CN107613558A - 一种基于单根接收天线的基站定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于单根接收天线的基站定位系统，用于对静止的通信基站进行定位，包括：信号接收模块，接收基站天线发射的信号；定位模块，用于对信号接收模块实时定位；信号处理模块，接收并处理信号接收模块发出的通信数据，估算基站天线信号到达信号接收模块的到达角DOA和信号接收模块的移动速度，结合定位模块发出的实时定位数据，运用几何运算关系计算出基站天线的位置；运动模块，所述的信号接收模块、定位模块和信号处理模块固定在运动模块上，所述的运动模块做直线运动。与现有技术相比，本发明具有成本低、计算简单等优点。

Description

一种基于单根接收天线的基站定位系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基站定位系统，尤其是涉及一种基于单根接收天线的基站定位系统及方法。

背景技术

随着移动通信技术的发展，移动通信基站的分布也越来越密集，由通信基站组成的蜂窝网移动通信系统也越来越成熟，近年来利用移动通信基站对通信终端进行无线定位成了移动通信应用发展的新方向。在利用移动通信基站对通信终端进行无线定位的技术中，必须先清楚的知道每一个移动通信基站天线的位置。如果要人为的去找到这些基站的位置，然后对其进行测量定位，这将会是一个耗时耗力的工程。但是如果能实现通过终端对移动通信基站天线进行定位，将使得终端也具备了定位功能，同时增强移动通信功能的实用性，节约定位成本。

当前现有的定位技术主要有基于三角关系和运算的定位技术、基于场景分析的定位技术以及基于临近关系的定位技术。基于三角关系和运算的定位技术根据测量得出的数据，估计信号到达角DOA，再利用几何三角关系计算被测物体的位置。基于场景分析的定位技术对定位的特定环境进行抽象化和形式化，把环境中的各个位置用具体的、量化参数描述出来，并将这些信息集成一个数据库。在进行定位时，先获取所需定位物体所在位置的特征，然后根据这些特征并结合特定的匹配规则在数据库中查询，确定物体的位置。基于临近关系的定位技术通常需要一个辅助的标识系统，根据待定位物体与多个已知标识的临近关系来定位。

信号到达角DOA技术可以实现比较精确的定位功能。采用DOA技术实现对基站天线的定位，需要事先放置数量大于两根的接收天线组，组成天线阵列。这些接收天线阵列共同工作，接收同一个基站发射的信号，由此确定基站天线所发射的信号相对于这些接收天线阵列的角度即信号到达角DOA(这里的DOA主要指的是方向角azimuth和俯仰角elevation)。当天线阵列中有不少于两根天线发现了基站天线的信号角时，从这几根接收天线按照各自信号到达角DOA方向分别引出射线，射线的交点就是基站天线所在的位置。

文献“Qiaowei Yuan,Qiang Chen and K.Sawaya,Accurate DOA estimationusing array antenna with arbitrary geometry”中提出了使用天线阵列并应用MUSIC算法进行DOA估计的方法。该方法需要用到多根天线构成天线阵列，在对天线的性能要求较高的微波毫米波频段，采用天线阵列必然会提高成本，并且使得整个系统显得比较笨重。

文献“Xuesong Cai，Xuefeng Yin，and Antonio Perez Yuste.Direction-of-Arrival Estimation Using Single Antenna in High-Speed-Train Environments”中提出了使用虚拟阵列并结合SAGE算法实现DOA估计的方法，还用到多普勒频移效应进行接收信号频移估计。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种操作简单、成本低的基于单根接收天线的基站定位系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于单根接收天线的基站定位系统，用于对静止的通信基站进行定位，包括：

信号接收模块，接收基站天线发射的信号；

定位模块，用于对信号接收模块实时定位；

信号处理模块，接收并处理信号接收模块发出的通信数据，估算基站天线信号到达信号接收模块的到达角DOA和信号接收模块的移动速度，结合定位模块发出的实时定位数据，运用几何运算关系计算出基站天线的位置；

运动模块，可以是汽车或者电机带动的运动平台，所述的信号接收模块、定位模块和信号处理模块固定在运动模块上，所述的运动模块做直线运动。

所述的信号接收模块包括相互连接的信号接收天线和无线电接收设备，所述的信号接收天线为单根天线，所述的无线电接收设备以设定的采用速率对信号接收模块接收到达信号采样，并将已采样的信号数据传输到信号处理模块。

所述的定位模块包括GPS定位装置和定位信号发送设备，所述的定位信号发送设备分别与GPS定位装置和信号处理模块连接。

所述的信号处理模块包括信号存储设备和数字信号处理器，所述的信号存储设备分别与信号接收模块、定位模块和数字信号处理器连接。

一种采用所述的基于单根接收天线的基站定位系统进行基站定位的方法，包括以下步骤：

S1，运动模块以先靠近基站、后远离基站的方式做直线运动，同时，信号处理模块接收并存储信号接收模块发出的通信数据序列和定位模块发送的定位数据序列，可根据数据中包含的时间信息得到通信数据和定位数据之间的对应关系；

S2，信号处理模块获取到符合计算条件的数据序列后，采用估计算法，得到基站天线信号到达信号接收模块的到达角DOA序列以及信号接收模块的移动速度序列；

S3，信号处理模块通过拟合得到信号处理模块在移动路径上距离基站最近的点，运用三角运算关系计算得到基站的位置。

所述的步骤S2中，所述的估计算法为SAGE算法或MUSIC算法。

所述的步骤S3包括以下步骤：

S31，信号处理模块采用估计算法得到DOA序列，将其拟合成连续的DOA曲线，由多普勒频移效应得到相应的频移曲线，为方便计算，以基站为z轴，x轴与运动模块的运动轨迹平行，DOA包括俯仰角和方向角，俯仰角为基站和信号接收模块之间的连线矢量与z轴的夹角，方向角为基站和信号接收模块之间的连线矢量在xy平面上的投影与x轴的夹角；

S32，在DOA曲线上选择两个相邻时刻点t_a和t₀，其中t₀时刻的方向角为90°，计算两时刻点信号接收模块与基站的水平距离d_a和d₀；

S33，根据下式计算基站的水平坐标(x,y)和基站天线高度h：

h＝d₀·tan(θ₀-90°)

其中，s为t_a和t₀两时刻点之间信号接收模块运动的距离，t_a和t₀两时刻点信号接收模块的水平坐标为(x_a，y_a)和(x₀，y₀)，θ₀为时刻t₀对应的俯仰角。

所述的步骤S32中，两时刻点信号处理模块与基站的水平距离d_a和d₀计算式如下：

其中，s为t_a和t₀两时刻点之间信号接收模块运动的距离，为t_a时刻的方向角，s计算式为：s＝v·(t₀-t_a)，其中v为信号接收模块运动速度，通过多普勒频移求得。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)采用运动模块承载信号接收模块和定位模块，只需要用到单根信号接收天线，大大减少成本，同时根据运动的不同，可以运动和静止场景下实现对基站天线的定位，增加系统便捷性。静止场景时，将系统固定于两个或三个不同的地点进行数据测量，测得这几个位置的数据，根据这些数据来定位。

(2)使用DOA估计、多普勒频移并结合空间几何三角关系来实现对基站的定位以及天线高度的计算，计算过程简单，成本低。

(3)信号处理模块也固定在运动模块上，数据可以实时接收，提高处理效率。

附图说明

图1为本发明的定位系统结构示意图；

图2为本发明的定位方法流程图；

图3为本实施例中俯仰角和方向角的定义示意图；

图4为t_a和t₀两个时刻的信号接收模块位置以及基站位置的几何关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，一种基于单根接收天线的基站定位系统，用于对静止的通信基站进行定位，包括：

信号接收模块，接收基站天线发射的信号，包括相互连接的信号接收天线1和无线电接收设备3，信号接收天线1为单根天线，无线电接收设备3以设定的采用速率对信号接收模块接收到达信号采样，并将已采样的信号数据传输到信号处理模块；

定位模块，用于对信号接收模块实时定位，包括GPS定位装置和定位信号发送设备2，定位信号发送设备2分别与GPS定位装置和信号处理模块连接。

信号处理模块，包括信号存储设备4和数字信号处理器5，信号存储设备4分别与无线电接收设备3、定位信号发送设备2和数字信号处理器5连接，数字信号处理器5为DSP，作用是处理通信数据，估算基站天线信号到达信号接收模块的到达角DOA和信号接收模块的移动速度，结合定位信号发送设备2发出的实时定位数据，运用几何运算关系计算出基站天线的位置；

运动模块，可以是汽车或者电机带动的运动平台，信号接收模块、定位模块和信号处理模块固定在运动模块上，运动模块做直线运动。

如图2所示，一种采用基于单根接收天线的基站定位系统进行基站定位的方法，包括以下步骤：

S1，将系统安装并稳定以后，运动模块以恒定速度先靠近基站、后远离基站的方式做直线运动，同时，信号存储设备4接收并存储信号接收模块发出的通信数据序列和定位模块发送的定位数据序列，可根据数据中包含的时间信息得到通信数据和定位数据之间的对应关系请确认；

S2，数字信号处理器5获取到符合计算条件的数据序列后，采用SAGE算法或MUSIC估计算法，得到基站天线信号到达信号接收模块的到达角DOA序列以及信号接收模块的移动速度序列；

S3，数字信号处理器5通过拟合得到信号处理模块在移动路径上距离基站最近的点，运用三角运算关系计算得到基站的位置。

步骤S3包括以下步骤：

S31，数字信号处理器5采用估计算法得到DOA序列，将其拟合成连续的DOA曲线，由多普勒频移效应得到相应的频移曲线，为计算方便，以基站为z轴，x轴与运动模块的运动轨迹平行，DOA包括俯仰角和方向角，俯仰角为基站和信号接收天线1之间的连线矢量与z轴的夹角，方向角为基站和信号接收天线1之间的连线矢量在xy平面上的投影与x轴的夹角，如图3所示，θ为俯仰角，为方向角；

S32，在DOA曲线上选择两个相邻时刻点t_a和t₀，其中t₀时刻的方向角为90°(代表此时信号接收天线1距离基站最近)，计算两时刻点信号接收天线1与基站的水平距离d_a和d₀，d_a和d₀计算式如下：

其中，s为t_a和t₀两时刻点之间信号接收天线1运动的距离，为t_a时刻的方向角，s计算式为：s＝v·(t₀-t_a)，其中v为信号接收天线1运动速度，通过多普勒频移求得，在此工作过程中，基站天线是静止的，只有信号接收天线1在匀速直线运动，由多普勒频移得接收到的信号频率是：

f'＝f·(c±v)/c

其中f'是接收到的信号频率，f是发射的信号频率，c是光速，v是信号接收天线1移动速度，正负值表示靠近和远离基站。

由此求得移动速度：

±v＝-c+c·f'/f；

S33，计算基站的水平坐标(x,y)和基站天线高度h：

h＝d₀·tan(θ₀-90°)

如图4所示，根据t_a和t₀两个时刻的位置以及基站位置的几何关系，

利用t_a和t₀两个时刻的位置以及基站在地面的投影位置的三角关系，由矢量的內积和外积，可以得到：

(x-x₀)(x_a-x₀)+(y-y₀)(y_a-y₀)＝0 (a)

(x-x₀)(y_a-y₀)-(x_a-x₀)(y-y₀)＝sd₀ (b)

由(a)式得到：

代入(b)式求得：

利用t₀时刻的位置以及基站位置构成的三角关系求得：

h＝d₀·tan(θ₀-90°)

其中，s为t_a和t₀两时刻点之间信号接收天线1运动的距离，t_a和t₀两时刻点信号接收天线1的水平坐标为(x_a，y_a)和(x₀，y₀)，可由GPS定位装置获取，θ₀为时刻t₀对应的俯仰角，从估计出的俯仰角变化曲线中取得。

Claims (10)

1.一种基于单根接收天线的基站定位系统，用于对静止的通信基站进行定位，其特征在于，包括：

信号接收模块，接收基站天线发射的信号；

定位模块，用于对信号接收模块实时定位；

信号处理模块，接收并处理信号接收模块发出的通信数据，估算基站天线信号到达信号接收模块的到达角DOA和信号接收模块的移动速度，结合定位模块发出的实时定位数据，运用几何运算关系计算出基站天线的位置；

运动模块，所述的信号接收模块、定位模块和信号处理模块固定在运动模块上，所述的运动模块做直线运动。

2.根据权利要求1所述的一种基于单根接收天线的基站定位系统，其特征在于，所述的信号接收模块包括相互连接的信号接收天线(1)和无线电接收设备(3)，所述的信号接收天线(1)为单根天线，所述的无线电接收设备(3)以设定的采用速率对信号接收模块接收到达信号采样，并将已采样的信号数据传输到信号处理模块。

3.根据权利要求1所述的一种基于单根接收天线的基站定位系统，其特征在于，所述的定位模块包括GPS定位装置和定位信号发送设备(2)，所述的定位信号发送设备(2)分别与GPS定位装置和信号处理模块连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于单根接收天线的基站定位系统，其特征在于，所述的信号处理模块包括信号存储设备(4)和数字信号处理器(5)，所述的信号存储设备(4)分别与信号接收模块、定位模块和数字信号处理器(5)连接。

5.一种采用如权利要求1～4中任一所述的基于单根接收天线的基站定位系统进行基站定位的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，运动模块以先靠近基站、后远离基站的方式做直线运动，同时，信号处理模块接收并存储信号接收模块发出的通信数据序列和定位模块发送的定位数据序列；

S2，信号处理模块获取到符合计算条件的数据序列后，采用估计算法，得到基站天线信号到达信号接收模块的到达角DOA序列以及信号接收模块的移动速度序列；

S3，信号处理模块通过拟合得到信号处理模块在移动路径上距离基站最近的点，运用三角运算关系计算得到基站的位置。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的步骤S2中，所述的估计算法为SAGE算法或MUSIC算法。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的步骤S3包括以下步骤：

S31，信号处理模块采用估计算法得到DOA序列，将其拟合成连续的DOA曲线，由多普勒频移效应得到相应的频移曲线，其中，DOA包括俯仰角和方向角；

S32，在DOA曲线上选择两个相邻时刻点t_a和t₀，其中t₀时刻的方向角为90°，计算两时刻点信号接收模块与基站的水平距离d_a和d₀；

S33，运用几何运算关系计算基站的水平坐标和基站天线高度。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的步骤S31中，俯仰角为基站和信号接收模块之间的连线矢量与z轴的夹角，方向角为基站和信号接收模块之间的连线矢量在xy平面上的投影与运动方向的夹角，其中，z轴与基站平行或重合，x轴与运动模块的运动轨迹平行或重合。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的步骤S33中，根据下式计算基站的水平坐标(x,y)和基站天线高度h：

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h＝d₀·tan(θ₀-90°)

其中，s为t_a和t₀两时刻点之间信号接收模块运动的距离，t_a和t₀两时刻点信号接收模块的水平坐标为(x_a，y_a)和(x₀，y₀)，θ₀为时刻t₀对应的俯仰角，以基站为z轴。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的步骤S32中，两时刻点信号处理模块与基站的水平距离d_a和d₀计算式如下：

其中，s为t_a和t₀两时刻点之间信号接收模块运动的距离，为t_a时刻的方向角，s计算式为：s＝v·(t₀-t_a)，其中v为信号接收模块运动速度，通过多普勒频移求得。