可适用于TD－SCDMA网络的AOA/TOA与GPS混合定位方法

1. 一种移动通信网络中基于AOA/TOA与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动终端所在区域的二维平面 坐标，在地理信息系统GIS数据库中查询移动终端到地心的高度h；基站算出 移动终端与基站之间的时钟误差；基站根据星历信息数据算出卫星坐标，并 根据GPS授时系统算出移动终端与卫星之间的时钟误差；基站构建方程组并 求解移动终端的三维空间坐标。
2. 根据权利要求1所述的混合定位方法，其特征在于，该定位方法适用 于移动终端只能接收到一颗卫星的星历数据，且只有一个基站用于定位时。
3. 根据权利要求1所述的混合定位方法，其特征在于，所述二维平面坐 标由待定位移动终端到基站的距离确定。
4. 根据权利要求1所述的混合定位方法，其特征在于，所述构建的方程 组为：
$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(x-x_b)}^2+{(y-y_b)}^2+{(z-z_b)}^2}=R_{\mathrm{bu}}\\ \sqrt{x^2+y^2+z^2}=h\\ \sqrt{{(x-x_s)}^2+{(y-y_s)}^2+{(z-z_s)}^2}=\rho +c*\Delta T_{\mathrm{su}}\end{array}\right.,$
其中，(x，y，z)：移动终端的三维空间坐标、(xs，ys，zs)：卫星坐标、(xb，yb，zb)： 基站坐标、ρ：卫星伪距、ΔTsu：卫星到移动终端间的钟差、Rbu：基站到移 动终端的距离、c：电磁波传播速度。

技术领域\n本发明涉及移动通信领域。尤其涉及移动通信网络中移动终端定位技术。\n背景技术\n用户对多种多样的LBS服务需求迫切，而国际上又对于不同服务的位置 精度做出了要求。因此如何在任何地域环境都能获得高精度移动用户的位置 数据成为了相关研究的核心问题。\n蜂窝网定位\n采用AOA(到达角度)/TOA(到达时间)混合定位方法只需一个基站便可 对移动终端进行二维定位，但其定位误差较大。而TDOA方法至少需要两个 基站。\nGPS定位\n基于GPS的定位精度高，但在市区和建筑物内存在盲区，不适用于城区 和室内终端的定位。\n混合定位\n将蜂窝网定位方法和GPS定位方法互相补充。当可用基站个数很少不足 以实现定位，或可用卫星个数很少也不足以实现定位时，将基站测量数据和 卫星测量数据融合在一起来对移动终端位置进行估计。目前，美国高通 (Qualcomm)公司的gpsOne技术在只有两个基站和一颗卫星的情况下，可对移 动终端进行三维定位。其利用往返延迟(RTD)测量来提供时间辅助信息，以 消去钟差未知数。\n发明内容\n本发明所要解决的技术问题是：结合AOA/TOA/GPS三种定位技术的数 据，提出AOA/TOA/GPS混合定位方法，当只有一颗卫星和一个基站可用时， 便可对移动终端进行较高精度的三维空间定位。\n本发明的技术方案是提出了一种移动终端基于AOA/TOA与GPS的混合定 位方法：基站采用AOA/TOA定位方法由待定位移动终端到基站的距离求得 用户终端所在区域的二维平面解，由该二维平面解，查询GIS数据库便可以 较精确地估计出移动终端所在位置距离地心的高度值，即在地理信息系统GIS 的数字地图中查出该位置高度值h，基站计算出基站与移动终端之间的时钟误 差后，基站根据星历信息数据算出卫星坐标，并根据GPS授时系统算出移动 终端与卫星之间的时钟误差，构建方程组解出移动终端的三维空间坐标。该 定位方法适用于移动终端只能接收到一颗卫星的星历数据，且只有一个基站 可用于定位时。\n本发明还设计了一种基于AOA/TOA与GPS的混合定位系统，该混合定 位系统采用层次化体系结构，底层是移动通信网，为移动终端提供基本的通 信能力；第二层是定位参数测量层，提供定位参数的测量；第三层是位置计 算层，根据输入参数计算移动终端位置；第四层是定位协调层，为各种应用 服务提供接入、协调和管理；第五层是应用层，为移动终端提供相应的应用 业务支持。其中位置计算层包括数据输入模块、数据预处理模块和位置定位 模块；定位协调层包括定位服务选择模块。\n本发明的有益效果是：用户在只能接收一个基站和一个卫星信号的情况 下，仍能对待定位终端进行较高精度的三维空间定位。\n附图说明\n图1表示适用于移动通信系统的定位服务体系结构；\n图2表示移动终端与基站之间的钟差计算过程；\n图3表示在ECEF坐标系中基站、移动终端、卫星的位置；\n图4表示该混合定位方法的流程图。\n具体实施方式\n下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。\n如图1所示为整个定位服务的层次化体系结构。底层是移动通信网，如： CDMA、TD-SCDMA等通信网络，为用户移动终端提供基本的通信能力。第 二层是定位参数测量层，对实现定位所需要的数据进行测量，包括AOA、TOA 和GPS等测量值，其功能是在尽可能消除各种干扰因素的基础上(如非视距 影响、信号干扰、多径效应影响等)，提供精确的定位参数的测量。第三层 是位置计算层，包括数据输入模块、位置定位模块，该层负责输入测量参数 (如AOA、TOA和GPS测量值)，调用计算模块，构建方程组，并求解方 程组来进行准确的位置估计。第四层是定位协调层，包括定位服务选择模块， 为各种应用服务提供相应的接入、协调和管理。根据利用的基站个数和卫星 个数，以及用户定位精度要求来建立相应的定位服务模块。当某个定位服务 模块请求过多时，可将工作分配到其它模块来减少该模块的负担。第五层是 应用层，为不同移动终端提供不同的应用业务支持。\n测量计算并在地心地球固连(ECEF)坐标系中建立方程组。根据基站坐 标，求移动台坐标。\n1、建立基站和移动终端之间的距离方程，根据基站精确坐标(xb，yb，zb)， 求移动终端坐标(x，y，z)。\n如图2所示为移动终端与基站之间的钟差计算过程。信号从基站到移动 终端的往返延迟为RTD，并假设前向和反向链路有相同的传播延迟。以基站时 钟为参考时间，基站信号发送时刻为Tbs，接收时刻为Tbr，则有： $\mathrm{RTD}=\frac{T_{\mathrm{br}}-T_{\mathrm{bs}}}{2}.$以移动终端时钟为参考时间，用户接收信号时刻为Tur，发 送时刻为Tbs。基站和移动终端之间的钟差(以基站时钟为参考时间)为：\n${\mathrm{\Delta T}}_{\mathrm{bu}}=(\frac{T_{\mathrm{br}}-T_{\mathrm{bs}}}{2}-\frac{T_{\mathrm{us}}-T_{\mathrm{ur}}}{2})-(T_{\mathrm{ur}}-T_{\mathrm{bs}}).$\n根据TOA方法建立方程：$\sqrt{{(x-x_b)}^2+{(y-y_b)}^2+{(z-z_b)}^2}=R_{\mathrm{bu}}---\left(1\right)$\n从而得到基站到移动终端的距离Rbu与基站坐标(xb，yb，zb)、移动终端坐标 (x，y，z)的关系方程。\n基站与卫星之间的钟差可根据基站的GPS授时系统校正。由此，便知道 了移动站跟卫星之间的钟差ΔTsu。\n用AOA/TOA方法解出移动终端二维坐标位置，根据该坐标位置，在地理 信息系统GIS的空间数据库中查出该区域的平均高度值h，估计用户所在高 度。\n2、高度估计\n利用AOA方法估计用户的来波方向有一定的误差，即便采用智能天线可 以减小误差，但用户离基站的距离较远时，即使采用AOA/TOA混合定位方 法产生的定位误差仍然很大。但在二维平面坐标系中利用AOA/TOA方法解 出来的平面位置与用户真实位置几乎在同一个高度。根据GIS的数字地图，可 提供用户的近似高度，作为移动终端到地心的高度估计值h。该值相对于终端 真实高度的差异要远小于该区域的半径，而且用户所在区域地势越平坦，h值 越接近真实值。\n构建方程：$\sqrt{x^2+y^2+z^2}=h---\left(2\right)$\n3、混合GPS定位方法\n定位环境几何结构如图3所示，移动终端向位置服务器发出GPS辅助信 息请求，以便获取所在小区可见的卫星的星历信息。位置服务器收到请求后， 将返回该小区可见的星历信息。移动终端获得GPS辅助信息后，进行卫星伪 距测量。基站还可提供伪距改正值，来修正移动终端的误差。\n基站根据星历信息数据算出卫星坐标(xs，ys，zs)，移动终端测量的伪距为 ρ，根据上文1中得到的卫星到移动终端间的钟差ΔTsu可建立方程：\n$\sqrt{{\left({x-x}_s\right)}^2+{(y-y_s)}^2+{(z-z_s)}^2}=\rho +c*{\mathrm{\Delta T}}_{\mathrm{su}}---\left(3\right)$\n由方程式(1)、(2)、(3)可建立方程组：\n$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(x-x_b)}^2+{(y-y_b)}^2+{(z-z_b)}^2}=R_{\mathrm{bu}}\\ \sqrt{x^2+y^2+z^2}=h\\ \sqrt{{(x-x_s)}^2+{(y-y_s)}^2+{(z-z_s)}^2}=\rho +c*{\mathrm{\Delta T}}_{\mathrm{su}}\end{array}\right.$\n求解该方程组，即可求出移动终端所在位置坐标(x、y、z)。\n如图5所示为本发明移动终端混合定位方法的流程图。移动终端向基站 发出定位请求，基站中位置测量单元LMU进行AOA和TOA参数测量，PDE 根据上述测量参数进行AOA/TOA位置估算(该位置为移动终端所在二维平 面的大致区域)，并算出移动终端与基站、卫星之间的钟差。移动位置中心根 据估计的位置并调用GIS数据库中存储的该区域的平均高度，得到移动终端 到地心的的高度估计值。移动终端通过向基站发送AGPS辅助信息请求获得 所在小区可见的卫星星历信息。并将卫星伪距测量数据发送给PDE。最后， PDE根据AOA/TOA位置估算值、GIS数据库中该区域的平均高度、以及移 动终端与卫星之间的时钟误差，建立方程组，求解方程组进行待求移动终端 位置计算，将计算结果发送给移动终端，即得到所求移动终端的三维位置坐 标。\n本发明采用AOA/TOA/GPS混合定位方法，当只有一颗卫星和一个基站 可用时，仍可对移动终端进行较高精度的三维空间定位，适用于建筑物密集 的城区和室内定位。