一种基于TDOA的三基站移动通信定位方法技术

一种基于TDOA的三基站移动通信定位方法，其基于地心坐标系，只需三个基站即可完成对移动终端的三维定位。三站对来自移动终端的信号进行测量，得两路时差数据，辅助WGS‑84地球模型的约束。同时，两个时差方程联立地球模型方程可得定位方程组。运用牛顿迭代法解定位方程组，即可得移动终端的三维坐标。本发明专利技术不需要新建坐标系，给出基站的大地经、纬度坐标，即可实现，且定位精度较高精度高。

A three base station mobile communication location method based on TDOA

A TDOA-based three-base station mobile communication positioning method, which is based on geocentric coordinate system, only three base stations can complete the three-dimensional positioning of mobile terminals. Three stations measure the signals from mobile terminals and obtain two channels of time difference data to assist the constraints of WGS 84 earth model. At the same time, the two time difference equations and the simultaneous earth model equations can get the location equations. Using the Newton iteration method to solve the positioning equations, the three-dimensional coordinates of the mobile terminal can be obtained. The invention does not need a new coordinate system, and can be realized by giving the geodetic longitude and latitude coordinates of the base station, with high positioning accuracy and high accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种基于TDOA的三基站移动通信定位方法
本专利技术涉及一种移动通信定位方法。
技术介绍
随着现代通信技术特别是3G系统的迅速发展，以及人员搜救、特殊人员监控、物流监控、个人移动定位等领域的需求不断增加，移动通信中的定位技术获得了广泛的关注。目前，全球范围内普遍使用的移动定位技术主要有四种：E-OTD技术、Cel1-ID技术、A.GPS技术和TDOA技术。其中E.OTD技术是基于终端的定位技术，需要移动终端(手机)进行参数测量和计算，因此需要对手机进行修改。Cell-ID技术是基于网络的定位技术，但其定位精度较低，往往不能满足定位需求。A-GPS技术是一种网络与终端混合的定位技术，其定位精度较高，但其需通过多次网络传输，也需要对移动终端进行修改，另外这种技术还依赖于GPS系统。基于TDOA技术的移动定位技术是一种基于网络的定位技术，不依赖GPS系统，实现容易，定位精度高，正日益成为移动定位领域研究的热点。基于TDOA的移动通信定位系统，一般需要四个基站对一个移动终端进行定位，四站分别接收来自移动终端的信号，可得三路时差数据，由三个时差方程联立得定位方程组，实现对移动终端的三维定位。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于TDOA的三基站移动通信定位方法，其精度高，不需要新建坐标系，可以满足应用需求。为了解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种基于TDOA的三基站移动通信定位方法，包括以下步骤：1)三基站对来自移动终端的信号进行测量，得两路时差数据，辅助WGS一84地球模型的约束，同时两个时差方程联立地球模型方程可得定位方程组；设地球表面一点所在位置的经度为L，纬度为B，高度为H，卯酉圈曲率半径为N，其在地心直角坐标系中的坐标为(x,y,z)，则在WGS-84椭球模型下，地心(地固)直角坐标和大地经纬高坐标的转换关系为式(1)、(2)：在(1)、(2)式中，a、b分别是地球的长、短半径，当目标位于海平面时，可以假设H＝O，于是得到地球表面方程为式(3)：假设三个基站的大地经纬高坐标为(Li，Bi，Hi)(i＝0，1，2)，则由(1)式可得其在地心直角坐标系下的坐标分别为(xi，yi,zi)(i＝0，1，2),设移动终端的大地经纬高坐标为(L，B，H)，由式(1)可得其在地心直角坐标系中的坐标(x，y，z)，三个基站分别接收来自移动终端的信号，并对到达时间差进行测量，可以得到两组独立的时差，在三维空间中，每一组独立的时差可以得到一个双曲定位面，结合移动终端位于地球表面上，这三个曲面的交点就是目标所在的位置，于是建立目标点定位方程组：在(4)式中，r0、ri、r2分别为移动终端到三个基站的距离，c为电磁波速度，△t1、△t2分别为信号从移动终端到基站1与到基站2、3的时差；2)运用牛顿迭代法解定位方程组，得移动终端的三维坐标；对于非线性方程组F(X)＝0，其牛顿迭代格式为式(5)：X(k+1)＝X(k)-[F′(X(k))]-1F(X(k))(5)式(5)中k＝0，1，2…为迭代次数,X＝[xyz]T,F(X)＝[f1f2f3]T,结合式(4)，则得到式(6)、式(7)：将式(6)、式(7)代入迭代格式(5)，逐次迭代，直至||X(k)-X(k-1)||＜ε，迭代结束；其中迭代初值的求解基于地球球体模型的粗定位算法，假设地球为半径为R的球体，则地球表面方程为式(8)：x2+y2+z2＝R2(8)由式(4)的前两式，可得式(9)：式(9)中，将式(8)减去式(4)中第3式r0的表达式，得式(10)：联立式(9)与式(10)，得式(11)：AX＝K(11)式(11)中，X＝[xyz]T；将r0看作已知量，当|A|≠0时，X＝A-1K，即式(12)中，将式(12)代入r0的表达式，得式(13)：其中，解四次方程组式(13)，得到r0后将其代入式(12)，得到目标点的粗定位坐标X＝[xyz]T,将其代入牛顿迭代格式(5)，进行迭代运算，得到目标的精确三维坐标。本专利技术的有益效果是：本专利技术的定位方法基于地心坐标系，只需三个基站即可完成对移动终端的三维定位。三站对来自移动终端的信号进行测量，得两路时差数据，辅助WGS-84地球模型的约束。同时，两个时差方程联立地球模型方程可得定位方程组。运用牛顿迭代法解定位方程组，即可得移动终端的三维坐标。本专利技术不需要新建坐标系，给出基站的大地经、纬度坐标，即可实现，且定位精度较高精度高。具体实施方式为了使得本专利技术实现的技术手段，创新特征与功能易于了解，下面将进一步阐述本专利技术。一种基于TDOA的三基站移动通信定位方法，包括三基站，三基站对来自移动终端的信号进行测量，得两路时差数据，辅助WGS一84地球模型的约束，同时两个时差方程联立地球模型方程可得定位方程组；设地球表面一点所在位置的经度为L，纬度为B，高度为H，卯酉圈曲率半径为N，其在地心直角坐标系中的坐标为(x,y,z)，则在WGS-84椭球模型下，地心(地固)直角坐标和大地经纬高坐标的转换关系为式(1)、(2)：在(1)、(2)式中，a、b分别是地球的长、短半径。当目标位于海平面时，可以假设H＝O，于是得到地球表面方程为式(3)：假设三个基站的大地经纬高坐标为(Li，Bi，Hi)(i＝0，1，2)，则由(1)式可得其在地心直角坐标系下的坐标分别为(xi，yi,zi)(i＝0，1，2),设移动终端的大地经纬高坐标为(L，B，H)，由式(1)可得其在地心直角坐标系中的坐标(x，y，z)，三个基站分别接收来自移动终端的信号，并对到达时间差进行测量，可以得到两组独立的时差，在三维空间中，每一组独立的时差可以得到一个双曲定位面，结合移动终端位于地球表面上，这三个曲面的交点就是目标所在的位置，于是建立目标点定位方程组：在(4)式中，r0、ri、r2分别为移动终端到三个基站的距离，c为电磁波速度，△t1、△t2分别为信号从移动终端到基站1与到基站2、3的时差。本专利技术运用牛顿迭代法解定位方程组，得移动终端的三维坐标；对于非线性方程组F(X)＝0，其牛顿迭代格式为式(5)：X(k+1)＝X(k)-[F′(X(k))]-1F(X(k))(5)式(5)中k＝0，1，2…为迭代次数,X＝[xyz]T,F(X)＝[f1f2f3]T,结合式(4)，则得到式(6)、式(7)：将式(6)、式(7)代入迭代格式(5)，逐次迭代，直至||X(k)-X(k-1)||＜ε，迭代结束；其中迭代初值的求解基于地球球体模型的粗定位算法，假设地球为半径为R的球体，则地球表面方程为式(8)：x2+y2+z2＝R2(8)由式(4)的前两式，可得式(9)：式(9)中，将式(8)减去式(4)中第3式r0的表达式，得式(10)：联立式(9)与式(10)，得式(11)：AX＝K(11)式(11)中，X＝[xyz]T；将r0看作已知量，当|A|≠0时，X＝A-1K，即式(12)中，将式(12)代入r0的表达式，得式(13)：其中，解四次方程组式(13)，得到r0后将其代入式(12)，得到目标点的粗定位坐标X＝[xyz]T,将其代入牛顿迭代格式(5)，进行迭代运算，得到目标的精确三维坐标。本专利技术不需要新建坐标系，可以满足应用需求。在实际应用中，由于移动终端的定位精度与基站布站形式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于TDOA的三基站移动通信定位方法，其特征在于：包括以下步骤：1)三基站对来自移动终端的信号进行测量，得两路时差数据，辅助WGS一84地球模型的约束，同时两个时差方程联立地球模型方程可得定位方程组；设地球表面一点所在位置的经度为L，纬度为B，高度为H，卯酉圈曲率半径为N，其在地心直角坐标系中的坐标为(x,y,z)，则在WGS‑84椭球模型下，地心(地固)直角坐标和大地经纬高坐标的转换关系为式(1)、(2)：

【技术特征摘要】
1.一种基于TDOA的三基站移动通信定位方法，其特征在于：包括以下步骤：1)三基站对来自移动终端的信号进行测量，得两路时差数据，辅助WGS一84地球模型的约束，同时两个时差方程联立地球模型方程可得定位方程组；设地球表面一点所在位置的经度为L，纬度为B，高度为H，卯酉圈曲率半径为N，其在地心直角坐标系中的坐标为(x,y,z)，则在WGS-84椭球模型下，地心(地固)直角坐标和大地经纬高坐标的转换关系为式(1)、(2)：在(1)、(2)式中，a、b分别是地球的长、短半径，当目标位于海平面时，可以假设H＝O，于是得到地球表面方程为式(3)：假设三个基站的大地经纬高坐标为(Li，Bi，Hi)(i＝0，1，2)，则由(1)式可得其在地心直角坐标系下的坐标分别为(xi，yi,zi)(i＝0，1，2),设移动终端的大地经纬高坐标为(L，B，H)，由式(1)可得其在地心直角坐标系中的坐标(x，y，z)，三个基站分别接收来自移动终端的信号，并对到达时间差进行测量，可以得到两组独立的时差，在三维空间中，每一组独立的时差可以得到一个双曲定位面，结合移动终端位于地球表面上，这三个曲面的交点就是目标所在的位置，于是建立目标点定位方程组：在(4)式中，r0、ri、r2分别为移动终端到三个基站的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王振宇，
申请(专利权)人：温州市鹿城区中津先进科技研究院，
类型：发明
国别省市：浙江,33