CN114245289A - 一种移动设备自主定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种移动设备自主定位方法，包括：用户终端接收N组由M(M≥3)个基站所发出的定位参考信号PRS，得到M个基站所发出的定位参考信号PRS到用户终端的时间TOA，参考基站BSi与服务基站BS1所发出的定位参考信号PRS到用户终端的时间TOA相减，得到定位参考信号PRS到用户终端的时间差TDOA
Figure DDA0003333679420000013
判断定位场景的定位类型，用户终端采用参考基站BSi与服务基站BS1所发出的定位参考信号PRS到用户终端的时间差
Figure DDA0003333679420000014
及网络侧发出的用户终端的定位结果，反算得到服务基站BS1、参考基站BSi的位置坐标及TDOA，利用反算得到的服务基站BS1、参考基站BSi的位置坐标及TDOA得到用户终端所在的M‑1条双曲线，并使用M‑1条双曲线的交点得到用户终端的位置坐标，实现用户终端的自主定位，提高定位的自主性和安全性。

Description

一种移动设备自主定位方法
技术领域
本发明属于无线定位技术领域，具体涉及一种移动设备自主定位方法。
背景技术
目前，蜂窝网络的用户终端的定位技术通常采用多个坐标位置已知且固定的地面基站(Base Station，BS)与用户终端进行交互，获得各种测量参数，然后网络侧再采用合适的计算方法来得到用户终端在蜂窝小区内的具***置。因此，对终端用户而言，终端用户的位置坐标被基站侧完全掌握，终端用户的自主性及安全性都无法得到保障。对终端厂商来说，需要一种在蜂窝网络中能够实现用户终端的自主定位，以保障用户的个人隐私及实现定位自主性。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种移动设备自主定位方法，所述自主定位方法包括以下步骤：
步骤1，用户终端接收N组由M(M≥3)个基站所发出的定位参考信号PRS，得到N组由M(M≥3)个基站所发出的定位参考信号PRS到用户终端的时间TOA；
步骤2，将参考基站BSi(2≤i≤M)与服务基站BS1所发出的定位参考信号PRS到用户终端的时间TOA相减，得到N组参考基站BSi与服务基站BS1所发出的定位参考信号PRS到用户终端的时间差
Figure BDA0003333679400000011
j＝1,…,N；
步骤3，判断定位场景的定位类型：
当定位场景采用蜂窝网络进行定位时，用户终端将得到的N组TDOA上报给网络侧，网络侧利用N组TDOA测量值得到用户终端的位置坐标，并将N组定位结果发至用户终端；
当定位场景采用外***辅助进行定位时，用户终端通过GPS直接获取位置坐标；
步骤4，用户终端采用参考基站BSi与服务基站BS1所发出的定位参考信号PRS到用户终端的时间差
Figure BDA0003333679400000012
及网络侧发出的N个用户终端的定位结果，反算得到服务基站BS1、参考基站BSi的位置坐标及TDOA；
步骤5，用户终端利用反算得到的服务基站BS1、参考基站BSi的位置坐标及TDOA得到用户终端所在的M-1条双曲线，并使用M-1条双曲线的交点得到用户终端的位置坐标。
进一步地，步骤3中，定位场景采用蜂窝网络进行定位时，用户终端将得到的N组TDOA上报给网络侧，包括：
网络侧以服务基站BS1、参考基站BS2为焦点，根据参考基站BS2与服务基站BS1所发出的定位参考信号到用户终端的时间差
Figure BDA0003333679400000021
确定第一条用户终端所在的双曲线，如下式(1)：
Figure BDA0003333679400000022
其中，c表示为电波在空气中的传播速度；
同理，网络侧以服务基站BS1、参考基站BSi(3≤i≤M)为焦点，根据参考基站BSi与服务基站BS1所发出的定位参考信号到用户终端的时间差
Figure BDA0003333679400000023
确定i-1条用户终端所在的双曲线，如下式(2)：
Figure BDA0003333679400000024
根据上式(1)、(2)，求解方程组，得到用户终端的位置坐标(xj,yj)，并将N个定位结果下发给用户终端。
进一步地，步骤5中，用户终端利用反算得到的服务基站BS1、参考基站BSi的位置坐标及TDOA得到用户终端所在的M-1条双曲线，并使用M-1条双曲线的交点得到用户终端的位置坐标，包括：
用户终端实际测量TDOA，
Figure BDA0003333679400000025
表示为用户终端测量TDOA时的误差，
Figure BDA0003333679400000026
表示为均值为0、方差为σ2的独立同分布的高斯白噪声，得到下式(3)：
Figure BDA0003333679400000027
反算参考基站BS2(X2,Y2)及服务基站BS1(X1,Y1)的位置坐标求解N个上式(3)中第一式组成的非线性方程组，ΔRi，Ri，n，如下式(4)：
Figure BDA0003333679400000031
将上式(4)带入上式(3)第一式得到下式(5)：
Figure BDA0003333679400000032
采用最大似然估计确定基站的坐标值，R2-R1表示为已知的距离差，cn中的元素服从均值为0、方差为σ2的正态分布，得到ΔR2中的元素服从均值为R2-R1、方差为σ2的正态分布；
由于用户终端不同位置的TDOA相互独立，得到对应的似然函数，如下式(6)：
Figure BDA0003333679400000033
根据上式(6)得到使最大似然概率最大的基站坐标值，如下式(7)：
[(X1,Y1),(X2,Y2)]＝argmin[(ΔR2-R2+R1)T(ΔR2-R2+R1)]……(7)；
求解下式(8)，得到所有参与定位的基站坐标：
Figure BDA0003333679400000034
相对于现有技术，本发明的有益效果是：所述的自主定位方法通过用户终端获取的测量信息及定位结果对参与定位基站的位置坐标进行反算，得到基站的位置坐标，然后利用用户终端已知的基站位置坐标及测量信息实现对用户终端的位置计算，最后通过反算基站的坐标位置实现用户终端的自主定位，提高定位的自主性和安全性。
附图说明
图1为所述自主定位方法的结构示意图；
图2为所述自主定位方法中基站的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所述自主定位方法做以详细阐述。
本实施例以采用3个基站进行移动设备自主定位，用户终端共获取5个已知的位置坐标，如图2所示，基站及用户终端的位置坐标分别表示为(Xi,Yi)(i＝1,2,3)、(xj,yj)(j＝1,2,L,5)，服务基站表示为BS1，
Figure BDA0003333679400000041
和
Figure BDA0003333679400000042
分别表示为参考基站BS2、参考基站BS3与服务基站BS1之间的第j次信号到达时间差测量值。
进一步地，所述自主定位方法包括以下步骤：
步骤1，用户终端接收5组3个基站所发出的定位参考信号PRS，得到5组3个基站所发出的定位参考信号PRS到用户终端的时间TOA；
步骤2，将参考基站BS2与服务基站BS1所发出的定位参考信号PRS到用户终端的时间TOA相减，得到5组参考基站BS2与服务基站BS1所发出的定位参考信号PRS到用户终端的时间差
Figure BDA0003333679400000043
j＝1,…,N；
同理，将参考基站BS3与服务基站BS1所发出的定位参考信号PRS到用户终端的时间TOA相减，得到5组参考基站BS3与服务基站BS1所发出的定位参考信号到用户终端的时间差
Figure BDA0003333679400000044
j＝1,…,N；
步骤3，判断定位场景的定位类型：
当定位场景采用蜂窝网络进行定位时，用户终端将得到的5组TDOA上报给网络侧，网络侧利用5组TDOA测量值得到用户终端的位置坐标，并将5组定位结果发至用户终端；包括：
网络侧以服务基站BS1、参考基站BS2为焦点，根据BS2与服务基站BS1所发出的定位参考信号到用户终端的时间差
Figure BDA0003333679400000045
确定第一条用户终端所在的双曲线，如下式(1)：
Figure BDA0003333679400000046
其中，c表示为电波在空气中的传播速度；
同理，网络侧以服务基站BS1、参考基站BS3为焦点，根据参考基站BS3与服务基站BS1所发出的定位参考信号到用户终端的时间差
Figure BDA0003333679400000047
确定第二条用户终端所在的双曲线，如下式(2)：
Figure BDA0003333679400000051
根据上式(1)、(2)，求解方程组，得到用户终端的位置坐标(xj,yj)，并将5个定位结果下发给用户终端；
当定位场景采用外***辅助进行定位时，用户终端通过GPS直接获取位置坐标；
步骤4，用户终端采用参考基站BS2与服务基站BS1所发出的定位参考信号PRS到用户终端的时间差
Figure BDA0003333679400000052
及网络侧发出的5个用户终端的定位结果，反算得出服务基站BS1、参考基站BS2的位置坐标及TDOA；
同理，用户终端采用参考基站BS3与服务基站BS1所发出的定位参考信号到用户终端的时间差
Figure BDA0003333679400000053
及网络侧发出的5个用户终端的定位结果，反算得出服务基站BS1、参考基站BS3的位置坐标及TDOA；
步骤5，用户终端利用反算得出的服务基站BS1、参考基站BS2、参考基站BS3的位置坐标及TDOA，得到用户终端所在的两条双曲线，并使用两条双曲线的交点得出用户终端的位置坐标；包括：
用户终端实际测量TDOA，
Figure BDA0003333679400000054
表示为用户终端测量TDOA时的误差，
Figure BDA0003333679400000055
表示为均值为0、方差为σ2的独立同分布的高斯白噪声，得到下式(3)：
Figure BDA0003333679400000056
反算参考基站BS2(X2,Y2)及服务基站BS1(X1,Y1)的位置坐标求解5个上式(3)中第一式组成的非线性方程组，ΔRi，Ri，n，如下式(4)；
Figure BDA0003333679400000057
将上式(4)带入上式(3)第一式得到下式(5)：
Figure BDA0003333679400000061
采用最大似然估计确定基站的坐标值，R2-R1表示为已知的距离差，cn中的元素服从均值为0、方差为σ2的正态分布，得到ΔR2中的元素服从均值为R2-R1、方差为σ2的正态分布；
由于用户终端不同位置的TDOA相互独立，得到对应的似然函数，如下式(6)：
Figure BDA0003333679400000062
根据上式(6)得到使最大似然概率最大的基站坐标值，如下式(7)：
[(X1,Y1),(X2,Y2)]＝argmin[(ΔR2-R2+R1)T(ΔR2-R2+R1)]……(7)；
求解下式(8)，得到所有参与定位的基站坐标：
[(X1,Y1),(X2,Y2),(X3,Y3)]＝argmin[(ΔR2-R2+R1)T(ΔR2-R2+R1)+(ΔR3-R3+R1)T(ΔR3-R3+R1)]……(8)。
最后应当说明的是，以上所述仅为本发明的较佳的实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种移动设备自主定位方法，其特征在于，所述自主定位方法包括以下步骤：
步骤1，用户终端接收N组由M(M≥3)个基站所发出的定位参考信号PRS，得到N组由M(M≥3)个基站所发出的定位参考信号PRS到用户终端的时间TOA；
步骤2，将参考基站BSi(2≤i≤M)与服务基站BS1所发出的定位参考信号PRS到用户终端的时间TOA相减，得到N组参考基站BSi与服务基站BS1所发出的定位参考信号PRS到用户终端的时间差
Figure FDA0003333679390000011
步骤3，判断定位场景的定位类型：
当定位场景采用蜂窝网络进行定位时，用户终端将得到的N组TDOA上报给网络侧，网络侧利用N组TDOA测量值得到用户终端的位置坐标，并将N组定位结果发至用户终端；
当定位场景采用外***辅助进行定位时，用户终端通过GPS直接获取位置坐标；
步骤4，用户终端采用参考基站BSi与服务基站BS1所发出的定位参考信号PRS到用户终端的时间差
Figure FDA0003333679390000012
及网络侧发出的N个用户终端的定位结果，反算得到服务基站BS1、参考基站BSi的位置坐标及TDOA；
步骤5，用户终端利用反算得到的服务基站BS1、参考基站BSi的位置坐标及TDOA得到用户终端所在的M-1条双曲线，并使用M-1条双曲线的交点得到用户终端的位置坐标。
2.根据权利要求1所述的移动设备自主定位方法，其特征在于，步骤3中，定位场景采用蜂窝网络进行定位时，用户终端将得到的N组TDOA上报给网络侧，包括：
网络侧以服务基站BS1、参考基站BS2为焦点，根据参考基站BS2与服务基站BS1所发出的定位参考信号到用户终端的时间差
Figure FDA0003333679390000013
确定第一条用户终端所在的双曲线，如下式(1)：
Figure FDA0003333679390000014
其中，c表示为电波在空气中的传播速度；
同理，网络侧以服务基站BS1、参考基站BSi(3≤i≤M)为焦点，根据参考基站BSi与服务基站BS1所发出的定位参考信号到用户终端的时间差
Figure FDA0003333679390000015
确定i-1条用户终端所在的双曲线，如下式(2)：
Figure FDA0003333679390000016
根据上式(1)、(2)，求解方程组，得到用户终端的位置坐标(xj,yj)，并将N个定位结果下发给用户终端。
3.根据权利要求1所述的移动设备自主定位方法，其特征在于，步骤5中，用户终端利用反算得到的服务基站BS1、参考基站BSi的位置坐标及TDOA得到用户终端所在的M-1条双曲线，并使用M-1条双曲线的交点得到用户终端的位置坐标，包括：
用户终端实际测量TDOA，
Figure FDA0003333679390000021
表示为用户终端测量TDOA时的误差，
Figure FDA0003333679390000022
表示为均值为0、方差为σ2的独立同分布的高斯白噪声，得到下式(3)：
Figure FDA0003333679390000023
反算参考基站BS2(X2,Y2)及服务基站BS1(X1,Y1)的位置坐标求解N个上式(3)中第一式组成的非线性方程组，ΔRi，Ri，n，如下式(4)：
Figure FDA0003333679390000024
将上式(4)带入上式(3)第一式得到下式(5)：
Figure FDA0003333679390000025
采用最大似然估计确定基站的坐标值，R2-R1表示为已知的距离差，cn中的元素服从均值为0、方差为σ2的正态分布，得到ΔR2中的元素服从均值为R2-R1、方差为σ2的正态分布；
由于用户终端不同位置的TDOA相互独立，得到对应的似然函数，如下式(6)：
Figure FDA0003333679390000026
根据上式(6)得到使最大似然概率最大的基站坐标值，如下式(7)：
[(X1,Y1),(X2,Y2)]＝argmin[(ΔR2-R2+R1)T(ΔR2-R2+R1)]……(7)；
求解下式(8)，得到所有参与定位的基站坐标：
Figure FDA0003333679390000031
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