CN102300311A

CN102300311A - 用地图高程修正地面移动通信网的定位方法

Info

Publication number: CN102300311A
Application number: CN2010102172894A
Authority: CN
Inventors: 施浒立; 朱海龙; 吕子平; 邓中亮; 王兆瑞
Original assignee: National Astronomical Observatories of CAS
Current assignee: National Astronomical Observatories of CAS
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2011-12-28

Abstract

一种用地图高程校正和修正地面移动通信网的定位方法，涉及定位技术，以标有地平及建筑物标高的电子地图为高程约束，电子地图标高精度为分米或厘米级。用地面移动通信网或广播网测伪距定位时，由于伪距测量有非视距误差，目前定位精度较低。要提高地面移动网和广播网定位精度，必须修正非视距误差影响。本方法利用初始定位解与高程约束来验证伪距测量的准确度，判断所测伪距是否有非视距传输误差，并进行伪距误差修正，以提高移动台定位精度。本发明方法简单易行，能判别、估算和排除非视距传播误差，提高手机的定位精度至米量级，有实用意义。它适用于地面移动通信网的无线电定位，也适用于地面广播网的无线电定位和利用卫星传输网的无线电定位。

Description

用地图高程修正地面移动通信网的定位方法

技术领域

本发明涉及定位技术领域，特别涉及地面移动通信无线网络的无线电定位技术。

背景技术

地面移动通信网络的无线电定位是指通过检测已知位置的基站和移动台之间传播的无线电波信号的特征参数来对移动台的距离或方向做出估计。现在已应用的定位方法有：起源蜂窝小区(COO)定位；到达角(AOA)定位；到达时间(TOA)定位；到达时间差(TDOA)定位；增强观测时间差(E-OTD)定位和A-GPS定位。

其中，起源蜂窝小区(COO)定位技术，即基于Cell-ID的定位技术，是美国E911无线定位呼叫的第一阶段采用的技术。它通过采集移动台所处小区识别号(Cell-ID)来确定用户的位置。只要系统能够采集到移动台所在小区基站在地图上的地理位置，以及小区的覆盖半径，则当移动台在所处小区注册后，系统就会知道移动台处于哪一个小区，这种技术一般只能定位到某个基站或者基站下面的某个扇区，误差一般大于200米。这种方式的定位精度一般和基站分布的密度有关。优点是它确定位置信息所需的响应时间很短(大约3s)，判定方法比较简单，而且COO不用对移动设备和移动网络进行升级就可以直接为现有的用户提供基于位置的服务。

到达角(AOA，Angle of Arrival)定位方法是一种利用两处以上的有角度分辨能力的天线阵来测量出移动台发出信号的到达角AOA值进行定位的方法，因为移动台的位置一定处于从这些基站天线发出的辐射状直线的交点上，所以是角度观测交会求解的一种定位方法。

到达时间(TOA，Time of Arrival)定位方法是通过测量移动台发出的定位信号到达多个基站的传播时间，时间乘电磁波传播速度即为距离，距离交会确定移动台的位置。这是直线长为半径的球面交会求解的一种定位方法。

到达时间差(TDOA)定位方法是通过测量移动台发出的信号到达多个接收基站的时间差来对移动台实现定位的一种定位方法。实际上是双曲面交会定位方法。这种方法可消除一部分误差，求解精度高于球面交会求解方法。

增强观测时间差(E-OTD)定位方法也是利用对信号传播时间差的估计来计算移动台位置的一种定位方法。与TDOA方法不同的是，E-OTD是由移动台测量不同基站发射的信号到达移动台的时间差。在同步网络中，手机等移动台测量从几个不同的基站发射的信号的相对到达时间；对于非同步网络，信号还被位置已知的固定测量台接收到(类似差分站)，从而计算出不同的基站至手机等移动台的传播时间差，手机等移动台的位置可以由基站到手机等移动台的传播时间差通过双曲面定位原理计算得到。优点是精度比COO高，与TDOA技术的精度相同，可达50到200米。但是需要对手机等移动台进行适量改造。

而A-GPS(Assisted Global Positioning System)则是一种网络辅助的GPS定位技术，它是一种结合了网络基站信息和GPS信息对移动台进行定位的技术，可以在TDS-CDMA，GSM/GPRS，WCDMA，CDMA2000网络中使用。其定位流程如下：

1.A-GPS手机首先将本身的基站地址通过网络传输到位置服务器。

2.位置服务器根据该手机的大概位置，传输与该位置相关的GPS辅助信息(如GPS的星历、方位角和俯仰角等)到手机。

3.该手机的A-GPS模块根据辅助信息接收GPS原始信号后解调，计算出手机到卫星的伪距，并将有关信息通过网络传输到位置服务器。

4.位置服务器根据传来的GPS伪距信息和来自其他定位设备(如差分GPS基准站等)的辅助信息完成对GPS信息的处理，并估算出该手机的位置。

5.位置服务器将该手机的位置通过网络传输到定位网关或者应用平台。

综上所述，与传统的GPS定位相比，A-GPS定位利用了来自无线网络的重要信息加快了定位的处理进程，提高了定位精度。但是用户需要更换手机。

上面介绍的几种基站定位方法都存在着一个精度需要进一步提高的问题。若分析影响精度的因素有如下几种：

(1)多址干扰：

由于在实际情况中，不同用户之间的扩频序列因为码之间的互相关性的制约和传输环境的影响不能完全正交，即互相关系数不为零。

多址干扰(MAI)和源于多址干扰的远近效应迫使通信系统采用功率控制技术。在多站主动定位系统中，服务目标移动台的基站可以较好地接收信号，但非服务小区的基站若未采用抗多址干扰算法，则有可能无法捕获该移动台的信号，从而不能实现对其定位。

解决的办法：主动定位系统可以通过提高移动台的发送功率、调整发射时刻、减小小区半径、增加服务信道等多种方法来抑制MAI。但被动定位系统不能调用网络资源，也不能改变移动台的发送功率。有时考虑到隐蔽性，加上被动定位系统的天线不可能架设得太高、离各个基站的距离差别较大。这时，接收多个基站信号定位，基站位置的几何分布也不可能很合适。总之，由于多种条件因素的限制，使得被动定位系统接收的手机信号功率较低，在一个小区内又会存在MAI及远近效应现象。所以，被动定位系统的技术难度通常要比主动定位系统要高，但可以采用由GPS辅助基站定位的方式。

(2)多径干扰：

在微小区环境中，多径干扰(MPI)是普遍存在的。多径会导致时延扩展、频率扩展和角度扩展。这对某些参数(如TOA、AOA等)的估计精度影响很大。

解决的方法：降低多径影响的方法主要有频率估计和最小均方估计，还有一些更有效的方法，如基于扩展卡尔曼滤波的算法等。

3)非视距传输：

非视距传输指发射机发送的信号通过反射或散射的方式到达接收机。非视距(NLOS)传播误差存在的原因是由于移动台和接收端之间存在高大的障碍物。接收端接收的移动台信号无直射信号，而只有反射或散射信号。在基于到达时间的定位体制中，由于无直射信号，接收端估计的信号时延为直射信号的时延加反射或散射造成的附加时延。该附加时延对定位精度的影响非常大。

解决方法：可用算法减少非视距(NLOS)的影响。如首先利用概率定位和几何定位联合检测具有非视距(NLOS)误差的测量值，再估计它们的非视距(NLOS)传播误差的大小，然后更新这些测量值，最后利用概率定位算法重新估算源点位置。

发明内容

本发明的目的是公开一种用地图高程修正地面移动通信网的定位方法，除了现在采用的调高移动台发射功率、调整发射时刻、增加服务信道等多种抑制MAI的办法以外，还采用频率估计、最小均方估计、以及卡尔曼滤波延迟估计等方法来克服多径信号干扰。具体实施时利用概率定位和几何定位联合检测具有非视距(NLOS)误差的测量值，估计他们的非视距(NLOS)传播误差的大小，接着更新这些测量值，最后利用概率定位算法重新估计源点位置，以提高定位精度。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种用地图高程修正地面移动通信网的定位方法，包括步骤，

A)该系统包括至少三个基站，一个待测移动台，在位置服务器定位软件中设有带地平和建筑物标高的电子地图；

B)采用调高移动台发射功率、调整发射时刻、增加服务信道的方法抑制MAI，采用频率估计、最小均方估计、以及卡尔曼滤波延迟估计的方法克服多径信号干扰；

C)以现有技术求得移动台的坐标；

D)用具有地平和建筑物标高的电子地图作为高程约束，来判断其解是否有偏差以及有多大偏差，并进行修正；

E)再转化到地心地固(ECEF)坐标系，通过迭代运算，修正移动台的位置，直到高程H_u与电子地图上相应点的标高H之差小于米级时，停止迭代，得到精确的位置解。

所述的用地图高程修正地面移动通信网的定位方法，其所述步骤D)、E)，包括：

1)根据方程的初解

把解转化为经纬高坐标系下的

2)根据移动台所知二维经纬度

位置和带有地平和建筑物标高的电子地图，修正初解的高程

3)然后以这个初解高程为约束条件，再次修正方程式；

4)再转化到地心地固(ECEF)坐标系，通过迭代运算，修正移动台的位置，直到高程H_u与电子地图上相应点的标高H之差小于米级时，则停止迭代，获得移动台比较精确的位置解。

所述的用地图高程修正地面移动通信网的定位方法，其还包括至少一个发射定位信号的卫星。

所述的用地图高程修正地面移动通信网的定位方法，其具体流程为：

A)移动台将本身所处基站信息通过网络传输到位置服务器，向位置服务器注册；

B)位置服务器根据移动台的大概位置，传输与该位置相关的辅助信息至移动台；

C)移动台根据辅助信息接收通信广播卫星的定位信号，并解扩解调信号，计算出移动台到基站和卫星的伪距，并将这些有关信息通过网络传输到位置服务器；

D)位置服务器根据传来的伪距信息和来自其他定位设备的辅助信息完成对伪距的误差初步修正等处理，并估算移动台的初次定位数据。

E)位置服务器调用带有建筑物标高的电子地图，根据初次定位数据中的二维经纬度坐标

查看地图上对应的标高，偏差小于设定门限，则定为满足要求；若偏差大于门限，则用电子地图中的高程作为约束重新计算手机位置；根据再次计算的二维经纬度坐标

结合电子地图，分析解的合理性，若已小于门限，则迭代终止，获得移动台比较精确的位置解；若还有偏差，则继续迭代直至小于门限，获得移动台比较精确的位置解。

所述的用地图高程修正地面移动通信网的定位方法，其所述其他定位设备，为基准差分站；门限为米级或分米级。

C)移动台根据辅助信息接收各基站和通信广播卫星的定位测量信号，通过解扩解调解码，计算出移动台至基站和移动台至卫星的伪距；移动台根据传来的和测量的伪距信息和其他辅助信息完成对伪距的误差初步修正处理，估算出移动台的初次定位数据；

D)移动台或基站调用带有建筑物标高的电子地图，根据初次定位数据中的二维经纬度坐标查看地图上对应的标高，若高程偏差小于设定门限(米级或分米级)，则认为满足要求；若偏差大于门限，则用电子地图中的高程作为约束重新计算移动台位置；根据再次计算的二维经纬度坐标

所述的用地图高程修正地面移动通信网的定位方法，其适用于地面移动通信网的无线电定位，也适用于地面广播网的无线电定位和利用卫星传输网的无线电定位。

本发明方法简单易行，能正确判别、估算和排除非视距(NLOS)传播误差的大小，进一步提高手机的定位精度。

附图说明

图1手机等移动台基站系统定位示意图；

图2双曲面交会解原理示意图；

图3卫星信号增强的手机等移动台基站定位系统示意图。

具体实施方式

本发明的一种用地图高程修正地面移动通信网的定位方法，正确判别、估算和排除非视距(NLOS)传播误差的影响，进一步提高手机的定位精度。

本发明的用地图高程修正地面移动通信网的定位方法，提出了非视距误差(NLOS)影响的判断准则：

若设有四个基站，四个基站发射天线的相位中心已知，为A(x_a，y_a，z_a)，B(x_b，y_b，z_b)，C(x_c，y_c，z_c)和D(x_d，y_d，z_d)，当手机处于至少三个基站间时，则由到达时间(TOA，Time of Arrival)定位方法测量移动台发出的定位信号到达多个基站的传播时间来确定移动台的位置。

原理如图1所示，已知基站A，B，C，D的坐标，移动台与基站A，B，C，D之间的电磁波传播时间为t_a，t_b，t_c，t_d，可以解球交会方程组得到移动台O的坐标，定位求解模型如下：

\{\begin{matrix} \sqrt{{(x - x_{a})}^{2} + {(y - y_{a})}^{2} + {(z - z_{a})}^{2}} - {ct}_{a} = 0 \\ \sqrt{{(x - x_{b})}^{2} + {(y - y_{b})}^{2} + {(z - z_{b})}^{2}} - {ct}_{b} = 0 \\ \sqrt{{(x - x_{c})}^{2} + {(y - y_{c})}^{2} + {(z - z_{c})}^{2}} - {ct}_{c} = 0 \\ \sqrt{{(x - x_{d})}^{2} + {(y - y_{d})}^{2} + {(z - z_{d})}^{2}} {- ct}_{d} = 1 \end{matrix}

也可以采用到达时间差(TDOA)定位方法：

到达时间差(TDOA)方法是通过测量移动台发出的信号到达多个接收基站的时间差来对目标移动台进行定位的方法。原理如图2所示，通过解如下方程组得到定位点O的坐标。

\{\begin{matrix} \sqrt{{(x - x_{a})}^{2} + {(y - y_{a})}^{2} + {(z - z_{a})}^{2}} - \sqrt{{(x - x_{b})}^{2} + {(y - y_{b})}^{2} + {(z - z_{b})}^{2}} - {ct}_{ab} = 0 \\ \sqrt{{(x - x_{a})}^{2} + {(y - y_{a})}^{2} + {(z - z_{a})}^{2}} - \sqrt{{(x - x_{c})}^{2} + {(y - y_{c})}^{2} + {(z - z_{c})}^{2}} - {ct}_{ac} = 0 \\ \sqrt{{(x - x_{a})}^{2} + {(y - y_{a})}^{2} + {(z - z_{a})}^{2}} - \sqrt{{(x - x_{d})}^{2} + {(y - y_{d})}^{2} + {(z - z_{d})}^{2}} - {ct}_{ad} = 0 \end{matrix}

这也是手机定位的测量方程，若某一路或几路伪距测量中有非视距误差(NLOS)，由于时延增大，则伪距变长，必然影响手机定位解。若解方程得到用户位置，则用户位置(x_u，y_u，z_u)必有偏差。如何判断解有偏差呢？本发明提出了编制带有地平和建筑物高程约束的电子地图，用来判断其解是否有偏差以及有多大偏差。也可以根据方程的初解

把解转化为经纬高坐标系下的

根据手机所知二维经纬度

位置和带有地平和建筑物标高的电子地图，修正初解的高程

然后以这个初解高程为约束条件，再次修正方程式。再转化到地心地固(ECEF)坐标系，通过迭代运算，修正用户的位置，直到高程H_u与电子地图上相应点的标高H之差小于米级或者分米级时，则可以停止迭代。这是可以获得手机用户比较精确的位置解的办法。由于带地平和建筑物标高的电子地图高程测量精度可以达到分米级，甚至厘米量级，所以用它作为高程约束的手机三维位置解的精度可以达到米级，从而使手机定位精度得到较大幅度的提高。

若根据另一项发明“由通信广播卫星信号辅助的地面移动通信网定位方法”(发明申请号：201010143099.2)，则可以达到更好的效果，原理如图3所示。因为卫星信道参量稳定，在地面无远近效应，可对基站实行高精度时间同步，并可以以基站接收机作为差分机，这样可以获得精密的伪距误差修正。若用带有建筑物标高的电子地图作为约束条件，则能获得高精度的位置解，若卫星数能增加到两颗，则两路卫星和小区高程约束就能获得精密的三维位置解。

本发明方法的定位流程如下：

1.手机将本身所处基站信息通过网络传输到位置服务器，向位置服务器注册。

2.位置服务器根据手机的大概位置，传输与该位置相关的辅助信息至手机。

3.手机根据辅助信息接收通信广播卫星的定位信号，并解扩解调信号，计算出手机到基站和卫星的伪距。并将这些有关信息通过网络传输到位置服务器。

4.位置服务器根据传来的伪距信息和来自其他定位设备(如基准差分站信号)的辅助信息完成对伪距的误差初步修正等处理，并估算手机的初次定位数据。

5.位置服务器调用带有建筑物标高的电子地图，根据初次定位数据中的二维经纬度坐标

查看地图上对应的标高，偏差小于设定门限(米级或分米级)，则定为满足要求。若偏差大于门限，则用电子地图中的高程作为约束重新计算手机位置。根据再次计算的二维经纬度坐标

结合电子地图，分析解的合理性，若已小于门限，则迭代终止。若还有偏差，则继续迭代直至小于门限。

本发明方法的另一种定位流程则可以改变如下：

3.手机根据辅助信息接收各基站和通信广播卫星的定位测量信号，通过解扩解调信号，计算出手机至基站和手机至卫星的伪距。手机根据传来的和测量的伪距信息和其他辅助信息完成对伪距误差的初步修正等处理，并估算出手机的初次定位数据。

4.手机或基站调用带有建筑物标高的电子地图，根据初次定位数据中的二维经纬度坐标

查看地图上对应的标高，若高程偏差小于设定门限，则认为满足要求。若偏差大于门限，则用电子地图中的高程作为约束重新计算手机位置。根据再次计算的二维经纬度坐标

结合电子地图，分析解的合理性，若已小于门限(米级或分米级)，则迭代终止。若还有偏差，则继续迭代直至小于门限。

本发明所述的方法用带有建筑物标高的电子地图修正定位数据的方法不但适用于地面移动通信网的无线电定位，也适用于地面广播网的无线电定位和利用卫星传输网的无线电定位。