一種非直達(dá)波環(huán)境下的gsm-r網(wǎng)絡(luò)干擾源定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于鐵路無線通信網(wǎng)干擾源定位技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種非直達(dá)波環(huán)境下的 GSM-R網(wǎng)絡(luò)干擾源定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] GSM-R(Global System for Mobile Communications-Railway)是?？跒殍F路通 信設(shè)計(jì)的綜合專用鐵路無線通信系統(tǒng)。由國際鐵路聯(lián)盟UIC與歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)組織ETSI為歐 洲各國新一代鐵路無線通信開發(fā)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。GSM-R在GSM的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上增加了調(diào)度通信功 能，并且適合高速環(huán)境下使用，為鐵路安全高效運(yùn)營提供了一種可W定制附加功能的專用 數(shù)字綜合移動通信平臺，使得用戶可W在運(yùn)個信息平臺上輕松開發(fā)各種各樣的鐵路應(yīng)用。
[0003] GSM-R系統(tǒng)是我國鐵路通信的發(fā)展趨勢，它能夠?qū)崿F(xiàn)鐵路各種移動信息資源采集、 傳輸，為現(xiàn)代化的鐵路調(diào)度、指揮、控制提供通信平臺，同時提高了鐵路的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，減小了 運(yùn)行成本。2003年，鐵道部選定GSM-R作為我國鐵路未來綜合數(shù)字調(diào)度網(wǎng)的技術(shù)體制。
[0004] 隨著我國電子工業(yè)和無線通信系統(tǒng)的迅猛發(fā)展和普及，大量的電子設(shè)備產(chǎn)品應(yīng)用 于社會中，在造福百姓的同時也會給一些專用頻段的通信系統(tǒng)帶來頻率干擾的問題。各種 電子產(chǎn)品和通信產(chǎn)品會發(fā)出各種頻率不同、信號量不同的電磁波并福射到周圍環(huán)境中，使 空間中的電磁環(huán)境變得越來越復(fù)雜，往往兩系統(tǒng)共用一個頻段或者兩系統(tǒng)的頻段非常接 近，所W系統(tǒng)之間的電磁干擾問題已經(jīng)變得日益突出。我國GSM-R的工作頻段主要工作在 885-889/930-934MHZ范圍內(nèi)，共4MHz帶寬，它雖然獨(dú)享運(yùn)段帶寬，但隨時都會受到如移動、 聯(lián)通、電信和無線電臺由于設(shè)備老化或故障造成發(fā)射的無線電信號產(chǎn)生頻率漂移、雜波等 產(chǎn)生的鄰頻干擾或互調(diào)干擾，還有非法不授權(quán)的基站或天線造成的同頻干擾。運(yùn)些無線干 擾信號對GSM-R正常通信的干擾，將會造成系統(tǒng)通信掉話、通話質(zhì)量差、信道擁塞等問題，運(yùn) 些問題會給鐵路的安全運(yùn)行W及旅客的生命安全和國家的發(fā)展帶來隱憂。因此，有必要發(fā) 展高效的GSM-R干擾源定位算，消除干擾源對GSM-R系統(tǒng)造成的影響，確保中國鐵路專用無 線通信系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
[0005] 目前GSM-R網(wǎng)絡(luò)干擾源的定位算法主要分為測距定位算法和非測距定位算法兩 類，非測距算法主要包括質(zhì)屯、算法、Dv-Hop算法和APIT算法等。由于非測距算法只能提供粗 精度的定位服務(wù)，因此發(fā)展了基于測距的定位算法?；跍y距的定位算法是通過測量網(wǎng)絡(luò) 中節(jié)點(diǎn)間的距離或方向角度W及信號強(qiáng)度來計(jì)算定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的。主要測量技術(shù)有AOA (arrival of angle到達(dá)角度）、RSS(received si即al strength接收信號強(qiáng)度），T0A(time of arrival到達(dá)時間）、TD0A(time difference of arrival到達(dá)時差)等。定位算法主要包 括基于TOA和TDOA的定位算法W及基于TD0A/A0A，TD0A/RSS，T0A/A0A和T0A/RSS等的混合定 位算法。在GSM-R網(wǎng)絡(luò)中，由于我國鐵路覆蓋面積大，鐵路線長，沿線地形復(fù)雜，因此對于基 于測距的定位算法往往存在非直達(dá)波環(huán)境。目前雖然已經(jīng)提出了很多抑制非直達(dá)波誤差的 定位算法，但都存在定位精度不高、運(yùn)算量大等諸多缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有的GSM-R網(wǎng)絡(luò)干擾源定位技術(shù)中存在的缺點(diǎn)與不足，在 T0A/A0A混合定位算法中采用非線性加權(quán)代價函數(shù)消除非直達(dá)波誤差的影響，發(fā)展了一種 非直達(dá)波環(huán)境下的GSM-R網(wǎng)絡(luò)干擾源定位方法。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種非直達(dá)波環(huán)境下的GSM-R網(wǎng)絡(luò)干擾源定位方法，其特征 在于，包括W下步驟：
[0008] a.采用基于信號到達(dá)時間的定位算法和基于信號到達(dá)角度的定位算法，從GSM-R 網(wǎng)絡(luò)中獲取n個到達(dá)時間測量值和n個到達(dá)角度測量值;其中，n為GSM-R網(wǎng)絡(luò)中移動站的數(shù) 目；構(gòu)建干擾源與移動站之間的幾何關(guān)系模型；
[0009] b.根據(jù)步驟a中獲得的幾何關(guān)系模型，在忽略非直達(dá)波誤差的條件下，獲取干擾源 位置坐標(biāo)估計(jì)值和誤差矢量；
[0010] C.根據(jù)步驟b中獲得的干擾源位置坐標(biāo)估計(jì)值和誤差矢量，構(gòu)建用于抑制非直達(dá) 波誤差的非線性加權(quán)代價函數(shù)，然后獲取抑制非直達(dá)波誤差后的干擾源位置坐標(biāo)。
[0011] 本發(fā)明的詳細(xì)方法包括：
[0012] 步驟1:通過獲得的n個TOA和n個AOA測量值構(gòu)建幾何模型。
[001引假設(shè)GSM-R網(wǎng)絡(luò)中的n個移動站的位置坐標(biāo)為估，71)4 = 1，2，...，11，干擾源的位 置坐標(biāo)為(X，y )，因此可構(gòu)建如下幾何方程組。
…
[001引其中r功干擾源到第i個移動站的距離值，01為干擾源到第i個移動站的弧度。
[0016] 將式(1)展開化簡可得： 2.X-X -T 2 V. V - k=k- r." ,、
[0017] .レ '' ，/二巧 (2) Sin 6.Y-COSg,'v = Sin 6 -.1',' COS6^-
[0018] 其中，k = x2+y2,備=為+乂。
[0019] 將式(2)寫成矩陣形式為：
[0020] Y=GZ (3)
[0021 ]其中，
[0022] 步驟2:忽略非直達(dá)波誤差，對干擾源位置坐標(biāo)進(jìn)行初步估計(jì)。
[0023] 步驟1所建立的矩陣方程中，ri和01為實(shí)測的距離值和弧度值，由于GSM-R通信環(huán)境 比較復(fù)雜，存在非直達(dá)波環(huán)境，因此在實(shí)際的測量值中存在非直達(dá)波誤差，如下所示： -巧=巧她化
[0024] < ; ，/. = l，2，:-,.n. (4) -g =《+ "馬+ %孤泌'
[00巧]其中，/?和g為真實(shí)的距離值和弧度值。氣和的分別為測量的距離誤差和弧度誤 差，服從均值為零的高斯分布，方差分別為式'和口GDrNLOS和WNLOS為測量距離和弧度的非直 達(dá)波誤差，服從指數(shù)分布。
[0026] 將式(4)代入式(3)中可得殘差為：
[0027] G = Y-GZ (5)
[0028] 式(5)的最大似然估計(jì)值為：
[0029] Z= (GTcov(e 廠 IGrVcov(S)-IY (6)
[0030] 其中，cov(e)為誤差矢量的協(xié)方差矩陣：
[0031] cov(e) =E(ee^) (7)
[0032] 將式(5)展開可得：
[0034]由式（3 )可知;c/ + .V,^ - 二 2-、一+2.v,.v - /c., (? -x)sin 4=心,-.vja>s0,，因此對式 (8)化簡并忽略高次項(xiàng)可得：
[0036] 由式(9)可得eiej，en+ien+j，每和的期望值為：
[0037] 扛('作,')=么' 山如)(一2':/",' )二化U = L么…，山林/ ClQ)
[003引
[0041] 將式(10)，（11) ,(12),(13)代入式(7)可得誤差矢量的協(xié)方差矩陣為：
[0042] CCJV似'=< '包' r ' (14)
[004引其中，Br = 2diag{[;ri …rn]}，Q','''='顧各[誠…：姑}，
[0044] Qp=堿塔{[減…喊J，
[0045] 公"二成巧TI (.、v- 'V)COS苗I + ^'1 …r)sin 苗I cos弓,+ ^'" 一.,')sin 為!，B0 中 含有未知量X和y，可先用TOA進(jìn)行初步估計(jì)，再將估計(jì)值代入Be，即：
[0048] 步驟3:通過干擾源位置坐標(biāo)初步估計(jì)值和誤差矢量，構(gòu)建非線性加權(quán)代價函數(shù)， 抑制非直達(dá)波誤差。
[0049] 常規(guī)的定位方法通常是基于均方代價函數(shù)或加權(quán)均方代價函數(shù)，而運(yùn)些定位方法 在只存在高斯噪聲的直達(dá)波環(huán)境中是最優(yōu)的，而在非直達(dá)波環(huán)境中，由于非直達(dá)波誤差分 布往往偏離高斯分布，運(yùn)些常規(guī)方法失去了最優(yōu)性。而且均方代價函數(shù)隨著誤差的增長呈 拋物線大幅度增長，對均方代價函數(shù)的最小化并不能抑制大誤差，因此有必要對其改進(jìn)，所 W可W采用非線性加權(quán)代價函數(shù)抑制非直達(dá)波誤差提高精確定位。
[0050] 首先，構(gòu)建非線性加權(quán)代價函數(shù)： 巧
[0051 ] J =藝";.八(〇 (做 松1
[0052] 其中，P(ei)為抑制非直達(dá)波誤差的非線性加權(quán)代價函數(shù)，Wi為權(quán)值。
[0053] 在非直達(dá)波環(huán)境中對干擾源進(jìn)行定位需要一種對大誤差不敏感的代價函數(shù)。 化Iv