淺談無縫定位技術(shù)*

付承彪 田安紅 楊華芬

(曲靖師范學(xué)院計算機科學(xué)與工程學(xué)院，云南 曲靖 655011)

目標(biāo)的位置信息包括目標(biāo)處于任何環(huán)境中的位置信息，因此定位目標(biāo)的位置信息，實質(zhì)上就涉及到無縫定位的問題。所謂無縫定位是一種全覆蓋的無線定位技術(shù)，目前單一手段的無線定位跟蹤技術(shù)在定位的空間、精度上都受到了很大的制約，這種制約在某種程度上是顛覆性的，或者是不可逾越的。例如，對于衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)而言，準(zhǔn)確有效的定位信息主要是依賴于接收機能夠接收到足夠多的可見衛(wèi)星數(shù)目。

1.GPS定位技術(shù)

GPS系統(tǒng)是美國國防部提出建立的一種可以定時和測距的導(dǎo)航系統(tǒng)。它不僅可以向全球用戶提供連續(xù)、實時、高精度的三維位置、速度和時間信息，而且它還可以利用相位干涉原理，采用天線布陣技術(shù)，實現(xiàn)載體的航向及姿態(tài)的測量。它的整個發(fā)展大概分為三個階段:

第一階段為原理方案可行性驗證階段。發(fā)射試驗衛(wèi)星，建立地面跟蹤網(wǎng)，研制地面GPS接收機，對系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了試驗，試驗結(jié)果令人滿意。

第二階段為系統(tǒng)的研制與試驗階段。研制了各種導(dǎo)航型接收機和測地型接收機，試驗表明，GPS的定位精度大大超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，其中粗碼 (C/A碼)的定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，高達(dá)20m。由此證明，GPS計劃是相當(dāng)成功的。

第三階段為最后的工程發(fā)展與完成階段。高精度的導(dǎo)航型接收機和采用相位差分技術(shù)的GPS載體姿態(tài)測量接收機，滿足了精密導(dǎo)航與制導(dǎo)等一系列軍事目的要求。

眾所周知，全球定位系統(tǒng) (GPS)可以對全球目標(biāo)用戶提供位置、速度以及時間信息等相關(guān)數(shù)據(jù)，在航空、海上以及陸地等諸多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。然而它的高精度性能等優(yōu)點依賴于幾何精度因子的好壞程度，利用GPS系統(tǒng)確定目標(biāo)的位置，一般情況下，至少是需要接收機能夠接收到4顆定位衛(wèi)星信號。此時，當(dāng)目標(biāo)用戶處于戶外時，采用它可以非常準(zhǔn)確地定位出目標(biāo)的位置信息。但是，當(dāng)目標(biāo)用戶運動到高樓聳立的城市環(huán)境中時，在這種受到遮擋的情況下，所能夠觀測到的GPS衛(wèi)星［1］及其幾何結(jié)構(gòu)通常都不理想，很難滿足精密定位的需要。而當(dāng)目標(biāo)用戶運動到一些更為極端的情況下時，如在室內(nèi)或隧洞中，接收機則根本完全接收不到衛(wèi)星信號，導(dǎo)致其無法進(jìn)行工作。其次，GPS接收機系統(tǒng)在定位開始時，需要先進(jìn)行冷啟動，而這個啟動工作一般情況下需要花費幾分鐘，如果說在這個啟動的時間段內(nèi)，正好存在著面臨生命危險的情況發(fā)生，則冷啟動的時間就會耽擱對生命的援救。再者，加上美國國防部對GPS采用選擇可用性政策，使得在某些特殊的情況下，比如說處于戰(zhàn)爭時期或者是兩國關(guān)系非常緊張的時期，在這個階段內(nèi)，其他國家想要繼續(xù)采用GPS衛(wèi)星來進(jìn)行定位目標(biāo)就會受到嚴(yán)重的干擾。最后，通過研究發(fā)現(xiàn)，GPS的較高精度性能主要是集中在水平方向上，由于受到電離層、對流層延遲誤差等眾多因素的影響，導(dǎo)致采用它來定位目標(biāo)時，在垂直方向上精度較差，并且其誤差通常是水平方向上的2倍或者3倍左右，很難滿足一些精密應(yīng)用場合的要求。

2.實現(xiàn)無縫定位技術(shù)的方法

對于GPS的缺陷，在現(xiàn)階段的應(yīng)用中，主要是采用與其它導(dǎo)航定位衛(wèi)星系統(tǒng) (如俄羅斯GLONASS系統(tǒng))進(jìn)行組合，又由于這些導(dǎo)航系統(tǒng)的定位原理與GPS系統(tǒng)大體上是相同的，采用它們進(jìn)行聯(lián)合定位時，能夠觀測到的衛(wèi)星的數(shù)目得到增加，從而減少了導(dǎo)航定位盲區(qū)的概率。然而，這種聯(lián)合定位也存在著不足之處，比如，在接收機中需要額外設(shè)置專門的接收設(shè)備來接收對應(yīng)的導(dǎo)航信息，顯然這種配置對普通的目標(biāo)用戶來說不是切實可行的。與此同時，這些都是基于不同衛(wèi)星的定位系統(tǒng)，由于衛(wèi)星信號從空中發(fā)射出來，一直傳播至地面的接收機時，需要經(jīng)過很長的距離，使得到達(dá)接收機后的信號強度比較微弱，非常容易受到周圍環(huán)境的干擾，因而在實際的應(yīng)用當(dāng)中受到一定的限制，比如說在室內(nèi)或者是出現(xiàn)遮擋的情況下，仍舊無法順利完成定位的功能。

2.1 偽衛(wèi)星定位技術(shù)

基于上面的分析可以發(fā)現(xiàn)，偽衛(wèi)星技術(shù)［2］和基于地面廣播的數(shù)字電視 (DTV)系統(tǒng)是解決這些問題的有效途徑。通過設(shè)置地面?zhèn)涡l(wèi)星裝置，采用偽衛(wèi)星與GPS衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合，可以改善衛(wèi)星的幾何布局情況，基本上可以擺脫GPS所受到的種種約束限制，從而最終提高系統(tǒng)的定位精度性能。

2.2 DTV定位技術(shù)

從全世界的發(fā)展趨勢來看，中國也和世界上許多國家一樣，都在積極推動該業(yè)務(wù)的發(fā)展。我國基于地面廣播的數(shù)字電視［3］產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，在2006年8月18日《數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制》標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布，并且在2007年8月1日進(jìn)行全面地實施，并計劃從2008年起全面推廣基于地面廣播的數(shù)字電視業(yè)務(wù)。基于地面廣播的數(shù)字電視信號，不僅可以完成其基本的功能，還能夠?qū)⑵渥鳛橐环N無線電輻射資源來使用，進(jìn)而考慮應(yīng)用到各種軍事和民事當(dāng)中。同時，它還具有很多優(yōu)勢，比如說電視塔發(fā)射臺設(shè)置在全國各個縣市，覆蓋范圍非常的廣泛，并且發(fā)射功率也很大，可以使用的頻譜資源也相當(dāng)豐富。另外，該DTV系統(tǒng)的子載波數(shù)較大，具有非常強的抗衰落以及抗干擾的能力，還具有非常精確的定時同步性能，這些優(yōu)勢都為實現(xiàn)DTV信號的準(zhǔn)確定位提供了前提。再者，該系統(tǒng)的定位精度能夠達(dá)到1m量級，且該定位技術(shù)所提供的設(shè)備價格比GPS技術(shù)所要求的設(shè)備更廉價，而功率也更低。最后，利用基于地面廣播的數(shù)字電視信號與GPS定位信號進(jìn)行結(jié)合，能夠抵抗更強的干擾性能，當(dāng)目標(biāo)用戶處于室內(nèi)環(huán)境或者是處于衛(wèi)星信號受到遮擋的環(huán)境情況下的時候，系統(tǒng)仍能夠順利完成定位導(dǎo)航的功能，它可以作為衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的有益補充。因此，采用廣泛分布的DTV基礎(chǔ)設(shè)施來定位無線設(shè)備，比當(dāng)前可供選擇的任何一種方案都更經(jīng)濟(jì)有效。DTV定位技術(shù)與GPS定位技術(shù)的結(jié)合為單獨應(yīng)用GPS時所存在的上述問題提供了一個全新的可行解決方案。

3.總結(jié)

基于以上的討論分析，選擇偽衛(wèi)星和DTV定位技術(shù)與GPS定位技術(shù)的結(jié)合可以實現(xiàn)無縫定位。即將各種不同的觀測值在不同層面上結(jié)合起來，是使無線定位跟蹤技術(shù)達(dá)到高精度、無縫性以及高實用性的有效途徑。

［1］譚述森.衛(wèi)星導(dǎo)航定位工程［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2007:1—15.

［2］王丹.偽衛(wèi)星動態(tài)定位方法及其增強GPS技術(shù)的研究 ［D］.哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008:4—6.

［3］季明麗.一種基于數(shù)字電視信號定位的新技術(shù) ［D］，東南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006:1—8.