基于扩频信号的高精度定位技术的研究

摘 要
无线电定位技术，是指利用现有的无线通信网络资源，通过处理和计算移动终端接收到的各基站信号，得到一些固定测量值（时延差、载波信息等），然后根据网络或者移动终端中的定位算法，确定移动终端的位置。其中时间延迟估计是无线电定位技术的一个关键部分。
扩频通信技术具有功率谱密度低、抗干扰能力强、可以实现码分多址等众多优点，在测距领域扮演重要角色，它的应用也越来越广泛。本文将扩频技术应用于无线电定位中，其中PN码的同步问题是重点和难点的技术之一。
本文对无线电定位技术和扩频通信的相关理论进行了系统的阐述，在时延估计方面进行重点研究。为了提高时延估计精度，本文在两个方面进行探讨，一种是基于最小二乘的非等量采样的方法，另一种是运用载波相位信息的方法。
在采样速率与伪码速率成整数倍关系时，时延测量精度由采样率决定，这时存在采样模糊的问题。在这种情况下，本文探讨了一种基于最小二乘的非等量采样的伪码相位测量算法。在不提高采样速率的情况下，很大程度上提高了时延测量精度，而且能有效的消除噪声的影响。
除此之外，本文还研究了一种运用接收信号载波相位信息来进一步确定信号延迟的方法。运用接收的来自不同基站的载波相位之间的关系，得到两两基站之间的时延差相对于载波周期的非整数部分。因为载波周期很小，得到的时延差也会更精确，但是会出现载波周期模糊的问题。
关键词：无线电定位；扩频通信；时延估计；非等量采样；最小二乘；载波相位

第1章 绪 论
1.1 选题背景和意义
定位，通常是指依据某种手段和方法确定目标在一个参考坐标系中的位置。在众多定位手段(超声、红外、激光、无线电等)中，无线电定位的应用最为广泛。无线电定位是通过测量目标发射或反射的电波参数(传播时延、信号强度、多普勒频移)，结合电波传播特性转换成为定位所需要的测量参数(距离、距离差、方位)，再利用多个(不少于3个)位置信息已知的参考点建立解算方程组，从而获得目标的空间位置信息。
无线电定位技术最初的产生是为了满足远程航海导航等的要求，而后随着无线网络通信技术的飞速发展，与定位有关的需求越来越大。近年来，随着无线电通信技术频段覆盖密度的增加与快递的发展，定位技术得到更深层次的应用，随之而来无线定位技术也渐渐成为了研究的热方向。由于无线定位利用的是无线电波，受气候条件影响较小，因此，它既是保障人类交通安全和从事军事活动的必要手段，也是在复杂条件下一种很有效的导航方法。无线电定位在现代社会中，特别是在信息化战争中发挥着越来越大的作用，其运用覆盖军用和民用的各个领域。在军用和民用中都得到了广泛的应用，基于不同的定位原理研究出了如地面雷达、红外探测、光学探测、空中无人机、预警机、侦察机等在内的信息收集和目标探测系统。在上述定位系统中，有源定位由于需要自己发射电磁波而有着更加容易暴露自己的缺点。所以，被动定位逐渐成为人们研究的重点，世界各地都竞相发展起针对不同原理的定位技术和设备。
无线电定位可分为卫星无线电定位和地面无线电定位。以GPS为代表的卫星无线电定位技术是将扩频技术应用其中，具有极高的抗干扰性和高精度、低成本等优点。但GPS系统对移动台和网络的时间同步有较高要求，而且其精度随各个卫星的不同，而时时发生着变化。GPS卫星发射的信号在远距离传输过程中受到干扰很大，在大城市或山区，由于高层建筑物及树木等对信号的影响，也会导致信号的非直线传播，无法满足小范围内的高精度定位测量。
为了满足一些具体的需求，从减少成本和提高定位精度的方面考虑，将无线电定位技术用于地面小范围定位系统中。本系统在发射信号类型和定位方式等方面与GPS技术类似，但又不同于卫星定位。地面无线电定位通过安装在地面的各个基站，发送比卫星定位系统强度高的无线电信号，以覆盖用户所在的区域。由于定位范围较小，系统相对容易控制和操作，发射信号强度大，信号所受环境噪声变化较小，故定位结果更加精确，在区域内的定位应用中，具有很高的实用性。
在定位技术中的时间延迟是表征信号的一个基本参量，对时间延迟及其有关参量估计的研究，一直是国际信号处理领域的一个十分活跃的研究课题，具有重要的理论意义和应用价值。一方面，对于时间延迟估计的研究有力地促进了数字信号处理、信号检测与估计、时间序列分析和自适应信号处理等理论的发展。而无线电定位计算中， 各个基站信号到达用户的时延差是一个重要的参数，是其中的关键部分，其精度和效率直接影响着整个定位系统的性能，所以对其进行进一步研究具有重要的理论意义和应用价值。
1.2 无线电扩频定位系统概述
对于无线电信号的定位方式，按是否向被动目标主动发射电磁波，分成两类：主动定位和被动定位。第一类是基于网络的定位方案。由已知位置的基站(或称之为观测站)构成的定位网络，通过测量移动终端发出的电磁波到达观测站的有关参数来对移动站进行定位。通常定位网络需要一个中心节点来搜集各个观测站得到的数据，然后进行相应的运算估计移动站点的位置。由于定位过程占用定位网络资源，被定位者的数量受到限制。另一类是基于移动台的定位方案。由移动终端(或称之为移动站MS)接收周围己知位置的信标台或基站的定位信号广播，经过相应的信号处理计算后定出自己的位置，是本文着重研究的定位方式。较典型的例子是GPS系统。
无线电被动定位系统有很多特点，主要如下：
第一个特点是在这种方式下，定位算法在移动终端内完成，不占用基站的运算资源，因此用户数量没有限制。
第二个特点是无源，即接收信号终端不主动发射电磁波，所以此系统不易被感知，一般不存在被干扰问题，安全性好。
第三个特点是系统的定位性能与定位基站的布局有关。在某一个地面范围内，同样的三个基站，不同的几何布局会对系统性能产生影响。所以使用无线电定位系统时，应该合理调整基站布局，使得定位性能尽可能高。
一般而言，定位系统主要包括了四个部分：发射部分、传输部分、接收部分和信号处理部分。首先由地面基站发射无线电定位信号，其次，发射的信号将经过由各种媒质组成的传输部分到达被测物体，然后，由接收机对信号实施匹配接收，最后，进入数据处理部分，对信号进行滤波、放大和数据处理等测量工作，得出测量物体相对于坐标已知点的方向、距离、距离差等参量，再转化成为定位信息，最终实现对信标的定位。接收机接收到一组测量值后，主要问题是选择一种计算量最小，速度最快的算法对目标进行定位，并保证具有最小的定位误差。目前，人们已经在定位算法、定位精度分析、最佳布站分析、跟踪滤波和虚假定位消除等方面做了大量的工作，并取得了一定的成果。
扩频通信技术凭借它独特的优越性，己成为定位系统中最基本的抗干扰技术。扩频通信是用扩频序列将待传送的信息数据的频谱扩展后再传输的一种通信系统，具有很强的抗干扰能力，同时由于其扩频序列的特性，扩频技术还能完成精确测距的任务。扩频通信系统因为其通信原理的特殊性，具有抗干扰性强、截获率低、抗多径干扰性能好、安全保密性好、可进行码分多址通信等优点，因此在定位测控系统中具有广泛的使用前景。
无线电技术的发展，使得传输环境中的各种干扰越来越大，信道环境日益恶劣，可用测控频率资源的分配将变得更加困难。而同步技术是一个扩频通信系统的关键技术，因此对扩频接收同步技术的研究具有重要意义。
1.3 国内外研究现状
定位技术最初是为了满足航空、航海领域中移动物体导航的需要而发展起来的。最早的定位设备可以追溯到第二次世界大战前使用的无线电罗盘、定向器、无线电信标等。这些设备主要用于引导移动体出航、归航和按预定航线航行，而不是直接用于导航和自主定位，因此，并不是真正意义上的电子定位。
从第二次世界大战开始到20世纪60年代，由于战争的需要和电子技术的发展，才先后出现了真正意义上的电子定位系统，如极坐标定位系统(VOR/DME)、双曲线定位系统(DECCA)、战术空中导航系统(TACAN)、罗兰系统(LORAN)、欧米伽系统(OMEGA)等。
随着移动通信技术的发展，为快速准确地解决社会治安、紧急救援等突发事件，定位技术受到了人们的广大需求。1996年美国联邦通信委员会(FCC)颁布了E-911法规，要求2001年10月1日起移动通信网络必须能对发出紧急呼叫的移动台提供精度在125m内的定位服务，而且满足此定位精度的概率应不低于67%。1999年FCC对定位精度提出新的要求:基于网络定位要求提供精度为l00m内定位概率应不低于67%，精度为300m内的定位概率应不低于95%；基于移动台的定位为精度50m内的定位概率应不低于67%，精度150m以内定位概率应不低于95%。欧洲和日本也作了相应的要求，提供E-911定位服务将是今后蜂窝网络必备的基本功能。由于政府的强制性要求和市场本身的驱动，各国公司就GSM、CDMA等网络制定了各自的实施方案，取得了一定的成果，许多厂商已经开发出了许多定位设备，提供精度越来越高的定位业务。
近年来，为了满足一些具体的定位需求，地面无线电定位技术越来越受到重视。2013年初，国外研究人员日前推出一种新的地面定位系统，其定位和导航功能要比现在的GPS卫星定位系统更加精确。新式地面无线电定位技术导航能力挑战GPS系统，将成为未来定位导航行业中最重要的技术之一。有分析人士指出，GPS卫星定位系统在部分区域仍旧存在定位盲区，室内定位技术已经成为定位导航行业未来发展的重点。
时延估计是定位技术中一个不可忽视的领域，时延估计的精度很大程度上决定着定位的精度，在定位系统中有重要的作用。20世纪50年代以来，随着信息论、信号检测理论和计算技术的发展以及各种应用领域对时延估计的需求，时延估计理论得到了迅速发展。
1976年，Knpap和Carter发表了一篇名为“广义相关法时延估计”，的著名论文，把时延估计的研究推向新的高潮并使时延估计获得了广泛的应用。这篇论文从理论的高度，将当时存在的多种基于相关分析的加权时延估计方法统一在广义相关时延估计的理论框架下，并且给出了时延估计的性能下界—克拉美罗下界。这篇著名论文成为划时代的历史文献。进入20世纪80年代，时间延迟估计的研究有了蓬勃的发展。1981年ASSP学会专门出了一期关于时间延迟估计问题的专刊，汇集了当时多篇重要研究论文，内容涉及到被动及主动时间延迟估计问题、广义相关时延估计方法、理论研究和性能分析、时变时延问题和自适应时延估计等问题。整个80年代，除了广义相关法在理论、方法、性能上达到了深入的研究和广泛发展外，其它多种方法如广义双谱法、参量模型法和自适应法等都从无到有，得到了迅速发展。此外，还提出了其它类型的方法，典型的有Fede等人提出的基于估值最大(EM)准则的最优多源定位方法和Aezknot等人提出的基于最小二乘估值的时延估计方法等等。
自从20世纪90年代以来，人们除了对现有方法进行扩展和深入研究外，又发展了基于人工神经网络的时延估计方法，基于谱相关理论的时延估计方法和各种自适应的时延估计方法等。
5.3 本章小结
本章介绍了一种利用载波相位信息确定时延的方法。可以利用伪码相位测距或者其他方法得到载波相位传播延时的整周期数，然后利用此算法得到非整周期数。因为载波波长比伪码码长小得多，故利用载波相位信息得到的时延估计精度更高。但是载波相位测量只能测量出相位中不足一个整周的小数部分，在对连续的整周部分的计算过程中，各种干扰可能会导致周跳现象的出现，故周跳的探测也是载波相位测距中的一个重要课题，对周跳的探测修复对载波相位测距的精度有重要意义。