CN100344207C

CN100344207C - 一种单基站定位移动终端的方法

Info

Publication number: CN100344207C
Application number: CNB2005100570400A
Authority: CN
Inventors: 田增山
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2005-04-29
Filing date: 2005-04-29
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2025-04-29
Also published as: CN1694567A

Abstract

一种单基站定位方法，涉及一种对蜂窝网中移动终端进行定位的方法，它使用单个定位基站，对蜂窝网移动终端进行搜索、定位和跟踪。定位基站一方面检测服务于被跟踪目标的蜂窝网基站的导频信号时间延迟，同时对目标移动终端接入信道进行搜寻，估计到达时间延迟，借助于上述两个时间延迟差分值，以蜂窝网基站和定位基站为焦点构建椭圆方程，获取目标到达基站的方向角，根据椭圆方程和方向角方程，确定两个交点，这两个交点可能是搜寻目标的位置，根据蜂窝网服务基站的作用距离，舍弃一个点，剩余点就是确定的目标位置。本发明克服了现有技术中多基站定位系统的上述缺陷，制造成本更加低廉，定位精度更高，系统的定位时间少，实时性强，使用方便。

Description

一种单基站定位移动终端的方法

技术领域

本发明涉及一种无线定位方法，尤其适用于对蜂窝网移动终端进行定位。

背景技术

目前，蜂窝网移动终端的定位系统分为基于移动台定位和基于网络定位两大类，基于移动台的定位利用蜂窝网基站的信号估算出自己的位置，常用的有GPS、AGPS(GPS Aided)等，其缺点是要对现有的移动终端进行改造；基于网络的定位利用移动台传来的信号计算出移动台的位置，但是一般要对网络进行改造，常用的定位算法包括TOA/TDOA(Time ofArrival/Time Difference of Arrival)、AOA(Angle of Arrival)、AOA/RTD(Angle of Arrival/Round Trip Delay)、EOTD(EnhancedObserved Time difference)、Cell-ID、SOA(Strength of Arrival)等定位方法。

与本申请最接近的现有技术，见文献(Performance of A TDOA-AOA HybridMobile Location System.N.J.Thomas，D.G.Cruickshank and D.I.Laurenson.3G Mobile Communication Technologies，No.477 IEE2001 March 2001.)采用的是独立于蜂窝网系统的TDOA定位技术，这种定位技术在实际使用环境中，需要布置三个以上的定位基站，这种多基站定位系统需要布置定位基站过多，使得定位基站布置时间过长，须对终端和网络作较大改动，导致成本增加；定位精度受到定位基站的几何布局，定位基站地理位置，定位基站间的非水平面等因素的影响，使得TDOA定位技术精度较低，多定位基站系统在操作上准备时间过多，位置求解算法较复杂，实时性低；定位基站要求和蜂窝网同步架设，不能分离使用。

发明内容

为了解决现有定位技术中存在的上述缺陷，本定位系统采用一种新的定位方法，本定位系统在蜂窝移动网络中只需设置一个定位基站LMU，解决了现有技术中多基站定位系统中定位基站布置时间过长，定位精度不高、算法复杂、实时性低，一次性投资过大等缺陷。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在蜂窝移动网络中设置一个定位基站LMU；定位基站可采用三天线结构，获取服务于被跟踪目标的蜂窝网基站BS的地理位置信息，计算出移动终端的接入信号到达方向角(即移动终端与定位基站的相对角度AOA为θ)；定位基站测量从CDMA蜂窝网基站BS发射的导频信号到达定位基站的时间延迟τ_B，测量从移动终端到达定位基站的时间延迟τ_M，确定两者的时间延迟差分为τ＝τ_M-τ_B；构造椭圆方程，求解移动台相对定位基站地理坐标，从而得到移动终端相对定位基站的二维位置；根据蜂窝网基站的覆盖半径；在蜂窝网基站覆盖半径内的地理坐标位置为移动终端位置。

本发明在蜂窝网系统中采用单基站定位，克服了现有技术中多基站定位系统的上述缺陷，制造成本更加低廉，定位精度更高，系统的定位时间少，实时性强，使用方便，可广泛应用于蜂窝网中移动台的快速定位，尤其适用于移动车载基站定位系统。

附图说明

图1所示为单基站定位系统结构

图2所示为定位基站对移动终端的AOA估计

图3所示为根据到达时间差得到的椭圆图

图4所示为AOA和到达时间差联合估算图

图5所示为确定移动终端最终位置图

具体实施方式

如图1所示，在蜂窝网基站和定位基站分离时，使用单定位基站方法完成对移动终端的定位，搭建单基站定位环境，把定位基站放置在需定位移动终端的目标环境中，该目标位置信息的确定可根据目标的活动环境或者是从移动终端运营商获取。在该系统中定位基站LMU采用三天线结构。首先搜寻需要定位的移动终端，直到搜寻到目标信息，获取服务于被跟踪目标的蜂窝网基站的导频信号时间延迟；获取蜂窝网基站的地理位置信息，确定蜂窝网基站的覆盖半径。如图2所示，利用MS(Mobile Station移动终端)发来的信号，采用多天线场强差分方法实现相对角度AOA的快速估计，计算出移动终端相对于定位基站的相对角度AOA为θ，以定位基站为起点，以θ为角度作一条直线l，我们所要测量的移动终端就在这条直线l上。

定位基站测量移动终端接入信号到达时间，计算从CDMA蜂窝网基站BS发射的导频信号到达定位基站的时间延迟τ_B，计算从移动终端到达定位基站时间延迟τ_M。

CDMA蜂窝网基站BS到达定位基站LMU的距离方程为：

\sqrt{{(x_{L} - x_{B})}^{2} + {(y_{L} - y_{B})}^{2}} = τ_{B} \cdot C

公式1

其中τ_B＝τ_E+τ_BL，τ_E为CDMA蜂窝网基站BS。τ_BL为信号从CDMA蜂窝网基站BS到达定位基站LMU的信号传播时间。

从CDMA蜂窝网基站BS经过移动台MS到达定位基站LMU的距离方程为：

\sqrt{{(x - x_{L})}^{2} + {(y - y_{L})}^{2}} + \sqrt{{(x - x_{B})}^{2} + {(y - y_{B})}^{2}} = τ_{M} \cdot C

公式2

其中：

τ_M＝τ_E+τ_BML+τ_EM，

τ_E为基站导频时间精度误差。

τ_BML为信号从CDMA蜂窝网基站BS经过移动台MS到达定位基站LMU的信号传播时间，

τ_EM为移动台MS码构造时间误差，τ_EM相对于其它误差很小，可以忽略不计。

移动台获取CDMA蜂窝网基站BS的时间信息后，确定相应的码相位，所以移动台BS发送的信号的时间信息包括：CDMA蜂窝网基站BS导频时间精度误差、从CDMA蜂窝网基站BS经过移动台MS到达定位基站LMU时间延迟、码构造时间误差τ_EM。

将公式1和公式2进行差分后，对应的时间延迟差分为τ＝τ_M-τ_B。可以消除导频时间精度的误差τ_E，该误差范围在1μs以内，均方根误差为86.6米，是单基站定位系统的主要误差。因此，使用单基站定位系统后，可以消除系统的大部分误差，使其定位更加准确。

根据两路信号的时间差，确定椭圆方程。

构造测量方程为：

\sqrt{{(x - x_{L})}^{2} + {(y - y_{L})}^{2}} + \sqrt{{(x - x_{B})}^{2} + {(y - y_{B})}^{2}}

= τ \cdot C + \sqrt{{(x_{L} - x_{B})}^{2} + {(y_{L} - y_{B})}^{2}}

其中x，y：移动台地理坐标，待求；

x_L，y_L：定位基站地理坐标，为已知值；

x_B，y_B：蜂窝网基站的地理坐标，为已知值。

上述方程描述为以定位基站和蜂窝网基站构成的一个椭圆。

求解上述方程，得到移动台地理坐标x，y，即是上述椭圆与射线l的两个交点，根据蜂窝小区的覆盖半径，舍弃蜂窝小区的覆盖半径外的一个交点，在蜂窝小区覆盖半径内的一个交点为所测量的移动终端的位置，从而得到移动终端相对定位基站的二维位置，实现对移动台的定位。

图3所示为到达时间差得到的椭圆，其中CDMA BS表示为移动终端服务的蜂窝网基站，LMU表示定位基站，MS表示移动终端。

图4是相对角度AOA和到达时间差联合估算图，其中CDMA BS表示为移动终端服务的蜂窝网基站位置，LMU表示定位基站位置，求解上述方程得到图中直线和椭圆相交的两个交点(MS-A、MS-B)是到达时间差和AOA联合求得的移动终端的位置。

图5所示为移动终端最终位置确定图，其中左边CDMA BS表示为移动终端服务的蜂窝网基站位置，LMU表示定位基站位置，虚线六边形是BS的小区边界，在蜂窝小区边界范围内的MS-A表示的是所确定的移动终端位置，在蜂窝小区边界范围外的MS-B是舍弃的交点。

对目标位置进行多次定位，利用上述方法获取一组解，对其进行统计平均，统计平均值就为最终确定的移动终端的位置。

在蜂窝网系统中使用本发明所述的单基站定位方法，定位过程和基站架设简单方便，定位基站和蜂窝网基站能分离使用，能够实现对移动终端快速、准确的定位，可广泛用于蜂窝网中移动终端的定位，尤其适用于需对目标进行快速、方便定位的移动车载定位系统。

虽然上述实施例针对CDMA蜂窝网进行描述，但本发明不仅仅适用于CDMA蜂窝网络，对所有无线网络中的终端进行定位本方法均适用。

Claims

1、一种单基站定位移动终端的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)在蜂窝网络中设置一个定位基站；

(2)搜寻需要定位的移动终端，获取蜂窝网基站的地理位置信息，计算出移动终端的接入信号到达方向角；

(3)定位基站测量从蜂窝网基站发射的导频信号到达定位基站的时间延迟τ_B，测量从移动终端到达定位基站的时间延迟τ_M，计算两者的时间延迟差分量τ＝τ_M-τ_B；

(4)构造测量方程，该测量方程为以定位基站和蜂窝网基站为焦点的椭圆方程；

(5)求解测量方程，得到椭圆与以定位基站为起点，以移动终端的接入信号到达方向角为角度所作的射线的两个交点；

(6)舍弃蜂窝网基站覆盖半径外的交点，在蜂窝网基站覆盖半径内的交点坐标为移动终端位置坐标。

2、根据权利要求1所述的一种单基站定位移动终端的方法，其特征在于，所述定位基站采用三天线结构。

3、根据权利要求1所述的一种单基站定位移动终端的方法，其特征在于，步骤(2)中计算接入信号到达方向角的方法包括利用移动终端发来的信号，采用多天线场强差分方法实现接入信号到达方向角的快速估计。

4、根据权利要求1所述的一种单基站定位移动终端的方法，其特征在于，所述构造的测量方程为：

\sqrt{{(x - x_{L})}^{2} + {(y - y_{L})}^{2}} + \sqrt{{(x - x_{B})}^{2} + {(y - y_{B})}^{2}}

= τ \cdot C + \sqrt{{(x_{L} - x_{B})}^{2} + {(y_{L} - y_{B})}^{2}}

其中，x_L，y_L：定位基站地理坐标，x_B，y_B：蜂窝网基站地理坐标，x，y：移动终端地理坐标。