CN103024673A - 一种gsm网络中的终端定位方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GSM网络中的终端定位方法及装置，其特征在于包括：步骤1，读取MR中的小区标识CI，确定接受服务的小区，获取所服务小区基站的经纬度信息；步骤2、计算移动终端MS到MR中包含的各基站的距离，并根据所述距离初步计算出MS所处的位置范围，将这一范围区域设为area；步骤3、采用加权平均法算出服务小区基站和若干个邻区基站到终端的加权位置，将这一加权位置设为L1。还可包括：步骤4、采用最小二乘法算出服务小区基站和若干个邻区基站到终端的位置，将这一位置设为L2；步骤5、综合考虑上述L1和L2，确定MS的位置。本发明根据GSM网络中每隔480ms发送一次的MR测量报告的内容，最终可获得GSM网络中的终端定位。

Description

一种GSM网络中的终端定位方法和装置

技术领域

本发明涉及移动通信领域，特别涉及一种GSM网络中的终端定位方法和装置。

背景技术

随着无线通信技术的发展，无线技术的应用与人们日常生活的联系越来越紧密，特别是移动通信，逐渐成为一种生活习惯。同时，无线导航、位置定位特别是紧急事务搜索等应用也越来越得到广泛地应用。尽管GPS技术被认为是定位的最有效技术之一，但是，在许多移动终端(特别是GSM网络的终端)上并不具备该功能，并且，当定位终端与卫星不存在视距传输时，GPS定位功能将受到很大影响。其次，GPS定位对能量的消耗也比较明显。因此，基于移动终端的定位技术一直是研究的内容之一。

一般来说，基于GSM的定位方法通常分为基于网络和基于终端两类方法。从技术角度可分为小区标号定位(Cell-ID)、增强测量时间差(E-OTD)和GPS辅助(A-GPS)三种方法。上述方法从理论上都能够较好地实现移动终端的定位问题，但是，离在实际的工程项目中良好应用还有一定距离，并且实现的难度和复杂度比较明显。

本文根据GSM网络中每隔480ms发送一次的MR测量报告的内容，利用无线传播模型，通过实际测量值来优化和修正参数模型，最终获得GSM网络中终端定位，在实际工程项目中取得比较满意的定位效果。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明根据GSM网络中每隔480ms发送一次的MR(Measurement Report)测量报告的内容，利用无线传播模型，通过实际测量值来优化和修正参数模型，最终获得GSM网络中终端定位，在实际工程项目中可以取得比较满意的定位效果。

为此，本发明的目的在于提供一种GSM网络中的终端定位方法和装置。

本发明提供了一种GSM网络中的终端定位方法，其特征在于包括：

步骤1，读取MR中的小区标识CI，确定接受服务的小区，获取所服务小区基站的经纬度信息；

步骤2、计算移动终端MS到MR中包含的各基站的距离，并根据所述距离初步计算出MS所处的位置范围，将这一范围区域设为area；

步骤3、采用加权平均法算出服务小区基站和若干个邻区基站到终端的加权位置，将这一加权位置设为L1。

优选的，其特征在于在所述的步骤3之后还包括：

步骤4、采用最小二乘法算出服务小区基站和若干个邻区基站到终端的位置，将这一位置设为L2；

步骤5、综合考虑上述L1和L2，确定MS的位置。

优选的，其特征在于在所述步骤5之后还包括：

步骤6、根据上述流程，进行若干次实际测量，把实际测量得到的数据反代入步骤2-5中，对其中的常参数进行修正。

优选的，其特征在于在所述步骤2之前还包括步骤：

判断所读取的MR数据是否有效，若无效，则给出本次查询失败的提示信息，等待获取下次的测量报告，并判断所获取的数据是否有效，直到获取到有效数据时才进行后续步骤。

优选的，其中在出现以下情况中的一个或多个时则判断读取的MR数据无效：A、邻区个数为0；B、电平强度小于-110dB；C、时间提前量TA值都大于4。

优选的，其特征在于所述area是以初步计算出的终端位置为质心，选定边长为一个定值范围的矩形，作为终端所处的位置范围。

优选的，其特征在于所述的步骤2具体通过以下方式实现：

1)、假设服务小区基站内的未知点为MS，按下式计算d₁：

$d_1=d_2\·{10}^{\frac{{\mathrm{PLoss}}_{\mathrm{MS}}-{\mathrm{PLoss}}_{\mathrm{BTS}}-N_1}{K_1+k_2\·\lg H_{\mathrm{BTS}}}}$ (1-1)

其中，PLoss_MS为未知点MS路径损耗，

H_BTS为基站高度，

PLoss_BTS为基站收发台BTS的路径损耗，

d₁为未知点MS到服务小区基站BTS的距离，

d₂为BTS到BSC的距离，

k₁为修正系数，

k₂为修正系数，

N₁为地貌修正因子；

2)、同样方法算出未知点MS到另外两个相邻小区的距离d₁′、d₁″，分别以服务小区基站、两个参与计算的相邻小区基站为圆心，半径分别为d₁、d₁′、d₁″画圆，通过圆的交点获取未知点MS的可能坐标，以该坐标为质心，选定边长为一个定值范围的矩形的区域设定为终端的位置范围area。

优选的，其特征在于所述的步骤3具体通过以下方式实现：

1)、通过下式计算加权值：

${\mathrm{\α}}^{\′}=\frac{1}{d^4}$ (1-2)

其中d为终端到基站的距离；

2)、通过下式对加权值进行归一化处理：

${\mathrm{\α}}_i=\frac{{\mathrm{\α}}_i^{\′}}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{\α}}_i^{\′}}$ (1-3)

其中n为终端MR中小区的个数，α′_i为第i个小区的权重；

3)、设服务小及邻区基站的经纬度分别为：(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，...，(x_n，y_n)，则所求终端的坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{MS}}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{\α}}_i\·x_i\\ y_{\mathrm{MS}}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{\α}}_i\·y_i\end{array}\right.$ (1-4)

终端的坐标为(x_MS，y_MS)，即是L1。

优选的，其特征在于所述的步骤4具体通过以下方式实现：

根据步骤2算出的终端到服务小区基站及邻区基站的距离为(d₁，d₂，...，d_n)，终端到各基站的距离表达式为：

$2\left[\begin{array}{cc}{x}_n-x_1& y_n-y_1\\ x_n-x_2& y_n-y_2\\ ...& ...\\ x_n-x_{n-1}& y_n-y_{n-1}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{MS}}\\ y_{\mathrm{MS}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}(d_1^2-d_n^2)-(x_1^2-x_n^2)-(y_1^2-y_n^2)\\ (d_2^2-d_n^2)-(x_2^2-x_n^2)-(y_2^2-y_n^2)\\ ...\\ (d_{n-1}^2-d_n^2)-(x_{n-1}^2-x_n^2)-(y_{n-1}^2-y_n^2)\end{array}\right]$ (1-7)

在式(1-7)中，令

X＝(x_MS，y_MS)^T，

$A=2\left[\begin{array}{cc}{x}_n-x_1& y_n-y_1\\ x_n-x_2& y_n-y_2\\ ...& ...\\ x_n-x_{n-1}& y_n-y_{n-1}\end{array}\right],$

$B=\left[\begin{array}{c}(d_1^2-d_n^2)-(x_1^2-x_n^2)-(y_1^2-y_n^2)\\ (d_2^2-d_n^2)-(x_2^2-x_n^2)-(y_2^2-y_n^2)\\ ...\\ (d_{n-1}^2-d_n^2)-(x_{n-1}^2-x_n^2)-(y_{n-1}^2-y_n^2)\end{array}\right],$

再令

$M={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{(x_n-x_i)}^2,$

$J={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{(y_n-y_i)}^2,$

$P={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{(x_n-x_i)}^2{(y_n-y_i)}^2,$

$R={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}(x_n-x_i)(y_n-y_i),$

$D_i=(d_i^2-d_n^2)-(x_i^2-x_n^2)-(y_i^2-y_n^2),$

得到终端的坐标L2为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{MS}}=\frac{1}{4(\mathrm{MJ}-P)}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{D}_i\text{[J}(x_n-x_i)\text{-R}(y_n-y_i)\text{]}\\ y_{\mathrm{MS}}=\frac{1}{4(\mathrm{MJ}-P)}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{D}_i[M(y_n-y_i)-R(x_n-x_i)]\end{array}\right..$

优选的，其特征在于所述的步骤5具体通过以下方式实现：

Case

终端位置＝L1；

Case

终端位置＝L2；

Case(L1∈area&L2∈area)

Case

本发明还提供了一种GSM网络中的终端定位装置，其特征在于包括：

用于读取MR中的小区标识CI，确定接受服务的小区，获取所服务小区基站的经纬度信息的模块；

用于计算移动终端MS到MR中包含的各基站的距离，并根据所述距离初步计算出MS所处的位置范围，将这一范围区域设为area的模块；

用于采用加权平均法算出服务小区基站和若干个邻区基站到终端的加权位置，将这一加权位置设为L1的模块。

优选的，其特征在于还包括：

用于采用最小二乘法算出服务小区基站和若干个邻区基站到终端的位置，将这一位置设为L2的模块；

用于综合考虑上述L1和L2，确定MS的位置的模块。

优选的，其特征在于还包括：

用于根据上述流程，进行若干次实际测量，把实际测量得到的数据反代入各模块中，对其中的常参数进行修正的模块。

优选的，其特征在于还包括：

用于判断所读取的MR数据是否有效，若无效，则给出本次查询失败的提示信息，等待获取下次的测量报告，并判断所获取的数据是否有效，直到获取到有效数据时才进行后续步骤的模块。

优选的，其中在出现以下情况中的一个或多个时则判断读取的MR数据无效：A、邻区个数为0；B、电平强度小于-110dB；C、时间提前量TA值都大于4。

优选的，其特征在于所述area是以初步计算出的终端位置为质心，选定边长为一个定值范围的矩形，作为终端所处的位置范围。

优选的，其特征在于具体通过以下方式计算area：

1)、假设服务小区基站内的未知点为MS，按下式计算d₁：

$d_1=d_2\·{10}^{\frac{{\mathrm{PLoss}}_{\mathrm{MS}}-{\mathrm{PLoss}}_{\mathrm{BTS}}-N_1}{K_1+k_2\·\lg H_{\mathrm{BTS}}}}$ (1-1)

其中，PLoss_MS为未知点MS路径损耗，

H_BTS为基站高度，

PLoss_BTS为基站收发台BTS的路径损耗，

d₁为未知点MS到服务小区基站BTS的距离，

d₂为BTS到BSC的距离，

k₁为修正系数，

k₂为修正系数，

N₁为地貌修正因子；

2)、同样方法算出未知点MS到另外两个相邻小区的距离d₁′、d₁″，分别以服务小区基站、两个参与计算的相邻小区基站为圆心，半径分别为d₁、d₁′、d₁″画圆，通过圆的交点获取未知点MS的可能坐标，以该坐标为质心，选定边长为一个定值范围的矩形的区域设定为终端的位置范围area。

优选的，其特征在于具体通过以下方式计算L1：

1)、通过下式计算加权值：

${\mathrm{\α}}^{\′}=\frac{1}{d^4}$ (1-2)

其中d为终端到基站的距离；

2)、通过下式对加权值进行归一化处理：

${\mathrm{\α}}_i=\frac{{\mathrm{\α}}_i^{\′}}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{\α}}_i^{\′}}$ (1-3)

其中n为终端MR中小区的个数，α′_i为第i个小区的权重；

3)、设服务小及邻区基站的经纬度分别为：(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，...，(x_n，y_n)，则所求终端的坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{MS}}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{\α}}_i\·x_i\\ y_{\mathrm{MS}}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{\α}}_i\·y_i\end{array}\right.$ (1-4)

终端的坐标为(x_MS，y_MS)，即是L1。

优选的，其特征在于具体通过以下方式计算L2：

根据之前算出的终端到服务小区基站及邻区基站的距离为(d₁，d₂，...，d_n)，终端到各基站的距离表达式为：

$2\left[\begin{array}{cc}{x}_n-x_1& y_n-y_1\\ x_n-x_2& y_n-y_2\\ ...& ...\\ x_n-x_{n-1}& y_n-y_{n-1}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{MS}}\\ y_{\mathrm{MS}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}(d_1^2-d_n^2)-(x_1^2-x_n^2)-(y_1^2-y_n^2)\\ (d_2^2-d_n^2)-(x_2^2-x_n^2)-(y_2^2-y_n^2)\\ ...\\ (d_{n-1}^2-d_n^2)-(x_{n-1}^2-x_n^2)-(y_{n-1}^2-y_n^2)\end{array}\right]$ (1-7)

在式(1-7)中，令

X＝(x_MS，y_MS)^T，

$A=2\left[\begin{array}{cc}{x}_n-x_1& y_n-y_1\\ x_n-x_2& y_n-y_2\\ ...& ...\\ x_n-x_{n-1}& y_n-y_{n-1}\end{array}\right],$

$B=\left[\begin{array}{c}(d_1^2-d_n^2)-(x_1^2-x_n^2)-(y_1^2-y_n^2)\\ (d_2^2-d_n^2)-(x_2^2-x_n^2)-(y_2^2-y_n^2)\\ ...\\ (d_{n-1}^2-d_n^2)-(d_{n-1}^2-x_n^2)-(y_{n-1}^2-y_n^2)\end{array}\right],$

再令

$M={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{(x_n-x_i)}^2,$

$J={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{(y_n-y_i)}^2,$

$P={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{(x_n-x_i)}^2{(y_n-y_i)}^2,$

$R={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}(x_n-x_i)(y_n-y_i),$

$D_i=(d_i^2-d_n^2)-(x_i^2-x_n^2)-(y_i^2-y_n^2),$

得到终端的坐标L2为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{MS}}=\frac{1}{4(\mathrm{MJ}-P)}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{D}_i\text{[J}(x_n-x_i)\text{-R}(y_n-y_i)\text{]}\\ y_{\mathrm{MS}}=\frac{1}{4(\mathrm{MJ}-P)}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{D}_i[M(y_n-y_i)-R(x_n-x_i)]\end{array}\right..$

优选的，其特征在于具体通过以下方式确定MS的位置：

Case

终端位置＝L1；

Case

终端位置＝L2；

Case(L1∈area&L2∈area)

Case

通过以上方式，本发明可精确计算出MS的位置坐标。

附图说明

图1例示了本发明GSM网络中终端定位的系统模型；

图2例示了本发明GSM网络中终端定位方法的示意图；

图3例示了本发明GSM网络中终端定位方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1例示了本发明GSM网络中终端定位的系统模型。

如图1所示，对于运营商来说，每个基站的位置是已知的，每个基站的每个扇区所覆盖的区域范围也是可知的，每个终端每隔480ms会向基站发送MR测量报告，基站也会对上行链路进行测量。

在GSM网络终端定位模型中，MR里最多可包含终端接收到的6个小区的测量报告。根据测量报告，可获取到终端所处位置的周边基站信息，根据这些信息可以计算出终端的位置。

图2例示了本发明GSM网络中终端定位方法的示意图。

如图2所示，通过读取MR中的CI(CELLID，小区标识)，确定接受服务的小区，获取所服务小区基站的经纬度、方向角、半功率角等相关信息。利用获得的信息即可初步计算出终端的位置，并以初步计算出的终端位置为质心，选定边长为一个定值范围的矩形，作为终端所处的位置范围，设为area。该定值范围的矩形例如可选为边长为50m的矩形。

图3例示了本发明GSM网络中终端定位方法的流程图。

以下结合图3，详细说明本发明在GSM网络中的终端定位方法。

如图3所示，在GSM网络中的终端定位方法可例如包括步骤：

1、读取MR中的CI(CELLID，小区标识)，确定接受服务的小区，获取所服务小区基站的经纬度信息；可选的，获取的信息还例如可以包括所服务器小区基站的方向角、半功率角等相关信息；

2、可选的，如果发现所读取的数据是无效数据，则给出本次查询失败的提示信息，等待获取下次的测量报告，并判断所获取的数据是否有效，直到获取到有效数据时才进行后续步骤。

这里，无效数据的判断可例如包括以下条件之中的一个或多个：A、邻区个数为0；B、电平强度小于-110dB；C、TA值(Timing Advance，时间提前量，是根据BTS收到RACH信道上的信道请求信息进行均衡时计算出来的时间提前量)都大于4。

3、初步计算出终端的位置；

可选的，该步骤还可以初步计算出的终端位置为质心，选定边长为一个定值范围的矩形，作为终端所处的位置范围(设为area，如图2所示)。该定值范围的矩形例如可选为边长为50m的矩形。

4、采用加权平均法算出服务小区和邻区所有基站到终端的加权位置(设为L1)；

5、采用最小二乘法算出终端的位置(设为L2)；

6、终端位置确定；

7、可选的，在确定终端位置后，还可根据上述流程，进行若干次实际测量，把实际测量得到的数据反代入步骤3、4、5中，对其中的常参数进行修正，根据不同的地貌和无线环境(如山区、平原、城区、密集小区等)，力求不同区域中的常参数趋于平衡。这样，计算出的结果更接近实际位置。

以上结合图3示例性的解释了本发明GSM网络中终端定位方法的基本流程，其中在以上述步骤为核心思想的前提下，所涉及到的参数具体计算本领域可有多种方式实现，为了更清楚的表示本发明，以下对于其中的计算过程举例性的给出一种实现方式，本领域技术人员应理解，所有可实现上述计算目的的方法均可用于本发明，以下计算过程并不构成对本发明的限制。

上述算法流程的主要计算过程例如以如下方式实现：

步骤3：初步计算出终端的位置

1)、假设服务小区基站内的未知点为MS，按下式计算d₁：

$d_1=d_2\·{10}^{\frac{{\mathrm{PLoss}}_{\mathrm{MS}}-{\mathrm{PLoss}}_{\mathrm{BTS}}-N_1}{K_1+k_2\·\lg H_{\mathrm{BTS}}}}$ (1-1)

其中，PLoss_MS为未知点MS路径损耗，H_BTS为基站高度。

PLoss_MS＝Power_Down-RXLEV_SUB_DOWN，式中的参数可以从MR中取得，其中Power_Down为基站下行发射功率，单位为dBm，RXLEV_SUB_DOWN为终端接收的功率，单位为dBm。PLoss_BTS为基站收发台BTS的路径损耗，可取初值例如为45dB(可按实际情况调整)。

d₁为未知点MS到服务小区基站BTS的距离，单位为米；

d₂为BTS到BSC的距离，可取初值例如为100m；

k₁为修正系数，无单位，可取初值例如为32；

k₂为修正系数，无单位，可取初值例如为-6.5；

N₁为地貌修正因子，无单位，可取初值例如为50；

k₁、k₂及N₁的值后续通过实际测量数据进行修正，最终趋于平稳，每个小区可能会有自己的k₁、k₂及N₁值，k₁、k₂及N₁值可修改和维护。

2)、同样方法算出未知点MS到另外两个相邻小区的距离d₁′、d₁″，这两个相邻小区可例如选择终端接收到的信号功率分别次于服务小区的两个相邻小区。理想情况下，分别以服务小区基站、两个参与计算的相邻小区基站为圆心，半径分别为d₁、d₁″、d₁″画圆，这三个圆应该交于一点，该点即是未知的MS坐标，事实上，由于无线环境的变化，这三个圆可能产生不能够严格相交于一点的情况。因此，需要对未知点MS的位置进行估计，给出MS可能存在的位置范围。先计算出服务小区和仅次于服务小区的两个圆的交点，如果只产生一个交点，计算出该交点到第三个圆的圆心连线与该圆的交点，再把这两个点的坐标进行平均作为未知点的坐标；如果产生两个交点，选取到第三个圆的圆心距离最近的那个点，再计算出该点和第三个圆的圆心连线与该圆的交点坐标，把这两个点的坐标进行平均作为未知点的坐标。获取未知点MS的可能坐标后，以该坐标为质心，选定边长为50米的区域设定为终端的位置范围area。

步骤4：加权平均法算出服务小区和邻区所有基站到终端的加权位置L1

将终端所在服务小区以及邻区基站的经纬度加权求和得到的坐标为终端位置的坐标。

1)、基站与终端的距离越近，权重应该越大，加权值确定如下：

${\mathrm{\α}}^{\′}=\frac{1}{d^4}$ (1-2)

其中d为终端到基站的距离，单位为米。

2)、为了便于计算，对权重值进行归一化处理。

${\mathrm{\α}}_i=\frac{{\mathrm{\α}}_i^{\′}}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{\α}}_i^{\′}}$ (1-3)

其中n为终端MR中小区的个数，α′_i为第i个小区的权重。

3)、设服务小及邻区基站的经纬度分别为：(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，...，(x_n，y_n)，则所求终端的坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{MS}}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{\α}}_i\·x_i\\ y_{\mathrm{MS}}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{\α}}_i\·y_i\end{array}\right.$ (1-4)

所以，终端的坐标为(x_MS，y_MS)，即是L1。

步骤5：最小二乘法算出终端的位置L2

根据第3步算出的终端到服务小区及邻区基站的距离为(d₁，d₂，...，d_n)，终端到各基站的距离表达式为：

${(x_{\mathrm{MS}}-x_1)}^2+{(y_{\mathrm{MS}}-y_1)}^2=d_1^2$

${(x_{\mathrm{MS}}-x_2)}^2+{(y_{\mathrm{MS}}-y_2)}^2=d_2^2$ (1-5)

......

${(x_{\mathrm{MS}}-x_n)}^2+{(y_{\mathrm{MS}}-y_n)}^2=d_n^2$

对式(1-5)进行衡等变换，分别用前n-1个等式减去最后一个等式，整理后可得n-1个方程如(1-6)所示。

$2(x_n-x_1)\·x_{\mathrm{MS}}+2(y_n-y_1)\·y_{\mathrm{MS}}=(d_1^2-d_n^2)-(x_1^2-x_n^2)-(y_1^2-y_n^2)$

$2(x_n-x_2)\·x_{\mathrm{MS}}+2(y_n-y_2)\·y_{\mathrm{MS}}=(d_2^2-d_n^2)-(x_2^2-x_n^2)-(y_2^2-y_n^2)$ (1-6)

......

$2(x_n-x_{n-1})\·x_{\mathrm{MS}}+2(y_n-y_{n-1})\·y_{\mathrm{MS}}=(d_{n-1}^2-d_n^2)-(x_{n-1}^2-x_n^2)-(y_{n-1}^2-y_n^2)$

把式(1-6)表示成矩阵形式，如(1-7)所示。

$2\left[\begin{array}{cc}{x}_n-x_1& y_n-y_1\\ x_n-x_2& y_n-y_2\\ ...& ...\\ x_n-x_{n-1}& y_n-y_{n-1}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{MS}}\\ y_{\mathrm{MS}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}(d_1^2-d_n^2)-(x_1^2-x_n^2)-(y_1^2-y_n^2)\\ (d_2^2-d_n^2)-(x_2^2-x_n^2)-(y_2^2-y_n^2)\\ ...\\ (d_{n-1}^2-d_n^2)-(x_{n-1}^2-x_n^2)-(y_{n-1}^2-y_n^2)\end{array}\right]$ (1-7)

在式(1-7)中，令X＝(x_MS，y_MS)T(T表示转置)，

$A=2\left[\begin{array}{cc}{x}_n-x_1& y_n-y_1\\ x_n-x_2& y_n-y_2\\ ...& ...\\ x_n-x_{n-1}& y_n-y_{n-1}\end{array}\right],$ $B=\left[\begin{array}{c}(d_1^2-d_n^2)-(x_1^2-x_n^2)-(y_1^2-y_n^2)\\ (d_2^2-d_n^2)-(x_2^2-x_n^2)-(y_2^2-y_n^2)\\ ...\\ (d_{n-1}^2-d_n^2)-(d_{n-1}^2-x_n^2)-(y_{n-1}^2-y_n^2)\end{array}\right],$

则(1-7)可表示为：AX＝B。根据最小二乘法的理论，AX＝B的解可通过求(AX-B)²的最小值获得。由(AX-B)²＝(AX-B)^T(AX-B)可得一阶条件为：

$\frac{\∂{((\mathrm{AX}-B)}^T(\mathrm{AX}-B))}{\∂X}=2A^T\mathrm{BX}-2A^{T}B=0$ (1-8)

其中表示对函数F(X，Y)中的X求偏导数。由(1-8)可得到：

X＝(A^TA)^-1A^TB，其中：

${\left(A^{T}A\right)}^{-1}=\frac{1}{\left|A^{T}A\right|}(A^{T}A{)}^{*}$

$=\frac{1/4}{\left[{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{(x_n-x_i)}^2\right]\·\left[{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{(y_n-y_i)}^2\right]-{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}(x_n-x_i{)}^2(y_n-y_i{)}^2}\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{(y_n-y_i)}^2& -{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}(x_n-x_i)(y_n-y_i)\\ -{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}(x_n-x_i)(y_n-y_i)& {\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{(x_n-x_i)}^2\end{array}\right]$

(1-9)

在(1-9)中，分别令 $M={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{(x_n-x_i)}^2,$ $J={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{(y_n-y_i)}^2,$

$P={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{(x_n-x_i)}^2{(y_n-y_i)}^2,$ $R={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}(x_n-x_i)(y_n-y_i),$ 则有：

${\left(A^{T}A\right)}^{-1}=\frac{1}{4(\mathrm{MJ}-P)}\left[\begin{array}{cc}J& -R\\ -R& M\end{array}\right],$ 令 $D_i=(d_i^2-d_n^2)-(x_i^2-x_n^2)-(y_i^2-y_n^2),$

则有 $B=\left(\begin{array}{c}D1\\ D2\\ ...\\ D_{n-1}\end{array}\right),$

通过上述的变量替换，最终可求出：

$X={\left(A^{T}A\right)}^{-1}{A}^{T}B$

$=\frac{1}{4(\mathrm{MJ}-P)}\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{D}_i[J(x_n-x_i)-R(y_n-y_i)]\\ {\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{D}_i[M(y_n-y_i)-R(x_n-x_i)]\end{array}\right)$

最终得到终端的坐标(L2)为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{MS}}=\frac{1}{4(\mathrm{MJ}-P)}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{D}_i\text{[J}(x_n-x_i)\text{-R}(y_n-y_i)\text{]}\\ y_{\mathrm{MS}}=\frac{1}{4(\mathrm{MJ}-P)}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{D}_i[M(y_n-y_i)-R(x_n-x_i)]\end{array}\right.$ (1-10)

步骤6：终端位置确定

根据第3、4、5步结果进行终端位置的确定(如图3所示)，过程如下：

Case

终端位置＝L1；

Case

终端位置＝L2；

Case(L1∈area&L2∈area)

Case

步骤7：常参修正

本步骤属于可选步骤，目的在于使确定的终端位置更为精确。

确定终端位置后，需要根据不同的地貌特征和地理位置进行常参的修正，以进一步提高定位的准确性。首先按照开阔地带、郊区、城区、密集城区分类，然后选择具有代表性的地貌和小区(无线环境及地貌比较普遍的情况)确定将要用于常参修正的位置区域。在该区域内放置一个终端，先根据该终端的MR计算出该终端的位置，再与该终端的实际位置相比较，如果两种结果的位置误差在以阈值范围内，例如70米范围内，则常参不需要修正；如果两种结果的误差较大，则将终端的实际位置以及终端实际接收到的信号等参数代入对应公式(第6步、(1-1)、(1-2)、(1-3)、(1-4)、(1-5))反推出该种情况下的常参。然后，把终端移动一定距离(例如50米以内)，再按上述方法计算，如果误差较大，再根据终端的实际状况反推出该情况下的常参。理论上讲，应该经过若干次验证和修正，直到常参趋于平稳为止。本发明中的常参例如可经过10次验证和修改，如果常参不趋于平稳但起伏较小，就取10次结果的均值作为常参。

本发明根据GSM网络中终端和基站的测量报告给出了终端定位的算法，从理论上来讲，如果d₂，k₁，k₂，N₁的取值与实际的无线环境匹配度比较高，则终端定位的准确性也比较高，所以，本发明通过在后续的常参修正过程中可以较好地获取地貌、无线传播环境情况下的参数，从而获得更为精确的终端位置。本发明中，可以把终端的位置划定在50米×50米范围之内，然后根据MR的内容进行终端位置定位，在这种条件下，最差的定位偏差在

即70米以内。从原理上来说，如果终端位置的范围设定越小，定位的准确性应该越高，但是，随着终端位置范围设定的变小，MR中的参数区分度也随着变小，这样算出来的位置信息差别不会太明显。反之，如果位置范围设定越大，算法流程中第4、5步的计算结果落入位置范围的可能性越大，其它三种情况产生的可能性变小，对位置判断的准确性有影响。

在实际工程应用中，根据不同无线环境的常参修正后的定位误差情况是：在开阔地带的定位误差没有超过12米；在郊区的定位误差没有超过17米；在城区定位误差没有超过23米；在密集城区的定位误差没有超过20米。通过持续地修正常参，使得不同无线环境的常参与实际情况相接近。本文提出的GSM网络中终端定位的算法，在项目应用中取得了比较满意的效果。

此外，本发明还包括有用于实现上述在GSM网络中进行终端定位方法的装置，其可全部以计算机程序为基础实现，通过配置与各方法步骤一一对应的功能模块，本发明能够实现该装置，对于装置的功能模块配置这里不再一一赘述，本领域技术人员根据上下文完全能够理解该装置模块的具体构成，相关内容在本说明书发明内容部分均有记载。

以上是对本发明的优选实施例进行的详细描述，但本领域的普通技术人员应该意识到，在本发明的范围内和精神指导下，各种改进、添加和替换都是可能的，例如使用可实现同种功能目的的算法、使用部分步骤和模块实现基本功能、使用不同的编程语言(如C、C++、Java等)实现等。这些都在本发明的权利要求所限定的保护范围内。

Claims (20)

1.一种GSM网络中的终端定位方法，其特征在于包括：

步骤1，读取MR中的小区标识CI，确定接受服务的小区，获取所服务小区基站的经纬度信息；

步骤2、计算移动终端MS到MR中包含的各基站的距离，并根据所述距离初步计算出MS所处的位置范围，将这一范围区域设为area；

步骤3、采用加权平均法算出服务小区基站和若干个邻区基站到终端的加权位置，将这一加权位置设为L1。

2.根据权利要求1所述的GSM网络中的终端定位方法，其特征在于在所述的步骤3之后还包括：

步骤4、采用最小二乘法算出服务小区基站和若干个邻区基站到终端的位置，将这一位置设为L2；

步骤5、综合考虑上述L1和L2，确定MS的位置。

3.根据权利要求2所述的GSM网络中的终端定位方法，其特征在于在所述步骤5之后还包括：

步骤6、根据上述流程，进行若干次实际测量，把实际测量得到的数据反代入步骤2-5中，对其中的常参数进行修正。

4.根据权利要求1所述的GSM网络中的终端定位方法，其特征在于在所述步骤2之前还包括步骤：

判断所读取的MR数据是否有效，若无效，则给出本次查询失败的提示信息，等待获取下次的测量报告，并判断所获取的数据是否有效，直到获取到有效数据时才进行后续步骤。

5.根据权利要求4所述的GSM网络中的终端定位方法，其中在出现以下情况中的一个或多个时则判断读取的MR数据无效：A、邻区个数为0；B、电平强度小于-110dB；C、时间提前量TA值都大于4。

6.根据权利要求1所述的GSM网络中的终端定位方法，其特征在于所述area是以初步计算出的终端位置为质心，选定边长为一个定值范围的矩形，作为终端所处的位置范围。

7.根据权利要求1所述的GSM网络中的终端定位方法，其特征在于所述的步骤2具体通过以下方式实现：

1)、假设服务小区基站内的未知点为MS，按下式计算d₁：

$d_1=d_2\·{10}^{\frac{{\mathrm{PLoss}}_{\mathrm{MS}}-{\mathrm{PLoss}}_{\mathrm{BTS}}-N_1}{K_1+k_2\·\lg H_{\mathrm{BTS}}}}$ (1-1)

其中，PLoss_MS为未知点MS路径损耗，

H_BTS为基站高度，

PLoss_BTS为基站收发台BTS的路径损耗，

d₁为未知点MS到服务小区基站BTS的距离，

d₂为BTS到BSC的距离，

k₁为修正系数，

k₂为修正系数，

N₁为地貌修正因子；

2)、同样方法算出未知点MS到另外两个相邻小区的距离d₁′、d₁″，分别以服务小区基站、两个参与计算的相邻小区基站为圆心，半径分别为d₁、d₁′、d₁″画圆，通过圆的交点获取未知点MS的可能坐标，以该坐标为质心，选定边长为一个定值范围的矩形的区域设定为终端的位置范围area。

8.根据权利要求1所述的GSM网络中的终端定位方法，其特征在于所述的步骤3具体通过以下方式实现：

1)、通过下式计算加权值：

${\mathrm{\α}}^{\′}=\frac{1}{d^4}$ (1-2)

其中d为终端到基站的距离；

2)、通过下式对加权值进行归一化处理：

${\mathrm{\α}}_i=\frac{{\mathrm{\α}}_i^{\′}}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{\α}}_i^{\′}}$ (1-3)

其中n为终端MR中小区的个数，α′_i为第i个小区的权重；

3)、设服务小及邻区基站的经纬度分别为：(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，...，(x_n，y_n)，则所求终端的坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{MS}}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{\α}}_i\·x_i\\ y_{\mathrm{MS}}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{\α}}_i\·y_i\end{array}\right.$ (1-4)

终端的坐标为(x_MS，y_MS)，即是L1。

9.根据权利要求2所述的GSM网络中的终端定位方法，其特征在于所述的步骤4具体通过以下方式实现：

根据步骤2算出的终端到服务小区基站及邻区基站的距离为(d₁，d₂，...，d_n)，终端到各基站的距离表达式为：

$2\left[\begin{array}{cc}{x}_n-x_1& y_n-y_1\\ x_n-x_2& y_n-y_2\\ ...& ...\\ x_n-x_{n-1}& y_n-y_{n-1}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{MS}}\\ y_{\mathrm{MS}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}(d_1^2-d_n^2)-(x_1^2-x_n^2)-(y_1^2-y_n^2)\\ (d_2^2-d_n^2)-(x_2^2-x_n^2)-(y_2^2-y_n^2)\\ ...\\ (d_{n-1}^2-d_n^2)-(x_{n-1}^2-x_n^2)-(y_{n-1}^2-y_n^2)\end{array}\right]$ (1-7)

在式(1-7)中，令

X＝(x_MS，y_MS)^T，

$A=2\left[\begin{array}{cc}{x}_n-x_1& y_n-y_1\\ x_n-x_2& y_n-y_2\\ ...& ...\\ x_n-x_{n-1}& y_n-y_{n-1}\end{array}\right],$

$B=\left[\begin{array}{c}(d_1^2-d_n^2)-(x_1^2-x_n^2)-(y_1^2-y_n^2)\\ (d_2^2-d_n^2)-(x_2^2-x_n^2)-(y_2^2-y_n^2)\\ ...\\ (d_{n-1}^2-d_n^2)-(x_{n-1}^2-x_n^2)-(y_{n-1}^2-y_n^2)\end{array}\right],$

再令

$M={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{(x_n-x_i)}^2,$

$J={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{(y_n-y_i)}^2,$

$P={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{(x_n-x_i)}^2{(y_n-y_i)}^2,$

$P={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{(x_n-x_i)}^2{(y_n-y_i)}^2,$

$D_i=(d_i^2-d_n^2)-(x_i^2-x_n^2)-(y_i^2-y_n^2),$

得到终端的坐标L2为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{MS}}=\frac{1}{4(\mathrm{MJ}-P)}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{D}_i\text{[J}(x_n-x_i)\text{-R}(y_n-y_i)\text{]}\\ y_{\mathrm{MS}}=\frac{1}{4(\mathrm{MJ}-P)}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{D}_i[M(y_n-y_i)-R(x_n-x_i)]\end{array}\right..$

10.根据权利要求2所述的GSM网络中的终端定位方法，其特征在于所述的步骤5具体通过以下方式实现：

Case

终端位置＝L1；

Case

终端位置＝L2；

Case(L1∈area&L2∈area)

Case

11.一种GSM网络中的终端定位装置，其特征在于包括：

用于读取MR中的小区标识CI，确定接受服务的小区，获取所服务小区基站的经纬度信息的模块；

用于计算移动终端MS到MR中包含的各基站的距离，并根据所述距离初步计算出MS所处的位置范围，将这一范围区域设为area的模块；

用于采用加权平均法算出服务小区基站和若干个邻区基站到终端的加权位置，将这一加权位置设为L1的模块。

12.根据权利要求11所述的GSM网络中的终端定位装置，其特征在于还包括：

用于采用最小二乘法算出服务小区基站和若干个邻区基站到终端的位置，将这一位置设为L2的模块；

用于综合考虑上述L1和L2，确定MS的位置的模块。

13.根据权利要求12所述的GSM网络中的终端定位装置，其特征在于还包括：

用于根据上述流程，进行若干次实际测量，把实际测量得到的数据反代入各模块中，对其中的常参数进行修正的模块。

14.根据权利要求11所述的GSM网络中的终端定位装置，其特征在于还包括：

用于判断所读取的MR数据是否有效，若无效，则给出本次查询失败的提示信息，等待获取下次的测量报告，并判断所获取的数据是否有效，直到获取到有效数据时才进行后续步骤的模块。

15.根据权利要求14所述的GSM网络中的终端定位装置，其中在出现以下情况中的一个或多个时则判断读取的MR数据无效：A、邻区个数为0；B、电平强度小于-110dB；C、时间提前量TA值都大于4。

16.根据权利要求11所述的GSM网络中的终端定位装置，其特征在于所述area是以初步计算出的终端位置为质心，选定边长为一个定值范围的矩形，作为终端所处的位置范围。

17.根据权利要求11所述的GSM网络中的终端定位装置，其特征在于具体通过以下方式计算area：

1)、假设服务小区基站内的未知点为MS，按下式计算d₁：

$d_1=d_2\·{10}^{\frac{{\mathrm{PLoss}}_{\mathrm{MS}}-{\mathrm{PLoss}}_{\mathrm{BTS}}-N_1}{K_1+k_2\·\lg H_{\mathrm{BTS}}}}$ (1-1)

其中，PLoss_MS为未知点MS路径损耗，

H_BTS为基站高度，

PLoss_BTS为基站收发台BTS的路径损耗，

d₁为未知点MS到服务小区基站BTS的距离，

d₂为BTS到BSC的距离，

k₁为修正系数，

k₂为修正系数，

N₁为地貌修正因子；

2)、同样方法算出未知点MS到另外两个相邻小区的距离d₁′、d₁″，分别以服务小区基站、两个参与计算的相邻小区基站为圆心，半径分别为d₁、d₁′、d₁″画圆，通过圆的交点获取未知点MS的可能坐标，以该坐标为质心，选定边长为一个定值范围的矩形的区域设定为终端的位置范围area。

18.根据权利要求11所述的GSM网络中的终端定位装置，其特征在于具体通过以下方式计算L1：

1)、通过下式计算加权值：

${\mathrm{\α}}^{\′}=\frac{1}{d^4}$ (1-2)

其中d为终端到基站的距离；

2)、通过下式对加权值进行归一化处理：

${\mathrm{\α}}_i=\frac{{\mathrm{\α}}_i^{\′}}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{\α}}_i^{\′}}$ (1-3)

其中n为终端MR中小区的个数，α′_i为第i个小区的权重；

3)、设服务小及邻区基站的经纬度分别为：(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，...，(x_n，y_n)，则所求终端的坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{MS}}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{\α}}_i\·x_i\\ y_{\mathrm{MS}}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{\α}}_i\·y_i\end{array}\right.$ (1-4)

终端的坐标为(x_MS，y_MS)，即是L1。

19.根据权利要求12所述的GSM网络中的终端定位装置，其特征在于具体通过以下方式计算L2：

根据之前算出的终端到服务小区基站及邻区基站的距离为(d₁，d₂，...，d_n)，终端到各基站的距离表达式为：

$2\left[\begin{array}{cc}{x}_n-x_1& y_n-y_1\\ x_n-x_2& y_n-y_2\\ ...& ...\\ x_n-x_{n-1}& y_n-y_{n-1}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{MS}}\\ y_{\mathrm{MS}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}(d_1^2-d_n^2)-(x_1^2-x_n^2)-(y_1^2-y_n^2)\\ (d_2^2-d_n^2)-(x_2^2-x_n^2)-(y_2^2-y_n^2)\\ ...\\ (d_{n-1}^2-d_n^2)-(x_{n-1}^2-x_n^2)-(y_{n-1}^2-y_n^2)\end{array}\right]$ (1-7)

在式(1-7)中，令

X＝(x_MS，y_MS)^T，

$A=2\left[\begin{array}{cc}{x}_n-x_1& y_n-y_1\\ x_n-x_2& y_n-y_2\\ ...& ...\\ x_n-x_{n-1}& y_n-y_{n-1}\end{array}\right],$

$B=\left[\begin{array}{c}(d_1^2-d_n^2)-(x_1^2-x_n^2)-(y_1^2-y_n^2)\\ (d_2^2-d_n^2)-(x_2^2-x_n^2)-(y_2^2-y_n^2)\\ ...\\ (d_{n-1}^2-d_n^2)-(x_{n-1}^2-x_n^2)-(y_{n-1}^2-y_n^2)\end{array}\right],$

再令

$M={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{(x_n-x_i)}^2,$

$J={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{(y_n-y_i)}^2,$

$P={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{(x_n-x_i)}^2{(y_n-y_i)}^2,$

$P={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{(x_n-x_i)}^2{(y_n-y_i)}^2,$

$D_i=(d_i^2-d_n^2)-(x_i^2-x_n^2)-(y_i^2-y_n^2),$

得到终端的坐标L2为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{MS}}=\frac{1}{4(\mathrm{MJ}-P)}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{D}_i\text{[J}(x_n-x_i)\text{-R}(y_n-y_i)\text{]}\\ y_{\mathrm{MS}}=\frac{1}{4(\mathrm{MJ}-P)}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}{D}_i[M(y_n-y_i)-R(x_n-x_i)]\end{array}\right..$

20.根据权利要求12所述的GSM网络中的终端定位装置，其特征在于具体通过以下方式确定MS的位置：

Case

终端位置＝L1；

Case

终端位置＝L2；

Case(L1∈area&L2∈area)

Case

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