蔣爭明++唐盛平

摘 要：隨著智能天線的出現(xiàn)和蜂窩移動通信的發(fā)展，無線定位技術(shù)越來越受到大家的關(guān)注。無線定位系統(tǒng)由天線陣列、高頻功率放大、選頻濾波、A/D轉(zhuǎn)換和基于matlab無線定位5個部分組成。該文重點(diǎn)介紹在matlab開發(fā)環(huán)境下，如何通過基于信號到達(dá)時間差的定位法（TDOA）來確定目標(biāo)點(diǎn)的位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：在允許的范圍內(nèi)，能精確確定目標(biāo)點(diǎn)的位置。

關(guān)鍵詞：無線定位 設(shè)計 信號

中圖分類號：TN959.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）10（a）-0090-02

無線定位系統(tǒng)的基本功能是收集一定地理區(qū)域內(nèi)的無線信息，根據(jù)接收信號頻率、到達(dá)時間及角度等信號參量的變化，獲取目標(biāo)點(diǎn)的位置。依照檢測的特征值的不同，可以將基本的定位方法分成4種：基于場強(qiáng)測量的定位方法（RSSI）、基于信號到達(dá)時間差的定位方法（TDOA）、基于信號到達(dá)時間的定位方法（TOA）、基于信號到達(dá)角度的定位方法（AOA）以及混合定位方法，由于RSSI定位方法較為簡單，但受多徑衰落和陰影效應(yīng)的影響較大，使其定位精度較差，因此，該方法沒有得到廣泛的重視和應(yīng)用；AOA定位方法定位精度較高，但系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜，成本較高。TOA定位方法精度高，但對時間同步有較高要求；TOA需要嚴(yán)格的MS與BS時鐘同步，而TDOA只需BS間的時鐘同步即可，因此該文利用TDOA來確定目標(biāo)點(diǎn)的位置。

1 定位系統(tǒng)的原理及總體設(shè)計方案

無線定位系統(tǒng)主要包括以下幾部分：天線陣列、高頻放大器、選頻濾波器、A/D轉(zhuǎn)換部分、基于matlab測向系統(tǒng)、信息顯示部分。系統(tǒng)的工作原理大概如下：首先由多個天線陣列接收到來自空中某一位置發(fā)射來的信號，由于從天線陣列接收到的信號非常微弱，因而必須要經(jīng)過高頻放大器放大。然后經(jīng)過選頻濾波器進(jìn)行濾波，濾去無用信號，保留有用信號。由于任何一個處理器處理的都是數(shù)字信號，因此接收到的模擬信號要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送到基于matlab測向系統(tǒng)進(jìn)行TDOA定位。這樣就可以根據(jù)獲得的時間差信息和一些參數(shù)對目標(biāo)進(jìn)行定位，并將定位信息送到顯示部分。

2 計算信號點(diǎn)的位置

matlab所完成的主要任務(wù)是根據(jù)天線陣列接收到的數(shù)據(jù)對目標(biāo)的二維到達(dá)時間差的精確估計，并將其結(jié)果顯示出來。該過程的具體設(shè)計流程圖如1所示。

為了計算出信號點(diǎn)位置，該設(shè)計采用了一個很巧妙的辦法就是首先設(shè)定7個陣元的位置，然后通過加隨機(jī)高斯噪聲和設(shè)定信號點(diǎn)的位置來求出信號點(diǎn)到各個陣元點(diǎn)的時間差。由于時間，因此當(dāng)我們知道了后就相當(dāng)于知道了TDOA雙曲線所對應(yīng)的距離。在已知TDOA和各個陣元的二維空間坐標(biāo)位置后，就可以通過調(diào)用函數(shù)求出信號點(diǎn)的位置。

為了實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計，設(shè)計了子函數(shù)CHANFUC，其流程圖如圖2所示。CHANFUC的功能是可以根據(jù)陣元個數(shù)、陣元點(diǎn)的位置坐標(biāo)和時間差來確定信源點(diǎn)的位置。將一個大的程序分解成幾個單一的子程序模塊，用函數(shù)來完成每個子程序的功能，這樣大大簡化了程序的復(fù)雜性。

3 信號點(diǎn)的位置仿真和分析

為了對信號點(diǎn)進(jìn)行無線定位，假設(shè)信號的發(fā)出點(diǎn)的真實(shí)位置為（320，300），定位的區(qū)域半徑為r=500，在小區(qū)內(nèi)分布有7個陣元，7個陣元的位置坐標(biāo)分別為（0，sqrt（3）*r/2）、（3*r/4，sqrt（3）*r/4）、（-3*r/4，-sqrt（3）*r/4）、（3*r/4，-sqrt（3）*r/4）、（0，0）、（3*r/4，-sqrt（3）*r/4）、（3*r/4，sqrt（3）*r/4），信號點(diǎn)到第一個陣元的時間與到其他各陣元的時間之差可以通過其距離來等價的表示出來，因?yàn)?，該程序通過設(shè)定真實(shí)坐標(biāo)，然后加一些噪聲來求到各陣元的距離差。在已知陣元距離與時間差的情況下，通過設(shè)定TDOA雙曲線模型，來構(gòu)建線性方程組的解，然后通過CHAN算法來求解線性方程組的解，從而可確定信號點(diǎn)的位置。為了形象地表示出信源目標(biāo)點(diǎn)的位置，用matlab編寫程序顯示其定位的圖如圖3所示。

其中*表示陣元的坐標(biāo)位置，+表示信號點(diǎn)的真實(shí)位置，^表示通過無線系統(tǒng)定位后信號的位置，而圓表示該有效區(qū)域。通過以上算法可以在matlab中求出信源的實(shí)驗(yàn)測量位置為（306.618 0，253.738 8），各基站的坐標(biāo)點(diǎn)位置為與到第一個陣元的距離之差分別為（0，0）、（0，433.012 7），（375.000 0，216.506 4）、（375.000 0，216.506 4）、（-375.000 0，-216.506 4）、（375.000 0，-216.506 4）、（0，-433.012 7），從這些數(shù)據(jù)中我們可以看出由于多徑等因素的影響使得測量點(diǎn)的位置與真實(shí)位置之間有一定偏差，該偏差表現(xiàn)在matlab中的仿真上就表現(xiàn)為兩點(diǎn)不重合。

4 結(jié)語

無線定位系統(tǒng)的設(shè)計與制作要完成的主要任務(wù)是對空間中的某一位置進(jìn)行精確的定位，確定其空間坐標(biāo)值。該文分析了無線定位系統(tǒng)的組成，然后重點(diǎn)介紹在matlab開發(fā)環(huán)境下，如何通過陣元個數(shù)、陣元點(diǎn)的位置坐標(biāo)和時間差來確定信源點(diǎn)的位置，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在允許的誤差范圍內(nèi)，可以定位到目標(biāo)點(diǎn)的位置，但是由于多徑等因素的影響使得測量點(diǎn)的位置與真實(shí)位置之間有一定偏差。

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