宏基站條件下利用場強和差分指紋的手機定位系統和方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及信號處理技術，移動通信技術，無線定位技術領域，適用于宏蜂窩環境 下的手機定位系統。
【背景技術】
[0002] 沙漠、山區、農村、沿海等空曠環境下，移動通信系統采用宏基站方式，使用基于 CELL-ID的定位方法的定位精度在1公里以上不能滿足應用的要求，因此需要開展在宏蜂 窩環境下的手機定位系統研制。傳統的基于偽基站和逐步逼近的方式需要投入大量的人力 物力并且隱蔽性差，因此需要設計出一種新的宏基站環境下的定位系統，既可以提供精度 在20米以內實時性強的定位功能，同時滿足工程應用的實際要求，尤其是反恐維穩、應急 救援、人員搜救等應用需求。
[0003] 由于系統對手機定位前需要完成對基站信息的捕獲以及對手機與基站交互信令 的捕獲，因此設計的系統既要接收手機的信號也要接收基站的信息。為保證系統的完備性， 希望系統對手機和基站不產生任何干擾，要求設計的系統僅僅接收信號不發送信號具有靜 默特性。為了簡化人員布置，希望定位現場不需要人員值守，增加系統的隱蔽性和反偵察能 力，因此設計的系統需保證容易部署，容易定位，同時實現信息的遠程傳輸和調度管理。
[0004] 目前廣泛應用的蜂窩網無線定位系統主要分為以下幾類：
[0005] 1.基于移動臺的定位系統
[0006] 這類系統也稱為移動臺自定位系統或者前向鏈路定位系統，采用的是基于移動臺 的定位方案。其定位過程是由移動臺根據接收到的多個已知位置發射機發射信號攜帶的某 種與移動臺位置有關的特征信息（如場強、傳播時間、時間差等）確定其與發射機之間的幾 何位置關系，再由集成在移動臺中的PCF根據相關定位算法計算出移動臺的位置估計值。
[0007] 2.基于網絡的定位系統
[0008] 這類系統也稱為遠距離定位系統或者反向鏈路定位系統，采用的是基于網絡的定 位方案。其定位過程是由多個固定位置接收機同時檢測移動臺發射的信號，將各接收信號 攜帶的某種與移動臺位置相關的特征信息發送到網絡中的MLC進行處理，由集成在MLC中 的PCF根據相關定位算法計算出移動臺的位置估計值。
[0009] 3.網絡輔助定位系統
[0010] 這類系統也屬于移動臺自定位系統，采用的是基于移動臺的定位方案，其定位過 程是由網絡中多個固定位置接收機同時檢測移動臺發射的信號，將各接收信號攜帶的某種 與移動臺位置相關的特征信息由空中接口傳送回移動臺，由集成在移動臺中的PCF根據相 關定位算法計算出移動臺的位置估計值。
[0011] 4.移動臺輔助走位系統
[0012] 這類系統采用也是基于網絡的定位方案，其定位過程是由移動臺檢測網絡中多個 固定位置發射機同時發射的信號，將各接收信號攜帶的某種與移動臺位置有關的特征信息 由空中接口傳送回網絡，由集成在網絡MLC中的PCF根據相關的定位算法計算出移動臺的 位置估計值。
[0013] 5.GPS輔助定位系統
[0014] 這類系統采用的是GPS定位方案，由集成在移動臺上的GPS接收機和網絡中的 GPS輔助設備，利用GPS系統實現對移動臺的自定位。然而，在移動臺內部集成GPS接收 機存在體積偏大、能耗過大、GPS接收機首次定位時間長、成本較高等問題。
[0015] 顯然，對基于移動臺和GPS輔助定位方案來說，移動臺知道其自身位置但網絡方 面并不知道；對于基于網絡的定位方案來說，網絡方面知道移動臺的位置估計值但是移動 臺并不知道。要使這兩種定位系統中沒有進行定位估計計算的一方獲取移動臺的位置信 息，還必須利用空中接口在移動臺和網絡之間建立一條數據鏈路，進行有關的數據傳遞。
[0016] 針對不同的定位系統，目前采用的蜂窩網移動終端定位方法主要有以下幾種：
[0017] 1 ?到達角度定位方法（AOA)
[0018] 這個定位方法是兩個或者兩個以上的基站接收到移動設備發過來的信號，結算集 中的角度信息，然后對其計算移動臺的位置。如圖1所示：假設當前環境中有兩個基站，BS1 和BS2,a:和a2分別是測得的移動臺到基站的到達角度，那么由式（1):
[0019]
【主權項】
1. 一種在宏基站條件下利用場強和差分指紋的手機定位系統，該系統包括位置測量單 元（LMU)和位置確定單元（PDU)，同時包括手機和基站；其特征在于， 位置測量單元（LMU)包括電源、射頻、中頻、基帶處理單元，完成對手機及基站信號的 檢測和信息解調，完成手機上行信號的二次捕獲，同時完成和rou的通信； 位置確定單元（PDU)完成對目標手機的位置解算，接收LMU的信息，并對LMU發送相應 的指令進行LMU的監測和管理；在LMU上傳指紋缺失的情況下，PDU自動調整LMU中用于捕 獲手機上行信號的碼的長度，發起LMU對目標手機信號的二次捕獲；PDU根據不同LMU上傳 的指紋數據匯總實現對終端的定位； 所述LMU和PDU之間根據實際情況采用有線或者無線的通信方式。
2. -種在宏基站條件下利用場強和差分指紋的手機定位方法，方法包括以下步驟： 步驟1，服務基站選擇和信息獲取：LMU先進行基站信息的獲取，并根據基站信息進行 LMU參數配置，LMU定位參數的獲取； 步驟2,目標手機身份信息捕獲：利用啞呼方式獲取手機的身份信息； 步驟3,利用不同位置測量單元（LMU)設備監聽目標手機上行身份信息和基站下行指 令信息（TMSI和RSSI)，獲取手機的上行信號強度； 步驟4,手機身份識別：終端管控設備將上行專用控制信道獲取的目標手機身份信息 與啞呼獲取的目標手機身份信息進行比較，判斷兩者的目標身份信息是否一致； 步驟5,當目標手機身份信息和PDU確定的目標手機身份信息一致后，PDU控制LMU捕 獲手機上行信息，匯總收到的各個LMU的信號強度，得到當前時刻當前位置用戶的差分指 紋；若不一致，則丟棄； 步驟6,位置確定單元（PDU)收集控制區域內所有LMU上傳的指紋信息 步驟6. 1，如果PDU檢測到所有LMU都成功上傳指紋數據，那么PDU進入步驟7進行位 置解算； 步驟6. 2,如果PDU發現存在LMU指紋缺失，說明存在LMU沒有成功捕獲到手機上行信 號，PDU主動調整LMU中用于捕獲手機上行信號的碼長度，發起LMU對手機上行信號的二次 捕獲，二次捕獲中，LMU中用于和手機上行信號做相關運算的碼長增加，提高對目標手機信 號的捕獲概率； 步驟7 :指紋定位：PDU位置解算，PDU根據LMU發送的定位參數信息，結合場強指紋庫 和差分指紋庫進行指紋定位： 首先對在線定位階段采集到的終端的RSSI值進行均值濾波處理，去除信號中奇異點 和跳變點，然后將濾波后的數據結合場強指紋庫和差分指紋庫，利用加權K臨近算法對用 戶終端進行指紋定位。
3. 根據權利要求2所述的在宏基站條件下利用場強和差分指紋的手機定位方法，其特 征在于：所述步驟7的將濾波后的數據利用加權K臨近算法（WKNN)進行定位時，定義測試 點與參考點之間的歐式距離為 ",=拓(?): '，=丨-2…11 ⑴ 式中Sij是第j個參考點處接收的第i個LMU中的RSSI值，S i是經過修正過后的第i 個LMU的RSSI值，i = 1，2, 一,m, j = 1，2, 一,11,111是LMU個數，η是參考點的數目； WKNN定位算法是選取K (K>1)個最小歐式距離對應的坐標，每個坐標根據歐式距離大 小給予權值，歐式距離越小權值越大，計算公式如下
式中（xt，yt)是t時刻指紋定位結果；ε為一個極小量，防止出現分母為O的情況； ^7為測試點到第i參考點歐氏距離的倒數，測試點到K個參考點歐氏距離倒數 之和。
【專利摘要】一種宏基站條件下利用場強和差分指紋定位的手機定位系統及方法，該方法首先利用啞呼方式獲取手機的身份信息，然后利用不同位置測量單元(LMU)設備監聽手機上行信息和基站下行指令信息，獲取手機的上行信號強度，位置確定單元(PDU)通過控制不同的LMU，對不同LMU采集到的指紋信息進行匯總，得到當前時刻當前位置用戶的位置指紋向量，再結合之前建立的場強指紋庫和差分指紋庫，利用加權K臨近算法對用戶終端進行指紋定位。同時如果PDU檢測到LMU上傳的指紋數據不完整，還可以自動調整LMU中用于做捕獲的相關碼長度，然后發起LMU對目標手機信號進行二次捕獲，通過這種機制提高手機信號的捕獲概率。采用這種定位系統和方法，定位精度在20m以內的概率可以達到67%。另外，整個系統能夠保持靜默無干擾，降低被偵查的概率。
【IPC分類】H04W64-00
【公開號】CN104640205
【申請號】CN201510066954
【發明人】田增山, 張振源, 方鑫, 李澤, 金悅, 吳自鵬, 米剛, 劉憶
【申請人】重慶郵電大學
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年2月9日