基于matlab的无线定位系统的设计与实现

蒋争明++唐盛平

摘 要：随着智能天线的出现和蜂窝移动通信的发展，无线定位技术越来越受到大家的关注。无线定位系统由天线阵列、高频功率放大、选频滤波、A/D转换和基于matlab無线定位5个部分组成。该文重点介绍在matlab开发环境下，如何通过基于信号到达时间差的定位法（TDOA）来确定目标点的位置。实验结果显示：在允许的范围内，能精确确定目标点的位置。

关键词：无线定位 设计 信号

中图分类号：TN959.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）10（a）-0090-02

无线定位系统的基本功能是收集一定地理区域内的无线信息，根据接收信号频率、到达时间及角度等信号参量的变化，获取目标点的位置。依照检测的特征值的不同，可以将基本的定位方法分成4种：基于场强测量的定位方法（RSSI）、基于信号到达时间差的定位方法（TDOA）、基于信号到达时间的定位方法（TOA）、基于信号到达角度的定位方法（AOA）以及混合定位方法，由于RSSI定位方法较为简单，但受多径衰落和阴影效应的影响较大，使其定位精度较差，因此，该方法没有得到广泛的重视和应用；AOA定位方法定位精度较高，但系统设备复杂，成本较高。TOA定位方法精度高，但对时间同步有较高要求；TOA需要严格的MS与BS时钟同步，而TDOA只需BS间的时钟同步即可，因此该文利用TDOA来确定目标点的位置。

1 定位系统的原理及总体设计方案

无线定位系统主要包括以下几部分：天线阵列、高频放大器、选频滤波器、A/D转换部分、基于matlab测向系统、信息显示部分。系统的工作原理大概如下：首先由多个天线阵列接收到来自空中某一位置发射来的信号，由于从天线阵列接收到的信号非常微弱，因而必须要经过高频放大器放大。然后经过选频滤波器进行滤波，滤去无用信号，保留有用信号。由于任何一个处理器处理的都是数字信号，因此接收到的模拟信号要进行A/D转换，转换为数字信号。转换后的数字信号送到基于matlab测向系统进行TDOA定位。这样就可以根据获得的时间差信息和一些参数对目标进行定位，并将定位信息送到显示部分。

2 计算信号点的位置

matlab所完成的主要任务是根据天线阵列接收到的数据对目标的二维到达时间差的精确估计，并将其结果显示出来。该过程的具体设计流程图如1所示。

为了计算出信号点位置，该设计采用了一个很巧妙的办法就是首先设定7个阵元的位置，然后通过加随机高斯噪声和设定信号点的位置来求出信号点到各个阵元点的时间差。由于时间，因此当我们知道了后就相当于知道了TDOA双曲线所对应的距离。在已知TDOA和各个阵元的二维空间坐标位置后，就可以通过调用函数求出信号点的位置。

为了实现模块化设计，设计了子函数CHANFUC，其流程图如图2所示。CHANFUC的功能是可以根据阵元个数、阵元点的位置坐标和时间差来确定信源点的位置。将一个大的程序分解成几个单一的子程序模块，用函数来完成每个子程序的功能，这样大大简化了程序的复杂性。

3 信号点的位置仿真和分析

为了对信号点进行无线定位，假设信号的发出点的真实位置为（320，300），定位的区域半径为r=500，在小区内分布有7个阵元，7个阵元的位置坐标分别为（0，sqrt（3）*r/2）、（3*r/4，sqrt（3）*r/4）、（-3*r/4，-sqrt（3）*r/4）、（3*r/4，-sqrt（3）*r/4）、（0，0）、（3*r/4，-sqrt（3）*r/4）、（3*r/4，sqrt（3）*r/4），信号点到第一个阵元的时间与到其他各阵元的时间之差可以通过其距离来等价的表示出来，因为，该程序通过设定真实坐标，然后加一些噪声来求到各阵元的距离差。在已知阵元距离与时间差的情况下，通过设定TDOA双曲线模型，来构建线性方程组的解，然后通过CHAN算法来求解线性方程组的解，从而可确定信号点的位置。为了形象地表示出信源目标点的位置，用matlab编写程序显示其定位的图如图3所示。

其中*表示阵元的坐标位置，+表示信号点的真实位置，^表示通过无线系统定位后信号的位置，而圆表示该有效区域。通过以上算法可以在matlab中求出信源的实验测量位置为（306.618 0，253.738 8），各基站的坐标点位置为与到第一个阵元的距离之差分别为（0，0）、（0，433.012 7），（375.000 0，216.506 4）、（375.000 0，216.506 4）、（-375.000 0，-216.506 4）、（375.000 0，-216.506 4）、（0，-433.012 7），从这些数据中我们可以看出由于多径等因素的影响使得测量点的位置与真实位置之间有一定偏差，该偏差表现在matlab中的仿真上就表现为两点不重合。

4 结语

无线定位系统的设计与制作要完成的主要任务是对空间中的某一位置进行精确的定位，确定其空间坐标值。该文分析了无线定位系统的组成，然后重点介绍在matlab开发环境下，如何通过阵元个数、阵元点的位置坐标和时间差来确定信源点的位置，实验结果表明，在允许的误差范围内，可以定位到目标点的位置，但是由于多径等因素的影响使得测量点的位置与真实位置之间有一定偏差。

参考文献

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