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基于蜂窝网无线定位技术TDOA的误差分析
1.3.1 基站个数的影响
和
分别表示信号的幅度和pn码的延时。载波信号解
调后得到基带信号,除去数据信息d(t),得到pn信号:
要实现TDOA定位,需要至少三个基站。当移动台能 接收到更多基站的信号时,利用更多的信号估计位置,就 可以更精确地定位。
(11)
1.3.2 基站布局的影响
通
其中
∧
Φ
0
为直达信号的载波相位估计,pn信号分别与
34
基于蜂窝网无线定位技术TDOA的误差分析
1.2.2 码元跟踪误差 基于TDOA的定位法要求移动台从接收到的射频信号
中提取准确的TDOA估计值[4]。目前较常用的方法是采用 延时锁相环(DLL)进行精探测。
移动台接收机利用载波信号中的pn码一致性来测 距。先通过相关技术捕获pn码,获得直达信号的时延估计
苟举
通
男,四川广元人,研究生,重庆邮电大学无线定位与空间测量研究所,研究
信
方向为通信与信息系统。
热
点
0 前言*
TDOA是蜂窝网定位算法的一种,TDOA是通过检测 信号到达两个基站的传播时间差实现定位的,和TOA定 位需要测量到达的绝对时间来确定移动终端的位置相比, 降低了对基站时间同步的要求。测量得到移动台到两基站 的距离差,则移动终端位于以两基站为焦点的双曲线上。 当已知基站BS1和基站BS2与移动台之间的距离差R21=R2- R1,移动台必定位于以两基站为焦点,与两焦点的距离差 R21为实线的双曲线对上。当同时知道基站BS1和基站BS3与 移动台之间的距离差R31=R3-R1时,可以得到另一组以两 基站BS1和BS3为焦点,与该两焦点的距离差恒为R31的以虚 线表示的双曲线对上。于是,两组双曲线的焦点代表移动 台的估计位置[1],如图1所示。
(1) (2)
图1 TDOA定位示意图 2011.04.广东通信技术 33
通信热点
然而这只是在理想传播环境下,在实际传播过程中 存在多种误差,使得测量TDOA结果增加,即R21、R31增 加,这样定位结果机会产生误差。其误差有NLOS误差、 多径效应误差、基站误差和算法产生误差。本文将分析它 们对定位精度带来的影响,以策略性的提高蜂窝网定位精 度。
通信热点
设基站半径为1时,BS1、BS2、BS3、BS4、BS5、BS6、
BS7的坐标分别为(0,0),( 3 ,0)( 3 2 ,
3 2 ),( - 3 2 , 3 2 ),( - 3 ,0),
( - 3 2 , - 3 2 ),( 3 2 , - 3 2 ),当基站个
数为5时,分别取基站BS1、BS2、BS3、BS4、BS5,基站个 数为6时,分别取基站BS1、BS2、BS3、BS4、BS5、BS6。仿 真结果如图8。
(24)
设基站BS1为服务基站,可得TDOA算法的表达式 为:
36
i =2,3,4 (25)
其中(X,Y)为待估计的定位值, 为系统测量 误差。
1.4 算法选择 在蜂窝网络中采用TDOA技术对移动台进行定位估计
时,有多种算法可用于求解双曲线方程组,算法不同也对 定位结果有影响,下面介绍三种。
1.4.1 Chan算法 该算法的特点是计算量小,在噪声服从高斯分布的
通信热点
1.3.3 基站、移动台非水平面的影响 在TDOA定位时,我们假设所有基站和移动台都处于
同平面(即二维空间)。但在实际环境中,基站和移动台 并不处于同一水平面,特别是在山区,基站往往建在高山 上,和移动台的落差甚至可达1 000米,基站之间也不一 定处于同一平面,这就构成了三维空间。这些都会影响到 定位的结果。
通 信 热 点
图3 基站、移动台非水平面时定位环境
设移动台的实际位置为(X0,Y0,Z0),则基站的Z坐标
可分别表示为:
Z1 = Z0 + H1
(21)
Z2 = Z0 + H1 + H2
(22)
Z3 = Z0 + H1 + H2 + H3
(23)
Z4 = Z0 + H1 + H2 + H3 + H4
RMSE变化范围为25米左右。 2.4.3 基站、移动台非水平面对定位的影响仿真
算法、NLOS和基站布局均为初始条件,设基站之间
的高度差 H 2 = H 3 = H 4 =100米,移动台到服务基站的 高度差 H1 变化范围较大,取0~500米,仿真结果如图
10。
通
信
热
点 图10 移动台与基站非水平面对定位精度的影响
为分析基站、移动台非水平面对定位的影响, 我们设定有如图3所示定位环境。4个基站坐标分
别 为 ( X 1, Y 1, Z 1) , ( X 2, Y 2, Z 2) , ( X 3, Y 3, Z 3) , (X4,Y4,Z4),移动台和基站1(BS1)的高度差为H1,
基站1(BS1)与基站2(BS2)的高度差为H2,基站2 (BS2)与基站3(BS3)的高度差为H3,基站3(BS3)与 基站4(BS4)的高度差为H4。
基于蜂窝网无线定位技术TDOA的误差 分析
[苟举]
摘要
本论文分析了TDOA的误差:NLOS、多径效应,基站误差和算法选择。分别针 对4种误差建立了模型,并仿真出其对定位精度的影响。通过比较分析,得出NLOS 的误差远大于其他两种,基站误差次之,算法选择带来的定位精度影响最小。
关键词: TDOA 误差分析 NLOS 基站误差 算法
(13)
时,基站布局可变成其他形状。
相关后的两信号相减得鉴别器的输出为:
可解得
(18)
那么,求出基站BS3、BS4的移动坐标为: (14)
为码元误差, 号相对于直达信号的时延, 数,其解析式为:
为多径信 是pn码的自相关函
其中
为随机数。
(19) (20)
(15) 图2 基站布局示意图 2011.04.广东通信技术 35
环境下,定位精度高。当有效测量基站为3个时,假定基
站到移动台的距离 r 已知,移动台的坐标( X ,Y ),可 以用已知测量值以及 r 表示,最后将( X , Y )代入 r
= (X 1 − X)2 +(Y1 − Y)2 中,可以解得 r ,进而
求得移动台的坐标( X , Y )。当有效测量基站数为4
d(t)和Pn(t)分别为数据信息和伪随机码, A 是载波信
通
设由NLOS引起的超量时延为 ,则在NLOS存在的环
号的振幅,w和Φ分别为载波信号的角速率和相位延迟,
信
热
境下,TDOA实际的测量值 为:
第 i 条多径信号的反射系数(
)。那么
点
叠加的复合信号为:
(3)
M
其中
为LOS环境下TDOA的值, 是系统测量
的定位估计值,在每一次递归中通过求解TDOA测量误差 的局部最小二乘解来改进估计,计算量较大[5]。
1.4.3 SI算法 这类方法可以得到定位估计的次优解。该类方法并
不是对测量误差最小化,从而求得定位估计的最小二乘 解,而是对测量方程中产生的某一残差求最小化[5]。
基于蜂窝网无线定位技术TDOA的误差分析
基站的信号不能直接到达移动台,而是通过绕射等方式
1.2.1 载波相位误差 设直达信号为:
则第 i 条多径信号可表示为:
(5)
到达,被称为NLOS(非视距传输)。这就无形增加信号
(6)
的传播距离,跟移动台到基站的实际距离相比,产生了
i = 1,2...M
NLOS误差。这个误差如果存在,一定是为正值。 往往在实际的定位过程中,还存在系统测量误差 ,
设移动台MS的位置为(X0,Y0),则其位置计算公
式如下:
((X 2 − X 0)2 − (Y2 − Y0 )2 − (X 1 − X 0)2 − (Y1 − Y0 )2)2 = R212
((X 3 − X 0)2 − (Y3 − Y0 )2 − (X 1 − X 0)2 − (Y1 − Y0 )2)2 = R312
∑ s(t) = s0 (t) + si (t)
i =1
误差,它服从(0, )分布,
是NLOS引起
(7)
的误差时延。 NLOS引起的时延误差可以通过Greenstein模型(一
种基于实际测量值的模型)来产生,即:
其中, 和Φ分别为叠加信号的反射系数和载波相
位延迟:
(4)
是移动台和基站之间的距离,单位是千米, 取
值在0.5到1之间, 是一个标准差为 的对数正态分布 随机变量。不同信道环境下的参数如表1所示[2]。
表1 不同环境的Greenstein模型参数
(8) (9)
可知,
,因此,由多径效应引起的载
波相位延迟不超过 ,即载波相位延迟带来的最大多
径误差为 。蜂窝网通信中的载波波长为厘米级,则
多径效应产生的载波相位误差为厘米级,这对定位的精度 影响不大。
1.2 多径误差 移动台能接受的信号不仅包括直达信号,还包括物
体反射和大气折射而来的多径信号。这些信号一起被接收 机接受,相互干涉成一个复合信号,影响了码元和相位的 测量,降低了定位的精度[3]。因此,多径误差可分为载波 相位误差和码元跟踪误差。
1 误差模型
1.1 NLOS(非视距传输) 蜂窝网定位系统中,由于高山或者建筑物的阻挡,
时,BS1、BS2、BS3、BS4的坐标分别为(0,0),( 3,0) ( 3 2,3 2)(- 3 2,3 2)。系统测量误差 服从(0,
302)分布。移动台的位置位于如图所示阴影部分。
2.3 多径效应对定位影响的仿真 多径信号的振幅小于直达信号的振幅,即
则,
(26)
取 则码元误差带来的最大测距误差为:
信 在蜂窝网定位中,基站的几何布局会影响到定位的