基于ＴＤ－ＳＣＤＭＡ網(wǎng)絡(luò)的ＧＰＳ－ＲＴＫ定位算法研究

摘要：GPS－RTK定位方法與TD－SCDMA網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，提出一種新的定位模式。該模式可以為TD－SCDMA網(wǎng)絡(luò)中的移動用戶提供一種改進(jìn)的定位服務(wù)，實現(xiàn)厘米級定位精度，并且可以滿足高速移動情況下的實時動態(tài)定位請求。詳細(xì)描述了改進(jìn)的準(zhǔn)RTK算法及其詳細(xì)的公式推導(dǎo)過程，介紹了網(wǎng)絡(luò)輔助GPS的原理及優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：時分同步碼分多址；全球定位系統(tǒng)；實時動態(tài)定位技術(shù)；準(zhǔn)實時動態(tài)算法

中圖分類號：TP39文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001－3695(2007)07－0232－02

0引言

TD－SCDMA（Time Division Synchronous Code Division Multiple Access，時分同步碼分多址）是由中國無線通信標(biāo)準(zhǔn)化組織（CWTS）制定，并被ITU（International Telecommunications Union，國際電信聯(lián)盟）接納的三大3G無線通信主流標(biāo)準(zhǔn)之一。TD－SCDMA是FDMA、TDMA和CDMA三種基本傳輸模式的靈活結(jié)合。采用智能天線技術(shù)、時分雙工、動態(tài)信道分配等一系列高新技術(shù)，大大增加了系統(tǒng)容量，提高了系統(tǒng)抗干擾性能。由于TD－SCDMA的這些技術(shù)特點，它更適合于精確的定位業(yè)務(wù)。

根據(jù)3GPP文檔及TD－SCDMA系統(tǒng)測試規(guī)范，TD－SCDMA所支持的標(biāo)準(zhǔn)定位方法主要有：

(1)基于CELL ID（小區(qū)識別）的定位技術(shù)；

(2)OTDOA（Observed Time Difference Of Arrival）定位技術(shù)；

(3)網(wǎng)絡(luò)輔助的GPS定位技術(shù)[1]。

筆者簡單介紹了如何在TD－SCDMA網(wǎng)絡(luò)中運用網(wǎng)絡(luò)輔助GPS定位方法向客戶提供位置服務(wù)。首先提出了GPS－RTK與TD－SCDMA相結(jié)合的一種新的定位模式，采用RTK方法作為核心定位方法，向用戶提供實時動態(tài)的高精度定位服務(wù)；然后，詳細(xì)描述了改進(jìn)的準(zhǔn)RTK算法的推導(dǎo)過程；最后，在測試過程中，按照3G規(guī)范設(shè)計了一個TD－SCDMA模擬測試平臺。 

1RTK定位技術(shù)

（1）RTK定位技術(shù)概述

RTK是一種基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術(shù)。在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標(biāo)信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進(jìn)行實時處理，同時給出厘米級定位結(jié)果。

RTK分為兩類，即修正法和差分法。前者與偽距差分相同，基準(zhǔn)站將載波相位修正量發(fā)送給用戶站，以改正其載波相位，然后求解坐標(biāo)。后者將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)送給流動站進(jìn)行求差解算坐標(biāo)。前者為準(zhǔn)RTK技術(shù)，其精度可以達(dá)到分米級；后者為真正的RTK技術(shù)，可實現(xiàn)厘米級精度[2，3]。

（2）準(zhǔn)RTK算法原理

在模擬TD－SCDMA網(wǎng)絡(luò)平臺下實現(xiàn)了準(zhǔn)RTK算法。準(zhǔn)RTK的實質(zhì)為基準(zhǔn)站將載波相位改正值通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送給移動站，移動站利用該改正值修正自己的載波相位觀測量，提高定位精度[4，5]。

在相鄰兩采樣歷元之間，δρ(t)基本保持不變，而只要保證衛(wèi)星不失鎖，對同一顆衛(wèi)星而言其整周模糊度是不變的。對式(4)，兩站共視4顆衛(wèi)星，持續(xù)觀測5個歷元，得到20個方程，包含20個未知數(shù)，由此解出4顆衛(wèi)星的整周模糊度。在以后的求解中，同時觀測這4顆衛(wèi)星列出4個方程，則可以求解出任意時刻用戶的精確坐標(biāo)[6]。

2基于TD－SCDMA網(wǎng)絡(luò)的GPS－RTK定位

根據(jù)RTK定位原理可知，流動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測數(shù)據(jù)，對一般的GPS定位技術(shù)來說，需要GPS接收機在全空域范圍內(nèi)搜索可以使用的GPS衛(wèi)星[7，8]。通常這種搜索需要很長的時間，所以不能滿足快速移動定位的需要。在TD－SCDMA網(wǎng)絡(luò)中運用網(wǎng)絡(luò)輔助GPS定位方法，它是一種結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)基站信息和GPS信息對移動臺進(jìn)行定位的技術(shù)。圖1顯示了TD網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)輔助GPS定位方法的流程。其中CN為TD－SCDMA系統(tǒng)中的核心網(wǎng)絡(luò)，SRNC中包含了RTK核心算法，UE為被定位客戶，其上帶有GPS信號接收機[1]。

LCS Client向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出定位請求；CN將該請求消息轉(zhuǎn)發(fā)給SRNC；SRNC接收到該消息后判斷移動臺（UE）當(dāng)前所在的小區(qū)，根據(jù)其大體位置收集可見的GPS衛(wèi)星，將這些信息提供給移動臺，包括可見衛(wèi)星的衛(wèi)星ID、星歷、時鐘校正等輔助信息，同時向移動臺請求定位所需的GPS觀測量；移動臺根據(jù)輔助信息，更快地完成可用衛(wèi)星的搜索過程。搜索完成之后，將RTK算法所需觀測量送回給SRNC，在其中進(jìn)行RTK定位計算。定位結(jié)束后通過網(wǎng)絡(luò)將定位結(jié)果信息經(jīng)CN送回給LCS Client。

用網(wǎng)絡(luò)輔助UE GPS接收機進(jìn)行定位，可以使其性能在以下幾方面得到提高：

(1)減少UE GPS 接收機的啟動和捕獲GPS 衛(wèi)星信號的時間，縮小搜索范圍，測量速度得到明顯提高。

(2)提高UE GPS 的靈敏度。 在低信噪比的情況下，UE GPS 無法觀測到足夠的衛(wèi)星信號時，可以通過UTRAN傳來的已觀測到的定位輔助信息來進(jìn)行定位計算。

(3)UE通過縮短啟動時間，可以節(jié)省手持機的耗電量。

3模擬測試平臺

由于受到TD－SCDMA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及現(xiàn)有設(shè)備的限制，在符合3G規(guī)范的前提下設(shè)計了一個模擬TD－SCDMA網(wǎng)絡(luò)的測試平臺，簡化了對目標(biāo)用戶的位置信息搜索及傳送過程，假設(shè)目標(biāo)用戶大體位置及可用于定位的基準(zhǔn)站信息已知。

圖2即為所設(shè)計的模擬測試平臺，主要由移動臺、參考站、LCS服務(wù)器和LCS客戶端構(gòu)成。

LCS客戶端：包含一個主要模塊，即訪問接口，向外部用戶提供位置服務(wù)的接口。該模塊檢測到外部用戶發(fā)送的對某移動用戶的定位請求后，接收并轉(zhuǎn)發(fā)給LCS管理器。在定位結(jié)束后，接收到來自LCS管理器的定位應(yīng)答消息。其中包含定位結(jié)果數(shù)據(jù)，將其返回給外部用戶。

LCS管理器：包含兩個模塊，即LCS管理器和RTK算法模塊。LCS管理器主要負(fù)責(zé)定位消息及定位數(shù)據(jù)的管理。接收訪問接口發(fā)送的定位請求以及移動臺和參考站發(fā)送的載波相位觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶請求將定位所需數(shù)據(jù)發(fā)送給RTK算法模塊，在計算完成后將最終定位結(jié)果返回給訪問接口。RTK算法模塊中嵌入了改進(jìn)的準(zhǔn)RTK算法，利用從LCS管理器獲得的載波相位數(shù)據(jù)對目標(biāo)用戶進(jìn)行實時動態(tài)的定位計算，并返回高精度定位結(jié)果。

移動臺：利用RS－232串口將GPS接收機與筆記本相連，將接收機獲得的載波相位觀測值發(fā)送到筆記本。

參考站：利用GPS接收機獲得的觀測值在參考站內(nèi)計算得到差分?jǐn)?shù)據(jù)，利用RS－232串口將差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送到PC機內(nèi)。

最后將載波相位數(shù)據(jù)、差分?jǐn)?shù)據(jù)以及參考站的精確坐標(biāo)位置通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到LCS服務(wù)器中的LCS管理器模塊中，為RTK定位算法提供數(shù)據(jù)。

4結(jié)束語

GPS－RTK 是一種實時動態(tài)的定位方法，其精度可以達(dá)到厘米級，但是目前還未被應(yīng)用于TD－SCDMA網(wǎng)絡(luò)中提供定位服務(wù)。本文將RTK定位方法與TD－SCDMA網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，以此來改進(jìn)TD－SCDMA網(wǎng)絡(luò)中位置服務(wù)的性能。筆者進(jìn)行的研究內(nèi)容主要有:

(1)提出了一種新的定位模式，將GPS－RTK定位方法應(yīng)用于TD－SCDMA通信網(wǎng)絡(luò)；

(2)設(shè)計了一個測試平臺，模擬TD－SCDMA系統(tǒng)的環(huán)境對新的定位模式性能進(jìn)行測試；

(3)改進(jìn)了準(zhǔn)RTK算法并詳細(xì)描述了其公式推導(dǎo)過程，將其應(yīng)用于模擬測試平臺上進(jìn)行定位的性能測試。

在今后的工作中，將進(jìn)一步研究RTK定位方法，對其定位精度和效率進(jìn)行改進(jìn)。

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文”