專利名稱：基于gsm網(wǎng)絡(luò)的無線定位系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于蜂窩無線通信網(wǎng)絡(luò)的三角定位系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
請參閱圖1， GSM網(wǎng)絡(luò)劃分為多個小區(qū)(cel1)1、2、3……，每個小區(qū)都有互不重復(fù) 的小區(qū)識別碼(Cell ID)。每個小區(qū)中至少有一個基站收發(fā)站(BTS， Base Transceiver Station)為移動終端(MS，Mobile Station)提供服務(wù)，圖1示意性地在每個小區(qū)中央設(shè)置 一個全向基站收發(fā)站10、20、30……。這些基地收發(fā)站的位置信息(如經(jīng)度、諱度)均是已 知的，移動終端在登記、位置更新、呼叫建立時，都會上報所在小區(qū)的小區(qū)識別碼。
Cell ID+TA是現(xiàn)有的一種基于GSM網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)，其定位過程請參閱圖2。 tl 時刻，基站收發(fā)站在小區(qū)的尋呼信道(PCH)上發(fā)出尋呼消息(Paging Request) 。 t2時刻，移 動終端收到尋呼消息。t3時刻，移動終端在小區(qū)的隨機接入信道(RACH)上發(fā)出信道請求消 息(Channel Request) 。 t4時刻，基站收發(fā)站收到信道請求消息。然后，基站控制器(BSC， BaseStation Controller)或移動交換中心(MSC，Mobile Switching Center)計算出時間 提前量(TA， Timing Advance) AT，并根據(jù)時間提前量A T計算出移動終端與基站收發(fā)站之
AT"1 x c
間的距離L，計算公式為丄=~y~ ， c為光速。AT相當(dāng)于tl到t2的時間段加上t3到t4 的時間段。 時間提前量是基站子系統(tǒng)(BSS，Base Station Subsystem,包括BTS和BSC)測量 得到的，原用于通知移動終端提前發(fā)出信號以使信號到達基站收發(fā)站時嚴格遵守基站收發(fā) 站的時間窗口。時間提前量AT的最小單位是3. 69iis，由于時間提前量考慮上下行雙向來 回，因此L的精度約為550米。在鏈路建立中，移動終端向基站報告其他附近臨近小區(qū)的基 站接受信號強度?；净谛盘柨罩兴p和距離的關(guān)系，再三角定位。計算出終端的位置。
上述Cell ID+TA技術(shù)由于空中衰減和距離的關(guān)系誤差很大。所以精度不高?，F(xiàn) 有的基站控制器或移動交換中心不具備不按照移動終端報告的各基站的信號質(zhì)量，而要求 移動終端迅速切換基站、和新基站建立新的連接的功能，因此如果要由網(wǎng)絡(luò)端發(fā)起實現(xiàn)三 角定位，由另外兩個基站來得出該移動終端和這兩個基站的距離，需要修改網(wǎng)絡(luò)端基站，基 站控制器甚至移動交換機的軟件，這會帶來很高的改造成本。 城市中高層建筑物較多，基站收發(fā)站和移動終端之間的信號傳輸會產(chǎn)生"多徑效 應(yīng)"，請參閱圖3。基站收發(fā)站10發(fā)往移動終端100的信號走了三條路徑。A路徑是直達路 徑，距離最短，但由于穿越了建筑物200因此強度較低。B路徑是反射路徑，距離較長，但由 于只是由建筑物400反射因此強度最高。C路徑也是反射路徑，距離最長，先經(jīng)建筑物300反 射再經(jīng)建筑物500反射，因此強度也最低。從通訊的角度出發(fā)，顯然應(yīng)該取強度最高的B路 徑的信號。但從定位的角度出發(fā)，則應(yīng)該取距離最短的A路徑的信號?，F(xiàn)有的Cell ID+TA 往往沒有考慮消除多徑效應(yīng)的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于GSM網(wǎng)絡(luò)的無線系統(tǒng)。為此，本發(fā)明 還提供了一種相應(yīng)的定位方法。該方法可以實現(xiàn)較準確的定位，對網(wǎng)絡(luò)端設(shè)備的軟件無需 修改，還能克服多徑效應(yīng)的影響。 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明一種基于GSM網(wǎng)絡(luò)的無線定位系統(tǒng)包括GSM網(wǎng)絡(luò)中 的基站收發(fā)站和基站控制器，還包括 移動終端，支持同時與多個基站收發(fā)站同步，還支持空閑狀態(tài)時在多個基站收發(fā) 站之間自由切換，內(nèi)置根據(jù)時間提前量計算距離的公式； 定位服務(wù)器，存有所有基站收發(fā)站的經(jīng)緯度坐標，內(nèi)置三角定位的計算公式，并連 接到有線和/或無線網(wǎng)絡(luò)。
上述無線定位系統(tǒng)的定位方法包括如下步驟 第1步，移動終端平時同步在接收信號最好的第一基站收發(fā)站，向第一基站收發(fā) 站發(fā)出信道請求信息，接收第一基站收發(fā)站的立即指配信息，計算與第一基站收發(fā)站的距 離，然后立即回到空閑狀態(tài)； 第2步，移動終端切換到第二基站收發(fā)站，向第二基站收發(fā)站發(fā)出信道請求信息， 接收第二基站收發(fā)站的立即指配信息，計算與第二基站收發(fā)站的距離，然后立即回到空閑 狀態(tài)； 第3步，移動終端切換到第三基站收發(fā)站，向第三基站收發(fā)站發(fā)出信道請求信息， 接收第三基站收發(fā)站的立即指配信息，計算與第三基站收發(fā)站的距離； 第4步，移動終端將與第一基站收發(fā)站、第二基站收發(fā)站、第三基站收發(fā)站的距離通 過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到定位服務(wù)器，定位服務(wù)器計算出移動終端的經(jīng)緯度坐標并發(fā)給移動終端。
本發(fā)明和現(xiàn)有的Cell ID+TA技術(shù)相比，不修改網(wǎng)絡(luò)側(cè)的系統(tǒng)增加了三角定位技 術(shù)，可以獲得更高的定位精確度?，F(xiàn)有的Cell ID+TA技術(shù)，對網(wǎng)絡(luò)端軟件進行修改，對用戶 端不需要進行任何修改。本發(fā)明則對用戶端軟件進行修改，對網(wǎng)絡(luò)端軟件不進行修改，由于 網(wǎng)絡(luò)側(cè)的系統(tǒng)比用戶終端更復(fù)雜，因此本發(fā)明大大降低了系統(tǒng)的改造成本。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細的說明
圖1是蜂窩無線通信網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)、基站收發(fā)站示意圖；
圖2是現(xiàn)有的Cell ID+TA定位技術(shù)的示意圖；
圖3是蜂窩無線通信網(wǎng)絡(luò)中多徑效應(yīng)的示意圖；
圖4是三角定位的原理示意圖； 圖5是本發(fā)明基于蜂窩無線通信網(wǎng)絡(luò)的無線定位系統(tǒng)的示意圖；
圖6是本發(fā)明基于蜂窩無線通信網(wǎng)絡(luò)的定位方法的示意圖。 圖中附圖標記為l、2、3-小區(qū)；10、20、30-基站收發(fā)站；100-移動終端；200、300、 400 、500-建筑物。
具體實施例方式
本發(fā)明基于GSM網(wǎng)絡(luò)的無線定位系統(tǒng)包括GSM網(wǎng)絡(luò)中的基站收發(fā)站和基站控制器，還包括 移動終端，支持同時與多個基站收發(fā)站同步，即同時監(jiān)聽多個基站收發(fā)站的尋呼 通道和系統(tǒng)廣播通道，還支持在空閑狀態(tài)時可以自由切換于多個基站收發(fā)站之間。移動終
端內(nèi)置根據(jù)時間提前量計算距離的公式Z = ，其中L為移動終端和基站收發(fā)站的距
離，AT為時間提前量，c為光速。空閑狀態(tài)通常就是指移動終端與任何基站收發(fā)站都不通 訊，處于定期同步接受基站尋呼消息的狀態(tài)。 定位服務(wù)器，存有所有基站收發(fā)站的經(jīng)緯度坐標，內(nèi)置三角定位的計算公式，并連 接到有線和/或無線網(wǎng)絡(luò)。 三角定位的原理請參閱圖4， A點坐標(xl， yl) 、 B點坐標(x2， y2) 、 C點坐標(x3，
y3)已知，X點與A點距離Ll、 X點與B點距離L2、 X點與C點距離L3已知，那么三角定位
的計算公式就是 (xl-x)2+(yl-y)2 = Ll2 (x2-x)2+(y2-y)2 = L22 (x3-x)2+(y3-y)2 = L32 根據(jù)該公式便可以計算出X點坐標(x， y)。 請參閱圖5，上述無線定位系統(tǒng)的定位方法包括如下步驟 第1步，移動終端IOO平時同步在接收信號最好的第一基站收發(fā)站10，向第一基站 收發(fā)站10發(fā)出信道請求信息。第一基站收發(fā)站10收到信道請求信息后，經(jīng)第一基站控制 器(未圖示)處理，向該移動終端IOO發(fā)送立即指配信息，該立即指配信息包括第一基站收 發(fā)站IO或控制器測量的時間提前量AT1。該移動終端IOO接收第一基站收發(fā)站10的立即
八711 x r
指配信息，并根據(jù)公式Z1 = ^~計算與第一基站收發(fā)站10的距離Ll。移動終端立即回 到空閑狀態(tài)。 第2步，移動終端100切換到第二基站收發(fā)站20，向第二基站收發(fā)站20發(fā)出信道 請求信息。第二基站收發(fā)站20收到信道請求信息后，經(jīng)第二基站控制器(未圖示)處理， 向該移動終端100發(fā)送立即指配信息，該立即指派信息包括第二基站收發(fā)站20或控制器測 量的時間提前量AT2。該移動終端100接收第二基站收發(fā)站20的立即指配信息，并根據(jù)公
式丄2 = ^~^計算與第二基站收發(fā)站20的距離L2。移動終端立即回到空閑狀態(tài)。 第3步，移動終端100切換到第三基站收發(fā)站30，向第三基站收發(fā)站30發(fā)出信道 請求信息。第三基站收發(fā)站30收到信道請求信息后，經(jīng)第三基站控制器(未圖示)處理， 向該移動終端100發(fā)送立即指配信息，該立即指配信息包括第三基站收發(fā)站30或控制器測 量的時間提前量AT3。該移動終端100接收第三基站收發(fā)站30的立即指配信息，并根據(jù)公
式"=~^計算與第三基站收發(fā)站30的距離L3。 上述三步示意性地表現(xiàn)在圖6之中，其中的AT相當(dāng)于tl到t2的時間段加上t3 到t4的時間段。 第4步，移動終端IOO將與第一基站收發(fā)站10、第二基站收發(fā)站20、第三基站收發(fā) 站30的距離L1、L2、L3通過無線網(wǎng)絡(luò)(如GPRS網(wǎng)絡(luò)、WAP網(wǎng)絡(luò)等)發(fā)送到定位服務(wù)器(未圖示)，定位服務(wù)器查詢第一基站收發(fā)站10、第二基站收發(fā)站20、第三基站收發(fā)站30的坐 標，并根據(jù)公式(xl-x)2+(yl-y)2 = Ll2(x2-x)2+(y2-y)2 = L2H十算出移動終端100的坐標。 定位服務(wù)器將該坐標發(fā)(x3-x)2+(y3-y)2 = L32送給移動終端100。坐標通常是經(jīng)度、緯度 信息。 實際上，如果所有基站收發(fā)站的經(jīng)緯度坐標和三角定位的計算公式都內(nèi)置于移動 終端，那么便可以省略上述無線定位系統(tǒng)的定位服務(wù)器。相應(yīng)地，上述定位方法的第4步 中，移動終端可以自行查詢?nèi)齻€基站收發(fā)站的坐標，并根據(jù)三角定位公式自行計算該移動 終端自身的坐標。 本發(fā)明所述定位方法的第1步 第3步中，移動終端和基站收發(fā)站接收信號時，都 選擇強度最強的信號，而不是最早到達的信號。如果在高層障礙物密集的區(qū)域，信號傳輸存 在多條路徑，那么根據(jù)時間提前量A T計算移動終端與基站收發(fā)站的距離L就可能不是直 達路徑，而是反射路徑。為了消除多徑效應(yīng)的影響，本發(fā)明的定位方法還提出了如下改進
基站收發(fā)站在發(fā)送立即指配消息時，依據(jù)GSM協(xié)議標準，上層的消息是先分割成 23字節(jié)的標準數(shù)據(jù)塊，每個標準數(shù)據(jù)塊分成4個小數(shù)據(jù)塊分別在a0，al，a2，a3共四個被分 配的空中時隙內(nèi)發(fā)送。這樣移動終端接收每個小數(shù)據(jù)塊時都會接收到最早到達的信號和強 度最高的信號，最早到達的信號是直達路徑的可能性最大。移動終端測量每個小數(shù)據(jù)塊的 最早到達的信號和強度最高的信號的接受時間差A(yù)tO、 Atl、 At2……。如果最早到達的 信號也是強度最高的信號，則At為零。 移動終端還測量每個小數(shù)據(jù)塊最早到達的信號和標準時基的時間差A(yù)dO、 Adl、 Ad2……。移動終端通過接受基站發(fā)的廣播消息中的同步信號，和基站建立時間同步。在 移動終端的解調(diào)電路中有幀1/4比特(bit)計數(shù)器，從0-4999循環(huán)計數(shù)，它和基站發(fā)射幀 數(shù)據(jù)采用的幀1/4比特計數(shù)器是同步的?；驹谝粋€幀內(nèi)的哪個比特開始發(fā)送數(shù)據(jù)，移動 終端按照協(xié)議是事先知道的，假使空中信號無延時，移動終端接收到的時間就是標準時基。 例如，一個幀長為4999個1/4比特，一幀有八個時隙，如基站在第五時隙發(fā)送，那么移動接 收第五時隙的標準時基就是第2500個1/4比特。而實際移動終端在1/4比特計數(shù)器計數(shù) 到2505的時候才收到，那么Ad= (2505-2500) X 3. 7 iis。如果基站收發(fā)站和移動終端的 距離為零，則Ad = 0。 顯然，在AdO、 Adl、 Ad2……之中，最小的A d表示最早到達信號最有可能是移 動終端與基站收發(fā)站之間的最短距離。因此，本發(fā)明取最小Adx(假設(shè)接收第x個小數(shù)據(jù) 塊時最早到達的信號和標準時基的時間差最小)所對應(yīng)的Atx。并以該Atx對原根據(jù)時
間提前量計算距離的公式進行修正為"=(AT-;")x^ 。修正后計算的移動終端和基站收
發(fā)站的距離L'就是兩者間的直達路徑長度或接近于直達的路徑。相應(yīng)的無線定位系統(tǒng)中， 移動終端也將該修正公式內(nèi)置其中。 另一種消除多徑效應(yīng)的方法是移動終端計算上述AtO、 Atl、 A t2……的平均 值 + + +'…"。并以對原根據(jù)時間提前量計算距離的公式進行修正為
z,,= (Ar-。其余與上述方法相同。
2 綜上所述，本發(fā)明無線定位系統(tǒng)和現(xiàn)有系統(tǒng)相比，對網(wǎng)絡(luò)端設(shè)備(基站收發(fā)站、基站控制器乃至移動交換中心)無需任何改造，僅需修改用戶端設(shè)備(移動終端)的軟件或 芯片，大大降低了將現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)改造為具備定位功能的成本。本發(fā)明無線定位方法和現(xiàn) 有的Cell ID+TA技術(shù)相比，增加了根據(jù)TA時間延時的三角定位技術(shù)，可以獲得更高的定位 精確度?，F(xiàn)有的Cell ID+TA技術(shù)，由網(wǎng)絡(luò)端發(fā)起定位測量，而本發(fā)明由用戶端發(fā)起定位測 量。并且，現(xiàn)有的Cell ID+TA技術(shù)，查詢基站收發(fā)站的坐標并根據(jù)三角定位公式計算移動 終端坐標的工作由網(wǎng)絡(luò)端設(shè)備進行，本發(fā)明中該項工作則由用戶端設(shè)備或?qū)ｉT的服務(wù)器進 行。
權(quán)利要求
一種基于GSM網(wǎng)絡(luò)的無線定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括GSM網(wǎng)絡(luò)中的基站收發(fā)站和基站控制器，其特征是該系統(tǒng)還包括移動終端，支持同時與多個基站收發(fā)站同步，還支持空閑狀態(tài)時在多個基站收發(fā)站之間自由切換，內(nèi)置根據(jù)時間提前量計算距離的公式；定位服務(wù)器，存有所有基站收發(fā)站的經(jīng)緯度坐標，內(nèi)置三角定位的計算公式，并連接到有線和/或無線網(wǎng)絡(luò)。
2. —種基于蜂窩無線通信網(wǎng)絡(luò)的無線定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括蜂窩無線通信網(wǎng)絡(luò)中的基 站收發(fā)站和基站控制器，其特征是該系統(tǒng)還包括移動終端，支持同時與多個基站收發(fā)站同步，還支持空閑狀態(tài)時在多個基站收發(fā)站之 間自由切換，存有所有基站收發(fā)站的經(jīng)緯度坐標，內(nèi)置根據(jù)時間提前量計算距離的公式和 三角定位的公式。
3. —種如權(quán)利要求1所述的無線定位系統(tǒng)的定位方法，其特征是該方法包括如下步驟第1步，移動終端同步在接收信號最好的第一基站收發(fā)站，向第一基站收發(fā)站發(fā)出信 道請求信息，接收第一基站收發(fā)站的立即指配信息，計算與第一基站收發(fā)站的距離，然后立 即回到空閑狀態(tài)；第2步，移動終端切換到第二基站收發(fā)站，向第二基站收發(fā)站發(fā)出信道請求信息，接 收第二基站收發(fā)站的立即指配信息，計算與第二基站收發(fā)站的距離，然后立即回到空閑狀 態(tài)；第3步，移動終端切換到第三基站收發(fā)站，向第三基站收發(fā)站發(fā)出信道請求信息，接收 第三基站收發(fā)站的立即指配信息，計算與第三基站收發(fā)站的距離；第4步，移動終端將與第一基站收發(fā)站、第二基站收發(fā)站、第三基站收發(fā)站的距離通過 無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到定位服務(wù)器，定位服務(wù)器計算出移動終端的經(jīng)緯度坐標并發(fā)給移動終端。
4. 一種如權(quán)利要求2所述的無線定位系統(tǒng)的定位方法，其特征是該方法包括如下步驟第1步，移動終端同步在接收信號最好的第一基站收發(fā)站，向第一基站收發(fā)站發(fā)出信 道請求信息，接收第一基站收發(fā)站的立即指配信息，計算與第一基站收發(fā)站的距離，然后立 即回到空閑狀態(tài)；第2步，移動終端切換到第二基站收發(fā)站，向第二基站收發(fā)站發(fā)出信道請求信息，接 收第二基站收發(fā)站的立即指配信息，計算與第二基站收發(fā)站的距離，然后立即回到空閑狀 態(tài)；第3步，移動終端切換到第三基站收發(fā)站，向第三基站收發(fā)站發(fā)出信道請求信息，接收 第三基站收發(fā)站的立即指配信息，計算與第三基站收發(fā)站的距離； 第4步，移動終端計算經(jīng)諱度坐標。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的無線定位系統(tǒng)的定位方法，其特征是所述方法的第1 3步中，基站收發(fā)站發(fā)出的立即指配信息分為多個小數(shù)據(jù)塊發(fā)送，移動終端接收每個小數(shù)據(jù) 塊時都測量最早到達信號和強度最強信號的接收時間差，移動終端還在接收每個小數(shù)據(jù)塊 時測量最早到達信號的接收時間和標準時基的時間差；移動終端取最小的最早到達信號的 接收時間和標準時基的時間差，并以所對應(yīng)的最早到達信號和強度最強信號的接收時間差對原根據(jù)時間提前量計算距離的公式進行修正，并根據(jù)修正后的公式計算與基站收發(fā)站的 距離。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的無線定位系統(tǒng)的定位方法，其特征是所述方法的第1 3步中，基站收發(fā)站發(fā)出的立即指配消息分為多個小數(shù)據(jù)塊發(fā)送，移動終端接收每個小數(shù)據(jù) 塊時都測量最早到達信號和強度最強信號的時間差，并計算這些時間差的平均值，以該平 均值對原根據(jù)時間提前量計算距離的公式進行修正，并根據(jù)修正后的公式計算與基站收發(fā) 站的距離。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于GSM網(wǎng)絡(luò)的無線定位系統(tǒng)，包括GSM網(wǎng)絡(luò)中的BTS和BSC，還包括MS，支持同時與多個BTS同步以及空閑狀態(tài)時多BTS的自由切換，內(nèi)置根據(jù)TA計算MS與BTS距離的公式；定位服務(wù)器，存有所有BTS的經(jīng)緯度坐標，內(nèi)置三角定位的計算公式，并連接到有線和/或無線網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明還公開了上述無線定位系統(tǒng)的定位方法，MS分別向三個BTS發(fā)出信道請求信息，接收返回的立即指配信息，其中包括TA，MS據(jù)此分別計算與三個BTS的距離，將其通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到定位服務(wù)器，定位服務(wù)器計算出MS的經(jīng)緯度坐標并發(fā)給MS。本發(fā)明可獲得更高的定位精確度，并且無需對網(wǎng)絡(luò)端軟件進行修改，大大降低了網(wǎng)絡(luò)改造成本。
文檔編號H04W40/02GK101742634SQ20081004401
公開日2010年6月16日 申請日期2008年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月27日
發(fā)明者盧斌 申請人:上海易酷信息技術(shù)服務(wù)有限公司