CN103796307B - 基于通信基站精确定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于通信基站精确定位的方法，其包括如下步骤：a、利用移动终端获取通信基站的信息，获取的通信基站信息包括基站所属小区号、基站自身编号以及信号强度衰减值；b、查询通信基站数据库，以得到上述获取到的每个通信基站的经纬度坐标值；c、根据上述移动终端与每个通信基站间的信号强度衰减值以及通信基站对应的发射功率，估计移动终端与通信基站间的正比例化距离；d、根据估计上述移动终端与通信基站间的正比例化距离，计算通信基站对应的定位权值；e、利用上述通信基站的定位权值以及通信基站的经纬度坐标值，计算得到移动终端的位置。本发明操作方便，能减少定位偏差，提高定位精度，适应性强，安全可靠。

Description

基于通信基站精确定位的方法

技术领域

本发明涉及一种定位方法，尤其是一种基于通信基站精确定位的方法，具体地说是一种多通信基站协同定位的方法，属于基站定位的技术领域。

背景技术

近年来，随着技术的发展，人们对在室内室外环境下定位的需求越来越高，特别是在一些特殊情况下，及时而又准确的对目标的定位显得尤为重要。

目前，定位精度最高的要数GPS卫星定位，精度最高可达到5m以内。但是GPS定位有其使用条件：必须在露天空旷的环境下才能搜索到卫星信号，因此使用GPS定位具有局限性。

为了弥补GPS定位的局限性，出现了利用基站辅助全球卫星定位系统（AssistedGlobal Positioning System，AGPS）。AGPS是一种GPS的运行方式，它可以利用通信基站的资讯，配合传统GPS卫星进行定位。AGPS使GPS定位的应用场景得到了扩展，同时能够提高定位速度。AGPS在设备不能搜索到足够定位的卫星数目时，通过获得附近通信基站的覆盖范围来确定自身的大概位置。

起初，基站定位仅用于手机用户，手机基站定位服务又叫做移动位置服务（Location Based Service，LBS），它是通过运营商的网络（如GSM网）获取设备的位置信息（经纬度坐标），在电子地图平台的支持下，提供相应服务的一种增值业务。LBS使得用户在获取基站号之后能够进一步得到结构化的地址信息，从而确定目前所处位置范围。后来将LBS与GPS结合，构成AGPS。

AGPS的出现使待定位目标不管在室内是室外，都能够进行定位，室外定位精度高。室内由于受限于通信基站定位本身固有的缺陷，定位精度低，误差变化受基站密度影响大，误差范围一般在50～1000m。

最近出现使用多基站定位的方法：多基站几何中心定位法、信号强度描述的相对距离定位法等。但由于信号强度与距离非正比例相关、基站位置分布不均匀以及基站冗余因素的影响，定位结果存在方法误差，亟需有效解决上述问题的方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于通信基站精确定位的方法，其操作方便，能减少定位偏差，提高定位精度，适应性强，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，一种基于通信基站精确定位的方法，所述定位方法包括如下步骤：

a、利用移动终端获取通信基站的信息，所述获取的通信基站信息包括基站所属小区号、基站自身编号以及信号强度衰减值；

b、根据上述获取的基站所属小区号及基站自身编号查询通信基站数据库，以得到上述获取到的每个通信基站的经纬度坐标值；

c、根据上述移动终端与每个通信基站间的信号强度衰减值以及通信基站对应的发射功率，估计移动终端与通信基站间的正比例化距离；

d、根据估计上述移动终端与通信基站间的正比例化距离，计算通信基站对应的定位权值；

e、利用上述通信基站的定位权值以及通信基站的经纬度坐标值，计算得到移动终端的位置。

还包括如下步骤：

f、根据获取通信基站的经纬度坐标值，计算通信基站的定位冗余系数；

g、根据上述移动终端与通信基站的正比例化距离、通信基站的经纬度坐标值、通信基站的定位权值以及通信基站的定位冗余系数，计算得到移动终端所在的位置中心坐标；

h、根据上述移动终端与通信基站的正比例化距离以及移动终端的位置中心坐标，得到移动终端所在区域的定位半径；

i、根据上述移动终端所在区域的定位半径，利用LBS获得移动终端结构化的地址信息。

所述步骤c中，移动终端与通信基站间的正比例化距离关系为：

其中，表示移动终端与第i个通信基站间的正比例化距离，W_i表示第i个通信基站的发射功率，RSSI_i表示移动终端与第i个通信基站间的信号强度衰减值，i的取值范围为1～n，n为移动终端搜索到通信基站的个数。

所述步骤d中，所述通信基站定位权值的关系式为：

其中，λ_i为第i个通信基站的定位权值。

所述步骤e中，移动终端的位置为：

其中，为移动终端的经度值，为移动终端的纬度值，x_i表示第i个通信基站的经度值，y_i表示第i个通信基站的纬度值。

所述步骤f中，通信基站的定位冗余系数为：

其中，表示移动终端搜索到通信基站的经度平均值，表示移动终端搜索到通信基站的维度平均值，r_xi表示第i个通信基站的经度冗余值，r_yi表示第i个通信基站的维度冗余值。

所述步骤g中，移动终端的位置中心坐标为：

其中，为移动终端的位置中心经度值，为移动终端的位置中心纬度值。

所述步骤h中，所述移动终端所在区域的定位半径是指移动终端与通信基站通信重叠区域中与移动终端的位置中心的最大距离。

所述移动终端包括手机。所述获取的通信基站信息还包括国家代码及运营商代码。

本发明的优点：将RSSI与距离的关系用具体关系式表示，比直接使用信号强度一次表达式代表的距离更精确；引入基站冗余系数，降低了当目标周围基站分布不均匀时，对目标定位结果始终偏向密度大的一边的程度；根据通信基站数据库得到通信基站的经纬度，通过算法计算目标的经纬度，在结合LBS位置服务直接给出最终结构化的目标中心位置以及准确的半径范围，操作方便，能减少定位偏差，提高定位精度，适应性强，安全可靠。

附图说明

图1为本发明当基站密度分布不均匀时，定位的中心位置的目标A定位成偏向一侧A’的示意图。

图2为本发明进行定位的流程图。

图3为本发明确定移动终端所在区域的定位半径的示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图2所示，为了能够更加可靠地进行定位，满足对定位精度的要求，本发明的定位方法包括如下步骤：

a、利用移动终端获取通信基站的信息，所述获取的通信基站信息包括基站所属小区号（LAC）、基站自身编号（CID）以及信号强度衰减值（RSSI）；

具体地，所述移动终端包括手机，也可以为其他能与通信基站进行通讯的设备，如导航仪等。所述获取的通信基站信息还包括国家代码（MCC）及运营商代码（MNC）。

b、根据上述获取的基站所属小区号及基站自身编号查询通信基站数据库，以得到上述获取到的每个通信基站的经纬度坐标值；

通信基站数据库内包含有大量通信基站的信息，通过通信基站的基站所属小区号、基站自身编码等信息，能够查找到通信基站对应的经纬度坐标值。

c、根据上述移动终端与每个通信基站间的信号强度衰减值以及通信基站对应的发射功率，估计移动终端与通信基站间的正比例化距离；

由功率守恒可以得出，通信基站以基站发射点为球心的球面上功率积分值为定制，且等于发射功率，即有

W=4πd²*P(d)

从而可得其中，P(d)为单位面积上的功率，W表示通信基站的发射功率，W的值可以通过通信基站数据库查找得到，d表示通信距离。由RSSI（dBm）的计算公式得到

通过上式可知，通过信号强度衰减值来计算距离通信基站的距离。

通过上述说明，移动终端与通信基站间的正比例化距离关系为：

其中，表示移动终端与第i个通信基站间的正比例化距离，W_i表示第i个通信基站的发射功率，RSSI_i表示移动终端与第i个通信基站间的信号强度衰减值，i的取值范围为1～n，n为移动终端搜索到通信基站的个数。

d、根据估计上述移动终端与通信基站间的正比例化距离，计算通信基站对应的定位权值；

距离的相对大小可以体现在移动终端接收到通信基站的信号强弱上，也直接决定了在定位时，各通信基站坐标所起的作用大小，距离越远所起作用越小，即每个通信基站都有定位权值，所述通信基站定位权值的关系式为：

其中，λ_i为第i个通信基站的定位权值；表示移动终端与第i个通信基站间的正比例化距离。

e、利用上述通信基站的定位权值以及通信基站的经纬度坐标值，计算得到移动终端的位置。

移动终端的位置为：

其中，为移动终端的经度值，为移动终端的纬度值，x_i表示第i个通信基站的经度值，y_i表示第i个通信基站的纬度值。

使用上述方法对移动终端进行定位的条件是：环境中通信基站的分布是均匀的，不出现类似图1所示的部分通信基站过于集中的情形。当部分通信基站过于集中，且偏向区域一侧时，定位的结果就会如图中所示，实际位置处于A点的移动终端，将会被定位到A’处。

在一定范围内，由于数据交换量大或者周围环境电磁干扰水平较高，为保证通信信号覆盖和质量，适当增加周围通信基站数目。而这在使用通信基站对移动终端定位时，通信基站位置信息的冗余，会影响定位结果，使结果偏向基站密度较大的一侧。

为避免定位结果总是偏向区域内基站密度较大一侧的情况，还包括如下步骤：

f、根据获取通信基站的经纬度坐标值，计算通信基站的定位冗余系数；

通信基站的定位冗余系数为：

其中，表示移动终端搜索到通信基站的经度平均值，表示移动终端搜索到通信基站的维度平均值，r_xi表示第i个通信基站的经度冗余值，r_yi表示第i个通信基站的维度冗余值。本发明实施例中，通过通信基站数据库查找到通信基站对应的经纬度坐标后，通过对经纬度坐标值进行算术平均值，得到经度平均值以及维度平均值。

g、根据上述移动终端与通信基站的正比例化距离、通信基站的经纬度坐标值、通信基站的定位权值以及通信基站的定位冗余系数，计算得到移动终端所在的位置中心坐标；

移动终端的位置中心坐标为：

其中，为移动终端的位置中心经度值，为移动终端的位置中心纬度值。图3中，位置中心用字符G表示。

h、根据上述移动终端与通信基站的正比例化距离以及移动终端的位置中心坐标，得到移动终端所在区域的定位半径；

所述移动终端所在区域的定位半径是指移动终端与通信基站通信重叠区域中与移动终端的位置中心的最大距离。

具体地，在实际环境中，移动终端与各通信基站的距离估计值，由于受到干扰和传输过程的消耗，RSSI的实际测量值比理想状态值偏小，从而使距离的估计值比实际距离d要大，即因此，以其中一个通信基站为参考，距离的估计值必然大于实际值，其实际意义表示移动终端在以该参考通信基站为中心、半径为d的圆上，必处在以该通信基站为中心、半径为的圆内部。同时，可以得出以各通信基站为圆心，为半径的n个圆形区域必有共同区域，如图3所示斜杠部分。

选取构成重叠区域各段弧的端点C₁、C₂、C₃到位置中心G的最大距离为定位区域的半径R，如图3。

式中n为搜素到的通信基站的个数。

i、根据上述移动终端所在区域的定位半径，利用LBS获得移动终端结构化的地址信息。

经过上述步骤后，得到的位置中心坐标是经纬度，在实际中并不实用，所以要对应为实际生活中所使用的地址，即结构化地址，如：“*省*市*县*街道*号”。使用合适的API即可完成转化的功能。

至此，定位已经完成。对移动终端定位的结果在给出结构化地址信息形式的位置的同时提供可靠的定位半径，则移动终端在所描述的圆形区域内。

本发明将RSSI与距离的关系用具体关系式表示，比直接使用信号强度一次表达式代表的距离更精确；引入基站冗余系数，降低了当目标周围基站分布不均匀时，对目标定位结果始终偏向密度大的一边的程度；根据通信基站数据库得到通信基站的经纬度，通过算法计算目标的经纬度，在结合LBS位置服务直接给出最终结构化的目标中心位置以及准确的半径范围，操作方便，能减少定位偏差，提高定位精度，适应性强，安全可靠。

Claims (4)

1.一种基于通信基站精确定位的方法，其特征是，所述定位方法包括如下步骤：

(a)、利用移动终端获取通信基站的信息，所述获取的通信基站信息包括基站所属小区号、基站自身编号以及信号强度衰减值；

(b)、根据上述获取的基站所属小区号及基站自身编号查询通信基站数据库，以得到上述获取到的每个通信基站的经纬度坐标值；

(c)、根据上述移动终端与每个通信基站间的信号强度衰减值以及通信基站对应的发射功率，估计移动终端与通信基站间的正比例化距离；

(d)、根据估计上述移动终端与通信基站间的正比例化距离，计算通信基站对应的定位权值；

(e)、利用上述通信基站的定位权值以及通信基站的经纬度坐标值，计算得到移动终端的位置；

所述步骤(c)中，移动终端与通信基站间的正比例化距离关系为：

${\hat{d}}_i=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{W_i}{\mathrm{\π}}}\×{10}^{-\frac{{\mathrm{RSSI}}_i}{20}}$

其中，表示移动终端与第i个通信基站间的正比例化距离，W_i表示第i个通信基站的发射功率，RSSI_i表示移动终端与第i个通信基站间的信号强度衰减值，i的取值范围为1～n，n为移动终端搜索到通信基站的个数；

所述步骤(d)中，所述通信基站定位权值的关系式为：

${\mathrm{\λ}}_i=1-\frac{{\hat{d}}_i}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\hat{d}}_i}$

其中，λ_i为第i个通信基站的定位权值；

所述步骤(e)中，移动终端的位置为：

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{x}}_p=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}(x_i*\frac{{\mathrm{\λ}}_i}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{\λ}}_i})\\ {\hat{y}}_p=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}(y_i*\frac{{\mathrm{\λ}}_i}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{\λ}}_i})\end{array}\right.$

其中，为移动终端的经度值，为移动终端的纬度值，x_i表示第i个通信基站的经度值，y_i表示第i个通信基站的纬度值。

2.根据权利要求1所述的基于通信基站精确定位的方法，其特征是，还包括如下步骤：

(f)、根据获取通信基站的经纬度坐标值，计算通信基站的定位冗余系数；

(g)、根据上述移动终端与通信基站的正比例化距离、通信基站的经纬度坐标值、通信基站的定位权值以及通信基站的定位冗余系数，计算得到移动终端所在的位置中心坐标；

(h)、根据上述移动终端与通信基站的正比例化距离以及移动终端的位置中心坐标，得到移动终端所在区域的定位半径；

(i)、根据上述移动终端所在区域的定位半径，利用LBS获得移动终端结构化的地址信息；

所述步骤(f)中，通信基站的定位冗余系数为：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_{xi}=\frac{|x_i-\stackrel{\‾}{x}|}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}|x_i-\stackrel{\‾}{x}|}\\ r_{yi}=\frac{|y_i-\stackrel{\‾}{y}|}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}|y_i-\stackrel{\‾}{y}|}\end{array}\right.$

其中，表示移动终端搜索到通信基站的经度平均值，表示移动终端搜索到通信基站的维度平均值，r_xi表示第i个通信基站的经度冗余值，r_yi表示第i个通信基站的维度冗余值；

所述步骤(g)中，移动终端的位置中心坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}\hat{x}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}(x_i*\frac{{\mathrm{\λ}}_i{r}_{xi}}{{\Σ}_{i=1}^n{\mathrm{\λ}}_i{r}_{xi}})\\ \hat{y}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}(y_i*\frac{{\mathrm{\λ}}_i{r}_{yi}}{{\Σ}_{i=1}^n{\mathrm{\λ}}_i{r}_{yi}})\end{array}\right.$

其中，为移动终端的位置中心经度值，为移动终端的位置中心纬度值；

所述步骤(h)中，所述移动终端所在区域的定位半径是指移动终端与通信基站通信重叠区域中与移动终端的位置中心的最大距离。

3.根据权利要求1所述的基于通信基站精确定位的方法，其特征是，所述移动终端包括手机。

4.根据权利要求1所述的基于通信基站精确定位的方法，其特征是，所述获取的通信基站信息还包括国家代码及运营商代码。