基于时分同步码分多址的自组织网络定位系统的实现方法

摘要

基于时分同步码分多址的自组织网络定位系统的实现方法，给出基于TD-SCDMA(时分同步码分多址)空中接口的移动自组织网络快速精确定位的实现方法：以移动节点为观测平台，以已知位置的固定节点为辐射站。根据移动节点分析出的相对于辐射站的多普勒频移以及节点通过自身传感器测得的移动速度，将辐射站相对于移动节点的速度分解为径向速度和切向速度，利用运动学原理，可以计算出移动节点的位置信息，从而实现精确定位。

权利要求

1.一种基于时分同步码分多址的自组织网络定位系统的实现方法，其特征在于以移动节点为观测平台，以已知位置的固定节点为辐射站，借助移动节点测出的多普勒频移及移动速度，得出移动节点的位置信息，定位系统的具体实现包括以下步骤并按所述顺序进行：a.测量阶段：移动节点根据自身的时分同步码分多址装置，测出接收信号的载频；利用自身传感器测出移动速度；

b.计算阶段：根据测出的接收信号的载频计算出多普勒频移，将辐射站相对于节点的相对速度分解为径向速度和切向速度，计算出节点的位置信息；

计算阶段的具体实现如下：

2a.移动节点根据接收到的TD-SCDMA载频f0(t)，计算出多普勒频移fd(t)＝f0(t)-fc；

其中，fd(t)为多普勒频移，f0(t)为接收到的TD-SCDMA信号载频，fc为辐射站发射信号的载频；

2b.根据得到的多普勒频移得出辐射站的相对径向速度Vr(t)＝-λfd(t)，进而得出移动节点与辐射站的相对距离r(t)与多普勒频移的关系式 其中，Vr(t)为辐射站相对于移动节点的径向速度，λ为辐射站发送TD-SCDMA载频的波长，为r(t)的导数；

2c.在已知辐射站的相对移动速度向量V(t)和已求的相对径向速度Vr(t)的基础上，求出辐射站的相对切向速度 进而得到Vt(t)与r(t)的关系式其中，Vt(t)是辐射站的相对切向速度， 为r(t)的二阶导数；

2d.根据步骤2b和步骤2c得出的两个关系式，求出移动节点与辐射站的瞬时距离r(t)；

2e.辐射站与移动节点的瞬时夹角β(t)、瞬时距离r(t)以及相对切向速度Vt(t)满足关系式 由步骤2c得到的Vt(t)和步骤2d得到的r(t)，求出

2f.根据r(t)和β(t)求出辐射站相对于移动节点为原点的坐标位置x(t)＝r(t)cosβ(t)和y(t)＝r(t)sinβ(t)，再利用辐射站已知的地理坐标位置(x0，y0)，通过坐标变换可得到移动节点瞬时的地理坐标值为xms＝x0-x(t)和yms＝y0-y(t)；其中，(x0，y0)为辐射站的地理坐标位置，(xms，yms)为移动节点的瞬时地理坐标位置。

说明书

基于时分同步码分多址的自组织网络定位系统的实现方法

技术领域

[0001] 本发明利用TD-SCDMA(时分同步码分多址)空中接口的特性，通过利用多普勒频差原理实施单点无源定位，构建了基于TD-SCDMA的移动自组织网络的快速精确定位系统。

背景技术

[0002] TD-SCDMA作为中国提出的第三代移动通信标准，使用了时分双工、上行同步、智能天线、联合检测和接力切换等先进技术，但仍存在蜂窝覆盖盲区、以及业务类型不够丰富的缺点。移动自组织网络具备无中心、自组织的特点。使用TD-SCDMA空中接口构建移动自组织网络既可以利用TD-SCDMA时分双工的特点，无需对接口做大的修改，同时可以实现对TD-SCDMA蜂窝网络实现补盲，丰富TD-SCDMA终端支持的业务类型。TD-SCDMA蜂窝网络与移动自组织网络融合的典型场景如图1所示。

[0003] TD-SCDMA蜂窝网络由于使用时分双工机制，基于TD-SCDMA的自组织网络使用与蜂窝网络相同的频率进行通信，既节省了频谱资源，也为利用多普勒频差方法实施快速精确定位形成了天然的有利条件。

[0004] 在蜂窝网络中，主要基于基站的能力实施定位，通用技术有基于CELL-ID(蜂窝序号)的定位、基于OTDOA(观测到达时间差)的定位和基于A-GPS(全球定位系统辅助)的定位等，其中TD-SCDMA蜂窝网络特有的定位技术有AOA(到达角)+TA(到达时间)技术、CELL ID+TA+OTDOA技术和基于多基站入射角度的定位算法AOA(到达角)等。在基于TD-SCDMA的自组织网络应用场景下，移动节点可能位于TD-SCDMA基站覆盖之下，也可能超出TD-SCDMA基站的覆盖位于信号“盲区”，因此现有的蜂窝网定位技术不适用于基于TD-SCDMA的自组织网络的应用场景。

[0005] 通过使用GPS(全球定位系统)卫星定位的A-GPS定位技术目前已经大量应用，但其局限性也比较明显。一是GPS定位系统受天气，环境影响巨大，在隧道等恶劣环境下无法应用；二是GPS定位精度和定位速度受限，目前GPS定位精度约为10米，并且存在较明显的定位误差，在高速公路上车辆定位等对定位精度和定位速度要求较高的应用场景下无法应用；三是GPS主要依靠卫星技术实施定位，可靠性和安全性受限。

[0006] 因此，探索基于TD-SCDMA的自组织网络应用的快速精确定位技术可以极大拓展TD-SCDMA蜂窝的应用领域，解决特殊场景下高可靠性快速精确定位的特殊应用需求。

发明内容

[0007] 技术问题：本发明的目的是给出基于时分同步码分多址的自组织网络定位系统的实现方法，

[0008] 技术方案：本发明的基于时分同步码分多址的自组织网络定位系统的实现方法以移动节点为观测平台，以已知位置的固定节点为辐射站，借助移动节点测出的多普勒频移及移动速度，得出移动节点的位置信息，定位系统的具体实现包括以下步骤并按所述顺序进行：

[0009] a.测量阶段：移动节点根据自身的时分同步码分多址装置，测出接收信号的载频；利用自身传感器测出移动速度；

[0010] b.计算阶段：根据测出的接收信号的载频计算出多普勒频移，将辐射站相对于节点的相对速度分解为径向速度和切向速度，计算出节点的位置信息。

[0011] 计算阶段的具体实现如下：

[0012] 2a.移动节点根据接收到的TD-SCDMA载频f0(t)，计算出多普勒频移fd(t)＝f0(t)-fc；其中，fd(t)为多普勒频移，f0(t)为接收到的TD-SCDMA信号载频，fc为辐射站发射信号的载频；

[0013] 2b.根据得到的多普勒频移得出辐射站的相对径向速度Vr(t)＝-λfd(t)，进而得出移动节点与辐射站的相对距离r(t)与多普勒频移的关系式

[0014] ；其中，Vr(t)为辐射站相对于移动节点的径向速度，λ为辐射站发送TD-SCDMA载频的波长， 为r(t)的导数；

[0015] 2c.在已知辐射站的相对移动速度向量V(t)和已求的相对径向速度Vr(t)的基础上，求出辐射站的相对切向速度 ，进而得到Vt(t)与r(t)的关系式；其中，Vt(t)是辐射站的相对切向速度， 为r(t)的二阶导数；

[0016] 2d.根据步骤2b和步骤2c得出的两个关系式，求出移动节点与辐射站的瞬时距离r(t)；

[0017] 2e.辐射站与移动节点的瞬时夹角β(t)、瞬时距离r(t)以及相对切向速度Vt(t)满足关系式 ，由步骤2c得到的Vt(t)和步骤2d得到的r(t)，求出

[0018] 2f.根据r(t)和β(t)求出辐射站相对于移动节点为原点的坐标位置x(t)＝r(t)cosβ(t)和y(t)＝r(t)sinβ(t)，再利用辐射站已知的地理坐标位置(x0，y0)，通过坐标变换可得到移动节点瞬时的地理坐标值为xms＝x0-x(t)和yms＝y0-y(t)；其中，(x0，y0)为辐射站的地理坐标位置，(xms，yms)为移动节点的瞬时地理坐标位置。

[0019] 有益效果：所发明的方法是利用多普勒频差方法进行单点无源定位，可以实现特定场景(如高速公路上)对移动节点的快速精确定位。

[0020] 本发明设计了基于TD-SCDMA接口的移动自组织网络定位系统构建的具体方法。藉由上述技术方案，本方法具有如下优点：

[0021] ①不依赖于GPS等外部设备，收敛速度快，运算量小、节约信道资源。

[0022] ②定位快速，定位精度高。

[0023] ③单点即可实现定位，不受天气、环境影响。

[0024] ④在移动节点上仅需利用TD-SCDMA的接收设备，实现简单，成本较低。

[0025] ⑤移动节点能耗较低，对于正在通信的其他电子设备不构成干扰。

附图说明

[0026] 图1是TD-SCDMA蜂窝网络与移动自组织网络融合的典型场景示意图。

[0027] 图2基于TD-SCDMA的自组织网络定位示意图。

[0028] 图3是基于TD-SCDMA的自组织网络单点定位原理示意图。

具体实施方式

[0029] 本发明主要采用多普勒频差方法实施单点无源快速精确定位。应用场景如图2所示。

[0030] 无源定位技术是一种定位设备本身不主动发射信号的技术，具有很强的隐蔽性而在军事上有大量应用。单站无源定位技术是利用一个观测平台对目标进行无源定位，用单个运动的观测站对辐射站进行连续的测量，在获得一定量的定位信息积累的基础上，进行适当的数据处理以获取辐射站目标的定位数据。

[0031] 依据运动学原理，对观测站和目标辐射站之间的相对运动速度进行分解，从切向速度中提取多普勒频率变化率信息，辅以方位信息，可以实现单次测距定位。

[0032] 在本发明中，对通常的单点无源定位技术进行了修改。以移动节点为观测平台，以已知位置的固定节点为辐射站，由于移动节点自身移动速度可通过自身传感器测得，通过对固定节点发射信号的观测可得移动节点的位置信息，定位原理如图3所示。具体方案如下：

[0033] 假设：

[0034] ①已知移动节点运动速度，为说明方便计(以移动节点为观测点)，设为-V；

[0035] ②辐射站为固定节点，已知辐射站地理坐标；

[0036] ③辐射站采用TD-SCDMA空中接口，发送频率已知；

[0037] ④移动节点具备检测频率偏移能力和一定计算能力；

[0038] ⑤移动节点已知或通过信息交互已知辐射站地理坐标。

[0039] 约定：

[0040] V(t)为辐射站相对移动速度向量；

[0041] Vr(t)为辐射站相对径向移动速度向量；

[0042] Vt(t)为辐射站相对切向移动速度向量；

[0043] fc为辐射站发送TD-SCDMA信号载频；

[0044] fo(t)为移动节点观测到的辐射站发送TD-SCDMA信号载频；

[0045] λ为辐射站发送TD-SCDMA载频的波长；

[0046] c为光速；

[0047] r(t)为移动节点离辐射站的瞬时距离；

[0048] β(t)为辐射站与移动节点的瞬时夹角。

[0049] 首先移动节点接收并分析接收到的TD-SCDMA载频fo(t)，通过以下运动学原理计算辐射站相对径向速度：

[0050]

[0051] 由于已知移动节点速度向量V(t)，由向量分解原理可得辐射站的相对切向速度Vt(t)。

[0052] 同样由运动学原理有下式成立：

[0053]

[0054] 已知Vt(t)，则通过解微分方程可得瞬时距离r(t)。

[0055] 同样由下式可得关于β(t)的微分方程，可求解β(t)。

[0056]

[0057] 最后，根据下式可得辐射站相对于移动节点为原点的坐标位置。

[0058]

[0059] 利用辐射站地理坐标已知的信息，通过坐标变换可得移动节点瞬时的地理坐标值。

[0060] 在多次测量的情况下，为了提高定位精度，通常还可以辅助选择适当的非线性滤波算法如非线性最小乘或扩展卡尔曼(EKF)滤波方法及其改进法等。

[0061] 假设装有TD-SCDMA接收设备的移动节点做远离辐射站的匀加速运动，其运动速度为-V(t)＝-2.45(t+1)，单位为m/s，所以辐射站相对于移动节点的移动速度向量为V(t)＝2.45(t+1)。辐射站发送TD-SCDMA信号的载频fc为2010MHz，从而[0062] 假设该移动节点通过仪器观测接收到的TD-SCDMA载频的频率为f0(t)＝fc-13.4(t+1)，单位为Hz。根据运动学原理，可得到如下方程

[0063]2

[0064] 解此方程可得r(t)＝t+2t+N，其中N为常数。

[0065] 同样根据运动学原理可知

[0066]

[0067] 即

[0068] 将r(t)你入上式可得

[0069] 而根据速度分解的原理可得

[0070]

[0071] 将V(t)和Vr(t)代入上次可得2 2 2 2 2

[0072] 2.45(t+1) ＝2(t+1)+2(t+2t+N)

[0073] 联立可解得N＝12

[0074] 所以r(t)＝t+2t+1

[0075] 由

[0076]

[0077] 得

[0078]

[0079]

[0080] 这里不失一般性假定常数C为0。

[0081] 结合上面所有结果，可得辐射站位置坐标

[0082]

[0083] 可以依据辐射站相对移动节点的位置坐标和已知辐射站地理坐标信息推出移动节点的地理坐标信息。

[0084] 综上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。及凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。