CN100411490C - 可适用于td-scdma网络的aoa/toa与gps混合定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种用于移动通信网络的AOA(到达角度)/TOA(到达时间)和GPS(全球定位系统)混合的定位方法。该方法只需要一颗卫星、一个基站便可实现移动终端高精度的定位。基站采用AOA/TOA定位方法求得用户终端所在区域的二维平面解，在地理信息系统GIS的空间数据库中查出该区域的平均高度值h，计算出基站与移动终端之间的时钟误差后，基站根据GPS授时系统算出移动终端与卫星之间的时钟误差，构建方程组解出用户终端的三维空间坐标。该方法适用于建筑物密集的城区和室内，对移动终端的准确定位。

Description

可适用于TD-SCDMA网络的AOA/TOA与GPS混合定位方法

技术领域

本发明涉及移动通信领域。尤其涉及移动通信网络中移动终端定位技术。

背景技术

用户对多种多样的LBS服务需求迫切，而国际上又对于不同服务的位置精度做出了要求。因此如何在任何地域环境都能获得高精度移动用户的位置数据成为了相关研究的核心问题。

蜂窝网定位

采用AOA(到达角度)/TOA(到达时间)混合定位方法只需一个基站便可对移动终端进行二维定位，但其定位误差较大。而TDOA方法至少需要两个基站。

GPS定位

基于GPS的定位精度高，但在市区和建筑物内存在盲区，不适用于城区和室内终端的定位。

混合定位

将蜂窝网定位方法和GPS定位方法互相补充。当可用基站个数很少不足以实现定位，或可用卫星个数很少也不足以实现定位时，将基站测量数据和卫星测量数据融合在一起来对移动终端位置进行估计。目前，美国高通(Qualcomm)公司的gpsOne技术在只有两个基站和一颗卫星的情况下，可对移动终端进行三维定位。其利用往返延迟(RTD)测量来提供时间辅助信息，以消去钟差未知数。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：结合AOA/TOA/GPS三种定位技术的数据，提出AOA/TOA/GPS混合定位方法，当只有一颗卫星和一个基站可用时，便可对移动终端进行较高精度的三维空间定位。

本发明的技术方案是提出了一种移动终端基于AOA/TOA与GPS的混合定位方法：基站采用AOA/TOA定位方法由待定位移动终端到基站的距离求得用户终端所在区域的二维平面解，由该二维平面解，查询GIS数据库便可以较精确地估计出移动终端所在位置距离地心的高度值，即在地理信息系统GIS的数字地图中查出该位置高度值h，基站计算出基站与移动终端之间的时钟误差后，基站根据星历信息数据算出卫星坐标，并根据GPS授时系统算出移动终端与卫星之间的时钟误差，构建方程组解出移动终端的三维空间坐标。该定位方法适用于移动终端只能接收到一颗卫星的星历数据，且只有一个基站可用于定位时。

本发明还设计了一种基于AOA/TOA与GPS的混合定位系统，该混合定位系统采用层次化体系结构，底层是移动通信网，为移动终端提供基本的通信能力；第二层是定位参数测量层，提供定位参数的测量；第三层是位置计算层，根据输入参数计算移动终端位置；第四层是定位协调层，为各种应用服务提供接入、协调和管理；第五层是应用层，为移动终端提供相应的应用业务支持。其中位置计算层包括数据输入模块、数据预处理模块和位置定位模块；定位协调层包括定位服务选择模块。

本发明的有益效果是：用户在只能接收一个基站和一个卫星信号的情况下，仍能对待定位终端进行较高精度的三维空间定位。

附图说明

图1表示适用于移动通信系统的定位服务体系结构；

图2表示移动终端与基站之间的钟差计算过程；

图3表示在ECEF坐标系中基站、移动终端、卫星的位置；

图4表示该混合定位方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示为整个定位服务的层次化体系结构。底层是移动通信网，如：CDMA、TD-SCDMA等通信网络，为用户移动终端提供基本的通信能力。第二层是定位参数测量层，对实现定位所需要的数据进行测量，包括AOA、TOA和GPS等测量值，其功能是在尽可能消除各种干扰因素的基础上(如非视距影响、信号干扰、多径效应影响等)，提供精确的定位参数的测量。第三层是位置计算层，包括数据输入模块、位置定位模块，该层负责输入测量参数(如AOA、TOA和GPS测量值)，调用计算模块，构建方程组，并求解方程组来进行准确的位置估计。第四层是定位协调层，包括定位服务选择模块，为各种应用服务提供相应的接入、协调和管理。根据利用的基站个数和卫星个数，以及用户定位精度要求来建立相应的定位服务模块。当某个定位服务模块请求过多时，可将工作分配到其它模块来减少该模块的负担。第五层是应用层，为不同移动终端提供不同的应用业务支持。

测量计算并在地心地球固连(ECEF)坐标系中建立方程组。根据基站坐标，求移动台坐标。

1、建立基站和移动终端之间的距离方程，根据基站精确坐标(x_b，y_b，z_b)，求移动终端坐标(x，y，z)。

如图2所示为移动终端与基站之间的钟差计算过程。信号从基站到移动终端的往返延迟为RTD，并假设前向和反向链路有相同的传播延迟。以基站时钟为参考时间，基站信号发送时刻为T_bs，接收时刻为T_br，则有： $\mathrm{RTD}=\frac{T_{\mathrm{br}}-T_{\mathrm{bs}}}{2}.$ 以移动终端时钟为参考时间，用户接收信号时刻为T_ur，发送时刻为T_bs。基站和移动终端之间的钟差(以基站时钟为参考时间)为：

${\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{bu}}=(\frac{T_{\mathrm{br}}-T_{\mathrm{bs}}}{2}-\frac{T_{\mathrm{us}}-T_{\mathrm{ur}}}{2})-(T_{\mathrm{ur}}-T_{\mathrm{bs}}).$

根据TOA方法建立方程： $\sqrt{{(x-x_b)}^2+{(y-y_b)}^2+{(z-z_b)}^2}=R_{\mathrm{bu}}---\left(1\right)$

从而得到基站到移动终端的距离R_bu与基站坐标(x_b，y_b，z_b)、移动终端坐标(x，y，z)的关系方程。

基站与卫星之间的钟差可根据基站的GPS授时系统校正。由此，便知道了移动站跟卫星之间的钟差ΔT_su。

用AOA/TOA方法解出移动终端二维坐标位置，根据该坐标位置，在地理信息系统GIS的空间数据库中查出该区域的平均高度值h，估计用户所在高度。

2、高度估计

利用AOA方法估计用户的来波方向有一定的误差，即便采用智能天线可以减小误差，但用户离基站的距离较远时，即使采用AOA/TOA混合定位方法产生的定位误差仍然很大。但在二维平面坐标系中利用AOA/TOA方法解出来的平面位置与用户真实位置几乎在同一个高度。根据GIS的数字地图，可提供用户的近似高度，作为移动终端到地心的高度估计值h。该值相对于终端真实高度的差异要远小于该区域的半径，而且用户所在区域地势越平坦，h值越接近真实值。

构建方程： $\sqrt{x^2+y^2+z^2}=h---\left(2\right)$

3、混合GPS定位方法

定位环境几何结构如图3所示，移动终端向位置服务器发出GPS辅助信息请求，以便获取所在小区可见的卫星的星历信息。位置服务器收到请求后，将返回该小区可见的星历信息。移动终端获得GPS辅助信息后，进行卫星伪距测量。基站还可提供伪距改正值，来修正移动终端的误差。

基站根据星历信息数据算出卫星坐标(x_s，y_s，z_s)，移动终端测量的伪距为ρ，根据上文1中得到的卫星到移动终端间的钟差ΔT_su可建立方程：

$\sqrt{{\left({x-x}_s\right)}^2+{(y-y_s)}^2+{(z-z_s)}^2}=\mathrm{\ρ}+c*{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{su}}---\left(3\right)$

由方程式(1)、(2)、(3)可建立方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(x-x_b)}^2+{(y-y_b)}^2+{(z-z_b)}^2}=R_{\mathrm{bu}}\\ \sqrt{x^2+y^2+z^2}=h\\ \sqrt{{(x-x_s)}^2+{(y-y_s)}^2+{(z-z_s)}^2}=\mathrm{\ρ}+c*{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{su}}\end{array}\right.$

求解该方程组，即可求出移动终端所在位置坐标(x、y、z)。

如图5所示为本发明移动终端混合定位方法的流程图。移动终端向基站发出定位请求，基站中位置测量单元LMU进行AOA和TOA参数测量，PDE根据上述测量参数进行AOA/TOA位置估算(该位置为移动终端所在二维平面的大致区域)，并算出移动终端与基站、卫星之间的钟差。移动位置中心根据估计的位置并调用GIS数据库中存储的该区域的平均高度，得到移动终端到地心的的高度估计值。移动终端通过向基站发送AGPS辅助信息请求获得所在小区可见的卫星星历信息。并将卫星伪距测量数据发送给PDE。最后，PDE根据AOA/TOA位置估算值、GIS数据库中该区域的平均高度、以及移动终端与卫星之间的时钟误差，建立方程组，求解方程组进行待求移动终端位置计算，将计算结果发送给移动终端，即得到所求移动终端的三维位置坐标。

本发明采用AOA/TOA/GPS混合定位方法，当只有一颗卫星和一个基站可用时，仍可对移动终端进行较高精度的三维空间定位，适用于建筑物密集的城区和室内定位。

Claims (4)

1. 一种移动通信网络中基于AOA/TOA与GPS的混合定位方法，其特征在于：基站采用AOA/TOA定位方法估算待定位移动终端所在区域的二维平面坐标，在地理信息系统GIS数据库中查询移动终端到地心的高度h；基站算出移动终端与基站之间的时钟误差；基站根据星历信息数据算出卫星坐标，并根据GPS授时系统算出移动终端与卫星之间的时钟误差；基站构建方程组并求解移动终端的三维空间坐标。

2. 根据权利要求1所述的混合定位方法，其特征在于，该定位方法适用于移动终端只能接收到一颗卫星的星历数据，且只有一个基站用于定位时。

3. 根据权利要求1所述的混合定位方法，其特征在于，所述二维平面坐标由待定位移动终端到基站的距离确定。

4. 根据权利要求1所述的混合定位方法，其特征在于，所述构建的方程组为：

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(x-x_b)}^2+{(y-y_b)}^2+{(z-z_b)}^2}=R_{\mathrm{bu}}\\ \sqrt{x^2+y^2+z^2}=h\\ \sqrt{{(x-x_s)}^2+{(y-y_s)}^2+{(z-z_s)}^2}=\mathrm{\ρ}+c*\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{su}}\end{array}\right.,$

其中，(x，y，z)：移动终端的三维空间坐标、(x_s，y_s，z_s)：卫星坐标、(x_b，y_b，z_b)：基站坐标、ρ：卫星伪距、ΔT_su：卫星到移动终端间的钟差、R_bu：基站到移动终端的距离、c：电磁波传播速度。

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