无线电定位技术综述

陕西理工学院电子信息讲座论文

无线电定位技术

作者:***

指导教师：**

专业名称：电子信息工程

班级：电子101

学号：

2013年4月9日

无线电定位技术

摘要：无线电定位一般分为有源定位和无源定位，一般为雷达台站、通讯卫星（或侦察飞机）以及接收仪的设备的运用，通过对空间三位位置的分析再由信号的处理将其显示出来的。本文通过对雷达台站、卫星以及空间定位方法介绍及信号的调制与解调等方面的论述来说明当今定位系统（GPS）以及未来的走向做一定的分析。

关键字：有源定位；半有源定位；无源定位；雷达台站；通讯卫星；空间TODA定位技术；信号的调制与解调。

Abstract: radio positioning is generally divided into active and passive location, generally for radar stations, communications satellite ( or reconnaissance aircraft ) and a receiving instrument equipment to use, based on the analysis of space three position by the signal processing to be displayed. This article through to the radar stations, satellites and space positioning method is introduced and the modulation and demodulation of signal aspects and so on to explain current positioning system ( GPS ) and future to do some analysis.

Keywords: active positioning; semi active positioning; passive location; radar stations; communication satellite; space TODA positioning technology; signal modulation and demodulation.

引言：随着当今时代的发展，无线电技术像雨后春笋般迅速发展，经历了二十世纪的洗礼，无线电技术已经运用到了我们日常生活的方方面面。所谓无线电技术就是指在自由空间（包括空气和真空）传播的电磁波上面搭载了一些信号，并通过这些信号传送的时间、空间等方面来寻找人们需要的东西的技术。无线电定位是无线电技术的一个分支，但它却已经在我们生活的非常普遍，GPS就是一个典型应用，本综述将主要概括的介绍无线电定位的分类、设备、算法以及未来的一些个人想法。

一，无线电定位的分类

1.有源定位（active location）：亦称“辐射源定位”。用无线接收设备，接受敌方电子设备发射的电磁波来确定其位置的方法，主要有直接定位法、三角定位法、时差定位法等。

（1）直接定位法（direct location），根据一个接收点截获的信号确定发射源位置的方法。如利用人造地球卫星（或飞机）飞过被侦察的发射源上空，用窄波束天线截获其发出的信号，根据天线所指角度和卫星（飞机）所处位置确定发射源位置。一次飞行的定位精度较低。对指定空间进行多次测量，使每次接收天线观察区有重叠部份，就能提高定位精度。

（2）三角定位法（triangulation location），三角测量法是在地面上选定一系列的点,并构成相互连接的三角形,由已知的点观察各方向的水平角,再测定起始边长,以此边长为基线,即可推算各点的经纬度座标。

"三角形"测量法按照空间概念的不同,可以分为水平面三角形和竖直面三角形测量法.按照计算模型和原理的不同,它又可分为运用正弦定理和余弦定理求解一般三角形和运用正切函数求解直角三角形。

正弦定理公式：a/sinA=b/sinB=c/sinC

余弦定理公式：c=根号（a2+b2-2abcosC）

正切公式：tgA=a/b 或tgB=b/a

其中a、b分别为直角三角形的两直角边，A、B分

别为它们所对应的2个角。

（3）时差定位法（time-of-arrival location ）又称“反罗兰定位法”。用三个以上已知相对距离的机载接收点，测量同一发射源发出的信号，根据信号到达各接收点的时

间差，确定发射源的

2.无源定位（passive location），利用辐射源辐射的信号确定其位置的方法。雷达(RADAR)是无线电探测和定位这一英语字缩写后的音译。自雷达诞生以来，其技术有了长足的发展，它所能探测的目标的距离可以远至数千km以外，等效反射面积可以小于10-2m2，它对距离的测量精度可以优于1m。近期发展的雷达成像技术，对目标的分辨率已经做到只有几英寸。雷达探测目标所耗费的时间，也多在秒以下的数量级上。所有这些技术指标，都还在不断地提高。当利用电磁信号获取目标的位置信息时，总是首先想到雷达。雷达探测目标，有一点是共同的，那就是要先发射一个电磁信号，雷达实际探测的是目标对这个信号的反射回波。当人们用仿生学来研究时，雷达对目标定位就如同蝙蝠对目标的探测一样。大部分生物用眼睛对周围环境的目标定位，利用的是目标对外界的辐射，眼睛本身没有辐射信号。从这个意义上讲，利用电磁波对目标进行定位，也应该是可以不必故意发射信号的。这就是我们最早对无源定位的理解。

二，无线电定位的设备

1. 雷达台站（Radio Detection And Ranging）利用电磁波探测目标的电子设备。发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。

雷达所起的作用和眼睛和耳朵相似，当然，它不再是大自然的杰作，同时，它

的信息载体是无线电波。事实上，不论是可见光或是无线电波，在本质上是同一种东西，都是电磁波，传播的速度都是光速C,

雷达差别在于它们各自占据的频率和波长不同。其原理是雷达设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体反射碰到的电磁波；雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的某些信息(目标物体至雷达的距离，距离变化率或径向速度、方位、高度等)。

测量距离实际是测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差，因电磁波以光速传播，据此就能换算成目标的精确距离。

测量目标方位是利用天线的尖锐方位波束测量。测量仰角靠窄的仰角波束测量。根据仰角和距离就能计算出目标高度。

测量速度是雷达根据自身和目标之间有相对运动产生的频率多普勒效应原理。雷达接收到的目标回波频率与雷达发射频率不同，两者的差值称为多普勒频率。从多普勒频率中可提取的主要信息之一是雷达与目标之间的距离变化率。当目标与干扰杂波同时存在于雷达的同一空间分辨单元内时，雷达利用它们之间多普勒频率的不同能从干扰杂波中检测和跟踪目标。

2.通讯卫星（communications satellite），用作无线电通信中继站的人造地球卫星。无线通信系统的空间部分。通讯卫星转发无线电信号，实现卫星通信地球站（含手机终端）之间或地球站与航天器之间的通信。

3.侦察飞机

三，无线电空间定位法

1.单目视觉空间定位法，视觉定位是通过摄像机获取周围景物的图像，利用景物中一些自然的或者是人造的特征，通过图像处理方法得到周围环境模型来实现相机自身的位置确定。这种方法在实时数字摄像测量、机器人运动导航、飞行器主动视觉定位等领域有重要的

使用价值。这种定位方法常用的方法有：结构光法、几何光学及光伏注册句法等。

2.三维TDOA定位法，这种算法就如同移动定位，就是在多个信号特征测量量值的基础上利用统计的或几何的信号处理方法确定移动台（MS)的位置，常用的特征参数主要有信号强度、到达角度（AOA）、到达时间（TOA）或到达时间差（time difference of arrival，TDOA）。在蜂窝网络中采用TDOA技术对移动台进行定位时，只要测得TDOA值，就可以得到移动台到两个基站之间的距离差，多个TDOA测量值就可以在三维坐标中构成一组关于移动台位置的双曲线方程组。从而解出他们之间的距离，即可定位。

3.空间后方交会（space resection ）交会测量是加密控制点常用的方法，它可以在数个已知控制点上设站，分别向待定点观测方向或距离，也可以在待定点上设站向数个已知控制点观测方向或距离，而后计算待定点的坐标。常用的交会测量方法有前方交会、后方交会、侧边交会和自由设站法。后方交会法首先出现与测绘地形图工作中，测量上称为“三点题”，是用图解法作为加密图根点之用。后来随着解析法、公式法的出现，在工程建设控制测量中也经常被采用。比如隧道工程控制网往往由于隧道开工前测设完成，而洞口土石方施工完毕后，需补设洞口投点，以便控制隧道轴线，测设投点就要用到后方交会法；深水桥墩放样测量中的墩心定位也可以应用此法，还可用来测定施工控制导线的始终点等。应用范围之广说明了此法的实用性很强。其代表图形如下图所示。图中三角形ABC是控制网中的一个三角形，P点即为后方交会点（需确定坐标的待定点），只要置棱镜于P点，用全圆测回法测定a，b，r三个角值，即可应用解析法公式算出待定点P的坐标。此法内外业工作量小，只要P点的点位精度符合施工放样要求或作为洞口投点的精度要求，就可以成为广大测绘科技工作者所乐意选用的方法之一。

四，信号的调制与解调

1，信号的调制

为了减少在传输时的耗损，人们把消息通过能量转换器件，直接转变过来的电信号称为基带信号。基带信号有模拟墓带信号和数字基带信号。它们多为低频带限信号(如：音频信号为30—3400Hz，图像信号为0—6MHz)，易受外来干扰的影响，还受到设备元器件的限制，且不易产生电磁波信号变化越快电磁辐射能力越强)，不能进行无线传输也不能实现多路复用。为了克服以上缺点通过调制技术就可以把基带信号(也叫调制信号)变为具有一定带宽的适合于信道传输的频带信号。调制的过程也就是对信号进行频谱搬移的过程。常用的模拟信号的调制技术有三种：

（1）改变载波的振幅称振幅调制。

（2）改变载波的频率称频率调制。

（3）改变载波的相位称相位调制。

常见的数字调制技术也有三种

(1)键控ASK。

（2）频移键控FSK。

（3）相移键控PSK。

2，信号的解调（demodulation ）

解调是从携带消息的已调信号中恢复消息的过程。在各种信息传输或处理系统中，发送端用所欲传送的消息对载波进行调制，产生携带这一消息的信号。接收端必须恢复所传送的消息才能加以利用，这就是解调。

解调是调制的逆过程。调制方式不同，解调方法也不一样。与调制的分类相对应，解调可分为正弦波解调（有时也称为连续波解调）和脉冲波解调。正弦波解调还可再分为幅度解调、频率解调和相位解调，此外还有一些变种如单边带信号解调、残留边带信号解调等。同样，脉冲波解调也可分为脉冲幅度解调、脉冲相位解调、脉冲宽度解调和脉冲编码解调等。

对于多重调制需要配以多重解调。

解调的方法：

（1）正弦波幅度解调。

（2）正弦波角度解调。

（3）共振解调技术。

五，无线电定位的方法过程。

通过雷达台站、通讯卫星（侦察飞机）和被观测体三者相结合的办法来定位。既就是，通过雷达台站和通信卫星二者对被观测体发出无线电信号后被其返回来的信号的时间来却算出距离，最终可以通过上述的空间定位方法将其位置定下来，有时候怕将被观测体认错，会通过信号的调制搭载上数字信号，从而通过在被观测体不同部位不同形状返回的信号不同，再经过信号的解调得出被测体的形状，大小甚至其它，从而功能更利于人们定位。

六，全球定位系统（GPS（Global Positioning System））与北斗导航系统及其未来无线电定位系统的发展前景及方向。

GPS是利用GPS定位卫星，在全球范围内进行定位、导航的系统，称为全球卫星定位系统。

工作原理：GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，

采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。

如图所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接

收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间△t，再

加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确

定以下四个方程式）。

GPS具有全天候全球定位，定位精度高，观测

时间短，测站间无需通视，仪器操作简便，可提供

全球唯一的三维地心坐标和应用广泛的特点，使其

具有很高的利用价值和发展潜力。

随着我国国名经济的快速增长以及科学技术的发展，使得我国现代化建设越来越迅速，这样我有理由相信GPS将会是许多人们必不可少的设备了，因为它不但可以定位，同时还可以导航，使得我们的出行也有了保障。但是，我们国家自主研制的北斗导航系统有望兼容GPS，是我国有自己的导航定位系统，这不但可以使我我在这一方面有一项重大的进步，同时也可以保护我国一些军事秘密等。

北斗导航系统是我国建立的第一代卫星导航系统,在2000年10月随着2颗北斗导航实验卫星的成功发射,标志着中国拥有自主的卫星导航系统了。美国第一个拥有全球卫星定位系统(GPS),继前苏联的全球导航卫星系统(GLONASS)后,我国的北斗导航系统是世界上第三个具有卫星导航系统的国家。北斗导航系统是全天候、全时提供卫星导航定位信息的区域导航系统,该系统是由空间的导航通信卫星、地面控制中心和用户终端3部分组成的。

我国自主研究的北斗系统的成功使得我国有了和美、俄两个国家之间有了竞争的权利，俗话说：“用自己的东西舒坦，也难怪别人的东西难受”，有了北斗系统就能更好保障我们生活。

一个全球定位系统不仅仅是给我们导航，定位的。现阶段几乎所以的定位系统都可以实现物联网，她让我们由传统网络的人与人的联系变为物与物、物与人的联系，这让我们的生活变得更加丰富和有联系性。但我感觉这并不是终点，我相信在以后我们会生活在一个全智能的社会，一切你想要做的事只需要你动动你的手，电脑就可以给你安排好你想要做的事，而不是现在的你自己去慢慢的弄，这就是以后的智能生活。

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