CN105282843A - 一种基于方位角电平差值的定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于方位角电平差值的定位方法及装置，利用移动网络的扇区基站的方向性，根据来源于同一基站的多个扇区信号的电平差值推算出方位角，再根据两个不同基站的方位角从而实现精确定位。本发明提供的基于方位角电平差值的定位方法及装置可以在各种复杂环境，尤其是城市室内环境下也普遍适用，具有干扰小，可有效精确的实现定位，误差小的优点。

Description

一种基于方位角电平差值的定位方法及装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种基于方位角电平差值的定位方法及装置。

背景技术

无线信号广泛被利用来确定移动节点的地理位置，目前主要的定位方法有：基于接收信号场强的RSSI(ReceiveSignalStrengthIndicator)定位法，基于方位角AOA(AngleofArrived)定位法和基于电波传播时长的TOA(TimeofArrived)定位法。

基于接收信号场强RSSI定位法其基本原理是：移动终端接收到三个以上位于不同坐标点位置的无线基站发出的无线信号，根据每个无线基站信号的传播衰耗经验公式，可以由移动终端接收的电平推算出移动终端到基站的距离，移动终端同时接收到三个不同基站的信号，则移动终端就位于以三个基站为圆心、以各基站传播路径损耗折算出的传播距离为半径所画出的三个圆的公共交点位置。RSSI定位法需要多个基站的信号强度信息作为参考，成本高，并且无线信号传播过程中受到反射、折射、阻挡等干扰，造成测量不准确，误差大。

基于方位角的AOA定位法基于无线定向原理，如果可以测量到电波信号的方向，则移动终端在以基站坐标为原点，按所测方位角所画直线上，从两个以上位于不同地理坐标的基站，按接收方位角所画的两条直线的交点就是移动终端位置。因为没有一个简便有效的测量到达角度的方法，AOA定位法一般需要采用高方向性窄瓣天线搜索最大信号值的方法实现，常规移动终端不会配备此类设备，很难得到实用；而且由于存在反射、折射等现象，AOA误差也很大。

基于电波传播时长的TOA定位法假设从基站到移动节点接收地点的电波以直线传播，精确测量到从发射到接收点的传播时延来计算出传播距离，在有多个基站的情况下求出接收点的位置坐标。TOA定位法同样也存在成本高、误差大的问题。

已公开的专利文献申请号为CN200910205506.5，先确定移动节点相对于锚点的方位角和径向距离，再根据锚点的智能天线参考方向和锚点的位置信息，确定所述移动节点的位置，其不需要天线具有相位估计功能和时间检测装置，降低了天线的成本和复杂度。但是其根据接收信号强度信息来确定方位角和径向距离，由于信号强度在传播过程中容易受到反射、阻挡等诸多不确定因素影响，因此容易造成测量结果不准确。

以上现有的几种基本定位方法，在地形复杂的环境下，比如城市环境，由于建筑物等的影响，无线电波的传播过程中受到反射、折射、绕射、阻挡等影响等产生多径传播现象，无论是基于接收信号场强，基于方位角，还是基于电波传播时长的定位方法都会产生随机变化，造成位置估算的误差，尤其是在室内环境下，干扰大，上述方法都无法给出满意的定位精度。

针对以上问题，本发明专利目的在于设计一种基于方位角电平差值的定位方法及装置，利用移动网络的扇区基站的方向性，根据来源于同一基站的多个扇区信号的电平差值推算出方位角，再根据两个不同基站的方位角从而实现精确定位。本发明专利提供的基于方位角电平差值的定位方法及装置可以在各种复杂环境，尤其是城市室内环境下也普遍适用，具有干扰小，可有效精确的实现定位，误差小的优点。

发明内容

本发明提出了一种基于方位角电平差值的定位方法及装置，包括如下步骤：

(A)、在移动节点处获取从第一网络基站内两个不同扇区发出的信号之间的差值ΔL_i；

(B)、确定所述第一网络基站的地理坐标(x₁，y₁)，以及所述第一网络基站内两个不同扇区在方位角θ上的增益之差函数

(C)、根据所述增益之差函数及所述信号之间的差值ΔL_i确定所述第一网络基站相对于所述移动节点的方位角θ_BS1；

(D)、重复步骤(A)～(C)，获取第二网络基站的地理坐标(x₂，y₂)和所述第二网络基站相对于所述移动节点方位角θ_BS2；

(E)、根据所述第一网络基站和所述第二网络基站的地理坐标(x₁，y₁)、(x₂，y₂)及所述方位角θ_BS1和θ_BS2确定所述移动节点位置。

进一步，本发明所述第一网络基站和第二网络基站为方向性多扇区基站。

进一步，本发明所述确定移动节点位置的方法为利用两个及以上位于不同地理坐标的网络基站，按接收的方位角所画的两条直线的交点得到移动节点位置，构造测量方程为：

(x-x₁)＝(y-y₁)tan(θ_BS1)

(x-x₂)＝(y-y₂)tan(θ_BS2)

其中，(x₁，y₁)、(x₂，y₂)分别为所述第一网络基站和第二网络基站的地理坐标，θ_BS1、θ_BS2分别为所述第一网络基站和第二网络基站相对于所述移动节点的方位角，求解未知数(x，y)即为所述移动节点位置。

本发明还提供一种基于方位角电平差值的定位装置，包括：

获取单元，用于在移动节点获取网络基站内不同扇区发出的信号，并将所述信号发送给服务器单元；

数据库单元，用于存储所述网络基站地理位置信息和所述网络基站内不同扇区在方位角θ上的增益之差函数值；

服务器单元，连接所述获取单元和数据库单元，用于接收所述信号以及确定所述移动节点相对于所述网络基站的方位角，并最终确定所述移动节点位置。

进一步，本发明所述服务器单元确定所述移动节点位置的方法为利用两个及以上位于不同地理坐标的网络基站，按接收的方位角所画的两条直线的交点得到移动节点位置，构造测量方程为：

(x-x₁)＝(y-y₁)tan(θ_BS1)

(x-x₂)＝(y-y₂)tan(θ_BS2)

其中，(x₁，y₁)、(x₂，y₂)分别为所述第一网络基站和第二网络基站的地理坐标，θ_BS1、θ_BS2分别为所述第一网络基站和第二网络基站相对于所述移动节点的方位角，求解未知数(x，y)即为所述移动节点位置。

进一步，本发明服务器单元还包括：

处理计算子单元，用于处理所述信号并根据增益之差函数值得到所述移动节点相对于所述网络基站的方位角，进而计算得到所述移动节点位置；

发送子单元，用于将所述移动节点位置信息发送给指定装置。

本发明提供的基于方位角电平差值的定位方法及装置与现有技术相比，主要有以下优点：

1)精度高，在理论上不受传播衰耗的影响，其精度由天线方位角的指向精度和天线发射电平准确度等网络基站工程参数决定；

2)与完全基于信号电平推算基站到接收装置的距离不同，在同一站址的两根天线发出的信号应该循相同的传播路径到达接收测试点，其传播途中的各种衰耗是一致的，本方法只需要考虑它们之间的差值，克服了复杂环境对信号强度的影响产生的误差；

3)充分利用天线方向性而不是直接将传播路径损耗的绝对值对应于距离值，提高了准确性；

4)计算方法简单；

5)测试范围大，不限制移动节点测试点必须在基站的环绕中心区域，如果基站都位于测试点的一侧，传统的定位法会产生较大误差甚至无法进行定位。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1是本发明基于方位角电平差值的定位方法基本原理图；

图2是瓣宽60的天线的方向图，根据其方向图确定增益之差函数

图3是天线瓣宽60、两天线张角120位于同一基站的两个扇区方向性天线在不同方位角上的增益之差；

图4是本发明基于方位角电平差值的定位方法的方位角电平差值计算示意图；

图5是本发明基于方位角电平差值的定位方法具体实施流程图；

图6是本发明基于方位角电平差值的定位装置构成图。

具体实施例

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种基于方位角电平差值的定位方法及装置采用方向性天线的多扇区基站构成的蜂窝网络。

请参阅图1为本发明基于方位角电平差值的定位方法基本原理图，待定位的接收装置接收到来源于同一网络基站的两个扇区的无线信号RSSI1和RSSI2，接收的两个电平信号之间的差值与基站的角度存在对应关系，从而可以推算出基站信号到达所述接收装置接收点的方位角。接收到源于两个以上不同基站的多个扇区信号，应用AOA法，按所述方位角所画的两条直线的交点就是所述接收装是位置。

本发明提供的一种基于方位角电平差值的定位方法及装置具体实施步骤如下：

(A)、在移动节点获取从第一网络基站内两个不同扇区发出的信号之间的差值ΔL_i；

假设在移动节点处接收装置收到n个多扇区基站的信号为

L_ij，其中i＝1，2，...，n；j＝1，2，...，k；(1)

其中i表达不同的网络基站，j表达位于同一网络基站不同扇区的信号，对于常用的三扇区基站，k＝3。

当测试点位于第i个基站的两个相邻扇区的覆盖范围内时，可以

同时收到两个扇区的信号，分别为L_ij，L_ij+1，其信号差值为

ΔL_i＝L_ij+1-L_ij，(2)

同理，可以获得其他基站不同扇区的电平差值ΔL_i+1。由于电波传播环境的复杂性，可能会同时接收到同一个基站两个以上扇区的信号，这往往是天线反向泄露，空间反射等造成的，其信号比较弱，实际应用中只需要取最强的两个信号即可。

(B)、确定所述第一网络基站的地理坐标(x₁，y₁)，以及所述第一网络基站内两个不同扇区在方位角θ上的增益之差函数

首先采用UTM坐标系统或G84坐标系统，确定第一网络基站的地理坐标(x₁，y₁)。典型的蜂窝网基站多采用三扇区设计，天线间的张角一般为120，实际角度可以根据优化需求调整，天线一般采用3dB瓣宽为60的中高增益的板天线，其蜂窝网基站内两个不同扇区在方位角θ上的增益之差函数表达为天线的方向图可以用增益之差函数来表示。请参阅图2为瓣宽60的天线的方向图，根据其方向图确定增益之差函数

设两天线的指向构成的张角为θ₀，可以得到在位于该基站覆盖范围内在方位角θ上的两扇区天线的增益差值：

当两个天线为同一型号时，其方向图是一致的，即：

请参阅图3为天线瓣宽60、两天线张角120位于同一基站的两个扇区方向性天线在不同方位角上的增益之差。

(C)、根据所述增益之差函数及所述电平信号之间的差值ΔL_i确定所述第一网络基站相对于所述移动节点的方位角θ_BS1；

请参见图4为方位角电平差值计算示意图，第一网络基站BS1，第一网络基站BS2。以三扇区基站为例，在已知天线型号和方向图，安装方位角θ_j，j＝1，2，3，的条件下，假设各天线发射功率相同，在待定位移动节点测到的位于所述第一网络基站的相邻两个扇区S_j，S_j+1的信号，其差值ΔL_ij，从图3曲线求得θ，即得到第i个基站到测试点的入射角度为θ_BS1＝θ+θ_j。

(D)、重复步骤(A)～(C)，获取第二网络基站的地理坐标(x₂，y₂)和所述第二网络基站相对于所述移动节点方位角θ_BS2；

(E)、根据所述第一网络基站和所述第二网络基站的地理坐标(x₁，y₁)、(x₂，y₂)及所述方位角和确定移动节点位置。

(x-x₁)＝(y-y₁)tan(θ_BS1)

(x-x₂)＝(y-y₂)tan(θ_BS2)(4)

其中，(x₁y₁)、(x₂，y₂)分别为第一网络基站和第一网络基站的位置坐标。

请参阅图5为本发明基于方位角电平差值的定位方法具体实施流程图。

基于以上基于方位角电平差值的定位方法，本发明还提供一种基于方位角电平差值的定位装置，请参阅图6为本发明基于方位角电平差值的定位装置构成图，包括：

获取单元，用于在移动节点获取网络基站内不同扇区发出的信号，并将所述信号发送给服务器单元；

数据库单元，用于存储所述网络基站地理位置信息和所述网络基站内不同扇区在方位角θ上的增益之差函数值；

服务器单元，连接所述获取单元和数据库单元，用于接收所述信号以及确定所述移动节点相对于所述网络基站的方位角，并最终确定所述移动节点位置。服务器单元进一步包括：处理计算子单元和发送子单元，处理计算子单元用于处理所述信号并根据增益之差函数值得到所述移动节点相对于所述网络基站的方位角，进而计算得到所述移动节点位置；发送子单元用于将所述移动节点位置信息发送给指定装置。

本发明提供的基于方位角电平差值的定位方法和装置，与完全基于信号电平推算基站到接收装置的距离不同，由于源于同一网络基站的两个扇区的电波信号遵循同一路径到达接收装置，即两路电波信号将有同样的路径损耗，在复杂环境下导致的电波传播损耗的不确定性得以抵消，不会对本定位方法的正确性产生不良影响。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于方位角电平差值的定位方法及装置，其特征在于，包括如下步骤：

(A)、在移动节点处获取从第一网络基站内两个不同扇区发出的信号之间的差值ΔL_i；

(B)、确定所述第一网络基站的地理坐标(x₁，y₁)，以及所述第一网络基站内两个不同扇区在方位角θ上的增益之差函数

(C)、根据所述增益之差函数及所述信号之间的差值ΔL_i确定所述第一网络基站相对于所述移动节点的方位角θ_BS1；

(D)、重复步骤(A)～(C)，获取第二网络基站的地理坐标(x₂，y₂)和所述第二网络基站相对于所述移动节点方位角θ_BS2；

(E)、根据所述第一网络基站和所述第二网络基站的地理坐标(x₁，y₁)、(x₂，y₂)及所述方位角θ_BS1和θ_BS2确定所述移动节点位置。

2.如权利要求1所述的基于方位角电平差值的定位方法，其特征在于，所述第一网络基站和第二网络基站为方向性多扇区基站。

3.如权利要求1所述的基于方位角电平差值的定位方法，其特征在于，所述确定移动节点位置的方法为利用两个及以上位于不同地理坐标的网络基站，按接收的方位角所画的两条直线的交点得到移动节点位置，构造测量方程为：

(x-x₁)＝(y-y₁)tan(θ_BS1)

(x-x₂)＝(y-y₂)tan(θ_BS2)

其中，(x₁，y₁)、(x₂，y₂)分别为所述第一网络基站和第二网络基站的地理坐标，θ_BS1、θ_BS2分别为所述第一网络基站和第二网络基站相对于所述移动节点的方位角，求解未知数(x，y)即为所述移动节点位置。

4.一种基于方位角电平差值的定位装置，其特征在于，包括：

获取单元，用于在移动节点获取网络基站内不同扇区发出的信号，并将所述信号发送给服务器单元；

数据库单元，用于存储所述网络基站地理位置信息和所述网络基站内不同扇区在方位角θ上的增益之差函数值；

服务器单元，连接所述获取单元和数据库单元，用于接收所述信号以及确定所述移动节点相对于所述网络基站的方位角，并最终确定所述移动节点位置。

5.如权利要求4所述的基于方位角电平差值的定位装置，其特征在于，所述服务器单元确定所述移动节点位置的方法为利用两个及以上位于不同地理坐标的网络基站，按接收的方位角所画的两条直线的交点得到移动节点位置，构造测量方程为：

(x-x₁)＝(y-y₁)tan(θ_BS1)

(x-x₂)＝(y-y₂)tan(θ_BS2)

其中，(x₁，y₁)、(x₂，y₂)分别为所述第一网络基站和第二网络基站的地理坐标，θ_BS1、θ_BS2分别为所述第一网络基站和第二网络基站相对于所述移动节点的方位角，求解未知数(x，y)即为所述移动节点位置。

6.如权利要求4所述的基于方位角电平差值的定位装置，其特征在于，所述服务器单元还包括：

处理计算子单元，用于处理所述信号并根据增益之差函数值得到所述移动节点相对于所述网络基站的方位角，进而计算得到所述移动节点位置；

发送子单元，用于将所述移动节点位置信息发送给指定装置。