 5） GPS 辅 助 定 位 系 统 （ GPS assisted） ： 由 集 成 在 移 动 台 上 的 GPS 接收机和网络中的 GPS 辅助设备利用 GPS 系统实现对移动台的定位。GPS 辅助定位系统不依赖位 置 已 知 的 基 站 信 息 获 取 移 动 台 的 位 置 信 息 ， 应 用 范 围 更 广 泛 ， 但 该 定 位 系 统 对 基 站和 移 动 台 的 硬 件 要 求 高 ， 成 本 较 大 10。 基 于 网 络 与 基 于 移

48、 动 台 的 定 位 系 统 都 需 要 事 先已 知 参 与 定 位 基 站 的 位 置 信 息 ， 基 于 网 络 的 移 动 台 定 位 系 统 需 要 各 基 站 协 同 通 信 实 现定 位 ， 要 求 各 基 站 严 格 同 步 。 目 前 ， 移 动 定 位 主 要 以 基 于 网 络 和 GPS 辅助定位为主。我 们 研 究 的 定 位 系 统 是 通 过 多 基 站 同 时 获 取 来 自 移 动 台 的 信 号 ， 提 取 接 收 信 号 中与 位 置 信 息 相 关 的 特 征 信 息 并 将 这 些 信 息 发 送 至 参 与 定 位 的 中 心 基 站 中 ， 中 心

49、 基 站 的位 置 计 算 模 块 通 过 一 定 的 定 位 算 法 和 数 据 融 合 算 法 对 移 动 台 的 位 置 进 行 估 计 并 进 一步实现移动台运动轨迹跟踪，属于基于网络的定位系统。1.3 无 线 定 位 研 究 现 状 与 发 展 趋 势无 线 定 位 技 术 是 由 无 线 测 向 技 术 发 展 而 来 的 ， 其 实 际 应 用 始 于 第 一 次 世 界 大 战 之初 。 在 日 德 兰 海 战 中 ， 英 国 利 用 无 线 测 向 技 术 ， 通 过 德 军 舰 队 发 出 的 无 线 电 信 号 测 得德 军 舰 队 所 在 位 置 并 予 以 德 军 沉 重 的 打 击 。 第 二 次 世 界 大 战 期 间 ， 无 线 定 位 技 术 广 泛应 用 于 军 事 领 域 ， 例 如 发 现 敌 方 所 在 位 置 ， 确 定 敌 方 信 号 发 射 机 的 位 置 ， 引 导 飞 机 轰炸 确 定 目 标 等 等 。 第 二 次 世 界 大 战 后 ，