CN1852598A - 一种双到达时间定位中准确定位移动台的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双到达时间(TOA)定位中准确定位移动台的方法，该方法包括：通过双TOA定位获得MS的两个可能位置的可能位置信息；根据所述可能位置信息、已知的MS相邻两个基站的基站位置信息和MS所对应各基站小区的天线朝向角，分别获取两个可能位置信息对应的定位夹角，并分别获取两个可能位置对应的导频信号强度；根据获得的定位夹角和导频信号强度，分别获取两个可能位置对应的权重，并选择权重较大的可能位置为MS当前定位位置。本发明根据可能位置对应的权重，准确地从两个可能的位置中对MS进行了定位，提高了MS定位精度。

Description

一种双到达时间定位中准确定位移动台的方法

技术领域

本发明涉及定位技术，尤指一种双到达时间(TOA，Time of Arrival)定位中存在两个解时准确定位移动台(MS，Mobile Station)的方法。

背景技术

在蜂窝移动通信系统中，TOA定位是通过测量无线电波在MS和基站(BS，Base Station)之间的传播时间，来估计移动台的位置，实现对移动台定位的。

BS对处于其覆盖范围内的MS进行测量获得TOA，不同BS对同一MS测量可获得多个TOA，根据TOA数量的不同，可以采用多种方法对MS进行定位，TOA数量越多，对MS的定位精度越高。很多情况下，只存在两个BS对同一MS进行测量，可以获得两个TOA。当只存在两个TOA时，通常采用双圆相交算法对MS进行定位，也称为双TOA定位。

图1是现有技术双圆相交算法示意图，x轴表示横坐标，y轴表示纵坐标，如图1中阴影部分所示两个三角形，根据三角形勾股定理，很容易得出MS与BS之间存在方程组(1)所示的关系：

$\left\{\begin{array}{c}{(x-x1)}^2+{(y-y1)}^2={R1}^2\\ {(x-x2)}^2+{(y-y2)}^2={R2}^2\end{array}\right.---\left(1\right)$

方程组(1)中，(x，y)为MS的位置信息，(x1，y1)、(x2，y2)分别为MS相邻基站BS1、BS2的位置信息。R1为MS与BS1之间的距离，R2为MS与BS2之间的距离。其中，BS1和BS2的位置信息是基站安装后的工程数据，为已知信息；根据测量无线电波在MS和BS之间的传播时间T，并按照计算公式R＝C×T，可以分别计算得到R1和R2，其中，C为电磁波在空中的传播速度，C＝3×10⁸m/s。位置信息可以是经纬度信息等。

求解上述方程组(1)，可能出现以下三种情况之一：

1)得到一个解，该解就是MS的位置信息；

2)得到两个解，其中一个是MS的准确位置信息，但不能确定是哪一个；

3)无解，不能获得MS的位置信息。

图2是现有技术双TOA定位中存在两个解的示意图，如图2所示，两个解分别是两个圆相交的两个交点P1和P2，其中一个圆以BS 1为圆心、BS1与MS间的距离R1为半径的圆，另一个圆以BS2为圆心、BS2与MS间的距离R2为半径。目前，针对图2所示的双TOA定位方法中存在两个解的情况，通过下述两种方法来确定MS当前位置：

一是以两个交点的中点作为MS当前的位置，如图2中的P点；

二是根据MS所处的服务小区来确认MS的当前位置：

①如果基站确定P1位于MS所在服务小区内，P2位于MS所在的相邻小区内，则选择P1作为MS的当前位置；反之，如果P2位于MS所在服务小区内，P1位于MS所在的相邻小区内，则选择P2作为MS的当前位置；

②如果P1、P2都位于MS所在服务小区内，则选择P1、P2的中点作为MS的当前位置；

当双圆算法存在两个解即存在两个交点时，现有技术中一种方法是以两个交点的中点作为MS的当前位置，此时，若R1和R2较大，则中点与P1和P2的距离会较远，而两个交点之一是MS的准确位置，因此，按照现有方法对MS的定位会存在很大的误差；另一种根据服务小区的范围来确定MS的位置，由于在实际无线环境中服务小区与相邻小区的界定比较模糊，而且小区覆盖范围的测量也存在很大的不确定性，所以选择出的位于小区内的交点是不准确的，从而造成对MS进行定位的误差。

现有双TOA定位中存在两个解时定位MS的方法存在较大误差，不能准确定位MS，因此，加强双TOA定位方法的研究，提高MS定位精度迫在眉睫。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种双传播时间定位中准确定位移动台的方法，能够准确定位MS，提高MS定位精度。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种双到达时间TOA定位中准确定位移动台MS的方法，通过双TOA定位获得MS的两个可能位置的可能位置信息，该方法还包括：

A.根据所述可能位置信息、已知的MS相邻两个基站的基站位置信息和MS所对应各基站的天线朝向角，分别获取两个可能位置对应的定位夹角，并分别获取两个可能位置对应基站的导频信号强度；

B.根据所述获得的定位夹角和导频信号强度，分别获取两个可能位置对应的权重，并选择权重较大的可能位置为MS当前定位位置。

步骤A中所述获取定位夹角的方法为：

a1.根据所述可能位置信息和该可能位置对应基站的基站位置信息，获取运算夹角；

b1.计算直角与所述可能位置对应基站的天线朝向角之差，再计算该差值与所述运算夹角之差获得所述可能位置对应的定位夹角。

步骤A中所述获取定位夹角的方法为：

a2.根据所述可能位置信息和该可能位置对应基站的基站位置信息，获取运算夹角；

b2.计算平角和所述可能位置对应基站的天线朝向角之差得到第一差值，再计算直角与所述差值之差得到的第二差值，又计算该第二差值与所述运算夹角之差获得所述可能位置对应的定位夹角。

所述获取运算夹角的方法为：计算所述可能位置信息与该可能位置对应基站的基站位置信息的横坐标之差，计算所述可能位置信息与该可能位置对应基站的基站位置信息的纵坐标之差，再计算所得横坐标差值与纵坐标差值之商的绝对值，对所得的值进行反正切运算获得所述运算夹角。

所述MS同时接收到来自同一基站不同扇区的信号时，步骤A中所述获取定位夹角的方法为：

分别计算所述基站中每个扇区对应天线朝向角与来自移动交换中心MSC的该扇区的导频信号强度之积，将各扇区所得积值相加；相加所得值与来自MSC的各扇区导频信号强度之和的商获得所述定位夹角。

所述MS同时接收到来自同一基站不同扇区的信号时，步骤A中所述获取可能位置对应该基站的导频信号强度的方法为：

选取来自MSC的所述基站中各扇区的导频信号强度值中最小的一个作为所述可能位置对应基站的导频信号强度。

预先设置加权系数；步骤C中所述获取权重的方法为：

计算所述可能位置对应的定位夹角与该可能位置对应基站的导频信号强度之积；计算所述加权系数与所得积值之商获取该可能位置对应的权重。

所述加权系数大于或等于1。

由上述技术方案可见，本发明通过双TOA定位获得MS的两个可能位置的可能位置信息即双TOA定位的两个解P1和P2；根据所述可能位置信息、已知的MS相邻两个基站的基站位置信息和MS所对应各基站小区的天线朝向角，分别获取两个可能位置对应的定位夹角即MS的可能位置与基站之间的连线和MS所在小区的天线朝向之间的夹角，并分别获取两个可能位置对应基站的导频信号强度；根据获得的定位夹角和导频信号强度，分别获取两个可能位置对应的权重，并选择权重较大的可能位置为MS当前定位位置。

本发明中，权重与导频信号强度成反比，即导频信号越强的可能位置的权重越大，该权重还与定位夹角成反比，即距离MS所在小区的天线朝向越近的可能位置的权重越大，可见，本发明根据可能位置对应的权重，准确地从两个可能的位置中对MS进行了定位，提高了MS定位精度。

附图说明

图1是现有技术双TOA定位示意图；

图2是现有技术双TOA定位中存在两个解的示意图；

图3是本发明双TOA定位中存在两个解时定位MS的流程；

图4a是本发明双TOA定位中存在两个解时定位MS的实施例一示意图；

图4b是本发明定位夹角获取实施例一示意图；

图4c是本发明定位夹角获取实施例二示意图；

图5是本发明双TOA定位中存在两个解时定位MS的实施例二示意图。

具体实施方式

本发明的核心思想是：通过双TOA定位获得MS的两个可能位置的可能位置信息；根据所述可能位置信息、已知的MS相邻两个基站的基站位置信息和MS所对应各基站小区的天线朝向角，分别获取两个可能位置对应的定位夹角，并分别获取两个可能位置对应基站的导频信号强度；根据获得的定位夹角和导频信号强度，分别获取两个可能位置对应的权重，并选择权重较大的可能位置为MS当前定位位置。

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举较佳实施例，对本发明进一步详细说明。

图3是本发明双TOA定位中存在两个解时定位MS的流程，根据双TOA定位方法，求解双圆相交算法的方程组(1)获得MS的两个可能位置的可能位置信息P1和P2，本发明方法包括以下步骤：

步骤301：分别根据P1和P2、已知的MS的两个相邻基站的基站位置信息和MS所对应各基站小区的天线朝向角，分别获取两个可能位置对应的定位夹角；并分别获取两个可能位置对应基站的导频信号强度ρ。

从现有技术可知，双TOA定位中只存在两个BS，假设为BS1和BS2，P1和P2分别是以BS1为圆心、BS1与MS间的距离R1为半径的圆，与以BS2为圆心、BS2与MS间的距离R2为半径的圆相交的两个交点，如图4a所示，图4a是本发明双TOA定位中存在两个解时定位MS的实施例示意图。其中，R1和R2的获得属于现有技术，这里不再赘述；

BS1和BS2的基站位置信息是在基站安装后的确定工程数据，可从基站数据信息库中获取；

MS所对应各基站小区的天线朝向角θ是指该小区的天线方向角，即小区天线与正北方向的夹角，如图4b所示的天线朝向角θ，天线朝向角θ为小区天线的确定工程数据，可从基站数据信息库中获取，图4b是本发明定位夹角获取实施例一示意图。

两个可能位置对应基站的导频信号强度ρ是来自移动交换中心(MSC)的已知数据，关于导频信号强度ρ的测量与本发明无关，本发明强调的是利用该导频信号强度ρ来获取可能位置的权重。假设P1对应基站的导频信号强度为ρ1，P2对应基站的导频信号强度为ρ2。

本步骤中，如图4a所示，假设P1对应BS1，P2对应BS2，需要说明的是，P1可以与其中任一BS对应，那么P2就与另一BS对应即可。如图4b所示，x轴表示横坐标，y轴表示纵坐标即为正北方向，以P1对应BS1为例，描述获取P1对应的定位夹角α1的方法：假设BS1的位置信息为(x1，y1)，P1的可能位置信息为(x_p1，y_p1)，先计算P1与BS1连线与水平方向的夹角q，容易得出：

$\mathrm{tg}\left(q\right)=\left|\frac{x_{p1}-x1}{y_{p1}-y1}\right|---\left(2\right)$

再计算公式(2)的反正切函数可容易得出夹角q的值，这里，将夹角q称为运算夹角，假设天线朝向角θ为锐角，P1对应的定位交角α1为：

α1＝π/2-θ-q    (2’)

当天线朝向角θ为钝角时，如图4c所示，x轴表示横坐标，y轴表示纵坐标即为正北方向，图4c是本发明定位夹角获取实施例二示意图，容易得出：

α1＝π/2-(π-θ)-q    (2”)

同理，根据公式(2’)或公式(2”)可以获得P2对应的定位夹角α2，这里不再详述。公式(2’)和公式(2”)中π/2为直角。公式(2”)中π为平角。

步骤302：根据获得的定位夹角和导频信号强度，分别获取MS的两个可能位置对应的权重w，并选择权重较大的可能位置为MS定位位置。

假设P1对应的权重为w1，P2对应的权重为w2，权重w与导频信号强度ρ成反比，即对应基站导频信号越强的可能位置的权重越大，权重w还与定位夹角α成反比，即距离MS所在小区的天线朝向越近的可能位置的权重越大，具体如公式(3)所示：

$w_i=\frac{k}{{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{\ρ}}_i}---\left(3\right)$

其中，i＝1，2，k为加权系数，该k值可由试验数据统计得到，一般k大于等于1；导频信号强度ρ的值越小，表示导频信号越强。

如图4a所示，在MS接收到相邻两个基站中各一个小区信号如BS1中的小区C1和BS2中的小区C2的情况下，根据方程式(1)获得MS的两个可能位置的可能位置信息为P1和P2；根据公式(2’)或公式(2”)获得P1和P2对应的定位夹角α1和α2；根据来自MSC的小区C1的导频信号强度为ρ1、小区C2的导频信号强度为ρ2，分别将获得的定位夹角α1和导频信号强度ρ1、定位夹角α2和导频信号强度ρ2代入公式(3)，分别获得MS的可能位置P1和P2的权重w1和w2。

采用本发明方法定位MS的准确度分析如下：

当ρ1＝ρ2时，

若α1＞α2，表示移动台距离小区C2的天线朝向近，即MS的真实位置应该是靠近小区C2的天线朝向的P2，根据公式(3)可得，此时w1＜w2，即P2对应的权重w较大，按照本发明方法选择P2作为MS定位位置，与MS的真实位置相同；

若α1＜α2，表示移动台距离小区C1的天线朝向近，即MS的真实位置应该是靠近小区C1的天线朝向的P1，根据公式(3)可得，此时w1＞w2，即P1对应的权重w较大，按照本发明方法选择P1作为MS定位位置，与MS的真实位置相同；

当α1＝α2时，

若ρ1＞ρ2，表示移动台在小区C2的导频信号较强，即MS的真实位置应该是P2，根据公式(3)可得，此时w1＜w2，即P2对应的权重w较大，按照本发明方法选择P2作为MS定位位置，与MS的真实位置相同；

若ρ1＜ρ2，表示移动台在小区C1的导频信号较强，即MS的真实位置应该是P1，根据公式(3)可得，此时w1＞w2，即P1对应的权重w较大，按照本发明方法选择P1作为MS定位位置，与MS的真实位置相同。

本发明根据可能位置对应的权重，准确地从两个可能的位置中对MS进行了定位，提高了MS定位精度。

前文已提到，图4a所示的是MS接收到相邻两个基站中各一个小区信号的情况下，但在实际基站环境中，MS可能同时接收到来自同一个BS的不同扇区的信号，图5是本发明双TOA定位中存在两个解时定位MS的实施例二示意图。如图5所示，MS分别同时接收到来自基站BS1的小区C1以及基站BS2的扇区C21、C22的信号。P1对应的α1、ρ1和w1的获取如前所述，这里不再重述。对于基站BS2中α2的获取可通过对C21、C22的天线朝向采用加权平均，公式(4)如下：

$\mathrm{\α}2=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\θ}}_{2i}{\mathrm{\ρ}}_{2i}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{2i}}---\left(4\right)$

其中n为BS2中向MS发送信号的扇区的扇区个数，i为整数；θ_2i为扇区C2i的天线朝向角，ρ_2i为来自MSC的导频信号强度，θ_2i和ρ_2i均为已知，图5中α2即为通过公式(4)获得的P2的定位夹角。

对基站BS2中导频信号强度ρ2的获取，可以选择各扇区上报的导频信号强度值中最小的一个，即ρ2＝Min(ρ_2i)，如图5所示，ρ2＝Min(ρ₂₁，ρ₂₂)。之后将获得的α2和ρ2代入公式(3)，可获得w2。

公式(4)给出了同一BS中存在多个扇区向MS发送信号时，如何获取与该BS为一组的MS的可能位置对应的定位夹角的方法。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双到达时间TOA定位中准确定位移动台MS的方法，通过双TOA定位获得MS的两个可能位置的可能位置信息，其特征在于，该方法还包括：

A.根据所述可能位置信息、已知的MS相邻两个基站的基站位置信息和MS所对应各基站的天线朝向角，分别获取两个可能位置对应的定位夹角，并分别获取两个可能位置对应基站的导频信号强度；

B.根据所述获得的定位夹角和导频信号强度，分别获取两个可能位置对应的权重，并选择权重较大的可能位置为MS当前定位位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A中所述获取定位夹角的方法为：

a1.根据所述可能位置信息和该可能位置对应基站的基站位置信息，获取运算夹角；

b1.计算直角与所述可能位置对应基站的天线朝向角之差，再计算该差值与所述运算夹角之差获得所述可能位置对应的定位夹角。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A中所述获取定位夹角的方法为：

a2.根据所述可能位置信息和该可能位置对应基站的基站位置信息，获取运算夹角；

b2.计算平角和所述可能位置对应基站的天线朝向角之差得到第一差值，再计算直角与所述差值之差得到的第二差值，又计算该第二差值与所述运算夹角之差获得所述可能位置对应的定位夹角。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述获取运算夹角的方法为：计算所述可能位置信息与该可能位置对应基站的基站位置信息的横坐标之差，计算所述可能位置信息与该可能位置对应基站的基站位置信息的纵坐标之差，再计算所得横坐标差值与纵坐标差值之商的绝对值，对所得的值进行反正切运算获得所述运算夹角。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述MS同时接收到来自同一基站不同扇区的信号时，步骤A中所述获取定位夹角的方法为：

分别计算所述基站中每个扇区对应天线朝向角与来自移动交换中心MSC的该扇区的导频信号强度之积，将各扇区所得积值相加；相加所得值与来自MSC的各扇区导频信号强度之和的商获得所述定位夹角。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述MS同时接收到来自同一基站不同扇区的信号时，步骤A中所述获取可能位置对应该基站的导频信号强度的方法为：

选取来自MSC的所述基站中各扇区的导频信号强度值中最小的一个作为所述可能位置对应基站的导频信号强度。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，预先设置加权系数；步骤C中所述获取权重的方法为：

计算所述可能位置对应的定位夹角与该可能位置对应基站的导频信号强度之积；计算所述加权系数与所得积值之商获取该可能位置对应的权重。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述加权系数大于或等于1。

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