CN100417253C

CN100417253C - 一种用于移动定位的基站时钟偏移量的校正方法

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Publication number: CN100417253C
Application number: CNB2005100338038A
Authority: CN
Inventors: 李昭福
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2005-03-22
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2025-03-22
Also published as: CN1838797A

Abstract

一种用于移动定位的基站时钟偏移量的校正方法，包括：a)基站时钟偏移量校正系统从基站数据库或定位日志中读取某次移动台定位测量信息，定位测量信息包括所述移动台位置信息、移动台时钟偏差，从基站数据库中读取当前基站时钟偏移量；b)判断移动台定位测量信息是否符合基站时钟偏移量计算，如符合，则进行步骤c)，如不符合，则结束或返回步骤a)；c)根据移动台的定位测量信息进行基站时钟偏移量计算，对基站时钟偏移量的计算结果和当前基站时钟偏移量进行统计计算，完成基站时钟偏移量的校正，并将校正结果存储在基站数据库，以公式见右下式计算出移动台位置信息的残差，以用于计算基站时钟偏移量。

Description

一种用于移动定位的基站时钟偏移量的校正方法

技术领域

本发明涉及码分多址(CDMA)移动通信网的定位技术领域，尤其涉及到移动定位实现过程中基站时钟偏移的校正方法。

背景技术

基于位置的业务(Location Based Services，简称LBS)，又称移动位置业务或定位业务，是指移动网络通过特定的定位技术获取移动终端的地理位置信息(经纬度坐标)，提供给移动用户本人、通信系统或第三方，并借助一定的电子地图信息的支持，为移动用户提供与其位置相关的呼叫或非呼叫类业务。当前定位业务正以它能准确、及时、直观地把位置信息提供给用户而得到迅速开展，与其相应的定位技术也得以迅速的发展。

在定位技术的实现层，CDMA数字蜂窝网络主要包括高级前向链路三角(AFLT，Advanced Forward-Link Trilateration)定位和混和(Hybrid)定位等几种定位方式。AFLT定位是移动台通过测出无线信号从基站到达移动台的时间，来计算移动台位置的技术。混和定位是将AFLT定位技术和GPS(Global PositioningSystem)定位技术相融合的定位技术，相应的移动台必须配有一个GPS无线接收天线，移动台的位置是根据移动台测出的前向链路导频和GPS伪距计算得出的。其中，仅能够完成基站导频测量的移动台，称为AFLT移动台，能够完成基站导频测量和GPS卫星伪距测量的移动台，称为Hybrid移动台。混和定位技术的深层应用是将移动通讯网的时钟应用于GPS伪距测量，扇区导频测量和最终位置的计算。

另外一些定位技术，测量不是在移动台进行的，而是在网络侧进行的。这种网络侧测量的定位技术有一个关键参数RTD(Round Trip Delay)，它是基站发送信号到移动台，移动台收到后将其再发送回该基站，基站测得的信号收发时差。根据RTD可以推算移动台到该服务基站之间的距离。位置计算中将移动台测量和基站测量相结合可以提高定位精度。

无论是AFLT、Hybrid定位技术，还是与RTD测量相关的定位技术，定位精度从某种程度上取决于基站时钟的精度。为了维持基站间的时钟同步，基站之间必须能够相互同步或者都向一个时间基准同步。例如，GPS时钟系统就可以做为一个共同的时间基准。GPS系统包括运行在地球上空11000海里轨道上的24颗GPS卫星(2颗是备用的)，每个卫星都有一个原子时钟，以每秒50个字节的速度发送伪随机码和导航信息。卫星传输的导航信息包括GPS系统时间，时钟校验参数，和卫星的当前运行状态等。通过4颗以上的GPS卫星能够计算出GPS接收天线的地理位置和GPS时间。

尽管GPS系统能够为CDMA网络系统提供一个稳定的时钟基准，但是时钟从GPS天线到GPS接收机，再从GPS接收机到CDMA天线转发机，然后从CDMA转发机到CDMA天线，由于传输的延迟和相位的转换，各个基站在GPS系统时间和传输的CDMA信号之间存在着不同的时钟偏移。因此，为了减少AFLT定位和Hybrid定位中的测量误差，对每个基站的时钟偏移量(Time Offset)进行校正，并将校正后偏移量保存到基站数据库中。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是要提供一种用于移动定位的基站时钟偏移校正方法，以提高定位精度。

为实现本发明要解决的技术问题，一种用于移动定位的基站时钟偏移校正方法包括以下步骤，

a)基站时钟偏移量校正系统从基站数据库或定位日志中读取某次移动台定位测量信息，定位测量信息包括所述移动台位置信息、移动台时钟偏差，从基站数据库中读取当前基站时钟偏移量；

b)判断移动台定位测量信息是否符合基站时钟偏移量计算，如符合，则进行步骤c)，如不符合，则结束或返回步骤a)；

c)根据移动台的定位测量信息进行基站时钟偏移量计算，对基站时钟偏移量的计算结果和当前的基站时钟偏移量进行统计计算，完成基站时钟偏移量的校正，并将校正结果存储在基站数据库。

本发明通过使用混和定位的过程中移动台的定位测量信息对基站时钟偏移量进行计算，根据计算结果进行修正，可以减小AFLT定位中的测量误差和Hybrid定位中时钟误差，提高定位精度。

在上述用于移动定位的基站时钟偏移校正方法中，其中，所述基站时钟偏移量计算进一步包括以下步骤：

c11)根据基站数据库中的扇区天线位置、扇区天线信号到达移动台的时间片之差和移动台测得的扇区导频相位个数以下列公式计算移动台位置信息的残差(Residual)，若残差小于预设残差，则进行下一步，否则结束；

Residual = Σ_{i = 1}^{N} {(\sqrt{{(x_{i} - x)}^{2} + {(y_{i} - y)}^{2}} - {Ct}_{i})}^{2}

其中，在该式中，假定从所述定位日志中获得的该次定位的位置坐标为(x，y)，第i个扇区的天线位置坐标为(x_i，y_i)，测出的扇区天线信号到达移动台的时间片之差为t_i，移动台测得的扇区导频相位个数是N个；C为电波传播速度；

c21)根据移动台位置和服务基站天线位置，计算移动台和服务基站天线之间的距离，与根据环路延迟计算的移动台和服务基站天线之间的距离比较，两者之差在预设最大允许误差范围内，则进行下一步，否则结束；

c31)判断移动台测得的导频强度是否大于预设的最小导频强度，若大于，则进行下一步，否则结束；

c41)通过移动台和服务基站天线之间的距离计算出服务基站和移动台之间的信号传播时长，移动台测得的GPS时钟相位与理论上GPS时钟相位之差获得伪距偏差，通过所述伪距偏差与所述信号传播时长计算出基站时钟偏移量。在上述用于移动定位的基站时钟偏移校正方法中，其中，所述基站时钟偏移量计算也可以进一步包括以下步骤：

c12)根据基站数据库中的扇区天线位置、扇区天线信号到达移动台的时间片之差和移动台测得的扇区导频相位个数以下列公式计算移动台位置信息的残差(Residual)，若残差小于预设残差，则进行下一步，否则结束；

Residual = Σ_{i = 1}^{N} {(\sqrt{{(x_{i} - x)}^{2} + {(y_{i} - y)}^{2}} - {Ct}_{i})}^{2}

c22)根据移动台位置结果和服务基站天线位置，计算移动台和服务基站天线之间的距离，若移动台和服务基站天线之间的距离小于服务基站的最大天线覆盖范围，则进行下一步，否则结束；

c32)判断移动台测得的导频强度是否大于预设的最小导频强度，若大于，则进行下一步，否则结束；

c42)根据移动台和服务基站天线之间的距离计算服务基站和移动台之间的信号传播时长，所述移动台时钟偏差与所述信号传播时长之差得出基站时钟偏移量。

附图说明：

图1基站时钟同步示意图

图2混和定位和基站时钟偏移量计算流程示意图

图3基站时钟偏移量计算流程图

具体实施方式：

在CDMA移动通信网，无论AFLT移动台还是Hybrid移动台，都可以实施基于AFLT定位技术的定位。AFLT定位技术主要是测量信号从基站到的移动台的所经历的时长，即TOA(Time of Arrival)。实际标准中，TOA多是用以基站时钟为基准的导频相位测量PPM(Pilot Phase Measurements)来标识。在位置计算时，为了减小由于基站之间时钟偏移量不同的影响，一般是将导频相位测量进行求差，得出导频相位差。这样，移动台的位置将在以这两个基站为焦点，以该相位差为双曲线恒差的双曲线上。使用这样的两组双曲线，将可以通过求得这两组双曲线的交点，获取移动台的位置。Hybrid移动台还可以使用GPS定位技术进行定位，在进行混和定位是，移动台要测量GPS伪距，GPS伪距的测量也是以基站时钟做为参考的。因此基站时钟的偏移量，将会对定位结果的精度产生严重的影响。

上述的基站时钟偏移量是这样形成的，如图1，CDMA基站上装有GPS接收装置，包括GPS天线11和GPS信号接收机12。GPS天线接收到GPS卫星的时钟信号，通过GPS信号接收机分解成为GPS时间。CDMA基站使用该时间做为本基站时钟13的参考时间。和移动台进行信令和数据交互的CDMA基站收发机14，将从基站时钟13上获得时钟，通过CDMA基站天线15和移动台进行交互。因从GPS天线11到GPS接收机12，从GPS接收机12到基站收发机14，以及从CDMA基站收发机14到CDMA基站天线15之间信号传输的延迟和相位的变化，会形成GPS系统的时钟和发送出的CDMA信号中的时钟，存在一个时钟偏差。移动台进入一个小区后，会收到服务基站扇区的时钟同步信号，移动台将会使用该时钟做为自己的系统时钟。在定位时，移动台要进行和基站之间的导频相位测量，测得的导频相位是相对移动台的系统时钟，也就是间接相对于本服务基站扇区的；同时移动台要进行和GPS卫星之间的伪距测量，伪距的测量也是以移动台的系统时钟做为参考的。因此，为了减小AFLT定位中的测量误差和Hybrid定位中时钟误差，来提高定位精度，必须对基站时钟偏移量进行校正。并且对该其进行保存，以便在后续的位置计算时使用该值进行导频测量的修正。

如图2，混和定位和基站时钟偏移量校正流程示意图，移动台21发起定位业务和位置计算实体22交互，位置计算实体22通过访问基站数据库23获取预存的服务基站时钟偏移量和基站的地理位置信息，通过该时钟偏移量对移动台21测得的GPS导频伪距和基站导频相位加以校正，使用校正后的导频或者伪距进行计算来获取最终位置，将位置结果发送给移动台21，同时位置计算实体22将本次定位相关的信息写入日志24。基站时钟偏移量校正系统25通过定时或者不定时地从位置计算实体22的日志24中提取定位数据，进行基站时钟偏移量计算，通过新计算的基站时钟偏移量和预存基站时钟偏移量之间统计计算完成误差校正，并将其写入基站数据库23中。在今后的定位过程中，位置计算实体访问基站数据库23，使用更为精确的基站时钟偏移量。上述的位置的计算和基站时钟偏移量校正可以实时地进行，也就是完成一次定位后，立刻进行校正，并且写入基站数据库23，也可以使用从位置计算实体22的日志24中读取数据的方式进行非实时的校正。下面以后者为例，对上述基站时钟偏移量的计算进行详细的描述。

本发明所述的基站时钟的偏移量的计算方法具体包括以下步骤，参见图3：

(S1)选取用于计算基站时钟偏移量的定位测量信息；

基站时钟偏移量校正系统从位置计算实体输出的日志中提取某次定位测量信息，用来进行基站时钟偏移量的计算；选择定位测量信息的原则是：1)本次定位的定位方式是混和定位；2)本次定位中，移动台上报了多个(至少5个以上)高质量的GPS伪距测量，其中测量质量可以通过接收到的信噪比来衡量；3)最终输出的位置结果是通过GPS卫星伪距进行计算得出的。

基站时钟偏移量校正系统可以从日志中获取移动台定位测量信息，包括移动台位置信息，移动台的时钟偏差等；

(S2)计算移动台位置信息的残差；

假定从日志中获得的该次定位的位置坐标为(x，y)，第i个扇区的天线位置坐标为(x_i，y_i)，测出的扇区天线信号到达移动台的时间片之差为t_i，移动台测得的扇区导频相位个数是N个；

通过下面公式可以计算出本次定位位置结果的残差Residual：

Residual = Σ_{i = 1}^{N} {(\sqrt{{(x_{i} - x)}^{2} + {(y_{i} - y)}^{2}} - {Ct}_{i})}^{2}

C为电波传播速度

(S3)定位结果残差的有效性判断；如果残差有效，进行步骤(S4)；否则，进行步骤(S12)，此次定位无法用于基站时钟偏移量的校正；

判断通过上述公式计算出的定位结果残差是否小于一预设残差ResidualMax，ResidualMax是一般为一经验值，不同系统该值不同。

(S4)计算服务基站天线和移动台之间的距离Range(SrvBS，MS)；

根据S1中获取的移动台位置结果和从基站数据库中获取的服务基站天线位置，可以计算出移动台和服务基站天线之间的距离Range(SrvBS，MS)；计算Range的目的是判断移动台是否在服务基站的覆盖范围之内，以避免因为服务扇区严重的多径效应，最终影响到移动台的系统时钟。

(S5)Range(SrvBS，MS)的有效性判断；如果Range(SrvBS，MS)有效，进行步骤(S6)；否则，进行步骤(S12)，此次定位无法用于基站时钟偏移量的校正；

Range(SrvBS，MS)的有效性可以通过下面两种方式进行判断：

(1)根据服务基站的最大天线覆盖范围MAR(Maximum Antenna Range)进行判断，如果上述Range(SrvBS，MS)＞MAR，则认为无效；

(2)通过和本次定位测得的RTD进行比较做出判断；

RTD(Round Trip Delay，环路延迟)一般是通过基站侧提供的。它是基站发送信号到移动台，移动台收到后将其再发送回该基站，基站测得的信号收发时差。根据RTD可以推算移动台到该服务基站之间的距离Range(RTD)＝c*RTD/2，c是光速；通过比较Range(SrvBS，MS)和Range(RTD)，如果它们之差大于最大允许误差Emax(与地区的无线环境有关)，则认为此次定位无法用于基站时钟偏移量的校正；

(S6)服务基站导频强度的有效性判断；如果导频强度有效，进行步骤(S7)；否则，进行步骤(S12)，此次定位无法用于基站时钟偏移量的校正；服务基站的导频强度是移动台测得的，如果测量到达的导频强度小于或者等于最小导频强度，则认为此次定位无法用于基站时钟偏移量的校正；

(S7)计算服务基站和移动台之间信号传输时长Time(SrvBS，MS)；

根据上述步骤S4计算的Range(SrvBS，MS)或者步骤S5中的Range(RTD)，可以推算出服务基站和移动台之间的信号传播时长Time(SrvBS，MS)；也可以通过将Range(SrvBS，MS)和Range(RTD)进行加权平均，从而推算出Time(SrvBS，MS)；

(S8)计算服务基站时钟的偏移量TimeOffset；

对于服务基站时钟偏移量的计算，可以通过下述两种方式之一进行计算：

(1)通过计算上述步骤S1中从定位日志中提取的移动台时钟偏差和步骤S7中计算的服务基站信号传输时间之差，从而获得服务基站时钟的偏移量；

(2)根据移动台上报的卫星伪距，GPS历书，卫星在太空的位置，可以从理论上推导出GPS时钟相位，这样移动台在定位过程中测得的GPS时钟相位和通过理论计算出的时钟相位之差就是伪距偏差。这个伪距偏差，通过和步骤S7中的Time(SrvBS，MS)的进行计算，就是服务基站时钟的偏移量。如果通过计算多个GPS卫星伪距偏差，再进行平均，可以提高服务基站时钟的偏移量准确性。

(S9)服务基站时钟偏移量TimeOffset的有效性判断；

由于信号传输过程中多径效应的影响，可能引起计算出的服务基站时钟偏移量存在一定的误差，如果误差过大，则可以认为该次计算的TimeOffset无效。其判断标准一般是按照统计指标(均值和方差)的进行判断，比如，判定新计算出的TimeOffset，是否在[均值-2倍的方差，均值+2倍的方差]之内。(S10)对上述服务基站时钟偏移量进行统计计算，得出服务基站的时钟偏移量和相关统计值；

服务基站的时钟偏移量被保存到基站数据库中，每次位置实体进行位置计算时，通过访问数据库获取服务基站的时钟偏移量；在基站时钟偏移量校正系统计算出服务基站的时钟偏移量后，从数据库中取出当前时钟偏移量和新计算出的TimeOffset进行统计计算，计算出服务基站新的时钟偏移量；当没有足够的数据用于统计时，如新增基站开始使用时，应该有一个默认值。

(S11)更新服务基站时钟偏移量及相关统计值，保存到基站数据库；

将S10步骤中将新计算出的服务基站时钟偏移量的统计值保存基站数据库中，以便在下次定位或者校正过程中使用新的数据。

(S12)结束计算流程；

总之，使用混和定位的过程中移动台的测量信息和位置计算实体的计算结果，可以推算出本次定位服务基站的时钟偏移量；在位置计算实体进行位置计算时使用时钟偏移量，对于移动台的导频测量和伪距测量可以进行修正。对于实际定位中，往往使用前向链路校正(FLC，Forward Link Calibration)来标量服务基站时钟偏移量。FLC的作用是用来补偿从GPS天线11到GPS接收机12，从GPS接收机12到基站收发机14，以及从CDMA基站收发机14到CDMA基站天线15之间信号传输的延迟。基站时钟偏移量校正系统能够根据Hybrid移动台做的GPS定位和AFLT定位的测量数据自动进行FLC的校正。实际工程中证明，使用有FLC校正过的扇区导频，导频测量的精度能够提高0％～30％。

因GPS伪距测量的精度非常高，当有足够的GPS卫星被测量到时，最终位置的确定往往是通过GPS伪距来计算出来的；这样定位中移动台上报的基站的导频测量就是冗余的测量数据，可以使用这些冗余的导频测量数据，完成FLC值的修正。完成这个修正，需要使用以下信息：原先的或者默认的FLC值，本次定位的位置结果，测得的基站扇区信息，导频相位测量；

通过下面公式进行计算：

FLC_New＝FLC_Old+Residual/30.52

FLC_Old：当前基站数据库中保存的该扇区的FLC值，单位是1/8码片；

FLC_New：新的FLC值，计算后存入基站数据库，单位是1/8码片；

Residual：通过步骤S2中公式计算出的定位结果残差，单位是米；

公式中的30.52是1/8码片时长的光速距离。

工程实践证明，通过本发明给出了使用混和定位的过程中移动台的测量信息对基站时钟偏差进行推算的方法和实际定位运用的一种修正方法。可以减小AFLT定位中的测量误差和Hybrid定位中时钟误差，提高定位精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1. 一种用于移动定位的基站时钟偏移量的校正方法，其特征在于，包括：

c)根据移动台的定位测量信息进行基站时钟偏移量计算，对基站时钟偏移量的计算结果和当前基站时钟偏移量进行统计计算，完成基站时钟偏移量的校正，并将校正结果存储在基站数据库，

其中，所述基站时钟偏移量计算进一步包括以下步骤：

c11)根据基站数据库中的扇区天线位置、扇区天线信号到达移动台的时间片之差和移动台测得的扇区导频相位个数以下列公式计算移动台位置信息的残差Residual，若残差小于预设残差，则进行下一步，否则结束；

Residual = Σ_{i = 1}^{N} {(\sqrt{{(x_{i} - x)}^{2} + {(y_{i} - y)}^{2}} - {Ct}_{i})}^{2}

c41)通过移动台和服务基站天线之间的距离计算出服务基站和移动台之间的信号传播时长，移动台测得的GPS时钟相位与理论上GPS时钟相位之差获得伪距偏差，通过所述伪距偏差与所述信号传播时长计算出基站时钟偏移量。

2. 根据权利要求1所述的用于移动台定位的基站时钟偏移校正方法，其特征在于，移动台定位测量信息符合基站时钟偏移量的计算满足以下要求：定位测量信息是通过混和定位获得，同时移动台上报5个及以上GPS伪距测量，且移动台位置信息是根据GPS伪距测量计算获得。

3. 根据权利要求1或2所述的用于移动台定位的基站时钟偏移校正方法，其特征在于，进一步包括：根据基站时钟偏移量的均值和方差对计算出的基站时钟偏移量有效性进行判断。

4. 一种用于移动定位的基站时钟偏移量的校正方法，其特征在于，包括：

其中，所述基站时钟偏移量计算进一步包括以下步骤：

c12)根据基站数据库中的扇区天线位置、扇区天线信号到达移动台的时间片之差和移动台测得的扇区导频相位个数以下列公式计算移动台位置信息的残差Residual，若残差小于预设残差，则进行下一步，否则结束；

Residual = Σ_{i = 1}^{N} {(\sqrt{{(x_{i} - x)}^{2} + {(y_{i} - y)}^{2}} - C t_{i})}^{2}

5. 根据权利要求4所述的用于移动台定位的基站时钟偏移校正方法，其特征在于，移动台定位测量信息符合基站时钟偏移量的计算满足以下要求：定位测量信息是通过混和定位获得，同时移动台上报5个及以上GPS伪距测量，且移动台位置信息是根据GPS伪距测量计算获得。

6. 根据权利要求4或5所述的用于移动台定位的基站时钟偏移校正方法，其特征在于，进一步包括：根据基站时钟偏移量的均值和方差对计算出的基站时钟偏移量有效性进行判断。