專利名稱：可適用于td－scdma網(wǎng)絡(luò)的aoa/toa與gps混合定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及移動(dòng)通信領(lǐng)域。尤其涉及移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)終端定位技術(shù)。
背景技術(shù)：
用戶對(duì)多種多樣的LBS服務(wù)需求迫切，而國際上又對(duì)于不同服務(wù)的位置精度做出了要求。因此如何在任何地域環(huán)境都能獲得高精度移動(dòng)用戶的位置數(shù)據(jù)成為了相關(guān)研究的核心問題。
蜂窩網(wǎng)定位采用AOA(到達(dá)角度)/TOA(到達(dá)時(shí)間)混合定位方法只需一個(gè)基站便可對(duì)移動(dòng)終端進(jìn)行二維定位，但其定位誤差較大。而TDOA方法至少需要兩個(gè)基站。
GPS定位基于GPS的定位精度高，但在市區(qū)和建筑物內(nèi)存在盲區(qū)，不適用于城區(qū)和室內(nèi)終端的定位。
混合定位將蜂窩網(wǎng)定位方法和GPS定位方法互相補(bǔ)充。當(dāng)可用基站個(gè)數(shù)很少不足以實(shí)現(xiàn)定位，或可用衛(wèi)星個(gè)數(shù)很少也不足以實(shí)現(xiàn)定位時(shí)，將基站測量數(shù)據(jù)和衛(wèi)星測量數(shù)據(jù)融合在一起來對(duì)移動(dòng)終端位置進(jìn)行估計(jì)。目前，美國高通(Qualcomm)公司的gpsOne技術(shù)在只有兩個(gè)基站和一顆衛(wèi)星的情況下，可對(duì)移動(dòng)終端進(jìn)行三維定位。其利用往返延遲(RTD)測量來提供時(shí)間輔助信息，以消去鐘差未知數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是結(jié)合AOA/TOA/GPS三種定位技術(shù)的數(shù)據(jù)，提出AOA/TOA/GPS混合定位方法，當(dāng)只有一顆衛(wèi)星和一個(gè)基站可用時(shí)，便可對(duì)移動(dòng)終端進(jìn)行較高精度的三維空間定位。
本發(fā)明的技術(shù)方案是提出了一種移動(dòng)終端基于AOA/TOA與GPS的混合定位方法基站采用AOA/TOA定位方法求得用戶終端所在區(qū)域的二維平面解，由該二維平面解，查詢GIS數(shù)據(jù)庫便可以較精確地估計(jì)出移動(dòng)終端所在位置距離地心的高度值，即在地理信息系統(tǒng)GIS的數(shù)字地圖中查出該位置高度值h，基站計(jì)算出基站與移動(dòng)終端之間的時(shí)鐘誤差后，根據(jù)GPS授時(shí)系統(tǒng)算出移動(dòng)終端與衛(wèi)星之間的時(shí)鐘誤差，構(gòu)建方程組解出用戶終端的三維空間坐標(biāo)。該定位方法適用于移動(dòng)終端只能接收到一顆衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)，且只有一個(gè)基站可用于定位時(shí)。
本發(fā)明還設(shè)計(jì)了一種基于AOA/TOA與GPS的混合定位系統(tǒng)，該混合定位系統(tǒng)采用層次化體系結(jié)構(gòu)，底層是移動(dòng)通信網(wǎng)，為移動(dòng)終端提供基本的通信能力；第二層是定位參數(shù)測量層，提供定位參數(shù)的測量；第三層是位置計(jì)算層，根據(jù)輸入?yún)?shù)計(jì)算移動(dòng)終端位置；第四層是定位協(xié)調(diào)層，為各種應(yīng)用服務(wù)提供接入、協(xié)調(diào)和管理；第五層是應(yīng)用層，為移動(dòng)終端提供相應(yīng)的應(yīng)用業(yè)務(wù)支持。其中位置計(jì)算層包括數(shù)據(jù)輸入模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊和位置定位模塊；定位協(xié)調(diào)層包括定位服務(wù)選擇模塊。
本發(fā)明的有益效果是用戶在只能接收一個(gè)基站和一個(gè)衛(wèi)星信號(hào)的情況下，仍能對(duì)待定位終端進(jìn)行較高精度的三維空間定位。


圖1表示適用于移動(dòng)通信系統(tǒng)的定位服務(wù)體系結(jié)構(gòu)；圖2表示移動(dòng)終端與基站之間的鐘差計(jì)算過程；圖3表示在ECEF坐標(biāo)系中基站、移動(dòng)終端、衛(wèi)星的位置；圖4表示該混合定位方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
如圖1所示為整個(gè)定位服務(wù)的層次化體系結(jié)構(gòu)。底層是移動(dòng)通信網(wǎng)，如CDMA、TD-SCDMA等通信網(wǎng)絡(luò)，為用戶移動(dòng)終端提供基本的通信能力。第二層是定位參數(shù)測量層，對(duì)實(shí)現(xiàn)定位所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，包括AOA、TOA和GPS等測量值，其功能是在盡可能消除各種干擾因素的基礎(chǔ)上(如非視距影響、信號(hào)干擾、多徑效應(yīng)影響等)，提供精確的定位參數(shù)的測量。第三層是位置計(jì)算層，包括數(shù)據(jù)輸入模塊、位置定位模塊，該層負(fù)責(zé)輸入測量參數(shù)(如AOA、TOA和GPS測量值)，調(diào)用計(jì)算模塊，構(gòu)建方程組，并求解方程組來進(jìn)行準(zhǔn)確的位置估計(jì)。第四層是定位協(xié)調(diào)層，包括定位服務(wù)選擇模塊，為各種應(yīng)用服務(wù)提供相應(yīng)的接入、協(xié)調(diào)和管理。根據(jù)利用的基站個(gè)數(shù)和衛(wèi)星個(gè)數(shù)，以及用戶定位精度要求來建立相應(yīng)的定位服務(wù)模塊。當(dāng)某個(gè)定位服務(wù)模塊請(qǐng)求過多時(shí)，可將工作分配到其它模塊來減少該模塊的負(fù)擔(dān)。第五層是應(yīng)用層，為不同移動(dòng)終端提供不同的應(yīng)用業(yè)務(wù)支持。
測量計(jì)算并在地心地球固連(ECEF)坐標(biāo)系中建立方程組。根據(jù)基站坐標(biāo)，求移動(dòng)臺(tái)坐標(biāo)。
1、建立基站和移動(dòng)終端之間的距離方程，根據(jù)基站精確坐標(biāo)(xb，yb，zb)，求移動(dòng)終端坐標(biāo)(x，y，z)。
如圖2所示為移動(dòng)終端與基站之間的鐘差計(jì)算過程。信號(hào)從基站到移動(dòng)終端的往返延遲為RTD，并假設(shè)前向和反向鏈路有相同的傳播延遲。以基站時(shí)鐘為參考時(shí)間，基站信號(hào)發(fā)送時(shí)刻為Tbs，接收時(shí)刻為Tbr，則有RTD=Tbr-Tbs2.]]>以移動(dòng)終端時(shí)鐘為參考時(shí)間，用戶接收信號(hào)時(shí)刻為Tur，發(fā)送時(shí)刻為Tbs。基站和移動(dòng)終端之間的鐘差(以基站時(shí)鐘為參考時(shí)間)為ΔTbu=(Tbr-Tbs2-Tus-Tur2)-(Tur-Tbs).]]>根據(jù)TOA方法建立方程(x-xb)2+(y-yb)2+(z-zb)2=Rbu---(1)]]>從而得到基站到移動(dòng)終端的距離Rbu與基站坐標(biāo)(xb，yb，zb)、移動(dòng)終端坐標(biāo)(x，y，z)的關(guān)系方程。
基站與衛(wèi)星之間的鐘差可根據(jù)基站的GPS授時(shí)系統(tǒng)校正。由此，便知道了移動(dòng)站跟衛(wèi)星之間的鐘差ΔTsu。
用AOA/TOA方法解出移動(dòng)終端二維坐標(biāo)位置，根據(jù)該坐標(biāo)位置，在地理信息系統(tǒng)GIS的空間數(shù)據(jù)庫中查出該區(qū)域的平均高度值h，估計(jì)用戶所在高度。
2、高度估計(jì)利用AOA方法估計(jì)用戶的來波方向有一定的誤差，即便采用智能天線可以減小誤差，但用戶離基站的距離較遠(yuǎn)時(shí)，即使采用AOA/TOA混合定位方法產(chǎn)生的定位誤差仍然很大。但在二維平面坐標(biāo)系中利用AOA/TOA方法解出來的平面位置與用戶真實(shí)位置幾乎在同一個(gè)高度。根據(jù)GIS的數(shù)字地圖，可提供用戶的近似高度，作為移動(dòng)終端到地心的高度估計(jì)值h。該值相對(duì)于終端真實(shí)高度的差異要遠(yuǎn)小于該區(qū)域的半徑，而且用戶所在區(qū)域地勢越平坦，h值越接近真實(shí)值。
構(gòu)建方程x2+y2+z2=h---(2)]]>3、混合GPS定位方法定位環(huán)境幾何結(jié)構(gòu)如圖3所示，移動(dòng)終端向位置服務(wù)器發(fā)出GPS輔助信息請(qǐng)求，以便獲取所在小區(qū)可見的衛(wèi)星的星歷信息。位置服務(wù)器收到請(qǐng)求后，將返回該小區(qū)可見的星歷信息。移動(dòng)終端獲得GPS輔助信息后，進(jìn)行衛(wèi)星偽距測量?；具€可提供偽距改正值，來修正移動(dòng)終端的誤差。
基站根據(jù)星歷信息數(shù)據(jù)算出衛(wèi)星坐標(biāo)(xs，yx，zs)，移動(dòng)終端測量的偽距為ρ，根據(jù)上文1中得到的衛(wèi)星到移動(dòng)終端間的鐘差ΔTsu可建立方程(x-xs)2+(y-ys)2+(z-zs)2=ρ+c*ΔTsu---(3)]]>由方程式(1)、(2)、(3)可建立方程組(x-xb)2+(y-yb)2+(z-zb)2=Rbux2+y2+z2=h(x-xs)2+(y-ys)2+(z-zs)2=ρ+c*ΔTsu]]>求解該方程組，即可求出移動(dòng)終端所在位置坐標(biāo)(x、y、z)。
如圖5所示為本發(fā)明移動(dòng)終端混合定位方法的流程圖。移動(dòng)終端向基站發(fā)出定位請(qǐng)求，基站中位置測量單元LMU進(jìn)行AOA和TOA參數(shù)測量，PDE根據(jù)上述測量參數(shù)進(jìn)行AOA/TOA位置估算(該位置為移動(dòng)終端所在二維平面的大致區(qū)域)，并算出移動(dòng)終端與基站、衛(wèi)星之間的鐘差。移動(dòng)位置中心根據(jù)估計(jì)的位置并調(diào)用GIS數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的該區(qū)域的平均高度，得到移動(dòng)終端到地心的的高度估計(jì)值。移動(dòng)終端通過向基站發(fā)送AGPS輔助信息請(qǐng)求獲得所在小區(qū)可見的衛(wèi)星星歷信息。并將衛(wèi)星偽距測量數(shù)據(jù)發(fā)送給PDE。最后，PDE根據(jù)AOA/TOA位置估算值、GIS數(shù)據(jù)庫中該區(qū)域的平均高度、以及移動(dòng)終端與衛(wèi)星之間的時(shí)鐘誤差，建立方程組，求解方程組進(jìn)行待求移動(dòng)終端位置計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果發(fā)送給移動(dòng)終端，即得到所求移動(dòng)終端的三維位置坐標(biāo)。
本發(fā)明采用AOA/TOA/GPS混合定位方法，當(dāng)只有一顆衛(wèi)星和一個(gè)基站可用時(shí)，仍可對(duì)移動(dòng)終端進(jìn)行較高精度的三維空間定位，適用于建筑物密集的城區(qū)和室內(nèi)定位。
權(quán)利要求
1.一種移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中基于AOA/TOA與GPS的混合定位方法，其特征在于基站采用AOA/TOA定位方法估算待定位移動(dòng)終端所在區(qū)域的二維平面坐標(biāo)，在地理信息系統(tǒng)GIS數(shù)據(jù)庫中查詢移動(dòng)終端所在區(qū)域的平均高度h；基站算出移動(dòng)終端與基站之間的時(shí)鐘誤差；并根據(jù)GPS授時(shí)系統(tǒng)算出移動(dòng)終端與衛(wèi)星之間的時(shí)鐘誤差；構(gòu)建方程組求解用戶終端的三維空間坐標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合定位方法，其特征在于，該定位方法適用于移動(dòng)終端只能接收到一顆衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)，且只有一個(gè)基站用于定位時(shí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合定位方法，其特征在于，所述二維平面坐標(biāo)由待定位終端到基站的距離確定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合定位方法，其特征在于，所述平均高度h指移動(dòng)終端到地心的高度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合定位方法，其特征在于，所述構(gòu)建的方程組為(x-xb)2+(y-yb)2+(z-zb)2=Rbux2+y2+z2=h(x-xs)2+(y-ys)2+(z-zs)2=ρ+c*ΔTsu,]]>求解未知數(shù)(x、y、z)即為待求移動(dòng)終端坐標(biāo)。
全文摘要
本發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)一種用于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的AOA(到達(dá)角度)/TOA (到達(dá)時(shí)間)和GPS(全球定位系統(tǒng))混合的定位方法。該方法只需要一顆衛(wèi)星、一個(gè)基站便可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端高精度的定位?；静捎肁OA/TOA定位方法求得用戶終端所在區(qū)域的二維平面解，在地理信息系統(tǒng)GIS的空間數(shù)據(jù)庫中查出該區(qū)域的平均高度值h，計(jì)算出基站與移動(dòng)終端之間的時(shí)鐘誤差后，基站根據(jù)GPS授時(shí)系統(tǒng)算出移動(dòng)終端與衛(wèi)星之間的時(shí)鐘誤差，構(gòu)建方程組解出用戶終端的三維空間坐標(biāo)。該方法適用于建筑物密集的城區(qū)和室內(nèi)，對(duì)移動(dòng)終端的準(zhǔn)確定位。
文檔編號(hào)H04W64/00GK1897749SQ20061005439
公開日2007年1月17日 申請(qǐng)日期2006年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月27日
發(fā)明者袁正午, 王方竹, 夏英, 鄒永貴, 劉兆宏, 魚詳訓(xùn), 周鵬, 葛君偉, 裵海英 申請(qǐng)人:重慶郵電大學(xué), 韓國仁荷大學(xué)教產(chǎn)學(xué)協(xié)力團(tuán)