基于matlab的無線定位系統的設計與實現

蔣爭明++唐盛平

摘 要：隨著智能天線的出現和蜂窩移動通信的發展，無線定位技術越來越受到大家的關注。無線定位系統由天線陣列、高頻功率放大、選頻濾波、A/D轉換和基于matlab無線定位5個部分組成。該文重點介紹在matlab開發環境下，如何通過基于信號到達時間差的定位法（TDOA）來確定目標點的位置。實驗結果顯示：在允許的范圍內，能精確確定目標點的位置。

關鍵詞：無線定位 設計 信號

中圖分類號：TN959.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）10（a）-0090-02

無線定位系統的基本功能是收集一定地理區域內的無線信息，根據接收信號頻率、到達時間及角度等信號參量的變化，獲取目標點的位置。依照檢測的特征值的不同，可以將基本的定位方法分成4種：基于場強測量的定位方法（RSSI）、基于信號到達時間差的定位方法（TDOA）、基于信號到達時間的定位方法（TOA）、基于信號到達角度的定位方法（AOA）以及混合定位方法，由于RSSI定位方法較為簡單，但受多徑衰落和陰影效應的影響較大，使其定位精度較差，因此，該方法沒有得到廣泛的重視和應用；AOA定位方法定位精度較高，但系統設備復雜，成本較高。TOA定位方法精度高，但對時間同步有較高要求；TOA需要嚴格的MS與BS時鐘同步，而TDOA只需BS間的時鐘同步即可，因此該文利用TDOA來確定目標點的位置。

1 定位系統的原理及總體設計方案

無線定位系統主要包括以下幾部分：天線陣列、高頻放大器、選頻濾波器、A/D轉換部分、基于matlab測向系統、信息顯示部分。系統的工作原理大概如下：首先由多個天線陣列接收到來自空中某一位置發射來的信號，由于從天線陣列接收到的信號非常微弱，因而必須要經過高頻放大器放大。然后經過選頻濾波器進行濾波，濾去無用信號，保留有用信號。由于任何一個處理器處理的都是數字信號，因此接收到的模擬信號要進行A/D轉換，轉換為數字信號。轉換后的數字信號送到基于matlab測向系統進行TDOA定位。這樣就可以根據獲得的時間差信息和一些參數對目標進行定位，并將定位信息送到顯示部分。

2 計算信號點的位置

matlab所完成的主要任務是根據天線陣列接收到的數據對目標的二維到達時間差的精確估計，并將其結果顯示出來。該過程的具體設計流程圖如1所示。

為了計算出信號點位置，該設計采用了一個很巧妙的辦法就是首先設定7個陣元的位置，然后通過加隨機高斯噪聲和設定信號點的位置來求出信號點到各個陣元點的時間差。由于時間，因此當我們知道了后就相當于知道了TDOA雙曲線所對應的距離。在已知TDOA和各個陣元的二維空間坐標位置后，就可以通過調用函數求出信號點的位置。

為了實現模塊化設計，設計了子函數CHANFUC，其流程圖如圖2所示。CHANFUC的功能是可以根據陣元個數、陣元點的位置坐標和時間差來確定信源點的位置。將一個大的程序分解成幾個單一的子程序模塊，用函數來完成每個子程序的功能，這樣大大簡化了程序的復雜性。

3 信號點的位置仿真和分析

為了對信號點進行無線定位，假設信號的發出點的真實位置為（320，300），定位的區域半徑為r=500，在小區內分布有7個陣元，7個陣元的位置坐標分別為（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），信號點到第一個陣元的時間與到其他各陣元的時間之差可以通過其距離來等價的表示出來，因為，該程序通過設定真實坐標，然后加一些噪聲來求到各陣元的距離差。在已知陣元距離與時間差的情況下，通過設定TDOA雙曲線模型，來構建線性方程組的解，然后通過CHAN算法來求解線性方程組的解，從而可確定信號點的位置。為了形象地表示出信源目標點的位置，用matlab編寫程序顯示其定位的圖如圖3所示。

其中*表示陣元的坐標位置，+表示信號點的真實位置，^表示通過無線系統定位后信號的位置，而圓表示該有效區域。通過以上算法可以在matlab中求出信源的實驗測量位置為（306.618 0，253.738 8），各基站的坐標點位置為與到第一個陣元的距離之差分別為（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），從這些數據中我們可以看出由于多徑等因素的影響使得測量點的位置與真實位置之間有一定偏差，該偏差表現在matlab中的仿真上就表現為兩點不重合。

4 結語

無線定位系統的設計與制作要完成的主要任務是對空間中的某一位置進行精確的定位，確定其空間坐標值。該文分析了無線定位系統的組成，然后重點介紹在matlab開發環境下，如何通過陣元個數、陣元點的位置坐標和時間差來確定信源點的位置，實驗結果表明，在允許的誤差范圍內，可以定位到目標點的位置，但是由于多徑等因素的影響使得測量點的位置與真實位置之間有一定偏差。

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