淺談無縫定位技術*

付承彪 田安紅 楊華芬

(曲靖師范學院計算機科學與工程學院，云南 曲靖 655011)

目標的位置信息包括目標處于任何環境中的位置信息，因此定位目標的位置信息，實質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，目前單一手段的無線定位跟蹤技術在定位的空間、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，對于衛星定位導航系統而言，準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星數目。

1.GPS定位技術

GPS系統是美國國防部提出建立的一種可以定時和測距的導航系統。它不僅可以向全球用戶提供連續、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，實現載體的航向及姿態的測量。它的整個發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。發射試驗衛星，建立地面跟蹤網，研制地面GPS接收機，對系統的硬件和軟件進行了試驗，試驗結果令人滿意。

第二階段為系統的研制與試驗階段。研制了各種導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計標準，其中粗碼 (C/A碼)的定位精度遠遠超過設計標準，高達20m。由此證明，GPS計劃是相當成功的。

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

眾所周知，全球定位系統 (GPS)可以對全球目標用戶提供位置、速度以及時間信息等相關數據，在航空、海上以及陸地等諸多領域都得到了廣泛的應用。然而它的高精度性能等優點依賴于幾何精度因子的好壞程度，利用GPS系統確定目標的位置，一般情況下，至少是需要接收機能夠接收到4顆定位衛星信號。此時，當目標用戶處于戶外時，采用它可以非常準確地定位出目標的位置信息。但是，當目標用戶運動到高樓聳立的城市環境中時，在這種受到遮擋的情況下，所能夠觀測到的GPS衛星［1］及其幾何結構通常都不理想，很難滿足精密定位的需要。而當目標用戶運動到一些更為極端的情況下時，如在室內或隧洞中，接收機則根本完全接收不到衛星信號，導致其無法進行工作。其次，GPS接收機系統在定位開始時，需要先進行冷啟動，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，正好存在著面臨生命危險的情況發生，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，比如說處于戰爭時期或者是兩國關系非常緊張的時期，在這個階段內，其他國家想要繼續采用GPS衛星來進行定位目標就會受到嚴重的干擾。最后，通過研究發現，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，導致采用它來定位目標時，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用場合的要求。

2.實現無縫定位技術的方法

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

2.1 偽衛星定位技術

基于上面的分析可以發現，偽衛星技術［2］和基于地面廣播的數字電視 (DTV)系統是解決這些問題的有效途徑。通過設置地面偽衛星裝置，采用偽衛星與GPS衛星技術進行聯合，可以改善衛星的幾何布局情況，基本上可以擺脫GPS所受到的種種約束限制，從而最終提高系統的定位精度性能。

2.2 DTV定位技術

從全世界的發展趨勢來看，中國也和世界上許多國家一樣，都在積極推動該業務的發展。我國基于地面廣播的數字電視［3］產業發展迅速，在2006年8月18日《數字電視地面廣播傳輸系統幀結構、信道編碼和調制》標準正式發布，并且在2007年8月1日進行全面地實施，并計劃從2008年起全面推廣基于地面廣播的數字電視業務。基于地面廣播的數字電視信號，不僅可以完成其基本的功能，還能夠將其作為一種無線電輻射資源來使用，進而考慮應用到各種軍事和民事當中。同時，它還具有很多優勢，比如說電視塔發射臺設置在全國各個縣市，覆蓋范圍非常的廣泛，并且發射功率也很大，可以使用的頻譜資源也相當豐富。另外，該DTV系統的子載波數較大，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，這些優勢都為實現DTV信號的準確定位提供了前提。再者，該系統的定位精度能夠達到1m量級，且該定位技術所提供的設備價格比GPS技術所要求的設備更廉價，而功率也更低。最后，利用基于地面廣播的數字電視信號與GPS定位信號進行結合，能夠抵抗更強的干擾性能，當目標用戶處于室內環境或者是處于衛星信號受到遮擋的環境情況下的時候，系統仍能夠順利完成定位導航的功能，它可以作為衛星導航定位系統的有益補充。因此，采用廣泛分布的DTV基礎設施來定位無線設備，比當前可供選擇的任何一種方案都更經濟有效。DTV定位技術與GPS定位技術的結合為單獨應用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

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

［1］譚述森.衛星導航定位工程［M］.北京:國防工業出版社，2007:1—15.

［2］王丹.偽衛星動態定位方法及其增強GPS技術的研究 ［D］.哈爾濱工程大學碩士學位論文，2008:4—6.

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