基于网络的无线定位系统的基站选择方法 【技术领域】
本发明涉及无线电通信技术领域，特别是基于网络的无线定位技术。
背景技术
近几年来，移动终端定位业务引起了人们的普遍关注，并因其广泛的应用前景得到了很快的发展。现有地移动终端定位从根本上看分为基于手持机终端和基于网络两大类。
定位的基本过程分为信号特征值测量和位置信息的解算。信号特征值测量包括信号到达时间(TOA，time of arrival)，到达时间差(TDOA，time difference of arrival)，到达角度(AOA，angle of arrival)，信号强度(SOA，strength of signal)等等。位置信息解算是根据上述测量信息所进行的位置估计。不同的无线定位系统采用的定位技术都是大致相同的，即对信号的某种特征测量值的检测，采用一定的位置估计算法来确定位置。
常见的无线定位技术有场强定位法(SOA)，基于电波传播时间(TOA)或者传播时间差(TDOA)的定位技术，基于电波入射角(AOA)，混合定位法等。为了得到需定位的移动台的二维坐标值，需要至少三个SOA测量值，或者三个TOA测量值，或者两个TDOA值，或者两个AOA值。当可得到的信号特征测量值个数超过定位所需要的最小数目时，可选择一定数量的信号特征测量值来进行位置估算。
通常在信号特征测量值的测量过程中，同时可以得到信号的信噪比(SNR)，该值可以用来衡量信号受到干扰的程度，因而可以通过选择具有最佳信噪比的一组信号特征值，即选择相应的一组基站来进行位置估算。这种方法的缺点是定位精度差，占用资源较多，需要对多个基站的信号都进行测量后才能进行SNR比较选择。
目前关于基站选择方法的专利技术通常都是针对蜂窝通信系统中，以提高通话质量，减少切换时间，降低发送功率，提高用户容量等为目的，采用不同的方法选择一个基站来完成通信。而在无线定位中，完成定位需要不仅一个基站，且选择基站是为了准确的定位时，现有基站选择的方法就不能满足要求。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种用于无线定位的基站选择方法，特别涉及采用几何精度因子的计算方法。
在基于网络的定位系统中，当移动终端处于多个基站的侦收范围时会而临定位基站的选择问题。具体而言，对于移动台的二维平面位置估计，采用基于SOA，TOA或者TDOA的定位技术时，可以使用的定位基站超过三个时，可以采用本发明提供的基站选择方法选择三个(或三个以上)基站；在基于AOA的定位技术中，可以使用的定位基站超过两个时，根据本发明提供的方法可以选择两个(或两个以上)基站。同样地，在对移动台的三维位置估计时，对于不同的定位技术，需要四个或三个基站来实施对高度和平面位置的定位。图1中给出了以采用时间差的定位技术为例，在移动台位于多个基站侦收范围时的定位示意图。
在定位算法的实施中，基站的几何结构直接影响系统可得到的定位精度，根据这一关系，对于移动终端的平面位置估计，在定位基站多于位置解算所需的最小基站数目(SOA，TOA，TDOA为3个基站，AOA为2个基站)时，可以采用几何精度因子DOP来进行基站选择。
基站选择的方法如下：
(1)在N个基站中选择m个基站进行组合(N≥m，当采用SOA，TOA，TDOA时m≥3，当采用AOA时m≥2)，得到种基站组合。
(2)采用任意一种基站组合得到对移动台位置的一个初始估计。
(3)利用初始估计，计算在不同基站组合下的k个相应的DOP值。
(4)对若干个DOP进行比较，选取其中具有最小DOP值的基站组合。
(5)采用此选出的基站组合对移动台进行进一步的精确位置估计。
本发明中涉及到精度因子的计算方法。几何精度因子(DOP)是用来衡量定位的基站分布的不同几何架构，在不同场合下，DOP分别可以采用个别坐标量来表示，或采用多个坐标量的组合来表示，如：水平精度因子HDOP，东向精度因子EDOP，北向精度因子NDOP，高度精度因子VDOP。具体计算方法如下：
首先，以待定位的移动台(MS)所在位置为原点建立直角坐标系，以东(east)方向为横坐标轴，以北(north)方向为纵坐标轴，MS与定位基站(BS)的连线交单位圆于P1，P2，…，Pn点，此连线与北向(y轴正向)形成的夹角为α1，α2，…αn。如图2所示的BS和MS分布图。定义BS和MS所形成的方向矢量为s=sinαcosα1T]]>。 建立计算精度因子的方向矢量矩阵为例如，在三个基站的情况下，建立相应的方向矢量矩阵为：S=s1s2s3=sinα1cosα11sinα2cosα21sinα3cosα31......(2)]]>令COV＝INVERSE[S′·S]＝[C(i，j)] (3)几何精度因子可以由以下公式计算：GDOP=C(1,1)+C(2,2)+C(3,3).........(4)]]>HDOP=C(1,1)+C(2,2)........(5)]]>EDOP=C(1,1).........(6)]]>NDOP=C(2,2)..........(7)]]>TDOP=C(3,3).........(8)]]>
图2中给出了三基站计算精度因子的示意图。
精度因子还可以采用如下更简便的方法来进行计算，即在一种基站组合中，计算基站组合的几何中心与移动台的初始估计位置之间的距离，此距离与精度因子之间有近似的正比关系，因而可以通过寻求最小距离得到最佳的定位基站组合。
采用本发明的基站选择算法与任意选择的基站组合相比，在采用基站数目相同的情况下，可以达到更优的定位性能，提高定位精度，加快收敛速度。本发明的基站选择方法应用的网络可以是现有的移动通信网络，如GSM网络，CDMA网络，也可以是专用的定位实施网络。
【附图说明】
图1基于时间差的多基站定位示意图
图2BS和MS分布图，用于理解精度因子的计算
图3基站和移动台测试布局图
图4系统测量误差对比曲线图
图5系统基站组合HDOP计算值曲线图
【具体实施方式】
本发明方法的具体实施简单易行，举例如下。
使用四个基站，基站的布局和测试移动台MS的布局如图3所示。
对每个MS测试点进行20次定位测试，对位置的估算分别采用二种方法：
(1)采用HDOP基站选择算法，在选定具有最小HDOP的三个基站的基础上，利用选定的三基站的TOA测量值对手机进行位置解算。
(2)为了与HDOP选择算法相比较，选择具有最佳SNR(信噪比)测量的基站进行位置解算。即从4个TOA测量值中选择3个具有最佳SNR的测量值，在相应的基站下，进行位置解算。
实际测试中采用HDOP选择基站和SNR选择基站两种方法对移动台进行定位估计，分别计算得到的定位估计的均方根误差，见图4。
采用HDOP选择基站方法得到的基站组合的最小HDOP值见图5。
通过图4的比较可见，采用HDOP的基站选择方法相比于采用SNR的基站选择方法，得到的定位估计精度高，一致性好。
与图5比较可知，使用HDOP的基站选择算法，得到的定位误差和选择算法对应的HDOP值在趋势上是一致的。
以上结果是与采用最佳SNR的基站选择算法相对比得到的，如果相对于在任意选定的基站组合下进行位置估计，本发明提出的HDOP基站选择算法具有更显著的性能，并且可以在系统开销较小的情况下得到较优的性能。