基于交替鉴相方法的高精度定位技术

摘要：介绍了利用鉴相芯片分别对两对不同频率的正弦波进行鉴相，根据相位差对系统进行精确定位的技术。创新性地采用两片鉴相芯片交替鉴相的方法克服了鉴相器的非线性区，有效地利用了硬件资源，并最终达到定位误差不超过1cm，定位范围不小于1km的要求。

关键词：相位差；定位；交替鉴相

1 背景

目前有各种定位技术，如：激光定位、超声波定位、无线电定位、GPS定位和RFID定位等。它们各有优劣，有的定位范围大而精度不够高，有的定位精度高而范围不够大。众所周知的全球定位系统GPS精度可达3m左右，而新兴的RFID及Zigbee技术将定位精度提高到0.3m，但仅用于特定区域的定位[1]。随着自动化技术的迅猛发展，越来越多的工业领域需要使用高精度定位技术。本文以轨道机车为例，介绍一种基于鉴相技术的厘米级定位系统，此技术可使系统定位误差不超过1cm，定位范围不小于1km。

2 鉴相定位技术原理

如图1所示，令轨道两端的天线同时发射一个波长均为λ1=3.6m的正弦波[2]。频率为：

f1=c/λ1=3×108/3.6=83.3MHz(1)

由图可见，机车上载有两根天线，分别接收轨道两端发来的波，中间的隔板使两列波的接收互不干扰。由于波长λ1=360cm，相当于1°代表1cm，也即机车每移动1cm，所接收到波的相位变化±1°。当机车位于轨道中央时，接收到的两列波的相位差为Δφ1=(0°)-(0°)=0°，此相位差可由鉴相器鉴得。若当机车向右移动1cm时，相位差为Δφ1=(+1°)-(-1°)=2°。

一般鉴相器的鉴相精度可达1°，因此在机车端利用鉴相器可以检测出机车0.5cm的位移。考虑到环境温度、电磁干扰等因素对系统的影响，总误差不超过1cm，即以相位差的1°代表机车移动1cm，则360°可代表机车移动3.6m。我们将上述过程称为细定位。

然而在多数情况下，3.6m的定位范围远远不能满足工业领域的要求，为此需要再发送一个波长较长的正弦波。令它的1°代表3.6m，可得λ2=3.6×360=1296m，所对应的频率为：

f2=c/λ2=3×108/1296=0.23MHz(2)

与细定位的分析方法相同，当机车向右移动3.6m时，相位差为Δφ2=2°，依据此列波，可使定位范围达到1296m。我们将这一过程称为粗定位[3]。粗定位的分辨力可达到3.6/2=1.8m。

上述细定位与粗定位，其所测相位差与机车位移均呈线性关系。通过对以上两对无线电波分别进行鉴相，就可在1296m范围内进行定位，并使定位精度达到1cm。为了减少收发天线的数目和提高发射效率，可将第二个正弦波调制到第一个正弦波上再发射出去。图2为机车定位原理图。机车的位置s为：

s=180× ＋1×Δφ1 (cm)(3)

其中Δφ2表示粗定位中的相位差，Δφ1表示细定位中的相位差， 表示去尾取整。

3 高精度鉴相的实现

3.1 鉴相芯片的选择

AD9901是美国ADI 公司生产的超高速鉴频鉴相芯片，可处理高达200MHz的信号，鉴相精度为1°，输出特性呈单值，且具有功耗低、性能稳定的特点，基本指标满足本设计的要求。由于采用了特殊的设计方式，它将其他鉴相器不可避免的非线性鉴相区搬移至了其线性检测区域的两端，并消除了其他数字鉴相器线性检测范围内常见的存在不稳定的相位检测区域的现象[4]。典型的检测范围可用(1－f×3.6ns)×360°来计算。

本系统中f=83.3MHz，线性检测范围为：

(1－83.3MHz×3.6ns)×360°＝252°(4)

非线性检测范围为360°-252°=108°，分别位于线性检测区域的两端，各有108°/2=54°，我们称其为鉴相盲区。

3.2 鉴相盲区的克服

要实现机车在轨道的任意位置的高精度定位，必须实现360°范围内的连续鉴相，因而即便将鉴相盲区搬移至了线性检测区域的两侧，也不能满足要求。为了克服鉴相盲区。本设计采用了两片鉴相芯片A与B，并使它们的线性区与非线性区互相交错，鉴相器A与B的切换可用软件和硬件配合实现[5]。它们的交替工作过程如图4所示，其中阴影区表示该鉴相器处于闲置状态。当鉴相器A处于鉴相盲区时，鉴相器B正处于其工作的线性范围，这时我们仅取鉴相器B的值；反之，当鉴相器B处于鉴相盲区时，鉴相器A正处于其工作的线性范围，这时我们仅取鉴相器A的值。AD9901的鉴相盲区处于n×360°±54°的范围内，为保证两鉴相器有充足的时间进行切换，令鉴相器A与B的切换在n×360°±90°的地方进行，前后各有90°-54°=36°的余量。这样，通过两片鉴相器的交替取值工作，使得需检测的定位范围均在鉴相器的线性检测区域的覆盖之下，从而使机车行驶在轨道的任意位置上都可以实现高精度定位，并达到定位误差小于1cm。

4 结语

本文根据无线电鉴相定位的基本原理，分别对两个频率为83.3MHz和0.23MHz的正弦波进行鉴相，使定位精度达到1cm，并使定位范围达到1km以上。并采用两片鉴相芯片交替鉴相的方法，有效地解决了鉴相盲区的问题。若用此无线电鉴相定位技术取代炼焦厂三车联锁系统中的编码电缆定位技术，可使系统在不降低精度的前提下，成本降低一半以上。

参考文献

[1] 张其善，吴今培. 智能车辆定位导航系统与运用[J]. 系统工程与信息，2002，2(3)：32-33.

[2] 张磊，萧宝瑾. 基于相位测量的高精度无线定位技术在焦炉车辆上的应用[J]. 科技情报开发与经济，2008，18(5)：145-146.

[3] Kah-Seng Chung .Generalized Tamed Frequency Modulation and Its Application for Mobile Radio Communications[J]. Selected Areas inCommunications，2003,12(4):487-497.

[4] 戴文瑞，李杰. 数字鉴频鉴相器的死区特性及改进方法[J]. 东北重型机械学院学报，1994，10(3).

[5] Hyonyong Cho, Er-Wei Bai. Convergence results for an adaptive dead zone inverse[J]. International Journal of Adaptive Control and Signal Processing,1998,12(5): 451-566.

作者简介：贺康，女，1983年生，山西太原人，硕士研究生，主要研究方向为通信与信息系统。

萧宝瑾，男，1949年生，河北广宗人，太原理工大学教授，硕士生导师，主要研究方向为数字通信及信息论与编码。

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