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無線定位系統(tǒng)定位功能是如何實(shí)現(xiàn)的?

2024-08-09 10:13:41

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  無線定位系統(tǒng)定位功能的實(shí)現(xiàn),通常是通過測量與位置信息相關(guān)的變量,并建立對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,然后通過測得的變量值和對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型相結(jié)合計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)的坐 標(biāo)。其中,應(yīng)用最為廣泛的是基于三角關(guān)系的定位技術(shù),這種定位技術(shù)是根據(jù)測量與 位置相關(guān)的數(shù)據(jù),利用幾何三角關(guān)系計(jì)算出目標(biāo)物體的位置坐標(biāo)。根據(jù)測量參數(shù)的不 同,還可以將基于三角關(guān)系的定位技術(shù)細(xì)分為基于接收信號強(qiáng)度(RSSI )的定位、基 于信號到達(dá)時(shí)間(TOA )的定位、基于信號到達(dá)時(shí)間差(TDOA )的定位和基于信號到達(dá)角度(AOA )的定位等。

  (1 ) 基于接收信號強(qiáng)度的定位(RSSI)

  基于接收信號強(qiáng)度的定位技術(shù)是在已知發(fā)射信號強(qiáng)度的前提下,測量接收端接收到信號的強(qiáng)度,根據(jù)所在環(huán)境的信道衰落模型估算出接收端與發(fā)射端之間的距離。 通過測量與多個(gè)已知坐標(biāo)發(fā)射點(diǎn)之間的距離,換算出移動(dòng)點(diǎn)的坐標(biāo)值。這種方式的關(guān)鍵是要準(zhǔn)確的建立無線電信號強(qiáng)度衰落數(shù)學(xué)模型。只有當(dāng)建立的衰落模型與實(shí)際衰落情況較好匹配時(shí),才能獲得理想的定位精度。但是,無線電信號在傳播過程中能量的 衰減不是只與傳播距離有關(guān),而是多種因素作用的結(jié)果,所以這種定位方式在實(shí)際應(yīng)用中定位精度不高。這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)簡單,費(fèi)用較低,特別是在 GSM 通信網(wǎng)絡(luò)定位中,它不需要改變移動(dòng)終端和基站的硬件結(jié)構(gòu),只需要添加相應(yīng)的軟件就可以實(shí)現(xiàn)定位,因此也得到了較高的重視。

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  (2 ) 基于信號到達(dá)時(shí)間的定位(TOA)

  基于信號到達(dá)時(shí)間的定位的基本方法是同時(shí)測量無線信號從標(biāo)簽點(diǎn)到多個(gè)固定基站之間的傳播時(shí)間,由無線電信號的傳播速度等于光速c = 3 +108 m / s ,可以計(jì)算 出標(biāo)簽點(diǎn)到各個(gè)固定基站之間的距離。

  為了準(zhǔn)確測量無線信號在基站和標(biāo)簽點(diǎn)之間的傳播時(shí)間,要求標(biāo)簽點(diǎn)和基站都具有非常準(zhǔn)確的時(shí)鐘,并且標(biāo)簽點(diǎn)和各個(gè)基站的時(shí)鐘需要嚴(yán)格同步。在實(shí)際應(yīng)用中要實(shí) 現(xiàn)這點(diǎn)是十分困難的,因?yàn)闃?biāo)簽點(diǎn)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),傳播時(shí)延是未知的,基站和標(biāo)簽點(diǎn) 之間的時(shí)鐘肯定存在一定的誤差。此外,因?yàn)榉且暰?NLOS )等因素的影響,三個(gè)圓最終可能并不交于一點(diǎn),需要通過相應(yīng)的算法來估算出標(biāo)簽點(diǎn)的位置,這也會引入一定的誤差,并增加了實(shí)現(xiàn)的難度。

  (3 ) 基于信號到達(dá)時(shí)間差的定位(TDOA)

  基于信號到達(dá)時(shí)間差的定位是通過測量信號從標(biāo)簽點(diǎn)到達(dá)兩個(gè)基站所用時(shí)間的差值來計(jì)算標(biāo)簽點(diǎn)的位置。它和 TOA 方式相比在于它不要求標(biāo)簽點(diǎn)和基站之間的時(shí)鐘同步。

  與 TOA 方式相比,TDOA 定位方式的優(yōu)點(diǎn)在于它不需要標(biāo)簽點(diǎn)和基站之間的時(shí)鐘同步,只需要基站間的時(shí)鐘同步。因?yàn)榛臼翘幱诠潭顟B(tài)的,實(shí)現(xiàn)基站間的時(shí)間同步難度相對較低,所以 TDOA 方式比 TOA 方式更易于實(shí)現(xiàn),得到了廣泛的應(yīng)用。

  (4 ) 基于信號到達(dá)角度的定位(AOA)

  基于信號到達(dá)角度的定位是通過基站的天線檢測出標(biāo)簽點(diǎn)發(fā)射信號的入射角度, 這樣就得到一條從基站到標(biāo)簽點(diǎn)方向的直線,標(biāo)簽點(diǎn)與兩個(gè)基站進(jìn)行測量則兩條直線 將交于一點(diǎn),這點(diǎn)就是標(biāo)簽點(diǎn)的位置,可以通過角度和三角關(guān)系算出標(biāo)簽點(diǎn)的坐標(biāo)。

  AOA 定位方式只需要兩個(gè)基站就可以完成定位,并且兩個(gè)條直線只有一個(gè)交點(diǎn),不會出現(xiàn)定位模糊的狀況。為準(zhǔn)確測量信號的入射角度,所以 AOA 必須工作在視距傳播條件下當(dāng)標(biāo)簽點(diǎn)與基站間的距離較遠(yuǎn)時(shí),微小的角度誤差都會帶來很大的距離誤差。并且 AOA 方式必須使用方向性天線,如智能天性陣列,因此成本相對較高。

  除了上述幾種方式,還有同時(shí)利用上述兩種后者多種定位方式的混合定位方式, 混合定位可以吸取各種定位方式的優(yōu)點(diǎn),相互補(bǔ)充。目前應(yīng)用最廣泛的是 TOA、TDOA和混合定位技術(shù)。