CN101547505B - 一种基于平面拟合的无线定位测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于平面拟合的无线定位测量方法和装置，可以在仅有2个基站的情况下获得无线定位测量结果。其技术方案为：本发明基于网络规划的基本原则，根据终端对于各个可以测量的小区下行信号的测量结果计算各个基站的下行信号传输时延，再利用各个基站的地平面的位置拟合基站所在地平面的曲面，最后根据优化代价函数计算终端位置。本发明应用于移动通信领域。

Description

一种基于平面拟合的无线定位测量方法与装置

技术领域

本发明涉及一种无线定位测量方法与装置，尤其涉及一种基于平面拟合的无线定位测量方法与装置。

背景技术

随着无线通讯技术的发展，特别是美国提出应急位置服务要求之后，无线定位服务越来越受到业界的关注。

按照是否需要手机的参与分类，对于收集的定位技术主要分为两种类型：需要手机上报信息的手机定位技术以及不需要手机上报信息的手机定位技术。

前者，网络系统需要通过信令通知手机，而且需要手机主动上报有关测量信息才可以确定手机的具体位置。如此，手机有办法了解其处于被定位状态。并且，手机也可以在用户需要阻止被定位的前提下，通过不上报有关测量信息和上报虚假测量信息的方法，使得自己的位置信息的隐私得到保护。

但是，对于后者，由于不需要手机的主动参与，手机无法确认其是否处于被定位的状态，这对于手机位置的保护造成了一定的困难。这类方法的一个典型就是基于小区号的定位方法。

按照定为参考信号分类，对于收集的定位技术主要分为3种类型：基于手机小区号的定位、基于基站信号/手机信号的定位以及基于卫星导航系统的定位。其中，基于手机小区号的定位方法精度较差；基于卫星导航系统的定位方法需要额外的设备以及成本；基于基站信号/手机信号的定位方法基本不需要添加额外设备而且具有中等的定位精度。

第三代(3G，3rd Generation)移动通信系统是目前世界上大多数国家和地区都正在使用或者将会使用的移动通信系统。3GPP(3rd GenerationPartnership Project)作为3G的标准组织，完成了所有有关的标准工作。

有关无线定位方面，3GPP组织采纳了各方面的意见，在其标准中采用了全部三种定位模式：基于手机小区号的定位、基于基站信号/手机信号的定位以及基于卫星导航系统的定位。

对于基于基站信号/手机信号的定位，采用了收集测量上报的方法。由手机测量各个基站的信号到达时间，并且通过信令上报网络。而网络则完成计算手机位置的功能。

以基于基站信号/手机信号到达时间的定位方法为例，介绍3G系统中的定位过程。

传统基于基站信号/手机信号的定位原理如图1所示。系统至少具有三个基站111～113和一部具有测量能力的手机12，基站与手机存在无线传播的信号131～133，对应测量到的信号传播时间为t1～t3。由于无线电波的传播速度为恒定的光速c，所以手机与对应基站的距离为d_i＝t_i×c(i＝1，2，...)。以对应基站为圆心、di为半径画圆141～143，则所有得到的圆的交点位置即为手机对应位置。手机上报其测量的基站信号的发射-接收时延给网络系统，则网络就可以根据这些值计算得到手机的所在位置。

图2为传统的系统处理的信令流程：

1.核心网(CN)向服务无线网络控制器(SRNC)发送定位请求。

2.SRNC向手机(UE)发送基站间接收时延测量请求。

3.SRNC向UE发送手机接收-发射时间测量请求。

4.UE测量过程。

5.UE向SRNC上报基站间接收时延测量结果。

6.UE向SRNC上报手机接收-发射时间测量结果。

7.SRNC向基站(Node B)发送基站发射时延测量请求。

8.Node B测量过程。

9.Node B向SRNC上报基站发射时延测量结果。

10.SRNC位置计算过程。

11.SRNC向CN上报位置计算结果。

实际无线定位过程中，由于地球不是理想的球体，其表面有着起伏变化，因此除了测量用户的平面信息之外，同时需要测量用户的高度。根据参数估计的基本原理，需要至少3个基站(信号环回可以测量)/4个基站(信号环回不可以测量)的测量信息，才可以获得用户的位置。具体位置估计算法在上面的步骤10中进行。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种基于平面拟合的无线定位测量方法，可以在仅有2个基站的情况下获得无线定位测量结果。

本发明的另一目的在于提供了一种基于平面拟合的无线定位测量装置，通过基站之间进行平面拟合处理的方式，可以在仅有2个基站的情况下获得无线定位测量结果。

本发明的技术方案为：本发明揭示了一种基于平面拟合的无线定位测量方法，包括：

(1)在无线网络控制器中存储各个基站的地平面的位置(x_i，y_i，z_i)和对应的基站天线高度h_i，其中i为基站编号，该地平面的位置和对应的基站天线高度均为已知信息；

(2)如果终端侧是进行主导模式的位置估计，则由无线网络控制器通过广播信道或者专用信道向终端传递相关服务小区和可能被测量的相邻小区所存储的地平面的位置和对应的基站天线高度信息；

(3)无线网络控制器或手机获得终端对于各个可以测量的小区下行信号的测量结果；

(4)计算各个基站的下行信号传输时延，其中对于服务小区t₀＝(tloop-trx-tx)/2，其中tloop为无线信号环回时间，trx-tx为终端的信号接收-发射时间差，对于其他小区t_j＝t₀+Δt_j，其中Δtj为测量的其他小区下行信号与服务小区下行信号的时间差；

(5)根据各个基站的地平面的位置(x_i，y_i，z_i)拟合基站所在地平面的曲面，设方程为f(x，y，z)＝0；

(6)根据优化代价函数J计算终端位置(x，y，z)，其中优化代价函数J为： $\min J=\underset{i=0}{\overset{N_0}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i{\left\{\right[\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{((z+h)-(z_i+h_i))}^2}-{\mathrm{ct}}_i\}}^2+\mathrm{\λf}(x,y,z),$ 其中ω_i为权重正比与终端接收到的对应基站信号强度，λ为拉格朗日算子，h为平均终端高度，N₀为测量到的包括服务基站和相邻基站的基站数目。

上述的基于平面拟合的无线定位测量方法，其中，步骤(6)通过以下步骤实现：

(a)选择位置估计起始位置Loc₀，如果不是第一次估计，则起始位置Loc₀为上次估计的位置，否则Loc₀在终端的服务小区中随机选择；

(b)计算位置Loc_n-1处的J梯度为：

$\mathrm{grad}\left(J\right)=\left[\begin{array}{c}\frac{\∂J}{\∂x}\\ \frac{\∂J}{\∂y}\\ \frac{\∂J}{\∂z}\\ \frac{\∂J}{\∂\mathrm{\λ}}\end{array}\right]$

其中n＝1，2，...；

(c)计算Loc_n＝Loc_n-1-μgrad(J)，其中μ为对应步长，由仿真获得；

(d)如果||Loc_n-Loc_n-1||＜规定估计精度，此时最终的Loc_n即为对应手机的位置估计，否则返回步骤(b)；

(e)记录对应手机的位置估计Loc_n。

本发明还揭示了一种基于平面拟合的无线定位测量方法，包括：

(1)在无线网络控制器中存储各个基站的地平面的位置(x_i，y_i，z_i)以及对应的基站天线高度h_i，其中i为基站编号，该地平面的位置和对应的基站天线高度均为已知信息；

(2)如果终端侧是进行主导模式的位置估计，则由无线网络控制器通过广播信道或者专用信道向终端传递相关服务小区和可能被测量的相邻小区所存储的地平面的位置和对应基站的天线高度；

(3)无线网络控制器或者手机获得终端对于各个可以测量的小区下行信号的测量结果；

(4)计算各个基站的下行信号相对于服务基站的传输时延差Δt_i0；

(5)根据各个基站的地平面的位置(x_i，y_i，z_i)拟合各个基站所在地平面的曲线，设方程为f(x，y，z)＝0；

(6)根据优化代价函数J计算终端位置(x，y，z)，其中优化代价函数J为 $\min J=\underset{i=1}{\overset{N_0}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i{\left\{\right[\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y+y_i)}^2+{((z+h)-(z_i+h_i))}^2}-\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2+{((z+h)-(z_0+h_0))}^2}-\mathrm{c\Δ}{t}_{i0}\}}^2+\mathrm{\λf}(x,y,z),$ 其中ω_i为权重正比与终端接收到的对应基站信号强度，λ为拉格朗日算子，h为平均终端高度，N₀为测量到的除了服务基站之外的基站数目，(x₀，y₀，z₀)是服务基站的地平面位置，h₀是服务基站对应的基站天线高度。

上述的基于平面拟合的无线定位测量方法，其中，步骤(6)通过以下步骤实现：

(a)选择位置估计起始位置Loc₀，如果不是第一次估计，则起始位置Loc₀为上次估计的位置，否则Loc₀在终端的服务小区中随机选择；

(b)计算位置Loc_n-1处的J梯度为：

$\mathrm{grad}\left(J\right)=\left[\begin{array}{c}\frac{\∂J}{\∂x}\\ \frac{\∂J}{\∂y}\\ \frac{\∂J}{\∂z}\\ \frac{\∂J}{\∂\mathrm{\λ}}\end{array}\right]$

其中n＝1，2，...；

(c)计算Loc_n＝Loc_n-1-μgrad(J)，其中μ为对应步长，由仿真获得；

(d)如果||Loc_n-Loc_n-1||＜规定估计精度，此时最终的Loc_n即为对应手机的位置估计，否则返回步骤(b)；

(e)记录对应手机的位置估计Loc_n。

本发明另外揭示了一种基于平面拟合的无线定位测量装置，包括：

基站位置存储单元，存储各个基站的地平面的位置(x_i，y_i，z_i)以及对应基站天线高度h_i；

测量单元，完成定位有关的位置测量，包括终端对于各个可以测量的小区下行信号的测量结果；

曲面拟合单元，接收来自该基站位置存储单元的基站位置信息(x_i，y_i，z_i)，拟合基站所在地平面的曲面，设方程为f(x，y，z)＝0；

位置估计单元，包括：

下行信号传输时延计算单元，接收来自该测量单元的下行信号的测量结果，计算各个基站的下行信号传输时延，其中对于服务小区t₀＝(tloop-trx-tx)/2，其中tloop为无线信号环回时间，trx-tx为终端的信号接收-发射时间差，对于其他小区t_j＝t₀+Dt_j，其中Dtj为测量的其他小区下行信号与服务小区下行信号的时间差；

终端位置计算单元，接收来自下行信号传输时延计算单元的输出和来自该曲面拟合单元的终端所在曲面的输出，根据优化代价函数J计算终端位置(x，y，z)，其中优化代价函数J为： $\min J=\underset{i=0}{\overset{N_0}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i{\left\{\right[\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{((z+h)-(z_i+h_i))}^2}-{\mathrm{ct}}_i\}}^2+\mathrm{\λf}(x,y,z),$ 其中ω_i为权重正比与终端接收到的对应基站信号强度，λ为拉格朗日算子，h为平均终端高度，N₀为测量到的包括服务基站和相邻基站的基站数目。

上述的基于平面拟合的无线定位测量装置，其中，该终端位置计算单元进一步包括：

初始位置选择单元，根据是否存储有对应手机上次的位置估计值确定位置估计的初始值，如果不是第一次估计则起始位置Loc₀为上次估计的值，否则起始位置Loc₀是在终端的服务小区中随机选择；

位置估计存储单元，存储上一次计算的位置估计值；

梯度计算单元，接收该位置估计存储单元输出的上一次计算的位置估计值，计算该位置Loc_n-1处的J梯度为：

$\mathrm{grad}\left(J\right)=\left[\begin{array}{c}\frac{\∂J}{\∂x}\\ \frac{\∂J}{\∂y}\\ \frac{\∂J}{\∂z}\\ \frac{\∂J}{\∂\mathrm{\λ}}\end{array}\right]$

其中n＝1，2，...

更新单元，接收该梯度计算单元的J梯度和该位置估计存储单元中的位置估计值，根据公式Loc_n＝Loc_n-1-μgrad(J)计算下一个位置估计值并存储回该位置估计存储单元，其中μ为对应步长，由仿真获得；

判决单元，判定||Loc_n-Loc_n-1||＜规定估计精度是否成立，如果成立则此时最终的Loc_n即为对应手机的位置估计，由该更新单元将其输出，如果不成立则重复更新运作。

上述的基于平面拟合的无线定位测量装置，其中，在以无线网络控制器为主导的系统中，该基站位置存储单元、该曲面拟合单元、该位置估计单元位于无线网络控制器设备中，该测量单元位于终端设备中。

上述的基于平面拟合的无线定位测量装置，其中，在以终端为主导的系统中，该基站位置存储单元位于无线网络控制器设备中，该测量单元、该位置估计单元、该曲线拟合单元位于终端设备中。

本发明另外揭示了一种基于平面拟合的无线定位测量装置，包括：

基站位置存储单元，存储各个基站的地平面的位置(x_i，y_i，z_i)以及对应基站天线高度h_i；

测量单元，完成定位有关的位置测量，包括终端对于各个可以测量的小区下行信号的测量结果；

曲面拟合单元，接收来自该基站位置存储单元的基站位置信息(x_i，y_i，z_i)，拟合基站所在地平面的曲面，设方程为f(x，y，z)＝0；

位置估计单元，包括：

下行信号传输时延计算单元，接收来自该测量单元的下行信号的测量结果，计算各个基站的下行信号相对于服务基站的传输时延差Δt_i0；

终端位置计算单元，接收来自下行信号传输时延计算单元的输出和来自该曲面拟合单元的终端所在曲面的输出，根据优化代价函数J计算终端位置(x，y，z)，其中优化代价函数J为： $\min J=\underset{i=1}{\overset{N_0}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i{\left\{\right[\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{((z+h)-(z_i+h_i))}^2}-\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2+{((z+h)-(z_0+h_0))}^2}-\mathrm{c\Δ}{t}_{i0}\}}^2+\mathrm{\λf}(x,y,z),$ 其中ω_i为权重正比与终端接收到的对应基站信号强度，λ为拉格朗日算子，h为平均终端高度，N₀为测量到的除了服务基站之外的基站数目，(x₀，y₀，z₀)是服务基站的地平面位置，h₀是服务基站对应的基站天线高度。

上述的所述的基于平面拟合的无线定位测量装置，其中，该终端位置计算单元进一步包括：

初始位置选择单元，根据是否存储有对应手机上次的位置估计值确定位置估计的初始值，如果不是第一次估计则起始位置Loc₀为上次估计的值，否则起始位置Loc₀是在终端的服务小区中随机选择；

位置估计存储单元，存储上一次计算的位置估计值；

梯度计算单元，接收该位置估计存储单元输出的上一次计算的位置估计值，计算该位置Loc_n-1处的J梯度为：

$\mathrm{grad}\left(J\right)=\left[\begin{array}{c}\frac{\∂J}{\∂x}\\ \frac{\∂J}{\∂y}\\ \frac{\∂J}{\∂z}\\ \frac{\∂J}{\∂\mathrm{\λ}}\end{array}\right]$

其中n＝1，2，...

更新单元，接收该梯度计算单元的J梯度和该位置估计存储单元中的位置估计值，根据公式Loc_n＝Loc_n-1-μgrad(J)计算下一个位置估计值并存储回该位置估计存储单元，其中μ为对应步长，由仿真获得；

判决单元，判定||Loc_n-Loc_n-1||＜规定估计精度是否成立，如果成立则此时最终的Loc_n即为对应手机的位置估计，由该更新单元将其输出，如果不成立则重复更新运作。

上述的基于平面拟合的无线定位测量装置，其中，在以无线网络控制器为主导的系统中，该基站位置存储单元、该曲面拟合单元、该位置估计单元位于无线网络控制器设备中，该测量单元位于终端设备中。

上述的基于平面拟合的无线定位测量装置，其中，在以终端为主导的系统中，该基站位置存储单元位于无线网络控制器设备中，该测量单元、该位置估计单元、该曲线拟合单元位于终端设备中。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明基于网络规划的基本原则，根据终端对于各个可以测量的小区下行信号的测量结果计算各个基站的下行信号传输时延，再利用各个基站的地平面的位置拟合基站所在地平面的曲面，最后根据优化代价函数计算终端位置。对比现有技术，本发明克服了定位估计需要3个以上基站的问题，可以在仅有2个基站的情况下获得无线定位测量结果。

附图说明

图1是基于基站信号/手机信号的定位原理图。

图2是传统的信号定位方法的信令流程图。

图3是本发明的基于平面拟合的无线定位测量方法的一个较佳实施例的流程图。

图4是本发明的基于平面拟合的无线定位测量方法的另一较佳实施例的流程图。

图5是本发明的对手机进行位置估计的子流程图。

图6是本发明的基于平面拟合的无线定位测量装置的框图。

图7是本发明的基于平面拟合的无线定位测量装置的一个较佳实施例的结构图。

图8是本发明的基于平面拟合的无线定位测量装置的另一较佳实施例的结构图。

图9是本发明的位置估计单元的框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

图3示出了本发明的基于平面拟合的无线定位测量方法的一个较佳实施例的流程。请参见图3，下面对方法中各步骤的详细描述。

步骤S100：在无线网络控制器(RNC)中存储各个基站的地平面的位置(x_i，y_i，z_i)和对应的基站天线高度h_i，其中i为基站编号，该地平面的位置和对应的基站天线高度均为已知信息，由网络规划以及运营商提供。

步骤S101：判断终端侧是否进行位置估计，即是否是终端主导模式。如果是则进入步骤S102，否则直接跳至步骤S103。

步骤S102：由RNC通过广播信道或专用信道向终端传输相关基站信息，包括相关服务小区和可能被测量的相邻小区所存储的地平面的位置。

步骤S103：由RNC或者手机中的终端位置估计模块获取终端对于各个可以测量的小区下行信号的测量结果。获取的技术内容是现有技术，在此不再赘述。

步骤S104：计算各个基站的下行信号的传输时延。

对于服务小区t₀＝(tloop-trx-tx)/2，其中tloop为无线信号环回时间，trx-tx为终端的信号接收-发射时间差，对于其他小区t_j＝t₀+Dt_j，其中Dtj为测量的其他小区下行信号与服务小区下行信号的时间差。

步骤S105：根据各个基站的地平面的位置(x_i，y_i，z_i)拟合基站所在地平面的曲面，设方程为f(x，y，z)＝0。

步骤S106：根据优化代价函数J计算终端位置(x，y，z)，其中优化代价函数J为： $\min J=\underset{i=0}{\overset{N_0}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i{\left\{\right[\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{((z+h)-(z_i+h_i))}^2}-{\mathrm{ct}}_i\}}^2+\mathrm{\λf}(x,y,z),$ 其中ω_i为权重正比与终端接收到的对应基站信号强度，λ为拉格朗日算子，h为平均终端高度，N₀为测量到的包括服务基站和相邻基站的基站数目。

图4示出了本发明的基于平面拟合的无线定位测量方法的另一较佳实施例的流程。请参见图4，下面是对方法中各步骤的详细描述。

步骤S200：在无线网络控制器中存储各个基站的地平面的位置(x_i，y_i，z_i)以及对应的基站天线高度h_i，其中i为基站编号，该地平面的位置和对应的基站天线高度均为已知信息，由网络规划以及运营商提供。

步骤S201：判断终端侧是否进行位置估计，即是否是终端主导模式。如果是则进入步骤S202，否则直接跳至步骤S203。

步骤S202：由无线网络控制器通过广播信道或者专用信道向终端传递相关服务小区和可能被测量的相邻小区所存储的地平面的位置和对应基站的天线高度。

步骤S203：终端位置估计模块(在无线网络控制器或者手机中)获得终端对于各个可以测量的小区下行信号的测量结果。

步骤S204：计算各个基站的下行信号相对于服务基站的传输时延差Δt_i0。

步骤S205：根据各个基站的地平面的位置(x_i，y_i，z_i)拟合各个基站所在地平面的曲线，设方程为f(x，y，z)＝0。

步骤S206：根据优化代价函数J计算终端位置(x，y，z)，其中优化代价函数J为 $\min J=\underset{i=1}{\overset{N_0}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i{\left\{\right[\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{((z+h)-(z_i+h_i))}^2}-\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2+{((z+h)-(z_0+h_0))}^2}-\mathrm{c\Δ}{t}_{i0}\}}^2+\mathrm{\λf}(x,y,z),$ 其中ω_i为权重正比与终端接收到的对应基站信号强度，λ为拉格朗日算子，h为平均终端高度，N₀为测量到的除了服务基站之外的基站数目，(x₀，y₀，z₀)是服务基站的地平面位置，h₀是服务基站对应的基站天线高度。

图5示出了本发明的对手机进行位置估计的子流程，即图3的步骤S106和图4的步骤S206的细化流程。请参见图5，下面是对该子流程中各步骤的详细描述。

步骤S300：选择位置估计起始位置Loc₀，如果不是第一次估计，则Loc₀为上次估计的位置，否则Loc₀在终端的服务小区内随机选择。

步骤S301：计算Loc_n-1处的J梯度为：

$\mathrm{grad}\left(J\right)=\left[\begin{array}{c}\frac{\∂J}{\∂x}\\ \frac{\∂J}{\∂y}\\ \frac{\∂J}{\∂z}\\ \frac{\∂J}{\∂\mathrm{\λ}}\end{array}\right]$

其中n初始值为1。

步骤S302：计算Loc_n＝Loc_n-1-μgrad(J)，其中μ为对应步长，由仿真获得。

步骤S303：判断||Loc_n-Loc_n-1||＜规定估计精度是否成立。如果成立则进入步骤S305，否则进入步骤S304。

步骤S304：n递增1，返回步骤S301。

步骤S305：记录最终的Loc_n为对应手机的位置估计值。

图6示出了本发明的基于平面拟合的无线定位测量装置的原理。请参见图6，装置包括：基站位置存储单元60、测量单元61、曲面拟合单元62和位置估计单元63，其中位置估计单元63进一步包括下行信号传输时延计算单元630和终端位置计算单元631。

基站位置存储单元60存储各个基站的地平面的位置(x_i，y_i，z_i)以及对应基站天线高度h_i。基站位置存储单元60所存储的各个基站的地平面的位置和高度信息是由网络规划以及运营商提供的。测量单元61完成定位有关的位置测量，包括终端对于各个可以测量的小区下行信号的测量结果。曲面拟合单元62接收来自基站位置存储单元60的基站位置信息(x_i，y_i，z_i)，拟合基站所在地平面的曲面，设方程为f(x，y，z)＝0。

位置估计单元63中，下行信号传输时延计算单元630接收来自该测量单元的下行信号的测量结果，计算各个基站的下行信号传输时延，其中对于服务小区t₀＝(tloop-trx-tx)/2，其中tloop为无线信号环回时间，trx-tx为终端的信号接收-发射时间差，对于其他小区t_j＝t₀+Dt_j，其中Dtj为测量的其他小区下行信号与服务小区下行信号的时间差。

终端位置计算单元631终端位置计算单元接收来自下行信号传输时延计算单元630的输出和来自曲面拟合单元62的终端所在曲面的输出，根据优化代价函数J计算终端位置(x，y，z)，其中优化代价函数J为： $\min J=\underset{i=1}{\overset{N_0}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i{\left\{\right[\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{((z+h)-(z_i+h_i))}^2}-{\mathrm{ct}}_i\}}^2+\mathrm{\λf}(x,y,z),$ 其中ω_i为权重正比与终端接收到的对应基站信号强度，λ为拉格朗日算子，h为平均终端高度，N₀为测量到包括服务基站和相邻基站的基站数目。

在另一实施例中，同样可参考图6，本实施例的装置的基站位置存储单元和曲面拟合单元的工作原理和上一实施例相同，在此不再赘述。对于测量单元，完成定位有关的位置测量，包括终端对于各个可以测量的小区下行信号的测量结果。对于位置估计单元中的下行信号传输时延计算单元，接收来自测量单元的下行信号的测量结果，计算各个基站的下行信号相对于服务基站的传输时延差Δt_i0。终端位置计算单元接收来自下行信号传输时延计算单元的输出和来自曲面拟合单元的终端所在曲面的输出，根据优化代价函数J计算终端位置(x，y，z)，其中优化代价函数J为： $\min J=\underset{i=1}{\overset{N_0}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i{\left\{\right[\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{((z+h)-(z_i+h_i))}^2}-\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2+{((z+h)-(z_0+h_0))}^2}-\mathrm{c\Δ}{t}_{i0}\}}^2+\mathrm{\λf}(x,y,z),$ 其中ω_i为权重正比与终端接收到的对应基站信号强度，λ为拉格朗日算子，h为平均终端高度，N₀为测量到的除了服务基站之外的基站数目，(x₀，y₀，z₀)是服务基站的地平面位置，h₀是服务基站对应的基站天线高度。

对于上述的两个装置实施例来说，在以RNC为主导的系统中，如图7所示，装置中的基站位置存储单元60、曲面拟合单元62和位置估计单元63设置在RNC设备中。装置中的测量单元61设置在终端设备中。

对于上述的两个装置实施例来说，在以终端为主导的系统中，如图8所示，装置中的基站位置存储单元60设置在RNC设备中。装置中的测量单元61、位置估计单元63和曲面拟合单元62设置在终端设备中。

图9示出了本发明的位置估计单元的原理。请参见图9，图6中的位置估计单元包括初始位置选择单元90、位置估计存储单元91、梯度计算单元92、更新单元93和判决单元94。

初始位置选择单元90根据是否存储有对应手机上次的位置估计值确定位置估计的起始值，如果不是第一次估计则起始位置Loc₀为上次估计的值，否则起始位置Loc₀是在终端的服务小区中随机选择。

位置估计存储单元91用于存储上一次计算的位置估计值。梯度计算单元92接收位置估计存储单元91输出的上一次计算的位置估计值Loc_n-1，计算位置Loc_n-1处的J梯度为：

$\mathrm{grad}\left(J\right)=\left[\begin{array}{c}\frac{\∂J}{\∂x}\\ \frac{\∂J}{\∂y}\\ \frac{\∂J}{\∂z}\\ \frac{\∂J}{\∂\mathrm{\λ}}\end{array}\right]$

其中n＝1，2，...

更新单元93接收梯度计算单元92的J梯度和位置估计存储单元91中的位置估计值，根据公式Loc_n＝Loc_n-1-μgrad(J)计算下一个位置估计值并存储回该位置估计存储单元，其中μ为对应步长，由仿真获得。

判决单元94判定||Loc_n-Loc_n-1||＜规定估计精度是否成立，如果成立则此时最终的Loc_n即为对应手机的位置估计，由更新单元93将其输出，如果不成立则重复更新单元93的运作。

利用本发明的方法和装置，如果在可以测量的基站数量大于等于3时采用传统方法估计终端位置，在可以测量的基站数量小于3时采用本发明的方法和装置估计终端位置。

上述实施例是提供给本领域普通技术人员来实现或使用本发明的，本领域普通技术人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (8)

1.一种基于平面拟合的无线定位测量方法，包括：

(1)在无线网络控制器中存储各个基站的地平面的位置(x_i，y_i，z_i)和对应的基站天线高度h_i，其中i为基站编号，该地平面的位置和对应的基站天线高度均为已知信息；

(2)如果终端侧是进行主导模式的位置估计，则由无线网络控制器通过广播信道或者专用信道向终端传递相关服务小区和可能被测量的相邻小区所存储的地平面的位置和对应的基站天线高度信息；

(3)无线网络控制器或手机获得终端对于各个可以测量的小区下行信号的测量结果；

(4)计算各个基站的下行信号传输时延，其中对于服务小区t₀＝(tloop-trx-tx)/2，其中tloop为无线信号环回时间，trx-tx为终端的信号接收-发射时间差，对于其他小区t_j＝t₀+Δt_j，其中Δtj为测量的其他小区下行信号与服务小区下行信号的时间差；

(5)根据各个基站的地平面的位置(x_i，y_i，z_i)拟合基站所在地平面的曲面，设方程为f(x，y，z)＝0；

(6)根据优化代价函数J计算终端位置(x，y，z)，其中优化代价函数J为： $\min J=\underset{i=0}{\overset{N_0}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i\left\{\right[\sqrt{{\left({x-x}_i\right)}^2+{(y-y_i)}^2+{((z+h)-(z_i+h_i))}^2}-{\mathrm{ct}}_i{\}}^2+\mathrm{\λf}(x,y,z),$ 其中ω_i为权重且正比于终端接收到的对应基站信号强度，λ为拉格朗日算子，h为平均终端高度，N₀为测量到的包括服务基站和相邻基站的基站数目；

其中步骤(6)通过以下步骤实现：

(a)选择位置估计起始位置Loc₀，如果不是第一次估计，则起始位置Loc₀为上次估计的位置，否则Loc₀在终端的服务小区中随机选择；

(b)计算位置Loc_n-1处的J梯度为：

$\mathrm{grad}\left(J\right)=\left[\begin{array}{c}\frac{\∂J}{\∂x}\\ \frac{\∂J}{\∂y}\\ \frac{\∂J}{\∂z}\\ \frac{\∂J}{\∂\mathrm{\λ}}\end{array}\right]$

其中n＝1，2，...，n的初始值为1；

(c)计算Loc_n＝Loc_n-1-μgrad(J)，其中μ为对应步长，由仿真获得；

(d)如果||Loc_n-Loc_n-1||＜规定估计精度，此时最终的Loc_n即为对应手机的位置估计，否则n递增1后返回步骤(b)；

(e)记录对应手机的位置估计Loc_n。

2.一种基于平面拟合的无线定位测量方法，包括：

(1)在无线网络控制器中存储各个基站的地平面的位置(x_i，y_i，z_i)以及对应的基站天线高度h_i，其中i为基站编号，该地平面的位置和对应的基站天线高度均为已知信息；

(2)如果终端侧是进行主导模式的位置估计，则由无线网络控制器通过广播信道或者专用信道向终端传递相关服务小区和可能被测量的相邻小区所存储的地平面的位置和对应基站的天线高度；

(3)无线网络控制器或者手机获得终端对于各个可以测量的小区下行信号的测量结果；

(4)计算各个基站的下行信号相对于服务基站的传输时延差Δt_i0；

(5)根据各个基站的地平面的位置(x_i，y_i，z_i)拟合各个基站所在地平面的曲线，设方程为f(x，y，z)＝0；

(6)根据优化代价函数J计算终端位置(x，y，z)，其中优化代价函数J为 $\min J=\underset{i=1}{\overset{N_0}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i\left\{\right[\sqrt{{\left({x-x}_i\right)}^2+{(y-y_i)}^2+{((z+h)-(z_i+h_i))}^2}-\sqrt{{\left({x-x}_0\right)}^2+{(y-y_0)}^2+{((z+h)-(z_0+h_0))}^2}{-\mathrm{c\Δt}}_{i0}{\}}^2+\mathrm{\λf}(x,y,z),$ 其中ω_i为权重且正比于终端接收到的对应基站信号强度，λ为拉格朗日算子，h为平均终端高度，N₀为测量到的除了服务基站之外的基站数目，(x₀，y₀，z₀)是服务基站的地平面位置，h₀是服务基站对应的基站天线高度；

其中步骤(6)通过以下步骤实现：

(a)选择位置估计起始位置Loc₀，如果不是第一次估计，则起始位置Loc₀为上次估计的位置，否则Loc₀在终端的服务小区中随机选择；

(b)计算位置Loc_n-1处的J梯度为：

$\mathrm{grad}\left(J\right)=\left[\begin{array}{c}\frac{\∂J}{\∂x}\\ \frac{\∂J}{\∂y}\\ \frac{\∂J}{\∂z}\\ \frac{\∂J}{\∂\mathrm{\λ}}\end{array}\right]$

其中n＝1，2，...，其中n的初始值为1；

(c)计算Loc_n＝Loc_n-1-μgrad(J)，其中μ为对应步长，由仿真获得；

(d)如果||Loc_n-Loc_n-1||＜规定估计精度，此时最终的Loc_n即为对应手机的位置估计，否则n递增1后返回步骤(b)；

(e)记录对应手机的位置估计Loc_n。

3.一种基于平面拟合的无线定位测量装置，包括：

基站位置存储单元，存储各个基站的地平面的位置(x_i，y_i，z_i)以及对应基站天线高度h_i；

测量单元，完成定位有关的位置测量，包括终端对于各个可以测量的小区下行信号的测量结果；

曲面拟合单元，接收来自该基站位置存储单元的基站位置信息(x_i，y_i，z_i)，拟合基站所在地平面的曲面，设方程为f(x，y，z)＝0；

位置估计单元，包括：

下行信号传输时延计算单元，接收来自该测量单元的下行信号的测量结果，计算各个基站的下行信号传输时延，其中对于服务小区t₀＝(tloop-trx-tx)/2，其中tloop为无线信号环回时间，trx-tx为终端的信号接收-发射时间差，对于其他小区t_j＝t₀+Dt_j，其中Dtj为测量的其他小区下行信号与服务小区下行信号的时间差；

终端位置计算单元，接收来自下行信号传输时延计算单元的输出和来自该曲面拟合单元的终端所在曲面的输出，根据优化代价函数J计算终端位置(x，y，z)，其中优化代价函数J为： $\min J=\underset{i=0}{\overset{N_0}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i\left\{\right[\sqrt{{\left({x-x}_i\right)}^2+{(y-y_i)}^2+{((z+h)-(z_i+h_i))}^2}-{\mathrm{ct}}_i{\}}^2+\mathrm{\λf}(x,y,z),$ 其中ω_i为权重且正比于终端接收到的对应基站信号强度，λ为拉格朗日算子，h为平均终端高度，N₀为测量到的包括服务基站和相邻基站的基站数目，其中该终端位置计算单元进一步包括：

初始位置选择单元，根据是否存储有对应手机上次的位置估计值确定位置估计的初始值，如果不是第一次估计则起始位置Loc₀为上次估计的值，否则起始位置Loc₀是在终端的服务小区中随机选择；

位置估计存储单元，存储上一次计算的位置估计值；

梯度计算单元，接收该位置估计存储单元输出的上一次计算的位置估计值，计算该位置Loc_n-1处的J梯度为：

$\mathrm{grad}\left(J\right)=\left[\begin{array}{c}\frac{\∂J}{\∂x}\\ \frac{\∂J}{\∂y}\\ \frac{\∂J}{\∂z}\\ \frac{\∂J}{\∂\mathrm{\λ}}\end{array}\right]$

其中n＝1，2，...

更新单元，接收该梯度计算单元的J梯度和该位置估计存储单元中的位置估计值，根据公式Loc_n＝Loc_n-1-μgrad(J)计算下一个位置估计值并存储回该位置估计存储单元，其中μ为对应步长，由仿真获得；

判决单元，判定||Loc_n-Loc_n-1||＜规定估计精度是否成立，如果成立则此时最终的Loc_n即为对应手机的位置估计，由该更新单元将其输出，如果不成立则重复更新运作。

4.根据权利要求3所述的基于平面拟合的无线定位测量装置，其特征在于，在以无线网络控制器为主导的系统中，该基站位置存储单元、该曲面拟合单元、该位置估计单元位于无线网络控制器设备中，该测量单元位于终端设备中。

5.根据权利要求3所述的基于平面拟合的无线定位测量装置，其特征在于，在以终端为主导的系统中，该基站位置存储单元位于无线网络控制器设备中，该测量单元、该位置估计单元、该曲面拟合单元位于终端设备中。

6.一种基于平面拟合的无线定位测量装置，包括：

基站位置存储单元，存储各个基站的地平面的位置(x_i，y_i，z_i)以及对应基站天线高度h_i；

测量单元，完成定位有关的位置测量，包括终端对于各个可以测量的小区下行信号的测量结果；

曲面拟合单元，接收来自该基站位置存储单元的基站位置信息(x_i，y_i，z_i)，拟合基站所在地平面的曲面，设方程为f(x，y，z)＝0；

位置估计单元，包括：

下行信号传输时延计算单元，接收来自该测量单元的下行信号的测量结果，计算各个基站的下行信号相对于服务基站的传输时延差Δt_i0；

终端位置计算单元，接收来自下行信号传输时延计算单元的输出和来自该曲面拟合单元的终端所在曲面的输出，根据优化代价函数J计算终端位置(x，y，z)，其中优化代价函数J为： $\min J=\underset{i=1}{\overset{N_0}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i\left\{\right[\sqrt{{\left({x-x}_i\right)}^2+{(y-y_i)}^2+{((z+h)-(z_i+h_i))}^2}-\sqrt{{\left({x-x}_0\right)}^2+{(y-y_0)}^2+{((z+h)-(z_0+h_0))}^2}{-\mathrm{c\Δt}}_{i0}{\}}^2+\mathrm{\λf}(x,y,z),$ 其中ω_i为权重且正比于终端接收到的对应基站信号强度，λ为拉格朗日算子，h为平均终端高度，N₀为测量到的除了服务基站之外的基站数目，(x₀，y₀，z₀)是服务基站的地平面位置，h₀是服务基站对应的基站天线高度，其中该终端位置计算单元进一步包括：

初始位置选择单元，根据是否存储有对应手机上次的位置估计值确定位置估计的初始值，如果不是第一次估计则起始位置Loc₀为上次估计的值，否则起始位置Loc₀是在终端的服务小区中随机选择；

位置估计存储单元，存储上一次计算的位置估计值；

梯度计算单元，接收该位置估计存储单元输出的上一次计算的位置估计值，计算该位置Loc_n-1处的J梯度为：

$\mathrm{grad}\left(J\right)=\left[\begin{array}{c}\frac{\∂J}{\∂x}\\ \frac{\∂J}{\∂y}\\ \frac{\∂J}{\∂z}\\ \frac{\∂J}{\∂\mathrm{\λ}}\end{array}\right]$

其中n＝1，2，...

更新单元，接收该梯度计算单元的J梯度和该位置估计存储单元中的位置估计值，根据公式Loc_n＝Loc_n-1-μgrad(J)计算下一个位置估计值并存储回该位置估计存储单元，其中μ为对应步长，由仿真获得；

判决单元，判定||Loc_n-Loc_n-1||＜规定估计精度是否成立，如果成立则此时最终的Loc_n即为对应手机的位置估计，由该更新单元将其输出，如果不成立则重复更新运作。

7.根据权利要求6所述的基于平面拟合的无线定位测量装置，其特征在于，在以无线网络控制器为主导的系统中，该基站位置存储单元、该曲面拟合单元、该位置估计单元位于无线网络控制器设备中，该测量单元位于终端设备中。

8.根据权利要求6所述的基于平面拟合的无线定位测量装置，其特征在于，在以终端为主导的系统中，该基站位置存储单元位于无线网络控制器设备中，该测量单元、该位置估计单元、该曲面拟合单元位于终端设备中。

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