CN101296491A - 单小区用户终端的定位方法 - Google Patents

Abstract

一种单小区用户终端的定位方法，包括步骤：用户终端测量运动距离和运动方向，并在运动轨迹上的不同位置上发送探测信号；由基站检测各个发射信号到达基站的时延差，并依据这些参数建立以移动台为中心坐标系下的双曲线方程组并解得基站位置；反向得到在基站为中心的坐标系下移动台坐标。本方法有效的填补了在单小区工作环境下定位技术的空白，提供了除GPS，小区ID之外的一个替代方案。

Description

单小区用户终端的定位方法

技术领域

本发明涉及移动通信，特别涉及单小区用户终端的定位方法。

背景技术

无线定位业务又称为位置业务(Location-Based Ser-vices，LBS)，是移动通信网通过一系列定位技术获得移动网关的位置信息，将之提供给移动用户本人或他人以及通信系统，以实现与位置相关的一种增值服务。

广义地说，只要是基于位置的信息服务均属于位置服务，有些业务可能与用户本身的位置无关，例如固定地点的天气、固定起始终止点之间的公交路线等。但在移动通信网中，LBS业务应用最多的应是与终端持有者本身的位置紧密相关的那些业务。

在移动定位业务兴起之前，最先服务于导航和定位服务的技术是全球定位系统GPS。随着移动通信网络技术的不断发展，从1999年开始移动定位服务得到逐步应用，并日益走向成熟。如今，通过移动通信网络实现的移动定位不仅日益广泛地应用于物流管理、交通调度、医疗救援、野外勘探等领域，而且正在加快走向大众化。

目前，在各种移动增值业务当中，移动位置信息服务是最具市场潜力的一种。另一方面，随着我国私人汽车市场不断增长，以汽车移动通信平台的需求也将有很大的发展潜力，其中针对汽车的导航、跟踪等位置业务是今后一个非常具有发展潜力的市场。

实际应用包括但不限于：

第一，安全应用，如紧急服务和路边求助等。当用户在陌生的地方遭遇危险，只要用户的手机支持位置服务，用户在拨打救援中心电话(如中国的110、美国的911、日本的411电话)时，移动通信网络会自动将用户所在的位置信息和用户的语音信息一并传送给救援中心。救援中心接到呼叫后，根据得到的位置信息，就能快速、高效地开展救援活动，大大提高救援成功率。

第二，信息服务应用，如生活信息和交通信息等。位置服务能够提供给用户与地图坐标有关的信息服务以及交互式地图信息服务。可以提供给用户交通状况及最佳行车路线，帮助用户寻找目的地附近的餐厅、影院、公司等的具体位置，并进行订票、订座等增值服务，还可以进行移动黄页和移动广告的宣传。

第三，追踪应用，如车队追踪以及对财产的追踪等。在人口密集的大城市里，交通阻塞的问题亟待解决，公众对于车辆导航和智能交通的需求越来越迫切。作为智能交通系统核心的自动车辆定位系统，将实现动态交通流分配、定位导航、事故应急、安全防范、车辆追踪、车辆调度等功能。

最早的LBS的发展可以追溯到1996年，当时美国联邦通信委员会(FCC)公布了E911定位需求，要求在2001年10月1日前，网络运营商必须能对发出E-911紧急呼叫的移动设备用户提供精度在1.25公尺以内的定位服务。它需要网络运营商提供呼叫者的方位、回电的号码，还要一并提供公共紧急服务。后来，欧洲和日本也提出了类似的要求，最终促成了LBS——基于呼叫设备的地理位置服务——的出现。再后来，定位系统(Positioning Systems)、通讯(Communication)和GIS(Global InformationSystem，全球情报系统)领域的快速发展刺激了该行业从业者对LBS的想象力，电信公司开始广泛利用该项服务，依照移动用户的地理位置为其提供量身定制的服务。

现在多数主流标准中，LBS业务都是现在或未来的考虑重点。

■基于网络的定位技术

移动台在接收当前服务基站的信号的同时，需要不停地寻找来自其它基站的信号。如果发现来自其它基站的信号足够强，移动台需要确定来自不同基站信号的时间差，为合并两个信号做准备。移动台的这种能力为实现定位奠定了技术基础。定位操作平台可以通过CDMA网络获取到终端的这些信息(导频强度信息)进行定位。其它一些基于网络的技术能够提供更高的定位精度，例如测量移动台的环路时延、信号到达角度等，但这些技术都需要在基站上增加相应的测量设备，代价较高。

■辅助GPS技术(AGPS)

辅助GPS技术主要依靠GPS卫星完成定位操作。移动台需要接收至少4个GPS卫星的信号，根据这些信息完成定位计算，并将计算结果报告给网络。对一般的GPS定位技术来说，需要GPS接收机在全空域范围内搜索可以使用的GPS卫星。通常这种搜索需要很长的时间，所以不能满足快速移动定位的需要。在辅助GPS技术中，网络可以根据移动台当前所在的小区，确定所在小区上空的GPS卫星，将这些信息提供给移动台。移动台根据这些信息，缩小搜索范围、缩短搜索时间，更快地完成可用卫星的搜索过程。搜索完成之后，移动台需要通过和网络的交互，将用于计算移动台位置的信息传送给网络，由网络计算移动台的位置。

■混合定位技术

CDMA系统中使用的混合定位技术主要使用了前面提到的两种基于移动台的技术。一般来说，GPS技术能够提供很高的定位精度，但在很多情况下，移动台不能够捕获足够多的GPS卫星。这时候，移动台可以利用基站的信号补充卫星的不足。这样在降低一定精度的条件下，提高可用性，实现室内定位。

■基于移动台的GPS定位

对于一些需要快速连续定位的LBS业务来说(例如实时动态汽车导航)，可能要求每隔几秒钟刷新终端位置信息。在这种情况下，AGPS方式就很难满足时间上的要求。因此，为了提高连续定位情况下的定位间隔时间，提出了基于移动台的GPS定位。与AGPS不同的是，基于移动台定位方式下，位置的计算全部由终端自己完成，终端始终处于GPS跟踪状态，减少了与网络的交互时间。但是初次定位时间(TTFF)基本上与AGPS方式下的相同，与AGPS一样，需要从网络侧获取GPS卫星的信息。

■推算定位

基于一个已知相对参考点或起始点，连续计算目标运动过程中相对于起始点的方向和距离，借助地图匹配算法来确定移动目标位置，适用于运动目标的连续定位。

推算定位依赖于移动终端对于加速度，速度和运动方向的测量精度。可以借助里程表，陀螺仪，加速计等提供相应的测量信息。

■接近式定位

运动物体通过与之最靠近的固定参考检测点来估计确定。基于小区ID的方法可以看作本方法的一个分支，移动终端估计值可以通过最靠近的基站或扇区获得。

现在各种技术各有优缺点，特别在单小区环境下，基于多小区信号检测的定位方法就不能工作，基于小区ID的方法精度过低，基于GPS的解决方案成本相对较高。本文试图提供一种在单小区情况下的解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种单小区用户终端的定位方法。

为实现上述目的，一种单小区用户终端的定位方法，包括步骤：

用户终端测量运动距离和运动方向，并在运动轨迹上的不同位置上发送探测信号；

由基站检测各个发射信号到达基站的时延差，并依据这些参数建立以移动台为中心坐标系下的双曲线方程组并解得基站位置；

反向得到在基站为中心的坐标系下移动台坐标。

本方法有效的填补了在单小区工作环境下定位技术的空白，提供了除GPS，小区ID之外的一个替代方案。

附图说明

图1是本发明的工作流程图；

图2是移动台运动轨迹示意图；

图3是探测信号发送示意图；

图4是以MS为中心的坐标系下的运动轨迹及参量表示；

图5是本发明的一个范例示意图。

具体实施方式

本发明的方法通过测量运动物体的运动方向和运动距离，并结合在运动轨迹中从移动终端到基站的时延差等参数的测量，从移动台侧建立关于基站的双曲线方程，通过解方程得到基站的位置参数，从而反向推出MS的位置参数。在本发明描述的方法中，需要移动台具有移动距离测量和移动方向的能力，另外需要基站和移动台协同工作测量移动台在移动轨迹上部分点的到基站的距离差。

其工作流程如图一所示：

在移动台决定进行定位后，同基站进行协商，确定为此次定位过程所采用的探测信号及必需的资源划分。

如图2所示运动轨迹，移动台运动轨迹从A点出发，经过O点转向B点。从A点，O点，B点分别发送探测信号，要求探测信号与所属的桢的起始位置保持一定，即在传输桢的固定偏移处发射探测信号。

基站测量该探测信号到达基站是和传输桢的起始点的偏移值，并将相邻探测点的测量值相互取差得到的相对差值，即基站分别记录A，O，B发送的探测信号同其所属的桢的起始位置的相对时延差t1，t2，t3，并由此得到移动台从A点和O点到基站的距离差c*(t2-t1)，c代表光速。同理得到移动台从O点和B点到基站的距离差才c*(t3-t2).

移动台记录从A点到O点，从O点到B点的运动距离S1和S2，和运动角度θ₁和θ2，S1和S2为直线距离，θ₁和θ2用户终端和基站利用共同的参考方向得到运动方向和参考方向之间的角度差值。

根据这些参数建立如图4所示的坐标系，在这里是建立的以O点为原点，以正北方向为y轴的坐标系。

通过S1，S2，θ₁和θ2，分别解出A点和B点的坐标x_ay_a和x_by_b并建立方程组如下：

$(\sqrt{{(x_{\mathrm{bs}}-x_a)}^2+{(y_{\mathrm{bs}}-y_a)}^2}-\sqrt{{(x_{\mathrm{bs}}-x_o)}^2+{(y_{\mathrm{bs}}-y_o)}^2}=d_1-d_2$

$(\sqrt{{(x_{\mathrm{bs}}-x_o)}^2+{(y_{\mathrm{bs}}-y_o)}^2}-\sqrt{{(x_{\mathrm{bs}}-x_b)}^2+{(y_{\mathrm{bs}}-y_b)}^2}=d_2-d_3$

在这里可以应用成熟的双曲线解方程算法，如Fang算法，Chan算法等。应用这些算法可能需要进行一定的坐标系变换工作，但无损于本双曲线方程组的基本原理。

解此方程组可以得到基站的坐标x_bs和y_bs，由此BS可以反向得到在BS为中心的坐标系中移动台的相应坐标。

如图5所示，是一个特殊的示例，用于演示工作的基本原理：B向东移动500米，转向北行进800米，而基站的测量结果是从A，O，B三个点到基站的传输时间差均为0，则上述方程组退化为：

$\sqrt{{(x_{\mathrm{bs}}+500)}^2+{\left(y_{\mathrm{bs}}\right)}^2}-\sqrt{{\left(x_{\mathrm{bs}}\right)}^2+{\left(y_{\mathrm{bs}}\right)}^2}=0$

$\sqrt{{\left(x_{\mathrm{bs}}\right)}^2+{\left(y_{\mathrm{bs}}\right)}^2}-\sqrt{{\left(x_{\mathrm{bs}}\right)}^2+{(y_{\mathrm{bs}}-800)}^2}=0$

此时，解此方程组，可得基站坐标为(-250，400)。

同图中验证，此时两条双曲线退化成为两条中分线，其交点BS符合直观所得。

Claims (6)

1.一种单小区用户终端的定位方法，包括步骤：

用户终端测量运动距离和运动方向，并在运动轨迹上的不同位置上发送探测信号；

由基站检测各个发射信号到达基站的时延差，并依据这些参数建立以移动台为中心坐标系下的双曲线方程组并解得基站位置；

反向得到在基站为中心的坐标系下移动台坐标。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述运动距离是运动轨迹上相邻的发射探测信号的点之间的直线距离。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于用户终端和基站利用共同的参考方向得到运动方向和参考方向之间的角度差值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述各个发射信号到达基站的时延差是指终端在不同的发射点并在传输桢的固定偏移处发射探测信号，而基站测量该探测信号到达基站是和传输桢的起始点的偏移值，并将相邻探测点的测量值相互取差得到的相对差值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于按下式计算基站的坐标：

$(\sqrt{{(x_{\mathrm{bs}}-x_a)}^2+{(y_{\mathrm{bs}}-y_a)}^2}-\sqrt{{(x_{\mathrm{bs}}-x_o)}^2+{(y_{\mathrm{bs}}-y_o)}^2}=d_1-d_2$

$(\sqrt{{(x_{\mathrm{bs}}-x_o)}^2+{(y_{\mathrm{bs}}-y_o)}^2}-\sqrt{{(x_{\mathrm{bs}}-x_b)}^2+{(y_{\mathrm{bs}}-y_b)}^2}=d_2-d_3.$

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述反向得到移动台坐标包括：

当移动台确定了基站的坐标后，反馈给基站，基站将坐标系进行原点变换得到在基站坐标系下的移动台坐标。

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