无线定位技术2

摘 要：本文给出了一种通过无线电台定位的方法，它的显著特点是可利用普通超短波电台，实现快速准 确自定位，并通过自组织数字电台网络实现位置信息的快速报知，系统架构类似于美军 EPRLS 系统。其基 本原理是通过相关运算获得相位差和相应的距离差，并通过解双曲线方程得到位置坐标。本文采用模糊聚 类方法实现双曲线方程的快速求解，灵活、实用。关键字：无线电定位EPLRS ADHOC相关法 雷达定位GPS定位 超短波电台A research method about radio-locationSummary : This text will tell a research method about radio-location。The method of the distance measuring is designed according to the traits of the ultra-short wave radio . The system structure is similar to the American army Enhanced Position Location RegpSoyrsttienm EPRLS. According to this method, the relevant rangedifference will be obtained through the phase difference which comes from the relevant operation , and the location coordinate will be obtained through the hyperbola equation . At the same time , this text will tell a good solution to the hyperbola equation , a quick solution which adopts fuzzy clustering .Key words: radio-location EPLRS ADHOC radar-location GPS-location ultra-short wave radio1 前言战场作战单元的准确定位对信息化作战具有重大的意义。美军的增强型位置报知系统（EPLRS），在 90 年代初期开始研发，至今已达到实用阶段，定位精度在15米左右1。在伊拉克战争中，第 4 机械化步 兵师使用了最新型的视距电台、EPLRS和其他基于EPLRS战术互联网的数字化系统2,在机动部队近实 时地精确定位、导航、火力支援、火力协调中发挥了巨大的作用，充分体现了现代部队快速反应能力和协 调作战能力。由于它可为战术部队指挥官提供己方部队与友方部队的位置，动态地显现前线作战部队的状 况，并提供对友邻部队的识别，这就大大地增强了战术部队的指挥控制能力。EPLRS系统主要部件是EPLRS电台、网络控制站（NCS）和栅格坐标装置（EGRU）, 个标准的陆军师 将装备325400部EPLRS无线电台、4个EPLRS网络控制站及12部EPLRS栅格坐标装置。NCS作用是 建立和控制网络中各电台，NCS既能处理数据通信传输，又能提供定位、导航以及鉴别等服务功能。EGRU 装置用于提供定位和信息中继功能。EPLRS无线电台用于发送、中继及接收信息，同时可获得自身坐标信息，并通过网络向网络中心报知位置信息。 32 定位报知系统组成构想在现有超短波电台和视距宽带电台的基础上，通过适当改造和功能扩展，实现电台自定位和位置报知 系统。将具有栅格坐标装置的电台（EGRU ）分布在规划好的固定坐标点上，这些电台组成骨干通信网，通 过战术路由器连接ad hoc网络（ad hoc网络是由无线定位电台和战术路由器组成的节点构成的），形成一 个无缝的战术互联网。EGRU为大功率电台，在内部增加数字锁相环、定位信号产生以及定位信号再生等功能模块后，可为 用户电台提供定位信号。无线定位电台为普通视距电台，在内部增加数字鉴数字锁相环、相仪、坐标解算等模块，可接受定位 信号，通过相关处理，获得自身坐标信息。通过战术互联网向指挥中心汇报坐标信息。网络控制站（NCS ）用来规划和广播定位信号载波频率、网络控制、信息汇总等功能。3 无线电定位原理无线电自定位方法是利用超短波视距通信的特点，根据雷达双曲线定位法的基本原理演化而来的。双 曲线定位法是通过三个或多个基站到用户机之间的距离差来定位。如图 1 所示，在平面上，用户站到基站 的距离差，和基站的间距决定一条双曲线。同样，可以得到用户站与其他基站决定的双曲线，曲线的交点 即为用户站的坐标。三维空间双曲线定位方程组为：求解上述非线性方程组最常用的方法建立在迭代算法和线性化的基础上。由于方程组为高次非线性， 采用迭代算法计算量大，且不容易得到真值。笔者认为，针对现代数字化战场实际需求，定位精度达到30 米就具有明显的应用价值。另外，由于定位电台工作在UHF段，其通信范围内地形相对平坦，各定位坐标 点的海拔高度对定位影响较小。因此，在求解定位方程时，采用平面双曲线方程求解是可行的。为增加计 算精度，可以适当增加定位坐标约束。通过坐标变换，可以将平面上某条双曲线方程变化为标准双曲线方程 ，其中， a 为距离差 的一半， c 为焦距即两定位坐标点（如基站2, 3）间距离D的一半。根据上述定位原理和相关法求相位差，可以得到用户机到两定位坐标点的距离差 ，通过已知坐标点的 坐标可以求得两点间的距离D。也就是说，将 和D代入标准方程可以求得双曲线上的各点，用户机的坐 标点就属于曲线上各点组成的集合。同理，可以求得和用户机相关的其他双曲线上各点组成的集合。这些 集合的交集就是用户机的坐标点。这种计算方法在保证一定计算精度的情况下，将大大减少计算量。 在具体应用中，采用聚类算法求解集合的交集。首先将作业平面根据所需定位精度划分成正方形小块，并 给定每个小块坐标值。当曲线上的点落入小块范围内时，小块的权值加1。这样，权值最高的小块为各集 合的交集，也就是用户机所在的位置。通过 DSP 硬件实现算法，可以快速得到用户的坐标，能够满足系统实时性要求。4 无线电定位实现方法41 系统结构和基本工作原理无线电定位系统由三个主要部分组成，如图2所示，分别是主站、辅站和用户机。形象地讲，主站相 当于光源，辅站相当于反光镜，用户机既能看到光源，也能看到反射光，两者必然存在相位差，只要得到 相位差就能求出用户机分别到达主站和辅站的距离差。其工作流程如下：主站发出特定的定位信号 ，并调 制成射频信号，通过功率放大器发射出去，用户机接收射频信号并解调出定位信号作为基准信号。各辅站 接收主站射频信号解调后，经过定位信号再生，二次调制成射频信号，通过功率放大发射出去。辅站信号 的再生是系统的关键技术，实现其与主站信号的同步基本原理是：两者的距离是已知的，换句话讲两信号 间的相位差是固定的，以此相位差作为控制参数，对再生信号的相位进行控制，使再生信号和主站信号的 相位差等于控制参数，并缓存此再生信号。当辅站发送信号时，所发送的再生信号就和主站信号严格同步 了。用户机接收各辅站定位信号，和主站定位信号同时送入鉴相器，在鉴相器进行相位测量，即可得到用 户站与主站和各辅站之间距离差相对应的相位差。再根据已知的主、辅站固定坐标，最终算出用户到各站 之间的距离差，由此建立定位方程组，通过上节所述的方程组解法解算出用户机的位置。42 无线测距方法准确获得用户站到达各基站间的距离差是解决定位的关键技术。雷达获得距离差的方法是通过向基站 发射电波经反射后，比较发射波和反射波相位差，从而计算出到达基站的距离，当得到到达多个基站距离 后，通过双曲线算法可计算出用户站的位置。而在超短波电台通信网内通过雷达测距的方式是不现实的。 超短波电台一般为单工电台，收发间隔时间长，即便是双工超短波电台，其收发间隔时间也只能达到毫秒 级的。因此，无法实现可利用的电波的反射，也就是说，无法直接获得到达基站的距离。笔者通过研究， 给出一种通过基站再生定位信号的方法，使用户站可直接获得到达基站间距离差。假设主站发出的定位信号角频率为 ，则定位信号可记做（这里只考虑相位）（ 1 ）不失一般性，令辅站到主站之间的距离为D,电波传播速度为c,辅站解调得到的定位信号表示为（ 2）假设用户机到该辅站的距离为R。用户接收并解调该定位信号，得到（ 3）同理，主站到用户机的距离为R”，用户机解调出的主站定位信号为（4）式（3）、（4）送入用户机鉴相器，得到用户到主站与任一辅站间的相位差（5）对应的距离差为（6）令相位测量精度为，假设，则对应的距离精度0.03km，其可测量最大距离为36km。即（7）（8）由（7）（8）两式知，定位信号的频率和相位差的误差决定定位的精度和可测量的最大距离。频率越高定 位精度越高，但电台调制信号为话音信号，故系统所能允许的调制信号的最高频率不能太高，一般应小于 10kHz。测量获得相位差的误差将决定系统的定位精度。而通过仿真得知，采用相关法求相位差时，相位 差的误差主要由定位信号信噪比决定。信噪比越大，误差就越小。下面介绍用相关法求相位差的方法以及 仿真的方法和结果。43 相位差测量原理 求解相位差的方法一般有3种，包括：相关法、傅立叶法、过零法4。过零法即通过判断两同频信号过零 点时刻，计算其时间差，然后转换成相应的相位差。实际的信号采集几乎无法准确采集到零点时刻，因此 过零法误差较大。 FFT 法求相位差，即对信号进行频谱分析，获得信号的相频特性，两信号的相差即主频 处相位的差值，该方法计算量大，程序复杂。仿真和实践证明其抗干扰能力差。本文使用相关法，其原理 如下：设有同频信号 、 ：（1）（2）其中： 、 为噪声信号； 为两信号相差。两信号的相关函数为：（3） 由于噪声和信号不相关，而且两噪声之间也不相关，故可推得：（4）（5）所以（6）再由信号幅值与其自相关函数零点之间的关系，可得：（7）最后可得（8） 实际算法中，相关函数的离散时间表达式如下：（9）（10）（11） 本文对相关法求相位差进行了计算机仿真，主程序框图如图3所示。仿真数据请参照下列各表：表 1 信噪比与相位差误差的关系仿真条件信噪比仿真次数最大误差（度）大于0.3的次数 分析频率8k,相位差20,采样频率1MHz，采样点数2000 61.9 3930 0.04 0精度高，但意义不大且实现困难41.7 3095 0.06 029.6 3038 0.23 0精度能够满足要求，实现难度不大27.7 3338 0.34 2725.2 3153 0.46 591误差较大21.7 3089 0.85 3032完全不能使用表 2 采样点数与相位差误差的关系仿真条件采样点仿真次数最大误差（度）大于0.3的次数分析频率8k,相位差20,采样频率1MHz,信噪比25.2 2000 3088 0.46 577误差大4000 3906 0.41 422较前者性能有所改善,但不明显,且实现难度增大。定位精度在50米以内5000 3020 0.39 2366000 3029 0.39 1678000 5079 0.35 176表 3 定位信号频率和相差与相位差误差的关系仿真条件频率相差仿真次数最大误差（度）大于0.3的次数分析采样频率2MHz,采样个数2000,信噪比25.2 6k 20 735 0. 46 127误差与定位信号频率无关8k 1573 045 30915k 1334 0. 45 24025k 870 0. 45 1658k 0 428 3. 25 428误差随相差增大而减小8k 30 785 0. 34 158k 60 833 0. 24 08k 90 1119 0. 24 05 结论通过大量仿真,得到以下结论：5. 1 相关法测量相位差测量精度与定位信号信噪比、采样频率和采样点数有关,信噪比对测量精度的影响 最大,尤其在信噪比较低的情况下,适当增加几个dB,会明显提高测量精度。5. 2 相关法测量相位差与定位信号频率无关,与相差成反比,也就是说,距离差越大精度越高。5. 3 在现有电台基础上,增加定位信号产生、数字锁相环、定位信号再生、数字鉴相仪以及坐标解算等模 块,即可实现无线电自定位。并依托自组织网络实现位置信息的快速报知。参考文献1 Raytheon Systems Company. Enhanced Position Location Reporting System.2003.102 蒋庆全.陆军数据分发系统.817网/美国军事.htm . 2003.113 Director， Operational Test & Evaluation FY99 Annual Report .20024 刘君华等. 虚拟仪表图形化编程语言. 西安电子科技大学. 2001.4