CN113068127B - 一种NB-IoT终端的定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种NB‑IoT终端的定位方法，解决了现有技术对NB‑IoT终端定位精度低的问题，包括以下步骤：建立NB‑IoT终端定位***；NB‑IoT应用端向NB‑IoT定位服务器发送定位请求；NB‑IoT定位服务器分别与NB‑IoT终端和NB‑IoT基站交互定位数据和定位配置信息，对NB‑IoT终端的坐标进行估计，确认每个参与定位的NB‑IoT基站和NB‑IoT终端间的传播径是视距传播径还是非视距传播径并选择最合适的参考基站；最后联合参考基站的平面坐标和NB‑IoT终端的估计坐标，计算NB‑IoT终端的最终坐标。本发明在NB‑IoT现有配置下，大幅度提高了对NB‑IoT终端的定位精度。

Description

一种NB-IoT终端的定位方法
技术领域
本发明涉及物联网通信的技术领域，更具体地，涉及一种NB-IoT终端的定位方法。
背景技术
窄带物联网(Narrow Band Internet of Things，NB-IoT)在位置跟踪和定位的应用是非常广泛的，很多商业应用和公共服务都依赖于NB-IoT终端的位置信息。室外设备普遍采用GPS定位***，但NB-IoT终端多工作在室内，GPS信号在室内由于信号衰落过快，不能用于NB-IoT终端的定位计算。3GPP协议定义了相关NB-IoT终端定位技术，其定位原理是根据多个已经建好并已知参考坐标位置的NB-IoT基站，通过NB-IoT终端和NB-IoT基站之间交互窄带定位参考信号(Narrowband Positioning Reference Signal，NPRS)来获得NPRS特征，包括信号强度(RSSI)、信号到达时间(Time of Arrival，TOA)、信号到达角度(AOA，Angle of Arrival)，并基于到达时间TOA可以得到发送接收时间差(TDOA，TimeDifference of Arrival)，通过上述信号特征可以研究相对应的算法来实现NB-IoT物联网定位需求。
现有技术中，对NB-IoT终端进行定位有如下几种方法：基于接收信号强度RSSI的定位算法，是通过信号传输损耗，即通过对发送功率和接收功率进行测量后进行计算，该定位算法不需要节点安装额外的设备，实现比较简单，但定位精度较低，可靠性较差不能适用于所有工作环境下，RSSI值受到传播过程中各种障碍物的影响较大，导致RSSI定位算法只能作为定位辅助方法；基于信号到达角度AOA的定位算法，是通过基站感知终端设备发送信号的到达方向，计算接收终端和基站之间的相对方位或角度，再利用三角测量法或其他方式计算出待定位终端的位置，但该算法需要专用的天线阵列测量信号到达角，而专用天线阵列的成本较高，不适宜于物联网低成本建设的需求，增加投资预算；TOA/TDOA定位算法是利用时间差进行定位的方法，定位精度取决于信号传播时间的信号分辨率误差，而NB-IoT***标准采样率为1.92MHz，时间分辨率为520ns，传输对应的距离分辨率为156米，定位精度仍然不高。
2020年6月26日公开的中国专利CN111343584A提供了一种NB-loT终端的定位方法及服务器。该方法包括：服务器接收不具备卫星定位功能或卫星定位功能不可用的NB-loT终端发送的定位请求，所述定位请求携带所述NB-loT终端所在的小区的标识；所述服务器根据所述定位请求中携带的小区的标识，查询小区经纬度坐标数据库，得到与所述小区的标识对应的经纬度坐标，其中，所述小区经纬度坐标数据库是所述服务器根据至少一个具备卫星定位功能的终端基于卫星定位功能获得的在不同时刻发送的经纬度坐标得到的；所述服务器向所述NB-loT终端发送定位响应，所述定位响应中携带所述小区的标识对应的经纬度坐标，进而提高NB-loT终端的定位精度，但直接将NB-loT终端所在的小区的经纬度坐标作为NB-loT终端的坐标，定位精度低。
发明内容
本发明为克服上述现有技术对NB-IoT终端定位精度低的缺陷，提供一种NB-IoT终端的定位方法，可以在NB-IoT现有配置下，提高对NB-IoT终端的定位精度。
为解决上述技术问题，达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
本发明提供一种NB-IoT终端的定位方法，所述方法包括以下步骤：
S1：建立NB-IoT终端定位***，所述***包括n个NB-IoT基站、NB-IoT终端、NB-IoT定位服务器和NB-IoT应用端；
S2：所述NB-IoT应用端向NB-IoT定位服务器发送NB-IoT终端定位请求；
S3：所述NB-IoT定位服务器向NB-IoT终端发送定位能力请求，对NB-IoT进行定位能力确认；
S4：所述NB-IoT定位服务器确认所述NB-IoT终端的定位能力后，向所述NB-IoT终端发送定位数据请求；所述NB-IoT终端接收到定位数据请求后，将定位数据返回至所述NB-IoT定位服务器；
S5：所述NB-IoT定位服务器接收到定位数据后，向NB-IoT基站发送定位配置信息请求；所述NB-IoT基站接收到定位配置信息请求后，将定位配置信息返回至NB-IoT定位服务器；
S6：NB-IoT定位服务器根据接收到的定位数据和定位配置信息，对NB-IoT终端的坐标进行估计，获得NB-IoT终端的估计坐标；
S7：NB-IoT定位服务器基于定位配置信息和NB-IoT终端的估计坐标，确认每个参与定位的NB-IoT基站和NB-IoT终端间的传播径是视距传播径还是非视距传播径；
S8：NB-IoT定位服务器根据NB-IoT基站和NB-IoT终端间的传播径选择参考基站，确认参考基站的平面坐标；
S9：NB-IoT定位服务器将参考基站的平面坐标作为参考坐标，并联合NB-IoT终端的估计坐标，计算NB-IoT终端的最终坐标，并发送至NB-IoT应用端，完成对NB-IoT终端的定位。
优选地，步骤S3所述NB-IoT定位服务器向NB-IoT终端发送定位能力请求对其进行定位能力确认的具体方法为：NB-IoT定位服务器向NB-IoT终端发送定位能力请求后，所述NB-IoT终端向所述NB-IoT定位服务器返回定位能力响应。
优选地，步骤S4所述NB-IoT终端接收到定位数据请求后，还包括：
S4.1：所述NB-IoT终端向n个NB-IoT基站发送NPRS定位信号，其中n≥3；
S4.2：所述NB-IoT基站上报NPRS定位信号、记录通信时间Ti和信号强度RSSIi后，向NB-IoT终端发送返回信号；其中Ti表示NB-IoT终端发送NPRS定位信号到第i个NB-IoT基站的通讯时间，RSSIi表示NB-IoT终端发送到第i个NB-IoT基站的NPRS定位信号的信号强度，i＝1，2，…，n；
S4.3：所述NB-IoT终端收到返回信号后，计算NPRS定位信号发送接收时间差Tdoai；其中Tdoai表示NB-IoT终端发送NPRS定位信号到第i个NB-IoT基站的发送接收时间差，i＝1，2，…，n；
S4.4：NB-IoT终端将计算得到的发送接收时间差Tdoai作为定位数据传输至NB-IoT定位服务器。
优选地，所述S5中，定位配置信息包括NB-IoT基站的编号、小区号、频点号和GPS坐标。
优选地，所述S6中，NB-IoT定位服务器根据定位配置信息对NB-IoT终端的坐标进行估计时，需要将定位配置信息中NB-IoT基站GPS坐标转换为平面坐标。对NB-IoT终端的坐标进行估计的过程是基于NB-IoT终端与NB-IoT基站之间距离的，有必要将NB-IoT基站GPS坐标转换为平面坐标。
优选地，转换平面坐标的具体方法为：
将NB-IoT基站GPS坐标以WGS-84的参考椭球为基准进行高斯投影，通过坐标强制转换，如相似变换、仿射变换、完整二次多项式变换等，统一到北京54坐标系、西安80坐标系或局部任意坐标系中，获得NB-IoT基站的平面坐标。
优选地，所述S6中，获得NB-IoT终端的估计坐标的具体方法为：
设NB-IoT终端的估计坐标为(x0，y0)，第i个NB-IoT基站的平面坐标为(xi，yi)，第j个NB-IoT基站的平面坐标为(xj，yj)，NB-IoT终端发送NPRS定位信号到第i个NB-IoT基站和第j个NB-IoT基站的发送接收时间差为Tdoaij，则NB-IoT终端发送NPRS定位信号到第i个NB-IoT基站和第j个NB-IoT基站的传播距离差为Δdij：
Δdij＝c*Tdoaij
Figure BDA0002948833110000041
其中，c表示电波传播速度；通过上面公式计算出(x0，y0)的值，即NB-IoT终端的估计坐标。
优选地，所述S7中，利用最小二乘法，确认每个NB-IoT基站和NB-IoT终端间的传播径是视距传播径还是非视距传播径，具体过程为：
设第i个NB-IoT基站的平面坐标为(xi，yi)，NB-IoT终端的估计坐标为(x0，y0)，则NB-IoT终端到第i个NB-IoT基站的距离为：
Figure BDA0002948833110000042
其中，c表示电波传播速度，Ti表示NB-IoT终端发送NPRS定位信号到第i个NB-IoT基站的通讯时间；
采用最小二乘法对NB-IoT终端坐标(x0，y0)进行误差估计，获得NB-IoT终端坐标的最小二乘优化值min(Ln{x0，y0})：
Figure BDA0002948833110000043
对于n个NB-IoT基站，排除任意一个NB-IoT基站，将剩余(n-1)个NB-IoT基站再次使用最小二乘法进行对NB-IoT终端坐标(x0，y0)进行误差估计，获得排除一个NB-IoT基站的NB-IoT终端坐标的最小二乘优化值min(Ln-1{x0，y0})：
Figure BDA0002948833110000044
将min(Ln-1{x0，y0})与min(Ln{x0，y0})进行比较，如果min(Ln-1{x0，y0})＜min(Ln{x0，y0})，则确认被排除的NB-IoT基站与NB-IoT终端之间为视距传播径，否则确认为非视距传播径；
使用以上方法分别排除每个NB-IoT基站，确认每个NB-IoT基站和NB-IoT终端间的传播径是视距传播径还是非视距传播径。
由于NB-IoT终端收到多个NB-IoT基站的返回NPRS定位信号，定位信号接收时间差误差受传播环境影响，可能存在视距传播径和非视距传播径，有必要将其中的视距传播径和非视距传播径进行区分。
优选地，所述S8中，选择参考基站的具体方法为：
若NB-IoT基站和NB-IoT终端间的传播径存在视距传播径，则将传播径为视距传播径对应的NB-IoT基站选为参考基站；
若每个NB-IoT基站和NB-IoT终端间的传播径都为非视距传播径，则利用加权法计算每个NB-IoT基站的权值，将权值最大的NB-IoT基站选为参考基站，即：
NB-IoT终端将信号强度RSSIi按照数值从大到小排序后乘上第一权数，将发送接收时间差Tdoai按照数值大小从小到大排序乘上第二权数，选择上述两项相加后权值最大的NB-IoT基站作为参考基站：
max(α1*RSSIi+α2*Tdoai)
其中，α1为第一权数，α2为第二权数。
在视距传播径的条件下，CHAN算法的定位精度高，所以选择视距传播径对应的NB-IoT基站为参考基站；不存在视距传播径时，通过RSSI和TDOA加权法选择权值最大的NB-IoT基站作为参考基站，提高定位精度。
优选地，所述S9中，利用CHAN算法计算NB-IoT终端的最终坐标，具体方法为：
设参考基站的平面坐标作为参考坐标(xk，yk)，联合NB-IoT终端的估计坐标(x0，y0)和第i个NB-IoT基站的平面坐标(xi，yi)，计算NB-IoT终端到第i个NB-IoT基站和参考基站的距离差Δdik：
Figure BDA0002948833110000051
其中di表示NB-IoT终端到第i个NB-IoT基站的距离，dk表示NB-IoT终端到参考基站的距离，i≠k，化简后得：
Figure BDA0002948833110000052
其中，xik为第i个NB-IoT基站横坐标与参考基站横坐标的差值，xik＝xi-xk；yik为第i个NB-IoT基站纵坐标与参考基站纵坐标的差值，yik＝yi-yk；
设辅助变量
Figure BDA0002948833110000061
则有矩阵D＝A*h，其中A和h均为行列式，
Figure BDA0002948833110000062
矩阵D＝A*h的残差函数为Li(xi，yi)＝D-A*h，利用最小二乘法计算残差函数向量的模的绝对值最小时对应的(x0，y0)的取值，记为(x*，y*)，作为NB-IoT终端的最终坐标：
(x*，y*)＝argmin(Li(xi，yi)TLi(xi，yi))＝argmin((D-A*h)T(D-A*h))
其中，argmin(*)是求目标函数为最小值时变量的取值的函数，Li(xi，yi)T是残差函数为Li(xi，yi)的转置函数。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明通过建立NB-IoT终端定位***，NB-IoT应用端向NB-IoT定位服务器发送NB-IoT终端定位请求；NB-IoT定位服务器首先对NB-IoT终端的坐标进行估计，再确定每个参与定位的NB-IoT基站和NB-IoT终端间的传播径是视距传播径还是非视距传播径；在不同传播径的情况下，以不同方法选择参考基站，保证在不同传播经的情况下，均选择到最合适的参考基站，确保提高定位精度；最后联合参考基站的坐标和NB-IoT终端的估计坐标，计算NB-IoT终端的最终坐标。本发明基于NB-IoT现有配置，不用额外增加硬件设备，即可大幅度提高对NB-IoT终端的定位精度。
附图说明
图1为实施例1所述NB-IoT终端的定位方法的流程图；
图2为实施例1所述NB-IoT终端的定位方法的信息流向图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例提供一种NB-IoT终端的定位方法，如图1、2所示，所述方法包括以下步骤：
S1：建立NB-IoT终端定位***，所述***包括n个NB-IoT基站、NB-IoT终端、NB-IoT定位服务器和NB-IoT应用端；
S2：所述NB-IoT应用端向NB-IoT定位服务器发送NB-IoT终端定位请求；
S3：所述NB-IoT定位服务器向NB-IoT终端发送定位能力请求，对NB-IoT进行定位能力确认；
S4：所述NB-IoT定位服务器确认所述NB-IoT终端的定位能力后，向所述NB-IoT终端发送定位数据请求；所述NB-IoT终端接收到定位数据请求后，将定位数据返回至所述NB-IoT定位服务器；
S5：所述NB-IoT定位服务器接收到定位数据后，向NB-IoT基站发送定位配置信息请求；所述NB-IoT基站接收到定位配置信息请求后，将定位配置信息返回至NB-IoT定位服务器；
S6：NB-IoT定位服务器根据接收到的定位数据和定位配置信息，对NB-IoT终端的坐标进行估计，获得NB-IoT终端的估计坐标；
S7：NB-IoT定位服务器基于定位配置信息和NB-IoT终端的估计坐标，确认每个参与定位的NB-IoT基站和NB-IoT终端间的传播径是视距传播径还是非视距传播径；
S8：NB-IoT定位服务器根据NB-IoT基站和NB-IoT终端间的传播径选择参考基站，确认参考基站的平面坐标；
S9：NB-IoT定位服务器将参考基站的平面坐标作为参考坐标，并联合NB-IoT终端的估计坐标，计算NB-IoT终端的最终坐标，并发送至NB-IoT应用端，完成对NB-IoT终端的定位。
NB-IoT基站是移动通信中的蜂窝单元，完成NB-IoT终端通信和管理工作，覆盖能力可达164dB。NB-IoT终端是待定位设备上部署NB-IoT模组，与NB-IoT基站进行通信，可以向NB-IoT基站发送业务数据和定位数据信息。NB-IoT定位服务器可以根据NB-IoT基站和NB-IoT终端之间的定位指令数据，对NB-IoT终端进行定位算法处理；NB-IoT定位服务器可以响应NB-IoT应用端对NB-IoT终端进行定位的操作。
步骤S3所述NB-IoT定位服务器向NB-IoT终端发送定位能力请求对其进行定位能力确认的具体方法为：NB-IoT定位服务器向NB-IoT终端发送定位能力请求后，所述NB-IoT终端向所述NB-IoT定位服务器返回定位能力响应。
步骤S4所述NB-IoT终端接收到定位数据请求后，还包括：
S4.1：所述NB-IoT终端向n个NB-IoT基站发送NPRS定位信号，其中n≥3；
S4.2：所述NB-IoT基站上报NPRS定位信号、记录通信时间Ti和信号强度RSSIi后，向NB-IoT终端发送返回信号；其中Ti表示NB-IoT终端发送NPRS定位信号到第i个NB-IoT基站的通讯时间，RSSIi表示NB-IoT终端发送到第i个NB-IoT基站的NPRS定位信号的信号强度，i＝1，2，…，n；
S4.3：所述NB-IoT终端收到返回信号后，计算NPRS定位信号发送接收时间差Tdoai；其中Tdoai表示NB-IoT终端发送NPRS定位信号到第i个NB-IoT基站的发送接收时间差，i＝1，2，…，n；
S4.4：NB-IoT终端将计算得到的发送接收时间差Tdoai作为定位数据传输至NB-IoT定位服务器。
为了提高NB-IoT终端定位精度，3GPP在NB-IoT协议规范中定义了用于参考信号时间差测量的定位窄带参考信号NPRS，NPRS为专门用于NB-IoT基站对终端进行信号测量时的参考信号。为了尽可能减少干扰，定位子帧数据不包含用户数据，仅包含少量控制信号。
所述S5中，定位配置信息包括NB-IoT基站的编号、小区号、频点号和GPS坐标。
所述S6中，NB-IoT定位服务器根据定位配置信息对NB-IoT终端的坐标进行估计时，需要将定位配置信息中NB-IoT基站GPS坐标转换为平面坐标。对NB-IoT终端的坐标进行估计的过程是基于NB-IoT终端与NB-IoT基站之间距离的，有必要将NB-IoT基站GPS坐标转换为平面坐标。
转换平面坐标的具体方法为：
将NB-IoT基站GPS坐标以WGS-84的参考椭球为基准进行高斯投影，通过坐标强制转换，如相似变换、仿射变换、完整二次多项式变换等，统一到北京54坐标系、西安80坐标系或局部任意坐标系中，获得NB-IoT基站的平面坐标。
所述S6中，获得NB-IoT终端的估计坐标的具体方法为：
设NB-IoT终端的估计坐标为(x0，y0)，第i个NB-IoT基站的平面坐标为(xi，yi)，第j个NB-IoT基站的平面坐标为(xj，yj)，NB-IoT终端发送NPRS定位信号到第i个NB-IoT基站和第j个NB-IoT基站的发送接收时间差为Tdoaij，则NB-IoT终端发送NPRS定位信号到第i个NB-IoT基站和第j个NB-IoT基站的传播距离差为Δdij：
Δdij＝c*Tdoaij
Figure BDA0002948833110000091
其中，c表示电波传播速度；通过上面公式计算出(x0，y0)的值，即NB-IoT终端的估计坐标。
所述S7中，利用最小二乘法，确认每个NB-IoT基站和NB-IoT终端间的传播径是视距传播径还是非视距传播径，具体过程为：
设第i个NB-IoT基站的平面坐标为(xi，yi)，NB-IoT终端的估计坐标为(x0，y0)，则NB-IoT终端到第i个NB-IoT基站的距离为：
Figure BDA0002948833110000092
其中，c表示电波传播速度，Ti表示NB-IoT终端发送NPRS定位信号到第i个NB-IoT基站的通讯时间；
采用最小二乘法对NB-IoT终端坐标(x0，y0)进行误差估计，获得NB-IoT终端坐标的最小二乘优化值min(Ln{x0，y0})：
Figure BDA0002948833110000093
对于n个NB-IoT基站，排除任意一个NB-IoT基站，将剩余(n-1)个NB-IoT基站再次使用最小二乘法进行对NB-IoT终端坐标(x0，y0)进行误差估计，获得排除一个NB-IoT基站的NB-IoT终端坐标的最小二乘优化值min(Ln-1{x0，y0})：
Figure BDA0002948833110000094
将min(Ln-1{x0，y0})与min(Ln{x0，y0})进行比较，如果min(Ln-1{x0，y0})＜min(Ln{x0，y0})，则确认被排除的NB-IoT基站与NB-IoT终端之间为视距传播径，否则确认为非视距传播径；
使用以上方法分别排除每个NB-IoT基站，确认每个NB-IoT基站和NB-IoT终端间的传播径是视距传播径还是非视距传播径。
由于NB-IoT终端收到多个NB-IoT基站的返回NPRS定位信号，定位信号接收时间差误差受传播环境影响，可能存在视距传播径和非视距传播径，有必要将其中的视距传播径和非视距传播径进行区分。
所述S8中，选择参考基站的具体方法为：
若NB-IoT基站和NB-IoT终端间的传播径存在视距传播径，则将传播径为视距传播径对应的NB-IoT基站选为参考基站；
若每个NB-IoT基站和NB-IoT终端间的传播径都为非视距传播径，则利用加权法计算每个NB-IoT基站的权值，将权值最大的NB-IoT基站选为参考基站，即：
NB-IoT终端将信号强度RSSIi按照数值从大到小排序后乘上第一权数，将发送接收时间差Tdoai按照数值大小从小到大排序乘上第二权数，选择上述两项相加后权值最大的NB-IoT基站作为参考基站：
max(α1*RSSIi+α2*Tdoai)
其中，α1为第一权数，α2为第二权数。在本实施例中，α1的取值为0.35，α2的取值为0.65。
在视距传播径的条件下，CHAN算法的定位精度高，所以选择视距传播径对应的NB-IoT基站为参考基站；不存在视距传播径时，通过RSSI和TDOA加权法选择权值最大的NB-IoT基站作为参考基站，提高定位精度。
对于待定位的NB-IoT终端而言，在与NB-IoT定位服务器的信号流程交互时间内，可以认为NB-IoT终端是静止的，NB-IoT终端与不同NB-IoT基站之间的距离不变。可以认为，离NB-IoT终端越近的基站，收到的NB-IoT终端信号RSSI值会越大，也就是当NB-IoT基站收到的RSSI越大时，该NB-IoT基站距离NB-IoT终端越近的概率越大，该NB-IoT基站位于NB-IoT终端区域半径越小的位置。
所述S9中，利用CHAN算法计算NB-IoT终端的最终坐标，具体方法为：
设参考基站的平面坐标作为参考坐标(xk，yk)，联合NB-IoT终端的估计坐标(x0，y0)和第i个NB-IoT基站的平面坐标(xi，yi)，计算NB-IoT终端到第i个NB-IoT基站和参考基站的距离差Δdik：
Figure BDA0002948833110000111
其中di表示NB-IoT终端到第i个NB-IoT基站的距离，dk表示NB-IoT终端到参考基站的距离，i≠k，化简后得：
Figure BDA0002948833110000112
其中，xik为第i个NB-IoT基站横坐标与参考基站横坐标的差值，xik＝xi-xk；yik为第i个NB-IoT基站纵坐标与参考基站纵坐标的差值，yik＝yi-yk；
设辅助变量
Figure BDA0002948833110000113
则有矩阵D＝A*h，其中A和h均为行列式，
Figure BDA0002948833110000114
矩阵D＝A*h的残差函数为Li(xi，yi)＝D-A*h，利用最小二乘法计算残差函数向量的模的绝对值最小时对应的(x0，y0)的取值，记为(x*，y*)，作为NB-IoT终端的最终坐标：
(x*，y*)＝argmin(Li(xi，yi)TLi(xi，yi))＝argmin((D-A*h)T(D-A*h))
其中，argmin(*)是求目标函数为最小值时变量的取值的函数，Li(xi，yi)T是残差函数为Li(xi，yi)的转置函数。
本实施例的优点在于：
1.本实施例采用接收信号强度RSSI和区分传播径进行辅助定位，计算过程相对较简单，定位精度高，能满足50m-100m定位精度要求；
2.本实施例在NB-IoT现有配置下提高定位精度，不用额外增加硬件设备，工程实用性较高，普适性高，有利于物联网设备进行大规模投放；
3.NB-IoT终端的最终坐标计算时，对CHAN算法改进，区分视距传播径和非视距传播径的情况；当每个NB-IoT基站和NB-IoT终端间的传播径都为非视距传播径时，使用RSSI和TDOA加权法得到权值最大的NB-IoT基站的平面坐标作为参考基站，再利用组合定位法和最小二乘法最优解计算得到终端的定位坐标，提高了定位精度。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种NB-IoT终端的定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：建立NB-IoT终端定位***，所述***包括n个NB-IoT基站、NB-IoT终端、NB-IoT定位服务器和NB-IoT应用端；
S2：所述NB-IoT应用端向NB-IoT定位服务器发送NB-IoT终端定位请求；
S3：所述NB-IoT定位服务器向NB-IoT终端发送定位能力请求，对NB-IoT终端进行定位能力确认；
S4：所述NB-IoT定位服务器确认所述NB-IoT终端的定位能力后，向所述NB-IoT终端发送定位数据请求；所述NB-IoT终端接收到定位数据请求后，将定位数据返回至所述NB-IoT定位服务器；
S5：所述NB-IoT定位服务器接收到定位数据后，向NB-IoT基站发送定位配置信息请求；所述NB-IoT基站接收到定位配置信息请求后，将定位配置信息返回至NB-IoT定位服务器；
S6：NB-IoT定位服务器根据接收到的定位数据和定位配置信息，对NB-IoT终端的坐标进行估计，获得NB-IoT终端的估计坐标；
S7：NB-IoT定位服务器基于定位配置信息和NB-IoT终端的估计坐标，确认每个参与定位的NB-IoT基站和NB-IoT终端间的传播径是视距传播径还是非视距传播径；
S8：NB-IoT定位服务器根据NB-IoT基站和NB-IoT终端间的传播径选择参考基站，确认参考基站的平面坐标；
选择参考基站的具体方法为：
若NB-IoT基站和NB-IoT终端间的传播径存在视距传播径，则将传播径为视距传播径对应的NB-IoT基站选为参考基站；
若每个NB-IoT基站和NB-IoT终端间的传播径都为非视距传播径，则利用加权法计算每个NB-IoT基站的权值，将权值最大的NB-IoT基站选为参考基站，即：
NB-IoT终端将信号强度RSSIi按照数值从大到小排序后乘上第一权数，将发送接收时间差Tdoai按照数值大小从小到大排序乘上第二权数，选择上述两项相加后权值最大的NB-IoT基站作为参考基站：
max(α1*RSSIi+α2*Tdoai)
其中，α1为第一权数，α2为第二权数；RSSIi表示NB-IoT终端发送到第i个NB-IoT基站的NPRS定位信号的信号强度，Tdoai表示NB-IoT终端发送NPRS定位信号到第i个NB-IoT基站的发送接收时间差，i＝1，2，…，n；
S9：NB-IoT定位服务器将参考基站的平面坐标作为参考坐标，并联合NB-IoT终端的估计坐标，计算NB-IoT终端的最终坐标，并发送至NB-IoT应用端，完成对NB-IoT终端的定位。
2.根据权利要求1所述的NB-IoT终端的定位方法，其特征在于，步骤S3所述NB-IoT定位服务器向NB-IoT终端发送定位能力请求对其进行定位能力确认的具体方法为：NB-IoT定位服务器向NB-IoT终端发送定位能力请求后，所述NB-IoT终端向所述NB-IoT定位服务器返回定位能力响应。
3.根据权利要求2所述的NB-IoT终端的定位方法，其特征在于，步骤S4所述NB-IoT终端接收到定位数据请求后，还包括：
S4.1：所述NB-IoT终端向n个NB-IoT基站发送NPRS定位信号，其中n≥3；
S4.2：所述NB-IoT基站上报NPRS定位信号、记录通信时间Ti和信号强度RSSIi后，向NB-IoT终端发送返回信号；其中Ti表示NB-IoT终端发送NPRS定位信号到第i个NB-IoT基站的通讯时间，RSSIi表示NB-IoT终端发送到第i个NB-IoT基站的NPRS定位信号的信号强度，i＝1，2，…，n；
S4.3：所述NB-IoT终端收到返回信号后，计算NPRS定位信号发送接收时间差Tdoai；其中Tdoai表示NB-IoT终端发送NPRS定位信号到第i个NB-IoT基站的发送接收时间差，i＝1，2，…，n；
S4.4：NB-IoT终端将计算得到的发送接收时间差Tdoai作为定位数据传输至NB-IoT定位服务器。
4.根据权利要求3所述的NB-IoT终端的定位方法，其特征在于，所述S5中，定位配置信息包括NB-IoT基站的编号、小区号、频点号和GPS坐标。
5.根据权利要求4所述的NB-IoT终端的定位方法，其特征在于，所述S6中，NB-IoT定位服务器根据定位配置信息对NB-IoT终端的坐标进行估计时，需要将定位配置信息中NB-IoT基站GPS坐标转换为平面坐标。
6.根据权利要求5所述的NB-IoT终端的定位方法，其特征在于，转换平面坐标的具体方法为：
将NB-IoT基站GPS坐标以WGS-84的参考椭球为基准进行高斯投影，强制转换统一到北京54坐标系、西安80坐标系或局部任意坐标系中，获得NB-IoT基站的平面坐标。
7.根据权利要求6所述的NB-IoT终端的定位方法，其特征在于，所述S6中，获得NB-IoT终端的估计坐标的具体方法为：
设NB-IoT终端的估计坐标为(x0，y0)，第i个NB-IoT基站的平面坐标为(xi，yi)，第j个NB-IoT基站的平面坐标为(xj，yj)，NB-IoT终端发送NPRS定位信号到第i个NB-IoT基站和第j个NB-IoT基站的发送接收时间差为Tdoaij，则NB-IoT终端发送NPRS定位信号到第i个NB-IoT基站和第j个NB-IoT基站的传播距离差为Δdij：
Figure FDA0003699176670000031
其中，c表示电波传播速度；通过上面公式计算出(x0，y0)的值，即NB-IoT终端的估计坐标。
8.根据权利要求7所述的NB-IoT终端的定位方法，其特征在于，所述S7中，利用最小二乘法，确认每个NB-IoT基站和NB-IoT终端间的传播径是视距传播径还是非视距传播径，具体过程为：
设第i个NB-IoT基站的平面坐标为(xi，yi)，NB-IoT终端的估计坐标为(x0，y0)，则NB-IoT终端到第i个NB-IoT基站的距离di为：
di＝c*Ti
其中，c表示电波传播速度，Ti表示NB-IoT终端发送NPRS定位信号到第i个NB-IoT基站的通讯时间；
采用最小二乘法对NB-IoT终端坐标(x0，y0)进行误差估计，获得NB-IoT终端坐标的最小二乘优化值min(Ln{x0，y0})：
Figure FDA0003699176670000032
对于n个NB-IoT基站，排除任意一个NB-IoT基站，将剩余(n-1)个NB-IoT基站再次使用最小二乘法进行对NB-IoT终端坐标(x0，y0)进行误差估计，获得排除一个NB-IoT基站的NB-IoT终端坐标的最小二乘优化值min(Ln-1{x0，y0})：
Figure FDA0003699176670000041
将min(Ln-1{x0，y0})与min(Ln{x0，y0})进行比较，如果min(Ln-1{x0，y0})＜min(Ln{x0，y0})，则确认被排除的NB-IoT基站与NB-IoT终端之间为视距传播径，否则确认为非视距传播径；
使用以上方法分别排除每个NB-IoT基站，确认每个NB-IoT基站和NB-IoT终端间的传播径是视距传播径还是非视距传播径。
9.根据权利要求8所述的NB-IoT终端的定位方法，其特征在于，所述S9中，利用CHAN算法计算NB-IoT终端的最终坐标，具体方法为：
设参考基站的平面坐标作为参考坐标(xk，yk)，联合NB-IoT终端的估计坐标(x0，y0)和第i个NB-IoT基站的平面坐标(xi，yi)，计算NB-IoT终端到第i个NB-IoT基站和参考基站的距离差Δdik：
Figure FDA0003699176670000042
其中di表示NB-IoT终端到第i个NB-IoT基站的距离，dk表示NB-IoT终端到参考基站的距离，i≠k，化简后得：
Figure FDA0003699176670000043
其中，xik为第i个NB-IoT基站横坐标与参考基站横坐标的差值，xik＝xi-xk；yik为第i个NB-IoT基站纵坐标与参考基站纵坐标的差值，yik＝yi-yk；
设辅助变量
Figure FDA0003699176670000044
则有矩阵D＝A*h，其中A和h均为行列式，
Figure FDA0003699176670000045
矩阵D＝A*h的残差函数为Li(xi，yi)＝D-A*h，利用最小二乘法计算残差函数向量的模的绝对值最小时对应的(x0，y0)的取值，记为(x*，y*)，作为NB-IoT终端的最终坐标：
(x*，y*)＝argmin(Li(xi，yi)TLi(xi，yi))
其中，argmin(*)是求目标函数为最小值时变量取值的函数，Li(xi，yi)T是残差函数为Li(xi，yi)的转置函数。
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