专利名称：基于多个船载移动基站的手机定位方法
技术领域：
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于多个船载移动基站的手机定位方法。
背景技术：
国际劳工组织《渔业安全与健康报告》的统计数据显示，全球每年每10万渔民中 大约有80人死于各种海上事故。2006年7月，国际海事组织(International Maritime Organization, IMO)在伦敦总部召开小型渔船安全通讯组专题会议，起草了《小型渔船安全 标准》“草稿”，规定手机可以代替传统无线电设备使用。2006年，海南海事局累计使用手机 定位技术定位5次，均能通过相关信息推算出失去联系渔船的大致位置，其中有3次是通过 中国移动海南分公司进行定位，2次是通过中国联通海南分公司对手机进行定位。种种迹象 表明，海上遇险事故的概率呈现增长趋势，手机定位技术在海上搜救中已经初步崭露头角。目前广泛使用的手机定位技术主要有基于CELL-ID+TA (Time Advanced)定位法， 到达时间(T0A，Time of Arrival)定位法，到达角度(Α0Α,Angle ofArrival)定位法，到达 时间差(TD0A，Time Difference of Arrival)定位法以及几种定位技术相结合的混合定位 法。CELL-ID+TA定位法实现最为简单，这种定位方法的精度取决于手机所处基站服务 区的大小。在城市环境下，一般定位精度能够达到l_2km，结合GSM系统特有的TA值，能够 在一定程度上提高定位精度。国内已开始探索CELL-ID+TA应用于遇险搜救。但是，由于陆 地基站对海面覆盖范围有限，定位精度较低，无法满足海上搜救定位的要求。TOA定位法通过3个或3个以上LMU(Location Measurement Unit，定位测量单 元)测量目标手机发射信号的到达时间，实现对手机的定位估算。这种定位法需要参与定 位的基站和手机时间严格同步才能避免同步误差，基站间时间同步可以实现，但是手机和 基站间时钟总会有偏差，这些偏差会引起TOA定位精度急剧下降。AOA定位法通过天线阵列对目标手机的电波入射角进行测量，电波入射角的测量 可以通过天线阵列接收到目标信号的相位差或功率谱密度来进行计算得到，也就是通常所 说的比相和比幅法。AOA定位法只需两个基站就能实现对目标手机的定位，并且AOA定位法 不需要目标手机和基站间时钟同步。但在GSM系统中使用的基站天线不具备测向功能，且 在实际环境中因无线链路上总存在着一定的遮挡物，直达波信号较少，因此入射角度误差 较大，AOA定位法很少单独使用，一般和其他定位法一起使用。TDOA定位法根据各LMU获取的TOA信息和时间参考值，利用双曲线三角测量计 算目标手机的位置。对于同步基站，可以通过正常或者虚拟触发来进行测量；如果基站 间时钟不严格同步，移动通信网络还需要对基站之间的相对时间偏差(Relative Time Deviation, RTD)或绝对时间偏差(Absolute TimeDeviation, ATD)进行测量，得到实际的 时间偏差。TDOA定位法至少需要3个或3个以上的基站才能实现对手机的定位。在海上手 机定位中，受地理条件的限制，海上手机难以同时处于3个或3个以上陆地基站的覆盖范围内，即使海上手机能够收到3个以上基站的信号，因陆地基站均分布于一个方向，TDOA定位的HDOP(Horizontal Dilution of Precision，水平精度因子)也将受到严重影响。由于上述手机定位技术基于陆地基站实现，因此上述技术很难应用于远洋作业渔 民的手机定位。目前，中国交通通信信息中心和中国联合网络通信有限公司已联合研制 出基于通信卫星的海上船载移动基站。船载移动基站通过卫星链路与公共交换电话网络 (Public Switched Telephone Network, PSTN)和公共陆地移动网(Public Land Mobile Network, PLMN)相连，可以安装在搜救船、渔政船或者游轮上，能够为远洋作业的船只提供 普通手机的通信服务。借助船载移动基站，如何提高对海上目标手机的定位精度，从而提高 海上遇险搜救的速度和保障海上作业人员人身与财产安全具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于多个船载移动基站的手机定位方法，综合利用 AOA和TDOA定位技术，结合船载移动基站的移动性和通信卫星的广覆盖等特性，不需要基 站和手机间的时间严格同步，实现多个船载移动基站对海上目标手机的精确定位，为海事 救捞部门提供快速和精准的手机定位方法。技术方案是，一种基于多个船载移动基站的手机定位方法，通过船载移动基站和 船载定位测量单元获取目标手机的测量信息，并利用船载VAST小站将获取的测量信息以 及船载移动基站所属的船只的特定信息，经卫星链路发送到信息服务中心，由信息服务中 心联合解算目标手机的位置，其特征是所述方法包括步骤1 位置服务中心经地面卫星主站向多艘船只的船载定位测量单元发送包含 目标手机号的定位请求；步骤2 各艘船只的船载定位测量单元接到包含目标手机号的定位请求后，将其 转发给本船的船载移动基站；步骤3 各艘船只的船载移动基站向目标手机发送拨测请求；步骤4 目标手机收到拨测请求后，发送特定时长的突发脉冲；步骤5 各艘船只的定位测量单元根据目标手机发送的特定时长的突发脉冲，计 算目标手机相对于本船的船载移动基站的测量信息；步骤6 各艘船只的定位测量单元将测量信息和本船的特定信息发送到本船的船 载卫星小站；步骤7 本船的船载卫星小站将上述测量信息和特定信息通过卫星链路发送到位 置服务中心；步骤8 位置服务中心对各船返回的测量信息和特定信息进行联合解算得到目标 手机的位置。所述特定信息包括经纬度、航向、航速、横摇和纵摇信息。所述测量信息具体为到达时间TOA值。所述位置服务中心对各船返回的测量信息以及特定信息进行联合解算得到目标 手机的位置，具体是位置服务中心利用各船返回的到达时间TOA值、经纬度信息和航向信 息进行联合解算，得到目标手机的位置。所述位置服务中心对各船返回的值进行联合解算得到目标手机的位置，具体是位置服务中心先根据各船返回的到达时间TOA值，计算到达时间差TDOA值，再利用到达时间差TDOA值、经纬度信息和航向信息进行联合解算，得到目标手机的位置。所述测量信息具体为到达时间TOA值和到达角度AOA值。所述位置服务中心对各船返回的测量信息以及特定信息进行联合解算得到目标 手机的估计位置，具体是位置服务中心利用各船返回的到达时间TOA值，计算到达时间差 TDOA值，再利用到达时间差TDOA值、到达角度AOA值、经纬度信息和航向信息进行联合解 算，得到目标手机的位置。本发明通过船载定位测量单元，拨测并获取目标手机的到达时间TOA值和到达角 度AOA值，利用定位技术以较少的基站，实现海上手机的精确定位。该方法不需要对手机设 备进行任何改造，不需要手机和基站之间时间同步，解决了远洋作业船只遇险的快速定位 问题。
图1是基于多个船载移动基站的手机定位方法的工作原理图；图2是基于多个船载移动基站的手机定位方法的流程图；图3是定位测量单元设定协议格式图；图4是TOA定位算法示意图；图5是TDOA-AOA定位算法示意图。
具体实施例方式下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性 的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。图1是基于多个船载移动基站的手机定位方法的工作原理图。图1中给出2个 船只的船载设备，实际实施过程中，最好使用3个或者3个以上的船只的船载设备进行 目标手机定位。图1中，陆地设备包括VSAT主站、位置服务中心和核心网设备。VSAT主 站作为位置服务中心和核心网数据传输的通道，完成陆地数据和船端数据经由VSAT卫 星的交互；位置服务中心用于搜救任务的发起，定位数据的联合解算，以及遇险位置信息 的转发。位置服务中心可以位于交通运输部搜救指挥中心，核心网设备完成船载移动基 站到 PLMN (Pub IicLand Mobile Network，公共陆地移动网)和 PSTN (Public Switched Tel印honeNetwork，公共交换电话网络)的接入。空间段设备为VSAT卫星，完成VSAT主 站和VSAT小站信息的转发。船载设备包括VSAT小站、船载移动基站和LMU(Location Measurement Unit，定位测量单元)。VSAT小站作为船载移动基站、定位测量单元和陆地设 备之间的通信通道，完成船端数据和陆地数据经由VSAT卫星的交互。船载移动基站维持和 海上手机用户之间链路的分配，配合定位测量单元实施对目标手机拨测请求的触发；定位 测量单元用于测定目标手机相对于船载移动基站的TOA和AOA信息，并将其经卫星链路返 回到陆地位置服务中心。实施例1本实施例使用各船的船载定位测量单元计算的到达时间TOA值，解算目标手机的 位置，因此本实施例也可以称作TOA定位算法，其过程如图2所示。图2中，将VAST卫星主站与VAST卫星小站通过卫星链路的通信，统称为VAST通信系统。步骤101 位置服务中心经地面卫星主站向多艘船只的船载定位测量单元发送包 含目标手机号的定位请求。位置服务中心经地面卫星主站发送的定位请求首先被各个船载卫星小站接收，再 由船载卫星小站将定位请求发送给船载定位测量单元。步骤102 各艘船只的船载定位测量单元接到包含目标手机号的定位请求后，将 其转发给本船的船载移动基站。步骤103 各艘船只的船载移动基站向目标手机发送拨测请求。步骤104 目标手机收到拨测请求后，发送特定时长的突发脉冲。 步骤105 各艘船只的定位测量单元根据目标手机发送的特定时长的突发脉冲， 计算目标手机相对于本船的船载移动基站的到达时间TOA值。步骤106 各艘船只的定位测量单元将到达时间TOA值和本船的经纬度、航向、航 速、横摇和纵摇信息发送到本船的船载卫星小站。定位测量单元与船载卫星小站通过设定的协议进行数据通信。图3是定位测量单 元设定协议格式图，图3中，定位测量单元按照预先设定好的协议格式，将到达时间TOA值 和本船的经纬度、航向、航速、横摇和纵摇信息发送到本船的船载卫星小站。如果不需要定 位测量单元提供到达角度AOA值，则可将图3中的AOA数据字段置空。步骤107 本船的船载卫星小站将上述到达时间TOA值、本船的经纬度、航向、航 速、横摇和纵摇信息通过卫星链路发送到位置服务中心。步骤108 位置服务中心利用各船返回的到达时间TOA值、经纬度信息和航向信息 进行联合解算，得到目标手机的位置。图4是TOA定位算法示意图，如图4所示，当有3个装有船载移动基站的测量船只 进行目标手机定位时，假定目标手机的坐标为(x，y)，船载移动基站的坐标为(Xi，yi)i = 1， 2，3，其坐标通过经纬度获得。目标手机到船载移动基站BSi的距离表示为a = tiC，其中、 为到达时间TOA值，c为电波传播速度，则有以下关系式{x_xf+{y_yf=r2/ = 1,2,3(1)在上式中\，71，巧均已知，理论上(1)式中两个未知数只需要两个方程求解即可。 因为是二元二次方程，需要第三个方程来解模糊，将i = 1，2，3带入(1)式相减可得r22 -r}2 = x22 + y22 -(xf +yf)-2(x2 -X1 )x-2(y2 -y^y(2)r32 -^12 = X32 + yl -(X12 +^12)-2(x3 -xx)x-2(y3 -yx)y(3)重新排列(2)式和(3)式可得卜叫H =(4)
凡Jkl 2|_火32-O12J其中，尤,2=X,2+XSXil = Xi-Xl，Yn = YiI1，变换⑷式可得
X, _ NA =b(5)
其中，如卜叫，“丄[im]。如果参与定位的基站数目N > 3，利用最小二乘法求解(5)式可得
权利要求
一种基于多个船载移动基站的手机定位方法，通过船载移动基站和船载定位测量单元获取目标手机的测量信息，并利用船载VAST小站将获取的测量信息以及船载移动基站所属的船只的特定信息，经卫星链路发送到信息服务中心，由信息服务中心联合解算目标手机的位置，其特征是所述方法包括步骤1位置服务中心经地面卫星主站向多艘船只的船载定位测量单元发送包含目标手机号的定位请求；步骤2各艘船只的船载定位测量单元接到包含目标手机号的定位请求后，将其转发给本船的船载移动基站；步骤3各艘船只的船载移动基站向目标手机发送拨测请求；步骤4目标手机收到拨测请求后，发送特定时长的突发脉冲；步骤5各艘船只的定位测量单元根据目标手机发送的特定时长的突发脉冲，计算目标手机相对于本船的船载移动基站的测量信息；步骤6各艘船只的定位测量单元将测量信息和本船的特定信息发送到本船的船载卫星小站；步骤7本船的船载卫星小站将上述测量信息和特定信息通过卫星链路发送到位置服务中心；步骤8位置服务中心对各船返回的测量信息和特定信息进行联合解算得到目标手机的位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于多个船载移动基站的手机定位方法，其特征是所述 特定信息包括经纬度、航向、航速、横摇和纵摇信息。
3.根据权利要求2所述的一种基于多个船载移动基站的手机定位方法，其特征是所述 测量信息具体为到达时间TOA值。
4.根据权利要求3所述的一种基于多个船载移动基站的手机定位方法，其特征是所 述位置服务中心对各船返回的测量信息以及特定信息进行联合解算得到目标手机的位置， 具体是位置服务中心利用各船返回的到达时间TOA值、经纬度信息和航向信息进行联合解 算，得到目标手机的位置。
5.根据权利要求3所述的一种基于多个船载移动基站的手机定位方法，其特征是所述 位置服务中心对各船返回的值进行联合解算得到目标手机的位置，具体是位置服务中心先 根据各船返回的到达时间TOA值，计算到达时间差TDOA值，再利用到达时间差TDOA值、经 纬度信息和航向信息进行联合解算，得到目标手机的位置。
6.根据权利要求2所述的一种基于多个船载移动基站的手机定位方法，其特征是所述 测量信息具体为到达时间TOA值和到达角度AOA值。
7.根据权利要求6所述的一种基于多个船载移动基站的手机定位方法，其特征是所述 位置服务中心对各船返回的测量信息以及特定信息进行联合解算得到目标手机的估计位 置，具体是位置服务中心利用各船返回的到达时间TOA值，计算到达时间差TDOA值，再利用 到达时间差TDOA值、到达角度AOA值、经纬度信息和航向信息进行联合解算，得到目标手机 的位置。
全文摘要
本发明公开了无线通信技术领域中的基于多个船载移动基站的手机定位方法，用于解决海上目标手机的精确定位问题。位置服务中心向多艘船只的船载定位测量单元发送定位请求；船载定位测量单元将其转发给船载移动基站；船载移动基站向目标手机发送拨测请求；目标手机发送特定时长的突发脉冲；定位测量单元根据目标手机发送的特定时长的突发脉冲，计算目标手机相对于本船的船载移动基站的测量信息；将其和本船的特定信息发送到本船的船载卫星小站；船载卫星小站将上述信息通过卫星链路发送到位置服务中心；位置服务中心对各船返回的信息进行联合解算得到目标手机的位置。本发明无需改造手机，无需手机和基站时间同步，能够实现海上手机的精确定位。
文档编号H04W64/00GK101969692SQ20101051509
公开日2011年2月9日 申请日期2010年10月14日 优先权日2010年10月14日
发明者何惠良, 刘建, 卢红洋, 康小勇, 戴明, 李晶, 杨晓静, 沈兵, 齐海勇 申请人:交通信息通信技术研究发展中心