CN101742609A - 单小区环境下基于aoa和终端移动轨迹的定位方法 - Google Patents

Abstract

一种单小区环境下基于AOA和终端移动轨迹的定位方法，包括步骤：终端请求基站对其定位；基站通知终端发送探测信号的发送时刻T0；终端在所述发送时刻发送探测信号；基站记录信号到达时刻T0’和到达角α0；终端移动后再次请求基站对其定位；基站通知终端发送探测信号的发送时刻T1；终端在所述发送时刻发送探测信号；基站记录信号到达时刻T1’和到达角α1；终端上报两次定位期间的移动距离；基站定位终端位置并将定位结果发送给终端。本发明通过利用TD，AOA，以及推算算法的组合，有效的解决了定位终端不能获得多个信号参考源的情况下的定位问题，并同时解决了推算算法运动轨迹绝对定位的问题。

Description

单小区环境下基于AOA和终端移动轨迹的定位方法

技术领域

本发明涉及无线定位业务，特别涉及单小区环境下基于AOA和终端移动轨迹的定位方法。

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，电信业竞争激烈，移动运营商在不断地寻找新的途径去创造新的利润点或者利润增长点。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(PositioningSystems)、通讯(Communication)和GIS(Global Information System，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。

a)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。

b)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。

c)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。

d)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。

e)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。

f)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，在这里也包括在小区内其他小区信号被覆盖的情况，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。

发明内容

本发明的目的是提供一种单小区环境下基于AOA和终端移动轨迹的定位方法。

为实现上述目的，一种单基站定位终端的方法，包括步骤：

终端请求基站对其定位；

基站通知终端发送探测信号的发送时刻T0；

终端在所述发送时刻发送探测信号；

基站记录信号到达时刻T0’和到达角α0；

终端移动后再次请求基站对其定位；

基站通知终端发送探测信号的发送时刻T1；

终端在所述发送时刻发送探测信号；

基站记录信号到达时刻T1’和到达角α1；

终端上报两次定位期间的移动距离；

基站定位终端位置并将定位结果发送给终端。

本发明通过利用TD，AOA，以及推算算法的组合，有效的解决了定位终端不能获得多个信号参考源的情况下的定位问题，并同时解决了推算算法运动轨迹绝对定位的问题。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是终端运动轨迹以及基站方向角追踪示意图；

图3是本发明实施例的示意图。

具体实施方式

本发明通过具有测量信号到达角度能力的基站和移动终端共同配合来完成。由于牵扯到运动的轨迹，通常适用于车载方式，可以通过里程表等测量距离的仪表获得数据。如图一所示。

如图1-M101，终端发起初始定位请求，基站在接收到请求后，通过信令指示这个终端发送探测信号的发送时刻T0(图1-B101)。终端接收信令(图1-M102)，并在约定的时刻T0发送探测信号(图1-M103)，基站接收探测信号，记录信号到达的时刻，以及信号到达的方向角α0(图1-B102)。终端记录经过的运行轨迹，经过一段运行后，发出再次定位请求(图1-M104)，此处要求基站和运行轨迹的两个端点不能在一条直线上，在此基础上长度可以任意，只要基站和轨迹两端能构成三角形即可，基站在接收到请求后，通过信令指示这个终端发送探测信号的发送时刻T1(图1-B103)。终端接收信令(图1-M105)，并在约定的时刻T1发送探测信号(图1-M106)。基站接收探测信号，记录信号到达的时刻T1，以及信号到达的方向角α1(图1-B104)，。基站通过信令要求获取终端的运行轨迹两个端点的直线距离d(图1-B105)，终端在步骤图1-M107上报。

通过这些获得的参数，基站建立求解方程(1-B106)，其位置关系如图2所示，

r₂-r₁＝((T₁’-T₁)-(T₀’-T₀))*C_light

α₂-α₁＝α

r₁ ²+r₂ ²-2r₂*r₁*cos(α)＝d²

在这里可以看出，此方程组可以化简为一个变量r1的方程。

r₁ ²+T_d*C_light*r₁+((T_d*C_light)²-d²)/(2(1-cos(a)))＝0

这里Td＝(T1’-T1)-(T0’-T0)；基站和终端两者的时间可能不同，但是由于是差值，其结果抵消了时钟不统一的因素。

按照二次方程组解法

$r_1=\frac{-T_d*C_{\mathrm{light}}\±\sqrt{{(T_d*C_{\mathrm{light}})}^2-4*({(T_d*C_{\mathrm{light}})}^2-d^2)/\left(2(1-\cos \left(\mathrm{\α}\right))\right)}}{2}$

通常结合实际小区半径信息，只有一个解有实际意义。解出r1并推算出r2后，结合接收角度信息，即可确定终端的位置。

如果以基站位置为原点，天线阵列基本方向为x轴方向，则可分别计算两个端点的位置坐标(x1，y1)，(x2，y2)为

x₁＝r₁*cos(α₁)，y₁＝r₁sin(a₁)，x₂＝r₂*cos(a₂)，y₂＝r₂*cos(a₂)

基站可以将计算结果发送给终端信息。基站也可以通过本身的经纬度坐标将此结果转变为经纬度坐标发送给终端。

在这里，运行距离d根据不同的情况可能有不同的获取方法，如果是步行移动，可以根据地表参照物估算得到步行的距离，或用户可以根据路面距离指示估算大致运动距离，用户将此距离数据通过人机交互程序输入终端中，在车载环境下，可以利用航迹推算定位算法获得，航迹推算系统是一种已经获得实用的系统，是一种比较常用的车辆定位算法。航位推算系统主要由测量航向角的传感器和测量距离的传感器构成，测量航向角的传感器主要有罗盘仪和角速度陀螺等，测量距离的传感器主要有里程仪和加速度计，陀螺输出航向角的角速率，将角速率积分可以得到载体的相对转角，通过运动距离和相对转角的实时测量记录可以得到车辆的运动轨迹，通过运动轨迹可以计算出两次探测信号点的直线距离。

实施例

如图3所示，一个终端向BS请求定位业务，基站指示在T＝TA时刻发送，并在TA+1.414us后接收到终端发送的探测信号，此时记录到的信号到达角度为-45度，终端运行300米(不限于此数值)后，请求再次发送定位机会，基站指示在T＝TB时刻发送，并在TB+1us后接收到终端发送的探测信号，此时记录的信号到达角度为-90度，基站通过信令得到终端运行距离为300，Td＝-0.414us，光速为300米/us。

r₁ ²-0.414*300*r₁+((0.414*300)²-300²)/(2(1-0.707))＝0

去除一个不合理根r1＝-300m取r1＝424.2m，并推出r2＝300m，这样再通过角度信息，就可以得到在AB两点对应的位置坐标(300，-300)，(0，-300)。

Claims (6)

1.一种单基站定位终端的方法，包括步骤：

终端请求基站对其定位；

基站通知终端发送探测信号的发送时刻T0；

终端在所述发送时刻发送探测信号；

基站记录信号到达时刻T0’和到达角α0；

终端移动后再次请求基站对其定位；

基站通知终端发送探测信号的发送时刻T1；

终端在所述发送时刻发送探测信号；

基站记录信号到达时刻T1’和到达角α1；

终端上报两次定位期间的移动距离；

基站定位终端位置并将定位结果发送给终端。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述终端两次定位位置的两个端点和基站构成三角形。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于按下列式定位终端的位置：

r₂-r₁＝((T′₁-T₁)-(T′₀-T₀))*C_light

α₂-α₁＝α

r₁ ²+r₂ ²-2r₂*r₁*cos(α)＝d²

x₁＝r₁*cos(α₁)，y₁＝r₁sin(a₁)，x₂＝r₂*cos(a₂)，y₂＝r₂*cos(a₂)。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述终端运行包括步行或车载。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述终端的车载距离利用航迹推算定位算法获得。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于如果是步行，可以根据地表参照物估算得到步行的距离，并通过人机交互程序输入终端中。

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