專利名稱：基于時(shí)分同步碼分多址的自組織網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明利用TD-SCDMA(時(shí)分同步碼分多址)空中接口的特性，通過利用多普勒頻差原理實(shí)施單點(diǎn)無源定位，構(gòu)建了基于TD-SCDMA的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的快速精確定位系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
TD-SCDMA作為中國提出的第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，使用了時(shí)分雙工、上行同步、智能天線、聯(lián)合檢測和接力切換等先進(jìn)技術(shù)，但仍存在蜂窩覆蓋盲區(qū)、以及業(yè)務(wù)類型不夠豐富的缺點(diǎn)。移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)具備無中心、自組織的特點(diǎn)。使用TD-SCDMA空中接口構(gòu)建移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)既可以利用TD-SCDMA時(shí)分雙工的特點(diǎn)，無需對接口做大的修改，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對TD-SCDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)盲，豐富TD-SCDMA終端支持的業(yè)務(wù)類型。TD-SCDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)融合的典型場景如圖1所示。
TD-SCDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)由于使用時(shí)分雙工機(jī)制，基于TD-SCDMA的自組織網(wǎng)絡(luò)使用與蜂窩網(wǎng)絡(luò)相同的頻率進(jìn)行通信，既節(jié)省了頻譜資源，也為利用多普勒頻差方法實(shí)施快速精確定位形成了天然的有利條件。
在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，主要基于基站的能力實(shí)施定位，通用技術(shù)有基于CELL-ID(蜂窩序號)的定位、基于OTDOA(觀測到達(dá)時(shí)間差)的定位和基于A-GPS(全球定位系統(tǒng)輔助)的定位等，其中TD-SCDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)特有的定位技術(shù)有AOA(到達(dá)角)+TA(到達(dá)時(shí)間)技術(shù)、CELL ID+TA+OTDOA技術(shù)和基于多基站入射角度的定位算法AOA(到達(dá)角)等。在基于TD-SCDMA的自組織網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景下，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可能位于TD-SCDMA基站覆蓋之下，也可能超出TD-SCDMA基站的覆蓋位于信號“盲區(qū)”，因此現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)定位技術(shù)不適用于基于TD-SCDMA的自組織網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景。
通過使用GPS(全球定位系統(tǒng))衛(wèi)星定位的A-GPS定位技術(shù)目前已經(jīng)大量應(yīng)用，但其局限性也比較明顯。一是GPS定位系統(tǒng)受天氣，環(huán)境影響巨大，在隧道等惡劣環(huán)境下無法應(yīng)用；二是GPS定位精度和定位速度受限，目前GPS定位精度約為10米，并且存在較明顯的定位誤差，在高速公路上車輛定位等對定位精度和定位速度要求較高的應(yīng)用場景下無法應(yīng)用；三是GPS主要依靠衛(wèi)星技術(shù)實(shí)施定位，可靠性和安全性受限。
因此，探索基于TD-SCDMA的自組織網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的快速精確定位技術(shù)可以極大拓展TD-SCDMA蜂窩的應(yīng)用領(lǐng)域，解決特殊場景下高可靠性快速精確定位的特殊應(yīng)用需求。


發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是給出基于時(shí)分同步碼分多址的自組織網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法， 技術(shù)方案本發(fā)明的基于時(shí)分同步碼分多址的自組織網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法以移動(dòng)節(jié)點(diǎn)為觀測平臺，以已知位置的固定節(jié)點(diǎn)為輻射站，借助移動(dòng)節(jié)點(diǎn)測出的多普勒頻移及移動(dòng)速度，得出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置信息，定位系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)包括以下步驟并按所述順序進(jìn)行 a.測量階段移動(dòng)節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身的時(shí)分同步碼分多址裝置，測出接收信號的載頻；利用自身傳感器測出移動(dòng)速度； b.計(jì)算階段根據(jù)測出的接收信號的載頻計(jì)算出多普勒頻移，將輻射站相對于節(jié)點(diǎn)的相對速度分解為徑向速度和切向速度，計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置信息。
計(jì)算階段的具體實(shí)現(xiàn)如下 2a.移動(dòng)節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的TD-SCDMA載頻f0(t)，計(jì)算出多普勒頻移fd(t)＝f0(t)-fc；其中，fd(t)為多普勒頻移，f0(t)為接收到的TD-SCDMA信號載頻，fc為輻射站發(fā)射信號的載頻； 2b.根據(jù)得到的多普勒頻移得出輻射站的相對徑向速度Vr(t)＝-λfd(t)，進(jìn)而得出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與輻射站的相對距離r(t)與多普勒頻移的關(guān)系式 其中，Vr(t)為輻射站相對于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的徑向速度，λ為輻射站發(fā)送TD-SCDMA載頻的波長，

的導(dǎo)數(shù)； 2c.在已知輻射站的相對移動(dòng)速度向量V(t)和已求的相對徑向速度Vr(t)的基礎(chǔ)上，求出輻射站的相對切向速度進(jìn)而得到Vt(t)與r(t)的關(guān)系式其中，Vt(t)是輻射站的相對切向速度，

為r(t)的二階導(dǎo)數(shù)； 2d.根據(jù)步驟2b和步驟2c得出的兩個(gè)關(guān)系式，求出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與輻射站的瞬時(shí)距離r(t)； 2e.輻射站與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的瞬時(shí)夾角β(t)、瞬時(shí)距離r(t)以及相對切向速度Vt(t)滿足關(guān)系式由步驟2c得到的Vt(t)和步驟2d得到的r(t)，求出 2f.根據(jù)r(t)和β(t)求出輻射站相對于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)的坐標(biāo)位置x(t)＝r(t)cosβ(t)和y(t)＝r(t)sinβ(t)，再利用輻射站已知的地理坐標(biāo)位置(x0，y0)，通過坐標(biāo)變換可得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)瞬時(shí)的地理坐標(biāo)值為xms＝x0-x(t)和yms＝y(tǒng)0-y(t)；其中，(x0，y0)為輻射站的地理坐標(biāo)位置，(xms，yms)為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的瞬時(shí)地理坐標(biāo)位置。
有益效果所發(fā)明的方法是利用多普勒頻差方法進(jìn)行單點(diǎn)無源定位，可以實(shí)現(xiàn)特定場景(如高速公路上)對移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的快速精確定位。
本發(fā)明設(shè)計(jì)了基于TD-SCDMA接口的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)構(gòu)建的具體方法。藉由上述技術(shù)方案，本方法具有如下優(yōu)點(diǎn) ①不依賴于GPS等外部設(shè)備，收斂速度快，運(yùn)算量小、節(jié)約信道資源。
②定位快速，定位精度高。
③單點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)定位，不受天氣、環(huán)境影響。
④在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)上僅需利用TD-SCDMA的接收設(shè)備，實(shí)現(xiàn)簡單，成本較低。
⑤移動(dòng)節(jié)點(diǎn)能耗較低，對于正在通信的其他電子設(shè)備不構(gòu)成干擾。



圖1是TD-SCDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)融合的典型場景示意圖。
圖2基于TD-SCDMA的自組織網(wǎng)絡(luò)定位示意圖。
圖3是基于TD-SCDMA的自組織網(wǎng)絡(luò)單點(diǎn)定位原理示意圖。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明主要采用多普勒頻差方法實(shí)施單點(diǎn)無源快速精確定位。應(yīng)用場景如圖2所示。
無源定位技術(shù)是一種定位設(shè)備本身不主動(dòng)發(fā)射信號的技術(shù)，具有很強(qiáng)的隱蔽性而在軍事上有大量應(yīng)用。單站無源定位技術(shù)是利用一個(gè)觀測平臺對目標(biāo)進(jìn)行無源定位，用單個(gè)運(yùn)動(dòng)的觀測站對輻射站進(jìn)行連續(xù)的測量，在獲得一定量的定位信息積累的基礎(chǔ)上，進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理以獲取輻射站目標(biāo)的定位數(shù)據(jù)。
依據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，對觀測站和目標(biāo)輻射站之間的相對運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行分解，從切向速度中提取多普勒頻率變化率信息，輔以方位信息，可以實(shí)現(xiàn)單次測距定位。
在本發(fā)明中，對通常的單點(diǎn)無源定位技術(shù)進(jìn)行了修改。以移動(dòng)節(jié)點(diǎn)為觀測平臺，以已知位置的固定節(jié)點(diǎn)為輻射站，由于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)自身移動(dòng)速度可通過自身傳感器測得，通過對固定節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號的觀測可得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置信息，定位原理如圖3所示。具體方案如下 假設(shè) ①已知移動(dòng)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度，為說明方便計(jì)(以移動(dòng)節(jié)點(diǎn)為觀測點(diǎn))，設(shè)為-V； ②輻射站為固定節(jié)點(diǎn)，已知輻射站地理坐標(biāo)； ③輻射站采用TD-SCDMA空中接口，發(fā)送頻率已知； ④移動(dòng)節(jié)點(diǎn)具備檢測頻率偏移能力和一定計(jì)算能力； ⑤移動(dòng)節(jié)點(diǎn)已知或通過信息交互已知輻射站地理坐標(biāo)。
約定 V(t)為輻射站相對移動(dòng)速度向量； Vr(t)為輻射站相對徑向移動(dòng)速度向量； Vt(t)為輻射站相對切向移動(dòng)速度向量； fc為輻射站發(fā)送TD-SCDMA信號載頻； fo(t)為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)觀測到的輻射站發(fā)送TD-SCDMA信號載頻； λ為輻射站發(fā)送TD-SCDMA載頻的波長； c為光速； r(t)為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)離輻射站的瞬時(shí)距離； β(t)為輻射站與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的瞬時(shí)夾角。
首先移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收并分析接收到的TD-SCDMA載頻fo(t)，通過以下運(yùn)動(dòng)學(xué)原理計(jì)算輻射站相對徑向速度 由于已知移動(dòng)節(jié)點(diǎn)速度向量V(t)，由向量分解原理可得輻射站的相對切向速度Vt(t)。
同樣由運(yùn)動(dòng)學(xué)原理有下式成立 已知Vt(t)，則通過解微分方程可得瞬時(shí)距離r(t)。
同樣由下式可得關(guān)于β(t)的微分方程，可求解β(t)。
最后，根據(jù)下式可得輻射站相對于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)的坐標(biāo)位置。
利用輻射站地理坐標(biāo)已知的信息，通過坐標(biāo)變換可得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)瞬時(shí)的地理坐標(biāo)值。
在多次測量的情況下，為了提高定位精度，通常還可以輔助選擇適當(dāng)?shù)姆蔷€性濾波算法如非線性最小乘或擴(kuò)展卡爾曼(EKF)濾波方法及其改進(jìn)法等。
假設(shè)裝有TD-SCDMA接收設(shè)備的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)做遠(yuǎn)離輻射站的勻加速運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速度為-V(t)＝-2.45(t+1)，單位為m/s，所以輻射站相對于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度向量為V(t)＝2.45(t+1)。輻射站發(fā)送TD-SCDMA信號的載頻fc為2010MHz，從而 假設(shè)該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過儀器觀測接收到的TD-SCDMA載頻的頻率為f0(t)＝fc-13.4(t+1)，單位為Hz。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，可得到如下方程 解此方程可得r(t)＝t2+2t+N，其中N為常數(shù)。
同樣根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理可知 即 將r(t)代入上式可得 而根據(jù)速度分解的原理可得 將V(t)和Vr(t)代入上次可得 2.452(t+1)2＝22(t+1)2+2(t2+2t+N) 聯(lián)立可解得N＝1 所以r(t)＝t2+2t+1 由 得 這里不失一般性假定常數(shù)C為0。
結(jié)合上面所有結(jié)果，可得輻射站位置坐標(biāo) 可以依據(jù)輻射站相對移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)和已知輻射站地理坐標(biāo)信息推出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的地理坐標(biāo)信息。
綜上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用來限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。及凡依本發(fā)明申請專利范圍的內(nèi)容所作的等效變化與修飾，都應(yīng)為本發(fā)明的技術(shù)范疇。
權(quán)利要求
1.一種基于時(shí)分同步碼分多址的自組織網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于以移動(dòng)節(jié)點(diǎn)為觀測平臺，以已知位置的固定節(jié)點(diǎn)為輻射站，借助移動(dòng)節(jié)點(diǎn)測出的多普勒頻移及移動(dòng)速度，得出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置信息，定位系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)包括以下步驟并按所述順序進(jìn)行
a.測量階段移動(dòng)節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身的時(shí)分同步碼分多址裝置，測出接收信號的載頻；利用自身傳感器測出移動(dòng)速度；
b.計(jì)算階段根據(jù)測出的接收信號的載頻計(jì)算出多普勒頻移，將輻射站相對于節(jié)點(diǎn)的相對速度分解為徑向速度和切向速度，計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于時(shí)分同步碼分多址的自組織網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于計(jì)算階段的具體實(shí)現(xiàn)如下
2a.移動(dòng)節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的TD-SCDMA載頻f0(t)，計(jì)算出多普勒頻移fd(t)＝f0(t)-fc；其中，fd(t)為多普勒頻移，f0(t)為接收到的TD-SCDMA信號載頻，fc為輻射站發(fā)射信號的載頻；
2b.根據(jù)得到的多普勒頻移得出輻射站的相對徑向速度Vr(t)＝-λfd(t)，進(jìn)而得出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與輻射站的相對距離r(t)與多普勒頻移的關(guān)系式其中，Vr(t)為輻射站相對于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的徑向速度，λ為輻射站發(fā)送TD-SCDMA載頻的波長，
為r(t)的導(dǎo)數(shù)；
2c.在已知輻射站的相對移動(dòng)速度向量V(t)和已求的相對徑向速度Vr(t)的基礎(chǔ)上，求出輻射站的相對切向速度進(jìn)而得到Vt(t)與r(t)的關(guān)系式其中，Vt(t)是輻射站的相對切向速度，
為r(t)的二階導(dǎo)數(shù)；
2d.根據(jù)步驟2b和步驟2c得出的兩個(gè)關(guān)系式，求出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與輻射站的瞬時(shí)距離r(t)；
2e.輻射站與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的瞬時(shí)夾角β(t)、瞬時(shí)距離r(t)以及相對切向速度Vt(t)滿足關(guān)系式由步驟2c得到的Vt(t)和步驟2d得到的r(t)，求出
2f.根據(jù)r(t)和β(t)求出輻射站相對于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)的坐標(biāo)位置x(t)＝r(t)cosβ(t)和y(t)＝r(t)sinβ(t)，再利用輻射站已知的地理坐標(biāo)位置(x0，y0)，通過坐標(biāo)變換可得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)瞬時(shí)的地理坐標(biāo)值為xms＝x0-x(t)和yms＝y(tǒng)0-y(t)；其中，(x0，y0)為輻射站的地理坐標(biāo)位置，(xms，yms)為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的瞬時(shí)地理坐標(biāo)位置。
全文摘要
基于時(shí)分同步碼分多址的自組織網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，給出基于TD-SCDMA(時(shí)分同步碼分多址)空中接口的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)快速精確定位的實(shí)現(xiàn)方法以移動(dòng)節(jié)點(diǎn)為觀測平臺，以已知位置的固定節(jié)點(diǎn)為輻射站。根據(jù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)分析出的相對于輻射站的多普勒頻移以及節(jié)點(diǎn)通過自身傳感器測得的移動(dòng)速度，將輻射站相對于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的速度分解為徑向速度和切向速度，利用運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，可以計(jì)算出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置信息，從而實(shí)現(xiàn)精確定位。
文檔編號H04L12/28GK101387697SQ20081015611
公開日2009年3月18日 申請日期2008年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月28日
發(fā)明者朱立鋒, 波 許, 沈連豐, 牟中平, 靜 胡, 宋鐵成, 銘 倪 申請人:熊貓電子集團(tuán)有限公司, 東南大學(xué), 南京東大移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)有限公司, 南京聯(lián)慧通信技術(shù)有限公司