目录
- 引言
- 无线电定位技术
- TOA技术
- TDOA技术
- RTT技术
- RSS技术
- AOA技术
- 混合估计技术
引言
无线定位技术是依据测量出的无线电磁波的特征参数，利用相应位置解算方法来确定目标位置的技术。依据地面基站是否发射电磁波信号，可以把定位技术分为有源定位和无源定位。有源定位系统会主动辐射信号来检测目标，此种方式虽然性能较好但易于受到地方信号的干扰。无源定位是指地面基站不向外部发射电磁波信号的情况下对目标进行定位，这种方式拥有更好的隐蔽性和较强的干扰能力。
在无源定位系统中，基于时间到达（Time ofArrival，TOF）、到达时间差（Time Difference of Arrival,TDOA）、往返时间（Round Trip Time,RTT）、到达角度（Angle of Arrival，AOA）、接收信号强度（Received Signal Strength，RSS）的定位技术，AOA/TDOA联合定位技术和时差与频差（Frequency Difference of Arrival,FDOA）混合定位技术等都是典型的定位技术。
多径传播问题、非视距（None-Line-of-Sight，NLOS）问题,参与定位的基站数以及基站的几何分布都是影响无限定定位精度的重要因素。
无线电定位技术
在无线定位网络中，无缝定位实现的关键在于精确获取目标与基站之间的相对距离信息。卫星导航系统也是基于此原理实现定位功能。通常，利用无线电进行定位需要两个步骤：
- 定位参数的估计；
- 利用特定位置解算算法定位三维空间的目标位置。
TOA技术
TOA测距技术的主要思想是测量电磁波信号从目标到达地面基站之间的单向传播时间，通过测量的时间信息来估计目标与地面基站之间的距离。
TOA技术要求目标发射机与地面接收机之间的时钟必须是同步的。
观察上图可知，在已知三个基站的三维空间位置的情况下，通过获取目标与三个基站之间的相对距离并通过一定的算法解算，即可得知目标的空间位置。但以上解算过程均建立在理想情况，没有测量误差的情况下，干扰存在的情况下，三个圆可能不交叉或者不止一个交叉点，导致无法确定目标位置，因此需要进行有效的误差抑制。本文着重于基本原理，有关误差抑制的内容不再展开论述。
TDOA技术
目标发射的信号到达不同基站接收机的路径存在差异，因此到达不同接收机所花费的时间也将会不同，因此产生了时间差。TDOA降低了目标源与各个基站之间的时钟同步要求，但提高了各个基站之间的时钟同步要求。
r T D O A , i 1 = c t T D O A , i 1 = d T D O A , i 1 + n T D O A , i 1 = ( x − x i ) 2 + ( y − y i ) 2 + ( z − z i ) 2 − ( x − x i ) 2 + ( y − y i ) 2 + ( z − z i ) 2 + n T D O A , i 1 i = 1 , 2 , . . . , N \begin{aligned}r_{TDOA,i1}&=c t_{TDOA,i1}\\ &=d_{TDOA,i1}+n_{TDOA,i1}\\ &=\sqrt{\left(x-x_i\right)^2+\left(y-y_i\right)^2+\left(z-z_i\right)^2}-\sqrt{\left(x-x_i\right)^2+\left(y-y_i\right)^2+\left(z-z_i\right)^2}+n_{TDOA,i1}\\ &i=1,2,...,N\end{aligned} rTDOA,i1=ctTDOA,i1=dTDOA,i1+nTDOA,i1=(x−xi)2+(y−yi)2+(z−zi)2−(x−xi)2+(y−yi)2+(z−zi)2+nTDOA,i1i=1,2,...,N
其中 r T D O A , i 1 r_{TDOA,i1} rTDOA,i1表示估计的距离差， t T D O A , i 1 t_{TDOA,i1} tTDOA,i1表示估计的到达时间差， d T D O A , i 1 d_{TDOA,i1} dTDOA,i1代表目标到底i个地面基站的距离与目标到达参考基站的距离之间的真实差， n T D O A , i 1 n_{TDOA,i1} nTDOA,i1表示测量过程中的噪声干扰，一般假定其遵循均值为零的高斯分布。
RTT技术
RTT测距技术的主要思想是测量电磁波信号从目标到达基站的双向传播时间，通过测量出的信号从目标发射至基站再反射回目标的往返时间来估计目标与基站之间的双倍距离。对于RTT估计技术，它避免了接收与发射设备之间的同步问题。
基于RTT的测距方法的缺点是需要通过大量的测量来实现更好的测距分辨率， 这将导致距离估计的延时以及更高的带宽占用， 也就是目标测量过程中会产生测距误差以及使用公共通信信道的节点数增多。
RSS技术
RSS测距技术因为方式简单，无需考虑同步要求，非常受欢迎，但它的测距精度没有基于时间估计方法搞。RSS方法是依据测量节点间能量的情况来估计目标与基站之间的距离的，即在已知信道衰落模型和传输信号场强的前提下，利用几个已知位置的基站来测量目标辐射信号的强度，然后利用损耗模型及收发信号的强度值来估计目标与基站之间的距离，进而实现定位。
无线电信号在目标节点与基站之间的传播过程中，信号强度受三个因素影响：大规模路径损耗，多径衰落和阴影衰落。
- 大规模路径损耗是由于无线电波在空间中的扩散，并且是收发器之间距离的确定性函数。
- 多径衰落是由于接收器处的发射信号的多个时间延迟副本定位叠加引起的。
- 阴影衰落是障碍物遮挡所导致的信号衰减。
AOA技术
AOA技术利用来自多个空间分布的阵列天线处的接收的信号方位测量值来估计源位置。主要测量在地面阵列天线处接收的从目标发射的电磁波信号的方位角和仰角。
一般情况下，假定噪声服从高斯分布。
混合估计技术
混合定位技术是两种或者几种无线电定位的联合定位技术，相比于单一的定位技术会有更高的定位精度。常见的有TDOA/FDOA联合定位技术，RSS/TOA联合定位技术，TOA/AOA联合定位技术。
