CN113207086A - 基于已知坐标参考站的5g基站时间同步误差消除方法 - Google Patents

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宋伟伟
林巍
楼益栋
郭文飞
朱轶群
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Abstract

本发明提供一种基于已知坐标参考站的5G基站时间同步误差消除方法，增设一个或多个已知坐标的参考测站接收5G系统定位参考信号，将获得的TDOA值信息通过5G通信链路实时地传输给系统服务平台参与定位解算，以获得各个基站之间的相对时间同步误差；系统服务平台通过5G通信链路将解算得到的基站间相对时间误差参数作为差分信息播发给待定位的用户终端，用户终端接收来自基站的TDOA值、基站坐标及系统服务平台播发的基站间相对时间误差参数，解算出用户的精确位置坐标，实现定位。本发明仅增设一台低成本参考站接收终端消除基站时间同步误差，无需使用光纤等高成本时间同步即可满足高精度5G定位。

Description

基于已知坐标参考站的5G基站时间同步误差消除方法
技术领域
本发明属于5G通信无线定位技术领域，特别涉及基于已知坐标参考站的5G基站时间同步误差消除方法。
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，更是室内定位一种新的解决方案。
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(但仍然要求基站间时间精确同步)，即基于到达时间差(TDOA)定位方法，同步误差是基于时间观测值的重要影响因素。目前大多采用原子钟或光纤达到时间同步，由于5G基站数量是4G的2-3倍，消耗成本也大幅提升。
发明内容
鉴于上述问题，本发明基于已知坐标参考站的5G基站时间同步误差消除方法，能够降低定位成本且解决现有TDOA定位技术对基站之间的同步要求，实现面向5G的高精度定位。
为了实现上述目的，本发明提出的技术方案提供一种基于已知坐标参考站的5G基站时间同步误差消除方法，增设一个或多个已知坐标的参考测站接收5G系统定位参考信号，将获得的TDOA值信息通过5G通信链路实时地传输给系统服务平台参与定位解算，以获得各个基站之间的相对时间同步误差；系统服务平台通过5G通信链路将解算得到的基站间相对时间误差参数作为差分信息播发给待定位的用户终端，用户终端接收来自基站的TDOA值、基站坐标及系统服务平台播发的基站间相对时间误差参数，解算出用户的精确位置坐标，实现定位。
而且，实现方式包括以下步骤，
1)定位区域内安置一个或多个参考站接收终端，并且位置坐标事先精密标定；
2)参考站接收5G基站发射定位参考信号，获得TDOA值并向系统服务平台发送；
3)系统服务平台根据步骤2)接收到的TDOA值数据，调取相应的基站坐标与参考站坐标进行参数解算，得到基站时间同步误差，获取基站间相对时间误差参数；
4)系统服务平台根据步骤3)解算得到的基站间相对时间误差参数，完成系统服务平台的误差校正；
5)系统服务平台将步骤3)解算得到的基站间相对时间误差参数作为差分信息播发给待定位的用户终端；
6)用户终端接收来自基站的TDOA值、基站坐标及系统服务平台播发的基站间相对时间误差参数；
7)用户终端根据步骤6)接收的信息进行定位解算获得自身精确位置坐标。
而且，步骤3)中，调取相应的基站坐标与参考站坐标，按下式进行参数解算，得到基站时间同步误差，
Figure BDA0003028541290000021
其中，x0，y0为参考站的坐标，xi，yi为第i个基站的坐标，i＝1，2，3；Rj1 0为参考站到基站j与到第1个基站的距离差，c为光速，tj1 0为参考站观测第j个基站与第1个基站间的TDOA值，δtj1为第j个基站相对于第1个基站的同步误差，j＝2，3。
而且，步骤7)中，用户终端按下式进行定位解算获得自身精确位置坐标，
Figure BDA0003028541290000031
其中，x，y为用户终端的位置坐标，Rj1分别为待测终端到第j个基站与到第1个基站的距离差，c为光速，tj1分别为待测终端观测第j个基站与第1个基站间的TDOA值，j＝2，3。
本发明的有益效果是：
利用5G超密集组网(UDN)特性，进行覆盖室内外的高精度定位。仅增设一台低成本参考站接收终端消除基站时间同步误差，无需使用光纤等高成本时间同步即可满足高精度5G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表示本发明实施例的系统结构与定位原理示意图。
图2表示本发明实施例的流程图。
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。
无需使用原子钟或光纤满足5G基站的时间同步要求，系统中增设一个或多个已知坐标的参考测站接收5G系统定位参考信号，将获得的TDOA值等信息通过5G通信链路实时地传输给系统平台参与定位解算以获得各个基站之间的相对时间同步误差。系统服务平台通过5G通信链路将解算得到的基站间相对时间误差参数作为差分信息播发给待定位的用户终端，用户终端接收来自基站的TDOA值、基站坐标及系统服务平台播发的基站间相对时间误差参数，解算出用户的精确位置坐标，实现定位。
在现有的5G运营商基站网络部署下，在定位服务区域范围内增设一个或多个已知坐标的参考站，其坐标可通过精密定位方法获得，两者组成的5G定位系统架构可实现更高定位精度。具体实施时，参考站可采用现有装置，例如各通信公司生产的5G终端机。基于TDOA的定位技术即指通过测量信号到达任意2个基站的时间差，构造以基站为焦点、以距离差为长轴的双曲线，得到两个交点。根据其他一些条件，增加一个基站或利用一些额外信息例如入射角度等再进行二次判别，从而排除干扰点的坐标而最终获得未知节点的坐标。
由于基站之间尚未进行时间同步，故n个基站之间存在n-1的相对时间同步误差，视情况在定位系统中设置一个或多个参考站。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TDOA差分定位系统包括有基站1、基站2和基站3，本发明提出设置参考站，以便实现对待测终端(即待定位的用户端)的定位。在通常的TDOA平面定位方法中，用户终端定位的X和Y坐标为2个未知参数，至少需要利用3个基站，则存在2个相对时间同步误差参数，参考站的观测方程为
Figure BDA0003028541290000041
其中，x0，y0为参考站的坐标，xi，yi(i＝1，2，3)为第i个基站的坐标，Rj1 0(j＝2，3)分别为参考站到基站j与到第1个基站的距离差，c为光速，tj1 0(j＝2，3)为参考站观测第j个基站与第1个基站间的TDOA值，δtj1(j＝2，3)为第j个基站相对于第1个基站的同步误差，即方程组中的未知参数。
通过解算此双曲线方程组，可以求得2个相对时间同步误差δtj1(j＝2，3)，代入用户终端的观测方程有
Figure BDA0003028541290000042
其中，x，y为用户终端的位置坐标，是方程中的未知参数。Rj1(j＝2，3)分别为待测终端到第j个基站与到第1个基站的距离差，c为光速，tj1(j＝2，3)分别为待测终端观测第j个基站与第1个基站间的TDOA值。
如图2所示，实施例所述的一种基于已知坐标参考站的5G基站时间同步误差消除方法包括如下步骤：
1)定位区域内安置一个或多个参考站接收终端，并且位置坐标事先精密标定，具体实施时精密标定可采用现有技术实现，如卫星定位测量、导线测量；
2)参考站接收5G基站发射定位参考信号，获得TDOA值并向系统服务平台(如云服务器)发送，具体实施时若获取的是TOA值则可进行基站间作差处理得到TDOA值，效果类似；
3)系统服务平台根据步骤2)接收到的TDOA值数据，调取相应的基站坐标与参考站坐标根据式(1)进行参数解算，得到同步误差δtj1(j＝2，3)。
该步骤输入基站坐标xi，yi(i＝1，2，3)和参考站观测到的TDOA值tj1 0(j＝2，3)以及参考站已知坐标x0，y0，根据式(1)中两个方程求解两个未知数δtj1(j＝2，3)即基站时间同步误差，也即基站间相对时间误差参数。
4)系统服务平台根据步骤3)解算得到的基站间相对时间误差参数，完成系统服务平台的误差校正；
5)系统服务平台将步骤3解算得到的各基站间相对时间误差作为差分信息播发给待定位的用户终端；
6)用户终端接收来自基站信号数据(TOA或TDOA值均可，TOA值可计算得到TDOA值)、基站坐标及系统服务平台播发的基站间相对时间误差参数；
7)用户终端根据步骤6)接收的信息数据根据式(2)进行定位解算获得自身精确位置坐标。
该步骤输入接收的基站坐标xi，yi(i＝1，2，3)和时间误差δtj1(j＝2，3)，输入终端观测到的TDOA值tj1(j＝2，3)，根据式(2)中两个方程求解两个未知数x和y。
可以线性化观测方程再使用最小二乘解算坐标，不再赘述。
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的TDOA差分定位系统，包括增设一个或多个已知坐标的参考测站接收5G系统定位参考信号，将获得的TDOA值信息通过5G通信链路实时地传输给系统服务平台参与定位解算，以获得各个基站之间的相对时间同步误差；系统服务平台通过5G通信链路将解算得到的基站间相对时间误差参数作为差分信息播发给待定位的用户终端，用户终端接收来自基站的TDOA值、基站坐标及系统服务平台播发的基站间相对时间误差参数，解算出用户的精确位置坐标，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 (4)

1.一种基于已知坐标参考站的5G基站时间同步误差消除方法，其特征在于：增设一个或多个已知坐标的参考测站接收5G系统定位参考信号，将获得的TDOA值信息通过5G通信链路实时地传输给系统服务平台参与定位解算，以获得各个基站之间的相对时间同步误差；系统服务平台通过5G通信链路将解算得到的基站间相对时间误差参数作为差分信息播发给待定位的用户终端，用户终端接收来自基站的TDOA值、基站坐标及系统服务平台播发的基站间相对时间误差参数，解算出用户的精确位置坐标，实现定位。
2.根据权利要求1所述的基于已知坐标参考站的5G基站时间同步误差消除方法，其特征在于：实现方式包括以下步骤，
1)定位区域内安置一个或多个参考站接收终端，并且位置坐标事先精密标定；
2)参考站接收5G基站发射定位参考信号，获得TDOA值并向系统服务平台发送；
3)系统服务平台根据步骤2)接收到的TDOA值数据，调取相应的基站坐标与参考站坐标进行参数解算，得到基站时间同步误差，获取基站间相对时间误差参数；
4)系统服务平台根据步骤3)解算得到的基站间相对时间误差参数，完成系统服务平台的误差校正；
5)系统服务平台将步骤3)解算得到的基站间相对时间误差参数作为差分信息播发给待定位的用户终端；
6)用户终端接收来自基站的TDOA值、基站坐标及系统服务平台播发的基站间相对时间误差参数；
7)用户终端根据步骤6)接收的信息进行定位解算获得自身精确位置坐标。
3.根据权利要求2所述的基于已知坐标参考站的5G基站时间同步误差消除方法，其特征在于：步骤3)中，调取相应的基站坐标与参考站坐标，按下式进行参数解算，得到基站时间同步误差，
Figure FDA0003028541280000011
其中，x0,y0为参考站的坐标，xi,yi为第i个基站的坐标，i＝1,2,3；Rj1 0为参考站到基站j与到第1个基站的距离差，c为光速，tj1 0为参考站观测第j个基站与第1个基站间的TDOA值，δtj1为第j个基站相对于第1个基站的同步误差，j＝2,3。
4.根据权利要求3所述的基于已知坐标参考站的5G基站时间同步误差消除方法，其特征在于：步骤7)中，用户终端按下式进行定位解算获得自身精确位置坐标，
Figure FDA0003028541280000021
其中，x,y为用户终端的位置坐标，Rj1分别为待测终端到第j个基站与到第1个基站的距离差，c为光速，tj1分别为待测终端观测第j个基站与第1个基站间的TDOA值，j＝2,3。
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