CN113163486B - 一种基于5g tdoa的相对定位方法及系统 - Google Patents

一种基于5g tdoa的相对定位方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于5G TDOA的相对定位方法及系统，通过增设已知坐标的基准站，基准站与用户终端接收相同5G基站播发的定位参考信号，基准站将获得的TDOA观测值及基准站坐标信息通过通信链路实时地传输给用户终端进行相对定位，用户终端将自身接收到的TDOA观测值与基准站TDOA观测值进行求差，消除基站间的时间同步误差，组成相对基线，进而根据已知的基准站坐标和解算得到的基线向量改正数获得用户终端精确坐标，实现定位。本发明避免了基于TDOA的定位方法对基站之间较高时间同步要求，无需使用原子钟或光纤同步基站，降低系统建设成本，基于5G室内外基站大规模部署的有利条件，以较低的定位系统部署成本实现了一体化的通信和定位覆盖。

Description

一种基于5G TDOA的相对定位方法及系统
技术领域
本发明属于无线定位技术领域，特别涉及5G通信定位系统及定位方法及系统。
背景技术
目前基于全球卫星导航系统的定位方法已经广泛应用，然而在复杂的城市环境下遮挡众多，卫星定位信号往往无法满足定位要求，甚至难以接收到卫星信号。对于室内场景的定位精度要求的提升，目前现有以室内定位为主要诉求点的定位技术如Wifi、UWB、蓝牙定位，存在或部署成本高或覆盖范围小等缺陷。4G LTE移动通信系统终端定位精度超过100米，难以满足室内定位要求。IEEE 802.11成立了NGP研究下一代高精度室内定位，中国IMT-2020(5G)推进组2015年2月发布的《5G概念白皮书》中把“移动互联网和物联网将成为5G发展的主要驱动力”作为5G系统需求基础。
相比前代3G、4G通信系统主要满足通信方面的需求，5G引入的毫米波、大规模MIMO、UDN、以及D2D等技术，不仅提高了系统通信性能，同时也提高了基站定位的精度。因此，使用5G NR系统定位技术不仅是对城市峡谷环境下卫星定位的补充，更是室内定位的新解决方案。
现有移动通信系统终端定位技术主要包括基于Cell-ID的定位技术、基于TOA的定位技术、基于TDOA定位技术、基于AOA定位技术以及A-GNSS定位技术。其中CID定位技术精度较低，AOA定位技术布设成本高且对距离敏感，基于到达时间(TOA)的定位方法测量至少3个基站信号到达时间进行圆形定位，它要求基站和终端具有严格的时间同步。当收发端间难以达到严格的时间同步，还可以通过计算两个基站信号到达的时间差进行位置估计，即基于到达时间差(TDOA)定位方法，基站之间的时间同步误差仍是基于TDOA观测值的重要影响因素。目前大多采用原子钟或光纤达到设备间时间同步，由于5G基站数量远超4G，故消耗成本也大幅提升。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提出一种基于5G TDOA的相对定位技术方案，能够解决现有TDOA定位技术对基站之间的同步要求，同时降低系统建设成本，实现面向5G的低成本高精度定位。
为了实现上述目的，本发明提出的技术方案如下：
本发明提出一种基于5G TDOA的相对定位方法，通过增设已知坐标的基准站，基准站与用户终端接收相同5G基站播发的定位参考信号，基准站将获得的TDOA观测值及基准站坐标信息通过通信链路实时地传输给用户终端进行相对定位，用户终端将自身接收到的TDOA观测值与基准站TDOA观测值进行求差，基于同一时刻不同定位端受基站时间同步误差影响相同的原理，消除基站间的时间同步误差，组成相对基线，进而根据已知的基准站坐标和解算得到的基线向量改正数获得用户终端精确坐标，实现定位。
而且，实现方式包括以下步骤，
1)预先测量定位区域内安置的基准站坐标；
2)基准站接收5G基站发射定位参考信号，进行信息相关处理获得TDOA观测值；
3)基准站将获得的TDOA观测值及基准站坐标通过通信链路实时地传输给用户终端；
4)用户终端接收相同5G基站发射的定位参考信号，进行信息相关处理获得TDOA观测值；
5)用户终端将自身接收到的TDOA观测值与基准站TDOA观测值进行求差，利用接收到的基站坐标解算基线向量参数；
6)用户终端利用接收到的基准站坐标，加上基线向量改正数获得自身精确位置坐标。
而且，所述用户终端将自身接收到的TDOA观测值与基准站TDOA观测值进行求差，实现方式如下式，
设有基站1、基站2和基站3，Rj1为待测终端到第j个基站与到第1个基站的距离差，Rj1 0为代入待定终端近似坐标(xu 0,yu 0)计算得到的Rj1，Rj10为基准站到第j个基站与到第1个基站的距离差，j＝2,3；
Figure BDA0003028277990000021
其中，c为光速，tj1为待测终端观测第j个基站与第1个基站间的TDOA值，tj10为基准站观测第j个基站与第1个基站间的TDOA值，lj1与mj1为线性化系数，(dΔx,dΔy)为基线向量近似值改正数。
而且，所述用户终端利用接收到的基准站坐标，加上基线向量改正数获得自身精确位置坐标，实现方式如下式，
Figure BDA0003028277990000031
其中，待定终端的坐标(xu,yu)表示为近似坐标(xu 0,yu 0)与坐标改正数(dxu,dyu)之和，或者表示为起算点坐标(x0,y0)与基线向量(Δx,Δy)之和，当待定终端取近似坐标值(xu 0,yu 0)时基线向量近似值为(Δx0,Δy0)。
另一方面，本发明还提供一种基于5G TDOA的相对定位系统，用于实现如上任一项所述的一种基于5G TDOA的相对定位方法。
而且，所述系统包括在5G基站定位系统基础上增设已知坐标的基准站，基准站与用户终端接收相同5G基站播发的定位参考信号，基准站将获得的TDOA观测值及基准站坐标信息通过通信链路实时地传输给用户终端进行相对定位，用户终端将自身接收到的TDOA观测值与基准站TDOA观测值进行求差，基于同一时刻不同定位端受基站时间同步误差影响相同的原理，消除基站间的时间同步误差，组成相对基线，进而根据已知的基准站坐标和解算得到的基线向量改正数获得用户终端精确坐标，实现定位。
本发明的有益效果是：
无需使用原子钟或光纤满足5G基站的时间同步要求，仅增设一台基准站接收机消除基站时间同步误差，基准站使用与用户终端相同的终端设备即可，系统建设成本低廉且可靠性高，无需使用光纤等高成本时间同步即可达到高精度5G基站定位，利用5G超密集组网(UDN)特性可实现覆盖室内外区域高精度定位。
本发明方案实施简单方便，实用性强，解决了相关技术存在的实用性低及实际应用不便的问题，能够提高用户体验，具有重要的市场价值。
附图说明
图1表示本发明实施例提供的定位方法的原理示意图。
图2表示本发明实施例提供的定位方法流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例具体说明本发明的技术方案。
本发明实施例提供一种基于5G TDOA的相对定位方法，通过增设已知坐标的基准站，基准站与用户终端接收相同5G基站播发的定位参考信号，获得的TDOA值及基准站坐标等信息通过通信链路实时地传输给用户终端进行相对定位，用户终端将自身接收到的TDOA观测数据与基准站TDOA观测值进行求差，基于同一时刻不同定位端受基站时间同步误差影响相同的原理，消除基站间的时间同步误差，组成相对基线，进而根据已知的基准站坐标和解算得到的基线向量改正数获得用户终端精确坐标。
参见图1，介绍本发明的定位方法原理，假设按照现有技术设置的5G基站定位系统包括有基站1、基站2和基站3，本发明提出设置基准站，以便实现对待测终端(即待定位的用户端)的定位。具体实施时，基准站的装置实现同终端设备相同，含有接收和发送天线，具备接收和解算5G信号功能以及通信功能。使用基准站参与相对定位的TDOA数据应当涵盖或与用户终端能够接收到信号的5G基站相同。
观测方程为
Figure BDA0003028277990000041
其中，xu，yu为待测终端位置坐标，x0，y0为基准站位置坐标，xi，yi(i＝1,2,3)为基站的坐标，Rj1(j＝2,3)为待测终端到第j个基站与到第1个基站的距离差，Rj10(j＝2,3)为基准站到第j个基站与到第1个基站的距离差，c为光速，tj1(j＝2，3)为待测终端观测第j个基站与第1个基站间的TDOA值(到达时间差)，tj10(j＝2，3)为基准站观测第j个基站与第1个基站间的TDOA值(到达时间差)，δtj1(j＝2，3)为第j个基站相对于第1个基站的同步误差。
具体实施时，可预先给定观测方程在待定终端的近似坐标(xu 0，yu 0)，例如利用基站小区识别码Cell-ID概略定位。将如式(1)中观测方程在待定终端的近似坐标(xu 0，yu 0)处线性化得到
Figure BDA0003028277990000042
其中，Rj1 0为代入待定终端近似坐标(xu 0，yu 0)计算得到的Rj1，lj1与mj1为线性化系数，(dxu,dyu)为待定终端坐标改正数(j＝2,3)。
将1、3与2、4两式分别相减可得
Figure BDA0003028277990000051
可见，在基准站和用户终端再次求差可以消除5G基站间的系统相对时间误差。
基准站的已知真实坐标值(x0,y0)经事先精密定位获得，作为基线的已知端起算，即将已知真实坐标值(x0,y0)作为起算点。若取待定终端的坐标值(xu,yu)与起算点(x0,y0)之差作为基线向量(Δx,Δy)，当待定终端取近似坐标值(xu 0,yu 0)时基线向量近似值为
Figure BDA0003028277990000052
其中，(Δx0,Δy0)为用户终端的近似坐标与起算坐标作差求得的近似基线向量。
则待定终端的坐标(xu,yu)可以表示为近似坐标(xu 0,yu 0)与坐标改正数(dxu,dyu)之和，也可表示为起算点坐标(x0,y0)与基线向量(Δx,Δy)之和
Figure BDA0003028277990000053
即此待定终端的坐标改正数(dxu,dyu)等于基线向量近似值改正数(dΔx,dΔy)，因此
Figure BDA0003028277990000054
上式即为误差方程，其中待求解的未知参数为dΔx和dΔy，基准站位置坐标加上解算得到的改正数即可得到用户终端的精确位置坐标。
如图2所示，实施例提供的一种基于5G TDOA的相对定位方法，包括如下步骤：
1)输入定位区域内安置的基准站接收终端坐标，可以事先精密测量获取该坐标，如卫星定位测量、导线测量；
2)基准站接收5G基站发射定位参考信号，进行信息相关处理获得的TDOA相关参数值，具体实施时若获取的是TOA值则可进行基站间作差处理，效果类似；具体信息相关处理为现有的5G信号解调技术，本发明不再赘述；
3)基准站将获得的TDOA值及基准站坐标等信息(通常还包括时间、基站编号和信号强度)通过通信链路实时地传输给用户终端；
4)用户终端接收相同5G基站发射的定位参考信号，进行信息相关处理获得TDOA参数值，若获取TOA值则进行基站间作差处理；具体信息相关处理为现有的5G信号解调技术，本发明不再赘述；
5)用户终端将接收的TDOA观测数据与基准站TDOA数据根据式(6)进行求差，利用接收到的基站坐标解算基线向量参数；
6)用户终端利用接收到的基准站坐标，根据式(5)加上基线向量改正数获得自身精确位置坐标。
步骤6)实际上是根据以下关系获得定位结果：
Figure BDA0003028277990000061
具体实施时，本发明技术方案提出的方法可由本领域技术人员采用计算机软件技术实现自动运行流程，实现方法的系统装置例如存储本发明技术方案相应计算机程序的计算机可读存储介质以及包括运行相应计算机程序的计算机设备，也应当在本发明的保护范围内。
在一些可能的实施例中，提供一种基于5G TDOA的相对定位系统，包括在5G基站定位系统基础上增设已知坐标的基准站，基准站与用户终端接收相同5G基站播发的定位参考信号，基准站将获得的TDOA观测值及基准站坐标信息通过通信链路实时地传输给用户终端进行相对定位，用户终端将自身接收到的TDOA观测值与基准站TDOA观测值进行求差，基于同一时刻不同定位端受基站时间同步误差影响相同的原理，消除基站间的时间同步误差，组成相对基线，进而根据已知的基准站坐标和解算得到的基线向量改正数获得用户终端精确坐标，实现定位。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种基于5G TDOA的相对定位方法，其特征在于：通过增设已知坐标的基准站，基准站与用户终端接收相同5G基站播发的定位参考信号，基准站将获得的TDOA观测值及基准站坐标信息通过通信链路实时地传输给用户终端进行相对定位，用户终端将自身接收到的TDOA观测值与基准站TDOA观测值进行求差，基于同一时刻不同定位端受基站时间同步误差影响相同的原理，消除基站间的时间同步误差，组成相对基线，进而根据已知的基准站坐标和解算得到的基线向量改正数获得用户终端精确坐标，实现定位；
所述用户终端将自身接收到的TDOA观测值与基准站TDOA观测值进行求差，实现方式如下式，
设有基站1、基站2和基站3，Rj1为待测终端到第j个基站与到第1个基站的距离差，Rj1 0为代入待定终端近似坐标(xu 0,yu 0)计算得到的Rj1，
Figure FDA0003560183470000013
为基准站到第j个基站与到第1个基站的距离差，j＝2,3；
Figure FDA0003560183470000011
其中，c为光速，tj1为待测终端观测第j个基站与第1个基站间的TDOA值，
Figure FDA0003560183470000012
为基准站观测第j个基站与第1个基站间的TDOA值，lj1与mj1为线性化系数，(dΔx,dΔy)为基线向量近似值改正数。
2.如权利要求1所述基于5G TDOA的相对定位方法，其特征在于：实现方式包括以下步骤，
1)预先测量定位区域内安置的基准站坐标；
2)基准站接收5G基站发射定位参考信号，进行信息相关处理获得TDOA观测值；
3)基准站将获得的TDOA观测值及基准站坐标通过通信链路实时地传输给用户终端；
4)用户终端接收相同5G基站发射的定位参考信号，进行信息相关处理获得TDOA观测值；
5)用户终端将自身接收到的TDOA观测值与基准站TDOA观测值进行求差，利用接收到的基站坐标解算基线向量参数；
6)用户终端利用接收到的基准站坐标，加上基线向量改正数获得自身精确位置坐标。
3.根据权利要求1或2所述基于5G TDOA的相对定位方法，其特征在于：所述用户终端利用接收到的基准站坐标，加上基线向量改正数获得自身精确位置坐标，实现方式如下式，
Figure FDA0003560183470000021
其中，待定终端的坐标(xu,yu)表示为近似坐标(xu 0,yu 0)与坐标改正数(dxu,dyu)之和，或者表示为起算点坐标(x0,y0)与基线向量(Δx,Δy)之和，当待定终端取近似坐标值(xu 0,yu 0)时基线向量近似值为(Δx0,Δy0)。
4.一种基于5G TDOA的相对定位系统，其特征在于：用于实现如权利要求1-3任一项所述的一种基于5G TDOA的相对定位方法。
5.根据权利要求4所述基于5G TDOA的相对定位系统，其特征在于：包括在5G基站定位系统基础上增设已知坐标的基准站，基准站与用户终端接收相同5G基站播发的定位参考信号，基准站将获得的TDOA观测值及基准站坐标信息通过通信链路实时地传输给用户终端进行相对定位，用户终端将自身接收到的TDOA观测值与基准站TDOA观测值进行求差，基于同一时刻不同定位端受基站时间同步误差影响相同的原理，消除基站间的时间同步误差，组成相对基线，进而根据已知的基准站坐标和解算得到的基线向量改正数获得用户终端精确坐标，实现定位。
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