浅谈无缝定位技术*

付承彪 田安红 杨华芬

(曲靖师范学院计算机科学与工程学院，云南 曲靖 655011)

目标的位置信息包括目标处于任何环境中的位置信息，因此定位目标的位置信息，实质上就涉及到无缝定位的问题。所谓无缝定位是一种全覆盖的无线定位技术，目前单一手段的无线定位跟踪技术在定位的空间、精度上都受到了很大的制约，这种制约在某种程度上是颠覆性的，或者是不可逾越的。例如，对于卫星定位导航系统而言，准确有效的定位信息主要是依赖于接收机能够接收到足够多的可见卫星数目。

1.GPS定位技术

GPS系统是美国国防部提出建立的一种可以定时和测距的导航系统。它不仅可以向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置、速度和时间信息，而且它还可以利用相位干涉原理，采用天线布阵技术，实现载体的航向及姿态的测量。它的整个发展大概分为三个阶段:

第一阶段为原理方案可行性验证阶段。发射试验卫星，建立地面跟踪网，研制地面GPS接收机，对系统的硬件和软件进行了试验，试验结果令人满意。

第二阶段为系统的研制与试验阶段。研制了各种导航型接收机和测地型接收机，试验表明，GPS的定位精度大大超过设计标准，其中粗码 (C/A码)的定位精度远远超过设计标准，高达20m。由此证明，GPS计划是相当成功的。

第三阶段为最后的工程发展与完成阶段。高精度的导航型接收机和采用相位差分技术的GPS载体姿态测量接收机，满足了精密导航与制导等一系列军事目的要求。

众所周知，全球定位系统 (GPS)可以对全球目标用户提供位置、速度以及时间信息等相关数据，在航空、海上以及陆地等诸多领域都得到了广泛的应用。然而它的高精度性能等优点依赖于几何精度因子的好坏程度，利用GPS系统确定目标的位置，一般情况下，至少是需要接收机能够接收到4颗定位卫星信号。此时，当目标用户处于户外时，采用它可以非常准确地定位出目标的位置信息。但是，当目标用户运动到高楼耸立的城市环境中时，在这种受到遮挡的情况下，所能够观测到的GPS卫星［1］及其几何结构通常都不理想，很难满足精密定位的需要。而当目标用户运动到一些更为极端的情况下时，如在室内或隧洞中，接收机则根本完全接收不到卫星信号，导致其无法进行工作。其次，GPS接收机系统在定位开始时，需要先进行冷启动，而这个启动工作一般情况下需要花费几分钟，如果说在这个启动的时间段内，正好存在着面临生命危险的情况发生，则冷启动的时间就会耽搁对生命的援救。再者，加上美国国防部对GPS采用选择可用性政策，使得在某些特殊的情况下，比如说处于战争时期或者是两国关系非常紧张的时期，在这个阶段内，其他国家想要继续采用GPS卫星来进行定位目标就会受到严重的干扰。最后，通过研究发现，GPS的较高精度性能主要是集中在水平方向上，由于受到电离层、对流层延迟误差等众多因素的影响，导致采用它来定位目标时，在垂直方向上精度较差，并且其误差通常是水平方向上的2倍或者3倍左右，很难满足一些精密应用场合的要求。

2.实现无缝定位技术的方法

对于GPS的缺陷，在现阶段的应用中，主要是采用与其它导航定位卫星系统 (如俄罗斯GLONASS系统)进行组合，又由于这些导航系统的定位原理与GPS系统大体上是相同的，采用它们进行联合定位时，能够观测到的卫星的数目得到增加，从而减少了导航定位盲区的概率。然而，这种联合定位也存在着不足之处，比如，在接收机中需要额外设置专门的接收设备来接收对应的导航信息，显然这种配置对普通的目标用户来说不是切实可行的。与此同时，这些都是基于不同卫星的定位系统，由于卫星信号从空中发射出来，一直传播至地面的接收机时，需要经过很长的距离，使得到达接收机后的信号强度比较微弱，非常容易受到周围环境的干扰，因而在实际的应用当中受到一定的限制，比如说在室内或者是出现遮挡的情况下，仍旧无法顺利完成定位的功能。

2.1 伪卫星定位技术

基于上面的分析可以发现，伪卫星技术［2］和基于地面广播的数字电视 (DTV)系统是解决这些问题的有效途径。通过设置地面伪卫星装置，采用伪卫星与GPS卫星技术进行联合，可以改善卫星的几何布局情况，基本上可以摆脱GPS所受到的种种约束限制，从而最终提高系统的定位精度性能。

2.2 DTV定位技术

从全世界的发展趋势来看，中国也和世界上许多国家一样，都在积极推动该业务的发展。我国基于地面广播的数字电视［3］产业发展迅速，在2006年8月18日《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》标准正式发布，并且在2007年8月1日进行全面地实施，并计划从2008年起全面推广基于地面广播的数字电视业务。基于地面广播的数字电视信号，不仅可以完成其基本的功能，还能够将其作为一种无线电辐射资源来使用，进而考虑应用到各种军事和民事当中。同时，它还具有很多优势，比如说电视塔发射台设置在全国各个县市，覆盖范围非常的广泛，并且发射功率也很大，可以使用的频谱资源也相当丰富。另外，该DTV系统的子载波数较大，具有非常强的抗衰落以及抗干扰的能力，还具有非常精确的定时同步性能，这些优势都为实现DTV信号的准确定位提供了前提。再者，该系统的定位精度能够达到1m量级，且该定位技术所提供的设备价格比GPS技术所要求的设备更廉价，而功率也更低。最后，利用基于地面广播的数字电视信号与GPS定位信号进行结合，能够抵抗更强的干扰性能，当目标用户处于室内环境或者是处于卫星信号受到遮挡的环境情况下的时候，系统仍能够顺利完成定位导航的功能，它可以作为卫星导航定位系统的有益补充。因此，采用广泛分布的DTV基础设施来定位无线设备，比当前可供选择的任何一种方案都更经济有效。DTV定位技术与GPS定位技术的结合为单独应用GPS时所存在的上述问题提供了一个全新的可行解决方案。

3.总结

基于以上的讨论分析，选择伪卫星和DTV定位技术与GPS定位技术的结合可以实现无缝定位。即将各种不同的观测值在不同层面上结合起来，是使无线定位跟踪技术达到高精度、无缝性以及高实用性的有效途径。

［1］谭述森.卫星导航定位工程［M］.北京:国防工业出版社，2007:1—15.

［2］王丹.伪卫星动态定位方法及其增强GPS技术的研究 ［D］.哈尔滨工程大学硕士学位论文，2008:4—6.

［3］季明丽.一种基于数字电视信号定位的新技术 ［D］，东南大学硕士学位论文，2006:1—8.