专利名称：基于船载移动基站的手机定位装置及其单船定位方法
技术领域：
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于船载移动基站的手机定位装置 及其单船定位方法。
背景技术：
针对中小型船舶遇险事故，如何快速准确确定遇险位置，对于提高遇险救助的反 应速度和救助成功率、减少遇险救助过程中的能源消耗意义重大。随着移动通信业务普 及，交通运输部救助打捞局已通过陆地移动通信基站(覆盖海岸4-5海里)的辅助，初步 解决了 “搜救”工作中“搜”的问题，增加了遇险人员获救的机率。目前陆地移动通信基站 手机定位服务大多采用基于小区标识(CELL-ID)或小区识别+时间提前量(CELL-ID+TA) 的定位方式，这种定位方式随着小区面积的扩大，定位精度急剧下降。采用AGPS (Assisted GlobalPositioning System，辅助全球卫星定位系统)手机的用户尽管知道自身的具体位 置，但在遇险等紧急情况下无法让海事救捞部门获取自己的位置，且因AGPS手机终端价格 偏贵和耗电量大，难以完全普及。船载移动基站是在救援、渔政等船只上安装，并为其周围海域的渔船或其他船只 提供普通的GSM、CDMA、WCDMA、TD-SCDMA手机服务的移动基站。图1是船载移动基站工作原 理图。图1中，船载移动基站通过卫星与公共交换电话网络(Public Switched Telephone Network,PSTN)和公共陆地移动网(PublicLand Mobile Network,PLMN)相连，能够实现远 洋渔船上的手机与陆地的手机或者电话的通过功能，其服务范围大致为35公里左右，即安 装有船载移动基站的船只周围35公里范围内的渔船，如果使用普通手机与地面通信的话， 都能够享受船载移动基站提供的服务。由于从事远洋作业的渔船上的渔民不用更换手机就 能够实现与地面的通信，因此船载移动基站具有广阔的应用前景。但是，当渔船出现紧急情况需要救助时，船载移动基站往往只能收到需要救助船 只的手机信号，不能知道需要救助船只的具体位置，海上又没有可以参考的地标性建筑，这 使得救援的效率大大降低。而单一的定向测量装置，又不适应海上定位测量需要。这是因 为海上测量往往会受到季风、水流、气象等方面的影响，使得信号测量过程中产生一定的噪 声，这些噪声会干扰测量结果，导致测量失误。
发明内容
针对上述船载移动基站不能实现船只准确定位的问题，本发明提供一种基于船载 移动基站的手机定位装置及其单船定位方法，通过该装置对目标手机的方位和信号电平值 进行测定，结合船载移动基站的TA测距信息，对目标手机进行定位。技术方案是一种基于船载移动基站的手机定位装置，包括一个船载移动基站，所 述船载移动基站用于寻呼目标手机，其特征是所述装置还包括显控单元，定位处理单元，测 向处理单元和测向天线；所述显控单元与定位处理单元相连；用于发起定位请求并显示目标手机的位置；
所述定位处理单元分别与显控单元、船载移动基站和测向处理单元相连；用于对 目标手机进行拨测，并接收目标手机的响应信号；还用于根据所述响应信号发送测向请求， 并接收测向结果；还用于根据测向结果进行定位解算，并将解算结果发送至显控单元；所述测向处理单元分别与定位处理单元和测向天线相连；用于接收测向请求，并 根据所述测向请求和测向天线解析得到的目标手机信号，获取测向结果，之后将测向结果 返回定位处理单元；所述测向天线与测向处理单元相连，用于接收并解析目标手机信号。所述显控单元包括定位请求模块、罗经信号接收模块、GPS信号接收模块、定位结 果接收模块和显示模块；所述定位请求模块与定位处理单元相连，用于发起定位请求；所述罗经信号接收模块与显示模块相连，用于接收船载罗经信号；所述GPS信号接收模块与显示模块相连，用于接收船载GPS信号；所述定位结果接收模块分别与定位处理单元和显示模块相连，用于接收定位处理 单元的解算结果，并将解算结果发送至显示模块；所述显示模块分别与罗经信号接收模块、GPS信号接收模块和定位结果接收模块 相连，用于根据船载罗经信号、船载GPS信号和解算结果，将目标手机的位置和/或搜索航 迹标注在电子海图上。所述定位处理单元包括定位请求接收模块、目标手机拨测模块、响应信号接收模 块、测向请求发送模块、测向结果接收模块、定位解算模块和解算结果发送模块；所述定位请求接收模块分别与显控单元和目标手机拨测模块相连，用于接收显控 单元发送的定位请求，并将定位请求发送至目标手机拨测模块；所述目标手机拨测模块与船载移动基站相连，用于通知船载移动基站对目标手机 进行寻呼；所述响应信号接收模块分别与船载移动基站、测向请求发送模块和定位解算模块 相连，用于接收船载移动基站获取的目标手机的国际移动台用户标志IMSI码和时间提前 量TA值，并分别将国际移动台用户标志IMSI码和时间提前量TA值发送至测向请求发送模 块和定位解算模块；所述测向请求发送模块与测向处理单元相连，用于将包含国际移动台用户标志 IMSI码的测向请求发送至测向处理单元；所述测向结果接收模块与测向处理单元相连，用于接收测向处理单元返回的到达 角A0A值和接收信号强度RSS值；所述定位解算模块分别与测向结果接收模块和响应信号接收模块相连，用于根据 接收的时间提前量TA值和接收信号强度RSS值，计算到达时间T0A值；还用于根据接收的 到达角A0A值和到达时间T0A值，进行定位解算；所述解算结果发送模块与定位解算模块相连，用于将解算结果发送至显控单元。所述测向处理单元包括顺序相连的测向请求接收模块、测向请求处理模块和测向 结果发送模块；所述测向请求接收模块用于接收定位处理单元发送的包含国际移动台用户标志 IMSI码的测向请求，并将所述测向请求发送至测向请求处理模块；
所述测向请求处理模块还与测向天线相连，用于根据包含国际移动台用户标志 IMSI码的测向请求，以及测向天线解析的目标手机信号，获取到达角A0A值和接收信号强 度RSS值，并将其发送至测向结果发送模块；所述测向结果发送模块用于将到达角A0A值和接收信号强度RSS值发送至定位处
理单元。本发明还提供了一种基于船载移动基站的单船手机定位方法，其特征是所述方法 包括些列步骤步骤1 安装有基于船载移动基站的手机定位装置的船舶在移动过程中，测定目 标手机的设定组数的到达角A0A值和到达时间T0A值；步骤2 设定目标手机所处的空间范围；步骤3 根据测得的设定组数的到达角A0A值和到达时间T0A值，求解目标手机的 初始位置；步骤4:以求解得到的目标手机的初始位置为中心，创建覆盖步骤2设定的空间范 围的网格区域，并预置每个网格区域的权值为0 ；步骤5 根据测定的各组到达角A0A值和到达时间T0A值，计算其对应的目标手机 的理论位置，并确定所述理论位置落入的网格区域，并使该网格区域的权值加1 ；步骤6 比较各网格区域的权值大小并确定目标手机的估计位置；步骤7 生成目标移动轨迹，并使船舶向目标手机的估计位置移动；步骤8 判断是否搜索到目标手机，如果搜索到，则结束流程；否则，重复步骤1-8。所述测定目标手机的到达角A0A值和到达时间T0A值，具体包括步骤101 显控单元向定位处理单元发送定位请求；步骤102 定位处理单元收到定位请求后，对目标手机进行拨测；步骤103 船载移动基站寻呼目标手机；步骤104 目标手机响应船载移动基站的寻呼；步骤105 船载移动基站收到目标手机的响应信息，捕获国际移动台用户标志 IMSI码和时间提前量TA值；步骤106 船载移动基站将捕获的国际移动台用户标志IMSI码和时间提前量TA 值，发送至定位处理单元；步骤107 定位处理单元向测向处理单元发送包含国际移动台用户标志IMSI码的 测向请求；步骤108 测向处理单元收到测向请求后，根据国际移动台用户标志IMSI码和测 向天线获取并解析出的目标手机的信号，获取到达角A0A值和接收信号强度RSS值；步骤109 将获取的到达角A0A值和接收信号强度RSS值返回定位处理单元；步骤110 定位处理单元根据时间提前量TA值和接收信号强度RSS值，计算到达 时间T0A值。所述求解目标手机的初始位置，采用最小二乘法。所述比较各网格区域的权值大小并确定目标手机的估计位置，具体是，对落入权 值最大的网格区域的所有理论位置取加权算术平均值。本发明的效果在于，基于船载移动基站的手机定位装置克服了目前船载移动基站
7只能对手机提供语音、短息等服务，但不能对手机进行准确定位的缺陷；基于船载移动基站 的单船手机定位方法，可以在只使用一条搜索船的情况下，经过多次测算准确定位目标手 机，从而提高了海上突发事故的救援效率，节省了救援资源。
图1是船载移动基站工作原理图；图2是基于船载移动基站的手机定位装置组成结构图；图3是基于船载移动基站的单船手机定位方法流程图；图4是测定目标手机的到达角A0A值和到达时间T0A值流程图；图5是覆盖设定空间范围的网格区域的示意图。
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。实施例1本发明提供的基于船载移动基站的手机定位装置，对现有的船载移动基站进行了 改造，以使其具有手机定位功能。图2是基于船载移动基站的手机定位装置组成结构图，图 2中，基于船载移动基站的手机定位装置，包括一个船载移动基站，该船载移动基站用于寻 呼目标手机。手机定位装置还包括显控单元，定位处理单元，测向处理单元和测向天线。显控单元与定位处理单元相连，用于发起定位请求并显示目标手机的位置。定位处理单元分别与显控单元、船载移动基站和测向处理单元相连；用于对目标 手机进行拨测，并接收目标手机的响应信号；还用于根据所述响应信号发送测向请求，并接 收测向结果；还用于根据测向结果进行定位解算，并将解算结果发送至显控单元。测向处理单元分别与定位处理单元和测向天线相连；用于接收测向请求，并根据 所述测向请求和测向天线解析得到的目标手机信号，获取测向结果，之后将测向结果返回 定位处理单元。所述测向天线与测向处理单元相连，用于接收并解析目标手机信号。为实现上述各单元的功能，本发明具体还可以在各单元中增加相应的功能模块。如图2所示，显控单元还可以包括定位请求模块、罗经信号接收模块、GPS信号接 收模块、定位结果接收模块和显示模块。定位请求模块与定位处理单元相连，用于发起定位请求。其中，定位请求模块包括 能够输入目标手机号码的键盘，或者可以在触摸显示屏中开辟出一块可以输入目标手机号 码的区域。罗经信号接收模块与显示模块相连，用于接收船载罗经信号。GPS信号接收模块与显示模块相连，用于接收船载GPS信号。定位结果接收模块分别与定位处理单元和显示模块相连，用于接收定位处理单元 的解算结果，并将解算结果发送至显示模块。显示模块分别与罗经信号接收模块、GPS信号接收模块和定位结果接收模块相连， 用于根据船载罗经信号、船载GPS信号和解算结果，将目标手机的位置和/或搜索航迹标注在电子海图上。如图2所示，定位处理单元还包括定位请求接收模块、目标手机拨测模块、响应信 号接收模块、测向请求发送模块、测向结果接收模块、定位解算模块和解算结果发送模块。定位请求接收模块分别与显控单元和目标手机拨测模块相连，用于接收显控单元 发送的定位请求，并将定位请求发送至目标手机拨测模块。目标手机拨测模块与船载移动基站相连，用于通知船载移动基站对目标手机进行寻呼。响应信号接收模块分别与船载移动基站、测向请求发送模块和定位解算模块相 连，用于接收船载移动基站获取的目标手机的国际移动台用户标志IMSI (International Mobile Subscriber Identity，国际移动台用户标志)码和时间提前量TA(Time Advance, 时间提前量)值，并分别将国际移动台用户标志IMSI码和时间提前量TA值发送至测向请 求发送模块和定位解算模块。测向请求发送模块与测向处理单元相连，用于将包含国际移动台用户标志IMSI 码的测向请求发送至测向处理单元。测向结果接收模块与测向处理单元相连，用于接收测向处理单元返回的到达角 AOA(Angle Of Arrival，到达角)值和接收信号强度RSS (Receive SignalStrength，接收信 号强度)值。定位解算模块分别与测向结果接收模块和响应信号接收模块相连，用于根据接收 的时间提前量TA值和接收信号强度RSS值，计算到达时间TOA (Time OfArrival，到达时间) 值；还用于根据接收的到达角A0A值和到达时间T0A值，进行定位解算。解算结果发送模块与定位解算模块相连，用于将解算结果发送至显控单元。如图2所示，测向处理单元还包括顺序相连的测向请求接收模块、测向请求处理 模块和测向结果发送模块。测向请求接收模块用于接收定位处理单元发送的包含国际移动台用户标志IMSI 码的测向请求，并将所述测向请求发送值测向请求处理模块。测向请求处理模块还与测向天线相连，用于根据包含国际移动台用户标志IMSI 码的测向请求，以及测向天线解析的目标手机信号，获取到达角A0A值和接收信号强度RSS 值，并将其发送至测向结果发送模块。测向结果发送模块用于将到达角A0A值和接收信号强度RSS值发送至定位处理单兀。实施例2为了能够清楚地理解基于船载移动基站的手机定位装置的工作过程，本发明还提 供了一种基于船载移动基站的单船手机定位方法。图3是基于船载移动基站的单船手机定位方法流程图。图3中，基于船载移动基 站的单船手机定位方法包括如下步骤步骤1 安装有基于船载移动基站的手机定位装置的测量船舶在移动过程中，测 定目标手机的设定组数的到达角A0A值和到达时间T0A值。由于本发明采用单船进行测量，船载移动基站在同一地点进行多次测量，当距离 测量值和角度测量值变化不大时，对于提高定位的精度没有令人满意的效果。因此，可以采用安装有基于船载移动基站的手机定位装置的船舶向目标手机移动，通过多次采集定位数 据进行统计计算的方法，获得相对准确的目标手机位置。其中，设定的组数根据实际测量需要指定，在本实施例中，假设设定的组数为N。每 组目标手机的到达角AOA值和到达时间TOA值的测定如图4所示，其过程包括步骤101 显控单元向定位处理单元发送定位请求。步骤102 定位处理单元收到定位请求后，对目标手机进行拨测。步骤103 船载移动基站寻呼目标手机。步骤104 目标手机响应船载移动基站的寻呼。步骤105 船载移动基站收到目标手机的响应信息，捕获国际移动台用户标志 IMSI码和时间提前量TA值。步骤106 船载移动基站将捕获的国际移动台用户标志IMSI码和时间提前量TA 值，发送至定位处理单元。步骤107 定位处理单元向测向处理单元发送包含国际移动台用户标志IMSI码的 测向请求。步骤108 测向处理单元收到测向请求后，根据国际移动台用户标志IMSI码和测 向天线获取并解析出的目标手机的信号，获取到达角AOA值和接收信号强度RSS值。由于测向天线可能获取的手机的信号不止一个，这时通过国际移动台用户标志 IMSI码，可以从获取的多个手机信号中，找到目标手机的信号，然后通过测量能够获取该目 标手机的到达角AOA值和接收信号强度RSS值。步骤109 将获取的到达角AOA值和接收信号强度RSS值返回定位处理单元。步骤110 定位处理单元根据时间提前量TA值和接收信号强度RSS值，计算到达 时间TOA值。根据电波传播模型，在知道时间提前量TA值和接收信号强度RSS值的情况下，可 以计算出到达时间TOA值。图4中的附图标记，如“S101”代表步骤101，其他标记的意义与之相同。另外，本发明的设定组数是根据测量需要设定的。在一次测量中，由于安装有基于 船载移动基站的手机定位装置的搜索船只不断接近目标手机，随着搜索范围的不断缩小， 设定组数也可以相应地减小。步骤2 设定目标手机所处的空间范围。目标手机的空间范围根据实际测量情况设定。一般来讲，第一次设定时，会取一个 比较大的范围，之后随着目标手机的估计位置越来越接近目标手机的实际位置，设定的空 间范围会逐步缩小，直至搜到目标手机。最初的空间范围可以使船载移动基站的服务范围，比如50平方公里的二维空间 范围。为了便于计算，此范围一般设定为规则图形，比如以船载移动基站为中心，4公里为半 径的圆；或者还可以是以船载移动基站为几何中心，边长为7-8公里的方形；或者也可以是 正六边形等等。在本实施例中，设定的空间范围为正方形，边长为10公里。步骤3 根据测得的设定组数的到达角AOA值和到达时间TOA值，求解目标手机的 初始位置。
在本实施例中，目标手机的初始位置采用最小二乘法求解。令装有基于船载移动基站的手机定位装置的船舶进行第i组目标手机位置测量 时的位置为(Xi，yi)，测量的TOA值为^，测量的AOA值为、，目标手机的位置为(X，y), 电波传播速度为c，则目标手机的位置可表示为X = Xj+c τ jCOS α jy = yj+c τ jsin α j 写成矩阵的形式
权利要求
一种基于船载移动基站的手机定位装置，包括一个船载移动基站，所述船载移动基站用于寻呼目标手机，其特征是所述装置还包括显控单元，定位处理单元，测向处理单元和测向天线；所述显控单元与定位处理单元相连；用于发起定位请求并显示目标手机的位置；所述定位处理单元分别与显控单元、船载移动基站和测向处理单元相连；用于对目标手机进行拨测，并接收目标手机的响应信号；还用于根据所述响应信号发送测向请求，并接收测向结果；还用于根据测向结果进行定位解算，并将解算结果发送至显控单元；所述测向处理单元分别与定位处理单元和测向天线相连；用于接收测向请求，并根据所述测向请求和测向天线解析得到的目标手机信号，获取测向结果，之后将测向结果返回定位处理单元；所述测向天线与测向处理单元相连，用于接收并解析目标手机信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于船载移动基站的手机定位装置，其特征是所述显控 单元包括定位请求模块、罗经信号接收模块、GPS信号接收模块、定位结果接收模块和显示 模块；所述定位请求模块与定位处理单元相连，用于发起定位请求； 所述罗经信号接收模块与显示模块相连，用于接收船载罗经信号； 所述GPS信号接收模块与显示模块相连，用于接收船载GPS信号； 所述定位结果接收模块分别与定位处理单元和显示模块相连，用于接收定位处理单元 的解算结果，并将解算结果发送至显示模块；所述显示模块分别与罗经信号接收模块、GPS信号接收模块和定位结果接收模块相连， 用于根据船载罗经信号、船载GPS信号和解算结果，将目标手机的位置和/或搜索航迹标注 在电子海图上。
3.根据权利要求1所述的一种基于船载移动基站的手机定位装置，其特征是所述定位 处理单元包括定位请求接收模块、目标手机拨测模块、响应信号接收模块、测向请求发送模 块、测向结果接收模块、定位解算模块和解算结果发送模块；所述定位请求接收模块分别与显控单元和目标手机拨测模块相连，用于接收显控单元 发送的定位请求，并将定位请求发送至目标手机拨测模块；所述目标手机拨测模块与船载移动基站相连，用于通知船载移动基站对目标手机进行 寻呼；所述响应信号接收模块分别与船载移动基站、测向请求发送模块和定位解算模块相 连，用于接收船载移动基站获取的目标手机的国际移动台用户标志IMSI码和时间提前量 TA值，并分别将国际移动台用户标志IMSI码和时间提前量TA值发送至测向请求发送模块 和定位解算模块；所述测向请求发送模块与测向处理单元相连，用于将包含国际移动台用户标志IMSI 码的测向请求发送至测向处理单元；所述测向结果接收模块与测向处理单元相连，用于接收测向处理单元返回的到达角 AOA值和接收信号强度RSS值；所述定位解算模块分别与测向结果接收模块和响应信号接收模块相连，用于根据接收 的时间提前量TA值和接收信号强度RSS值，计算到达时间TOA值；还用于根据接收的到达角AOA值和到达时间TOA值，进行定位解算；所述解算结果发送模块与定位解算模块相连，用于将解算结果发送至显控单元。
4.根据权利要求1所述的一种基于船载移动基站的手机定位装置，其特征是所述测向 处理单元包括顺序相连的测向请求接收模块、测向请求处理模块和测向结果发送模块；所述测向请求接收模块用于接收定位处理单元发送的包含国际移动台用户标志IMSI 码的测向请求，并将所述测向请求发送至测向请求处理模块；所述测向请求处理模块还与测向天线相连，用于根据包含国际移动台用户标志IMSI 码的测向请求，以及测向天线解析的目标手机信号，获取到达角AOA值和接收信号强度RSS 值，并将其发送至测向结果发送模块；所述测向结果发送模块用于将到达角AOA值和接收信号强度RSS值发送至定位处理单兀。
5.一种使用如权利要求1所述的一种基于船载移动基站的手机定位装置进行手机定 位的方法，其特征是所述方法包括些列步骤步骤1 安装有基于船载移动基站的手机定位装置的船舶在移动过程中，测定目标手 机的设定组数的到达角AOA值和到达时间TOA值； 步骤2 设定目标手机所处的空间范围；步骤3 根据测得的设定组数的到达角AOA值和到达时间TOA值，求解目标手机的初始 位置；步骤4 以求解得到的目标手机的初始位置为中心，创建覆盖步骤2设定的空间范围的 网格区域，并预置每个网格区域的权值为0 ；步骤5 根据测定的各组到达角AOA值和到达时间TOA值，计算其对应的目标手机的理 论位置，并确定所述理论位置落入的网格区域，并使该网格区域的权值加1 ； 步骤6 比较各网格区域的权值大小并确定目标手机的估计位置； 步骤7 生成目标移动轨迹，并使船舶向目标手机的估计位置移动； 步骤8 判断是否搜索到目标手机，如果搜索到，则结束流程；否则，重复步骤1-8。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征是所述测定目标手机的到达角AOA值和到达时 间TOA值，具体包括步骤101 显控单元向定位处理单元发送定位请求； 步骤102 定位处理单元收到定位请求后，对目标手机进行拨测； 步骤103 船载移动基站寻呼目标手机； 步骤104 目标手机响应船载移动基站的寻呼；步骤105 船载移动基站收到目标手机的响应信息，捕获国际移动台用户标志IMSI码 和时间提前量TA值；步骤106 船载移动基站将捕获的国际移动台用户标志IMSI码和时间提前量TA值，发 送至定位处理单元；步骤107 定位处理单元向测向处理单元发送包含国际移动台用户标志IMSI码的测向 请求；步骤108 测向处理单元收到测向请求后，根据国际移动台用户标志IMSI码和测向天 线获取并解析出的目标手机的信号，获取到达角AOA值和接收信号强度RSS值；步骤109 将获取的到达角AOA值和接收信号强度RSS值返回定位处理单元； 步骤110 定位处理单元根据时间提前量TA值和接收信号强度RSS值，计算到达时间 TOA 值。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征是所述求解目标手机的初始位置，采用最小二 乘法。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征是所述比较各网格区域的权值大小并确定目标 手机的估计位置，具体是，对落入权值最大的网格区域的所有理论位置取加权算术平均值。
全文摘要
本发明公开了无线通信技术领域中的一种基于船载移动基站的手机定位装置及其单船定位方法。定位装置包括船载移动基站，还包括显控单元，定位处理单元，测向处理单元和测向天线；定位方法是利用定位装置测量目标手机的设定组数的TOA值和AOA值；求解目标手机的初始位置；以初始位置为中心设定空间范围，在设定范围内进行网格划分；确定目标手机的估计位置，生成目标移动轨迹，并使船舶向目标手机的估计位置移动；判断是否搜索到目标手机，如果搜索到，则结束流程；否则，重复上述步骤。本发明在只使用一条搜索船的情况下，对目标手机进行准确定位。
文档编号H04W68/00GK101945475SQ20101029405
公开日2011年1月12日 申请日期2010年9月27日 优先权日2010年9月27日
发明者何惠良, 刘建, 卢红洋, 康小勇, 李晶, 杨晓婧, 沈兵, 齐海勇 申请人:交通信息通信技术研究发展中心