CN107422300A - 一种对非配合无线通信终端信号到达时差提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对非配合无线通信终端信号到达时差提取方法，首先设置一个位置已知的信标，信标按照某种协议定期发射用于标校的信号，接收站接收无线通信终端和信标辐射的信号，每个接收站各自按照自己的时钟测量得到终端和信标发射信号到达接收站的时间，并将测量结果传送给中心站，中心站根据各个接收站上报的测量结果，利用信标消除接收站间的时钟误差，得到准确的终端信号到达时间差，并最终计算得到终端的位置。本发明提出一种不需要在多个接收机之间设置有线或者无线链路，仅仅通过利用已知位置的信标发射定标信号，就可以精确测量得到终端信号到达各个接收机之间的时间差，进而确定终端位置的方法，系统部署要求低，同时降低了接收机的成本。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种对非配合无线通信终端信号到达时差提取方法。
背景技术
随着移动通信和移动互联网的快速发展，无线通信用户终端(例如手机、带有WIFI功能的平板电脑，笔记本电脑等，以下简称为终端或用户终端)越来越多，大多数人都会随身携带手机等无线通信终端。在一些应用场合，例如灾后对人员的搜救、抓捕犯罪嫌疑人、区域安防、反恐等需要在手机等终端非配合的状态下获取终端较为精确的位置信息,另外在建筑物内、隧道、桥梁下方等GPS信号被遮挡的环境下，终端无法通过内置的GPS接收机完成对自身的定位，也需要一些其他的手段来辅助获取自身的位置。
现有的对非配合用户终端进行定位的方法主要有以下几种：
1)当终端为移动通信手机时，运营商通过后台确定手机所在小区，进而大致确定其所在位置，然后在现场通过便携式设备接收并测量手机信号的强度，按照信号增强的原则，引导操作人员逐渐逼近手机所在位置，这个方法需要较长时间的搜索过程，才能够定位到目标手机终端；
2)当终端为移动通信手机时，可在现场通过伪基站诱发目标手机进入伪小区，然后通过测量用户手机信号的强度或者到达角度间接计算出手机的位置。通过测量手机信号强度能大致估计出目标手机和测量者之间距离，但是误差很大，利用这个信息通过多次测量来定位，定位误差也会很大。通过在不同的位置测量信号到达角并交会，也可以确定手机的位置，但是要达到较高的定位精度，需要不同测量位置之间的距离(通常被称之为基线长度)比较大，这在实际使用中非常不方便。而且角度测量需要接收机配置多个天线和接收通道，接收机的成本会比较高。
相比利用信号强度或者到达角度来定位辐射源，时差定位是一种性能良好、使用广泛的辐射源定位技术。但是时差定位需要多个接收机之间保持同步，因此在部署使用上存在困难，同步也会导致接收机的成本升高，阻碍了时差定位在对非配合无线通信终端定位方面的应用。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种对非配合无线通信终端信号到达时差提取方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种对非配合无线通信终端信号到达时差提取方法，包括以下步骤：
步骤1、目标终端信号到达接收站2和接收站1的真实时间差为：
信标信号到达接收站2和接收站1之间的真实时间差为：
上面公式中，接收站1测量得到信标信号和目标终端信号到达时间分别为T1 ref和T1 tar，接收站2测量得到信标信号和目标终端信号到达时间分别为和以发射时钟为基准，接收站1时钟超前发射|ΔT1|，接收站2时钟滞后发射|ΔT2|；表示目标终端信号到达接收站1和接收站2的时间差，表示信标信号到达接收站1和接收站2的时间差。
步骤2、修正时钟误差，得到修正后目标终端信号到达接收站2和接收站1的时差为：
ΔL21为信标分别与接收站2、接收站1之间的距离的差，C为光速。
优选的，所述步骤2的具体计算方法是：信标分别与接收站2、接收站1之间的距离的差记为ΔL21，
则
将(3)式代入(1)式，得到步骤2中的(4)式。
优选的，所述计算信标和目标终端信号到达N个接收站中任意两个的时间差的计算原理与步骤1原理相同，其中N≥2。
优选的，所述修正时钟误差，得到修正后目标终端信号到达N个接收站中任意两个的时间差的计算原理与步骤2原理相同，其中N≥2。。
本发明的有益效果是：本发明提出一种不需要在多个接收机之间设置有线或者无线链路，仅仅通过利用已知位置的信标发射定标信号，就可以精确测量得到终端信号到达各个接收机之间的时间差，进而确定终端位置的方法。该方法不需要接收机之间建立同步链路或者保持通视，仅要求定位区域内接收机与信标通视，系统部署要求低，同时降低了接收机的成本。
附图说明
图1是本发明利用信标的时差测量定位系统组成示意图。
图2是本发明信号发射接收时间关系图。
图3是本发明对TD-SCDMA移动通信终端定位示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
本发明利用已知位置的信标，实现对无线通信终端辐射信号到达时差测量和定位的系统组成示意如图1所示。整个系统由信标，接收站和中心站组成。信标和接收站的地理位置坐标精确已知。信标按照某种协议定期发射用于标校的信号，接收站接收无线通信终端和信标辐射的信号，每个接收站各自按照自己的时钟测量得到终端和信标发射信号到达接收站的时间，并将测量结果传送给中心站，中心站根据各个接收站上报的测量结果，利用信标消除接收站间的时钟误差，得到准确的终端信号到达时间差，并最终计算得到终端的位置。
接收站之间，以及接收站和中心站之间没有时间同步机制，也即三个接收站的时钟存在误差。因此如果直接将各个接收站测量得到的终端信号到达时间拿来求站间的到达时间差，则这个时间差包含了每个接收站的时钟误差，会导致定位结果存在较大的误差。
为了消除这个误差，现有技术采用的做法是在接收站之间维持一个同步链路，通过同步链路消除接收站之间的时钟误差，使得各站时间保持同步。此处我们采用一个额外的信标，这个信标和无线通信终端工作在同一个频段，遵从相同的空中接口协议，并定期辐射用于标校的定标信号。利用该定标信号，我们可以消除接收站之间的时钟误差。
以下以在两个接收站之间提取目标终端发出信号到达时间差为例，说明具体的时差提取过程。我们约定上标ref表示信标，上标tar表示目标终端，下标0表示发射，1表示接收站1接收，2表示接收站2接收。图2给出了信标和被定位目标终端信号发射，以及信号到达接收站1和接收站2的时间关系。由于发射和接收之间没有经过时间同步，因此接收站间、接收和发射之间在时间上存在误差。以发射时间作为基准，设接收站1时间超前发射|ΔT1|，接收站2时间滞后发射|ΔT2|，规定超前误差为正，滞后误差为负。设在时刻信标发射定标信号，在时刻目标终端发射信号。接收站1测量得到信标信号和目标终端信号到达时间分别为T1 ref和T1 tar，接收站2测量得到信标信号和目标终端信号到达时间分别为和不考虑测量误差，目标终端信号到达接收站2和接收站1之间的真实时间差为：
信标信号到达接收站2和接收站1之间的真实时间差为：
由于已知信标和各个接收站的位置，因此信标和接收站2、接收站1之间的距离差也是已知的，记为ΔL21，根据公式(2)，有：
将公式(3)代入公式(1)，得到目标终端信号到达接收站2和接收站1之间的真实时间差计算公式为
公式(3)和公式(4)中，C为光速，和是中心处理站根据接收站1和接收站2测量得到信标信号和目标终端信号到达时间，计算出的到达时间差。具体实施方案和步骤描述如下：
按照图1所示，布置无线通信终端定位系统，该定位系统由三个接收站，一个中心处理站和一个信标组成。三个接收站的时钟各自独立，相互不同步，存在时钟误差。信标定时辐射定标信号，三个接收站接收信标和目标终端辐射的信号，各自独立测量出信号的到达时间T1 ref、T1 tar、和并将测量结果传送给中心处理站，中心处理站提取时差的步骤如下：
(1)计算信标和目标终端信号到达接收站2和接收站1的时差：
(2)修正时钟误差，得到修正后目标终端信号到达接收站2和接收站1的时差为：
(3)计算信标和目标终端信号到达接收站3和接收站2的时差
(4)修正时钟误差，得到修正后目标终端信号到达接收站3和接收站2的时差为：
根据获得的真实时差，中心站可以计算得到目标通信终端的位置，如果接收站有大于3个，计算方法同上。
图3是一个对第三代移动通信TD-SCDMA体制手机进行定位的例子，定位系统布置示意如图所示。在这个例子中，我们采用了已知位置的TD-SCDMA基站作为信标，并利用基站在广播信道(BCH)中定时发送的下行同步信号，通过相关处理获得下行同步信号的到达时间；同时，接收目标手机从随机接入信道(RCH)发送的上行前导信号，通过相关处理获得手机上行前导信号的到达时间，以基站下行同步信号作为定标信号，可以解算出手机到达不同接收站的时间差，去除接收站间时间同步误差，最终完成对目标手机的定位。由于采用了已知位置的基站作为信标，因此不需要配置专用的信标。
综上，本发明提出使用信标来辅助提取目标终端信号到达多个接收机的时差，消除多个接收机由于时间不同步产生的测量误差。其主要效果有：
1)降低了定位系统成本。设置信标后，接收机将不再需要复杂的同步链路，一般接收机上的同步链路成本要2-3万元，信标成本可以控制在几千元。如果一个区域要部署十个接收机，则会节省20-30万元成本。另外设置信标后，对接收机自身时钟信号的精度也会降低，可以采用更便宜的晶振达到同样的定位精度。这也会给每个接收机降低接近1万元的成本。
2)降低了定位系统部署对场地环境的要求。如果采用同步链路，在部署的时候，会要求接收机之间尽量保持通视无阻挡，这在复杂环境下，往往难以做到。采用信标后，只需要在目标定位区域内设置信标，保证信标和各个接收机通视即可，这一点很容易保证。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (4)
1.一种对非配合无线通信终端信号到达时差提取方法，其特征在于,包括以下步骤：
步骤1、目标终端信号到达接收站2和接收站1的真实时间差为：
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信标信号到达接收站2和接收站1之间的真实时间差为：
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上面公式中，接收站1测量得到信标信号和目标终端信号到达时间分别为和接收站2测量得到信标信号和目标终端信号到达时间分别为和以发射时钟为基准，接收站1时钟超前发射|ΔT1|，接收站2时钟滞后发射|ΔT2|，表示目标终端信号到达接收站1和接收站2的时间差，表示信标信号到达接收站1和接收站2的时间差；
步骤2、修正时钟误差，得到修正后目标终端信号到达接收站2和接收站1的时差为：
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ΔL21为信标分别与接收站2、接收站1之间的距离的差，C为光速。
2.如权利要求1所述的一种对非配合无线通信终端信号到达时差提取方法，其特征在于，所述步骤2的具体计算方法是：信标分别与接收站2、接收站1之间的距离的差记为ΔL21，
则
将(3)式代入(1)式，得到步骤2中的(4)式。
3.如权利要求1所述的一种对非配合无线通信终端信号到达时差提取方法，其特征在于：所述计算信标和目标终端信号到达N个接收站中任意两个的时间差的计算原理与步骤1原理相同，其中N≥2。
4.如权利要求1所述的一种对非配合无线通信终端信号到达时差提取方法，其特征在于：所述修正时钟误差，得到修正后目标终端信号到达N个接收站中任意两个的时间差的计算原理与步骤2原理相同，其中N≥2。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20171201 |